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1、1,第一章 流体流动,2,要求：,1.掌握流体静力学基本方程式及应用；2.掌握连续性方程及应用；3.掌握柏努利方程式及应用；4.掌握流动阻力的计算；5.掌握管路计算。,3,重点：,1.柏努利方程式及应用；2.流动阻力的计算；3.管路计算。,4,流体：液体和气体统称为流体。 在研究流体流动时，通常将流体视为由无数分子集团所组成的连续介质，每个分子集团称为质点。,5,流体的特征是具有流动性。流体在流动过程中具有一定的规律性，这些规律对化工生产具有一定的指导作用，具体表现在以下几个方面：,（1）流体的输送 管径的确定、输送设备的负荷；（2）压强、流速和流量的测量 为仪表测量提供依据；（3）为强化设备
2、提供适宜的流动条件 设备的操作效率与流体流动状况有密切关系。,6,1.1流体的物理性质,1.1.1流体的密度,1.定义：单位体积流体所具有的质量，kg/m3。,2.求取：(1)一般可在物理化学手册或有关资料中查得，教材附录中也列出某些常见气体和液体的密度。,7,(2)对理想气体，其密度与压强和温度有关。当实际状态与手册中标明的状态不一致时，需校正。,实际上理想气体的密度可按下式计算：,8,(3)对混合物的平均密度还需通过以下公式计算：,、 ：纯组份A、B的密度，kg/m3；xwA、xwB：A、B的质量分数；xVA、xVB：A、B的体积分数；yA、yB： A、B的摩尔分数。,9,1.1.2流体的
3、粘度,1.牛顿粘性定律流体在管内流动时，其速度分布规律为：靠近管中心的速度较大，靠近管壁的速度较小（实验可验证）。,10,流体在圆管内流动时，在一定的条件下可视为被分割成无数层极薄的圆筒，一层套一层，每层称流体层，流体层上各质点的速度相等。相邻两层中靠近管中心的速度较大，靠近管壁的速度较小。前者对后者起带动作用，后者对前者起拖曳作用，相邻流体层之间的这种相互作用称内摩擦力。,11,带动作用是由流体静压力所产生的，而拖曳作用是由流体内在的一种抗拒向前运动的特性所产生的，这种特性称粘性。粘性是内摩擦力产生的原因，内摩擦力是粘性的表现。流体在流动时的内摩擦力是流动阻力产生的依据。,12,13,流体在
4、流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关？,14,15,流体在平板间流动时，实验证明：,流体在管内流动时：,牛顿粘性定律,16,17,牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体，包括全部气体与大部分液体。非牛顿型流体：不服从牛顿粘性定律的流体，包括稠厚液体或悬浮液。,18,2.流体的粘度,2）物理意义促使流动产生单位速度梯度的剪应力。因此，粘度是流体运动时的特性。,1）定义,19,3）求取：查手册，或实验测定。混合物的粘度不能按组分叠加计算，只能用专门的经验公式估计。,20,4）影响因素：温度：液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升高而增大。压强：压强变化时，液体的粘度基本不变，气体的粘度随压强增
5、加而增加得很少，只有在极高或极低的压强下，才考虑压强对气体粘度的影响。,21,5）粘度的单位：,P（泊）= g/(cms)1 P = 100 cP（厘泊）1 Pas = 10 P = 1000 cP,22,3.理想流体黏度为零的流体。严格讲：在流动过程中，流动阻力为零的流体。,23,1.2.1静止流体的压力,1.定义：,2.单位：,Pa（帕斯卡，SI制）, atm（标准大气压）,某流体柱高度, kgf/cm2(工程大气压) , bar（巴）等,1.2 流体静力学基本方程式,24,其之间换算关系为：,1 atm = 760 mmHg = 1.0133105 Pa = 1.033 kgf/cm2
6、= 10.33 mH2O = 1.0133 bar,25,3.表示方法绝对压强：以绝对零压作起点计算的压强，是流体的真实压强；表压强：绝对压强比大气压强高出的数值；真空度：绝对压强低于大气压强的数值。,26,换算关系：表压强 = 绝对压强 大气压强真空度=大气压强 绝对压强,例1-2（P17）,27,1.2.2 流体静力学基本方程式,1.内容 描述静止流体内部压力（压强）变化规律的数学表达式。,28,2.使用条件：静止的同一种连续的流体；流体密度恒定。,由流体静力学基本方程式可得到以下结论：,29,1）当容器液面上方的压强一定时，静止液体内部任一点压强 p 的大小与液体本身的密度和该点距液面的
7、深度 h 有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强都相等。,30,2）当液面上方的压强 p0 改变时，液体内部各点的压强 p 也发生同样大小的改变。3）式 p = p0 + gh 可该写为：(pp0)/g = h，说明压强差的大小可以用一定高度的液柱表示，但必须标明是何种液体液柱。,31,3.流体静力学基本方程式的推导（自学）,例1-3（P19）,32,1.2.3 流体静力学基本方程式的应用,1.压强与压强差的测量测量压强的仪表种类很多，其中以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器称液柱压差计，它可测量流体的压强或压强差，其中较典型的有下述两种。,33,1)U管压差计指
8、示液要与被测流体不互溶，不起化学反应，且其密度应大于被测流体。,34,A：指示液；B：待测液体。,35,36,37,3)微差压差计 压差计内装有两种密度相近且不互溶的指示液A和C，且指示液C与被测流体B亦不互溶。 为了读数方便，使U管的两侧臂顶端各装有扩大室，俗称“水库”。,38,A：指示剂 C：指示剂 B：扩大室,39,例1-4（P21）,40,2.液位的测量,41,3.液封高度的计算化工生产中一些设备需要液封，液封高度的确定就是根据流体静力学基本方程式来计算的。,例1-8、例1-9（P24）,42,43,1.3 流体在管内的流动,1.3.1 流量与流速,1.流量单位时间内流过管道任一截面的
9、流体量。,44,质量流量 ws ：流体单位时间内流过管道任一截面的流体质量。,体积流量 Vs ：流体单位时间内流过管道任一截面的流体体积。,45,2.流速单位时间内流体在流动方向上所流过的距离。由于流体在管截面上的速度分布较为复杂，通常流体的流速指整个管截面上的平均流速，表达式为：,46,由于气体的体积流量随温度和压强的变化而变化，故气体的流速也随之而变，因此采用质量流速较为方便。,质量流速：单位时间内流体流过管道单位截面积的质量。,47,由流量和流速可确定管道的直径 d,流量一般由生产任务所决定。流速的选择视具体情况而定，一般选用经验数据，具体见表1-1（P26），计算得到的管径需进行标准化
10、。,例1-10（P26）,48,1.3.2 定态流动与非定态流动,定态流动：在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量不随时间而变化，这种流动称为定态流动或稳定流动。非定态流动：在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量随时间而变化，这种流动称为非定态流动或不稳定流动。,49,1进水管2溢流管3水箱4排水管,50,1.3.3 连续性方程式,51,根据物料衡算推导出管道内定态流动的连续性方程式：,若流体视为不可压缩流体，=常数，则有：,52,当体积流量一定时，流速与管径的平方成反比，即：,53,1.3.4 柏努利方程式,1.流动系统的总能量衡算,进出系统的能量：（J/
11、kg）内能 U位能 gZ动能 u2/2静压能 pv热能 Q外功（净功）W,总机械能（总能量）,54,1换热器2泵,55,根据能量守衡定律可得：,56,2.流动系统的机械能衡算式 与 柏努利（Bernouli）方程式,1）流动系统的机械能衡算式,57,58,2）柏努利（Bernouli）方程式 对不可压缩流体，其比容 和密度 为常数，故有：,59,讨论： 理想流体在管道内作定态时，无外功加入，其总机械能在各截面处相等；,60,有效功率 Ne = We ws 对可压缩流体 ，当( p1 - p2 ) / p1 20% 时，上式仍可用，p 取平均值； 当流体静止时，u = 0，则可得到流体静力学方程
12、式。,61,3.柏努利方程式的表达形式与衡算基准有关1）以单位质量流体为衡算基准，单位：J/kg,62,2）以单位重量流体为衡算基准，单位：m,分别称位压头、动压头、静压头、压头损失,63,3）以单位体积流体为衡算基准，单位：Pa,64,4.应用柏努利方程式解题要点（1）作图与确定衡算范围（2）截面的选取：上、下游截面（3）基准水平面的选取（4）单位必须一致,65,p 可采用绝对压强或表压两种表示方法。,66,1.3.5 柏努利方程式的应用,1.确定管道中流体的流量2.确定容器间的相对位置3.确定输送设备的有效功率4.确定管道中流体的压强5.测定流体流经管道时的能量损失,67,1.4.1 流动
13、类型与雷诺准数,前面所提到的流体内可视为分层流动的型态，仅在流速较小时才出现，流速增大或其他条件改变，会发生另一种与此完全不同的流动型态。这是1883年由雷诺（Reynolds）首先提出的，他曾由实验直接地考察流体流动时的内部情况以及有关因素的影响。,1.4 流体流动现象,68,1.雷诺实验与雷诺准数,1）实验装置,69,2）实验观察到的现象,滞流或称层流,湍流或称紊流,70,3）影响流动类型的因素流速 u、管径 d、流体的粘度 、密度 能否用更少的参数代替流速、管径、流体的粘度、密度等参数来确定流动类型呢？,71,4）雷诺准数雷诺通过分析研究发现：将影响流动类型的诸因素组合成数群 du /
14、，其值的大小可以判断流动属于滞流还是湍流，这个数群称雷诺数，用符号来 Re 表示。单位：m0kg0s0。,72, u2：单位时间通过单位管截面的动量； u / d：流体的剪应力。,雷诺准数的物理意义：反映了流体在流动过程中惯性力（动量）与黏性力（剪应力）的对比关系。,73,2.滞流与湍流1）雷诺准数 的不同实验发现：流体在圆形直管内流动时，Re 2000 滞流或层流Re 4000 湍流或紊流2000 Re 4000 过渡流,74,2）流体内部质点的运动方式滞流：轴向运动湍流: 轴向运动、径向运动3）速度分布不同4）流动阻力产生的依据不同滞流：内摩擦应力湍流：内摩擦应力和湍流应力,75,1.4.
15、2流体在圆管内流动时的速度分布,1）层流,76,设流体在半径为R的水平直管内作滞流流动，于管轴心处取一半径为，长度为的流体柱为研究对象。,推动力摩擦阻力,77,78,79,工程中常以管截面的平均流速来计算流动阻力所引起的压强降。,80,81,2.湍流由于湍流运动的复杂性，尚未能从理论上推倒出管内的速度分布式，只能用经验公式表达。,R：管的半径， r：点到管壁的距离。n 的值在 6 至 10 之间，雷诺数愈大，n 的值也愈大，当 Re = 105 左右时，n = 7。,82,所以湍流时，流体的平均速度大约等于管中心处最大速度的0.82倍。,平均流速 u：,83,1.4.3 边界层的概念,实际流体与固体壁面作相对运动时，流体内部都有剪应力作用。由于速度梯度集中在壁面附近，故剪应力也集中在壁面附近。远离壁面处的速度变化很小，作用于流体层间的剪应力也小到可以忽略，这部分流体便可以当作理想流体。,84,所以，分析实际流体与固体壁面的相对运动时，应以壁面附近的流体为主要对象。这就是本世纪初普兰德提出的边界层学术的出发点。,85,1.边界层的形成实际流体沿壁面流动时，可在流体中划分出两个区域：边界层区：在壁面附近存在较大的速度梯度，流动阻力主要集中在此区域；主流区（外流区）：速度梯度视为零的区域，流动阻力可以忽略不计。,
