化工原理鐘秦第二版課件

1、第一章 流體流動本章主要內(nèi)容 1.1流體靜力學基本方程式1.2 流體流動的基本方程式1.3 管內(nèi)流體流動現(xiàn)象1.4 流體流動的阻力損失1.5 流體輸送管路的計算1.6 流速和流量的測量1.7 非牛頓流體的流動1.1 流體靜力學基本方程式1.1.1 流體密度1.1.2 流體靜壓強1.1.3 流體靜力學基本方程式1.1.4 流體靜力學基本方程式的應用1.1.1 流體的密度一、定義表達式不可壓縮流體二、液體的密度1. 純液體2. 混合液體組分濃度以質(zhì)量分率x表示三、氣體的密度可壓縮流體 1. 理想氣體2. 實際氣體查手冊、換算 理想氣體3. 混合氣體1.1.2 流體靜壓強 一、 靜壓強二、 靜壓強的

2、單位 1atm=1.013105 Pa=10.33 mH2O=760mmHg 1at=9.81104 Pa=10 mH2O=735mmHg 三、 靜壓強的表示方法 絕對壓強（ata）：以絕對真空為基準量得的壓強； 表壓強（atg）：以大氣壓強為基準量得的壓強。 8第一章 流體輸送 第一次課 流體靜力學方程實質(zhì)：靜止流體內(nèi)部壓強的變化規(guī)律。1.1.3 流體靜力學基本方程式10第一章 流體輸送 第一次課 流體靜力學方程重點討論：1. 方程應用條件：靜止，連續(xù)，同一流體;2.同一高度處靜壓力相等;3.壓強差的大小可以用一定高度的液體柱表示 但必須注明流體的名稱。 4. gz 單位質(zhì)量流體所具有的位能

3、; p/單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能。1.1.4 流體靜力學基本方程式的應用 一、壓強與壓強差的測量 （pA+gzA）（pB+gzB）=Rg（A）兩測壓口等高 pApB=（A）gR 1U 形壓差計 2微差壓差計（1）兩種指示液密度相接近且不互溶。 （2）U形管的兩側(cè)臂頂端各裝有擴大室，擴大室內(nèi)徑與U形管內(nèi)徑之比應大于10。 p1 p2=（A C）gR 二、液面的測量 遠距離液面計裝置 1調(diào)節(jié)閥； 2鼓泡觀察器瓶； 3U管壓差計；4通氣管 ； 5貯罐 。 papb pa=gh pb=AgR 三、液封高度的確定 如何控制爐內(nèi)的壓強不超過規(guī)定的數(shù)值? 液封管插入液面下的深度h ：1.2 流體流動的基本

4、方程1.2.1流量與流速一、流量1.定義2.表示體積流量: Vs, m3/s質(zhì)量流量: ws, kg/s3.兩者之間的關系二、流速定義平均流速體積流速u： m/s質(zhì)量流速G: kg/（m2s）流量與流速關系ws=Vs=uA三、管徑的確定 圓整例：Vs=0.02m3/s,u=1.5m/s,求d=?1.計算方法1.2.2 穩(wěn)定流動與 不穩(wěn)定流動 1.2.3 連續(xù)性方程 ws= u1A11 =u2A22= uA=常數(shù) Vs= u1A1=u2A2= uA=常數(shù) 管內(nèi)不同截面流速之比 與其相應管徑的平方成反比 若流體不可壓縮，=常數(shù) 1.2.4 伯努利方程一、伯努利方程的推導二、伯努利方程的討論三、伯努

5、利方程的應用二、伯努利方程的討論 應用伯努利方程的條件流體靜止，u=0，方程變?yōu)榱黧w靜力學基本方程 方程中每一項均表示一項能量理想流體的伯努利方程實際流體的伯努利方程可壓縮流體，若管道兩截面間壓力差很小，伯努利方程可用，但注意： 1）平均密度；2）絕對壓強7.伯努利方程有不同的形式7.伯努利方程的不同形式 (1)單位重量流體為基準： z1：位壓頭 u12/2g:動壓頭 p/g：靜壓頭J/N(2)單位質(zhì)量流體為基準 We輸送機械對流體做功而使單位質(zhì)量流體獲得的能量,（J/kg）；單位質(zhì)量流體從1-1截面到2-2截面損失的能量 （J/kg）J/kg (3)單位體積流體為計算基準J/m3三、伯努利方

6、程的應用1.根據(jù)題意繪流程示意圖，標明流體流動方向；2.確定衡算范圍，選取上、下游截面，原則：（1）兩截面應與流體流動方向垂直（2）兩截面之間流體必須是連續(xù)的；（3）截面上已知條件最充分，截面上和截面間包 含未知量。3.選基準面，基準面必須與地面平行，若衡算系統(tǒng)為水平管道，則基準面應通過管道中心線；4.各物理量單位一致，兩截面上壓強表示方法一致。1.3 管內(nèi)流體流動現(xiàn)象 1.3.1 黏度 一、牛頓黏性定律 比例系數(shù)，稱黏性系數(shù)或動力粘度，簡稱黏度二、黏度 1. 表達式: 2. 單位: 物理單位制單位：P注意：物理意義：促使流體流動產(chǎn)生單位速度梯度時剪應力的大小黏度與速度梯度相聯(lián)系，只有在運動時

7、才顯現(xiàn)出來黏度是流體物理性質(zhì)之一，其值由實驗測定 雷諾實驗1.3.2 流動類型與雷諾準數(shù) 31第一章 流體輸送 第四次課 管內(nèi)流體流動現(xiàn)象雷諾準數(shù)：影響因素:管徑、流速、粘度、密度物理意義: Re = 慣性力/黏性力無因次1.流動類型流動類型層流湍流流型的判定雷諾數(shù)判定1.3.3 層流與湍流 流動類型：層流和湍流雷諾指出：（1）當Re2000時，出現(xiàn)層流區(qū)，層流是穩(wěn)定的。（2）當2000Re4000時，有時出現(xiàn)層流，有時出現(xiàn)湍流，決定于外界的擾動，此為過渡區(qū)。（3）當Re4000時，出現(xiàn)湍流區(qū)。2. 層流與湍流的區(qū)別流體內(nèi)部質(zhì)點的運動方式流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在直管內(nèi)的流動阻力(1) 流體

8、內(nèi)部質(zhì)點的運動方式質(zhì)點的速度脈動曲線 (2) 流體在圓管內(nèi)的速度分布 層流:速度沿管徑按拋物線規(guī)律分布平均速度u等于管中心處最大速度umax的0.5倍。 湍流: 速度分布曲線頂部區(qū)域比較平均，Re數(shù)值愈大， 曲線頂部的區(qū)域就愈平坦; 湍流主體與層流底層之間存在著過渡層; Re4000(3)直管流動阻力層流：內(nèi)摩擦力湍流：內(nèi)摩擦力+流體質(zhì)點的脈動牛頓型流體1.3.4 邊界層的概念 邊界層的形成與發(fā)展邊界層分離局部阻力損失產(chǎn)生原因邊界層的形成與發(fā)展流速降至未受邊壁影響流速的99%以內(nèi)的區(qū)域為邊界區(qū)，邊界層是邊界影響所及的區(qū)域。 特點：可能層流可能湍流，由Re判定流體在圓形直管進口段的流動.邊界層厚

9、度為管子半徑；.邊界層在管中心匯合前， 若為層流，則管內(nèi)流動為層流； 若為湍流，則管內(nèi)流動為湍流。d3. 邊界層分離 A駐點B減壓加速u=0 p最大減速加壓u最大 p最小C分離點u=0 p最大流道的急劇變化必造成逆壓強梯度;逆壓強梯度使流體邊界層分離;邊界層分離造成大量旋渦，大大增加機 械能消耗。 1.4 流體流動的阻力損失 直管阻力：或沿程阻力 流經(jīng)直管產(chǎn)生的阻力局部阻力：流經(jīng)管件、閥門及進出口時，由于受到局 部障礙 所產(chǎn)生的阻力總能量損失：兩種阻力引起能量損失之總和。1.4.1層流時直管阻力損失計算 流體柱的推動力 （p1 - p2）r2 剪應力 穩(wěn)定流動，推動力與阻力大小相等，方向相反（

10、p1p2） r2=2 rl 哈根 泊謖葉公式 積分的邊界條件為 當 r = 0 時 ur = umax 當 r = R 時 ur = 0 由伯努利方程可知，流體的能量損失為 令 范寧公式 摩擦系數(shù) 絕對粗糙度 ： 管壁粗糙部分的平均高度。相對粗糙度 /d： 1.4.2 湍流時的直管阻力一、 管壁粗糙度的影響材料與加工精度；光滑管：玻璃管，銅管等；粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。使用時間；絕對粗糙度可查表或相關手冊。 粗糙度的產(chǎn)生管壁粗糙度的影響層流時 湍流時決定于層流底層厚度b與的大小 對無影響二、湍流時摩擦系數(shù)1. 實驗研究方法2. 因次分析法（1）找出主要影響因素（2）因次一致性原理（3）白金漢定

11、理（4）因次分析（5）冪函數(shù)逼近（6）因次歸并，得出無因次數(shù)群3. 準數(shù)意義：4. 湍流直管阻力損失公式：摩擦系數(shù)、雷諾數(shù)和粗糙度的關系層流區(qū)：=64/Re，與管壁粗糙度無關湍流區(qū)： =f（/d ， Re）/d一定： Re增加， 減小Re一定：/d增加， 增大完全湍流區(qū)（阻力平方區(qū)）： =f（/d），對指定管路hf= （l/d）（u2/2），即阻力與流速平方成正比。三、非圓形管道內(nèi)的流動阻力當量直徑 de = 4 A / A流通截面積（m2）；潤濕周邊(m)。圓管道與套管的當量直徑分別為： *非圓形管道內(nèi)層流流動時,= C / ReC為常數(shù),無因次,由管道截面形狀查表獲得。1.4.3局部阻力損

12、失計算一、產(chǎn)生原因1.阻力系數(shù)法：2.當量長度法：二、計算方法阻力系數(shù)當量長度 注意：在計算局部阻力損失時，公式中的流速u一般為截面積較小的管中的平均流速。3. 管道總阻力或1.管路類型（1）簡單管路：（2）復雜管路：并聯(lián)管路、分支管路由直徑相同或不同的管路串聯(lián)組成的單一管線。1.4.4管路阻力對流動的影響12 ， hfA-B uu ？pA？閥門由全開轉(zhuǎn)為半開 pB？1A ，u hf1-A pA B2，hfB-2 pB 1.4.4管路阻力對流動的影響1.簡單管路結(jié)論： （1）任何局部阻力系數(shù)的增加將使管內(nèi)各 處的流速下降；（2）下游阻力增大將使上游壓強上升；（3）上游阻力增大將使下游壓強下降。

13、02， hf0-2 ，u2 ，p0閥A關小 ，p0？u0？p2？u2？u3？03，p0 ，u3 10，p0 ，u0 2.分支管路支管閥門關小，該支管流量下降;其它支管流量增加，總管流量減小。結(jié)論： 注意兩種極端情況：總管阻力可以忽略，以支管阻力為主： 關小閥A僅使該支管的流量發(fā)生變化，而對支管B的流量幾乎沒有影響。 城市供水、煤氣管線的鋪設應盡可能屬于這種情況。總管阻力為主，支管阻力可以忽略：總管中的總流量將不因支管情況而變。閥A的啟閉不影響總流量僅改變了各支管間的流量分配。3.匯合管路閥門全開關小2. 閥門繼續(xù)關小至一定程度，使u2降至零； 1.u1與u23.繼續(xù)關小， u2將作反向流動。1

14、.5.1簡單管路1. 簡單計算型2. 操作型計算3. 設計型計算 1.5 流體輸送管路的計算1.5.2復雜管路一、簡單管路 類型已知條件求計算目的 一般型、u、l+le、d、Vshf確定輸入功率 操作型、 、 u、l+le、d、hfVs核算流量 設計型、 、 u、l+le、Vs、hfD選擇管徑一、并聯(lián)管路Vs =Vs1 + Vs2 + Vs3 hf1 = hf2 = hf3 = hfAB1.5.2復雜管路二、分支管路VsA = VSB + VSC分支處（圖中O點）的總壓頭固定，流向任一支管流體，每千克所具有的總機械能相等1. 測速管（皮托管）A 駐點點A與點B的勢能差=動能(A點流體) 1.6 流速與流量的測量注意：測速管（皮托管）測的是點速度；管口截面嚴格垂直于流動方向；前后應有50倍直徑的直管距離。測速管直徑應小于管徑的1/50，至少1/15；優(yōu)點：阻力小，適用于大直徑氣體管路的測量2.孔板流量計流體流過小孔時產(chǎn)生壓強差，流量越大產(chǎn)生