流体流动1资料课件

2024/7/411.2 流体动力学流体动力学1.2.1 流体的流量与流速流体的流量与流速 1.2.2 定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动1.2.3 定态流动系统的质量守恒定态流动系统的质量守恒 连续性方程连续性方程 1.2.4 定态流动系统的能量守恒定态流动系统的能量守恒 柏努利方程柏努利方程 2024/7/421.2 流体动力学流体动力学 1.体积流量体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。VSm3/s或m3/h2.2.质量流量质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。mSkg/s或kg/h。二者关系：一、流量一、流量1.2.1 流体的流量与流速流体的流量与流速2024/7/43二、流速二、流速2.2.质量流速质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。1.1.流速流速（平均平均流速）流速）单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。kg/（m2s）流量与流速的关系：m/s2024/7/44对于圆形管道：流量VS一般由生产任务决定。流速选择：三、管径的估算管径的估算 d 设备费用 流动阻力 动力消耗 操作费均衡考虑uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费2024/7/45常用流体适宜流速范围：常用流体适宜流速范围：水及一般液体 13 m/s粘度较大的液体 0.51 m/s低压气体 815 m/s压力较高的气体 1525 m/s 2024/7/46 1.2.2 定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动定定态态流流动动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；非非定定态态流流动动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。2024/7/471.2.3 定态流动系统的质量守恒定态流动系统的质量守恒连续性方程连续性方程 对于定态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：推广至任意截面 连续性方程连续性方程11 2 22024/7/48不可压缩性流体，圆形管道：即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比。2024/7/49例例1-31-3 如附图所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和两段573.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以910-3m3/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。3a123b2024/7/410v解：A=D2/4v A1=D12/4=3.140.0812/4=0.005m2v A2=D22/4=3.140.12/4=0.008m2v A3=D32/4=3.140.052/4=0.002m2v v U1=910-3/A1=1.8m/sv U2=910-3/A2=1.1m/sv U3=910-3/2A3=2.25m/s2024/7/4111.2.4 定态流动系统的能量守恒定态流动系统的能量守恒柏努利方程柏努利方程 一、总能量衡算一、总能量衡算2024/7/412（1）内能 贮存于物质内部的能量。1kg流体具有的内能为U（J/kg）。衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成 的空间衡算基准：1kg流体基准面：0-0水平面（2）位能 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。2024/7/413（3）动能 1kg的流体所具有的动能为 (J/kg)（4）静压能 静压能=1kg的流体所具有的静压能为(J/kg)（5）热 设换热器向1kg流体提供的热量为 (J/kg)。lAV2024/7/414（6）外功(有效功)1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We(J/kg)。以上能量形式可分为两类：机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输 送流体；内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。2024/7/4152实际流体的机械能衡算实际流体的机械能衡算 假设 流体不可压缩，则 流动系统无热交换，则 流体温度不变，则(1)以单位质量流体为基准 设1kg流体损失的能量为Wf（J/kg），有：(1)式中各项单位为J/kg。并且实际流体流动时有能量损失。2024/7/416（2）以单位重量流体为基准 将(1)式各项同除重力加速度g:令 则（2）式中各项单位为2024/7/417z 位压头动压头He外加压头或有效压头。静压头总压头hf压头损失2024/7/418（3）以单位体积流体为基准 将(1)式各项同乘以 :式中各项单位为（3）压力损失2024/7/4193理想流体的机械能衡算理想流体的机械能衡算 理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。（4）（5）柏努利方程式柏努利方程式 2024/7/4204.4.柏努利方程的讨论柏努利方程的讨论（1）若流体处于静止，u=0，Wf=0，We=0，则柏努利方程变为 说明柏努利方程既表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律。（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即2024/7/421Hz22102024/7/422 We、Wf 在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。（3）zg、某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能；有效功率：轴功率：2024/7/423（4）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。对于可压缩性流体，当 时，仍可用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。2024/7/4244柏努利方程的应用柏努利方程的应用 管内流体的流量；输送设备的功率；管路中流体的压力；容器间的相对位置等。利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：2024/7/425（1）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围；（2）位能基准面的选取 必须与地面平行；宜于选取两截面中位置较低的截面；若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。2024/7/426（4）各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。（3）截面的选取 与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应是定态连续流动；截面宜选在已知量多、计算方便处。2024/7/427 例例1-4 如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液hpa管为452.5mm的钢管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为1.2m（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？2024/7/428P1=P2=P0U1=0U2=3.6/3600A=0.8m/sHf=1.2m2024/7/429 例例1-6 某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密度为1100kg/m3）输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出，如附图所示。泵的入口管为1084mm的钢管，管中的流速为1.2m/s，出口管为763mm的钢管。贮液池中碱液的深度为1.5m，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距离为20m。碱液流经所有管路的能量损失为30.8J/kg（不包括喷嘴），在喷嘴入口处的压力为29.4kPa（表压）。设泵的效率为60%，试求泵所需的功率。2024/7/43020m1.5m2024/7/4314.2KJ/S2024/7/43232二、二、静力学基本方程的应用静力学基本方程的应用 1.压力及压力差的测量压力及压力差的测量（1）U形压差计形压差计 设指示液的密度为 ，被测流体的密度为 。A与A面 为等压面，即而p1p2mRAA2024/7/43333所以整理得若被测流体是气体，则有2024/7/43434讨论：讨论：（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；表压真空度p1pap1pa2024/7/43535（2）指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。2024/7/43636思考：思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数 R反映了什么？p1p2z2RAAz12024/7/43737（2）双液体双液体U管压差计管压差计 扩大室内径与U管内径之比应大于10。密度接近但不互溶的两种指示 液A和C ；适用于压差较小的场合。2024/7/43838（3）倒倒U形压差计形压差计 指示剂密度小于被测流体密度，如空气作为指示剂（5）复式压差计复式压差计（4）倾斜式倾斜式压差计压差计 适用于压差较小的情况。适用于压差较大的情况。2024/7/43939例例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，指示液为水银，读数 R250mm，h900mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1000kg/m3，水 银 的 密 度13600kg/m3。试计算该截面处的压力。2024/7/44040例例1-2 如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为 Z0=2.1m,Z2=0.9m,Z4=2.0m,Z6=0.7m,Z7=2.5m。试计算锅炉内水面上方的蒸汽压力。2024/7/441vP2=P1=P0+gh=P0+1360010(2.1-0.9)=P0+1.632105vP4=P3=P2-gh=P0-100010(2.0-0.9)=P0+1.632105-1.1104=P0+1.522105vP6=P5=P4+g(Z4-Z5)=P0+3.29105vP7=P0+3.211052024/7/442422.液位测量液位测量（1 1）近距离液位测量装置）近距离液位测量装置 压差计读数R反映出容器内的液面高度。液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，R亦为零。2024/7/44343（2 2）远距离液位测量装置）远距离液位测量装置 管道中充满氮气，其密度较小，近似认为 而所以 AB2024/7/444443.液封高度的计算液封高度的计算 液封作用：确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；防止气柜内气体泄漏。液封高度：