新編化工原理-上下冊(cè)-修訂版第一章流體流動(dòng)1課件

1、第一章 流體流動(dòng)教學(xué)要求1-0 概述1-1 流體靜力學(xué)基本方程1-2 流體在管內(nèi)的流動(dòng)1-3 流體的流動(dòng)現(xiàn)象1-4 流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力1-5 管路計(jì)算1-6 流量測(cè)量復(fù)習(xí)化工原理1流體流動(dòng)教學(xué)要求重 點(diǎn)：連續(xù)性方程；機(jī)械能衡算式。覆蓋內(nèi)容：流體的性質(zhì)（密度、重度、比重、比容、粘度）；流體的靜壓強(qiáng)、靜力學(xué)方程式及其應(yīng)用；流量、流速的各種表達(dá)方式及計(jì)算；定常流動(dòng)與非定常流動(dòng)的概念；流動(dòng)系統(tǒng)的物料衡算與連續(xù)性方程；流動(dòng)系統(tǒng)的能量衡算與機(jī)械能衡算式；牛頓型流體與非牛頓型流體的概念；流動(dòng)類(lèi)型及特點(diǎn)；邊界層的概念（形成、發(fā)展與分離）；管內(nèi)流速分布；管路能耗的原因、計(jì)算及影響因素（粗糙度的概念、摩擦系數(shù)、

2、因次分析法）；管路計(jì)算的方法；流量、流速的測(cè)量方法（測(cè)速管、孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理）。化工原理2流體流動(dòng)1-0 概述1、流體 液體和氣體。特征：1）具有流動(dòng)性；2）沒(méi)有固定的形狀；3）在外力作用下其內(nèi)部易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。2、連續(xù)性假設(shè) 把流體視為由無(wú)數(shù)個(gè)流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）所組成，這些流體微團(tuán)緊密接觸，彼此沒(méi)有間隙。這就是連續(xù)介質(zhì)模型。流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）：宏觀(guān)上足夠小，以致于可以將其看成一個(gè)幾何上沒(méi)有維度的點(diǎn)；同時(shí)微觀(guān)上足夠大，它里面包含著許許多多的分子，其行為已經(jīng)表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)?；ぴ?流體流動(dòng)1-0 概述3、運(yùn)動(dòng)的描述方法拉格朗日法：對(duì)選定的一個(gè)

3、質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行觀(guān)察，描述其運(yùn)動(dòng)參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系，即描述同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的狀態(tài)。歐拉法：在固定的空間位置上觀(guān)測(cè)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，直接描述各有關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)在指定空間和時(shí)間上的變化，即描述空間各點(diǎn)的狀態(tài)及其與時(shí)間的關(guān)系。 在討論流體流動(dòng)中，通常選用歐拉法?；ぴ?流體流動(dòng)1-0 概述4、流線(xiàn)與軌線(xiàn)軌線(xiàn)：同一流體質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻所占空間位置的連線(xiàn)。流線(xiàn)：采用歐拉法觀(guān)察的結(jié)果，表述同一瞬時(shí)不同質(zhì)點(diǎn)的速度方向。流線(xiàn)的屬性：1）流線(xiàn)互不相交；2）在流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)任意封閉曲線(xiàn)各點(diǎn)引出的流線(xiàn)所圍成的空間稱(chēng)為流管。5、目的流體輸送； 壓強(qiáng)、流量與流速測(cè)定；為強(qiáng)化設(shè)備提供適宜的條件?；ぴ?流體流動(dòng)1-1 流體靜力

4、學(xué)基本方程1-1-1 流體的密度定義：?jiǎn)挝惑w積流體具有的質(zhì)量氣體密度是溫度和壓強(qiáng)的函數(shù)：化工原理6流體流動(dòng)1-1-1 流體的密度混合氣體的密度：液體的密度：只與溫度有關(guān)，而與壓力無(wú)關(guān)?；ぴ?流體流動(dòng)1-1-1 流體的密度混合液體的密度：若混合前后液體體積不變，取1Kg混合液體則：Xwj：j組分在混合液體中的質(zhì)量分率化工原理8流體流動(dòng)1-1-2 流體的靜壓強(qiáng)定義：垂直作用在單位面積上的力1atm=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg=1.0133bar=1.013105Pa化工原理9流體流動(dòng)1-1-2 流體的靜壓強(qiáng) 1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10m

5、H2O=0.9807bar=9.807105Pa流體靜壓強(qiáng)的特征：1）靜止流體內(nèi)任一點(diǎn)的壓強(qiáng)來(lái)自于各個(gè)方向且指向該點(diǎn)，大小相等；2）靜止流體內(nèi)任一點(diǎn)的壓強(qiáng)空間位置的函數(shù)。真空度=大氣壓-絕對(duì)壓強(qiáng)表壓強(qiáng)=絕對(duì)壓強(qiáng)-大氣壓=-真空度化工原理10流體流動(dòng)1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程式一、流體內(nèi)力的類(lèi)型 體積力：流體所受到的力的大小與體積成正比，即場(chǎng)力（離心力、重力等）。設(shè)單位質(zhì)量流體所受的體積力在x、y、z方向上的分量分別為：X、Y、Z表面力：流體所受到的力的大小與表面積成正比。有法向和切向兩種。二、歐拉平衡方程化工原理11流體流動(dòng)1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程式p化工原理12流體流動(dòng)1-1-3

6、流體靜力學(xué)基本方程式 X方向受力： Y方向受力： Z方向受力：化工原理13流體流動(dòng)1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程式化工原理14流體流動(dòng)1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程式三、流體靜力學(xué)基本方程在重力場(chǎng)中：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體受到的場(chǎng)力在x、y的分量為0，即X=0、Y=0，而Z=-g?；ぴ?5流體流動(dòng)1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程式四、關(guān)于流體靜力學(xué)基本方程的討論1、在靜止的、連續(xù)的、同一液體中，同一水平面上各點(diǎn)的壓力相等。2、壓力可傳遞-巴斯噶定理。3、h=(p1-p2)/(g) 當(dāng)用液柱高度表示壓強(qiáng)時(shí)必須指明液體種類(lèi)。4、在化工設(shè)備中的可壓縮流體（氣體）內(nèi)，忽略可壓縮流體柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，即認(rèn)為可壓縮流

7、體內(nèi)各點(diǎn)壓強(qiáng)相等?；ぴ?6流體流動(dòng)1-1-4流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用一、壓差或壓強(qiáng)測(cè)量 液柱式壓差計(jì)以流體靜力學(xué)基本方程為依據(jù)的測(cè)壓儀器1、U管壓差計(jì)對(duì)指示液的要求：與被測(cè)流體完全不互溶、不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；密度大于被測(cè)流體密度。常用指示液有：汞、四氯化碳、水、油等?；ぴ?7流體流動(dòng)1-1-4流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用當(dāng)Z、指示液密度和被測(cè)流體密度一定，R的大小則反映了壓強(qiáng)差的大??；對(duì)水平管道、且A B，則p1-p2=RAg；當(dāng)U管的一端與大氣相同，則測(cè)得的為該測(cè)壓點(diǎn)的表壓強(qiáng)； U管壓差計(jì)的測(cè)量范圍較小，而且與所選用的指示液有關(guān)；當(dāng)p1-p2一定時(shí)，應(yīng)合理選擇指示液，使壓差計(jì)的誤差較小。

8、由靜力學(xué)方程表示等壓面上的壓強(qiáng)，得：化工原理18流體流動(dòng)1-1-4流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用傾斜式液柱壓差計(jì):擴(kuò)大部分俗稱(chēng)“水庫(kù)”，其截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)壓管的截面積。 p1-p2=0gRsin化工原理19流體流動(dòng)1-1-4流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用微差壓差計(jì) A與B不互溶，而且的密度相近分別為1、2，當(dāng)水庫(kù)的截面積連接導(dǎo)管的截面積，則：ABcd化工原理20流體流動(dòng)1-1-4流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用二、液位的測(cè)量三、液封高度的計(jì)算化工原理21流體流動(dòng)1-2 流體在管內(nèi)的流動(dòng)1-2-1流量與流速一、流量 單位時(shí)間內(nèi)流體流過(guò)管道任一截面的量被稱(chēng)為流量。其量可分別采用體積、質(zhì)量、物質(zhì)量表示，則分別稱(chēng)為

9、體積流量、質(zhì)量流量，依次用Vs(m3/s)、Ws(kg/s)或Vh(m3/h)、Wh(kg/h) 。二、流速流體質(zhì)點(diǎn)沿流動(dòng)方向上流過(guò)的距離點(diǎn)流速。同一截面上的流體質(zhì)點(diǎn)沿流動(dòng)方向上流過(guò)的平均距離平均流速。 Ws=Vs化工原理22流體流動(dòng)1-2-1流量與流速質(zhì)量流速(G)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)單位截面積的流體質(zhì)量，kg/m2.s?；ぴ?3流體流動(dòng)1-2-1流量與流速三、管徑選擇對(duì)于圓形管道，若管的內(nèi)徑為d，操作費(fèi)用：隨流體在管內(nèi)流速升高，即管徑減小，操作費(fèi)用上升?；ぴ?4流體流動(dòng)1-2-1流量與流速設(shè)備費(fèi)用：設(shè)備的總投資設(shè)備折舊率，當(dāng)流體在管內(nèi)流速升高，管徑減小，管道的總投資下降，設(shè)備費(fèi)用下降。

10、總費(fèi)用=設(shè)備費(fèi)用+操作費(fèi)用步驟：選流速 計(jì)算管徑 園整 校核流速選用適宜的流速輸送流體一定流量的流體，使總費(fèi)用處在比較低的水平。常用流體的適宜流速范圍可從相關(guān)手冊(cè)查到?；ぴ?5流體流動(dòng)1-2-1流量與流速化工原理26流體流動(dòng)1-2-2定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)一、非定態(tài)流動(dòng)若流動(dòng)系統(tǒng)中，各截面上的流量、流速、壓強(qiáng)、密度等參數(shù)不僅和空間位置有關(guān)，還和時(shí)間相關(guān)，則稱(chēng)非定態(tài)流動(dòng)。以X表示任一流動(dòng)參數(shù)，則對(duì)非定態(tài)流動(dòng)有：二、定態(tài)流動(dòng)若流動(dòng)系統(tǒng)中，各截面上的流量、流速、壓強(qiáng)、密度等參數(shù)僅和空間位置有關(guān)，而與時(shí)間無(wú)關(guān)，則稱(chēng)定態(tài)流動(dòng)?；ぴ?7流體流動(dòng)1-2-3連續(xù)性方程一、管路系統(tǒng)簡(jiǎn)單管路串聯(lián)管路分支管路

11、 由不同直徑的管段和管件串聯(lián)而成的管路系統(tǒng)稱(chēng)為簡(jiǎn)單管路系統(tǒng)?；ぴ?8流體流動(dòng)1-2-3連續(xù)性方程二、物料衡算控制體化工原理29流體流動(dòng)1-2-3連續(xù)性方程三、連續(xù)性方程 將物料衡算方程用于定態(tài)流動(dòng)的簡(jiǎn)單管路系統(tǒng)，以單位時(shí)間為衡算基準(zhǔn)?；ぴ?0流體流動(dòng)1-2-4能量衡算方程式一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算 00U1p1U2p2 對(duì)上面的簡(jiǎn)單管路系統(tǒng)，以1-1、2-2及管壁組成衡算控制體；以1kg流體為基準(zhǔn)；以水平面0-0為基準(zhǔn)面?；ぴ?1流體流動(dòng)1-2-4能量衡算方程式1、內(nèi)能：物質(zhì)內(nèi)部所有微觀(guān)能量的總和，在1-1、2-2截面上1kg流體的內(nèi)能分別為U1、U2(J/kg).2、機(jī)械能位能：

12、受重力的作用，在不同高度處具有不同的能量，在1-1、2-2截面上1kg流體的內(nèi)能分別為Z1g、Z2g(J/kg).動(dòng)能：流體因具有一定的運(yùn)動(dòng)速度而具有的作功能力。在1-1、2-2截面上1kg流體的內(nèi)能分別為u12/2、u22/2(J/kg). 靜壓能：流動(dòng)的流體內(nèi)部任何位置都具有一定的靜壓強(qiáng)。由于1-1截面上具有一定壓強(qiáng)，流體要通過(guò)1-1截化工原理32流體流動(dòng)1-2-4能量衡算方程式面，必須要外力對(duì)流體作響應(yīng)的功，以克服壓力，既通過(guò)1-1截面的流體必定會(huì)帶有與所需的功相當(dāng)?shù)哪芰浚o壓能）進(jìn)入系統(tǒng)。設(shè)質(zhì)量為m，體積為V1的流體通過(guò)靜壓強(qiáng)為p1的1-1截面:流體要通過(guò)1-1截面，必須在p1A的外力

13、作用流過(guò)V1/A的距離，則流體帶入系統(tǒng)的靜壓能：P1u1進(jìn)入前:11mV1p1A進(jìn)入后:mV1P1u111p1A化工原理33流體流動(dòng)1-2-4能量衡算方程式化工原理34流體流動(dòng)1-2-4能量衡算方程式3能量交換熱：1kg流體從換熱器或環(huán)境中獲得的總熱量為Qe。單位：J/kg。凈功（外功）：1kg流體通過(guò)流體輸送設(shè)備所獲得的機(jī)械能總和。以We表示，其單位：J/kg。機(jī)械能衡算方程式：化工原理35流體流動(dòng)1-2-4能量衡算方程式二、柏努利方程熱力學(xué)第一定律：化工原理36流體流動(dòng) Qe：由兩部分構(gòu)成：流體從環(huán)境中獲得的熱Qe；流體從1-1到2-2因克服流體阻力而消耗的機(jī)械能，且這部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱，

14、以hf表示，單位：J/kg。1-2-4能量衡算方程式化工原理37流體流動(dòng)1-2-4能量衡算方程式上式描述了1kg流體流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能關(guān)系，被稱(chēng)為流體在定態(tài)流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能衡算方程化工原理38流體流動(dòng)1-2-4能量衡算方程式柏努利方程：對(duì)不可壓縮流體，忽略流體因溫度變化而引起的比容變化，即不變則：理想流體，且We=0化工原理39流體流動(dòng)1-2-4能量衡算方程式三、柏努利方程式的討論理想流體的機(jī)械能守衡方程：粘度為0的流體被稱(chēng)為理想流體，即無(wú)流動(dòng)阻力存在。當(dāng)理想流體在1-1、2-2間作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，且We=0，在1-1、2-2在及其間的任一截面上，單位質(zhì)量流體具有的動(dòng)能、靜壓能、位能的總和（機(jī)械能）相等，

15、但動(dòng)能、位能、靜壓能之間可以相互轉(zhuǎn)化。Zg、u2/2、p/：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體在截面上所具有的；We、hf：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體在1-1、2-2截面流過(guò)時(shí)獲得、消耗的機(jī)械能；Ne=WsWe?；ぴ?0流體流動(dòng)1-2-4能量衡算方程式靜力學(xué)基本方程：將柏努利方程用于靜止液體，由于u=0 、We=0、hf=0，則Z1g+p1/= Z2g+p2/，靜力學(xué)基本方程是柏努利方程的特殊條件下的表達(dá)式。可壓縮流體：可壓縮流體的密度與溫度、壓強(qiáng)相關(guān)，當(dāng)1-1、2-2截面的絕對(duì)壓強(qiáng)（p1-p2)/maxp1、p2EAEB，所以水將由容器C流出，與泵聯(lián)合向容器B供水，且由式（2）有將已知數(shù)據(jù)代入上式，整理得 對(duì)管壁，取=0.

16、3mm化工原理128流體流動(dòng)1-5 管路計(jì)算/dc=0.3/30=0.01試差計(jì)算得：故容器C流入交匯點(diǎn)A的流量為： 因此AB管路流量為： 要達(dá)到由泵向容器C輸水4.12m3/h，管路系統(tǒng)要求泵提供的軸功率必須增加。由分支管路特點(diǎn)，在水池液面與容器C的液面和管路B出口處分別列柏努利方程有 化工原理129流體流動(dòng)1-5 管路計(jì)算（5）（6）式（5）中， 此條件下AB管段流速： 所以化工原理130流體流動(dòng)1-5 管路計(jì)算又/da=0.3/40=0.0075 由/da和Re值查圖得B=0.035 可見(jiàn)，要完成此輸送任務(wù)AC分支管路要求泵提供的能量heC大于A(yíng)B分支管路的heB，泵的軸功率應(yīng)滿(mǎn)足AC管

17、路的要求，所以AB管路則通過(guò)減小該支管上截止閥的開(kāi)啟度、增加管路阻力，滿(mǎn)足流量分配要求?；ぴ?31流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量一、測(cè)速管 測(cè)速管又稱(chēng)皮托管。B點(diǎn)測(cè)得的是該截面上的靜壓強(qiáng)，A點(diǎn)測(cè)得的是該點(diǎn)處的動(dòng)壓強(qiáng)與靜壓強(qiáng)之和。因此，結(jié)構(gòu)示意圖引入校正系數(shù)化工原理132流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量測(cè)umax平均速度流量化工原理133流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速管，校正系數(shù)C=0.981，故實(shí)際使用?？梢圆恍Ｕ?。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)流體的阻力小，適用于測(cè)量大直徑管路中的氣體流速或流量。缺點(diǎn)：不能直接測(cè)得平均流速或流量；讀數(shù)小，常需配微差壓差計(jì)；不適用于含顆粒的流體。安裝要求：必須保證測(cè)量點(diǎn)處于均勻流段，即

18、測(cè)量點(diǎn)上下游最好各有50 d 以上長(zhǎng)的直管距離；必須保證管口截面嚴(yán)格垂直于流動(dòng)方向；皮托管的直徑d0應(yīng)小于管徑d的五十分之一，即d0 d /50。化工原理134流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量二、孔板流量計(jì)流體通過(guò)孔板的流動(dòng)?；ぴ?35流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量流體流經(jīng)孔板時(shí)因流道縮小、動(dòng)能增加，且由于慣性作用從孔口流出后繼續(xù)收縮形成一最小截面(縮脈)22。該截面處流速最大因而靜壓相應(yīng)最低，在孔板前上游截面11與該截面之間列柏努利方程：化工原理136流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量即：縮脈截面2-2的準(zhǔn)確軸向位置以及截面積都難于確定，與u2、p2的對(duì)應(yīng)關(guān)系也就不確定。兼之實(shí)際流體通過(guò)孔板的阻力損失等尚未計(jì)及

19、的因素，一般工程上采用規(guī)定孔板兩側(cè)測(cè)壓口位置，用孔口流速u(mài)0代替u2并相應(yīng)乘上一個(gè)校正系數(shù)C的辦法： 化工原理137流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量對(duì)不可壓縮流體，利用連續(xù)性方程，則：若U形管指示液密度為0，則： C0稱(chēng)為孔板流量計(jì)的流量系數(shù)，且C0=F(Re,A0/A1,取壓方式）化工原理138流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量Red是管道中流體的雷諾數(shù)，即 ：優(yōu)點(diǎn)：容易制造；當(dāng)流量有較大變化時(shí)，為了調(diào)整測(cè)量條件，調(diào)換孔板也很方便。缺點(diǎn)：能量損失大；孔口邊緣易磨損和腐蝕，需定期校正。安裝：孔板流量計(jì)上游應(yīng)大于50d1的直管段，下游直管段應(yīng)大于10d1。化工原理139流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量三、文丘里流量計(jì)缺點(diǎn)

20、：加工比孔板復(fù)雜，因而造價(jià)高，且安裝時(shí)需占去一定 管長(zhǎng)位置。優(yōu)點(diǎn)：其永久損失小，故尤其適用于低壓氣體的輸送?；ぴ?40流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量當(dāng)流體流過(guò)某管件，在其前后有明顯的壓強(qiáng)變化，該管件稱(chēng)為節(jié)流元件。通過(guò)流體流經(jīng)節(jié)流元件的壓強(qiáng)變化來(lái)測(cè)量流量的流量計(jì)，都稱(chēng)為變壓頭流量計(jì)。其特點(diǎn)是橫截面、變壓頭?；ぴ?41流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量四、轉(zhuǎn)子流量計(jì)化工原理142流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量流體自下而上流過(guò)錐形管時(shí)，首先推動(dòng)轉(zhuǎn)子上浮，在轉(zhuǎn)子與錐形管壁之間形成流體的環(huán)隙通道。由于流道截面減小、流速增大，流體靜壓隨之降低并在轉(zhuǎn)子上下截面形成壓差(p1p2)而給轉(zhuǎn)子施加一個(gè)向上的推力使之上升。隨著轉(zhuǎn)子上升環(huán)隙截面積增大、流速下降因而施加給轉(zhuǎn)子的推力減小，當(dāng)轉(zhuǎn)子上升到某一位置z2時(shí)流體通過(guò)環(huán)隙的流速為u0，推力與轉(zhuǎn)子的重力相平衡而穩(wěn)定在此高度上，則： Af與Vf分別為轉(zhuǎn)子截面積(最大部份)和體積 化工原理143流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量通過(guò)柏努利方程將(p1p2)表達(dá)為： 表明流體在轉(zhuǎn)子上、下兩端面處產(chǎn)生壓差的原因一是流體在兩截面的位能差，二是動(dòng)能差。連續(xù)性方程，轉(zhuǎn)子上、下兩端面處流體的速度應(yīng)有如下關(guān)系：化工原理144流體流動(dòng)1-6 流量測(cè)量A1、A0分別為錐形管面積和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定高度z2處的環(huán)隙流通截面積，得 ：用轉(zhuǎn)子體積Vf代替式中的（Z2-Z1）Af，推得轉(zhuǎn)