化工原理-第一章-流体流动课件.ppt
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- 化工 原理 第一章 流体 流动 课件
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1、第1章 流体流动目的:掌握流体流动的基本原理以及流体在管道内的流动规律,据此分析和计算流体的输送问题。流体概念基本性质流体流动基本方程流动现象流动阻力应用管路计算流量测量流体流动流体1.流体:液体和气体。2.连续介质模型:流体视为由无数分子集团(每个分子集团也称为质点)组成的连续介质。其目的是,为了摆脱复杂的分子运动,从宏观上研究流体流动的规律。3.流体运动:指流体内部无数质点运动的总和,不是指流体内分子或原子的微观运动。流体的输送;流速、流量和压强的测量;为强化设备提供适宜的流动条件。流体性质密度1.纯物质 l:随压力变化小,随温度略有变化;g:随压力和温度改变。TpTp0022.4MT p
2、MpRTTp理想气体:0limVmV pVpVTT流体性质密度2.混合物 l gABnmABn1.wwwxxxmAABBnnVVVxxx(体积不变)(质量不变)3.不可压缩流体:改变T或p时,;可压缩流体:改变T或p时,显著变化。注意若T或p变化不大时,变化很小,气体视为不可压缩流体。Const流体性质黏度1.黏性和内摩擦力(剪切力、黏滞力或黏性摩擦力)黏性阻碍流体相对运动的性质。内摩擦力流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。l:动量传递,分子间吸引力g:动量传递,分子热运动流动阻力的产生原因因流体层间有内摩擦力,流体流动时必须克服内摩擦力而做功,其部分机械能转化为热而损失掉。流体性质黏度
3、dduy运动黏度2.牛顿黏性定律uFSyuFSyFuSy黏度:反映流体黏性的大小。,;lgpT对影 响 小1Pa s10 P1000 cP2-1461m s10 St10 cSt12m12iiiiiyMy Mmlglgiix常压气体混合物:非缔合液体混合物:流体性质黏度4.牛顿型流体和非牛顿型流体3.理想流体0目的:将实际流体先视为理想流体,可剔除影响黏度的诸多因素,简化问题。待获得理想流体流动的规律后,再考虑黏度的影响,修正理想流体流动的规律,应用于实际流体。牛顿型流体:遵循牛顿黏性定律的流体。反之称为非牛顿型流体。牛顿型流体:所有气体和大多数液体;非牛顿型流体:血液、油漆等流体。流体性质压
4、强1.压强单位2.表示方法:绝对压强、表压强和真空度3.换算关系5221atm=1.0133 10 Pa101.33kPa0.10133MPa760 mmHbarg10.33mH O1.0131.033kgf/cm14 6P.97SI表压强绝对压强-大气压强;真空度大气压强-绝对压强表压(或真空度)与绝对压强的关系流体流动的基本方程1.概念2.连续性方程3.伯努利方程4.流体流动基本方程的应用流体流动的基本方程概念1.稳态流动与非稳态流动 稳态流动流动参数(如u)仅随位置而变,不随时间而变。非稳态流动至少有一个流动参数既随位置而变,又随时间而变。2.流量与流速 流量单位时间内流过管道任一截面的
5、流体量。流速单位时间内流体在流动方向上所流过的距离。sswVsVuAsswVuAswGuA质量流速(质量通量)流体流动的基本方程 连续性方程s1s2ww1 11222u Au A1 11222sConstu Au AuAws1122ConstVu Au AuA稳态流动:输入输出(不可压缩流体)推导连续性方程 确定控制体 确定衡算基准流体流动的基本方程 伯努利方程对象稳流的流体;控制体内壁面、11与22截面间;衡算基准1 kg 流体;衡算基准面oo平面。推导伯努利方程1.能量形式 内能U;位能gZ,基准面以上为+,以下为;动能u2/2;静压能(流动功);热量Qe,吸+放;外功(净功或有效功)We
6、,得+失,VpVpApVpAm;总机械能位能、动能和静压能的总和。eseNwW流体流动的基本方程 伯努利方程2.流体稳态流动时机械能衡算方程2212111ee2222122uuUgZpQWUgZp2ee2uUg ZpQW 21edUQpeefhQQ21efdUQhp221121dddpppppp212efd2ppug ZpWh流体稳态流动时机械能衡算方程212efd2ppuWg Zph流体流动的基本方程 伯努利方程3.伯努利方程(1738年,瑞士流体物理学家伯努利)伯努利方程1 kg、不可压缩、理想流体稳流时无外功的机械能衡算方程2211221222upupgZgZ212efd2ppug Zp
7、Wh2121dpppppp2211221e2f1222upupgZWgZhef00Wh;伯努利方程流体流动的基本方程 伯努利方程 理想流体作稳态流动时,上、下游截面上总机械能相等;不同形式的机械能不一定相等,但各种形式之间的机械能可以相互转换。流体静力学方程 流体流动方向的判据无外功时,流体自动从总机械能较高处流向较低处。1212ppgZgZ2211221222upupgZgZ22112212ff022upupgZgZhh流体流动的基本方程4.实际流体的机械能衡算方程2211221e2f22upupgZWgZh22fe2211221e2112f2122222hWupupZZggggggupup
8、ZHZHgggg;221211e22f22uugZpWgZph 单位质量 单位重量 单位体积2211221e2f1222upupgZWgZh注意非稳态流动系统的任一瞬间,伯努利方程仍成立。流体流动的基本方程应用应用流体流动的基本方程时,注意:画示意图;选取上、下游截面(与流向垂直)与基准水平面;两截面上采用一致的压强形式(常取绝压);物理量单位一致。P36 例1-14,P36 例1-15,P39 例1-16流体的流动现象1.流动类型2.圆管中流体流动的速度分布3.流动边界层流体的流动现象 流动类型1.雷诺实验与流动类型(简称流型)a.层流(滞流)b.湍流(紊流)流型雷诺实验流体的流动现象 流动
9、类型2.雷诺数(雷诺准数,Reynolds,Re)duRe2/duuReu d惯性力黏滞力准数亦称特征数,由几个物理量组合而成的无量纲数群。惯性力加剧湍流,黏滞力抑制湍流。3000L MLT LL M TML TduRe流体的流动现象 流动类型3.流型的判据 流体在直管内的流型:Re2000层流;Re4000湍流;Re=20004000不稳定的过渡区,可能为层流,也可能为湍流。注意工程上,Re3000的流型按湍流处理。duRe流体的流动现象 流动类型4.流型比较211diiuu时均速度iiiuuu质点i湍流时的速度脉动曲线流体的流动现象 流动类型流型比较 流体的流动现象 流体在圆管中的速度分布
10、1.层流2212pprrp dd22ddrrruuSrlrlrr 224rpuRrl圆管中流体的受力分析dd2rpur rl,0rrrrr uurR u管内流体作层流时的速度分布圆管内流体作层流时速度分布表达式流体的流动现象 流体在圆管中的速度分布s02dRrVu r rsVuA224rpuRrl28puRl2max4puRlmax2uusdd2drrVuAur rsss0,0,rVrR VV224rpuRrl0r 2max1rruuR流体的流动现象 流体在圆管中的速度分布2.湍流1/max1nrruuR层流内层过渡层湍流主体 层流内层近管壁处作层流运动的流体薄层湍流区湍流时管内流体的速度分布
11、561.0 103.2 107Ren1/7 次方律2maxmax20.817121nuuuunnbRe流体的流动现象 边界层1.边界层目的简化实际流体的流动,集中研究边界层内的流动规律。平板上流动边界层流动边界层 简称边界层,指壁面附近具有较大速度梯度的流体层,遵循牛顿黏性定律。主流区边界层外,速度梯度为零的区域,此区流体可视为理想流体。边界层厚度由壁面至速度达到主流速度的点之间的距离。s0.99uu注意:工程上规定,边界层边缘处流速流体的流动现象 边界层2.边界层发展平板上流动边界层 平板上边界层边界层流型层流边界层和湍流边界层。0.50.24.640.376xxxRexRe层流;湍流565
12、62 103 102 103 10 xxxReReRe 层流;湍流;过渡层sxu xRe流体的流动现象 边界层 管内边界层00.0575xRed圆管进口段层流边界层厚度的变化进口段(稳定段)距离进口x0的区域。完全发展区进口段以后,各截面速度分布曲线形状不随x而变。圆管进口段层流与湍流边界层厚度的变化b7/861.5dRe注意圆管内流体的速度分布测定地点,应选在距离入口大于x0处。工程上,层流时,x0=(50100)d;湍流时,一般比层流的要短。流体的流动现象 边界层3.边界层分离(曲面)边界层分离边界层分离流体流过曲面时,边界层脱离壁面。A点:驻点,流速为零,压强最大。A-B间:流道截面,加
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