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化工原理 PrinciplesofChemicalEngineering 第一章流体流动FluidFlow 内容提要 流体的基本概念静力学方程及其应用机械能衡算式及柏努利方程流体流动的现象流动阻力的计算 管路计算 第一章流体流动 学习要求 1 本章学习目的通过本章学习 重点掌握流体流动的基本原理 管内流动的规律 并运用这些原理和规律去分析和解决流体流动过程的有关问题 诸如 1 流体输送 流速的选择 管径的计算 流体输送机械选型 2 流动参数的测量 如压强 流速的测量等 3 建立最佳条件 选择适宜的流体流动参数 以建立传热 传质及化学反应的最佳条件 此外 非均相体系的分离 搅拌 或混合 都是流体力学原理的应用 2本章应掌握的内容 1 流体静力学基本方程式的应用 2 连续性方程 柏努利方程的物理意义 适用条件 解题要点 3 两种流型的比较和工程处理方法 4 流动阻力的计算 5 管路计算 3 本章学时安排授课14学时 习题课4学时 1 1概述 流体流动规律是本门课程的重要基础 主要原因有以下三个方面 1 流动阻力及流量计算 2 流动对传热 传质及化学反应的影响 3 流体的混合效果 化工生产中 经常应用流体流动的基本原理及其流动规律解决关问题 以图1 1为煤气洗涤装置为例来说明 流体动力学问题 流体 水和煤气 在泵 或鼓风机 流量计以及管道中流动等 流体静力学问题 压差计中流体 水封箱中的水 图1 1煤气洗涤装置 确定流体输送管路的直径 计算流动过程产生的阻力和输送流体所需的动力 根据阻力与流量等参数选择输送设备的类型和型号 以及测定流体的流量和压强等 流体流动将影响过程系统中的传热 传质过程等 是其他单元操作的主要基础 图1 1煤气洗涤装置 1 1概述 1 1 1流体的分类和特性 气体和流体统称流体 流体有多种分类方法 1 按状态分为气体 液体和超临界流体等 2 按可压缩性分为不可压流体和可压缩流体 3 按是否可忽略分子之间作用力分为理想流体与粘性流体 或实际流体 4 按流变特性可分为牛顿型和非牛倾型流体 流体区别于固体的主要特征是具有流动性 其形状随容器形状而变化 受外力作用时内部产生相对运动 流动时产生内摩擦从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一 1 1 2流体流动的考察方法 流体是由大量的彼此间有一定间隙的单个分子所组成 在物理化学 气体分子运动论 重要考察单个分子的微观运动 分子的运动是随机的 不规则的混乱运动 这种考察方法认为流体是不连续的介质 所需处理的运动是一种随机的运动 问题将非常复杂 1 1 2 1连续性假设 Continuumhypotheses 在化工原理中研究流体在静止和流动状态下的规律性时 常将流体视为由无数质点组成的连续介质 连续性假设 假定流体是有大量质点组成 彼此间没有间隙 完全充满所占空间连续介质 流体的物性及运动参数在空间作连续分布 从而可以使用连续函数的数学工具加以描述 1 1 2 2流体流动的考察方法 拉格朗日法选定一个流体质点 对其跟踪观察 描述其运动参数 位移 数度等 与时间的关系 可见 拉格朗日法描述的是同一质点在不同时刻的状态 欧拉法在固定的空间位置上观察流体质点的运动情况 直接描述各有关参数在空间各点的分布情况合随时间的变化 例如对速度u 可作如下描述 1 1 2流体流动的考察方法 任取一微元体积流体作为研究对象 进行受力分析 它受到的力有质量力 体积力 和表面力两类 1 质量力 体积力 与流体的质量成正比 质量力对于均质流体也称为体积力 如流体在重力场中所受到的重力和在离心力场所受到的离心力 都是质量力 2 表面力表面力与作用的表面积成正比 单位面积上的表面力称之为应力 垂直于表面的力p 称为压力 法向力 单位面积上所受的压力称为压强p 平行于表面的力F 称为剪力 切力 单位面积上所受的剪力称为应力 1 1 3流体流动中的作用力 1 2 流体静力学基本方程 Basicequationsoffluidstatics 本节主要内容流体的密度和压强的概念 单位及换算等 在重力场中的静止流体内部压强的变化规律及其工程应用 本节的重点重点掌握流体静力学基本方程式的适用条件及工程应用实例 本节的难点本节点无难点 1 2流体静力学基本方程 流体静力学主要研究流体流体静止时其内部压强变化的规律 用描述这一规律的数学表达式 称为流体静力学基本方程式 先介绍有关概念 1 2 1流体的密度 单位体积流体所具有的质量称为流体的密度 以 表示 单位为kg m3 1 1 式中 流体的密度 kg m3 m 流体的质量 kg V 流体的体积 m3 当 V 0时 m V的极限值称为流体内部的某点密度 1 2 1 1液体的密度 液体的密度几乎不随压强而变化 随温度略有改变 可视为不可压缩流体 纯液体的密度可由实验测定或用查找手册计算的方法获取 混合液体的密度 在忽略混合体积变化条件下 可用下式估算 以1kg混合液为基准 即 1 2 式中 i 液体混合物中各纯组分的密度 kg m3 i 液体混合物中各纯组分的质量分率 1 2 1流体的密度 1 2 1 2气体的密度气体是可压缩的流体 其密度随压强和温度而变化 气体的密度必须标明其状态 纯气体的密度一般可从手册中查取或计算得到 当压强不太高 温度不太低时 可按理想气体来换算 1 3 式中p 气体的绝对压强 Pa 或采用其它单位 M 气体的摩尔质量 kg kmol R 气体常数 其值为8 315 T 气体的绝对温度 K 1 2 1流体的密度 对于混合气体 可用平均摩尔质量Mm代替M 1 4 式中yi 各组分的摩尔分率 体积分率或压强分率 下标 0 表示标准状态 1 3a 1 2 1 2气体的密度 或 1 2 2流体的压强及其特性 垂直作用于单位面积上的表面力称为流体的静压强 简称压强 流体的压强具有点特性 工程上习惯上将压强称之为压力 在SI中 压强的单位是帕斯卡 以Pa表示 但习惯上还采用其它单位 它们之间的换算关系为 2 压强的基准压强有不同的计量基准 绝对压强 表压强 真空度 1 2 2 1流体的压强 1 定义和单位 1atm 1 033kgf cm2 760mmHg 10 33mH2O 1 0133bar 1 0133 105Pa 1 2 1 1流体的压强绝对压强以绝对零压作起点计算的压强 是流体的真实压强 表压强压强表上的读数 表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值 即 表压强 绝对压强 大气压强真空度真空表上的读数 表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值 即 真空度 大气压强 绝对压强绝对压强 表压强 真空度之间的关系见图1 2 图 压强的基准和量度 1 2 1 2流体压强的特性 流体压强具有以下两个重要特性 流体压力处处与它的作用面垂直 并且总是指向流体的作用面 流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关 熟悉压力的各种计量单位与基准及换算关系 对于以后的学习和实际工程计算是十分重要的 1 2 3流体静力学基本方程 Basicequationsoffluidstatics 推导过程使用条件物理意义工程应用1 2 3 1方程式推导图1 3所示的容器中盛有密度为 的均质 连续不可压缩静止液体 如流体所受的体积力仅为重力 并取z轴方向与重力方向相反 若以容器底为基准水平面 则液柱的上 下底面与基准水平面的垂直距离分别为Z1 Z2 现于液体内部任意划出一底面积为A的垂直液柱 图1 3流体静力学基本方程推导 1 向上作用于薄层下底的总压力 PA 2 向下作用于薄层上底的总压力 P dp A 3 向下作用的重力 由于流体处于静止 其垂直方向所受到的各力代数和应等于零 简化可得 1 2 3 1方程式推导 图1 3流体静力学基本方程推导 1 2 3 1流体静力学基本方程式推导 在图1 4中的两个垂直位置2和1之间对上式作定积分由于 和g是常数 故 1 5 1 5a 若将图1 4中的点1移至液面上 压强为p0 则式1 5a变为 上三式统称为流体静力学基本方程式 图1 4静止液体内压力的分布 1 5b Pa J kg 1 2 3 2流体静力学基本方程式讨论 1 适用条件重力场中静止的 连续的同一种不可压缩流体 或压力变化不大的可压缩流体 密度可近似地取其平均值 2 衡算基准衡算基准不同 方程形式不同 若将 1 5 式各项均除以密度 可得将式 1 5b 可改写为 压强或压强差的大小可用某种液体的液柱高度表示 但必须注明是何种液体 m m 1 5c 1 5d 1 2 3 2流体静力学基本方程式讨论 3 物理意义 i 总势能守恒重力场中在同一种静止流体中不同高度上的微元其静压能和位能各不相同 但其总势能保持不变 ii 等压面在静止的 连续的同一种液体内 处于同一水平面上各点的静压强相等 等压面 静压强仅与垂直高度有关 与水平位置无关 要正确确定等压面 静止液体内任意点处的压强与该点距液面的距离呈线性关系 也正比于液面上方的压强 iii 传递定律液面上方的压强大小相等地传遍整个液体 1 2 4静力学基本方程式的应用 流体静力学原理的应用很广泛 它是连通器和液柱压差计工作原理的基础 还用于容器内液柱的测量 液封装置 不互溶液体的重力分离 倾析器 等 解题的基本要领是正确确定等压面 本节介绍它在测量液体的压力和确定液封高度等方面的应用 1 2 3 1压力的测量测量压强的仪表很多 现仅介绍以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器 液柱压差计 液柱压差计可测量流体中某点的压力 亦可测量两点之间的压力差 常见的液柱压差计有以下几种 普通U型管压差计倒U型管压差计倾斜U型管压差计微差压差计 图1 常见液柱压差计 普通U型管压差计 p0 p0 0 p1 p2 R a b U型管内位于同一水平面上的a b两点在相连通的同一静止流体内 两点处静压强相等 式中 工作介质密度 0 指示剂密度 R U形压差计指示高度 m 侧端压差 Pa 若被测流体为气体 其密度较指示液密度小得多 上式可简化为 1 6 1 6a b 倒置U型管压差计 Up sidedownmanometer 用于测量液体的压差 指示剂密度 0小于被测液体密度 U型管内位于同一水平面上的a b两点在相连通的同一静止流体内 两点处静压强相等 由指示液高度差R计算压差若 0 1 7 1 7a c 微差压差计 在U形微差压计两侧臂的上端装有扩张室 其直径与U形管直径之比大于10 当测压管中两指示剂分配位置改变时 扩展容器内指示剂的可维持在同水平面压差计内装有密度分别为 01和 02的两种指示剂 上 有微压差 p存在时 尽管两扩大室液面高差很小以致可忽略不计 但U型管内却可得到一个较大的R读数 对一定的压差 p R值的大小与所用的指示剂密度有关 密度差越小 R值就越大 读数精度也越高 1 8 例2 1 如图所示密闭室内装有测定室内气压的U型压差计和监测水位高度的压强表 指示剂为水银的U型压差计读数R为40mm 压强表读数p为32 5kPa 试求 水位高度h 解 根据流体静力学基本原理 若室外大气压为pa 则室内气压po为 例2 1附图 1 2 3 2液封高度 液封在化工生产中被广泛应用 通过液封装置的液柱高度 控制器内压力不变或者防止气体泄漏 为了控制器内气体压力不超过给定的数值 常常使用安全液封装置 或称水封装置 如图1 6 其目的是确保设备的安全 若气体压力超过给定值 气体则从液封装置排出 图1 6安全液封 1 2 3 2液封高度 液封还可达到防止气体泄漏的目的 而且它的密封效果极佳 甚至比阀门还要严密 例如煤气柜通常用水来封住 以防止煤气泄漏 液封高度可根据静力学基本方程式进行计算 设器内压力为p 表压 水的密度为 则所需的液封高度h0应为为了保证安全 在实际安装时使管子插入液面下的深度应比计算值略小些 使超压力及时排放 对于后者应比计算值略大些 严格保证气体不泄漏 1 9 小结 密度具有点特性 液体的密度基本上不随压强而变化 随温度略有改变 气体的密度随温度和压强而变 混合液体和混合液体的密度可由公式估算 与位能基准一样 静压强也有基准 工程上常用绝对压强和表压两种基准 在计算中 应注意用统一的压强基准 压强具有点特性 流体静力学就是研究重力场中 静止流体内部静压强的分布规律 对流体元 或流体柱 运用受力平衡原理 可以得到流体静力学方程 流体静力学方程表明静止流体内部的压强分布规律或机械能守恒原理 U形测压管或U形压差计的依据是流体静力学原理 应用静力学的要点是正确选择等压面 1 3流体流动的基本方程 Basicequationsoffluidflow 本节内容提要主要是研究和学习流体流动的宏观规律及不同形式的能量的如何转化等问题 其中包括 1 质量守恒定律 连续性方程式 2 能量守恒守恒定律 柏努利方程式推导思路 适用条件 物理意义 工程应用 本节学习要求学会运用两个方程解决流体流动的有关计算问题 方程式子 牢记灵活应用高位槽安装高度 物理意义 明确解决问题输送设备的功率 适用条件 注意 1 3流体流动的基本方程 流体动力学 1 3流体流动的基本方程 Basicequationsoffluidflow 本节重点以连续方程及柏努利方程为重点 掌握这两个方程式推导思路 适用条件 用柏努利方程解题的要点及注意事项 通过实例加深对这两个方程式的理解 本节难点无难点 但在应用柏努利方程式计算流体流动问题时要特别注意流动的连续性 上 下游截面及基准水平面选取正确性 正确确定衡算范围 上 下游截面的选取 是解题的关键 本节主要是研究流体流动的宏观规律及不同形式的能量的如何转化等问题 先介绍有关概念 1 3 1流量与流速 1 3 1 1流量流量有两种计量方法 体积流量 质量流量体积流量 以Vs表示 单位为m3 s 质量流量 以Ws表示 单位为kg s 体积流量与质量流量的关系为 1 10 由于气体的体积与其状态有关 因此对气体的体积流量 须说明它的温度t和压强p 通常将其折算到273 15K 1 0133 105 a下的体积流量称之为 标准体积流量 Nm3 h 1 3流体流动的基本方程 Basicequationsoffluidflow 1 3 1 2流速a 平均流速 简称流速 u流体质点单位时间内在流动方向上所流过的距离 称为流速 以u表示 单位为m s 流体在管截面上的速度分布规律较为复杂 工程上为计算方便起见 流体的流速通常指整个管截面上的平均流速 其表达式为 u Vs A 1 11 式中 A 垂直于流动方向的管截面积 m2 故 1 12 1 3 1流量与流速 1 3 1 2流速 b 质量流速G单位截面积的管道流过的流体的质量流量 以G表示 其单位为kg m2 s 其表达式为 1 13 由于气体的体积随温度和压强而变化 在管截面积不变的情况下 气体的流速也要发生变化 采用质量流速为计算带来方便 1 3 2非稳态流动与稳态流动 非稳态流动 各截面上流体的有关参数 如流速 物性 压强 随位置和时间而变化 T f x y z t 如图1 7a所示流动系统 稳态流动 各截面上流动参数仅随空间位置的改变而变化 而不随时间变化 T f x y z 如图1 7b所示流动系统 化工生产中多属连续稳态过程 除开车和停车外 一般只在很短时间内为非稳态操作 多在稳态下操作 本章着重讨论稳态流动问题 图1 7流动系统示意图 1 3 3连续性方程 Equationofcontinuity 1 推导连续性方程是质量守恒定律的一种表现形式 本节通过物料衡算进行推导 在稳定连续流动系统中 对直径不同的管段作物料衡算 如图1 8所示 以管内壁 截面1 1 与2 2 为衡算范围 由于把流体视连续为介质 即流体充满管道 并连续不断地从截面1 1 流入 从截面2 2 流出 对于连续稳态的一维流动 如果没有流体的泄漏或补充 由物料衡算的基本关系 输入质量流量 输出质量流量 图1 8连续性方程的推导 若以 s为基准 则物料衡算式为 ws1 ws2因ws uA 故上式可写成 1 14 推广到管路上任何一个截面 即 1 14a 式 1 14 1 14a 都称为管内稳定流动的连续性方程式 它反映了在稳定流动系统中 流体流经各截面的质量流量不变时 管路各截面上流速的变化规律 此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件 阀门或输送设备等无关 1 3 3连续性方程 Equationofcontinuity 1 3 3连续性方程 Equationofcontinuity 2 讨论对于不可压缩的流体即 常数 可得到 1 15 1 15a 1 16 对于在圆管内作稳态流动的不可压缩流体 3 适用条件流体流动的连续性方程式仅适用于稳定流动时的连续性流体 1 3 4总能量衡算方程式和柏努利方程式 ConservationofmechanicalenergyandBernoulliequation 柏努利方程式是流体流动中机械能守恒和转化原理的体现 柏努利方程式的推导方法一般有两种 1 理论解析法比较严格 较繁琐 2 能量衡算法比较直观 较简单本节采用后者 推导思路 从解决流体输送问题的实际需要出发 采取逐渐简化的方法 即先进行流体系统的总能量衡算 包括热能和内能 流动系统的机械能衡算 消去热能和内能 不可压缩流体稳态流动的机械能衡算 柏努利方程式 1 3 4 1流动系统的总能量衡算 包括热能和内能 在图1 9所示的系统中 流体从截面1 1 流入 从截面2 2 流出 管路上装有对流体作功的泵及向流体输入或从流体取出热量的换热器 并假设 a 连续稳定流体 b 两截面间无旁路流体输入 输出 c 系统热损失QL 0 图1 9流动系统的总能量衡算 衡算范围 内壁面 1 1 与2 2 截面间 衡算基准 1kg流体 基准水平面 o o 平面 u1 u2 流体分别在截面1 1 与2 2 处的流速 m s p1 p2 流体分别在截面1 1 与2 2 处的压强 N m Z Z 截面1 1 与2 2 的中心至o o 的垂直距离 m A1 A2 截面1 1 与2 2 的面积 m2 v1 v2 流体分别在截面1 1 与2 2 处的比容 m3 kg 1 2 流体分别在截面1 1 与2 2 处的密度 kg m3 1 3 4 1流动系统的总能量衡算 包括热能和内能 表1 11kg流体进 出系统时输入和输出的能量 1 3 4 1流动系统的总能量衡算 包括热能和内能 根据能量守恒定律 连续稳定流动系统的能量衡算 可列出以 kg流体为基准的能量衡算式 即 1 17 此式中所包含的能量有两类 机械能 位能 动能 静压能 外功也可归为此类 此类能量可以相互转化 内能 U和热Qe 它们不属于机械能 不能直接转变为用于输送流体的机械能 为得到适用流体输送系统的机械能变化关系式 需将 U和Qe消去 1 3 4 1流动系统的总能量衡算 包括热能和内能 根据热力学第一定律 1 18 式中为1kg流体从截面1 1 流到截面2 2 体积膨胀功 J kg Qe 为1kg流体在截面1 1 与2 2 之间所获得的热 J kg 而Qe Qe hf其中Qe为1kg流体与环境 换热器 所交换的热 hf是1kg流体在截面1 1 与2 2 间流动时 因克服流动阻力而损失的部分机械能 常称为能量损失 其单位为J kg 有关问题后面再讲 1 3 4 2机械能衡算式 消去热能和内能 又因为 故式 1 17 可整理成 1 19 式 1 19 是表示1kg流体稳定流动时的机械能衡算式 对可压缩流体与不可压缩流体均可适用 式中一项对可压缩流体与不可压缩流体积分结果不同 下面重点讨论流体为不可压缩流体的情况 1 3 4 2机械能衡算式 消去热能和内能 1 不可压缩有粘性实际流体 有外功输入 稳态流动实际流体 粘性流体 流体流动时产生流动阻力 不可压缩流体的比容v或密度 为常数 故有该式是研究和解决不可压缩流体流动问题的最基本方程式 表明流动系统能量守恒 但机械能不守恒 1 3 4 3不可压缩流体稳态流动的机械能衡算 柏努利方程式 1 20 以单位质量1kg流体为衡算基准 式 1 19 可改写成 J kg 1 不可压缩有粘性实际流体 无外功输入 稳态流动 以单位重量1N流体为衡算基准 将式 1 20 各项除以g 则得 1 20a 式中为输送设备对流体1N所提供的有效压头 是输送机械重要的性能参数之一 为压头损失 Z u2 2g p g分别称为位压头 动压头 静压头 m 以单位体积1m3流体为衡算基准 将式 1 20 各项乘以流体密度 则 其中 为输送设备 风机 对流体1m3所提供的能量 全风压 是选择输送设备的 风机 重要的性能参数之一 1 21b 1 不可压缩有粘性实际流体 无外功输入 稳态流动 Pa 1 20 2 不可压缩有粘性实际流体 无外功输入 稳态流动对于不可压缩流体 具粘性的实际流体 因其在流经管路时产生磨擦阻力 为克服磨擦阻力 流体需要消耗能量 因此 两截面处单位质量流体所具有的总机械能之差值即为单位质量流体流经该截面间克服磨擦阻力所消耗的能量 1 3 4 3不可压缩流体稳态流动的机械能衡算 柏努利方程式 J kg 1 21 3 不可压缩不具有粘性的理想流体 或其摩擦损失小到可以忽略 无外功输入 稳态流动理想流体 不具有粘性 假想流体 hf 0 若又没有外功加入We 0时 式 1 21 便可简化为 表明流动系统理想流体总机械能E 位能 动能 静压能之和 相等 且可相互转换 1 22 1 3 4 3不可压缩流体稳态流动的机械能衡算 柏努利方程式 J kg 当流体静止时 u 0 hf 0 也无需外功加入 即We 0 故可见 流体的静止状态只不过是流动状态的一种特殊形式 3 不可压缩流体 静止流体 静力学基本方程式 J kg 1 3 4 3不可压缩流体稳态流动的机械能衡算 柏努利方程式 用简单的实验进一步说明 当关闭阀时 所有测压内液柱高度是该测量点的压力头 它们均相等 且与1 1截面处于同一高度 当流体流动时 若 hf 0 流动阻力忽略不计 不同位置的液面高度有所降低 下降的高度是动压头的体现 如图1 10中2 2平面所示 1 3 4 4柏努利方程式实验演示 图1 10理想流体的能量分布 当有流体流动阻力时流动过程中总压头逐渐下降 如图1 11所示 结论 不论是理想流体还是实际流体 静止时 它们的总压头是完全相同 流动时 实际流体各点的液柱高度都比理想流体对应点的低 其差额就是由于阻力而导致的压头损失 实际流体流动系统机械能不守恒 但能量守恒 图1 11实际流体的能量分布 1 3 4 4柏努利方程式实验演示 1 适用条件在衡算范围内是不可压缩 连续稳态流体 同时要注意是实际流体还是理想流体 有无外功加入的情况又不同 2 衡算基准 1 3 4 5柏努利方程的讨论及应用注意事项 J kg Pa m 1kg1N1m3 表1 1柏努利方程的常用形式及其适用条件 1 3 4 5柏努利方程的讨论及应用注意事项 3 式中各项能量所表示的意义上式中gZ u2 2 p 是指在某截面上流体本身所具有的能量 hf是指流体在两截面之间所消耗的能量 We是输送设备对单位质量流体所作的有效功 由We可计算有效功率Ne J s或W 即 1 23 ws为流体的质量流量 1 3 4 5柏努利方程的讨论及应用注意事项 若已知输送机械的效率 则可计算轴功率 即 1 24 4 各物理量取值及采用单位制方程中的压强p 速度u是指整个截面的平均值 对大截面 各物理量必须采用一致的单位制 尤其两截面的压强不仅要求单位一致 还要求表示方法一致 即均用绝压 均用表压表或真空度 1 3 4 5柏努利方程的讨论及应用注意事项 5 截面的选择截面的正确选择对于顺利进行计算至关重要 选取截面应使 a 两截面间流体必须连续 b 两截面与流动方向相垂直 平行流处 不要选取阀门 弯头等部位 c 所求的未知量应在截面上或在两截面之间出现 d 截面上已知量较多 除所求取的未知量外 都应是已知的或能计算出来 且两截面上的u p Z与两截面间的 hf都应相互对应一致 1 3 4 5柏努利方程的讨论及应用注意事项 6 选取基准水平面原则上基准水平面可以任意选取 但为了计算方便 常取确定系统的两个截面中的一个作为基准水平面 如衡算系统为水平管道 则基准水平面通过管道的中心线若所选计算截面平行于基准面 以两面间的垂直距离为位头Z值 若所选计算截面不平行于基准面 则以截面中心位置到基准面的距离为Z值 Z1 Z2可正可负 但要注意正负 1 3 4 5柏努利方程的讨论及应用注意事项 7 柏努利方程式的推广 i 可压缩流体的流动 若所取系统两截面间的绝对压强变化小于原来绝对压强的20 即 p1 p2 p1 20 时 但此时方程中的流体密度 应近似地以两截面处流体密度的平均值 m来代替 ii 非稳态流体 非稳态流动系统的任一瞬间 柏努利方程式仍成立 1 3 4 5柏努利方程的讨论及应用注意事项 1 2 5柏努利方程式的应用 1 2 5 1应用柏努利方程式解题要点 作图与确定衡算范围根据题意画出流动系统的示意图 并指明流体的流动方向 定出上 下游截面 以明确流动系统的衡算范围 正确选取截面 选取基准水平面 计算截面上的各能量 求解 1 确定容器的相对位置2 确定流体流量由柏努利方程求流速u u2或u1 流量3 确定输送设备的有效功率由柏努利方程求外加功 e 有效功率Ne We ws4 确定流体在某截面处的压强由柏努利方程求p p1或p2 1 2 5柏努利方程式的应用 如图所示 用泵将水从贮槽送至敞口高位槽 两槽液面均恒定不变 输送管路尺寸为 83 3 5mm 泵的进出口管道上分别安装有真空表和压力表 压力表安装位置离贮槽的水面高度H2为5m 当输水量为36m3 h时 进水管道全部阻力损失为1 96J kg 出水管道全部阻力损失为4 9J kg 压力表读数为2 452 105Pa 泵的效率为70 水的密度 为1000kg m3 试求 1 两槽液面的高度差H为多少 2 泵所需的实际功率为多少kW 例2 2 解 1 两槽液面的高度差H在压力表所在截面2 2 与高位槽液面3 3 间列柏努利方程 以贮槽液面为基准水平面0 0 得 其中 H2 5m u2 Vs A 2 205m s p2 2 452 105Pa u3 0 p3 0 代入上式得 例2 2 例2 2附图 2 泵所需的实际功率在贮槽液面0 0 与高位槽液面3 3 间列柏努利方程 以贮槽液面为基准水平面 有 其中H0 0 H 29 74m u2 u3 0 p2 p3 0 代入方程求得 We 298 64J kg 故 又 70 例2 2 小结 1 推导柏努利方程式所采用的方法是能量守恒法 流体系统的总能量衡算流动系统的机械能衡算不可压缩流体稳态流动的机械能衡算 柏努利方程式 2 牢记柏努利基本方程式 它是能量守恒原理和转化的体现不可压缩流体流动最基本方程式 表明流动系统能量守恒 但机械能不守恒 3 明确柏努利方程各项的物理意义 4 注意柏努利方程的适用条件及应用注意事项 物的粘度选用适当的经验公式进行估算 如对于常压气体混合物的粘度 可采用下式计算 即 1 26 式中 m 常压下混合气体的粘度 y 气体混合物中组分的摩尔分率 与气体混合物同温下组分的粘度 气体混合物中组分的分子量 下标i表示组分的序号 相同的水平管内流动时 因 We 0 Z 0 第一章流体流动FluidFlow 内容提要 流体的基本概念静力学方程及其应用机械能衡算式及柏努利方程流体流动的现象流动阻力的计算 管路计算 本节内容提要简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构 为流动阻力的计算奠定理论基础 以滞流和湍流两种基本流型的本质区别为主线展开讨论 本节重点 1 牛顿粘性定律的表达式 适用条件 粘度的物理意义及不同单位之间的换算 2 两种流型的判据及本质区别 Re的意义及特点 3 流动边界层概念 1 4流体流动现象 1 4 1 1流体的粘性和内摩擦力流体的粘性流体在运动的状态下 有一种抗拒内在的向前运动的特性 粘性是流动性的反面 流体的内摩擦力运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力 是流体粘性的表现 又称为粘滞力或粘性摩擦力 由于粘性存在 流体在管内流动时 管内任一截面上各点的速度并不相同 如图1 12所示 1 4流体流动现象 1 4 1流体的粘性与牛顿粘性定律 本节的目的是了解流体流动的内部结构 以便为阻力损失计算打下基础 各层速度不同 速度快的流体层对与之相邻的速度较慢的流体层发生了一个推动其向运动方向前进的力 而同时速度慢的流体层对速度快的流体层也作用着一个大小相等 方向相反的力 即流体的内摩力 流体在流动时的内摩擦 是流动阻力产生的依据 流体动时必须克服内摩擦力而作功 从而将流体的一部分机械能转变为热而损失掉 图1 12流体在圆管内分层流动示意图 1 4 1 1流体的粘性和内摩擦力 1 4 1 2牛顿粘性定律 流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关 图 3平板间液体速度分布图 1 表达式实验证明 对于一定的液体 内摩擦力F与两流体层的速度差 u成正比 与两层之间的垂直距离 y成反比 与两层间的接触面积S F与S平行 成正比 即 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力 以 表示 于是上式可写成 当流体在管内流动时 径向速度的变化并不是直线关系 而是的曲线关系 则式 1 24 应改写成 1 24a 式中 速度梯度 即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率 1 4 1 2牛顿粘性定律 1 24 式 1 24 只适用于u与y成直线关系的场合 比例系数 其值随流体的不同而异 流体的粘性愈大 其值愈大 所以称为粘滞系数或动力粘度 简称为粘度 式 1 24 或 1 24a 所显示的关系 称为牛顿粘性定律 2 物理意义牛顿粘性定律说明流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与法向速度梯度成正比 与压力无关 流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同 1 4 1 2牛顿粘性定律 3 剪应力与动量传递 实际上反映了动量传递 注意 理想流体不存在内摩擦力 0 0 0 引进理想流体的概念 对解决工程实际问题具有重要意义 1 4 1 2牛顿粘性定律 1 4 1 2流体的粘度 1 动力粘度 简称粘度 a 定义式粘度的物理意义是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力 粘度总是与速度梯相联系 只有在运动时才显现出来 b 单位在SI中 粘度的为单位 在物理单位制中 粘度的单位为 不同单位之间的换算关系为 1Pa s 100P 1000cP 当流体的粘度较小时 单位常用cP 厘泊 表示 b 单位 c 影响因素液体 f t 与压强p无关 温度t 水 20 1 005cP 油的粘度可达几十 到几百Cp 气体 压强变化时 液体的粘度基本不变 气体的粘度随压强增加而增加得很少 在一般工程计算中可予以忽略 只有在极高或极低的压强下 才需考虑压强对气体粘度的影响 p 40atm时 f t 与p无关 温度t 理想流体 实际不存在 流体无粘性 0 d 数据获取粘度是流体物理性质之一 其值由实验测定 某些常用流体的粘度 可以从本教材附录或有关手册中查得 对混合物的粘度 如缺乏实验数据时 可选用适当的经验公式进行估算 对分子不缔合的液体混合物的粘度 m 可采用下式进行计算 即 1 25 式中x 液体混合物中组分i的摩尔分率 与液体混合物同温下组分i的粘度 对于常压气体混合物的粘度 m 可采用下式即 1 26 式中y 气体混合物中组分i的摩尔分率 与气体混合物同温下组分i的粘度 气体混合物中组分的分子量 1 4 1 2流体的粘度 2 运动粘度 a 定义运动粘度 为粘度 与密度 的比值 1 27 b 单位SI中的运动粘度单位为m s 在物理制中的单位为cm2 s 称为斯托克斯 简称为沲 以St表示 1St 100cSt 厘沲 10m2 s 4 2牛顿型流体与非牛顿型流体 根据流变特性 流体分为牛顿型与非牛顿型两类 1 牛顿型流体服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体 其流变方程式为 1 24b 牛顿型流体的关系曲线为通过原点的直线 实验表明 对气体及大多数低摩尔质量液体 属于牛顿型流体 2 非牛顿型流体凡不遵循牛顿粘性定律的流体 称为非牛顿型流体 如血液 牙膏 4 2牛顿型流体与非牛顿型流体 图 5流体的流变图 图 4非牛顿型流体分类图 2 非牛顿型流体 有相当多流体不遵循这一规律 称为非牛顿型流体 用表观粘度描述 在牛顿型流体中加入少量 ppm级 高分子物质 流体就可能成为粘弹性流体 使流动的阻力大幅度降低 产生所谓地减阻现象 如在水中加入减阻剂可降低消防水龙带中的流体流动阻力 从而增加喷水距离 石油工业中用长距离管道输送油品 若添加适当的减阻剂 则可减少输送费用 本书只研究牛顿型流体 流体流动形态有两种截然不同的类型 一种是滞流 或层流 另一种为湍流 或紊流 两种流型在内部质点的运动方式 流动速度分布规律和流动阻力产生的原因都有所不同 但其根本的区别还在于质点运动方式的不同 滞流 流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流动 不产生流体质点的宏观混合 湍流 流体在管内作湍流流动时 其质点作不规则的杂乱运动 并相互碰撞 产生大大小小的旋涡 1 4 3流动类型与雷诺准数 1 4 3 1流体流动类型 层流与湍流 LaminarandTurbulentFlow 湍流的特点 构成质点在主运动之外还有附加的脉动 质点的脉动是湍流运动的最基本特点 图1 16所示的为截面上某一点i的流体质点的速度脉动曲线 同样 点i的流体质点的压强也是脉动的 可见湍流实际上是一种不稳定的流动 1 4 3 1流体流动类型 层流与湍流 LaminarandTurbulentFlow 图 6流体质点的速度脉动曲线示意图 1 雷诺实验为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响 可安排如图1 17所示的实验 这个实验称为雷诺实验 1 4 3 2雷诺实验和雷诺准数 Reynoldsnumber 图1 17雷诺实验 1 雷诺实验 实验结果 流体在管内的流动分滞流 湍流两种类型流体在管内的流动类型 由流体的临界速度u决定 临界速度的大小受管径d 流体的粘度 和密度 的影响 a b 图1 18两种类型 雷诺准数的定义 2 流型判别的依据 雷诺准数 Reynoldsnumber 流体的流动状况是由多方面因素决定的流速u能引起流动状况改变 而且管径d 流体的粘度 和密度 也 通过进一步的分析研究 可以把这些影响因素组合成为 雷诺准数的因次 Re准数是一个无因次数群 组成此数群的各物理量 必须用一致的单位表示 因此 无论采用何种单位制 只要数群中各物理量的单位一致 所算出的Re值必相等 在生产操作条件下 常将Re 3000的情况按湍流考虑 Re的大小不仅是作为层流与湍流的判据 而且在很多地方都要用到它 不过使用时要注意单位统一 另外 还要注意d 有时是直径 有时是别的特征长度 流型的判别 根据Re雷诺准数数值来分析判断流型 对直管内的流动而言 Re 2000稳定的滞流区2000 Re 4000过渡区Re 4000湍流区 2 流型判别的依据 雷诺准数 Reynoldsnumber 注意事项 流体在管道截面上的速度分布规律因流型而异 1 滞流时的速度分布理论分析和实验都已证明 滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布 如图1 19 a 所示 截面上各点速度的平均值等于管中心处最大速度umax的0 5倍 1 4 4流体在圆管内的速度分布 图 9 2 湍流时的速度分布湍流时流体质点的运动情况比较复杂 目前还不能完全采用理论方法得出湍流时的速度分布规律 经实验测定 湍流时圆管内的速度分布曲线如图1 19 b 所示 速度分布比较均匀 速度分布曲线不再是严格的抛物线 1 4 4流体在圆管内的速度分布 图 9b 1 4 5流体在直管内的流动阻力 流体在直管内流动时 由于流型不同 则流动阻力所遵循的规律亦不相同 滞流时 对牛顿型流体 内摩擦应力的大小服从牛顿粘性定律 湍流时 流动阻力除来自于流体的粘性而引起的内摩擦外 还由于流体质点的不规则迁移 脉动和碰撞 附加阻力 湍流切应力 简称为湍流应力 湍流总的摩擦应力不服从牛顿粘性定律 但可以仿照牛顿粘性定律写出类似的形式 即 式中的e称为涡流粘度 其单位与粘度 的单位一致 涡流粘度不是流体的物理性质 而是与流体流动状况有关的系数 1 28 表2两种流型的比较 1 平板上的流动边界层发展 1 4 6流动边界层 BoundaryLayer 及其发展 注意 层流边界层和层流内层的区别 图 9b 层流边界层 湍流边界层 层流内层 边界层界限 u0 u0 u0 x y 层流边界层 边界层内的流动类型为层流湍流边界层 边界层内的流动类型为湍流层流内层 边界层内近壁面处一薄层 无论边界层内的流型为层流或湍流 其流动类型均为层流 图 20 内摩擦 一流体层由于粘性的作用使与其相邻的流体层减速边界层 受内摩擦影响而产生速度梯度的区域 u 0 99u0边界层发展 边界层厚度 随流动距离增加而增加流动充分发展 边界层不再改变 管内流动状态也维持不变充分发展的管内流型属层流还是湍流取决于汇合点处边界层内的流动属层流还是湍流 2 圆管入口处的流动边界层发展 图 21 1 4 6流动边界层 BoundaryLayer 及其发展 3 边界层分离现象 AB 流道缩小 顺压强梯度 加速减压BC 流道增加 逆压强梯度 减速增压CC 以上 分离的边界层CC 以下 在逆压强梯度的推动下形成倒流 产生大量旋涡 图 22 流体流动现象小结 牛顿粘性定律是牛顿流体在作层流流动时的过程特征方程 它虽然是一个简单的实验定律 但在流体流动尤其是层流解析中具有重要作用 流体按其流动状态有层流与湍流两种流型 这是有本质区别的流动现象 在流体流动 传热及传质过程等工程计算中 往往必须先确定之 流型判断依据是Re的数值 层流速度分布的描述采用一般物理定律十过程特征定则的方法 得到完全解析的结果 湍流时 由于过程特征规律不确定 涡流粘度e为流动状态的函数 难以关联 而使问题无法解析 只有采用实验测定的方法 流动边界层尤其是湍流边界层中的层流底层 是分析流体流动 传热及传质现象的重要概念 应对边界层的形成 发展及分离现象有较清楚的了解 1 5流体管内的流动阻力 本节内容提要解决流体在管截面上的速度分布及柏努利方程式中流动阻力 hf的计算问题 本节重点 1 流体在管路中的流动阻力的计算问题 管路阻力又包括包括直管阻力hf和局部阻力hf 2 流体在直管中的流动阻力因流型不同而采用不同的工程处理方法 对于层流 通过过程本征方程 牛顿粘性定律 可用解析方法求解管截面上的速度分布及流动阻力 而对于湍流 需借助因次分析方法来规划试验 采用实验研究方法 3 建立 当量 的概念 包括当量直径和当量长度 当量 要具有和原物量在某方面的等效性 并依赖于经验 1 5 1引言 1 流动阻力分类流体在管路中流动的总阻力由直管阻力hf与局部阻力hf 两部分构成 即 1 29 J kg 2 阻力的表现形式 压强降用 pf流动阻力消耗了机械能 表现为静压能的降低 称为压强降 用 pf表示 即 pf hf 是指单位体积流体流动时损失的机械能 值得强调指出的是 pf它是一个符号 并不代表增量 通常 pf与 p在数值上并不相等 只有当流体在一段无外功的水平等径管内流动时 两者在数值上才相等 1 5 2流体在直管中的流动阻力 1 5 2 1计算圆形直管阻力的通式 不可压缩流体 以速度u在一段一段直径为d 长度为l的水平直管内作稳定流动 如图1 23所示 1 5 2 1计算圆形直管阻力的通式 对流体进行受力平衡分析 根据牛顿第二运动定律 作用在流体柱上的推动力应与阻力处于平衡的条件下 流动速度才能维持不变 即达到稳定流动 再结合在截面1 1 与2 2 间的柏努利方程式 可得流体在圆形直管内流动时能量损失hf与摩擦应力 关系式计算 1 30 因为内摩擦应力 所遵循的规律因流体流动类型而异 直接用 计算hf有困难 故式 1 40 直接应用于管路的计算是很不方便的 下面将式 1 30 作进一步的变换 以消去式中的内摩擦应力 将能量损失hf表示为动能的若干倍数的关系 于是可将式 1 30 改写成 令 则 1 31 或 1 31a 1 5 2 1计算圆形直管阻力的通式 式 1 41 与 1 41a 是计算圆形直管阻力所引起能量损失的通式 称为范宁 Fanning 公式 此式对于滞流与湍流均适用 是无因次的系数 它是雷诺数的函数或者是雷诺数与相对管壁粗糙度的函数是指绝对粗糙度与管道直径的比值 即 d 绝对粗糙度是指壁面凸出部分的平均高度 以 表示 应用上两式计算hf时 关键是要找出 值 所遵循的规律因流型而异 因此 值也随流型而变 所以 对滞流和湍流的摩擦系数 要分别讨论 相对粗糙度 摩擦系数 1 5 2 1计算圆形直管阻力的通式 1 5 2 2滞流时的摩擦系数 理论解析 影响滞流摩擦系数 的因素只是雷诺准数Re 而与管壁的粗糙度无关 与Re的关系式可用理论分析方法进行推导 滞流时内摩擦应力服从牛顿粘性定律 推导设流体在半径为R的水平直管段内作滞流流动 于管轴心处取一半径为r 长度为l的流体柱作为分析的对象 如图1 25所示 作用于流体柱两端面的压强分别为p1和p2 则作用在流体柱上的推动力为 p1 p2 r2 pf r2 设距管中心r处的流体速度为ur r dr 处的相邻流体层的速度为 ur dur 则流体速度沿半径方向的变化率 即速度梯度 为 两相邻流体层所产生的内摩擦应力为 r 滞流时内摩擦应力服从牛顿粘性定律 即 式中的负号是表示流速ur沿半径r增加的方向而减小 1 5 2 2滞流时的摩擦系数 理论解析 作用在流体柱上的阻力为 流体作等速运动时 推动力与阻力大小必相等 方向必相反 故或 积分上式的边界条件 当r r时 ur ur 当r R 在管壁处 时 ur 0 1 5 2 2滞流时的摩擦系数 理论解析 积分并整理得 式 1 32 是流体在圆管内作滞流流动时的速度分布表达式 它表示在某一压强降 pf之下 ur与r的关系 为抛物线方程 工程中常以管截面的平均流速来计算流动阻力所引起的压强降 故须把式 1 32 变换成 pf与平均速度u的关系才便于应用 1 32 式 1 33 为流体在圆管内作滞流流动时的直管阻力计算式 称为哈根 泊谡叶 Hagon poiseuille 公式 1 33 1 5 2 2滞流时的摩擦系数 理论解析 由此可以看出 滞流时 pf与u的一次方成正比 将式 1 33 与 1 31a 相比较 便知 1 34 式 1 34 为流体在圆管内作滞流流动时 与Re的关系式 若将此式在对数坐标上进行标绘 可得一直线 在湍流情况下 所产生的内摩擦内摩擦应力的大小不能用牛顿粘性定律来表示 由于湍流时流体质点运动情况复杂 目前还不能完全依靠理论导出一个表示e的关系式 因此也就不能象滞流那样 完全用理论分析法建立求算湍流时摩擦系数 的公式 必须首先应用化学工程学科的研究方法论 因次分析 确定一具体的函数形式 关联给定函数形式系数 而获得计算摩擦系数的经验公式 而后采用实验研究 便可得到具体的函数式 1 5 2 3湍流时的摩擦系数 因次分析 因次分析法 a 因次分析法的理论基础 定理白金汉 Buckingham 提出的 定理指出 任何因次一致的物理方程式都可以表示成为由若干个无因次数群构成的函数 若