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文檔簡介

注冊(cè)工程師考試復(fù)習(xí)

3流體流動(dòng)過程第3部分流體流動(dòng)3.1概述1連續(xù)性假定流體力學(xué):考察對(duì)象--無數(shù)質(zhì)點(diǎn),連續(xù)介質(zhì)例如點(diǎn)壓強(qiáng)的考察p(正壓力/面積)質(zhì)點(diǎn)---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)大于分子平均自由程連續(xù)性假定---流體是由無數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的,彼此間沒有間隙,完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)目的:用微積分軌線與流線的區(qū)別軌線是同一流體質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻所占空間位置的連線流線是同一瞬時(shí)不同流體質(zhì)點(diǎn)的速度方向連線定態(tài)與非定態(tài)流線與軌線在什么情況下重合2流體受力2.1體積力:重力,慣性力,離心力2.2表面力:分解成--垂直于作用面--壓力p平行于作用面--剪切力τ2.3流體粘性粘性的物理本質(zhì)---分子間引力和分子熱運(yùn)動(dòng)、碰撞牛頓粘性定律表明①流體受剪切力必運(yùn)動(dòng)②牛頓型流體與非牛頓型流體的區(qū)別μ=f(物性,溫度)t↑,μ氣↑,μ液↓理想流體:假定μ=02.4流體流動(dòng)的機(jī)械能

為單位質(zhì)量流體的動(dòng)能gz為單位質(zhì)量流體的位能為單位質(zhì)量流體的壓強(qiáng)能3流體靜力學(xué)3.1靜止流體的壓強(qiáng)分布3.1.1靜壓強(qiáng)的特性①靜止流體中任意界面上只受到大小相等方向相反的壓力②作用于任意點(diǎn)所有不同方位的靜壓強(qiáng)在數(shù)值上相等,壓強(qiáng)各向傳遞

③等高等壓3.1.2靜力學(xué)方程等高等壓靜力學(xué)方程應(yīng)用條件①同種流體且不可壓縮(氣體高差不大時(shí)仍可用)②靜止(或等速直線流動(dòng)的橫截面---均勻流)③重力場④單連通3.2流體的總勢(shì)能總勢(shì)能(壓強(qiáng)能與位能之和)虛擬壓強(qiáng)3.3壓強(qiáng)的表示方法3.3.1單位:N/m2=Pa106Pa=1MPa流體柱高度(p=ρgh)1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O1bar=105Pa1at=1kg(f)/cm2=9.81×104Pa2.3.2基準(zhǔn)表壓=絕對(duì)壓-大氣壓真空度=大氣壓-絕對(duì)壓3.4靜力學(xué)方程的工程應(yīng)用3.4.1測壓:已知:R=180mm,h=500mm求:pA=?(絕壓),(表壓)

解:pB=pa+ρ汞gR

pB=pA+ρ水gh

pA=pa+ρ汞gR-ρ水gh=1.013×105+13600×9.81×0.18-1000×9.81×0.5=1.204×105Pa(絕壓)pA=1.204×105-1.013×105=1.91×104Pa(表壓)3.4.2煙囪拔煙:

pA=p2+ρ冷ghpB=p2+ρ熱gh由于ρ冷>ρ熱,則pA>pB所以拔風(fēng)煙囪拔風(fēng)的必要條件是什么?3.4.3液封:設(shè)備中壓力要保持,液體要排出,須用液封3.4.4液封:設(shè)備中壓力要保持,液體要排出,須用液封3.4.5流向判別:接通后流向?流水的有無是靜力學(xué)問題流水的多少是動(dòng)力學(xué)問題判據(jù)是看z大小,還是p大小?同一水平高度比壓強(qiáng)p左=pA+ρgzA=PAp右=pB+ρgzB=PB練習(xí)①Δh1

Δh2

A.>;B.=;C.<①Δh1

Δh2

A.>;B.=;C.<p+ρgh1=pa+ρigΔh1p+ρgh2=pa+ρigΔh2②R=

mA.0;B.;C.③R

R’A.>;B.=;C.<U形管指示的是什么?PA-PB=pA-pBpC=pA+ρgRpC=pB+ρigRPA-PB=R(ρi-ρ)g指示的是虛擬壓差,只有等高時(shí)才是壓差④已知R1=R2,則p1

p2

A.>;B.=;C.<3流體流動(dòng)中的守恒原理3.1質(zhì)量守恒質(zhì)量流量qm=qVρ=ρuA

平均流速定態(tài),不可壓縮流體

u1A1=u2A2氣體密度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下:換算:質(zhì)量流速不隨溫度壓力變化3.2機(jī)械能守衡3.2.1柏努利方程,J/kg物理意義:三項(xiàng)機(jī)械能之和為常數(shù)或

,J/N=m

幾何意義:位頭、壓頭、速度頭總高為常數(shù)柏努利方程的應(yīng)用條件:1)重力場,定態(tài)流動(dòng),不可壓縮的理想流體沿軌線2)無外加機(jī)械能或機(jī)械能輸出3.2.2推廣到工程上可用形式:沿軌線--→沿流線定態(tài):流線與軌線重合u、p等參數(shù)與時(shí)間無關(guān)沿流線--→沿流管截面處均勻流(沒有加速度)截面處流速均勻分布理想流體→粘性損失引入hf關(guān)于加速度:點(diǎn)1有當(dāng)?shù)丶铀俣?、有遷移加速度點(diǎn)2只有當(dāng)?shù)丶铀俣赛c(diǎn)3有遷移加速度點(diǎn)4沒有加速度均勻流段均勻分布得機(jī)械能衡算式:3.2.3應(yīng)用時(shí)注意:u1A1=u2A2+u3A3應(yīng)用時(shí)注意:3.2.4工程應(yīng)用:(1)測風(fēng)量由1-1至2-2排方程壓差計(jì):可得:

(2)虹吸從1-1至2-2排方程(3)馬利奧特容器求水面在a-a面以上時(shí)的放水速度由a-a面至出口小孔截面2-2排方程這時(shí)的流動(dòng)條件是定態(tài)的實(shí)際:練習(xí)①u1

u2A.>;B.=;C.<

②ρ,ρi,D,d,qV均相等,則R

R’A.>;B.=;C.<

從1-1截面至2-2截面排柏努利方程R與水平放、斜放、垂直放都無關(guān)擬定態(tài)處理已知:D=1m,d=40mm,h=0.5m求:放完水所需時(shí)間τ

解:從1至2截面排柏努利方程任一瞬時(shí)∴對(duì)桶內(nèi)液體作質(zhì)量衡算輸入+生成=輸出+積累3.3動(dòng)量守恒牛頓第二定律可寫成:FΔt=Δ(mu)取單位時(shí)間計(jì):F=Δ(qmu)=Σ出qmu-Σ進(jìn)qmu單進(jìn)單出:ΣFX=qm(u2x-u1x)ΣFy=qm(u2y-u1y)ΣFz=qm(u2z-u1z)條件:定態(tài)流動(dòng),管截面上速度均勻分布工程應(yīng)用:(1)流量分配取一節(jié)作分析忽略壁面摩擦阻力,按x方向動(dòng)量守恒式因支管流水,,所以,3.3總能量衡算E入+Q+W=E出3流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.1流動(dòng)的型態(tài)對(duì)于水平直管人們發(fā)現(xiàn)兩種規(guī)律:雷諾實(shí)驗(yàn)表明存在兩種流動(dòng)類型判斷依據(jù):雷諾數(shù)

3.1.1層流和湍流的區(qū)別:層流湍流①②③無微團(tuán)作徑向運(yùn)動(dòng)有微團(tuán)作徑向運(yùn)動(dòng)④層流層從中心到管壁層流內(nèi)層附壁⑤

⑥hf與無關(guān)hf與有關(guān)⑦⑧傳熱、傳質(zhì)慢傳熱、傳質(zhì)快層流和湍流的本質(zhì)區(qū)別:是否存在速度、壓強(qiáng)的脈動(dòng)性3.1.2流型判據(jù)Re<2000層流2000<Re<4000或?yàn)閷恿?,或?yàn)橥牧鱎e>4000湍流

3.2圓管內(nèi)速度分布層流條件下:特征方程邊界條件r=R處u=0積分得由,得3.3邊界層及邊界層脫體3.3.1邊界層實(shí)際流體μ≠0,壁面無滑脫邊界層---流動(dòng)流體受固體壁面阻滯而造成速度梯度的區(qū)域入口段阻力大、傳熱、傳質(zhì)快入口段至

δ=r,匯合處流型決定管內(nèi)流型層流內(nèi)層、緩沖層、湍流區(qū)測量圓管內(nèi)的壓強(qiáng)、流速等參數(shù),應(yīng)將儀表安裝在入口段以后3.3.2邊界層脫體流體繞過圓柱的流動(dòng)邊界層脫體的后果:1.產(chǎn)生大量的旋渦,2.造成較大能量損失

4阻力損失4.1兩種阻力損失劃分:直管阻力損失(沿程阻力損失)局部阻力損失(管件、閥件的阻力損失)4.1.1直管阻力損失影響因素有三種:①物性因素ρ,μ②設(shè)備因素d,l,ε③操作因素u機(jī)械能衡算對(duì)于直管,u1=u2,4.1.2泊謖葉方程層流時(shí),已得應(yīng)用條件:①牛頓流體②層流狀態(tài)③圓直管速度分布穩(wěn)定段(非入口段)層流直管阻力也可寫成達(dá)西-威斯巴赫式4.2湍流直管阻力損失4.2.1摩擦系數(shù)(莫迪圖)層流時(shí),管內(nèi)全部為層流,λ與ε/d無關(guān)湍流時(shí),層流內(nèi)層厚度δ,δ>ε,水力光滑管,λ與Re有關(guān),與ε/d無關(guān)δ~ε,λ與Re、ε/d都有關(guān)δ<ε,完全湍流粗糙管,λ與Re無關(guān),與ε/d有關(guān)同一根管子,可以既是光滑管,又是粗糙管

查Re=2×104,ε/d=0.01時(shí)的λ=0.041查Re=104,ε/d=0.0001時(shí)的λ=0.03 范寧摩擦因數(shù)f=λ/44.2.2非圓形直管阻力損失用當(dāng)量直徑de這里de僅用于和速度u為實(shí)際平均速度,而4.3局部阻力損失管件閥件處流道變化大,多發(fā)生邊界層脫體,

產(chǎn)生大量旋渦,消耗了機(jī)械能4.3.1局部阻力計(jì)算式ζ---阻力系數(shù)le---當(dāng)量長度實(shí)測的ζ和le已成圖表,供設(shè)計(jì)使用注意:1.兩種方法并不一致,都有近似2.計(jì)算所取速度要看圖表規(guī)定阻力的單位有三種:①損失壓降Pa=N/m2②損失能量J/kg③損失壓頭J/N=m查截止閥全開,接管內(nèi)徑d=100mm時(shí)的當(dāng)量長度le查管道出口損失ζ值工程計(jì)算(一)水平管輸油

在250kPa的壓差下輸送ρ=800kg/m3,μ=0.1Pa·s的油品,管長l+le=10km,管內(nèi)徑d=300mm。求:流量為多少m3/s?解:畫簡圖,從1至2排機(jī)械能守恒式

因μ較大,可先設(shè)Re<2000,層流驗(yàn)原設(shè)成立,計(jì)算有效

工程計(jì)算(二)高位槽送液

由一高位槽向攪拌反應(yīng)器送料,料液性質(zhì)同20℃的水,流量1.3l/s,鍍鋅鐵管φ42×3mm,管長10m,90°彎頭4個(gè),閘閥(全開)1個(gè)。試求:Z應(yīng)為多少m。解:查90°彎頭ζ=0.75,閘閥全開ζ=0.17,出口ζ=1取ε=0.2mm,ε/d=0.0056,查λ=0.033由高位槽液面至反應(yīng)器液面作機(jī)械能衡算兩個(gè)工程計(jì)算的不同特點(diǎn):1.已知設(shè)備狀況,求生產(chǎn)能力(輸送能力)----操作型問題2.已知生產(chǎn)能力要求,求設(shè)備狀況----設(shè)計(jì)型問題5管路計(jì)算5.1變量分析5.1.1變量質(zhì)量守恒式機(jī)械能衡算式摩擦系數(shù)計(jì)算式

5.1.2阻力損失壓差—管路狀況—流量三者關(guān)系結(jié)論:①管路狀況一定,qV↑,hf↑②hf(ΔP)一定,ζ↑,qV↓③qV一定,ζ↑,hf↑圖中,ζ↑,則hfAB____,pA____,pB____,為什么若水流方向相反呢,ζ↑,則hfAB___,pA__,pB__結(jié)論:閥門關(guān)小,上游壓強(qiáng)上升,下游壓強(qiáng)下降,壓差增大閥門開大,上游壓強(qiáng)下降,下游壓強(qiáng)上升,壓差減小判斷1:ζB不變,ζA↑,h1__,h2__,(h1-h2)__;ζA不變,ζB↑,h1__,h2__,(h1-h2)___判斷2:閥關(guān)閉時(shí),壓強(qiáng)閥打開時(shí),壓強(qiáng),若水流方向相反呢,,判斷3:以下說法是否正確①閥門調(diào)節(jié)流量是由于改變了管道的截面;②任何管路,流量qV↑必有hf↑;③閥關(guān)小,中ζ↑,u↓,而hf的變化無法判斷。

判斷4:發(fā)生了什么問題?①如何判斷上游、下游?②如何判斷泄漏與阻塞?判斷5:橡皮水管出水時(shí),將管子出口捏扁,出水速度、流量如何變化?判斷6:

ζ1↑,qV__,qV1__,qV2__,qV3__問題:某塔底部接一Π形管,管長LAB=3m,LAC=4.5m(以上管長均包括局部阻力的當(dāng)量長度),管徑d=20mm,直管摩擦系數(shù)λ=0.02,Π形管出口與B點(diǎn)的高度差H=1.5m,塔內(nèi)壓強(qiáng)為大氣壓,塔上部流下的液體量qV=0.32L/s。試求:(1)當(dāng)連通管上的閥門開啟、流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí),塔底液面高度h為多少?(2)當(dāng)連通管上的閥門關(guān)閉、流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí),塔底液面高度h為多少?

答:1.閥開時(shí),由液面至B截面列方程2.閥關(guān)時(shí),由液面至C截面列方程h=-1.209m

5.2簡單管路計(jì)算5.2.1串聯(lián)管路計(jì)算方程特點(diǎn):hf總=hf1+hf2+hf3

qV=qV1=qV2=qV3注意各段阻力計(jì)算的u、l、d、λ的不同5.2.2并聯(lián)管路計(jì)算分流或合流時(shí),有能量的損失和交換,有時(shí)ζ<0對(duì)于長管,三通處的阻力相對(duì)很小可忽略方程特點(diǎn):

qV總=qV1+qV2注意hf不要重復(fù)計(jì)算工程計(jì)算(一)

原有一長輸油管路,直徑d1=1m,流量為qV1,現(xiàn)為了增加輸油量的50%,在原來的長管旁并接一根直徑為d2的長管。已知油在原管道中為層流。求:d2=?解:∵h(yuǎn)f1=hf2,∵qV2<qV1,則d2<d1,u2<u1,

∴Re2<Re1,小管中也為層流或得,工程計(jì)算(二)已知:泵提供給流體的能量he=150J/kg,lAB=20m,lBC=20m,lBD=30m(均已包括le),dAB=38mm,dBC=25mm,dBD=25mm,各管λ=0.025。求:qVC,qVD(m3/s)解:從B點(diǎn)至C點(diǎn),機(jī)械能衡算從B點(diǎn)至D點(diǎn),機(jī)械能衡算由于zC=zD,pC=pD=pa得由得uC=1.21uD

,∵dC=dD,∴qVC=1.21qVD

qV=qVC+qVD=2.21qVD從0點(diǎn)至D點(diǎn),機(jī)械能衡算和代回衡算式,得

150=6×9.81+(2.5+6.43)×107q2VD得qVD=1.01×10-3m3/s

qVC=1.21qVD=1.22×10-3m3/s練習(xí):①在直徑相同的圓管中,分別流著粘油和清水,若Re數(shù)相同,則:油速

水速;②流體流過串聯(lián)管路

dA>dB,則ReA

ReB;③在直徑相同的兩水平圓管內(nèi),分別流著常溫常壓下的空氣、水,流速相同,且均為湍流,則Re氣

Re水,單位管長,hf氣

hf水,

水①解:,,∵v油>v水,∴u油>u水②解:,d大,Re?、劢猓?,∵v空氣>v水,∴Re空氣<Re水,,∵λ空氣≥λ水,∴hf空氣≥hf水

④直管中hf∝,層流時(shí),a=

,b=

;充分湍流時(shí),a=

,b=

;光滑管,a=

,b=

.⑤圖示流程,各管d均相等,兩支管只考慮閥門阻力,已知ζ1=5,ζ2=25,現(xiàn)開大閥門2使得兩管流速u1=u2=2m/s。1.阻力損失(hfA0+hf0B)

,(↑,↓,不變)2.按g≈10m/s2估算ζ’2=

。④解:層流∝充分湍流∝光滑管∝∝⑤解:不變,ζ’2=15

⑥圖示并聯(lián)管路,已知d2=2d1,l2=2l1,兩管均為層流,則qV1=

qV2。⑦圓

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