化工原理 伯努利方程.doc

word伯努利方程  流体宏观运动机械能守恒原理的数学表达式1738年瑞士数学家D.伯努利在《水动力学──关于流体中力和运动的说明》中提出了这一方程它可由理想流体运动方程（即欧拉方程）在定态流动条件下沿流线积分得出；也可由热力学第一定律导出它是一维流动问题中的一个主要关系式，在分析不可压缩流体的定态流动时十分重要，常用于确定流动过程中速度和压力之间的相互关系 方程的形式 对于不可压缩的理想流体，密度不随压力而变化，可得：Zg+＝常数式中Z为距离基准面的高度;P为静压力;u为流体速度;ρ为流体密度;g为重力加速度方程中的每一项均为单位质量流体所具有的机械能，其单位为N·m/kg，式中左侧三项，依次称为位能项、静压能项和动能项方程表明三种能量可以相互转换，但总和不变当流体在水平管道中流动时Z不变，上式可简化为：＝常数此式表述了流速与压力之间的关系:流速大处压力小,流速小处压力大 对于单位重量流体,取管道的1、2两截面为基准,则方程的形式成为：式中每一项均为单位重量流体的能量，具有长度的因次，三项依次称为位头、静压头和动压头（速度头） 对于可压缩理想流体，密度随压力而变化。

若这一变化是可逆等温过程，则方程可写成下式：若为可逆绝热过程，方程可写为：式中为定压比热容和定容比热容之比，即比热容比，也称为绝热指数对于粘性流体，流动截面上存在着速度分布，如用平均流速表达动能项，应对其乘以动能校正系数此外,还需考虑因粘性引起的流动阻力,即造成单位质量流体的机械能损失f ，若在流体流动过程中，单位质量流体又接受了流体输送机械所做的功W，在这些条件下,若取处于均匀流段的两截面1和2为基准，则方程可扩充为：值可由速度分布计算而得, 流体在圆管作层流流动时=2；作湍流流动时，≈1.06 方程的应用 伯努利方程阐明的位能、动能、静压能相互转换的原理，可用来分析计算一些实际问题，例如：①计算流体从小孔流出的流速 设在容器中盛有液体，液面维持不变,距液面下处的容器壁面上开有一小孔，液体在重力作用下自小孔流出据伯努利方程可以计算出液体由小孔流出时的平均流速为：式中d为孔流系数，其值由实验确定，约为0.61～0.62；g为重力加速度由上述速度及已知的小孔面积,可算出通过小孔的流量；或由这一关系，计算确定达到一定流量所必须维持的液面高度若气体在一定压力差作用下由容器壁上的小孔流出，当速度不过大时，可视为不可压缩流体，其流量也可以利用伯努利方程来估计。

②毕托管 设均匀气流以等速0绕过某物体流动，气流受阻后在物体前缘（A处）停滞，形成驻点（图1驻点），该点处的压力称为驻点压力A 若未受扰动的某点O压力为o，由伯努利方程可得测出A与o的差值, 即可算出流速0据此原理计设的测速装置，称测速器,又称毕托管毕托管（图2毕托管结构）由一个圆头的双层套管组成，在圆头中心处开有与套管相连的小孔,套管与测压计的一头联接,以测定驻点压力A；在外套管侧表面一定距离处，沿周向均匀地开一排与管壁垂直的静压孔，外套管与测压计的另一头相联，以测定压力0根据测得的压力差h,可计算测点处的流速③文丘里管 又称文氏管(图3 文丘里管)，是一种先收缩而后逐渐扩大的管道由于截面积有变化，流速改变，根据伯努利方程，压力也随之改变量出管前与喉管处的压力差，即可推算流量用于测量流量的文丘里管，称文丘里流量计又由于文丘里管喉部形成高速气流，会产生负压而抽吸液体，使气液密切接触，用于完成气体的洗涤、冷却、吸收和反应等操作用于这类操作的文丘里管称为文丘里洗涤器 关于伯努利方程1700年1月29日，伯努利出生于瑞士．他不仅是一位物理学家，还是一位数学家．18世纪40年代末，他出版了著名的著作《流体力学》一书，书中用能量守恒定律解决流体的流动问题，他分析流体流动时压强和流速的关系并得出方程，这就是后来以他的名字命名的伯努利方程，书中伯努利还明确叙述了分子动理论，认为气体作用在器壁上的压力可以用大量的分子快速来回运动来解释，他还发表了海水潮汐.弦振动问题等论文，在有关微积分、微元方程和概率论等数学方面，他也做出了卓越的贡献，在1725～1749年期间，伯努利曾十次荣获法国科学院年度奖．伯努利通过实验得出：理想流体在做稳定流动时，流速大的地方压强小，流速小的地方压强大(但并非反比关系)，其数学表达式为p+ρv２／２＋ρgh＝恒量这就是著名的伯努利方程.(1)确定静止液面下深度为h处的压强如右图所示，在装有液体的容器里取液面上的点A和在液面下深h处的点B来研究，以点B处的水平面作为零(势能)参考面，则hＡ＝ｈ1，ｈB＝０，ｐA＝ｐ0又因液体静止v1＝ｖ2＝０，代入伯努利方程得pＢ＝ｐA＋ρgh＝ｐ0＋ρgh(2)求液体从小孔中流出的流速设在液面下深为h的容器壁上有一小孔，液体从小孔中流出，取在液面上点A和小孔处点B来研究，因为容器的截面比小孔的截面大得多，所以容器中水面的下降很慢，点A处的液体微粒的流速可以不计，即vA＝０，以B点处高度为零，则hA＝ｈ，ｈB＝０，点A、B处与大气接触，所以pA＝ｐB＝ｐ0（大气压），代入伯努利方程得p0＋ρgh＝ｐ0＋ρv即vB＝(3)测量流体的流速测量流体在管中的流速时，可用下图所示的仪器， 因为它常用来测量气流速度，所以叫做气流速度计，分别把必多管A(必多管是一根一端封闭的弯管，封闭端A光滑微尖，并在靠近封闭端的侧面上开有很多的小孔)和一个管口朝向气流的管子B(动压管)接在U形管压强计上，据U形管两边的液柱的高度差便可求出气体的流速．设气体稳定流动的速度是v，气体的密度是ρ0，压强计液体的密度是ρ0，在管A上小孔处气体的压强是pA，管B中气体的压强是pB，管B中气体因受管里流体的阻碍，它的流速等于0，由于管A与管B的端口均在同一高度上且气体的同一流线上，据伯努利方程得pＡ－ρv2／２＝pB＋０故pB－pＡ＝ρv2／２．根据U形管两边的高度差h，可求出两管中的气体的压强差为pB－pＡ＝ρ0gh由以上各式得v＝因此，测量出h就可以求出气流的速度．(1) 液流和气流的空吸作用如下图所示，若在水平管的细颈处开一小孔A，用细管接入容器B中容器，流动液体不但不会流出，而且容器B中液体可以被吸上去，为研究此原理，做如下推导：设左上方容器E很大，流体流动时，液面无显著下降，液面与出液孔的高度差为h，SＡ和SF分别表示水平管上小孔A与出液孔F处的横截面积，用ρ表示液体的密度，设液体为理想流体，取容器E中液面上的点C和水平管上小孔A以及出液孔F处的水作为研究对象，据伯努利方程，得到：pC＋ρgh＝pＡ＋ρv＝ｐF＋ρv又因为pC＝pF＝ｐ0代入上式得到v2F＝ρghpA－ｐ0＝（ｖ）据流体在水平管中做稳定流动时，管中各处的流量Ｑ＝ρvSt不变，有:由上述几式综合得到SＦ＞SA．则pA－p0＝ρgh（１－）＜０即小孔C处有一定的真空度，因此可将B中液体吸入，这种现象叫做空吸作用．不但液流有空吸作用，气流也同样有空吸作用，所遵循的规律也相同，空吸作用的应用很广，化学实验室中的水流抽气机、燃机的汽化器、蒸汽锅加水所用的射水器是根据这个原理制成的．参考资料：《中学物理教学参考》20007伯努利及方程的应用 余学昌《流态化工程原理》容简介 　　固体流态化技术是化学工程领域的一个重要分支。

流化床具有非常高的传热和传质效率与大量处理颗粒的能力，因而在化工、石油加工、能源、环境保护、食品加工、药品生产等领域中得到了非常广泛的应用与工业实践紧密相关的科研工作也由此而异常的活跃，新的科研成果和理论不断涌现随着基础科研工作和国民经济的进一步发展，流态化技术势将在更多的领域中得到应用 　　本书为第一本在固体流态化方面的中文专著，由16位海外专家和知名学者集数年之精力才得以完成作为专著，书中容包括了流态化方面几乎所有的重要容全书共分11章：第1章介绍流态化现象及其发展历史；第2章提供有关的基础知识；第3，4，5章详述了气固密相流化床、循环床及顺重力场流化床的流动规律；第6，7章论述流化床的传热和反应器模型与放大；第8章描述了喷动床的基本特性；第9章给出了许多流化床工业应用的实例；第10章专门讲述流化床的实验技术及测试手段方法；第11章介绍液固散式流态化和气液固三相流化床的发展近况 　　本书可供从事流态化工作的学者、科研人员、工程技术人员、运行和管理人员参考，也可作为高等院校化工、石油、热能及其他有关专业的教材和教学参考书 第五节    固体流态化本节容：流态化的基本概念 流化床流动阻力 流化床的主要特点和操作优缺点   简单来说，固体流态化就是固体物质流体化。

流体以一定的流速通过固体颗粒组成的床层时，可将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中，颗粒在流体作用下上下翻滚，犹如液体这种状态即为流态化    流态化是目前化学工业以及其他许多行业（譬如能源、冶金等）广泛使用的一门工业技术在化学工业中主要用以强化传热、传质，亦可实现气固反应、物理加工乃至颗粒的输送等过程3-5-1  流态化的基本概念一、流态化现象当一种流体自下而上流过颗粒组成的床层时，因流速不同会出现不同的情况：    1、固定床阶段  当流体通过床层的空截面流速较低时，床层空隙中流体的实际流速u小于颗粒的沉降速度ut，则颗粒静止不动，为固定床，如图（a）    2、流化床阶段（1）临界流化床    当u增大到一定程度时，颗粒开始松动，床层开始膨胀，u继续升高，床层开始继续膨胀，直到刚好全部颗粒都悬浮在向上流动的流体中此时，颗粒所受浮重力与流体和颗粒之间的摩擦力相平衡，称初始或临界流化床，如图（b）气体或液体（a）气体或液体（b）（2）流化床  当流速继续增加，床层L亦不断升高，此即为流化床液固系统床层平稳渐增，如图（c）；气固系统则出现鼓泡和气体沟流现象，搅动剧烈，固体颗粒运动活跃，象沸腾的液体，因此亦称沸腾床。

3、颗粒输送阶段    当流体在床层中的实际流速超过颗粒的沉降速度ut时，流化床上界面消失，颗粒将随流体被带出容器外，此为输送床，如图（e）液体气体气体或液体二、流态化操作类型    流态化操作可有多种分类方法：1、以流化介质分：    1）气—固流化床  以气体为流化介质目前应用最为广泛，如各种气—固相反应、流化床燃烧、物料干燥等    2）液—固流化床  以液体为流化介质这类床问世较早，但不如前者应用广泛多见于流态化浸取和洗涤、湿法冶金等    3）三相流化床  以气、液体两种流体为流化介质这种床型自七十年代有报道以来发展很快，在化工和生物化工领域中有较好的应用前景2、以流态化状态分：    1）散式流态化  固体颗粒均匀地分散在流化介质中，亦称均匀流化或理想流化此流化状态有以下特点：a：在流化过程中有一个明显的临界流态化点和临界流化速度；b：流化床层的压降为一常数；c：床层有一个平稳的上界面；d：流态化床层的空隙率在任何流速下都有一个代表性的均匀值不因床层的位置而变化    通常，两相密度差小的系统趋向形成散式流化，故大多数的液—固流化为散式流化    2）聚式流态化  不具备散式流化特点的系统为聚式流化。

一般密度差较大的系统（如气—固系统）趋向于形成聚式流化    聚式流化的特点是：当流速大于临界流化速度后，流体不是均匀地流过颗粒床层，一部分流体不与固体混合就短路流过床层如气—固系统，气体以气泡。