化工原理-流体流动

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第二章 流体流动,第一节 概 述,一、,流体的定义和分类,3,、,研究对象,质点,：,含有大量分子的流体微团。,流体,:,是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。流体的物理性质及运动参数在空间作 连续分布，即可以用连续函数的数学工具加以描述。,2,、特征,具有流动性,无固定形状,在外力作用下，其内部发生相对运动，产生流动。,1,、定义,流体是液体和气体的统称。,4,、定态流动与非定态流动,定态流动是指点的速度,u,x,、,u,y,、,u,z,及压强,p,均为与时间无关的常数。,即：,定态流动,u=f,（,x,、,y,、,z,）,非定态流动,u=f,（,x,、,y,、,z,、,）,u=f,（,x,、,y,、,z,、,）,u=f,（,x,、,y,、,z,）,5,、运动的描述方法,拉格朗日法,：,描述同一质点在不同时刻的状态。,（物理学中考察单个固体质点时用）,欧拉法,：描述空间各点的状态及其与时间的关系。,（考察定态流体流动时常用）,6,、分类,按流体的体积是否随压强、温度变化分,不可压缩流体,与可压缩流体,按流体流动时是否存在粘性力分,理想流体与,非理想流体,按流体流动时,与,du/dy,之间是否遵守牛顿粘性定律分,牛顿流体,与非牛顿流体,二、本章主要内容,1,、流体静力学基本方程及其应用,2,、管内流体流动基本方程,3,、管内流体流动阻力,4,、管路计算,第二节 流体静力学基本方程及其应用,一、流体的物理性质及作用力,二、流体静力学基本方程式,三、流体静力学基本方程式的应用,一、流体的物理性质及作用力,1,、密度与比容,比容,定义式,=1/,（,m,3,/kg,）,密度,定义式：,=m/V,（,kg/m,3,）,影响因素：,=f,（,P,，,T,）,确定方法：,实验测定或从手册资料中查取,液体的密度,=f,（,T,）,气体的密度,=f,（,P,，,T,）,混合液体的密度,混合气体的密度,2,、流体的压强,流动着的流体受到的作用力可分为体积力和表面力。,体积力：,也称质量力，,包括,重力、,离心力,。,（都是场力）,表面力：,与表面积成正比的力，包括垂直作用于表面的,压力,和平行作用于表面的,剪力,（流动着的流体内部）。,压力：,F,（,N,）,压强（静压强,）：,P=F/A,（,N/m,2,即,Pa,帕）,压强的单位,1 atm =1.013,10,5,Pa,=1.033 kgf/cm,2,=1.013 bar,=760 mmHg,=10.33 mH,2,O,生产中常用单位：,1M Pa,（兆帕）,=10,6,Pa,10 atm,注意：,以液柱高度表示压强时，一定要指明是何种液体。,压强的表示方法,绝对压强,表压强,真空度,表压强,=,绝对压强,大气压强,真空度,=,大气压强,绝对压强,例,：,已知某设备进口压强,P,进,=1200mmH,2,O,（真空度），出口压强,P,出,=1.6 kgf/cm,2,（表压），当地大气压强,P,0,=760mmHg,，求设备进出口压强差，用,N/m,2,表示。,*,表示方法要一致,*单位要一致,解：,P,进,=1200mmH,2,O,（真空度）,=,（,N/m,2,）,P,出,=1.6 kgf/cm,2,（表压）,=,（,N/m,2,）,P=P,进,-P,出,=1.68510,5,（,N/m,2,）,3,、流体的粘度,剪应力,：,流体流动时，单位面积上所受的内磨擦力，也称,粘性力（或剪力）。,粘性：,是流动着的流体内部分子微观运动的一种宏观表现。其,本质是分子间引力和分子的运动和碰撞。,（静止的流体是不能承受剪应力和剪切变形的，这是流体与固体的力,学特性的不同点。）,粘度,：,衡量,流体剪应力（粘性）大小的物理量。因不同流体,而异，是影响流体流动的一个重要的物理性质。,平板间液体速度变化图,实验证明：,对于大多数流体,与,du/dy,成正比,F,引入比例系数,则,=du/dy,称为,牛顿粘性定律。,比例系数,称为粘度或粘性系数（动力粘度）。,dy,du,*,粘度的物理意义,*,影响因素,*,粘度的单位及换算,cp,（厘泊）物理制单位,1 cp=10,-2,p,Pa,s SI,制单位,1 cp=10,-3,Pas,*,理想流体,*,动力粘度,与运动粘度,分析重力场中静止的均匀的液体中一流体柱的受力情况,：,作用于液柱上表面的力,P,1,A,作用于液柱下表面的力,P,2,A,液柱自身重力,gA,（,z,1,-z,2,）,则,P,1,A,-,P,2,A,+,gA,（,z,1,-z,2,）,=0,整理得,P,2,=,P,1,+,g,（,z,1,-z,2,）,上式称为流体静力学基本方程式。适用于重力场中静止的均匀的不可压缩流体。反映了静止流体内部的压强跟深度的定量关系。,其它表达形式：（单位质量流体总势能相等）,流体微元受力平衡一般式；,dp/,=Xdx+Ydy+Zdz,重力场中,X,，,Y=0 Z=-,g,二、流体静力学基本方程式,流体静力学基本方程式可通过静力平衡得到。,P,1,A,P,2,A,mg,*,适用范围,*,基本规律,h,油,*,表达式,h,h,水,例：,如图，在一开口容器内盛有,A A,油水混合物，静置后油层高度,0.7m,密度,800kg/m,3,；水层,高度,0.6m,密度,1000kg/m,3,。计算水在玻璃管中的高度,h,。,（,A-A,在同一水平面上）,解：,根据静力学基本方程，以,A-A,为基准面,有,P,A,=P,0,+,油,g h,油,+,水,g h,水,P,A,=P,0,+,水,g h,即,P,0,+,油,g h,油,+,水,g h,水,=P,0,+,水,g h,h=1.16m,*,问题？,1,、压强的静力学测量方法,简单测压管,P,A,=P,0,+,g R,A,点的表压为,P,A,-P,0,=,g R,U,型测压管,P,A,=P,0,+,i,g R,g h,1,A,点的表压为,P,A,-P,0,=,i,g R,g h,1,三、流体静力学基本方程式的应用,啊,A,A,R,R,U,型压差计,结构,U,型管,指示液,标尺,m,R,a,b,1,2,测量原理,如图，设,P,1,P,2,，则指示液呈现出高度差,R,（称为读数）。,R,与,P,的关系：,根据静力平衡原理，有,P,a,=P,b,（,a,、,b,在同一水平面上）,又,P,a,=P,1,+,g,（,m+R,）,P,b,=P,2,+,g m+,0,g R,P=P,1,-P,2,=R,（,0,）,g,P=R,（,0,）,g,上式说明：,当,0,、,一定时，,P,仅与,R,有关。,若两测压点不在同一水平面上，则,R,（,0,）,g,不是,真正的压强差，而是两被测截面上的虚拟压强差。,U,型压差计适用范围,斜管微压计、复式,U,型压差计等,2,、液面测量,3,、确定液封高度,H,Hs,即：,油,g Hs,=,水,g H,H=,因为,P,1,=P,2,1,2,H,已知：器内压强 真空度,82kPa,大气压强,P,0,=100kPa,器内压强 绝压,P=kPa,因,P+,水,g,H=P,0,大气腿,H=,第三节,管内,流体流动基本方程,流体流动的规律主要是指流体的流速、压强等运动参数在流体流动过程中的变化规律。,流体流动应当服从质量守恒、能量定恒、动量守恒等守恒原理，根据这些守恒原理可以得到有关,运动参数的变化规律。,一、流体的流速和流量,1,、流量,(,定态流动过程,质量,流量不随时间而变,),体积流量,q,v,，,m,3,/s,质量流量,q,m,，,kg/s,q,m,=,q,v,定义：,质点的运动速度,u,平均流速,u,（,m/s,）,u=q,v,/A,q,v,=Au=,A,u,d A,质量流速,w,（,kg/m,2,.s,）,w=q,m,/A=,u,2,、流速,管径的大小应通过经济核算,(,或根据经验值,),定。并注意：,密度大的流体,粘度大的流体,含有固体杂质的流体,一些流体在管道中的常用流速（,m/s,）,水及一般液体,1-3,易燃易爆的低压气体 小于,8,粘度较大的液体,0.5-1,压力较高的气体,15-25,低压液体,8-15,饱和水蒸汽,20-40,过热水蒸汽,30-50,3,、在管内流动的流体流速的确定,u=,q,v,/A=4q,v,/,（,d,2,）,即,u,与流量,q,v,、管径,d,有关。,当,V,一定时：,u d,操作费 设备费,u d,操作费 设备费,如图，对管内稳态流动流体作物料衡算,(,质量守恒,),有,q,m,1,=q,m,2,即,1,A,1,u,1,=,2,A,2,u,2,或,A,u,=,常数,u,1,/u,2,=A,2,/A,1,=,（,d,2,/d,1,）,2,三、连续性方程,(,稳态流动系统的物料衡算,),结论,:,适用条件,:,不可压缩,流体在,管内,作,连续稳态流动,时,1,2,1,、连续稳态流动系统的总能量衡算,连续稳定系统组成（如图所示）,四、柏努利方程式（能量衡算式）,理想流体能量衡算式可根据牛顿第二运动定律，通过对流动系统中的一个微分单元体作力的分析进行推导,;,实际流体能量衡算式也可通过对流动系统作能量衡算进行推导。,1,2,设,:u,1,、,p,1,、,Z,1,、,A,1,、,1,、,1,衡算范围,衡算基准,基准水平面,1kg,流体进出系统时输入与输出的能量：,内能,U,1,U,2,(,单位：,J/kg),位能,gz,1,gz,2,动能,u,1,2,/2 u,2,2,/2,（平均动能与用平均速度表示的动能）,静压能（流动功）,P,1,/,1,P,2,/,2,流动功,=,力,距离,=P A V/A=P V,1kg,流体进出系统时输入与输出的流动功为：,P,1,V,1,/m,1,=P,1,/,1,P,2,V,2,/m,2,=P,2,/,2,以上位能、动能、静压能又称为,机械能，,三者之和称为,总机械能,。,热量,Q,e,外加功,W,e,根据能量守衡定律，列出衡算式：,U,1,+gz,1,+u,1,2,/2+p,1,/,1,+Q,e,+W,e,=U,2,+gz,2,+u,2,2,/2+p,2,/,2,单位：,(J/kg),上式为连续稳态流动系统的总能量衡算式。,2,、连续稳态流动系统的机械能衡算式,机械能衡算式,对于,单纯的流体输送系统,、,不可压缩流体,有,：,U,1,+gz,1,+u,1,2,/2+p,1,/,=U,2,+gz,2,+u,2,2,/2+p,2,/,gz,1,+u,1,2,/2+p,1,/,=U,2,-U,1,+gz,2,+u,2,2,/2+p,2,/,实验证明：,gz,1,+u,1,2,/2+p,1,/,gz,2,+u,2,2,/2+p,2,/,将（,U,2,-U,1,）用,h,f,表示,gz,1,+u,1,2,/2+p,1,/,=gz,2,+u,2,2,/2+p,2,/,+h,f,(A),gz,1,+u,1,2,/2+p,1,/,+We=gz,2,+u,2,2,/2+p,2,/,+h,f,(B),以上,(A)(B),两式均称为,机械能衡算式,。,实际流体柏努利方程式的三种不同形式,以单位质量流体为基准（,J/kg,）,*,适用范围,*,基本规律,*,表达式,gz,1,+u,1,2,/2+p,1,/,+We=gz,2,+u,2,2,/2+p,2,/,+h,f,柏努利方程式,对于,不可压缩理想流体,，,则有,gz,1,+u,1,2,/2+p,1,/,=gz,2,+u,2,2,/2+p,2,/,柏努利方程式的物理意义,是：管内作连续定态流动的理想流体总机械能守衡，但各种形式的机械能之间可以相互转换。,以单位重量流体为基准,（,m,液柱）,z,1,+u,1,2,/2g+p,1,/,g+He=z,2,+u,2,2,/2g+p,2,/,g+H,f,（,He=We/g,）（,H,f,=h,f,/g,）,以单位体积流体为基准,（,N/m,2,）