化工原理流動流體

1、化工原理課件流動流體第1頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二流量與流速 1、流量 單位時間內(nèi)流過管道任一截面的流體量。qv；單位：m3/s。qm；單位：kg/s。對可壓縮的流體，qvf（P，T）。 2、流速 單位時間內(nèi)在流動方向上流過的距離，流速u，單位：m/s流體質(zhì)點在同一截面上各點速度不等。管壁處為零，中心最大。流量體積流量質(zhì)量流量（1）點流速第2頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二（2）體積流速（3）質(zhì)量流速平均流速按流量相等原則：因為qvf(T,P), 故體積流量隨壓力和溫度發(fā)生變化,故對氣體通常采用質(zhì)量流速 。流量與流速的關(guān)系為： 單位時間流過

2、單位面積的質(zhì)量流量G。單位kg/(m2.s)。第3頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二 對于圓形管道，管道直徑的計算式生產(chǎn)實際中，管道直徑應(yīng)如何確定？重點在于流速的選擇，應(yīng)使設(shè)備費操作費最小894mm管道直徑的表示：外徑管壁厚費用u設(shè)備費總費用操作費u最佳第4頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二液體種類及狀況 常用流速范圍 / m/s水及低粘度液體 1.53自來水（3105Pa） 11.5水 高粘度液體 低壓氣體 815壓力較高的氣體 1525飽和水蒸氣（0.8Mpa） 4060飽和水蒸氣（0.3Mpa） 2040過熱水蒸氣 3050 某些流體在管道中常

3、用的流速范圍密度小，流速取大；易沉淀，流速不宜取大；粘度小，流速取大；大流量，長距離，得考慮年操作費年折舊費為最小第5頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二qv由生產(chǎn)任務(wù)指定，關(guān)鍵在于流速的選擇：u，d，操作費，設(shè)備費u，d，操作費，設(shè)備費適宜的流速按總費用最低的原則選取，但經(jīng)濟衡算非常復(fù)雜，故常通過經(jīng)驗值選擇。見表1-1管徑計算步驟：1.據(jù)經(jīng)驗值選擇一適宜的流速u；2.計算管內(nèi)徑d；3.圓整，按照管子規(guī)格選用具體的管路。管子規(guī)格表示方法為圓管外徑壁厚。 4.核算流速 是否在經(jīng)驗范圍內(nèi)第6頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二管路計算示例例:以7m3/h的流

4、量輸送自來水，試選擇合適的管路。解：1.據(jù)經(jīng)驗值，選擇流速u=1.2m/s2.計算管內(nèi)徑d3.查附錄 (熱軋無縫鋼管)，選擇管子規(guī)格為575mm的管路。4.核算流速： ub=qv/A=4qv/(d2)=47/(36000.0472)=1.12 m/s流速在11.5m/s范圍內(nèi)，故管路選擇合適。第7頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二連續(xù)性方程在穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，對直徑不同的管段做物料衡算衡算范圍：截面1-1與截面2-2間衡算基準：單位時間 流體流動三大守恒定律：動量守恒能量守恒 連續(xù)性方程質(zhì)量守恒柏努利方程第8頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二如果把這一

5、關(guān)系推廣到管路系統(tǒng)的任一截面，有： 若流體為不可壓縮流體 一維穩(wěn)定流動的不可壓縮流體的連續(xù)性方程 物料衡算：輸入量輸出量累積量而對連續(xù)穩(wěn)定操作：累積量0，故第9頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二對于圓形管道，表明：qv一定, 流速與管徑的平方成反比。思考： 如果管道有分支，則穩(wěn)定流動時的連續(xù)性方程又如何？第10頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二 解： 管1的內(nèi)徑為123b3a 附圖13則水在管1中的流速為管2的內(nèi)徑為由連續(xù)性方程，則水在管2中的流速為管3a及3b的內(nèi)徑為又水在分支管路3a、3b中的流量相等，則有即水在管3a和3b中的流速為例13如附圖

6、所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和兩段573.5mm的分支管3a及3b連接而成。若水以9103m3/s的體積流量流動，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。第11頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二流體無粘性,在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動。質(zhì)量流量qm，管截面積A。取一微管段dx，質(zhì)量dm。作用此微管段的力沿X方向有： 能量衡算方程式(2).作用于重心的重力在X方向分力為：gsindm； dm=Adx， gsindm=gAsindx 而sindxdz gsindm=gAsindx= =gAdz柏努利方程式的推導(dǎo)理想流體 推導(dǎo)(1).作用于兩端的總

7、壓力：pA， (p+dp)A；第12頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二x方向合力：pA(p+dp)AgAdzAdpgAdz 流進微管段流速u，流出流速（udu），因此動量的變化速率為 ：ma=m(du/dt)=GduAudu根據(jù)動量原理，作用于微管段流體上的力的合力等于液體的動量變化的速率AuduAdpgAdz化簡得對不可壓縮流體，為常數(shù)，對上式積分得 上式稱為理想液體單位質(zhì)量柏努利方程式。 J/Kg第13頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二同理，對上式變形為：m這稱為單位重量的理想流體的柏努利方程式還可以進一步變形：pa這稱為單位體積的理想的柏努利方

8、程式第14頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二思考： 如果管道有分支，則穩(wěn)定流動時的理想流體的柏努利方程式又如何？單位質(zhì)量的柏努利方程式:Et1=Et2+Et3 是否成立?如不成立,正確的應(yīng)該如何?第15頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二2.實際流體穩(wěn)態(tài)流動的機械能衡算 柏努利方程式J/kg因?qū)嶋H流體具有粘性，在流動過程中必消耗一定的能量。根據(jù)能量守恒原則，這些消耗的機械能轉(zhuǎn)變成熱能，此熱能不能用于流體輸送，只能使流體的溫度略微升高。從流體輸送角度來看，這些能量是“損失”掉了，稱為能量損失。（1）.以單位質(zhì)量1kg流體為衡算基準,對實際流體：粘度不為0

9、，修正為：第16頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二（2）.以單位重量1N流體為衡算基準。將上式各項除以g,則得:外加壓頭靜壓頭動壓頭位頭壓頭損失m適用條件：不可壓縮、連續(xù)、均質(zhì)流體、等溫流動第17頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二Pa（3）.以單位體積1m3流體為衡算基準。將上式各項乘以流體密度,則：其中， 為輸送設(shè)備（風(fēng)機）對流體1m3所提供的能量（全風(fēng)壓），是選擇輸送設(shè)備的（風(fēng)機）重要的性能參數(shù)之一。第18頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二3、柏努利方程式的討論1）適用條件：不可壓縮、連續(xù)、均質(zhì)流體、等溫流動2）柏努利方程式

10、表明：理想流體做穩(wěn)定流動，沒有外功加入時，任意截面上單位質(zhì)量流體的總機械為一常數(shù)。3）對于實際流體，在管路內(nèi)流動時，應(yīng)滿足： 上游截面處的總機械能大于下游截面處的總機械能。 第19頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二4）流體流動過程中所獲得或消耗的能量 We和hf： We：輸送設(shè)備對單位質(zhì)量流體所做的有效功， Ne：單位時間輸送設(shè)備對流體所做的有效功，即功率5）當體系無外功，且處于靜止狀態(tài)時 流體的靜力平衡是流體流動狀態(tài)的一個特例6）柏努利方程的幾何意義：流體在管道流動時的壓力變化規(guī)律第20頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二第21頁，共57頁，2022

11、年，5月20日，0點48分，星期二 用簡單的實驗進一步說明 。 當關(guān)閉閥時，所有測壓內(nèi)液柱高度是該測量點的壓力頭，它們均相等，且與1-1截面處于同一高度。當流體流動時，若hf=0（流動阻力忽略不計），不同位置的液面高度有所降低，下降的高度是動壓頭的體現(xiàn)。 如圖1-10中2-2平面所示。柏努利方程式實驗演示圖1-10 理想流體的能量分布第22頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二 當有流體流動阻力時流動過程中總壓頭逐漸下降，如圖1-11所示。 結(jié)論： 不論是理想流體還是實際流體，靜止時，它們的總壓頭是完全相同。 流動時，實際流體各點的液柱高度都比理想流體對應(yīng)點的低，其差額就是由

12、于阻力而導(dǎo)致的壓頭損失。 實際流體流動系統(tǒng)機械能不守恒，但能量守恒。圖1-11實際流體的能量分布1.2.4.3 柏努利方程式實驗演示第23頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二7）柏努利方程的不同形式 a) 以單位重量的流體為衡算基準m 位壓頭，動壓頭，靜壓頭、 壓頭損失 He：輸送設(shè)備對流體所提供的有效壓頭 第24頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二b) 若以單位體積流體為衡算基準靜壓強P可以用絕對壓強值代入，也可以用表壓強值代入 pa8）對于可壓縮流體的流動，當所取系統(tǒng)兩截面之間的絕對壓強變化小于原來壓強的20%，仍可使用柏努利方程。式中流體密度應(yīng)以兩

13、截面之間流體的平均密度m代替 。第25頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二柏努利方程式的應(yīng)用 1、應(yīng)用柏努利方程的注意事項 1）作圖并確定衡算范圍 根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，并指明流體的流動方向，定出上下截面，以明確流動系統(tǒng)的衡標范圍。2）截面的截取 兩截面都應(yīng)與流動方向垂直，并且兩截面的流體必須是連續(xù)的，所求得未知量應(yīng)在兩截面或兩截面之間，截面的有關(guān)物理量Z、u、p等除了所求的物理量之外 ，都必須是已知的或者可以通過其它關(guān)系式計算出來。第26頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二3）基準水平面的選取 所以基準水平面的位置可以任意選取，但必須與地面平行

14、，為了計算方便，通常取基準水平面通過衡算范圍的兩個截面中的任意一個截面。如衡算范圍為水平管道，則基準水平面通過管道中心線，Z=0。4）單位必須一致 在應(yīng)用柏努利方程之前，應(yīng)把有關(guān)的物理量換算成一致的單位，然后進行計算。兩截面的壓強除要求單位一致外，還要求表示方法一致。第27頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二2、柏努利方程的應(yīng)用1）確定流體的流量 例：20的空氣在直徑為800mm的水平管流過，現(xiàn)于管路中接一文丘里管，如本題附圖所示，文丘里管的上游接一水銀U管壓差計，在直徑為20mm的喉徑處接一細管，其下部插入水槽中?？諝饬魅胛那鹄锕艿哪芰繐p失可忽略不計，當U管壓差計讀數(shù)R=

15、25mm，h=0.5m時，試求此時空氣的流量為多少m3/h? 當?shù)卮髿鈮簭姙?01.23103Pa。第28頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二分析：求流量qv已知d求u直管任取一截面柏努利方程氣體判斷能否應(yīng)用？第29頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二解：取測壓處及喉頸分別為截面1-1和截面2-2 截面1-1處壓強 ： 截面2-2處壓強為 ：流經(jīng)截面1-1與2-2的壓強變化為： 第30頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二 在截面1-1和2-2之間列柏努利方程式。以管道中心線作基準水平面。 由于兩截面無外功加入，We=0。 能量損失可忽

16、略不計hf=0。 柏努利方程式可寫為： 式中： Z1=Z2=0 P1=3335Pa（表壓） ，P2= - 4905Pa（表壓 ） 第31頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二化簡得： 由連續(xù)性方程有： 第32頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二聯(lián)立(a)、(b)兩式第33頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二 2）確定容器間的相對位置 例：如本題附圖所示，密度為850kg/m3的料液從高位槽送入塔中，高位槽中的液面維持恒定，塔內(nèi)表壓強為9.81103Pa，進料量為5m3/h，連接管直徑為382.5mm，料液在連接管內(nèi)流動時的能量損失為30

17、J/kg(不包括出口的能量損失)，試求高位槽內(nèi)液面應(yīng)為比塔內(nèi)的進料口高出多少？第34頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二分析： 解： 取高位槽液面為截面1-1，連接管出口內(nèi)側(cè)為截面2-2,并以截面2-2的中心線為基準水平面，在兩截面間列柏努利方程式：高位槽、管道出口兩截面u、p已知求Z柏努利方程第35頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二式中： Z2=0 ；Z1=? P1=0(表壓) ； P2=9.81103Pa(表壓）由連續(xù)性方程 A1A2, We=0 ，u1P3P4 ，而P4P5P6，這是由于流體在管內(nèi)流動時，位能和靜壓能相互轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 第51頁，共

18、57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二5）流向的判斷 在453mm的管路上裝一文丘里管，文丘里管上游接一壓強表，其讀數(shù)為137.5kPa，管內(nèi)水的流速u1=1.2m/s，文丘里管的喉徑為10mm，文丘里管喉部一內(nèi)徑為15mm的玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池內(nèi)水面到管中心線的垂直距離為3m，若將水視為理想流體，試判斷池中水能否被吸入管中？若能吸入，再求每小時吸入的水量為多少m3/h？第52頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二分析：判斷流向比較總勢能求P？柏努利方程 解：在管路上選1-1和2-2截面，并取3-3截面為基準水平面設(shè)支管中水為靜止狀態(tài)。在1-1截面和2-2截面間列柏努利方程： 第53頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二式中： 第54頁，共57頁，2022年，5月20日，0點48分，星期二2-2截面的總勢能為 3-3截面的總勢能為 3-3截面的總勢能大于2-2截面的總勢能，水能被吸入管路中。 求每小時從池中吸入的水量 求管中流速u柏努利