化工原理课件-第一章-流体流动.ppt

1、第一章 流体流动n流体是指具有流动性的物体，包括液体和气体。流体是指具有流动性的物体，包括液体和气体。 n流体输送操作是化工生产中应用最普遍的单元操作。流体输送操作是化工生产中应用最普遍的单元操作。n流体流动是其它化工过程的基础。流体流动是其它化工过程的基础。 n在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集团在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集团所组成的连续介质所组成的连续介质 。n流体力学流体力学 ：流体静力学和流体动力学流体静力学和流体动力学 流体静力学 n流体静力学研究流体静止或平衡的基本规律，以及这些规律的实际应用。在工程实际中的主要应用如：流体在设备或管路内压强的变化与测量，

2、液体在设备内液位的测量，设备的液封等。 流体的密度 、密度密度：在均质流体中，单位体积流体的质量。=m/v kg/m3、比容比容：单位质量流体的体积。 =v/m m3/kg流体的比容与密度互为倒数。液体的密度 n温度对液体密度有一定影响，故选用密度数值时要注意所确定的温度。 n液体的比重是指在任何温度下时液体的密度和水在4时密度之比值： S = /水 = /1000 混合液体 :nwnwwxxx22111气体的密度 1、气体的密度随压力和温度变化很大，按照理想气体状态方程式近似计算 :PV=nRT=RT =m/V=PM/RT 2、理想气体标况时 :0=M/22.4 kg/m3 3、当已知气体标

3、况密度0 ： = 0T0/TP/P0 4、混合气体 ： =PM均均 /RT m = AxVA + BxVB + + NxVN Mm作用在流体上的力 内力：流体内部分子间的相互作用力，分子间引力，压力，内摩擦力，它们在流体内部，对所研究的那块流体来讲是相互平衡的，对流体的运动是没有影响的。外力：外界作用于所研究的那块流体的力。外力分表面力和质量力两种，流体运动的情况取决于外理。 作用在流体上的外力 a)表面力：作用在所研究的那块流体表面上的力称表面力，属于这种力的有与该表面垂直的法向力以及与该表面相切的切向力，法向力即压力。b)质量力：作用在所研究的流体各个质点上的一种力，其大小与质点的质量成正

4、比，对均质流体来说，也与流体的体积成正比，故亦称体积力。 流体静压强（压力） n静止流体中任意界面上只受到大小相等方向相反的压力，由于该压力产生在静止流体中，因而称为静压力。单位面积上所受的静压力，称为流体静压强。 np = P/ A N/m2(Pa)n使界面的面积缩小并趋于一点 ：AppAlim0流体静压强的特征 1、流体静压强的方向总是和作用的面相垂直，并指相所考虑的那部分流体的内部，即沿着作用面的内法线方向。2、静止流体内部任何一点处的流体静压力，在各个方向都相等。3、在流体与固体接触的表面，不论器壁的方向形状如何，流体静压力总是垂直于器壁。 流体静压强的单位 在SI制中压力单位Pa :

5、1kPa=103Pa=106mPa 设容器底面积为Am2液柱高hm，液体密度 kg/m3，则液体作用在底面的力为P N等于液柱重量： P=mg=Ahg N作用在单位底面上的压力： p=P/A=h g N/m2 当液体一定，P、g一定为常数，所以可用高度h的大小表示压力P的大小：h=p/ g m常用压力单位的换算 n1atm=1.013105Pa=1.033at=760mmHg=10.33mH2On 1at=9.81104Pa=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2On 1bar=105Pa=1.013at=750mmHg=10.13H2O 表压、真空度和绝对压强 当设备内实际压强（绝

6、压）等于外界大气压时，压力表读数为0。当设备内绝压大于外界大气压时，压力表读数表明绝压与外界大气压之差。 P表表=P绝绝P大大 当设备内绝压小于外界大气压时，真空表读数表明外界大气压与绝压之差。n P真真=P大大P绝绝真空度越大，绝压越小，真空度又称负表压 。流体静力学基本方程 n一、概念： 由于这时流体处于相对静止状态，所以流体所受的质量力只有重力，而重力就是地心吸力，是可以看作不变的，但静止流体内部各点的压力是不同的，所以实质上是讨论流体内部压力变化的规律，用于描述这一规律的数学表达式称为流体静力学基本方程。 二、推导：重力F的投影：-ghdA上截面压力：-P0dA下截面压力：PadAPz

7、=0-ghdA - P0dA + PadA = 0流体静力学基本方程式: Pa = P0 + gh 三、讨论： 1、当容器上方的自由表面上压力的大小一定时，静止液体内部任一点压力的大小与流体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此在静止的流通的同一液体处，处于同一水平面上各点的压力都相等。n2、当液面上方的压力有变化时，液体内部各点的压力也发生同样大小的改变。 3 3、可见压力差的大小可以用一定高度差的液体柱来表示，这就是前面所介绍的压力可以用单位来计量的依据。但必须注明何种液体。 流体静力学基本方程式的应用举例 n一、流体静压力的测量：一、流体静压力的测量： n二、液位的测量：二、液位的测量：

8、 n三、液封高度的计算：三、液封高度的计算： 流体在管内的流动 n1、流量流量：流体在管内流动时，单位时间内统过任一截面的流体量。 体积流量：Vs(m3/s)质量流量：Ws(kg/s) 关系： Ws=Vsn2、流速流速：流体在管内流动时，单位时间内的距离。 平均流速 u=Vs/S 质量流速 G kg/m2sn3、Vs，Ws，u，G之间的关系：之间的关系： u=Vs/A Vs=uS G=Ws/A=uA/A=un4、圆形管道直径的选定：、圆形管道直径的选定： 一般管路截面积都是圆形， SVs=u则 u=Vs/di=24id24id24iduVs4稳定流动与不稳定流动 n1、 稳定流动稳定流动n 各

9、截面上流体的流速，压强，密度等有关物理量仅随位置而改变，不随时间而改变的流动称为稳定流动。n2、不稳定流动不稳定流动n 各截面上流体的流速，压强，密度等有关物理量不仅随位置而改变，而且随时间而变的流动就称为不稳定流动。 流体稳定流动时的物料衡算连续性方程 n 物料衡算 Ws1Ws2常数 kg/su11A1=u22A2常数 连续性方程 若流体不可压缩液体 常数 u1S1=u2S2对圆管 S=d2/4 u1d12=u2d22流体稳定流动时的能量衡算柏努利方程 一、流动系统的总能量衡算一、流动系统的总能量衡算 简单流程 、基本假设 、衡算范围 、衡算基准 、基准水平面、衡算内容 U1+gz1+u12

10、/2+P1v1+Qe+We=U2+gz2+u22/2+P2v2 总能量衡算式 即、 U + gz + u2/2 + (Pv) = Qe + We 流动系统的机械能衡算柏努利方程 Qe = Qe +hfU = Qe +hf - 代入总能量衡算式:Qe + hf - + g z + u2/2 + (Pv) = Qe + We(Pv)=+g z+ u2/2+ =We- hf21vvpdv21vvpdv21ppvdp21ppvdpn不可压缩流体不可压缩流体 :n比容v=c,v=1/ n =p/ngz+u2/2+p/=We-hfn或gz1+u12/2+p1/ +We=gz2+u22/2+p2/ + hf

11、21ppvdpgz1+u12/2+p1/+w=gz2+u22/2+p2/+E损 n它的应用条件应用条件：n 1、连续的稳定流动n 2、不可压缩流体的流动n 3、同一种流体内n 4、对气体 (p1-p2)/p120% 可以用，但用m柏努利方程的应用 n确定容器的相对位置n确定送料用压缩空气的压力 n确定输送设备的有效功率n计算管道中流体的流量 应用柏努利方程的解题要点 n1、作图，确定衡算范围 n2、截面的选取 n3、基准水平面的选取 n4、单位必须一致，各物理量单位换算成一致的，对压强表示方法也要一致，同时用绝压或同时用表压。 流体在管内的流动阻力 n一、流体的粘性流体的粘性n粘性：尽管流体抵

12、抗剪切力的性能很弱，但这种性能还是存在的，并且在某些情况下还是不能忽略，我们把流体的这种抗拒剪切力的特性，称为粘性。粘性越大，内摩擦力越大，阻力越大。n内摩擦力：流体运动时内部相邻两流体层间的相互作用力，称为内摩擦力，是流体粘性的表现，又称粘滞力或粘性摩擦力。内摩擦力是流体运动时造成能量损失的根本缘由。 二、牛顿粘性定律 n流体内摩擦力F = u S/y n剪应力 =F/S=u/y n管内流动时：n =du/dy （牛顿粘性定律 ）n粘度 流体的粘度 n粘度的物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 n粘度是流体的物理性质之一，其值由实验测定，液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，其

13、粘度基本不变。气体粘度随压强增加而增加的很小，工程计算一般忽略。 粘度单位 n在SI制中，=Pa S=kg/(S m)n1P=1g/(cm s)=100cP=0.1Pa Sn运动粘度：=/n单位：在SI中为m2/sn物理制为cm2/s，称为斯托克斯，简称拖（st）n对常压气体混合物的粘度nm=yiiMi1/2 / yimin对于分子不缔和的液体混合物的粘度：nlgm=xilgI流体的流动型态 n两种流动型态：两种流动型态： 层流：各层以不同的流速平行 于管壁向前流动。湍流：除了沿管道向前运动以 外，各质点还作不规则的杂乱运动且互相碰撞，互相混和。 雷诺实验装置雷诺实验录象流型的判据雷诺数 n雷

14、诺数 Re=(du)/nRe是一个准数，即没有单位的纯数n实验证明，流体在管内流动时n层流 Re 4000n过渡流 2000 Re 此时管壁粗糙度对于的影响与层流相同。 当b此时壁面粗糙度对影响成为重要因素。 n层流时的摩擦系数层流时的摩擦系数 =64/Re n湍流时的摩擦系数湍流时的摩擦系数湍流时摩擦系数与流动型态和管壁粗糙度有关。影响因素很多无通用计算式，只能用经验公式算或图1-31查得值。 摩擦系数 非圆形管道的摩擦系数 n当量直径de=n对于非圆形管道用当量直径代替直径计算，湍流时的计算与圆管相同，层流时=C/64,C值的不同情况见书。 润湿周边长流通截面积4管路的局部阻力 n流体在管

15、路的进口，出口，弯头，阀门，扩大，缩小等局部位置流过时的阻力称为局部阻力。 1、 阻力系数法阻力系数法把克服局部阻力所引起的能量损失，用动能与系数相乘的形式来表示。hf=u2/2 局部阻力系数，一般由实验测定。n2、 当量长度法当量长度法把流体的局部阻力折合成相当于流体流过长度为le的同直径的管道时所产生的阻力。hf=22udle管路总能量损失的计算 22 udllhhhefff流体输送管路的计算 n简单管路：管径相等或由不同管径的管段串联组成的管路。复杂管路：指并联管路，分支与汇合管路等。 简单管路的计算 1、 已知管径，管长，管件和阀门的设置及流体输送量求流体通过此管路系统的能量损失，以便

16、于进一步确定设备内压力，设备间的相对位置或输送设备所加入的外功。2、 已知管材，管径，管长，及局部阻力系数，供液点，需液点的位置和压力及供液点的压力情况，求流体的流速或流量。 3、已知管长，管件和阀门的设置，允许的能量损失及流量，求管径。 复杂管路计算的原则 n并联管路并联管路 n分支管路分支管路 并联管路 1、 1、流体流动规律 Vs=Vs1+Vs2+Vs3 (不可压缩流体) hfA-B=hf1=hf2=hf3 2、 讨论（1）流体在各支管的流量和流速受两式限制。（2）管子长，直径小，而摩擦因数大的管段，流量小。管子短，直径大，而摩擦因数小的管段，流量大。（3）并联管段的能量损失hf，只需考

17、虑其中任意管段的能量损失hf即可。 分支管路 1、 流体流动规律流体流动规律Vs=Vs1+Vs2 (不可压缩流体)gzA+uA2/2+PA/+hfC-A=gzB+uB2/2+PB/+hfC-B2、 讨论讨论流体在流往各支管的流量取决于上式。计算分支管路所需的能量时，为了能保证将流体输送到需用能量最大的支管目的地，就需要按照耗用能量最大的那根支管管路计算。管道直径的选择和计算 Vs=u di= 42diuVs4流速和流量的测定 n测速管测速管 n孔板流量计孔板流量计 n文丘里流量计文丘里流量计 n转子流量计转子流量计 测速管1 1、构造、构造2 2、测速原理、测速原理n内管测得的为流体的冲压头：

18、HA=u2/(2g)+P/(g) n外管测得的为流体的静压头：HB=P/(g)n管压差计读数为与之差，即H=HA-HB=u2/(2g)n则测量点的局部流速为：ur= )(2AgR测速管优缺点 1、优点：准确性较高，流体阻力小，适用于测量大直径管路中气体流速。2、缺点：不能直接测出平均流速，且压差读数较小，当流体中含固体杂质时，易将测压孔堵塞，故不宜适用测速管。 孔板流量计 n构构造造 孔板流量计录像孔板流量计测量原理 n在孔板前后列柏努利方程式，经整理可得：Vs=u0A0= )(200AgRCA孔板流量计优缺点 1、 优点：制造简单，随测量条件变化时，更换方便。2、缺点：能量损失较大。 文丘里

19、流量计 n构造构造 n工作原理工作原理 与孔板流量计相似，计算式也相似：Vs= )(20AVgRAC文氏流量计录像文丘里流量计优缺点 1、优点：能量损失小2、缺点：各部分尺寸要求严格，要精细加工，造价高。 转子流量计 n构造构造 转子流量计工作原理 转子受到两个力：1、上推力等于流体流经转子与锥管间的环形截面所产生的压力差；2、净重力等于转子所受重力减去流体对转子的浮力；当上推力大于净重力，转子上浮；当上推力小于净重力，转子下降；当上推力等于净重力，转子平衡，停止在某一位置。转子流量计的流量公式流量公式：Vs= fffRRAgVAC)(2转子流量计优缺点 1、优点：读数方便，能量损失小，测量范围宽，能用于腐蚀性流体的测量。2、缺点：管壁大多为玻璃制品，不能受高温和高压，易破碎而且安装时要求保持垂直。 三种流量计的区别 n孔板流量计，文丘里流量计称为差压式流量计；n转子流量计称为截面流量计。