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1、化工原理电子教案/目录,1,目录,第一章 流体流动 第一节 流体静止的基本方程 一、几个概念 二、流体静力学方程 三、流体静力学方程的应用 第二节 流体流动的基本方程 一、基本概念 二、质量衡算连续性方程 三、机械能衡算方程 习题课,化工原理电子教案/目录,2,目录,第三节 流体流动现象 一、 流动型态 二、湍流的概念 三、管内速度分布 四、边界层与边界层分离 第四节 管内流动的阻力损失 一、沿程损失的计算通式 1、层流的摩擦系数 2、湍流的摩擦系数 二、非圆形管内的沿程损失 三、局部损失 四、管内流动总阻力损失的计算,化工原理电子教案/目录,3,目录,第五节 管路计算 一、简单管路 习题课
2、二、复杂管路 习题课 三、可压缩流体的管路计算 第六节 流量测量 一、变压头流量计 二、变截面流量计 第一章小结,4/109,第一章 流体流动,流体流动解决的问题,5/109,第一章 流体流动,第一节 流体静止的基本方程,1、密度,用表示，属于物性，kg/m3,影响因素：气体-种类、压力、温度、浓度 液体- 种类、温度、浓度,一、几个概念,6/109,一、几个概念,获得方法：,（1）查物性数据手册,（2）公式计算：,液体混合物：,7/109,一、几个概念,2静压力,垂直作用在单位面积上的力称为压强，习惯上称之为压力，用符号p表示。,静压力各向同性,（1）压力单位,SI制中， N/m2 =Pa，
3、称为帕斯卡,约定：本教案中出现红线框之处为需学生记忆的,8/109,一、几个概念,（2）压力大小的两种表征方法(表压真空度演示),-以当地大气压为基准,思考： 1、表压与真空度是何关系？ 2、真空度越大，意味着什么？,9/109,一、几个概念,3压缩性,-压力或温度改变时，密度随之显著改变,-压力或温度改变时，密度改变很小,10/109,二、流体静力学方程,因为流体静止，故 微元段dz 流体所受合力 0,11/109,二、流体静力学方程,12/109,二、流体静力学方程,适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩； 等压面为水平面； 压力可传递-巴斯噶原理。,静力学方程的讨论：,13/109,【
4、例1-1】 1.判断下面各式是否成立2.细管液面高度。,PA=PA PB=PB PC=PC 1 = 800kg/m3, 2 =1000kg/m3, H1= 0.7m, H2= 0.6m 3.当细管水位下降多高时,槽内水将放净?,14/109,三、流体静力学方程的应用,1U形压差计（manometer）,等压面,思考：对指示剂有何要求？ U形压差计适用场合？,15/109,三、流体静力学方程的应用,2、双液柱压差计,1略小于2,思考：面1-1、2-2哪个是等压面，哪 个不是？,返回目录,作业：,U形压差计适用于被测压差不太小的场合。若所测压力差很小，用U形压差计难以读准，可改用如图所示的双液体压
5、差计，将读数放大。,16/109,当被测量的流体压力或压差不大时，读数R必然很小，为得到精确的读数，可采用如图所示的斜管压差计。,R与R的关系为: RR/sin,式中为倾斜角，其值愈小，则R值放大为R的倍数愈大。,3 斜管压差计（inclined manometer）,主目录,次目录,17/109,4.液位的测量,主目录,次目录,18/109,第二节 流体流动的基本方程,一、基本概念,主要研究流体在管路中的流动， 遵循着三大守恒定律,1、稳定流动与不稳定流动,稳定流动-流动参数都不随时间而变化 不稳定流动-至少有一个流动参数随时间而变化,19/109,一、基本概念,点速度 v，单位m/s,2、
6、流量和流速,20/109,二、质量衡算连续性方程,质量衡算方程-开放体系，质量守恒定律内容改为如下：,质量守恒定律-封闭体系中物质质量不变,对于如图所示的管道内稳定流动，上式第三项为0，于是,21/109,二、质量衡算连续性方程,-管内流动的连续性方程,思考： 如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？,作业：,22/109,三、机械能衡算方程,1、黏性和黏度,牛顿粘性定律发表在 1687年,在动画所示的流体分层流动情形下，有,气体内摩擦力产生的原因还可以从动量传递角度加以理解:,液体的内摩擦力则是由分子间的吸引力所产生。,流体内部存在内摩擦力或粘滞力，请点击 看动画。,23/109,三
7、、机械能衡算方程,物理意义：衡量流体黏性大小的一个物理量,单位：,获取方法：属物性之一， 由实验测定、查有关手册或资料、用经验公式计算。,影响因素：,黏度：,思考：为什么？,24/109,2、牛顿型和非牛顿型流体,非牛顿型流体：,如人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液以及像细胞质那样的“半流体”都属于非牛顿流体。如聚乙烯，聚丙烯酰氨，聚氯乙烯，尼龙6，PVS，涤纶，橡胶溶液，各种工程塑料，化纤的熔体等。,-体系粘度随剪切速率的增加而降低。 流动形式表现为剪切稀化现象.,-体系粘度随剪切速率的增加而增大。,不符合牛顿粘性定律的流体，如绝大多数高分子量的,牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体,25/
8、109,3、机械能衡算方程,（1）理想流体的伯努利方程,如果撇开内能和热而只考虑机械能，对下图所示的截面1与2之间理想流体的稳定流动，存在下述机械能衡算关系：,-伯努利（Bernoulli）方程,含义：对没有黏性的流体，流动系统上游的机械能等于下游的机械能。,26/109,3、机械能衡算方程,运动着的流体涉及的能量形式有,内能、 动能、 位能、压力能、 外功、热,对于如图所示的稳定流动的流动系统，能量衡算式为：,以面1-1为例，说明压力能的表达式：面1-1上所受到的总压力为P1=p1/A1，将1 kg的流体（其体积即为比容1=1/1，m3kg-1）压过该截面的所做功便为 P1u1=（p1A1）
9、（1/A1）=p11= p1 /1,可直接用于输送流体 在流体流动过程中可相互转变 可转变为热或内能。,27/109,3、机械能衡算方程,（2）实际流体的机械能衡算式,-机械能衡算方程,对实际流体，由于有黏性，在管内流动时要消耗机械能以克服阻力。消耗了的机械能转化为热，散失到流动系统以外去了。因此，此项机械能损耗应列入伯努利方程右边作为输出项，记做wf：,每一项单位均为J/kg,28/109,3、机械能衡算方程,外加压头,静压头,动压头,位头,压头损失,每一项单位均为m,-机械能衡算方程,-机械能衡算方程,每一项单位均为Jm-3,压力损失,29/109,（3）机械能衡算方程讨论：,（1）适用条
10、件：不可压缩、连续、均质流体、等温、非等温流动,-静力学方程。可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。,（2）对流体静止，可化简得：,（3）若流动系统无外加功，即we=0，则,这说明流体能自动从高（机械能）能位流向低（机械能）能位（动画）,30/109,习题课,使用机械能衡算方程时，应注意以下几点（结合例1说明）：,包含待求变量。 控制体内的流体必须连续、均质； 有流体进出的那些控制面（流通截面）应与流动方向相垂直，且已知条件最多；,用绝压或表压均可，但两边必须统一。,一般将基准面定在某一流通截面的中心上,（下转第28页）,31/109,【例】 轴功的计算,如图所示，已知管道尺寸为1144
11、mm，流量为85 m3/h，水在管路中（喷头前）流动的总阻力损失为10 J/kg ，喷头前压力较塔内压力高100 kPa，水从塔中流入下水道的阻力损失为12 J/kg。 求泵供给的外加功率。,解：,按照控制体选取原则，应取面1-1至面2-2，而不能取面1-1至面3-3或面1-1至面4-4。,由已知条件可知管内径,32/109,【例】 轴功的计算,在面1-1和面2-2间有,z2=7 m,p2=？,wf1-2=10 Jkg-1,33/109,【例】 轴功的计算,p3可通过面3-3与4-4间的机械能衡算求得：,z3=1.2 m，wf3-4=12 Jkg-1,Jkg-1,由已知条件可知：,Jkg-1,
12、Jkg-1,34/109,【例】 轴功的计算,故泵的外加功率为：,=4310 W 或4.31 kW,返回目录,作业：,35/109,第三节 流体流动现象,一、 流动型态,以上计算中，都未涉及阻力损失的计算，下面就这一问题及相关内容作介绍。,雷诺实验：请点击观看动画,1883年奥斯本雷诺(Osborne Reynolds)所做,那么，如何定量判断流动型态呢？,36/109,一、 流动型态,雷诺数,如：直管内流动时，Re2000 层流 Re=20004000 过渡区 Re4000 湍流,-根据其值的大小，可以判断流动型态,37/109,二、湍流的概念,1、湍流的发生与发展,湍流的产生与涡体的产生密
13、切相关。请点击观看动画 图1，设流体原来直线层流运动，由于某种原因的干扰，流层发生波动； 图2和图3，波峰上面压力变小，下面压力变大；同理波谷。于是波动进一步加大；最终发展成涡体。 图4，涡体形成后，由于其一侧旋转切线速度与流动速度一致，故流速较大，压强较小，而另一侧旋转切线速度与流动速度相反，故流速较小，压强较大。在其两侧压差作用下，涡体将由一层转到另一层。,38/109,二、湍流的概念,2、湍流的脉动现象和时均化,在湍流流体中，流体质点在旋涡运动的影响下，其运动速度不论在大小或方向上都随时间变化。但又都围绕某一平均值（图中虚线所示）而上下波动，这种现象称为速度的脉动（fluctuation
14、）。,为了便于研究湍流，将速度、压力等流动参数进行时均化（按时间平均）。,39/109,二、湍流的概念,3、湍流剪应力,40/109,三、管内速度分布,层流速度分布,因等径管内稳定流动时为等速运动,41/109,层流速度分布,-抛物线,42/109,湍流速度分布,由于湍流运动的复杂性，其管内的速度分布式目前尚不能从理论上导出，只能借助于实验数据用经验公式近似地表达，以下为一种常用的指数形式的经验式：,（式中，n值 与Re大小有关）,当Re=1053.2106时,-17次方律,43/109,四、边界层与边界层分离,1、边界层,以平板为例,-壁面附近，其内部存在速度梯度。 如图虚线下方所示。一般以
15、速度为主体流速的99%处 作为划分边界层的界限,边界层,-离壁面较远处，速度尚未受到壁面的影响，速度梯度 几乎为零。,边界层,ux=0.99u,外流区,外流区,边界层与流动阻力、传热、传质都密切相关，今后将陆续讲到。,44/109,四、边界层与边界层分离,2、边界层的形成和发展,从前沿开始形成边界层，随距板前沿的距离的增加，边界层也越来越厚度。边界层很薄时，边界层内部为层流。随着边界层加厚，边界层内的流动可由层流转变为湍流。在层流与湍流之间还有一个过渡区。 在湍流边界层之内，由于紧靠壁面处的流体速度仍很小，流动型态保持为层流，称为层流底层。,平板：,45/109,四、边界层与边界层分离,2、边界层的形成和发展,管内：,在入口处开始形成边界层，并逐渐加厚，以至于在管中心汇合，此后边界层厚度等于管半径，速度分布不再变化，此时的流动称为充分发展的流动。 若边界层汇合时流体流动类型为层流，则这以后管内流动一直保持为层流，反之，若边界层内流动类型已是湍流，则管内流动就将保持为湍流。,进口段长度-,流动达到充分发展所需的管长,46/109,四、边界层与边界层分离,3、边界层分离,-如图，
