流体动力学及管流过程.

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1、精细化工实验技术 化学工业出版社 1.3 流体动力学 精细化工实验技术 化学工业出版社 主要内容： 稳定流动与非稳定流动 流体流动的质量衡算连续性方程 流体流动的能量衡算柏努利方程 柏努利方程的应用 精细化工实验技术 化学工业出版社 质量守恒定律 动量定理 能量守恒定律 流体流动 遵循 精细化工实验技术 化学工业出版社 1.3.1 稳态流动及非稳态流动 （1）稳态流动：在流动系统中，流 体在各截面上的流速、压力、密度等有 关物理量仅随位置变化，而不随时间变 化的流动。参数只与空间位置有关而与 时间无关的流动。 精细化工实验技术 化学工业出版社 精细化工实验技术 化学工业出版社 （2）非稳态流动

2、 流场中的某物理量，不仅和空间位置有关，而 且和时间有关。 随着过程的进行，h减低,u 降低。 精细化工实验技术 化学工业出版社 精细化工实验技术 化学工业出版社 说明： 在化工生产中，正常运行时 ，系统流动近似为稳态流动。 各点各处的流量不随时间变化，近 似为常数。 只有在出现波动或是开、停车时 ，为非稳态流动。 精细化工实验技术 化学工业出版社 1.3.2 流体流动的物料衡算连续性方 程 在流场中任意划定一个封闭空间作 为研究对象, 称这个空间为控制体 。 A1A2 A3 u1 u2 u3 控制体 精细化工实验技术 化学工业出版社 对稳定流动系统的异径管段作物料衡算 ： 物衡范围 管内壁,

3、 1-12-2 时间基准 1s qm1qm2 1 1 2 2 精细化工实验技术 化学工业出版社 将上式推广到任何一个截面 对于液体 可化简为： 以上三式均为管内稳定流动连续性方 程式通式。 精细化工实验技术 化学工业出版社 连续性方程式反映了稳态下，流量一定时管路各截面流速的变 化规律。 用于：求不同 A 下的 u 或不同 u下的 A （或d）。 液体在圆管中流动： 说明：不可压缩流体在圆管内作稳态流动，速度与管径的平方呈 反比。 则：当 精细化工实验技术 化学工业出版社 1.3.3 流动系统的 能量 1.换热设备；2.输送设备 对流体做功 输入或输出热量 衡算范围： 内壁面、1-1与2-2截

4、面间 衡算基准： 基准水平面：0-0平面 1流体 在任一流动系统中总能 量包括两部分，流体本身所 具有的能量及系统与外部 交换的能量 精细化工实验技术 化学工业出版社 1.流体本身所具有的能量 如右图所示，流动系统中 任一位置（如图中1-1 截面处），流体均具有一 定的能量，能量的形式 有以下几种: 1.换热设备；2.输送设备 精细化工实验技术 化学工业出版社 内能 U 物质内部的能量总和。 是原子与分子运动及其相互作用的 结果。与温度有关。1kg流体的内能 用U表示，单位：J/kg。 精细化工实验技术 化学工业出版社 位能 即势能 mkg流体的位能相当于将其从基准面 升举到其所在高度Z处消耗

5、的功。 位能= mgZ 单位： mgZ =kg （m/s2）m=Nm=J 1kg流体的位能为 gZ单位： J/kg。位能是个相对值，高于基准面时 为正，低于者为负。若不选基准水平面 ，只讲位能绝对值是没意义的。 精细化工实验技术 化学工业出版社 动 能 n动能 n单位： = kg（m/s） 2=Nm=J n有流速 u 的流体才有动能，m kg流体的动 能 n1kg流体动能为 J/kg。 精细化工实验技术 化学工业出版社 静 压能 1 1 1 1 2 2 2 2 l l 1 1 v 1 1 v 2 2 p p1 1 p p2 2 l l 2 2 流动着的流体内部各点都对应着有静压能，如图示 。当

6、流体要进入截面1-1， 截面1-1处的流体有一定的 静压 欲进系 统的流体必须带着足以克服1-1处静压的能量，对 1-1处流体做功令其流动使自己进入1-1截面。 质量为m，体积为 V1的流体通过截面1-1时，把该 流体推进1-1所需的作用力为p1A1, 精细化工实验技术 化学工业出版社 流体通过截面经过的距离: V1/A1 =m/A1。 那么其所做的功为: p1A1m/ A1= p1m/（J） 则流体代入系统的能量静压能为： p1m/（即其所做的功） 对于1kg流体，静压能=p1/ ; 位能、动能和静压能又称为机械能，它 们的和“总机械能（总能量） E ” 。 精细化工实验技术 化学工业出版社

7、 2.系统与外界交换的能 量 （1）热能 换热器向1kg流体提供/取走的热量 为Q，J/kg。 （2）外功（净功） 1kg流体通过泵等通用机 械获得的功也称有效功。用We 表示， J/kg。 （3）损失能量 由于流体具有粘性，在流动过 程中要克服各种阻力，使一部分能量转化为热能 而无法利用，故称损失能。 1kg流体的损失能量用 ,其单位为J/Kg 精细化工实验技术 化学工业出版社 输入输出单位说 明 流体 具有 的能 量 内能 U1U2J/kg 物质内部能量（分子平动 能，转动能，振动能） 位能 gZ1 gZ2J/kg重力 （地心引力） 流 体 机 械 能 动能 1/2u121/2u22J/k

8、g运动物体具有的 静压能 P1/P2/J/kg压强作的功 与环境 交换能 量 热Qe （加热为入,冷却为出）J/kg 外功 We J/kg 损失能 量 hfJ/kg 精细化工实验技术 化学工业出版社 U1 gZ1 1/2u12 P1/ U2 gZ2 1/2u22 P2/ We Qe Qe 精细化工实验技术 化学工业出版社 根据能量守恒定律： Q输入=Q输出 即： 上式为总能量衡算式 讨论：1.式中有两种能量机械能、内能 和热，机械能可以相互转变，也可变为热和 内能 ；而内能和热，不可变为机械能。 2.对传热设备作能量衡算时，往往忽略机械 能而只考虑焓： 3.撇开热和内能，机械能衡算 精细化工实

9、验技术 化学工业出版社 流体流动具有阻力要消耗机械能转变成热 而前面假设：t=0，即U1=U2 消耗的机械能 热 消耗的机械能 机械能损失掉了 能量损失 1.3.4 流动系统的机械能衡算 柏努利方程 由前面推导可知由前面推导可知: : 设流体是不可压缩的,系统中无热交换器，Q=0 流体等温流动，U1=U2 精细化工实验技术 化学工业出版社 柏努利方程 所以总能量衡算式中,只有机械能守恒, 前面的式子可写成: 精细化工实验技术 化学工业出版社 对柏努利方程的 说明 流体作稳定流动时，每kg流体流过 系统内任意截面的总机械能恒为常 数，而每个截面上的不同机械能形 式的数值却不一定相等。 这说明各种

10、机械能形式之间在一定 条件下是可以相互转换的，此减彼 增，但总量保持不变。 精细化工实验技术 化学工业出版社 柏努利方程的讨论 对于理想流体：没粘性、流动时没摩擦力、没外加 功、没能量损失 位能 静压能 动能 精细化工实验技术 化学工业出版社 理想流体，稳态流动，无外功。任一截面上单位 质量流体的位能、动能、静压能之和（总机械能E ）为一常数。 总机械能虽然相等，但每一种形式的机械能不一定相 等，机械能可以相互转变。 例如：水平管道（Z1=Z2）A1A2 u14000 故流动为湍流 精细化工实验技术 化学工业出版社 三、圆形管内的速度分布与流动边界层概念 1.圆形管内的速度分布 无论是层流还是

11、湍流，流体在管 内流动时截面上各点的速度随该点与 管中心的距离而变化，这种变化关系 称速度分布。一般管壁处流体质点流 速为零，离开管壁后渐增，到管中心 处达到最大，但具体分布规律依流型 而异。 精细化工实验技术 化学工业出版社 （1）层流 速度分布呈抛物线状，管中心处速度最大 ，平均速度u为最大速度umax的一半。即： u=0.5umax 精细化工实验技术 化学工业出版社 （2）湍流 实验测定得到的速度分布曲线如图示。流体质 点的强烈分离与混合，使靠近管中心部分各点 速度彼此扯凭，速度分布较均匀。实验证明， Re越大，曲线顶部越广阔平坦，但靠管壁处质 点速度骤然下降。 u=（0.80.82）u

12、max 精细化工实验技术 化学工业出版社 既然湍流时管壁处流速为零，则靠近管壁的 流体必然仍作层流流动，这一作层流流动的 薄层，称为层流内层，其厚度随Re的增加而 减小。从层流底层往管中心推移，速度渐增 ，因而在层流内层与湍流主体之间存在着一 层过渡层（此层内既非层流也不是湍流）。 再往中心才是湍流主体区。层流内层虽然很 薄，但它对传热、传质、化学反应等过程都 有较大的影响。 精细化工实验技术 化学工业出版社 2.流动边界层的概念 n以流体在平板上方流过为例。当实际流体以均 匀的流速u到达平板后，由于板面的影响，紧贴 壁面的一层流体速度降为零。流体相互间的拖 曳力使靠近壁面的流体也相继受阻而减

13、速，这 样在流动的垂直方向上产生了速度梯度。流体 愈远离壁面，这种影响愈小，流速变化也愈不 明显，直至其流速基本上与主体流速uS相一致。 n由于粘性，在壁面附近形成速度梯度较大的流 体层，称为边界层。 精细化工实验技术 化学工业出版社 层流边界层 湍流边界层 层流内层 边界层界限 u0 u0 u0 x y 精细化工实验技术 化学工业出版社 这样在平板上方流动的流体分为两 个区域：一是壁面处速度变化较大 的区域，即边界层区域，粘性阻力 主要集中在该区域；一是远离壁面 速度基本不变的区域，称为主流区 ，其中的粘性阻力可以忽略。一般 以速度达到主体流速的99%处规定 为两区域的分界线。 精细化工实验

14、技术 化学工业出版社 边界层的发展 由于摩擦力对外流区流体的持续作用，使得边界层 厚度随距离的增长而逐渐变厚，称为边界层的发展 。 在发展过程中，边界层中可能保持层流，也可能转 变为湍流，因此流速的分布发生变化，为一不稳定 流动阶段。只有当达到一定距离后，才保持流动稳 定。因此在测定管内流速或压力等参数时，测点不 能选在进口处，应选在流速分布保持不变的平直部 分，才能得到准确的结果，一般稳定段长度xc=（50 100）d处，湍流时该段要短些。 x0进口（/稳定）段长度 精细化工实验技术 化学工业出版社 练习题 用泵将25的某液体从地下贮槽中输送到高 位槽，已知，流量为20m3/h，高位槽液面比 贮槽液面高12 m，吸入管与排除管的规格均 为573.5mm，两液面上方均为大气压，并 维持液面恒定。则：（1）试判断流体的流动 型态。已查得，该流体的密度为880/ m3， 粘度为0.65cp。（2）设该流体从贮槽到高位 槽的全部阻力损失为150J/，泵的效率为 80%，问泵的轴功率是多少？