《化工原理（王志魁版）-第一章 流体流动》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理（王志魁版）-第一章 流体流动（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 流体流动,目的,压强、流速、流量的测量,强化设备提供适宜的流动条件,流体的输送：,需确定流速、管径、泵的功率,第一节 流体静力学,一、流体的压力,定义：,压强的单位：Pa，atm，bar（105Pa），Kgf/cm2,1atm=1.033Kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133X105Pa,概念,绝对压强：流体的真实压强,表压：用测压仪测出的流体的压强,表压强=绝对压强-大气压强,真空度：当流体压强低于大气压强时，测压仪的读数,真空度=大气压强-绝对压强,真空度=-表压强,二、流体的密度与比体积,定义：单位体积流体具有的质量,密度的求取,对于
2、气体=f（P，T）,根据理想气体状态方程：,标准状态下（1atm，0 ）的气体每mol气体的体积为22.4升,二、流体的密度与比体积,混合物密度的求取 对于液体 各组分的浓度常用质量分率xw，以1Kg混合物为基准，若各组分在混合前后体积不变，1Kg混合物的体积等于各组分单独存在时的体积之和，用公式表示为：,定义 比体积：单位质量的体积,二、流体的密度与比体积,混合物密度的求取 对于气体 各组分的浓度常用体积分率x，以1m3混合气体为基准，若各组分在混合前后质量不变，1m3混合物的质量等于各组分的质量之和，用公式表示为：,混合气体密度另一种计算方法,三、流体静力学基本方程式,对不可压缩流体，在静
3、止液体中任意划出一垂直液柱，横截面积A，密度为。 在垂直方向的受力： 作用于下底面的向上的总压力：P2A 作用于上底面的向下的总压力： P1A 重力： G=gA （z1-z2）,沿垂直方向流体处于平衡，所以合力为0：,P2A - P1A - gA （z1-z2） =0,P2 =P1 +g （z1-z2）,P =P0 +gh,流体静力学基本方程式,当z1位于容器的液面上时，设液面上压强为P0，Z2处的压强为,三、流体静力学基本方程式,流体静力学基本方程式适用条件：恒密度、静止的、连续的同一种液体内。 推论： 静止的、连续的同一种液体内，处于同一水平面上各点的压强相等 当P0发生改变时，液体内部各
4、点的压强P也发生同样大小的变化 式c可改写成（p-p0）/ （g）=h，说明压强差的大小可用一定高度的液柱表示 对于气体而言，认为气体内部压强处处相等,四、流体静力学基本方程式的应用,一、压力测量,U管液柱压差计,指示液的特点：与被测流体不相溶、不发生化学反应、 其密度应大于被测流体,基准面：Pa=Pb,根据流体静力学基本方程式得：,Pa=P1+ g（m+R）,Pb=P2+ gm+ 0gR,P1+ g（m+R）= P2+ gm+ 0gR,整理得：P1-P2=（ 0- ）gR,若被测流体是气体，由于气体的密度远小于指示剂的密度，即,若P1处连接大气，则P2处测的是表压,四、流体静力学基本方程式的
5、应用,倒U形管压差计 若被测流体为液体，也可选用比其密度小的气体作指示剂，采用倒U形压差计形式。最常用的是以空气作为指示剂,四、流体静力学基本方程式的应用,2、斜管压差计,Dd,R=R1sin,对一定的压差，R是不变的， 越小，R1越大,P1-P2=（ A- B）gR,0基准点,四、流体静力学基本方程式的应用,微差压差计 根据P1-P2=（ A- B）gR 微差压差计的特点： 压差计内装有两种密度相近且不互溶的指 示液A和C，且C与被测流体B也不互溶 U管两端为扩大室 当P1=P2时，R=0，两扩大室液面是平的,P1+ Cg（m+R）=P2+ Cgm+ A gR,整理得： P1-P2=（A -
6、 C）gR,当P1P2时，R 0，两扩大室液面仍是平的,四、 流体静力学基本方程式的应用,二、液位的测量,最初的液位计,易于破碎,不易于远观,用液柱压差计原理的液位计,Pa=gm+ AgR,Pa= g（h+m+R）,gm+ AgR= g（h+m+R）,当容器里液位达最高时，h=0，R=0,容器里液位越底，h越大，R也越大,四、 流体静力学基本方程式的应用,例1-5,四、 流体静力学基本方程式的应用,三、确定液封高度,第二节 管内流体流动的基本方程式,一、 流量与流速,概念 流量,体积流量qV（m3/s）,质量流量qm （Kg/s）,流速：单位时间内流体在流动方向上流过的距离m/s,qm= qV
7、,质量流速：单位时间内流体流过单位截面积的质量,管路直径的估算,qV由生产任务决定,u一般由工业参考值选定：液体为0.53m/s，气体为1030m/s（表1-3）,根据国标圆整,二、 稳定流动与不稳定流动,概念 稳定流动：在流动系统中，若截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而变化，不随时间变化 不稳定流动：在流动系统中，若截面上流体各有关物理量既随位置而变化，又随时间变化,三、 连续性方程式,对1-1和2-2 截面做物料衡算：,qm1=qm2, qm=uA,qm=u1A11= u2A22=常数,qV=u1A1= u2A2=常数,若流体不可压缩，则=const,以上两式为管内稳定流动
8、的连续性方程式,四、伯努利方程式,流动系统的总能量衡算 衡算范围：1-1 截面2-2 截面 衡算基准：1Kg流体 1Kg流体进出系统时输入、输出的能量包括以下几项 内能：用U1、U2表示，J/Kg 位能：mgz，分别为gz1、gz2，J/Kg 动能：（1/2）mu2，分别为（1/2）u12 （1/2）u22 静压能：,质量为m，体积为V1的流体通过1-1截面所需的力P1A1,流体通过此截面所走的距离为（V1/A1）,对其所做的功为P1A1 （V1/A1）=P1V1,1Kg流体所具有的静压能为P1V1/m=P11，同样，离开系统的静压能为P22， J/Kg,热：Qe，J/Kg,外功：We，J/K
9、g,四、伯努利方程式,根据能量守恒定律，对1-1 截面和2-2 截面衡算：,稳定流动,输入的总能量=输出的总能量,以1Kg为基准：,以上两式称为稳定流动过程的总能量衡算式,四、伯努利方程式,流动系统的机械能衡算式与伯努力方程（Bernoulli） 流动系统的机械能衡算式 热力学第一定律： 对于一封闭系统：1Kg工质，当工质从外界吸入热量q后，从状态1膨胀到状态2，并对外界做功W 热力学第一定律的原则： 进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加 Q-W=U,四、伯努利方程式,流体稳定流动时的机械能衡算方程,适用范围：适用于可压缩流体和不可压缩流体,四、伯努利方程式,伯努力方程式 对于
10、不可压缩流体，为常数，则：,当hf=0时，该流体称为理想流体,当hf=0、We=0时式变为：,伯努利方程,四、伯努利方程式,伯努利方程式的讨论 式柏努利方程式表示理想流体在管道内作稳定流动时，在任一截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能之和为一常数，称为总机械能，以E表示，J/Kg，而每一种形式的机械能却不一定相等，但各种形式的机械能可以相互转换 gz、u2/2、P/与We、 hf有区别,某截面上流体本身具有的能量,流体在两截面之间获得的能量,We：输送设备对单位质量流体所做的有效功,有效功率Ne：单位时间内输送设备所做的有效功,Ne=Wes,四、伯努利方程式,对于可压缩流体，若所截取截
11、面间的绝对压强变化小于原来绝压的20%，柏努利方程仍适用，此时用m代替 若流体静止，柏努利方程变为,Bernoulli方程的几种形式：,以单位重量流体为衡算基准（Bernoulli方程除以g）,单位：m,位压头,动压头,静压头,有效压头,压头损失,四、伯努利方程式,以单位体积流体为衡量基准（Bernoullix）,五、伯努利方程式的应用,应用柏努利方程式解题要点 作图与确定衡算范围 截面的选取 两截面均应与流动方向相垂直，并且在两截面间的流体必须是连续的 所选取截面的已知量应较多 两截面上的u、P、Z与两截面间的hf都应一致 基准水平面的选取 Z=Z2-Z1 截面上的压强 都是绝压或都是表压
12、单位必须一致 SI,五、伯努利方程式的应用,确定在管道中流体的流量 确定设备间的相对位置 确定输送设备的有效功率 确定管路中流体的压强,第三节 管内流体的流动现象,一、 牛顿粘性定律与流体的粘度,1、牛顿粘性定律,粘性 内摩擦力（粘滞力）,1、牛顿粘性定律,实验证明，内摩擦力F与两流体层的速度差u成正比；与两层间的垂直距离y成反比；与两层间的接触面S成正比，即：,剪应力：单位面积上的内摩擦力,du/dy：速度梯度 ：比例系数、粘度系数，简称粘度,牛顿粘性定律,1、牛顿粘性定律,流体的粘度,促使流体产生单位速度梯度的剪应力。速度梯度越 大剪应力越大，速度梯度为0处剪应力为0,粘度是流体物理性质之
13、一，其值由实验测定,=f（T，P）,T,液体粘度随温度而减少,气体粘度随温度而,P,气体粘度随压强而,液体粘度随压强变化很小,理想流体的粘度为0,1、牛顿粘性定律,粘度的单位,SI,运动粘度,单位：SI：m2/s,2、非牛顿型流体,牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体（所有气体和大多数的液体） 非牛顿型流体：不服从牛顿粘性定律的流体,二、 流动类型与雷诺数,1、雷诺实验,流动类型：,层流或滞流,湍流或紊流,二、 流动类型与雷诺数,2、流动类型的影响因素 速度u 管径d 流体的粘度 流体的密度 3、雷诺准数Re,当Re2000，流动为层流,当Re4000，流动为湍流,当Re（2000，4000）流
14、动为过渡区,二、 流动类型与雷诺数,雷诺准数的量纲,Re中的各物理量单位必须一致,三、流体在圆管内的速度分布,流体在圆管内的速度分布,层流时,湍流时,u=0.5umax,三、流体在圆管内的速度分布,1、流体在圆管内层流时的速度分布,沿流动方向上，流体受到的推动力：,（P1-P2）r2=P r2,内摩擦应力：,内摩擦力：,根据牛顿第二定律：,（1）速度分布方程,三、流体在圆管内的速度分布,由上式整理为：,积分：,流体在圆管内作层流时的速度分布方程,（2）最大流速,当r=0时，,（3）流量与平均流速,u=0.5umax,三、流体在圆管内的速度分布,整理得：,哈根-泊稷叶方程式,三、流体在圆管内的速
15、度分布,2、流体在圆管中湍流时的速度分布 流体在光滑管内湍流流动时，Re105时：,层流底层,第四节 管内流体流动的摩擦阻力损失,流体阻力产生的原因 主要由粘性产生的内摩擦hf 局部阻力hf,阻力损失的几种表示：,hf,J/Kg,m,hf,Pa,Pf=,流体阻力引起的压力降,Pf与P的不同,一、直管中流体摩擦阻力损失的测定,其中Z1=Z2，u1=u2，则：,摩擦力F=S= dl （2）,根据牛顿第二定律： P1-P2-F=0,把（3）代入（1）得：,对于水平等径管道对1-1和2-2 截面间的 流体列柏努力方程：,对于倾斜管道：,其中Z1Z2，u1=u2，则：,二、层流的摩擦阻力损失计算,根据层
16、流时的哈根-泊稷叶方程式：,其中为摩擦系数，或摩擦因数,三、湍流的摩擦阻力损失,1、管壁粗糙度的影响 化工管道 光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管等 粗糙管：钢管、铸铁管 粗糙度（表1-2） 绝对粗糙度：壁面突出部分的平均高度， 相对粗糙度： /d,层流时,湍流时,摩擦系数与粗糙度无关,若，管壁粗糙度对摩擦系数 无影响,当Re， b， b，管壁粗糙 度对摩擦系数有重要影响,三、湍流的摩擦阻力损失,三、湍流的摩擦阻力损失,1、湍流时的摩擦系数,光滑管,布拉修斯公式：,粗糙管,柯尔布鲁克公式：,尼库拉则与卡门公式：,3) 与Re、/d 的关联图,三、湍流的摩擦阻力损失,三、湍流的摩擦阻力损失,与Re、/d 的关联图的分区 层流区（当Re2000）,过渡区，Re（2000，4000）,湍流区，（当R
