化工原理幻灯片——第一章-流体流动

1、第一章 流体流动,流体是指具有流动性的物体，包括液体和气体。 流体输送操作是化工生产中应用最普遍的单元操作。 流体流动是其它化工过程的基础。 在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集团所组成的连续介质 。 流体力学 ：流体静力学和流体动力学,流体静力学,流体静力学研究流体静止或平衡的基本规律，以及这些规律的实际应用。在工程实际中的主要应用如：流体在设备或管路内压强的变化与测量，液体在设备内液位的测量，设备的液封等。,流体的密度,、密度：在均质流体中，单位体积流体的质量。 =m/v kg/m3 、比容：单位质量流体的体积。 =v/m m3/kg 流体的比容与密度互为倒数。,液体的密度,温度对液体密度有一定影响，故选用密度数值时要注意所确定的温度。 液体的比重是指在任何温度下时液体的密度和水在4时密度之比值： S = /水 = /1000 混合液体 :,气体的密度,1、气体的密度随压力和温度变化很大，按照理想气体状态方程式近似计算 : PV=nRT= RT =m/V=PM/RT 2、理想气体标况时 :0=M/22.4 kg/m3 3、当已知气体标况密度0 ： =0T0/TP/P0 4、

2、混合气体 ：=PM均 /RT m = AxVA + BxVB + + NxVN,作用在流体上的力,内力：流体内部分子间的相互作用力，分子间引力，压力，内摩擦力，它们在流体内部，对所研究的那块流体来讲是相互平衡的，对流体的运动是没有影响的。 外力：外界作用于所研究的那块流体的力。外力分表面力和质量力两种，流体运动的情况取决于外理。,作用在流体上的外力,a)表面力：作用在所研究的那块流体表面上的力称表面力，属于这种力的有与该表面垂直的法向力以及与该表面相切的切向力，法向力即压力。 b)质量力：作用在所研究的流体各个质点上的一种力，其大小与质点的质量成正比，对均质流体来说，也与流体的体积成正比，故亦称体积力。,流体静压强（压力）,静止流体中任意界面上只受到大小相等方向相反的压力，由于该压力产生在静止流体中，因而称为静压力。单位面积上所受的静压力，称为流体静压强。 p =P/A N/m2(Pa) 使界面的面积缩小并趋于一点 ：,流体静压强的特征,1、流体静压强的方向总是和作用的面相垂直，并指相所考虑的那部分流体的内部，即沿着作用面的内法线方向。 2、静止流体内部任何一点处的流体静压力，在各个方

3、向都相等。 3、在流体与固体接触的表面，不论器壁的方向形状如何，流体静压力总是垂直于器壁。,流体静压强的单位,在SI制中压力单位Pa : 1kPa=103Pa=106mPa 设容器底面积为Am2液柱高hm，液体密度 kg/m3，则液体作用在底面的力为P N等于液柱重量： P=mg=Ahg N 作用在单位底面上的压力： p=P/A=hg N/m2 当液体一定，P、g一定为常数，所以可用高度h的大小表示压力P的大小： h=p/g m,常用压力单位的换算,1atm=1.013105Pa=1.033at=760mmHg= 10.33mH2O 1at=9.81104Pa=1kgf/cm2=735.6mmHg= 10mH2O 1bar=105Pa=1.013at=750mmHg=10.13H2O,表压、真空度和绝对压强,当设备内实际压强（绝压）等于外界大气压时，压力表读数为0。 当设备内绝压大于外界大气压时，压力表读数表明绝压与外界大气压之差。 P表=P绝P大 当设备内绝压小于外界大气压时，真空表读数表明外界大气压与绝压之差。 P真=P大P绝 真空度越大，绝压越小，真空度又称负表压 。,流体静力学

4、基本方程,一、概念： 由于这时流体处于相对静止状态，所以流体所受的质量力只有重力，而重力就是地心吸力，是可以看作不变的，但静止流体内部各点的压力是不同的，所以实质上是讨论流体内部压力变化的规律，用于描述这一规律的数学表达式称为流体静力学基本方程。,二、推导：,重力F的投影：-ghdA 上截面压力：-P0dA 下截面压力：PadA Pz=0 -ghdA - P0dA + PadA = 0 流体静力学基本方程式: Pa = P0 + gh,三、讨论：,1、当容器上方的自由表面上压力的大小一定时，静止液体内部任一点压力的大小与流体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此在静止的流通的同一液体处，处于同一水平面上各点的压力都相等。 2、当液面上方的压力有变化时，液体内部各点的压力也发生同样大小的改变。 3、可见压力差的大小可以用一定高度差的液体柱来表示，这就是前面所介绍的压力可以用单位来计量的依据。但必须注明何种液体。,流体静力学基本方程式的应用举例,一、流体静压力的测量： 二、液位的测量： 三、液封高度的计算：,流体在管内的流动,1、流量：流体在管内流动时，单位时间内统过任一截面的流体量。 体

5、积流量：Vs(m3/s)质量流量：Ws(kg/s) 关系： Ws=Vs 2、流速：流体在管内流动时，单位时间内的距离。 平均流速 u=Vs/S 质量流速 G kg/m2s,3、Vs，Ws，u，G之间的关系： u=Vs/A Vs=uS G=Ws/A=uA/A=u 4、圆形管道直径的选定： 一般管路截面积都是圆形， S Vs=u 则 u=Vs/ di=,稳定流动与不稳定流动,1、 稳定流动 各截面上流体的流速，压强，密度等有关物理量仅随位置而改变，不随时间而改变的流动称为稳定流动。 2、不稳定流动 各截面上流体的流速，压强，密度等有关物理量不仅随位置而改变，而且随时间而变的流动就称为不稳定流动。,流体稳定流动时的物料衡算连续性方程,物料衡算 Ws1Ws2常数 kg/s u11A1=u22A2常数 连续性方程 若流体不可压缩液体 常数 u1S1=u2S2 对圆管 S=d2/4 u1d12=u2d22,流体稳定流动时的能量衡算柏努利方程,一、流动系统的总能量衡算 简单流程 、基本假设 、衡算范围 、衡算基准 、基准水平面、衡算内容 U1+gz1+u12/2+P1v1+Qe+We=U2+gz2+

6、u22/2+P2v2 总能量衡算式 即、U + gz + u2/2 + (Pv) = Qe + We,流动系统的机械能衡算柏努利方程,Qe = Qe +hf U = Qe +hf - 代入总能量衡算式: Qe + hf - + gz +u2/2 + (Pv) = Qe + We (Pv)= + gz+u2/2+ =We-hf,不可压缩流体 : 比容v=c,v=1/ =p/ gz+u2/2+p/=We-hf 或gz1+u12/2+p1/+We=gz2+u22/2+p2/+hf,gz1+u12/2+p1/+w=gz2+u22/2+p2/+E损,它的应用条件： 1、连续的稳定流动 2、不可压缩流体的流动 3、同一种流体内 4、对气体 (p1-p2)/p120% 可以用，但用m,柏努利方程的应用,确定容器的相对位置 确定送料用压缩空气的压力 确定输送设备的有效功率 计算管道中流体的流量,应用柏努利方程的解题要点,1、作图，确定衡算范围 2、截面的选取 3、基准水平面的选取 4、单位必须一致，各物理量单位换算成一致的，对压强表示方法也要一致，同时用绝压或同时用表压。,流体在管内的流动阻力,一、流

7、体的粘性 粘性：尽管流体抵抗剪切力的性能很弱，但这种性能还是存在的，并且在某些情况下还是不能忽略，我们把流体的这种抗拒剪切力的特性，称为粘性。粘性越大，内摩擦力越大，阻力越大。 内摩擦力：流体运动时内部相邻两流体层间的相互作用力，称为内摩擦力，是流体粘性的表现，又称粘滞力或粘性摩擦力。内摩擦力是流体运动时造成能量损失的根本缘由。,二、牛顿粘性定律,流体内摩擦力F = u S/y 剪应力 =F/S=u/y 管内流动时： =du/dy （牛顿粘性定律 ） 粘度,流体的粘度,粘度的物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 粘度是流体的物理性质之一，其值由实验测定，液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，其粘度基本不变。气体粘度随压强增加而增加的很小，工程计算一般忽略。,粘度单位,在SI制中，=Pa S=kg/(S m) 1P=1g/(cm s)=100cP=0.1Pa S 运动粘度：=/ 单位：在SI中为m2/s 物理制为cm2/s，称为斯托克斯，简称拖（st） 对常压气体混合物的粘度 m=yiiMi1/2 / yimi 对于分子不缔和的液体混合物的粘度： lgm=xilgI,流体的

8、流动型态,两种流动型态： 层流：各层以不同的流速平行 于管壁向前流动。 湍流：除了沿管道向前运动以 外，各质点还作不规则的杂乱运动且互相碰撞，互相混和。,雷诺实验装置,雷诺实验录象,流型的判据雷诺数,雷诺数 Re=(du)/ Re是一个准数，即没有单位的纯数 实验证明，流体在管内流动时 层流 Re 4000 过渡流 2000 Re 4000,流体在圆管内的流动速度分布,速度分布：由于流体具有粘度，使管壁处速度为零，离开管壁以后速度渐增，到中心处速度最大，此种变化关系称速度分布。,湍流时滞流内层和缓冲层,层流内层或滞流底层 缓冲层或过渡层 湍流主体 层流内层的厚度随Re的增大而减薄,单根圆管外边界层分离,流体阻力的计算,直管阻力：流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦力而产生的阻力。 局部阻力：主要是由于流体流经管路的管件，阀门及管截面的突然扩大或突然缩小等局部地方所引起的阻力。,衡算系统中能量损失可用不同方法来表示,以1kg流体为衡算基准：hf 以1N流体为衡算基准：hf/g=Hf 以1m3流体为衡算基准：hf =Pf 由实验得知，流动的流速越快，阻力越大，由于克服阻力消耗的能量愈

9、多。 hf=u2/2,流体在直管中的流动阻力,计算圆形直管阻力的通式范宁公式 hf= 其中：=8/u2,管壁粗糙度对摩擦系数的影响,1、 绝对粗糙度：指壁面凸出部分的平均高度 2、 相对粗糙度：指绝对粗糙度与管道直径的比值。/d 层流：管壁上凹凸不平的地方都是被有规则的流体层所覆盖，而流动速度又比较缓慢，流体质点对管壁凸出部分不会碰撞，故层流时，与管壁粗糙度无关。 湍流： 当b此时管壁粗糙度对于的影响与层流相同。 当b此时壁面粗糙度对影响成为重要因素。,层流时的摩擦系数 =64/Re 湍流时的摩擦系数 湍流时摩擦系数与流动型态和管壁粗糙度有关。影响因素很多无通用计算式，只能用经验公式算或图1-31查得值。,摩擦系数,非圆形管道的摩擦系数,当量直径de= 对于非圆形管道用当量直径代替直径计算，湍流时的计算与圆管相同，层流时=C/64,C值的不同情况见书。,管路的局部阻力,流体在管路的进口，出口，弯头，阀门，扩大，缩小等局部位置流过时的阻力称为局部阻力。,1、 阻力系数法 把克服局部阻力所引起的能量损失，用动能与系数相乘的形式来表示。 hf=u2/2 局部阻力系数，一般由实验测定。 2、 当量长度法 把流体的局部阻力折合成相当于流体流过长度为le的同直径的管道时所产生的阻力。 hf=,管路总能量损失的计算,流体输送管路的计算,简单管路：管径相等或由不同管径的管段串联组成的管路。 复杂管路：指并联管路，分支与汇合管路等。,简单管路的计算,1、 已知管径，管长，管件和阀门的设置及流体输送量求流体通过此管路系统的能量损失，以便于进一步确定设备内压力，设备间的相对位置或输送设备所加入的外功。 2、 已知管材，管径，管长，及局部阻力系数，供液点，需液点的位置和压力及供液点的压力情况，求流体的流速或流量。 3、已知管长，管件和阀门

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