第1章 流體流動(dòng)2-化工原理

§3流體動(dòng)力學(xué)本節(jié)思考題1.流體的體積流量、質(zhì)量流量、流速（平均流速）及質(zhì)量流速的定義及相互關(guān)系。2.什么是連續(xù)性方程式，說(shuō)明其物理意義及應(yīng)用。3.掌握理想流體和實(shí)際流體的柏努利方程式，說(shuō)明各項(xiàng)單位及物理意義。4.應(yīng)用柏努利方程式時(shí)，應(yīng)注意哪些問(wèn)題？如何選取基準(zhǔn)面和截面？5.應(yīng)用柏努利方程式可以解決哪些問(wèn)題？§3流體動(dòng)力學(xué)一、概述1.流量(1)體積流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體流過(guò)管路任一截面積的體積，以V表示，單位：m3/s或m3/h。(2)質(zhì)量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體流過(guò)管路任一截面積的質(zhì)量，以W表示，單位：kg/s或kg/h。體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系：W=Vρ

2.流速(2)質(zhì)量流速:單位時(shí)間內(nèi)流體流過(guò)管路單位截面積的質(zhì)量，以G表示，單位：kg/(m2·s)。(1)平均流速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上流過(guò)的距離，以u(píng)表示，單位：m/s。

工程上u=V/A3.管徑的估算:選定流速u(mài)計(jì)算d圓整（規(guī)格化，取標(biāo)準(zhǔn)管徑）

一般：液體：u=0.5～3m/s

氣體：u=10～30m/s計(jì)算實(shí)際流速u(mài)實(shí)確定管徑：4.穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)1）穩(wěn)定流動(dòng)：若與流動(dòng)有關(guān)的各參數(shù)只隨位置變化，不隨時(shí)間變化，為穩(wěn)定流動(dòng)，如圖（打開(kāi)進(jìn)水管1）所示。

2）不穩(wěn)定流動(dòng)：若與流動(dòng)有關(guān)的各參數(shù)不僅隨位置變化，而且隨時(shí)間變化，為不穩(wěn)定流動(dòng)，如圖（關(guān)閉進(jìn)水管1）所示。二、物料衡算——連續(xù)性方程1.穩(wěn)定流動(dòng)的物料平衡W1=W2

u1A1ρ1=u2A2ρ2

不可壓縮流體由于ρ為常數(shù)，則有u1A1=u2A2

對(duì)內(nèi)徑為d的圓形管路，存在連續(xù)性方程⒉不穩(wěn)定流動(dòng)的物料平衡：設(shè)瞬時(shí)進(jìn)入、輸出物料質(zhì)量流量分別為Wi、Wo，微分時(shí)間dτ內(nèi)積累的物料量為dm，則有：說(shuō)明：要注意可壓縮性流體及不可壓縮性流體的區(qū)別；無(wú)論可壓縮與否，均可采用可壓縮性流體的連續(xù)性方程，即原始方程：

W1=W2或：u1A1ρ1=u2A2ρ2

三、機(jī)械能衡算-柏努力方程式(1)位能：質(zhì)量為m的流體距基準(zhǔn)水平面高度為Z時(shí)的位能為mgZ。單位為J。(2)動(dòng)能：質(zhì)量為m，流速為u的流體所具有的動(dòng)能為單位為J。1.流動(dòng)的流體所具有的機(jī)械能比位能：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的流體距基準(zhǔn)水平面高度為Z時(shí)的位能，稱(chēng)為比位能。比位能大小為gZ。單位為J/kg。比動(dòng)能：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流速為u的流體所具有的動(dòng)能稱(chēng)為比動(dòng)能，比動(dòng)能大小為單位為J/kg。三、機(jī)械能衡算-柏努力方程式(3)壓力能(靜壓能)：靜壓能單位比靜壓能：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的流體所具有的靜壓能稱(chēng)為～比靜壓能大小為PV/m=P/ρ,單位為J/kg。質(zhì)量為m,體積為V,壓力為P的流體具有的靜壓能為:三、機(jī)械能衡算-柏努力方程式

(4)外功：由流體輸送設(shè)備(泵或壓縮機(jī)等)向流體作功,流體便獲得了相應(yīng)的機(jī)械能，稱(chēng)為外功或有效功。單位質(zhì)量(1kg)流體所獲得的外加機(jī)械能，以We表示，單位為J/kg。

(5)能量損失:由于流體具有粘性，在流動(dòng)時(shí)存在著內(nèi)摩擦力，便會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)阻力，因而為克服流動(dòng)阻力就必然會(huì)消耗一部分機(jī)械能。把克服流動(dòng)阻力而消耗的機(jī)械能稱(chēng)為能量損失。對(duì)單位質(zhì)量(1kg)流體在衡算范圍內(nèi)流動(dòng)時(shí)的能量損失稱(chēng)為比能損失，以hf表示，單位為J/kg。在截面1-1′和截面2-2′之間對(duì)單位質(zhì)量流體作機(jī)械能衡算為：三、機(jī)械能衡算-柏努力方程式輸入的機(jī)械能為：輸出的機(jī)械能為：2.機(jī)械能衡算-柏努力方程式輸入的機(jī)械能=輸出的機(jī)械能或?qū)Σ豢蓧嚎s的理想流體且無(wú)外功加入，上式變?yōu)椋骸嘏匠淌健嘏匠淌饺?、機(jī)械能衡算-柏努力方程式——柏努利方程式對(duì)不可壓縮的真實(shí)流體且有外功輸入，則3.柏努利方程式的分析與討論(1)柏努利方程式的幾種形式。其中3.柏努利方程式的分析與討論(2)對(duì)于無(wú)外功加入的實(shí)際流體的流動(dòng)管路，流體總是由總比能大的截面流向總比能小的截面。(3)流體的靜止?fàn)顟B(tài)是其流動(dòng)狀態(tài)的一種特殊形式。系統(tǒng)無(wú)外功加入，we=0,∑hf=0，則(4)單位時(shí)間內(nèi)輸送機(jī)械對(duì)流體所作的有效功稱(chēng)為有效功率，以Ne表示，即Ne=weW=weVρ(5)對(duì)于氣體，若兩截面(p1-p2)/p1≤20%時(shí)，柏努利方程式仍適用，只是將其中的密度用平均密度代替。3.柏努利方程式的分析與討論4.柏努利方程式的應(yīng)用(3)管路計(jì)算(1)總比能和流向判斷(2)計(jì)算流體輸送機(jī)械的功率注意事項(xiàng)1．畫(huà)出示意圖2．選取截面要進(jìn)行能量衡算3.選取基準(zhǔn)水平面4.單位必須統(tǒng)一

1.某廠準(zhǔn)備用離心泵將20℃的清水以40m3h-1的流量由敞口的儲(chǔ)水池送到某吸收塔的塔頂。已知塔內(nèi)的表壓強(qiáng)為1kgfcm-2，塔頂水入口距水池水面的垂直距離為6m，吸入管和排出管的壓頭損失分別為1m和3m，管路內(nèi)的動(dòng)壓頭忽略不計(jì)。當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簽?0.33m水柱，水的密度為1000kgm-3。現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)存有三臺(tái)離心泵，其型號(hào)和銘牌上標(biāo)有的性能參數(shù)如下，從中選一臺(tái)比較合適的以作上述送水之用。 型號(hào)流量（m3h-1）揚(yáng)程（m）

3B57A50383B3345323B193820

例題例題§4流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力本節(jié)思考題1.流體的流動(dòng)類(lèi)型有哪幾種？如何判斷？2.雷諾準(zhǔn)數(shù)（Re）的物理意義是什么？3.范寧公式(Fanning)。4.層流時(shí)摩擦系數(shù)計(jì)算式。5.掌握摩擦系數(shù)圖（λ-Re，ε/d）查取摩擦系數(shù)的方法？6.何謂當(dāng)量直徑？如何計(jì)算？7.直管阻力、局部阻力的計(jì)算？§4流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力一、流體流動(dòng)的型態(tài)二、邊界層概念三、流體流經(jīng)管路的阻力損失四、直管阻力損失五、局部阻力損失(a)層流(b)過(guò)渡流*(c)湍流兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：層流、湍流雷諾實(shí)驗(yàn)裝置雷諾實(shí)驗(yàn)裝置，可以驗(yàn)證雷諾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雷諾實(shí)驗(yàn)裝置另一種雷諾實(shí)驗(yàn)裝置，也可以驗(yàn)證雷諾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一、流體流動(dòng)的型態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)1.雷諾實(shí)驗(yàn)及流體流型流體的流型層流(滯流)過(guò)渡流(不穩(wěn)定流)湍流(紊流)影響因素：流速u(mài)、流體密度ρ、粘度μ、管徑d2.流型的判別依據(jù)——雷諾數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)：流型判別：Re≤2000層流區(qū)2000＜Re＜4000過(guò)渡區(qū)Re≥4000湍流區(qū)3.雷諾數(shù)Re的物理意義：

流體粘性力：使流體保持有序的層流流動(dòng)流體慣性力：使流體質(zhì)點(diǎn)作無(wú)序的自由運(yùn)動(dòng)u↓，μ↑→粘性力主導(dǎo)→層流u↑，μ↓→慣性力主導(dǎo)→湍流二、邊界層概念1.平壁邊界層的形成定義：通常把從流速為0的壁面處至流速等于主體流速u(mài)0的99%處之間的區(qū)域稱(chēng)為邊界層。邊界層界限u0yu0xu02.邊界層的發(fā)展：x較小→邊界層厚度δ較小→u較小→層流邊界層；x↑→δ↑→u↑→湍流↑→湍流邊界層；