化工原理-第一章 流体流动

第一章流体流动教学要求§1-0概述§1-1流体静力学基本方程§1-2流体在管内的流动§1-3流体的流动现象§1-4流体在管内的流动阻力§1-5管路计算§1-6流量测量复习材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动2/88教学要求重点：连续性方程及柏努利方程式的应用。覆盖内容：流体的性质（密度、重度、比重、比容、粘度）；流体的静压强、静力学方程式及其应用；流量、流速的各种表达方式及计算；定常流动与非定常流动的概念；流动系统的物料衡算与连续性方程；流动系统的能量衡算与机械能衡算式；牛顿型流体与非牛顿型流体的概念；流动类型及特点；边界层的概念（形成、发展与分离）；管内流速分布；管路能耗的原因、计算及影响因素（粗糙度的概念、摩擦系数、因次分析法）；管路计算的方法；流量、流速的测量方法（测速管、孔板流量计、文丘里流量计、转子流量计的结构和原理）。材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动3/88§1-0概述➢流体——气体、液体特征：流动性、没有固定的形状、在外力作用下其内部易发生相对运动。分类：按凝聚状态分类，按可压缩性分➢连续性假设——连续介质模型流体质点（或流体微团）——流体➢运动的描述方法拉格朗日法——跟踪指定质点——空间位置、运动状况~时间——轨线欧拉法——选择截面——运动参数~时间——流线材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动4/88§1-0概述➢流线与轨线轨线：同一流体质点在不同时刻所占空间位置的连线。流线：采用欧拉法观察的结果，表述同一瞬时不同质点的速度方向。流线的属性：1）流线互不相交；2）在流动区域内，通过任意封闭曲线各点引出的流线所围成的空间称为流管。➢目的流体输送压强、流量与流速测定提供适宜的强化设备的条件。材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动5/88§1-1流体静力学基本方程§1-1-1流体的密度vmvΔΔ=→Δlim0ρ➢定义：单位体积流体具有的质量，kg/m3气体密度是温度和压强的函数：004.22TppMTRTpM==ρ➢气体密度混合气体的密度：RTMyPyniiiniiim∑∑====11)(ρρ➢液体的密度：只与温度有关，而与压力无关。混合液体密度——混合前后体积不变∑==njjwjmx11ρρ材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动6/88§1-1流体静力学基本方程§1-1-2流体的静压强➢定义：垂直作用在单位面积上的力,Pa=N/m2APpAΔΔ=→Δ0lim1atm=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg=1.0133bar=1.013×105Pa➢常用单位及换算关系1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=0.9807bar=9.807×105Pa➢流体静压强的特征：1）来自于各方向且指向该点，大小相等；2）是空间位置的函数。➢流体静压强的表示绝对压强、表压强、真空度材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动7/88§1-1流体静力学基本方程§1-1-3流体静力学基本方程式一、流体内力的类型➢体积力：——场力（离心力、重力等）。设单位质量流体所受的体积力在x、y、z方向上的分量分别为：X、Y、Z➢表面力：流体所受到的力的大小与表面积成正比。有法向和切向两种。二、欧拉平衡方程材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动8/88§1-1流体静力学基本方程➢X方向受力00)(=∂∂−=+∂∂+−xpXXdxdydzdydzdxxpppdydzρρ化简：➢Y方向受力0=∂∂−ypYρ同理得：➢Z方向受力0=∂∂−ZpZρ同理得：dzzpdyypdxxpdpzyxfp∂∂+∂∂+∂∂=⇒=),,(0)(=∂∂+∂∂+∂∂+++dzzpdyypdxxpZdzYdyXdxρρρ欧拉平衡方程材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动9/88§1-1流体静力学基本方程三、流体静力学基本方程重力场：单位质量流体受到的场力在x、y的分量为0，即X=0、Y=0，而Z=-g。12Z1Z2P1P2)(2112zzgpp−+=ρdpgdz=−ρC=ρ2211pgzpgz+=+ρρ)(2112zzgpgp−+=ρρ材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动10/88§1-1流体静力学基本方程四、讨论➢等压面：在静止的、连续的、同一液体中，同一水平面上各点的压力相等。➢压力可传递-------巴斯噶定理。➢h=(p1-p2)/(ρg)液柱高度表示压强,必须指明液体种类。➢在化工设备中的可压缩流体（气体）内，忽略可压缩流体柱产生的压强，即认为可压缩流体内各点压强相等。§1-1-4流体静力学基本方程式的应用一、压差或压强测量液柱式压差计——以流体静力学基本方程为依据的测压仪器材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动11/88§1-1流体静力学基本方程p➢U管压差计指示液：与被测流体完全不互溶、不发生化学反应；密度大于被测流体密度。常用指示液有：汞、四氯化碳、水、油等。gRgZppRggZmppgmRppBABABaBa)()()(212'1ρρρρρρ−+=−+++=++=对水平管道，则：gRppBA)(21ρρ−=−若为气体，对水平管道，则：gRppAρ=−21材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动12/88§1-1流体静力学基本方程➢倾斜式液柱压差计p1R′p2αRρ0倾斜式压差计扩大部分俗称“水库”，其截面积远远大于测压管的截面积。αρsin21gRpp=−➢微差压差计材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动13/88§1-1流体静力学基本方程要求：A与B不互溶，而且的密度相近分别为ρ1、ρ2，当水库的截面积»连接导管的截面积，则：gRgzppgzRppdc2112111)(ρρρ++=++=gRpp)(1221ρρ−=−材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动14/88§1-1流体静力学基本方程二、液位的测量三、液封高度的计算材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动15/88§1-2流体在管内的流动§1-2-1流量与流速一、流量➢定义：单位时间内流体流过管道任一截面的量被称为流量。体积流量、质量流量，依次用Vs(m3/s)、Ws(kg/s)或Vh(m3/h)、Wh(kg/h)。二、流速➢点流速：流体质点沿流动方向上流过的距离，m/s。➢平均流速：同一截面上的流体质点沿流动方向上流过的平均距离,m/s。➢质量流速(G)：单位时间内流过单位截面积的流体质量，kg/m2.s。➢关系：Ws=ρVs材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动16/88§1-2流体在管内的流动⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧smusmusmkgGr///(2单位：点流速（体积流速），单位：平均流速质量通量），单位：质量流速流速AWsG=uGρ=uAGAWsρ==AdAuAVsuAr∫∫==三、管径选择总费用=操作费用+设备费用材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动17/88§1-2流体在管内的流动21)4(uVsdπ=➢步骤：选流速计算管径园整校核流速常用流体的适宜的经济流速范围流体类别常用流速范围，m/s流体类别常用流速范围，m/s水及一般液体粘度较大的液体低压气体易燃、易爆的低压气体1∼30.5∼18∼158压强较高的气体饱和水蒸汽：8大气压以下3大气压以下过热水蒸气15∼2540∼6020∼4030∼50材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动18/88§1-2流体在管内的流动§1-2-2定态流动与非定态流动0≠∂∂θX一、非定态流动0=∂∂θX以X表示任一流动参数，则对非定态流动有：二、定态流动材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动19/88§1-2流体在管内的流动§1-2-3连续性方程一、管路系统复杂管路二、连续性方程简单管路管路系统串联管路分支管路常数当=====iWsWsWsρρρ213212211AuAu=对圆管222211dudu=材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动20/88§1-2流体在管内的流动§1-2-4能量衡算方程式一、流动系统的总能量衡算衡算范围：衡算基准：1kg流体；基准面：0-0水平面材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动21/88§1-2流体在管内的流动➢内能：U1、U2(J/kg).）：比容（流体：静压能对静压能kgmpmVpkgVpAVAp3111111111111υυ====静压能：p1υ１、p1υ１；单位：J/kg。[]➢机械能：位能（重力势能）、动能、静压能位能：Z1g、Z2g(J/kg)kgJkgmmNp===3211ν单位材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动22/88§1-2流体在管内的流动➢能量交换热：Qe;单位：J/kg。净功（外功）：We，其单位：J/kg。➢能量衡算方程式：WeQeupvZgU+=Δ+Δ+Δ+Δ221)(2222221121112121vpugZUWeQevpugZU+++=+++++∫−=Δ21'vvpdvQeU二、柏努利方程➢热力学第一定律：材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动23/88§1-2流体在管内的流动Qe’：Qe＋∑hf，单位：J/kg。∑+=hfQeQe'∑∫−+=Δ21vvpdvhfQeU∫∑−=+Δ+Δ∴2122pphfWevdpuZg➢柏努利方程对不可压缩流体，忽略流体因温度变化而引起的比容变化，即ρ不变则：∑∑+++=+++−=Δ+Δ+ΔhfpugZWepugZhfWepuZgρρρ222212112222或材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动24/88§1-2流体在管内的流动ρρ2222121122pugZpugZ++=++理想流体，且We=0三、柏努利方程式的讨论➢理想流体的机械能守衡方程：动能、位能、静压能之间可以相互转化。➢Zg、u2/2、p/ρ、We、∑hf：Ne=WsWe,η＝Ne/N。➢静力学基本方程：Z1g+p1/ρ=Z2g+p2/ρ。➢可压缩流体：（p1-p2)/max{p1、p2}20%。➢非定态系统：任一瞬间→柏努利方程。材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动25/88§1-2流体在管内的流动➢基准：PaPpugZWepugZmfΔ+++=+++222212113221ρρρρρ：kgJhpugZWepugZkgf∑+++=+++ρρ22221211221：mHgpguZHegpguZNf+++=+++ρρ22221211221：§1-2-5柏努利方程式的应用一、使用柏努利方程的注意事项➢控制体的选择➢基准水平面的选取➢压力➢单位材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动26/88§1-2流体在管内的流动二、柏努利方程的应用➢流速或流量➢设备间的相对位置➢流体输送设备的轴功率➢管路系统中的压强分布➢测量或计算管路的能耗➢判断流动方向➢驻点压强➢非定态系统中的瞬时流速或流量例已知管道尺寸为φ114×4mm，流量为85m3/h，水在管路中流动时的总摩擦损失为10J/kg（不包括出口阻力损失），喷头处压力较塔内压力高20kPa，水从塔中流入下水道的摩擦损失可忽略不计。（塔的操作压力为常压）求：泵的有效功率。材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动27/88§1-2流体在管内的流动mZsmdVhummdkPapuZphfpugZWepugZ7511,/68.2)4(360010642114(200,0(022112211222211122221211=++====×−===∴==+++=+++−−−∑πρρ表），管道直径的流通截面积，远大于管道水池的流通截面面积远表），方程面为基准面，则柏努利以（出口内侧）、解：如图所示，取Q2.4KWNe2414.50W3600VhWeWeWsNe102.26J/kg10100020000268.281.97,/10002232222≈====+++×=+++=∑NeWeWemkghfpugZWeρρ则：取水的密度为材料与化学工程系化学工程教研室化工原理流体流动28/88§1-2流体在管内的