化工原理第一章第一節(jié)概述-PPT課件

1、第一章 流體流動(dòng),第一節(jié) 概 述 第二節(jié) 流體靜力學(xué) 第三節(jié) 流體流動(dòng)中的守恒原理 第四節(jié) 流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第五節(jié) 阻力損失 第六節(jié) 流體輸送管路的計(jì)算 第七節(jié) 流速和流量的測(cè)定,2,流動(dòng)現(xiàn)象：, 日常生活中,3, 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,煤 氣 洗 滌 塔,4,5,6,引 言,（2）流體的流動(dòng)對(duì)傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)過(guò)程有著重要影響 化工設(shè)備中的傳熱，傳質(zhì)以及反應(yīng)過(guò)程大多是在流動(dòng)的 條件下進(jìn)行的,一、在所有化工單元操作中為什么首先討論“流體流動(dòng)”？ 流體流動(dòng)的規(guī)律是化工原理的重要基礎(chǔ)！,（1） 化學(xué)工業(yè)中涉及各種流體的輸送 研究流體的流動(dòng)規(guī)律可進(jìn)行管路的設(shè)計(jì)，輸送機(jī)械的 選擇及功率的計(jì)算。,（3）流體

2、的混合,7,(5) 流量和流速的測(cè)量(畢托管，孔板流量計(jì)，轉(zhuǎn)子流量計(jì)),二、“流體流動(dòng)”主要研究?jī)?nèi)容,（1）流體靜力學(xué),（2）流體流動(dòng)中的守恒原理,(3) 流體流動(dòng)的型態(tài)及阻力計(jì)算,(4) 管路計(jì)算,動(dòng)量守恒機(jī)械能損失數(shù)據(jù)缺少時(shí)的計(jì)算,能量守恒柏努利方程能量衡算,質(zhì)量守恒連續(xù)性方程物料衡算,介紹流體靜力學(xué)原理及工程應(yīng)用,8,第一節(jié) 概述,一、流體流動(dòng)的考察方法,a 、由大量的彼此之間有一定間隙單個(gè)分子組成，而且單個(gè)分子做隨機(jī)的、混亂的運(yùn)動(dòng)。如果以單個(gè)分子為考察對(duì)象，流體將是一種不連續(xù)的介質(zhì)，所處理的運(yùn)動(dòng)是一種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。如果研究單個(gè)分子的微觀運(yùn)動(dòng)，則問(wèn)題復(fù)雜，無(wú)法用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具加以描述 。

3、,2、流體的特征：,1、流體是所有氣體和液體的總稱。,b、具有流動(dòng)性，即抗剪抗張能力都很小 ；無(wú)固定形狀，隨容器形狀而變化；,c、受外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)（與固體運(yùn)動(dòng)的主要區(qū)別）。,9,流體質(zhì)點(diǎn)：指含有大量分子的流體微團(tuán) 其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺 寸，遠(yuǎn)大于分子自由程,3、連續(xù)性假定,連續(xù)性假定：,10,但流體質(zhì)點(diǎn)模型的使用是有條件的。當(dāng)特性長(zhǎng)度與平均自由程之比大于103-4時(shí)，就可以使用流體質(zhì)點(diǎn)模型，否則流體質(zhì)點(diǎn)模型就不適用。 如1mm3常溫常壓氣體含2.51015個(gè)分子，分子平均自由程為0.1 m數(shù)量級(jí)，此時(shí)不能使用流體質(zhì)點(diǎn)模型。 在100km的高空，壓力約為0.133Pa，空氣中氧氣和氮

4、氣分子的平均自由程約為1m，這時(shí)仍可使用流體質(zhì)點(diǎn)模型，但在直徑為1m的容器內(nèi)，如壓力也為0.133Pa，則不能使用流體質(zhì)點(diǎn)模型。 所以，在絕大多數(shù)情況下流體的連續(xù)性假設(shè)是成立的，只是高真空稀薄氣體的情況下連續(xù)性假定不成立。,11,（1）拉格朗日法 選定一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)，跟蹤觀察，描述運(yùn)動(dòng)參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系。 同對(duì)固體的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述：X=1(t)（如：觀看球賽）,4、運(yùn)動(dòng)的描述方法,（2）歐拉法,在固定位置上觀察流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，描述運(yùn)動(dòng)參 數(shù)在指定空間和時(shí)間的變化,（如：交通流量測(cè)量點(diǎn)）,12,拉格朗日法描述的是同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的狀態(tài)。 系統(tǒng)：包含眾多流體質(zhì)點(diǎn)的集合。系統(tǒng)與外界有力的作用 與能

5、量的交換，但沒(méi)有質(zhì)量交換。系統(tǒng)的邊界的形狀和大 小隨著時(shí)間而變化。,（3）二法比較和選擇,歐拉法描述的是空間各點(diǎn)的狀態(tài)及其與時(shí)間的關(guān)系。 控制體：當(dāng)劃定一固定的空間體積來(lái)考察問(wèn)題，該空間稱為 控制體。流體可以進(jìn)出控制體，控制體與外界也可以有力的 作用和能量的交換。（是本課程常用的考察方法）,13,定態(tài)流動(dòng)指運(yùn)動(dòng)空間各點(diǎn)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變化的流動(dòng),即：( )=0 ( )=0 ( )=0,5、定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng),則 ux=x(x,y,z) uy=y(x,y,z) uz=z(x,y,z),表明流動(dòng)的速度只隨空間位置而變，而與時(shí)間無(wú)關(guān)。 如：河水在河床中流動(dòng)；工業(yè)生產(chǎn)流水線中的工種,14,15,（2

6、） 流線：同一瞬時(shí)不同質(zhì)點(diǎn)的速度方向，流線上各點(diǎn)的 切線表示該點(diǎn)的速度方向。這是采用歐拉法考察的結(jié)果,a,b,c為同一瞬時(shí)各質(zhì)點(diǎn)，箭頭為運(yùn)動(dòng)方向,6、流線與軌線,（1） 軌線：同一流體質(zhì)點(diǎn)不同時(shí)刻所占空間位置的連線即 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。這是采用拉格朗日法考察流體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,16,在定態(tài)流動(dòng)過(guò)程中，流線和軌線重合 （各位置上流體的速度不隨時(shí)間而變化）,（3）流線與軌線的比較, 軌線描述的是同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)間的位置 流線表示的則是同一瞬間不同質(zhì)點(diǎn)的速度方向,17,二、流體流動(dòng)中的作用力,1、 體積力：作用于流體每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力 體積力正比例于質(zhì)量，又稱為質(zhì)量力 在重力場(chǎng)中體積力即重力，在離心場(chǎng)中為離心

7、力,2、表面力：作用于所研究流體體積表面上的力 表面力正比例于表面積,（1） 壓力： 垂直于流體表面的力 壓強(qiáng) p：?jiǎn)挝幻娣e上所受的壓力,（2） 剪力（切力）：平行于表面的力 剪應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上所受的剪力,18,牛頓粘性定律,右 左,F : 內(nèi)摩擦力 粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)部的剪切力,速度梯度,剪應(yīng)力： 單位面積上的內(nèi)摩擦力,是動(dòng)量傳遞的基本方程式 剪應(yīng)力 的大小實(shí)際上代 表了動(dòng)量傳遞的速率。,19,3、液體所受剪應(yīng)力與固體所受剪應(yīng)力的區(qū)別：,固體：,液體：,(1) 與固體表面的摩擦力不同，內(nèi)摩擦力與法向壓力無(wú)關(guān)。,(2) 固體的剪應(yīng)力正比于剪切變形（角變形）d ，而流體的剪應(yīng)力正比于剪切變形的速率

8、，這里的速度梯度就是變形的速率d/dt。,靜止的流體不能承受剪應(yīng)力(哪怕是非常微小的剪應(yīng)力)和剪切變形。 固體可以承受很大的剪應(yīng)力和抵抗剪切變形。,20,(3)剪應(yīng)力的大小代表了動(dòng)量傳遞的速率。,單位時(shí)間，單位面積上所傳遞的動(dòng)量。,動(dòng)量梯度產(chǎn)生動(dòng)量傳遞。,運(yùn)動(dòng)粘度，單位:,-動(dòng)力粘度，單位：Pas,牛頓黏性定律的另一種 表達(dá)法。,21,（4）、流體中的動(dòng)量傳遞的進(jìn)一步說(shuō)明,實(shí)際流體變形需要一定的力。這個(gè)力體現(xiàn)為流體內(nèi)部的剪切力，其大小與流體的密度及粘度等性質(zhì)有關(guān)。,這一現(xiàn)象可以用分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)來(lái)解釋：,22,由分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)可見(jiàn)，剪應(yīng)力的產(chǎn)生，是由于不同流體層的分子具有不同速度，或即不同的動(dòng)量所致

9、。全面討論：, 單位體積流體所具有的動(dòng)量；, 比例系數(shù)，稱為動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù) ，,關(guān)于正負(fù)號(hào)的說(shuō)明： 對(duì)剪應(yīng)力：“+” 表示剪應(yīng)力的方向和流向一致； “-” 表示剪應(yīng)力的方向和流向相反。, 是在 方向上的 變化率，稱為動(dòng)量梯度；,動(dòng)量傳遞速率，即單位 時(shí)間單位面積的動(dòng)量,23,對(duì)動(dòng)量傳遞：取“-”，表示動(dòng)量傳遞的方向和動(dòng)量梯度 的方向相反。 由圖可見(jiàn)，動(dòng)量傳遞的方向和剪應(yīng)力的方向互相垂直。,用動(dòng)量傳遞推導(dǎo)粘度的數(shù)值,動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)等于分子平均速度和分子平均自由程的乘積的,由氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō),可以估計(jì)分子的平均速度 和分子平均自由程 的值, 從而估計(jì)出粘度 的數(shù)值,它在數(shù)量級(jí)上是正確的，說(shuō)明這一理論的

10、正確性。,24,4、粘度 流體的一種物理特性, 是流體粘性的度量。粘性的本質(zhì)是分子間的引力與分子間的運(yùn)動(dòng)和碰撞， 是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體（大多數(shù)如水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動(dòng)規(guī)律。,氣體粘度液體粘度 T 氣體粘度（分子引力減小，運(yùn)動(dòng)加劇，運(yùn)動(dòng)力是主要的）T 液體粘度（分子引力減小是主要的，運(yùn)動(dòng)力是次要的）,其大小因流體而異，只與溫度有關(guān)，與速度梯度無(wú)關(guān)。,壓力對(duì)液體粘度影響很小，可以忽略不計(jì)；氣體粘度在壓 力不是極高或極低的條件下，可以認(rèn)為與壓力無(wú)關(guān)。,25, 粘度單位,物理制(厘米克秒制) 泊(達(dá)因秒/厘米2) 1厘泊=(1/100)泊 國(guó)

11、際制(SI) Ns/m2 帕斯卡秒（寫作Pas） 單位制換算 1厘泊=(1/100)泊=(1/1000)Ns/m2=1/1000 Pas 1 CP = 1/100 P = 1/1000 pas,運(yùn)動(dòng)黏度,26,非牛頓型流體 凡是剪應(yīng)力與速度梯度不符合牛頓粘性定律的流體均稱為非牛頓型流體，如膠體溶液、泥漿、乳濁液、長(zhǎng)鏈聚合物溶液、涂料及混凝土等。 非牛頓型流體的剪應(yīng)力與速度梯度成曲線關(guān)系，或者成不過(guò)原點(diǎn)的直線關(guān)系，如圖所示。,27,5、管截面的速度分布：,剪應(yīng)力及流體的粘度是有限值，故速度梯度也只能是 有限值，相鄰流體層的速度只能連續(xù)變化。,粘度不為零 管壁速度為零 管中心速度最大,粘度為零（理想流體） 速度分布均勻,28,三、流體流動(dòng)中的機(jī)械能,1、內(nèi)能 內(nèi)能是貯存于液體內(nèi)部的能量，是由于原子與分子的運(yùn)動(dòng)及其相互作用存在的能量。因此液體的內(nèi)能與其狀態(tài)有關(guān)。內(nèi)能大小主要決定于液體的溫度，而液體的壓力影響可以忽略。 單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能Uf（t），J/Kg,29,2、位能 在重力場(chǎng)中，液體高于某基準(zhǔn)面所具有的能量稱為液體的位能。液體在距離基準(zhǔn)面高度為z時(shí)的位能相當(dāng)于流體從基準(zhǔn)面提升高度為z時(shí)重力對(duì)液體所作的功。 單位質(zhì)量流體所具有的位能gz,3、動(dòng)能 液體因運(yùn)動(dòng)而具有的能量，稱為動(dòng)能。 單位質(zhì)量流體所具有的動(dòng)能,30,4、壓強(qiáng)能 流體自低壓向高壓對(duì)抗壓力流動(dòng)時(shí)，流體由此獲得的能量