化工原理课件 天大版

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,第一章 流体流动,学习指导,一、基本要求:,了解流体流动的基本规律，要求熟练掌握流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用，并在此基础上解决流体输送的管路计算问题。,二、掌握的内容,流体的密度和粘度的定义、单位、影响因素及数据的求取；,压强的定义、表示法及单位换算；,流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用；,流动型态及其判断，雷诺准数的物理意义及计算；,流动阻力产生的原因，流体在管内流动时流动阻力（直管阻力和局部阻力）的计算；,简单管路的设计计算及输送能力的核算；,管路中流体的压力、流速及流量的测量：液柱压差计、测速管（毕托管）、孔板流量计、转子流量计的工作原理、基本结构及计算；,因次分析法的原理、依据、结果及应用。,3、了解的内容,牛顿型流体与非牛顿型流体；,层流内层与边界层，边界层的分离。,第一节 流体的重要性质,1.1.1,连续介质假定,把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型。,流体微团（或流体质点）：,宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；,同时微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。,密度单位体积流体的质量。,kg/m,3,1 .单组分密度,液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变,化关系可从手册中查得。,1.1.2 流体的密度,气体,当压力不太高、温度不太低时，可按理想,气体状态方程计算：,注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度,下之值，若条件不同，则需进行换算。,2 . 混合物的密度,混合气体,各组分在混合前后质量不变，则有,气体混合物中各组分的体积分数。,或,混合气体的平均摩尔质量；,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分数。,混合液体,假设各组分在混合前后体积不变，则有,液体混合物中各组分的质量分数。,比容,单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。,m,3,/kg,比重(相对密度)：某物质的密度与4下的水的密度的比值，用,d,表示。,1.1.3流体的可压缩性与不可压缩流体,一、液体的可压缩性,在一定温度下，外力每增加一个单位时，流体体积的相对缩小量。,二、不可压缩流体,密度为常数的流体。,三、流体的流动性,流体不能承受拉力,1.1.4流体的黏性,一、牛顿黏性定律,流体的内摩擦力：,运动着的流体内部相邻两流体层间的作,用力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。,流体阻力产生的依据,对许多种流体，当流动是层状流（如流动较慢）时，力F与u、面积A成正比，与y成反比，如加一比例系数，则可表示为：,牛顿,粘,粘性定律,式中：,速度梯度,比例系数,，,，它的值,随,随流体的,不,不同而不,同,同，流体,的,的粘性愈,大,大，其值,愈,愈大，称,为,为粘性系,数,数或动力,粘,粘度，简,称,称粘度。,剪应力：单位面积,上,上的内摩,擦,擦力，以,表示。,适用于,u,与,y,成直线关,系,系,当取极限,，,，即,y,0时，,有,有：,二、流体,的,的黏度,1)物理,意,意义,：促使流,体,体流动产,生,生单位速,度,度梯度的,剪,剪应力。,粘度总是,与,与速度梯,度,度相联系,，,，只有在,运,运动时才,显,显现出来,2)粘度,与,与温度、,压,压强的关,系,系,a) 液,体,体的粘度,随,随温度升,高,高而减小,，,，压强变,化,化时，液,体,体的粘度,基,基本不变,。,。,b)气体,的,的粘度随,温,温度升高,而,而增大，,随,随压强增,加,加而增加,的,的很少。,3）粘度,的,的单位,在SI制,中,中,：,在物理单,位,位制中，,SI单位,制,制和物理,单,单位制粘,度,度单位的,换,换算关系,为,为：,4) 混,合,合物的粘,度,度,对,对,常,常压气体,混,混合物：,对于分子,不,不缔合的,液,液体混合,物,物 ：,5）运动,粘,粘度,单位：,SI制：,m,2,/s,；,物理单位,制,制：,cm,2,/s,，用,St,表示。,三、理想,流,流体与黏,性,性流体,黏性流体,（,（实际流,体,体）：具,有,有粘性的,流,流体；,理想流体,：,：完全没,有,有黏性（,=0,）的流体,。,。（是假,设,设存在的,）,）,1.2流,体,体静力学,本节重点,：,：,静力学基,本,本方程式,及,及其应用,。,。,难点,：U形压,差,差计的测,量,量。,1.2.1流体的,受,受力,如重力、离心力等，属于非接触性的力。,体积力（质量力,）,）：,与流体的,质,质量成正,比,比；,表面力（机械力,）,）：与力,作,作用的面,积,积成正比,。,。,如重力：,切向应力,：,：,切向应力,：,：,压力:,流体垂直,作,作用于单,位,位面积上,的,的力，称,为,为流体的,静,静压强，,习,习惯上又,称,称为压力,。,。,1 .,压力的单,位,位,SI制：N/m,2,或Pa；,或,以流体柱,高,高度表示,：,其它常用,单,单位有：,atm,（标准大,气,气压）、,工,工程大气,压,压,kgf/cm2,、,bar,；流体柱,高,高度（,mmH2O，mmHg,等）。,注意：用,液,液柱高度,表,表示压力,时,时，必须,指,指明流体,的,的种类，,如,600mmHg,，,10mH,2,O,等。,1.2.2 静止,流,流体的压,力,力特性,2 .,压力的表,示,示方法,绝对压力:,以,以绝对真,空,空为基准测得的压,力,力。,表压或真,空,空度:,以,以,大,大气压为基准测得的压,力,力。,表,压,压 =,绝,绝对压,力,力 ,大,大气压力,真空度= 大气,压,压力 ,绝,绝对压,力,力,表压= 真空度,换算关系,为,为：,3）真空,度,度：,真空表的,读,读数,真空度=,大,大气压强-绝对压,强,强=-表,压,压,绝对压强,、,、真空度,、,、表压强,的,的关系为,绝对零压,线,线,大气压强,线,线,A,绝对压强,表压强,B,绝对压强,真空度,当用表压,或,或真空度,来,来表示压,强,强时，应,分,分别注明,。,。,如：410,3,Pa,（真空度,）,）、,200,KPa,（表压）,。,。,1.2.3,流,流体静,力,力学基本,方,方程,-,流体静力,学,学微分方,程,程式,(或称为,欧,欧拉方程),欧拉方程,推,推论：,由方程知p不是x,，,，y（水,平,平方向）,的,的函数，,仅,仅与垂直,坐,坐标z有,关,关。因此,，,，当流体,不,不可压缩,（,（,=常数,）时，欧,拉,拉方程积,分,分可得：,(1-11),通常液体,视,视为,=0，,在,在静止液,体,体内部的,不,不同高度,处,处任取两,平,平面z,1,和z,2,，设两平,面,面的压力,分,分别为p,1,和p,2,。,+,p,1,Z,0,Z,2,Z,1,d,Z,p,p+,d,p,G,A,P,1,P,2,对d,Z,段，由于,流,流体静止,，,，有：,对不可压,缩,缩流体，,=const,流体静力,学,学方程,对平面1-1和2-2处，,则,则有,假设z,1,取在液面,上,上，并设,对,对应压力,为,为p,0,，则有,p=p,0,+,gh,表明在重,力,力作用下,，,静止液体,内,内部压强,的,的变化规,律,律,。,2、方程,的,的讨论,1）液体,内,内部压强,P,是随,P,0,和,h,的改变而,改,改变的，,即,即：,2）当容,器,器液面上,方,方压强,P,0,一定时，,静,静止液体,内,内部的压,强,强,P,仅与垂直,距,距离,h,有关，即,：,：,处于同一,水,水平面上,各,各点的压,强,强相等。,3）当液,面,面上方的,压,压强改变,时,时，液体,内,内部的压,强,强也随之,改变，即,：,液面上,所,所受的,压,压强能,以,以同样,大,大小传,递,递到,液体内,部,部的任,一,一点。,4）从,流,流体静,力,力学的,推,推导可,以,以看出,它们只,能,能用于静止的,连通着,的,的同一,种,种流体,的,的内部，对于间断的,并,并非单,一,一,流体的,内,内部则不满,足,足这一,关,关系。,5）,可以改写成,压强差,的,的大小,可,可利用,一,一定高,度,度的液,体,体柱来,表,表示，,这,这就,是液体压,强,强计的,根,根据，在使,用,用液柱,高,高度来,表,表示压,强,强,或压强,差,差时，,需,需指明,何,何种液,体,体。,6)方,程,程是以不可,压,压缩流,体,体推导出,来,来的，,对,对于可,压,压缩性,的,的,气体，,只,只适用,于,于压强,变,变化不,大,大的情,况,况。,例：图,中,中开口,的,的容器,内,内盛有,油,油和水,，,，油层,高,高度h,1,=0.7m,密度,，水层,高,高度,h,2,=0.6m，,密度为,1,）判断,下,下列两,关,关系是,否,否成立,P,A,P,A,，,P,B,P,B,。,2,）计算,玻,玻璃管,内,内水的,高,高度,h,。,解：（,1,）判断,题,题给两,关,关系是,否,否成立,A,，,A,在静止的,连,连通着,的,的同一,种,种液体,的,的同一,水,水平面,上,上,因,B,，,B,虽在同,一,一水平,面,面上，,但,但不是连,通,通着的,同,同一种,液,液,体，即截面,B-B,不是等,压,压面，,故,故,（,2,）计算,水,水在玻,璃,璃管内,的,的高度,h,P,A,和,P,A,又分别,可,可用流,体,体静力,学,学方程,表,表示,设大气,压,压为,P,a,1.2.4流,体,体静力,学,学方程,的,的应用,一、压,力,力与压,力,力差的,测,测量,1.U,型管压,差,差计,根据流,体,体静力,学,学方程,当被测,的,的流体,为,为气体时，,可忽略,则,，,两,点,点间压,差,差计算,公,公式,若,U,型管的,一,一端与,被,被测流,体,体相连,接,接，另,一,一端与,大,大气相,通,通，那,么,么读数,R,就反映,了,了被测,流,流体的,绝,绝对压,强,强与大,气,气压之,差,差，也,就,就是被,测,测流体,的,的表压。,当,P,1,-P,2,值较小,时,时，R,值,值也较,小,小，若,希,希望读,数,数R清,晰,晰，可,采,采取三,种,种措施,：,：两种指,示,示液的,密,密度差,尽,尽可能,减,减小、采用倾斜,U,型管压,差,差计、,采,采用,微,微差压,差,差计。,当管子,平,平放时,：,：,2.,倾斜,U,型管压,差,差计,假设垂,直,直方向,上,上的高,度,度为,R,m,，读数,为,为,R,1,，与水,平,平倾斜,角,角度,2),微差压,差,差计,U,型管的,两,两侧管,的,的顶端,增,增设两,个,个小扩,大,大室,其,其内径,与,与,U,型管的,内,内径之,比,比,10,，装入,两,两种密,度,度接近,且,且互不,相,相溶的,指,指示液,A,和,C,，且指,示,示液,C,与被测,流,流体,B,亦不互,溶,溶,A,C,。,根据流,体,体静力,学,学方程,可,可以导,出,出：,微,差,差压差,计,计两点,间,间压差,计,计算公,式,式,例：用,3,种压差,计,计测量,气,气体的,微,微小压,差,差,试问：,1,）用普,通,通压差,计,计，以,苯,苯为指,示,示液，,其,其读数,R,为多少,？,？,2,）用倾,斜,斜,U,型管压,差,差计，,=30,，指,示,示液为,苯,苯，其,读,读,数,R,为多少,？,？,3,）若用,微,微差压,差,差计，,其,其中加,入,入苯和,水,水两种,指,指示液,，,，扩大,室截面,积,积远远,大,大于,U,型管截,面,面积，,此,此时读,数,数,R,为多少,？,？,R,为,R,的多少,倍,倍？,已知：苯的密度,水的密度,计算时,可,可忽略,气,气体密,度,度的影,响,响。,解：,1,）普通,管,管,U,型管压,差,差计,2,）倾斜,U,型管压,差,差计,3,）微差,压,压差计,故：,二、液,位,位的测,量,量,液位计,的,的原理,遵,循,循静止,液,液体内,部,部压强,变,变化的,规,规律,是,是静力,学,学基本,方,方程的,一,一种应,用,用。,液柱压,差,差计测,量,量液位,的,的方法,：,：,由压差,计,计指示,液,液的读,数,数,R,可以计,算,算出容,器,器内液,面,面的高,度,度。,当,R,0,时，容,器,器内的,液,液面高,度,度将达,到,到允许,的,的最大,高,高度，,容,容器内,液,液面愈,低,低，压,差,差计读,数,数,R,越大。,远距离,控,控制液,位,位的方,法,法,：,压缩氮,气,气自管,口,口,经调节,阀,阀通入,，,，调,节气体,的,的流量,使,使气,流速度,极,极小，,只,只要,在鼓泡,观,观察室,内,内看,出有气,泡,泡缓慢,逸,逸出,即可。,压差计,读,读数,R,的大小,，,，反映,出,出贮罐,内,内液面,的,的高度。,例：利,用,用远距,离,离测量,控,控制装,置,置测定,一,一分相,槽,槽内油,和,和水的,两,两,相界面,位,位置，,已,已知两,吹,吹气管,出,出口的,间,间距为,H,1m,，压差,计,计中,指示液,为,为水银,。,。煤油,、,、水、,水,水银的,密,密度分,别,别为,800kg/m,3,、,1000kg/m,3,、,13600kg/m,3,。求当,压,压差计,指,指示,R,67mm,时，界,面距离,上,上吹气,管,管出口,端,端距离,h,。,解：忽,略,略吹气,管,管出口,端,端到,U,型管两,侧,侧的气,体,体流动,阻,阻,力造成,的,的压强,差,差，则,：,：,（表）,(表）,3、液,封,封高度,的,的计算,液封的,作,作用：,若设备,内,内要求,气,气体的,压,压力不,超,超过某,种,种限度,时,时，液,封,封的作,用,用就是,：,：,例1,例2,当气体,压,压力超,过,过这个,限,限度时,，,，气体,冲,冲破液,封,封流出,，,，又称,为,为安全,性,性液封,。,。,若设备,内,内为负,压,压操作,，,，其作,用,用是：,液封需,有,有一定,的,的液位,，,，其高,度,度的确,定,定就是,根,根据流,体,体静力,学,学基本,方,方程式,。,。,防止外,界,界空气,进,进入设,备,备内,例1：,如图所,示,示，某,厂,厂为了,控,控制乙,炔,炔发生,炉,炉内的,压,压强不,超,超过,10.710,3,Pa,（表压,）,），需,在,在炉外,装,装有安,全,全液封,，,，其作,用,用是,当炉内,压,压强超,过,过规定,，,，气体,就,就从液,封,封管口,排,排出，,试,试求此,炉,炉,的安全,液,液封管,应,应插入,槽,槽内水,面,面下的,深,深度,h,。,解：过,液,液封管,口,口作基,准,准水平,面,面,o-o,，在,其,其上取,1,，,2,两点。,例2：,真空蒸,发,发器操,作,作中产,生,生的水,蒸,蒸气，,往,往往送,入,入本题,附,附图所,示,示的混,合,合冷凝,器,器中与,冷,冷水直,接,接接触,而,而冷凝,。,。为了,维,维持操,作,作的真,空,空度，,冷,冷凝器,的,的上方,与,与真空,泵,泵相通,，,，不时,将,将器内,的,的不凝,气,气体（,空,空气）,抽,抽走。,同,同时为,了,了防止,外,外界空,气,气由气,压,压管漏,入,入，致,使,使设备,内,内真空,度,度降低,，,，因此,，,，气压,管,管必须,插,插入液,封,封槽中,，,，水即,在,在管内,上,上升一,定,定高度,h,，这种,措,措施称,为,为液封若真空,表,表读数,为,为8010,4,Pa,，试求,气,气压管,内,内水上,升,升的高,度,度,h,解：设,气,气压管,内,内水面,上,上方的,绝,绝对压,强,强为,P,，作用,于,于液封,槽内水,面,面的压,强,强为大,气,气压强,Pa,，根据,流,流体静,力,力学基,本,本方程,式知：,1.3.1流,动,动体系,的,的分类,一、定,态,态与非,定,定态流,动,动,管系中,任,任一,截面上,的,的参,数,u,p,等,随时间,变,变化,不稳,定,定流动,参,数,数随时,间变化,不随时,间,间变化,稳,定,定流动,参,数,数不随,时,时,间变化,，,，但却,可,可,能随位,置,置变化,1.3,流,流体流,动,动概述,二、一,维,维与多,维,维流动,一、绕,流,流与封,闭,闭管道,内,内的流,动,动,1.3.2流,量,量与平,均,均流速,一、,流量与,流,流速,流量,q,m,s,=,q,V,s,如为稳,定,定流动,，,，,q,V,s,q,m,s,在系统,中,中恒定,q,V,s, m,3,/s,q,m,s, kg/s,质量速,度,度,G,=q,m,s,/,A,=q,V,s,/,A,=,u,，kg/m,2,s,二,、,、,平,平,均,均,流,流,速,速,点速度 在截面上有分布,平,均,均,速,速,度,度,u,单,位,位,时,时,间,间,内,内,流,流,过,过,管,管,道,道,任,任,一,一,截,截,面,面,的,的,流,流,体,体,量,量,，,，,称,称,为,为流,量,量。,对,于,于,圆,圆,形,形,管,管,道,道,，,，,管,管,道,道,直,直,径,径,的,的,计,计,算,算,式,式,生,产,产,实,实,际,际,中,中,，,，,管,管,道,道,直,直,径,径,应,应,如,如,何,何,确,确,定,定,？,？,1.,流,流,体,体,流,流,动,动,状,状,态,态,层,流,流湍,流,流,分层流动，,互不混杂,总体向前，同,时有杂乱径向,运动(脉动),判,据,据,Re,=,du,/,(,雷,诺,诺,数,数,，,，,因,因,次,次,为,为,一,一),Re,2000,层,层,流,流,2000,Re,4000,湍,湍,流,流,层,流,流,湍,流,流,过,渡,渡,区,区,红墨水,玻璃管,1.3.3,流,流,动,动,类,类,型,型,与,与,雷,雷,诺,诺,数,数,2,、,、,雷,雷,诺,诺,数,数,Re,雷,诺,诺,数,数,的,的,因,因,次,次,：,Re,是,是,一,一,个,个,没,没,有,有,单,单,位,位,，,，,没,没,有,有,因,因,次,次,的,的,纯,纯,数,数,。,。,在,计,计,算,算Re,时,时,，,，,一,一,定,定,要,要,注,注,意,意,各,各,个,个,物,物,理,理,量,量,的,的,单,单,位,位,必,必,须,须,统,统,一,一,。,。,雷,诺,诺,准,准,数,数,可,可,以,以,判,判,断,断,流,流,型,型,。,。,例：20,C,的,的,水,水,在,在,内,内,径,径,为,为50mm,的,的,管,管,内,内,流,流,动,动,，,，,流,流,速,速,为,为2m/s,，,，,试,试,分,分,别,别,用,用SI,制,制,和,和,物,物,理,理,制,制,计,计,算,算Re,数,数,的,的,数,数,值,值,。,。,解,：,：1,）,）,用,用SI,制,制,：,：,查,查,得,得20,C,时,时,，,，,=998.2kg/m,3,，,=1.005mPa.s,，,，,管,径,径,d,=0.05,m,，,流,流,速,速,u,=2,m/s,2,）,）,用,用,物,物,理,理,单,单,位,位,制,制,计,计,算,算,：,：,三,、,、,当,当,量,量,直,直,径,径,的,的,概,概,念,念,在,许,许,多,多,情,情,况,况,下,下,，,，,流,流,体,体,的,的,输,输,送,送,经,经,常,常,采,采,用,用,非,非,圆,圆,形,形,管,管,道,道,，,，R,e,数,中,中,的,的,特,特,征,征,尺,尺,寸,寸,可,可,用,用,流,流,道,道,的,的,当,当,量,量,直,直,径,径d,e,代,替,替,圆,圆,管,管,直,直,径,径d,，,，,当,当,量,量,直,直,径,径,的,的,定,定,义,义,为,为,：,：,d,e,=4r,H,r,H,水,水,力,力,半,半,径,径,r,H,=A/L,p,A,流,流,道,道,截,截,面,面,积,积,L,p,流,流,道,道,的,的,湿,湿,润,润,周,周,边,边,长,长,度,度,对,一,一,稳,稳,态,态,、,、,连,连,续,续,流,流,动,动,的,的,任,任,两,两,截,截,面,面,间,间,以,以,衡,算,算,基,基,准,准1s,，,，,则,有,有,：,：,q,m,1,=q,m,2,1,u,1,A,1,=,2,u,2,A,2,如,为,为,不,不,可,可,压,压,缩,缩,流,流,体,体,，,，,=const,，,，,则,则,u,1,A,1,=,u,2,A,2,圆管,u,1,d,1,2,=,u,2,d,2,2,不,不,可,可,压,压,缩,缩,流,流,体,体,稳,稳,态,态,流,流,动,动,，,，,u,只,随,随,A,变,化,化,。,。,流,流,体,体,在,在,均,均,匀,匀,管,管,段,段,内,内,流,流,动,动,，,，,u,沿,程,程,恒,恒,定,定,，,，,不,不,因,因,摩,摩,擦,擦,而,而,减,减,速,速,。,。,1.4.1,连,续,续,性,性,方,方,程,程,1.4,流,流,体,体,流,流,动,动,的,的,基,基,本,本,方,方,程,程,q,m,1,q,m,2,例,：,：,在,在,一,一,直,直,径,径,为,为1.0m,的,的,圆,圆,筒,筒,形,形,高,高,位,位,储,储,罐,罐,内,内,初,初,始,始,装,装,有,有2m,深,深,的,的,某,某,液,液,体,体,物,物,料,料,。,。,在,在,无,无,料,料,液,液,补,补,充,充,的,的,情,情,况,况,下,下,，,，,打,打,开,开,底,底,部,部,阀,阀,门,门,放,放,液,液,。,。,已,已,知,知,料,料,液,液,流,流,出,出,的,的,质,质,量,量,流,流,量,量q,m2,与,罐,罐,内,内,料,料,液,液,深,深,度,度z,的,的,关,关,系,系,为,为,：,：,试,求,求,罐,罐,内,内,液,液,位,位,下,下,降,降,至,至1m,需,需,要,要,的,的,时,时,间,间,。,。,解,：,：,储,储,罐,罐,横,横,截,截,面,面,积,积,：,：,M,q,m1,q,m2,水,的,的,深,深,度,度z,1,=2m,，,，z,2,=1m,质,量,量,流,流,量,量q,m1,=0,，,，,任,一,一,时,时,刻,刻,罐,罐,内,内,料,料,液,液,质,质,量,量,为,为,：,：,M=Az,=0.785,1000z=785z,由,质,质,量,量,守,守,恒,恒,：,：,将,已,已,知,知,数,数,据,据,代,代,入,入,上,上,式,式,，,，,得,得,：,：,上,式,式,分,分,离,离,变,变,量,量,得,得,解,得,得,：,：,=2372s=0.66h,如,图,图,，,，,取,取,稳,稳,态,态,、,、,连,连,续,续,流,流,动,动,系,系,统,统,一,一,段,段,管,管,路,路,，,，,并,并,假,假,设,设,：,：,两,两,截,截,面,面,与,与,流,流,体,体,正,正,交,交,；,；,两,两,截,截,面,面,间,间,无,无,流,流,体,流,流,入,入,、,、,流,流,出,出,；,；,忽,忽,略,略,散,散,热,热,损,损,失,失,；,；,两,两,截,截,面,面,间,间,可,可,有,有,Q,e,、,W,e,。,1.4.2.,总,总,能,能,量,量,衡,衡,算,算,方,方,程,程,（,（,广,义,义Bernoulli,方,方,程,程,）,）,一、流动系,统,统的总能量,衡,衡算方程,1）流体本,身,身具有的能,量,量,物质内部能,量,量的总和称,为,为内能。,单位质量流,体,体的内能以U表示，单,位,位J/kg,。,。,内能：,流体因处于,重,重力场内而,具,具有的能量,。,。,位能：,质量流量为m流体的位,能,能,单位质量流,体,体的位能,流体以一定,的,的流速流动,而,而具有的能,量,量。,动能：,质量为q,m,，流速为u,的,的流体所具,有,有的动能,单位质量流,体,体所具有的,动,动能,静压能（,流,流动功）,：通过某截,面,面的流体具,有,有的用于克,服,服压力功的,能,能量,流体在截面,处,处所具有的,压,压力,流体通过截,面,面所走的距,离,离为,流体通过截,面,面的静压能,单位质量流,体,体所具有的,静,静压能,单位质量流,体,体本身所具,有,有的总能量,为,为 ：,单位质量流,体,体通过划定,体,体积的过程,中,中所吸的热,为,为：Q,e,(J/kg)； 质量,为,为m的流体,所,所吸的热=mQ,e,J。,当流体吸热,时,时q,e,为正，流体,放,放热时Q,e,为负。,热,：,2）系统与,外,外界交换的,能,能量,单位质量通,过,过划定体积,的,的过程中接,受,受的功为,：W,e,(J/kg),质量为q,m,的流体所接,受,受的功,= q,m,We(J),功,：,流体接受外,功,功时，W,e,为正，向外,界,界做功时,W,e,为负。,流体本身所,具,具有能量和,热,热、功就是,流,流动系统的,总,总能量。,3）总能量,衡,衡算,衡算范围：,截,截面1-1,和截面2-2间的,管,管道和设备,。,。,衡算基准：1kg流体,。,。,设1-1,截,截面的流体,流,流速为,u,1,，压强为,P,1,，截面积为,A,1,，比容为,1,；,截面2-2,的流体流,速,速为,u,2,，压强为,P,2,，截面积为,A,2,，比容为,v,2,。,取o-o,为,为基准水平,面,面，截面1-1和截,面,面2-2,中,中心与基准,水,水平面的距,离,离为,Z,1,，Z,2,。,对于定态流,动,动系统：,输,输入能量=,输出能量,输入能量,输出能量,稳定流,动,动过程的总,能,能量衡算式,稳定流,动,动过程的总,能,能量衡算式,流动系,统,统的热力学,第,第一定律,注意,的不用取,值,值，多取一,。,。,2、流动系,统,统的机械能,衡,衡算式,柏,柏努利方程,1）流动系,统,统的机械能,衡,衡算式,流体与环境,所,所交换的热,阻力损失,代入上式得,：,：,流体稳,定,定流动过程,中,中的机械能,衡,衡算式,2）柏努利,方,方程（Bernalli）,当流体不可,压,压缩时，,代入：,对于理想流,体,体，当没有,外,外功加入时We=0,柏努利,方,方程,3、柏努利,方,方程式的讨,论,论,1）,柏努利方程,式,式表明理想,流,流体在管内,做,做稳定流动,，,，没有,外功加入时,，,，任意截面,上,上单位质量,流,流体的总机,械,械能即动能,、,、,位能、静压,能,能之和为一,常,常数，用E,表,表示。,即：1kg理想,流,流体在各截,面,面上的总机,械,械能相等，但各种,形式的机械,能,能却不一定,相,相等，可以,相,相互转换。,2）,对于实际流,体,体，在管路,内,内流动时，,应,应满足：,上游截面处,的,的总机械能,大,大于下游截,面,面处的总机,械,械能。,流体在管道,流,流动时的压,力,力变化规律,3）式中各,项,项的物理意,义,义,处于某个截,面,面上的流体,本,本身所具有,的,的能量,流体流动过,程,程中所获得,或,或消耗的能,量,量,We和h,f,：,We：,输送设备对,单,单位质量流,体,体所做的有,效,效功，,Ne：单位,时,时间输送设,备,备对流体所,做,做的有效功,，,，即功率,4）,当体系无外,功,功，且处于,静,静止状态时,流体的静力,平,平衡是流体,流,流动状态的,一,一个特例,5）柏努利,方,方程的不同,形,形式,a),若,若以单位重,量,量的流体为,衡,衡算基准,m,位压头，动,压,压头，静压,头,头、 压头,损,损失,H,e,：输送设备,对,对流体所提,供,供的有效压,头,头,b) 若,以,以单位体积,流,流体为衡算,基,基准,静压强项P,可,可以用绝对,压,压强值代入,，,，也可以用,表,表压强值代,入,入,pa,6）对于可,压,压缩流体的,流,流动，当所,取,取系统两截,面,面之间的绝,对,对压强变化,小,小于原来压,强,强的20%,，,，,仍可使用柏,努,努利方程。,式,式中流体密,度,度应以两截,面,面之间流体,的,的平均密度,m,代替 。,五、柏努利,方,方程式的应,用,用,1、应用柏,努,努利方程的,注,注意事项,1）作图并,确,确定衡算范,围,围,根据题意画,出,出流动系统,的,的示意图，,并,并指明流体,的,的流动方向,，,，定出上下,截,截面，以明,确,确流动系统,的,的衡标范围,。,。,2）截面的,截,截取,两截面都应,与,与流动方向,垂,垂直，并且,两,两截面的流,体,体必须是连,续,续的，所求,得,得未知量应,在,在两截面或,两,两截面之间,，,，截面的有,关,关物理量Z,、u、p,等除了所求,的,的物理量之,外,外 ，都必,须,须是已知的,或,或者可以通,过,过其它关系,式,式计算出来,。,。,3）基准水,平,平面的选取,所以基准水,平,平面的位置,可,可以任意选,取,取，但必须与地面平行，为了计算,方,方便，通常,取,取基准水平,面,面通过衡算,范,范围的两个,截,截面中的任意一个截,面,面。如衡算范围为,水,水平管道，,则,则基准水平,面,面通过管道,中,中心线，Z=0。,4）单位必,须,须一致,在应用柏努,利,利方程之前,，,，应把有关,的,的物理量换算,成,成一致的单,位,位，然后进行,计,计算。两截,面,面的压强除,要,要求单位一,致,致外，还要,求,求表示方法,一,一致。,2、柏努利,方,方程的应用,1）确定流体的,流,流量,例：,20的空,气,气在直径为800mm,的,的水平管流,过,过，现于管,路,路中接一文,丘,丘里管，如,本,本题附图所,示,示，文丘里,管,管的上游接,一,一水银U管,压,压差计，在,直,直径为20mm的喉径,处,处接一细管,，,，其下部插,入,入水槽中。,空,空气流入文,丘,丘里管的能,量,量损失可忽,略,略不计，当U管压差计,读,读数R=25mm，h=0.5m,时,时，试求,此,此时,空,空气,的,的流,量,量为,多,多少m,3,/h?,当地,大,大气,压,压强,为,为101.3310,3,Pa,。,分析,：,：,求流,量,量,V,h,已知,d,求,u,直管,任取,一,一截,面,面,柏努,利,利方,程,程,气体,判断,能,能否,应,应用,？,？,解：,取测,压,压处,及,及喉,颈,颈分,别,别为,截,截面1-1,和截,面,面2-2,截面1-1,处压,强,强,：,：,截面2-2,处,处压,强,强为,：,：,流经,截,截面1-1,与2-2,的压,强,强变,化,化为,：,：,在截,面,面1-1,和2-2,之间,列,列柏,努,努利,方,方程,式,式。以管,道,道中,心,心线,作,作基,准,准水,平,平面,。,。,由于,两,两截,面,面无,外,外功,加,加入,，,，,W,e,=0,。,。,能量,损,损失,可,可忽,略,略不,计,计,h,f,=0,。,。,柏努,利,利方,程,程式,可,可写,为,为：,式中,：,：,Z,1,=,Z,2,=0,P,1,=3335Pa（,表,表压,）,）,，,，,P,2,=-4905Pa（,表,表压,）,）,化简,得,得：,由连,续,续性,方,方程,有,有：,联立(a)、(b)两,式,式,2）,确,确定,容,容器,间,间的,相,相对,位,位置,例：,如,如本,题,题附,图,图所,示,示，,密,密度,为,为850kg/m,3,的料,液,液从,高,高位,槽,槽送,入,入塔,中,中，,高,高位,槽,槽中,的,的液,面,面维,持,持恒,定,定，,塔,塔内,表,表压,强,强为9.81,10,3,Pa,，,，进,料,料量,为,为5m,3,/h,，,，连,接,接,管直,径,径为,382.5mm，,料,料液,在,在连,接,接,管内,流,流动,时,时的,能,能量,损,损失,为,为30J/kg(,不,不包,括出,口,口的,能,能量,损,损失)，,试,试求高位,槽,槽内,液面,应,应该,比,比塔,内,内的,进,进料,口,口高,出,出多,少,少？,分析,：,：,解：,取高,位,位槽,液,液面,为,为截,面,面1-1,，连,接,接管,出,出口,内,内侧,为,为截,面,面2-2,并以,截,截面2-2,的中,心,心线,为,为基,准,准水,平,平面,，,，在,两,两截,面,面间,列,列柏,努,努利,方程,式,式：,高位,槽,槽、,管,管道,出,出口,两,两截,面,面,u、p,已知,求Z,柏努,利,利方,程,程,式中,：,：,Z,2,=0,；,；,Z,1,=,?,P,1,=0(表,压,压),；,；,P,2,=9.8110,3,Pa(表,压,压）,由连,续,续性,方,方程,A,1,A,2,We=0,，,，,u,1,P,3,P,4,，而P,4,P,5,P,6,，这,是,是由,于,于流,体在,管,管内,流,流动,时,时，,位,位能,和,和静,压,压能,相,相互,转,转换,的,的结,果,果。,5）,流,流向,的,的判,断,断,在45,3mm,的,的管路上,装,装一文丘,里,里管，文,丘,丘里管,上游接一,压,压强表，,其,其读数为137.5kPa,，,，管内水,的,的流速,u,1,=1.3m/s，,文,文丘里管,的,的喉径为10mm,，,，文丘里,管,管喉部,一内径为15mm,的,的玻璃管,，,，玻璃管,下,下端插入,水,水池中，,池,池,内水面到,管,管中心线,的,的垂直距,离,离为3m,，,，若将水,视,视为理想,流体，试判断池,中,中水能否,被,被吸入管,中,中？若能吸,入,入，再求,每小时吸,入,入的水量,为,为多少m,3,/h？,分析：,判断流向,比较总势,能,能,求,P,？,柏努利方,程,程,解：在管,路,路上选1-1和2-2,截,截,面，并取3-3,截,截面为基,准,准水平面,设支管中,水,水为静止,状,状态。在1-1,截,截面和2-2截,面,面间列柏,努,努利,方程：,式中：,2-2,截面的,总,总势能为,3-3,截,截面的总,势,势能为,3-3,截面的,总,总势能大,于,于2-2,截面的,总,总势能，,水,水能被吸,入,入,管路中。,求每小时,从,从池中吸,入,入的水量,求管中流速,u,柏努利方,程,程,在池面与,玻,玻璃管出,口,口内侧间,列,列柏努利,方,方程式：,式中：,代入柏努,利,利方程中,：,：,6）不稳,定,定流动系,统,统的计算,例：,附图所示,的,的开口贮,槽,槽内液面,与,与排液管,出,出口间的,垂,垂直距,离,h,i,为9m,贮,贮槽内径D为3m,，,，排液管,的,的内径,d,0,为0.04m，液,体,体,流过该系,统,统时的能,量,量损失可,按,按,公式计算,，,，式中,u,为流体在,管,管内的流,速,速，试求,经,经4小时,后贮槽内,液,液面下降,的,的高度。,分析：,不稳定流,动,动系统,瞬间柏努,利,利方程,微分物料,衡,衡算,解：,在d时,间,间内对系,统,统作物料,衡,衡算，设,F,为瞬间进,料,料率，,D,为瞬时出,料,料率，,dA,为在,d,时间内的,积,积累量，,Fd,Dd,dA,d,时间内，,槽,槽内液面,下,下降,dh,，液体在,管,管内瞬间,流,流速为,u,，,上式变为,：,：,在瞬时液,面,面1-1,与管子,出,出口内侧,截,截面2-2间列,柏,柏努利方,程,程,式，并以,截,截面2-2为基,准,准水平面,，,，得：,式中：,将（2）,式,式代入（1）式得,：,：,两边积分,：,：,h=5.62m,经四小,时,时后贮槽,内,内液面下,降,降高度为,：,：,95.62=3.38m,1.5动,量,量传递现,象,象,1.5.1 层流-分子动,量,量传递（,自,自学）,1.5.2湍流特,性,性与湍流,传,传递（自,学,学）,一、湍流,的,的特点与,表,表征,二、雷诺,应,应力与涡,流,流传递,提炼补充,：,：滞流与,湍,湍流的比,较,较,1、流体,内,内部质点,的,的运动方,式,式,层流流动,时,时，流体,质,质点沿管,轴,轴做有规,则,则的平行,运,运动。,湍流流动,时,时，流体,质,质点在沿,流,流动方向,运,运动的,同,同时，还,做,做随,机的脉动,。,。,管道截面,上,上任一点,的,的时均速,度,度为：,湍流流动,是,是一个时,均,均流动上,叠,叠加了一,个,个随机的,脉,脉动量,。,。,例如，湍,流,流流动中,空,空间某一,点,点的瞬时,速,速度可表,示,示为：,湍流的特,征,征是出现,速,速度的脉,动,动。,2、流体,在,在圆管内,的,的速度分,布,布,速度分布：流体在,管,管内流动,时,时截面上,各,各点速度,随,随该点与,管,管中心的,距,距离的变,化,化关系。,1）圆管,内,内滞流流,动,动的速度,分,分布,作用于流,体,体单元左,端,端的总压,力,力为：,作用于流,体,体单元右,端,端的总压,力,力为,：,作用于流,体,体单元四,周,周的剪应,力,力为,：,代入上式,得,得：,滞流,流,流动时圆,管,管内速度,分,分布式,2）圆管,内,内湍流流,动,动的速度,分,分布,410,-4,Re1.110,5,时，n=6；,110,-5,Re3.210,6,时，n=10 。,湍流流动,时,时圆管内,速,速度分布,式,式,3、滞流,和,和湍流的,平,平均速度,通过管截,面,面的平均,速,速度就是体积流量,与,与管截面,积,积之比,1）层流时的,平,平均速度,流体的体,积,积流量为,：,：,滞流时，,管,管截面上,速,速度分布,为,为：,积分此式,可,可得,层流时平,均,均速度等,于,于管中心,处,处最大速,度,度的一半,。,。,2）湍流,时,时的平均,速,速度,积分上式,得,得：,1/7方律,通常遇到,的,的情况下,，,，湍流时的,平,平均速度大约等于,管,管中心处最大速度,的,的0.82倍。,层流,湍流,4、滞流,和,和湍流中,的,的剪应力,滞流流动,的,的剪应力,：,：,剪应力：,单,单位时间,通,通过单位,面,面积的动,量,量，即动,量,量通量。,湍流流动,的,的剪应力,：,：,：,称为涡流,粘,粘度 ，,反,反映湍流,流,流动的脉,动,动特征,，,，随流动,状,状况及离,壁,壁的距离,而,而变化。,圆管内滞,流,流与湍流,的,的比较,滞流,湍流,本质区别,分层流动,质点的脉,动,动,速度分布,平均速度,剪应力,1.5.3边界层,与,与边界层,分,分离现象,一、边界,层,层的形成,与,与发展,流速降为,未,未受影响,流,流速的99%以内,的,的区域,（,（界线,u,0.99,u,0,）。,边界层：,层流底(内)层,层流区,湍流区,过渡区,湍流核心,边界层界线,x,u,0,u,0,u,0,2、边界,层,层的发展,1）流体,在,在平板上,的,的流动,对于滞流,边,边界层：,对于湍流,边,边界层：,边界层内,的,的流动为,滞,滞流 ；,边界层内,的,的流动为,湍,湍流；,在平板前,缘,缘处，,x,=0，则,=0。随,着,着流动路,程,程的增长,，,，边界层,逐,逐渐增厚,；,；随着流体的粘,度,度减小，,边,边界层逐,渐,渐减薄。,2）流体,在,在圆形直,管,管进口段,内,内的流动,流体在圆,管,管内流动,时,时，边界,层,层汇合处,与,与管入口,的,的距离称,作,作进口段,长,长度，或,稳,稳定段长,度,度。,一般滞流,时,时通常取,稳,稳定段长,度,度,x,0,=(50-100),d,，湍流时,稳,稳定段长,度,度约于(40-50),d,。,之后,，,，出现,倒流，产,生,生旋涡，,造,造成机械,能,能损失,B,点,（流道减,小,小，流体,处,处于,加速减压,）,）,3. 边,界,界层分离,现,现象,A,点（驻点,）,）,A,B,C,X,过B,点,点,流道渐大，,流,流体处于减,速加压（有,逆,逆压梯度）,，,，在剪力及,逆,逆压梯度双,重,重作用下，,壁,壁面,处流速迅速,下,下降（动能,消,消耗于转化,为,为压力能及,克,克服摩擦力,）,）,C,点，近壁面,处,处流速降为,零,零，称作分,离,离点,边界层,分,分离。,由此可见：,流道扩大时,必,必造成逆压,强,强梯度,逆压强梯度,容,容易造成边,界,界层的分离,边界层分离,造,造成大量漩,涡,涡，大大增,加,加机械能消,耗,耗,流体沿着壁,面,面流过时的,阻,阻力称为摩擦阻力。,由于固体表,面,面形状而造,成,成边界层分,离,离所引起的,能,能量损耗称,为,为形体阻力。,粘性流体绕,过,过固体表面,的,的阻力为摩,擦,擦阻力与形,体,体阻力之和,这,这两者之和,又,又称为局部阻力。,1.5.4,动,动量传递小,结,结,由于流体具,有,有黏性，故运动流体内,存,存在剪切应,力,力：,从分子运动,论,论的观点，,该,该剪切应力是流体分子,在,在流体层之,间,间做随机运,动,动从而进行,动,动量交换所,产,产生的内摩,擦,擦的宏观表现,，,，且消耗流,体,体的机械能,。,。在湍流情,况,况下，除了,分,分子随机运,动,动要消耗能,量,量外，流体质点的,高,高频脉动与,宏,宏观混合更,要,要产生比前,者,者大的湍流,应,应力，消耗,更,更多的流体,机,机械能。这两者就是摩,擦,擦阻力产生,的,的主要根源。,另一方面，,当,当产生边界,层,层分离时，,由,由于逆压作,用,用的结果，,流,流体将发生,倒,倒流形成尾,涡,涡，流体质,点,点因强烈碰,撞,撞与混合而,消,消耗能量。,把由于局部,产,产生倒流和,尾,尾涡以及压,力,力分布不均,所,所造成的能,量,量损失称为形体阻力或局部阻力。,1.6 流,体,体在管中流,动,动的阻力,流动阻力产,