化工原理天大版第一章流体流动

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1、第一章 流体流动,1.1 流体的物理性质 1.2 流体静力学基本方程式 1.3 流体流动的基本方程 1.4 流体流动现象 1.5 流体在管内的流动阻力 1.6 流量测量,1.1 流体的物理性质,1.1.1 流体的密度 1.1.2 流体的黏度,1.流体：液体和气体的总称,(1) 流动性； (2) 无固定形状，随容器的形状而变化； (3) 在外力作用下流体内部发生相对运动； (4) 抗剪抗张的能力很小。,假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布，可用连续函数加以描述。,2.流体连续性假设：,液体,气体,不可压缩流体,1.1.1

2、流体的密度,可压缩流体,定义：单位体积流体具有的质量,点密度,理想气体的密度,混合流体的密度,液体混合物,1kg混合物为基准，设各组分混合前后体积不变,气体混合物,xw-组分的质量分数,1m3混合气体为基准，设各组分混合前后质量不变,xV-组分的体积分数,比容（比体积）,比重,单位质量流体所具有的体积,y-组分的物质的量分数,补充,1.牛顿黏性定律,1.1.2 流体的黏度,运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力就是流体的内摩擦力或剪切力，黏滞力或黏性摩擦力,影响摩擦力的因素,平板间,内摩擦应力（剪应力）：单位面积上的内摩擦力,圆筒内,速度梯度：在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率,

3、比例系数，流体黏性越大，其值越大，黏滞系数或动力黏度，简称黏度,y,x,o,dy,du,牛顿型流体：凡符合牛顿黏性定律的流体，所有气体和大多数液体。,非牛顿型流体：凡是剪应力与速度梯度不符合牛顿黏性定律的流体均称为非牛顿型流体。胶体溶液、泥浆、乳浊液、长链聚合物溶液、涂料及混凝土等。,2.流体的黏度,黏度的物理意义： 促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力,液体的粘度随温度的升高而减小；气体的粘度随温度的升高而增大。压力对液体和气体粘度的影响很小。,黏度的单位,运动黏度,3.理想流体,黏度为零的流体,1.2 流体静力学基本方程式,1.2.1 静止流体的压力 1.2.2 流体静力学基本方程式 1.

4、2.3 流体静力学基本方程式的应用,垂直作用于流体单位面积上的力称为流体的静压强，简称压强，俗称压力，Pa,点压强：,1.2.1 静止流体的压力,压力,1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133105Pa,压强的单位,工程上将1kgf/cm2近似地作为1个大气压，称为1工程大气压,表压强=绝对压强大气压强,压强的不同表示法,以绝对零压作为起点计算的压强，是流体的真实压强,真空度=大气压强绝对压强,表压强,绝对压强,真空度,大气压、绝对压强、表压强（真空度）之间关系,P1,P2,W,z1,z2,h,静止液体内部力的平衡,1.2.2 流

5、体静力学基本方程式,流体在重力和压力下的平衡规律,当液面上方的压强为p0，距液面h处的压强为p,流体静力学方程的适用条件及意义：,只适用于静止的、连通的同一种连续流体。,在重力场作用下，静止液体内部压强的变化规律,传递定律：p0有变化时，流体内部其他各点上的压强也发生变化； 等压面的概念：在静止的同一连续流体内，处于同一水平面上各点的压强都相等； 压强可以用一定高度的流体柱来表示。,测量两截面间的压强差或任意截面上的压强； 测量容器内的液面位置； 计算液封高度。,一、测量压强差与压强,（1）U形管压差计（液柱压差计）, 指示液A与被测流体B不互溶也不起化学反应,应用条件,1.2.3 流体静力学

6、基本方程式的应用,若要求测定系统中某点压力时，将U形管压力计的一侧直接与大气相连通，则称为测压管，测量的是系统的表压或真空度。,（2）微差压力计,U管内放入两种密度相近且互不相溶的指示液A和C。 在U管顶部增设两个扩张室。,生产中配套使用的两种指示液有： 石蜡油和乙醇水溶液、苯甲基醇和氯化钙盐水,U形管的直径d与扩张室直径D之比： 1:10,二、计算液封高度,安全液封装置,为控制乙炔发生炉内压强不超过10.7103Pa（表压），需在炉外装有安全液封，其作用是当炉内压强超过规定值时，气体就从液封管排出。求安全液封管应插入槽内水面下的深度。,1.3.1 流量和流速 1.3.2 稳态流动和非稳态流动

7、 1.3.3 连续性方程式 1.3.4 柏努利方程式 1.3.5 柏努利方程式的应用,1.3 流体流动的基本方程,流量:单位时间流过管道内任一截面流体量,流速:单位时间内流体在流动方向上通过的距离,体积流量Vs m3/s 质量流量ws kg/s,1.3.1 流量和流速,管中心：r=0，ur=umax； 管壁处：r=R，ur=0；,在工程计算上为方便起见，流体的流速通常指整个管截面上的平均流速,质量流速:单位时间内气体通过管道单位截面的质量,输送管路的直径,m/s,kg/(m2s),流体流动时，若任一点处的流速、压力、密度等与流体有关的流动参数都不随时间而变化，稳态流动。 只要有一个流动参数随时

8、间变化，非稳态流动。,不稳定流动,1.3.2 稳态流动和非稳态流动,1.3.3 物料衡算-连续性方程式,质量守恒定律,若输送管路直径相同，则A为常数,在等直径管道中输送不可压缩流体时速度为常数,若是可压缩流体在等径管道中流动,若输送不可压缩流体,反映在稳态流动系统中，流量一定时，管路各截面上平均流速变化规律,连续性方程的规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送机械等无关。,连续性方程的意义：,注意：,1.3.4 能量衡算-柏努利方程式,一、流动系统的总能量衡算,内能：物质内部能量的总和，U，J/kg 位能：流体因受重力的作用，在不同的高度具有的不同的位能，相当于质量为m的流体自基准水

9、平面升举到某高度所作的功，位能=mgZ，J/kg 动能：mu2/2 ,J/kg,（一）流动着的流体本身具有的能量：,静压能（压强能）：通过截面的流体必定带着能量进入系统，流体所具有的这种能量称为静压能或流动功,设m、V流体通过截面，推进此截面所需作用力,流体通过此截面所走的距离,静压能,1kg流体输入的静压能,静压能单位：,位能、动能、静压能称为机械能，三者之和称为总机械能,（二）系统与外界交换的能量,与换热器交换的能量：若换热器对流体加热，则Qe为从外界向系统输入的能量；若换热器对流体冷却，则Qe为系统向外界输出的能量，J/kg。 输送机械向系统输入的功:流体由输送机械所获得的能量，称外功或

10、净功，亦称有效功We ，J/kg。,恒算范围:内壁面、1-1与2-2 恒算基准:1kg流体； 基准水平面:O-O平面。,（三）能量衡算,能量守恒定律：,输入的总能量 = 输出的总能量,稳态流动过程的总能量衡算式，也是流动系统中热力学第一定律表达式。,二、流动系统的总机械能衡算,根据热力学第一定律：,1kg流体在1-1到2-2之间所获得的热,被加热而引起体积膨胀所作的功,Qe由两部分组成：一部分是流体与环境所交换的热，即换热器提供的热量；一部分是液体为克服流体阻力而消耗的一部分机械能，这部分机械能转变成热,只能略微提高流体的温度，而不能直接用于流体的输送，这部分机械能实际上损失，称能量损失,设1

11、kg流体在系统中流动，因克服流体阻力而损失的能量为hf,表示1kg流体流动时机械能的变化关系，称为流体稳态流动时的机械能衡算式,可压缩流体与不可压缩流体均适用。,三、柏努利方程,不可压缩流体的v或为常数,四、柏努利方程式的讨论,（1）稳态流动的流体,不可压缩理想流体在管道内作稳态流动而且无外功输入时，在任一截面上单位质量流体所具有的总机械能为常数,理想流体且无外功加入,各种形式的机械能可以相互转换,gz、u2/2、p/是指在某截面上流体本身所具有的能量；We和hf是指流体在两截面间流动时获得和消耗的能量。 We：输送设备对单位质量流体所做的有效功，是选择流体输送设备的重要依据 Ne：单位时间输

12、送设备所作有效功称有效功率,（2）单位质量流体具有的能量：,可采用柏努利方程进行计算，但式中的流体密度应以平均密度m代替,（3）可压缩流体的流动,（4）静止的流体,柏努利方程式表示流体流动及静止状态的规律,以单位重量流体为衡算基准，除以g,（5）不同衡算基准下的柏努利方程,单位：,Z、u2/2g、p/g、Hf 称为位压头、动压头、静压头、压头损失； He：输送设备对流体提供有效压头。,物理意义：,表示单位重量流体所具有的机械能可以把自身从基准水平面升举的高度；,表示单位体积流体所具有的能量,以单位体积流体为衡算基准，乘以,1.3.5 柏努利方程式的应用,应用柏努利方程解题要点：,（1）作图与确

13、定衡算范围； （2）截面的选取； （3）基准水平面的选择； （4）两截面上的压强； （5）单位必须一致,（1）确定管道中流体的流量,已知: 管道内径分别为d1，d2，hf=0 求: qV 解: 选择截面，且以其中心线处为基准面 hf=0，He=0 在截面之间列柏努利方程,连续性方程,静力学方程：,用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽与大气相通，要求料液在管内以u=1.0ms-1的速度流动，料液在管内流动时的能量损失为2JN-1 求：高位槽的液面比虹吸管的出口高多少？（能量损失不包括出口的损失）,（2）确定容器之间的相对位置,解：取高位槽液面为1-1截面，虹吸管内侧出口为2-2截 面，且以2-2

14、截面为基准面列柏努力方程：,Z1=h， Z2=0，p1= p2=0（表压），He=0,对于大的容器，其流速相对小管道而言很小，u10，,水喷射泵的进水管内径为20mm，水的流量0.5m3/h，进水压强为2.2kgfcm-2（绝对压强）。喷嘴的内径为3mm，当时大气压为101.3kPa。 求：喷嘴处理论上可产生多大的真空度？,（3）流体压强的确定,解：取喷射泵进水口处为1-1截面，喷嘴口处为2-2截面，以 2-2截面为基准面列柏努利方程为：,两截面之间垂直距离很小，位差可忽略，Z1 Z2，,若忽略水流经喷嘴的能量损失,喷嘴处的真空度为101.3-23.8=77.5 kPa,p1=2.29.811

15、04=215820Pa,p2=p1+(u12-u22)/2=23837 Pa,（4） 确定输送设备的功率,离心泵将贮槽中的料液输送到蒸发器内，敞口贮槽内液面保持恒定。料液的密度为1200kgm-3，蒸发器上部的蒸发室内操作压力为200mmHg（真空度），蒸发器进料口高于贮槽内的液面15m，输送管道的直径为684mm，送液量为20m3h-1，溶液流经全部管道的能量损失为12.23JN-1（不包括出口的能量损失），泵的效率为60%。 求:泵的有效功率。应选用多大的 电机？,p2 = -200mmHg=-26670Pa（表压）,Z1=0，Z2=15m，p1=0，u10,Ne= qmWe =1.65k

16、W,Na=Ne/=2.75kW,解：取贮槽液面为1-1截面，蒸发器进料口内侧入口为2-2截面，以1-1为基准面列柏努利方程：,1.4.1流动类型和雷诺数,层流（滞流）laminar flow 湍流（絮流）turbulent flow,雷诺数是一个无量纲数群（准数）,1.4 流体流动现象,1.雷诺实验与雷诺数,雷诺数的物理意义：,u2 与惯性成正比，u/d 与黏性力成正比， 雷诺数的物理意义是惯性力与黏性力之比,2.层流和湍流,层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数Rec,1.4.2 流体在管内流动时的速度分布,1.流体在圆管内层流流动时的速度分布,2.流体在圆管内湍流流动时的速度分布,层流内层：湍流时管壁处的速度等于零，靠近管壁的流体作层流流动，这一作层流流动的流体薄层，称为层流内层或层流底层,化工