化工原理课件-第一章-流体流动.ppt
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- 化工 原理 课件 第一章 流体 流动
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1、第一章第一章 流体流动流体流动1.1 1.1 流体的物理性质流体的物理性质1.2 1.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式1.3 1.3 流体流动的基本方程流体流动的基本方程1.4 1.4 流体流动现象流体流动现象1.5 1.5 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力1.6 1.6 管路计算管路计算1.7 1.7 流量测量流量测量1.1 1.1 流体的物理性质流体的物理性质1.1.1 流体的密度流体的密度1.1.2 流体的黏度流体的黏度1.1.流体:流体:液体和气体的总称液体和气体的总称(1)(1)流动性;流动性;(2)(2)无固定形状,随容器的形状而变化;无固定形状,随容器的形状而
2、变化;(3)(3)在外力作用下流体内部发生相对运动;在外力作用下流体内部发生相对运动;(4)(4)抗剪抗张的能力很小。抗剪抗张的能力很小。假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙,完全假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙,完全充满所占空间的连续介质充满所占空间的连续介质。流体的物理性质及运动参。流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布,可用连续函数加以描述。数在空间作连续分布,可用连续函数加以描述。2.2.流体连续性假设:流体连续性假设:液体液体VmV0lim)(T气体气体),(Tp不可压缩流体不可压缩流体/mV 1.1.1 流体的密度流体的密度可压缩流体可压缩流体定义:单位体积流体具有的
3、质量定义:单位体积流体具有的质量点密度点密度TppTTVpTpVVm RTpM理想气体的密度理想气体的密度004.22 TppMT混合流体的密度混合流体的密度液体混合物液体混合物1kg混合物为基准,设各组分混合前后体积不变混合物为基准,设各组分混合前后体积不变1imix气体混合物气体混合物1.mwAwBwnABnxxxxw-组分的质量分数组分的质量分数1m3混合气体为基准,设各组分混合前后质量不变混合气体为基准,设各组分混合前后质量不变.mAVABVBnVnxxxxV-组分的体积分数组分的体积分数比容(比体积)比容(比体积)m/V/1比重比重42/OHd单位质量流体所具有的体积单位质量流体所具
4、有的体积mmpMRT.mAABBnnMM yM yM yy-组分的组分的物质的量物质的量分数分数补充补充1.牛顿黏性定律1.1.2 流体的黏度流体的黏度运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力就运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力就是流体的是流体的内摩擦力或剪切力,黏滞力或黏性摩擦力内摩擦力或剪切力,黏滞力或黏性摩擦力影响摩擦力的因素影响摩擦力的因素平板间平板间uFSyuFSyFuSy内摩擦应力(剪应力):内摩擦应力(剪应力):单位面积上的内摩擦力单位面积上的内摩擦力圆筒内圆筒内dudydydu/速度梯度:速度梯度:在与流动方向相垂直的在与流动方向相垂直的y方向上流体速度方向上流体速度
5、的变化率的变化率比例系数,流体黏性越大,其值越大,比例系数,流体黏性越大,其值越大,黏滞系数或黏滞系数或动力黏度动力黏度,简称,简称黏度黏度yxodydu牛顿型流体:牛顿型流体:凡符合牛顿黏性定律的流体,所凡符合牛顿黏性定律的流体,所有气体和大多数液体。有气体和大多数液体。非牛顿型流体:非牛顿型流体:凡是剪应力与速度梯度不符合凡是剪应力与速度梯度不符合牛顿黏性定律的流体均称为牛顿黏性定律的流体均称为非牛顿型流体非牛顿型流体。胶。胶体溶液、泥浆、乳浊液、长链聚合物溶液、涂体溶液、泥浆、乳浊液、长链聚合物溶液、涂料及混凝土等。料及混凝土等。2.流体的黏度dudy黏度的物理意义:黏度的物理意义:促使
6、流体流动产生单位速度梯度的剪应力促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力液体的粘度随温度的升高而减小;气体的粘度液体的粘度随温度的升高而减小;气体的粘度随温度的升高而增大。压力对液体和气体粘度随温度的升高而增大。压力对液体和气体粘度的影响很小。的影响很小。-2-11-2111/N m/m smN s mPa sPg cms100cP10 Pa sdu/dy(泊)(厘泊)黏度的单位黏度的单位运动黏度运动黏度/4211st100cSt10 m s(厘沲))s(m1221cmst(斯托克斯,S,简称沲)3.理想流体黏度为黏度为零零的流体的流体1.2 1.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式1.2
7、.1 1.2.1 静止流体的压力静止流体的压力1.2.2 1.2.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式1.2.3 1.2.3 流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用PpA0limAPpA 垂直作用于流体单位面积上的力称为流体的静垂直作用于流体单位面积上的力称为流体的静压强,简称压强,简称压强压强,俗称,俗称压力,压力,Pa点压强:点压强:1.2.1 1.2.1 静止流体的压力静止流体的压力压力压力1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133105Pa2421at=1kgf/cm=735.6mmHg=10mH O=
8、0.9807bar=9.807 10 Pa压强的单位压强的单位工程上将工程上将1kgf/cm2近似地作为近似地作为1个大气压,称个大气压,称为为1工程大气压工程大气压表压强表压强=绝对压强大气压强绝对压强大气压强压强的不同表示法压强的不同表示法以绝对零压作为起点计算的压强,是流体的真以绝对零压作为起点计算的压强,是流体的真实压强实压强真空度真空度=大气压强绝对压强大气压强绝对压强表压强表压强绝对压强绝对压强真空度真空度大气压、绝对压强、表压强(真空度)之间关系P1P2WAgzzmgW)(210Ag)zz(PP2112PpAgzzpp)(2112z1z2h静止液体内部力的平衡静止液体内部力的平衡
9、1.2.2 1.2.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式流体在重力和压力下的平衡规律流体在重力和压力下的平衡规律当液面上方的压强为当液面上方的压强为p0,距液面,距液面h处的压强为处的压强为p1212ppgzgz2112()ppg zz0ppgh流体静力学方程的适用条件及意义:流体静力学方程的适用条件及意义:只适用于只适用于静止的、连通的静止的、连通的同一种连续流体。同一种连续流体。在重力场作用下,静止液体内部压强的变化规律在重力场作用下,静止液体内部压强的变化规律传递定律:传递定律:p p0 0有变化时,流体内部其他各点上的有变化时,流体内部其他各点上的压强也发生变化;压强也发生变化
10、;等压面的概念:等压面的概念:在静止的同一连续流体内,处于在静止的同一连续流体内,处于同一水平面上各点的压强都相等;同一水平面上各点的压强都相等;压强可以用一定高度的流体柱来表示。压强可以用一定高度的流体柱来表示。0ppgh0pphg测量两截面间的压强差或任意截面上的压强;测量两截面间的压强差或任意截面上的压强;测量容器内的液面位置;测量容器内的液面位置;计算液封高度。计算液封高度。一、测量压强差与压强一、测量压强差与压强(1)U形管压差计(液柱压差计)形管压差计(液柱压差计)指示液指示液A与被测流体与被测流体B不互溶也不起化学反应不互溶也不起化学反应BA应用条件应用条件1.2.3 1.2.3
11、 流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用gRgzppgzppABfBe221112()ABppgR若要求测定系统中某点压若要求测定系统中某点压力时,将力时,将U形管压力计的形管压力计的一侧直接与大气相连通,一侧直接与大气相连通,则称为测压管,测量的是则称为测压管,测量的是系统的表压或真空度。系统的表压或真空度。(2 2)微差压力计)微差压力计U管内放入两种密度相近且互管内放入两种密度相近且互不相溶的指示液不相溶的指示液A和和C。在在U管顶部增设两个扩张室。管顶部增设两个扩张室。gRRgppBCCA)()(12RgppCA)(12生产中配套使用的两种指示液有:生产中配套使用的两种指
12、示液有:石蜡油和乙醇水溶液、苯甲基醇和氯化钙盐水石蜡油和乙醇水溶液、苯甲基醇和氯化钙盐水U形管的直径形管的直径d与扩张室直径与扩张室直径D之比:之比:1:10二、计算液封高度二、计算液封高度安全液封装置安全液封装置为控制乙炔发生炉内压强不为控制乙炔发生炉内压强不超过超过10.7103Pa(表压),(表压),需在炉外装有安全液封,其需在炉外装有安全液封,其作用是当炉内压强超过规定作用是当炉内压强超过规定值时,气体就从液封管排出。值时,气体就从液封管排出。求安全液封管应插入槽内水求安全液封管应插入槽内水面下的深度。面下的深度。1.3.1 1.3.1 流量和流速流量和流速1.3.2 1.3.2 稳态
13、流动和非稳态流动稳态流动和非稳态流动1.3.3 1.3.3 连续性方程式连续性方程式1.3.4 1.3.4 柏努利方程式柏努利方程式1.3.5 1.3.5 柏努利方程式的应用柏努利方程式的应用1.3 1.3 流体流动的基本方程流体流动的基本方程流量流量:单位时间流过管道内任一截面单位时间流过管道内任一截面流体量流体量流速流速:单位时间内流体在流动方向上通过的距离单位时间内流体在流动方向上通过的距离体积流量体积流量Vs m3/s质量流量质量流量ws kg/s1.3.1 1.3.1 流量和流速流量和流速sswV管中心:管中心:r=0,ur=umax;管壁处:管壁处:r=R,ur=0;在工程计算上为
14、方便起见,流体的流速通常指在工程计算上为方便起见,流体的流速通常指整个管截面上的整个管截面上的平均流速平均流速AwAVuss质量流速质量流速:单位时间内气体通过管道单位截面的单位时间内气体通过管道单位截面的质量质量uAVAwGss2244/dVdVAVusss输送管路的直径输送管路的直径4sVdum/skg/(m2s)流体流动时,若任一点处的流速、压力、密度等与流流体流动时,若任一点处的流速、压力、密度等与流体有关的体有关的流动参数流动参数都都不随时间而变化,不随时间而变化,稳态流动稳态流动。只要有一个流动参数随时间变化,只要有一个流动参数随时间变化,非稳态流动非稳态流动。不稳定流动不稳定流动
15、1.3.2 1.3.2 稳稳态流动和非稳态流动态流动和非稳态流动1.3.3 1.3.3 物料衡算物料衡算-连续性方程式连续性方程式12ssww质量守恒定律质量守恒定律111222.snnnwu Au Au A 常数swuA111222swu Au A常数uuu.21若输送管路直径相同,则若输送管路直径相同,则A为常数为常数在等直径管道中输送不可压缩流体时速度为常数在等直径管道中输送不可压缩流体时速度为常数若是若是可压缩流体在等径管道中流动可压缩流体在等径管道中流动常数uuuG.2211若输送不可压缩流体若输送不可压缩流体1122.sVu Au AuA 常数常数反映在稳态流动系统中,流量一定时,
16、管路各反映在稳态流动系统中,流量一定时,管路各截面上截面上平均流速平均流速变化规律变化规律连续性方程的规律与连续性方程的规律与管路的安排管路的安排以及管路上是以及管路上是否装有否装有管件管件、阀门或输送机械阀门或输送机械等等无关无关。连续性方程的意义:连续性方程的意义:注意:注意:1.3.4 1.3.4 能量衡算能量衡算-柏努利方程式柏努利方程式一、流动系统的总能量衡算一、流动系统的总能量衡算 内能:物质内部能量的总和,内能:物质内部能量的总和,U,J/kg位能:流体因受重力的作用,在不同的高度具有的位能:流体因受重力的作用,在不同的高度具有的不同的位能,相当于质量为不同的位能,相当于质量为m
17、的流体自基准水平面升的流体自基准水平面升举到某高度所作的功,位能举到某高度所作的功,位能=mgZ,J/kg动能:动能:mu2/2,J/kg(一)流动着的流体本身具有的能量:(一)流动着的流体本身具有的能量:静压能(压强能):通过静压能(压强能):通过截面截面的流体必定带着的流体必定带着能量进入系统,流体所具有的这种能量称为能量进入系统,流体所具有的这种能量称为静压静压能能或或流动功流动功设设m、V流体通过截面,推进此截面所需流体通过截面,推进此截面所需作用力作用力11Pp A流体通过此截面所走的流体通过此截面所走的距离距离11/VA静压能静压能111111Vp Ap VA1kg流体输入的静压能
18、流体输入的静压能1 11 1pVp vm静压能单位:静压能单位:31 1mPaJ/kgkgp v 位能、动能、静压能称为位能、动能、静压能称为机械能机械能,三者之和称,三者之和称为为总机械能总机械能(二)系统与外界交换的能量(二)系统与外界交换的能量与换热器交换的能量与换热器交换的能量:若换热器对流体加热,则若换热器对流体加热,则Qe为从外界向系统输入的能量;若换热器对流体冷却,为从外界向系统输入的能量;若换热器对流体冷却,则则Qe为系统向外界输出的能量,为系统向外界输出的能量,J/kg。输送机械向系统输入的功输送机械向系统输入的功:流体由输送机械所获得流体由输送机械所获得的能量,称外功或净功
19、,亦称有效功的能量,称外功或净功,亦称有效功We,J/kg。恒算范围恒算范围:内壁面、内壁面、1-11-1与与2-22-2恒算基准恒算基准:1kg1kg流体;流体;基准水平面基准水平面:O O-OO平面。平面。(三)能量衡算(三)能量衡算能量守恒定律:能量守恒定律:22222211211122vpugZUWQvpugZUee1122212221212)(;vpvppvuuuZZZUUUeeWQpvuZgU)(2/2输入的总能量输入的总能量=输出的总能量输出的总能量稳态流动过程的总能量衡算式,稳态流动过程的总能量衡算式,也是流动系统中热力也是流动系统中热力学第一定律表达式。学第一定律表达式。二、
20、流动系统的总机械能衡算二、流动系统的总机械能衡算根据热力学第一定律:根据热力学第一定律:21vvepdvQU1kg流体在流体在1-1到到2-2之间所获得的热之间所获得的热被加热而引起体积膨胀所作的功被加热而引起体积膨胀所作的功eefQQhQe由两部分组成:一部分是流体与环境所交换的热,由两部分组成:一部分是流体与环境所交换的热,即即换热器提供的热量换热器提供的热量;一部分是液体为克服流体阻;一部分是液体为克服流体阻力而消耗的一部分机械能,这部分力而消耗的一部分机械能,这部分机械能转变成热机械能转变成热,只能略微提高流体的温度,而不能直接用于流体的只能略微提高流体的温度,而不能直接用于流体的输送
21、,这部分机械能实际上损失,称输送,这部分机械能实际上损失,称能量损失能量损失 设设1kg流体在系统中流动,因克服流体阻力而损失流体在系统中流动,因克服流体阻力而损失的能量为的能量为hf21 vefvUQhpdv 212121)()(ppvvvvvdppdvpvdpv212/2()vefvg ZupvpdvWh 212/2pefpgZuvdpWh 表示表示1kg1kg流体流动时流体流动时机械能机械能的变化关系,称为流体稳的变化关系,称为流体稳态流动时的态流动时的机械能衡算式机械能衡算式,可压缩流体与不可压缩流可压缩流体与不可压缩流体均适用。体均适用。三、柏努利方程三、柏努利方程不可压缩流体的不可
22、压缩流体的v或或为常数为常数pppvvdppp)(122122efupg ZWh 2211221222efupupgZWgZh 0 0fehW2211221222upupgZgZ四、柏努利方程式的讨论四、柏努利方程式的讨论(1 1)稳态流动的流体)稳态流动的流体不可压缩理想流体在管道内作稳态流动而且无外功不可压缩理想流体在管道内作稳态流动而且无外功输入时,在任一截面上单位质量流体所具有的输入时,在任一截面上单位质量流体所具有的总机总机械能为常数械能为常数常数pugzpugzpugz2.22222221211理想流体且无外功加入理想流体且无外功加入2222121122pugZpugZ222121
23、22pupu22121212 22ssuuddVV;12pp各种形式的机械能可以相互转换各种形式的机械能可以相互转换gz、u2/2、p/是指在某截面上是指在某截面上流体本身流体本身所具有所具有的能量;的能量;We和和hf是指流体在两截面间流动时是指流体在两截面间流动时获得和消耗获得和消耗的能量。的能量。We:输送设备对单位质量流体所做的有效功,:输送设备对单位质量流体所做的有效功,是是选择流体输送设备的重要依据选择流体输送设备的重要依据Ne:单位时间输送设备所作有效功称单位时间输送设备所作有效功称有效功率有效功率(2)单位质量流体具有的能量:)单位质量流体具有的能量:eesNW w可采用柏努利
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