《流体流动过程》PPT课件.ppt

过程系统原理,第二章流体流动过程,主讲人：程明,南京工业大学本科系列课程,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,2,教学内容,流体的物理性质,流体静力学,流体动力学,流体流动阻力及计算,流体输送管路计算,流速与流量测量,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,3,流体的物理性质,流体包括液体和气体。流体在运动时内部分子间会发生相对运动。人们把运动时物质内部各部分会发生相对运动的特性称为流动性。,流体流动考察方法,流体是具有“易流动性”的物态。“易流动性”是指静止流体不能承受剪应力的特性。,1、连续性假设：,假定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。,质点：指的是一个含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由程却要大得多。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,4,流体的物理性质,目的：流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。,流体流动考察方法,实践证明：连续性假定在绝大多数情况下是适合的，然而，在高真空稀薄气体的倩况下，这样的假定将不复成立。,2、运动的描述方法,（1）拉格朗日法：选定一个流体质点，对其跟踪观察，描述其运动参数（如位移、速度等）与时间的关系。,（2）欧拉法：在固定空间位置上观察流体质点的运动倩况，如空间各点的速度、压强、密度等，即欧拉法系直接描述各有关运动参数在空间各点的分布倩况和随时间的变化。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,5,流体的物理性质,流体流动考察方法,3、定态流动,若运动空间各点的状态不随时间而变化，则该流动称为定态流动。,轨线：是某一流体质点的运动轨迹。轨线是采用拉格朗日法考察流体运动所得的结果。,4、流线与轨线,流线：是采用欧拉法考察的结果。流线上各点的切线表示同一时刻各点的速度方向。,图2-1流线,两者区别：轨线描述的是同一质点在不同时间的位置，而流线表示的则是同一瞬间不同质点的速度方向。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,6,流体的物理性质,单位体积流体具有的质量称为流体的密度。,式中：-流体的密度，kg/m3。m-流体的质量，kg。V-流体的体积，m3。,流体的密度,液体的密度基本上不随压强变化（极高压强除外），但随温度略有改变。,气体是可压缩的流体，其密度随压强和温度变化。,一般，当压强不太高、温度不太低时，可按理想气体来处理。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,7,流体的物理性质,流体的密度,对于一定质量m的理想气体，其体积V、压强P和温度T之间的变化关系为：,将密度的定义代入上式并整理得：,实际上，某状态下理想气体得密度可按下式进行计算：,或,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,8,流体的物理性质,式中：M-气体的摩尔质量，kg/kmol。R-气体常数，其值为8.315103J/(kmolK)。下标“0”-表示标准状态。,流体的密度,化工流体一般为多组分的混合物。密度应为平均密度m。,对于液体混合物：,式中：-液体混合物中各纯组分的密度；-液体混合物中各组分的质量分数。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,9,流体的物理性质,流体的密度,对于气体混合物：,式中：-气体混合物中各纯组分的密度；-气体混合物中各组分的体积分数。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,10,流体的物理性质,流体的粘度,剪应力：设有间距甚小的两平行平板，其间充满流体（如图2-2所示）。下板固定，上板施加一平行于平板的切向力F，使平板以速度u做匀速运动。紧贴于运动板下方的流体层以同一速度u流动，而紧贴于固定板上方的流体层则静止不动。两板间各层流体的速度不同，其大小如图中箭头所示。,单位面积的切向力（F/A）即为流体的剪应力。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,11,流体的物理性质,流体的粘度,对大多数流体，剪应力服从下列牛顿粘性定律：,式中：du/dy法向速度梯度，1/S；流体的粘度,NS/m2,即PaS;剪应力，Pa。,粘性定律指出：剪应力与法向速度梯度成正比，与法向压力无关。,du/dy是一维流动中因剪切而造成的角变形速率，简称剪切率。运动着的粘性流体内部的剪切力亦称为内摩擦力。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,12,图2-4粘性流体在管内的速度分布图2-5理想流体在管内的速度分布,流体的物理性质,流体的粘度,粘度是流体的一种物性。粘度愈大，同样的剪应力将造成较小的速度梯度。流体流经圆管时的速度沿半径方向的变化规律如图2-4、图2-5所示。,流体的粘度是影响流体流动的一个重要的物理性质。通常液体的粘度随温度增加而减小。气体的粘度成百倍地小于液体的粘度，其值随温度上升而增大。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,13,流体的物理性质,流体的粘度,粘度的单位是PaS，早期用泊（达因秒/厘米2）或厘泊（0.01泊）表示。其间的关系为：1厘泊（cP）=10-3PaS,称运动粘度，单位m2/s表示。称动力粘度，称密度。,定义运动粘度（）为：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,14,流体静力学,式中：PBB点静压强,N/m2；A面积,m2；F作用在A面上的内法向力,N。A0A减小到B处的质点量级而非分子量级微小面积。,空间点的静压强，定义为：,流体静压强,1、静压强的定义：,说明：,在静止流体内部的任一平面，所受到的力只可能是内法向的压力。若存在剪切力或张力，则流体不可能静止。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,15,流体静力学,流体静压强值有两种表达方法：,流体静压强,静止流体中任一点位置的静压强值与测定的方向无关。,2、流体静压强值表达方法,表压强pg以外界大气压的绝对压强p0值作为零而计量的静压强值。即：pg=p-p0,绝对压强p以绝对真空时的静压强值作为零而计量的静压强值；,表压强为正值时，通常称为正压，为负值时则称为负压。负压的另一表示法是真空度。即：p真=p0-p,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,16,图2-6,流体静力学,图2-6表示绝对压、表压或真空度之间的关系：,压强的其他表示方法：,流体静压强,液柱高度h与压强的关系为：,在压强不大的场合，工程上常间接地以流体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,17,流体静力学,压强各单位之间的换算关系：,流体静压强,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,18,流体静力学,流体静力学方程,1、流体微元的受力分析,图2-7,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,19,流体静力学,流体静力学方程,作用在流体微元上的力有两种：,表面力：,体积力：,设作用与单位质量流体上的体积力在x方向的分量为X，则微元所受的体积力在x方向的分量为Xxyz。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,20,流体静力学,流体静力学方程,流体处于静止状态，则：,各项除以微元体的流体质量xyz可得：,同理：,上式称为欧拉平衡方程。等式左边为单位质量流体所受的体积力和压力。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,21,流体静力学,流体静力学方程,2、流体静力学方程,将微元流体移动dl距离。则：,即：,2、流体静力学方程在重力场的应用：,X=0；Y=0；Z=-g,则上式为：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,22,流体静力学,流体静力学方程,设流体不可压缩，则：,对于静止流体中的任意两点1和2，如图2-8所示：,或写成：,图2-8,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,23,流体静力学,方程的工程应用,（1）测压：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,24,流体静力学,方程的工程应用,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,25,流体静力学,方程的工程应用,（2）烟囱拔烟：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,26,流体静力学,方程的工程应用,（3）复式U型测压计：,蒸汽锅炉上装置一复式U型水银测压计，如图所示。,试求锅炉内水面上的蒸汽压强。,截面2、4间充满水。已知对某基准面而言各点的标高为：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,27,流体静力学,方程的工程应用,解：根据同一水平面上的压强相等的原理，有：,对水平面1-2而言：,对水平面3-4而言：,对水平面5-6而言：,锅炉蒸汽压强：,蒸汽的表压为：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,28,流体动力学,流量与流速,1、流量：,单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。,体积流量qv：单位为m3/s或m3/h。质量流量qm：单位为kg/s或kg/h。,2、流速：,单位时间内流体在流动方向上流经的距离，称为流速。,流速（u）单位为m/s或m/h。,一般使用平均流速：,质量流速G：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,29,流体动力学,质量守恒方程,图2-9控制体中的质量守恒,如图2-9所示。取截面1-1至2-2之间的管段作为控制体。,根据质量守恒定律，有：,进料量出料量控制体内的累积量,即：,定态流动时：,讨论：,对不可压缩流体：,对于截面为圆管：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,30,流体动力学,机械能守恒方程,1、理想流体（=0）的运动方程,2、理想流体管流的机械能守恒,3、实际流体管流的机械能守恒,又称为柏努利方程,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,31,流体动力学,由于：,所以：,-校正系数,因此：,机械能守恒方程,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,32,流体动力学,机械能守恒方程,若速度分布比较均匀，则取=1，方程式改为：,4、柏努利方程讨论,稳态流动的流体；,单位质量流体具有的能量：J/kg。,可压缩流体：（p1-p2)/p11000长管之三通阻力可以忽略不计，则对于图2-20的情况，列下列方程：,单位质量流体跨越交接点的能量变化看作流过三通管的局部阻力损失，由实验测的的值。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,70,流体输送管路计算,管路计算,计算用例：用长度l=50m,直径d1=25mm的总管，从高度z=1Om的水塔向用户供水。在用水处水平安装d2=1Omm的支管10个，设总管的摩擦系数=0.03，总管的局部阻力系数。支管很短，除阀门阻力外其他阻力可以忽略，试求：,计算用图,（1）当所有阀门全开(=6.4)时，总流量为多少m3/s?,（2）再增设同样支路10个，各支路阻力同前，总流量有何变化?,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,71,流体输送管路计算,管路计算,解答：,（1）忽略分流点阻力，在液面1与支管出口端面2间列机械能衡算式得：,由质量守恒式得：,代入上式得：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,72,流体输送管路计算,管路计算,（2）如增设10个支路则,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,73,流体输送管路计算,管路计算,支路增加一倍，总流量只增加,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,74,流体输送管路计算,管路计算,3、并联管路计算：,并联管路规律：,（1）支管阻力相等：,（2）支管流量关系：,图2-21并联管路,（3）总流量与支管流量关系：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,75,流体输送管路计算,管路计算,计算用例：在图2-21所示的输水管路中，已知水的总流量为3m3/s，水温为20。各支管总长度分别为l1=1200m，l2=1500m，l3=800m；管径d1=600mm,d2=500mm，d3=800mm；求AB间的阻力损失及各管的流量。已知输水管为铸铁管，=0.3mm。,解：假设各支管的流动进入平方阻力区：,查图，得：,则：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,76,流体输送管路计算,管路计算,以下校核值：,又：,查表得知：,故：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,77,流体输送管路计算,管路计算,代入：,可以看出：各支管已进入或接近阻力平方区，原假设成立，计算结果正确。,求得：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,78,流速与流量测量,测量装置,1、毕托管：,图2-22毕托管测速示意图,测速原理：,测得A点速度：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,79,图223与雷诺数的关系,流速与流量测量,测量装置,毕托管测的是点速度，一般是管中心最大速度umax。可以根据umax和平均速度的关系，求出截面的平均流速，进而求出流量。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,80,流速与流量测量,测量装置,毕托管的安装应注意以下几点：,（1）必须保证测量点位于均匀流段；,（2）必须保证毕托管口截面严格垂直于流动方向。,（3）毕托管直径d0应小于管径d的1/50。,2、孔板流量计：,图2-24孔板流量计示意图,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,81,流速与流量测量,测量装置,孔板流量计测量原理：,在12截面列柏努利方程，得：,在A2无法知道，工程中用孔口速度u0代替u2，则：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,82,流速与流量测量,测量装置,按质量守恒原理,令：,得：,或：,则孔板的流量计算式为：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,83,流速与流量测量,测量装置,流量系数C0的数值只能通过实验求得：,图225标准孔板流量系数,孔板流量计的特点：结构简单，但阻力损失较大。,：一般在0.8左右,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,84,流速与流量测量,测量装置,3、文丘里流量计：,图2-26文丘里流量计示意图,可以减少流体流经节流元件时的能量损失。流量计算公式与孔板流量计相似。,阻力损失降为：,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,85,流速与流量测量,测量装置,4、转子流量计：,图2-28转子的受力平衡,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,86,流速与流量测量,测量装置,转子平衡时，流体作用于转子的力与转子的重力相等。,式中：Vf-转子的体积；f-转子的密度；Af-转子的截面积；P2、P1-转子上、下两端平面处的流体压强。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,87,流速与流量测量,测量装置,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,88,流速与流量测量,测量装置,或：,考虑转子未必是圆柱体，校正系数CR考虑了转子形状的不同及流动阻力造成的影响，参见图229所示。,转子流量计的特点：恒流速、恒压差。,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,89,流速与流量测量,测量装置,图2-29转子流量计的流量系数,2020年5月20日星期三,ProcessSystemPrinciple,90,流速与流量测量,测量装置,转子流量计的标定：,转子流量计在出厂前，不是提供流量系数CR，而是直接用20的水或20、101.3kPa的空气进行标定，将流量值刻在玻管上。,当被测流体与上述条件不符时，应作刻度换算。,