05-06学时化工原理.ppt

1、1,第一章 流体流动,1.3 流体流动概述 1.3.1 流动体系的分类,2,一、定态与非定态流动,流体流速或其它物理量仅随位置变化而不随时间变化，即,流体流速或其它物理量不仅随位置变化而且随时间变化，即,定态流动,非定态流动,3,若物理量只依赖于一个曲线坐标，则称此流动为一维流动；依赖于两个曲线坐标称为二维流动；依赖于三个曲线坐标则称为三维流动。 应予指出,过程工业中的流体输送因多在封闭管道内进行，故其流动以一维居多。,二、一维与多维流动,4,三、绕流与封闭管道内的流动,流体流动问题,流体的绕流流动 在封闭管道内的流动,5,绕流流动,流体绕过一个浸没的物体流过，故也称为外部流动。例如细颗粒物在

2、大量流体中的沉降、填充床内的流动等。,封闭管道内的流动,被输送的流体在管路中的流动。,研究流体在管路中的流动规律是本章的重要内容。,三、绕流与封闭管道内的流动,6,第一章 流体流动,1.3 流体流动概述 1.3.1 流动体系的分类,1.3.2 流率与平均流速,7,一、流量,单位时间内流过任一流通截面的流体体积称为体积流率(volume flow rate)，习惯上亦称之为体积流量。,8,一、流量,流量的表示方法： 体积流量，以qv,s表示，单位为m3/s。 质量流量，以qv,s 表示，单位为kg/s。 体积流量与质量流量的关系为,9,二、平均流速,流速是空间位置的函数，我们称之为流体的点速度。

3、例如当流体流经一段管路时，由于流体存在黏性，使得管截面上各点的速度不同。从而由壁面至管中心建立起一个速度分布。在工程计算时，通常采用平均速度来代替这一速度分布。,10,平均速度,平均速度(bulk velocity)系指体积流量与流通截面积之比，以u 表示，其单位为m/s。,二、平均流速,11,二、平均流速,由于气体的体积流率随温度和压力变化，故采用质量平均流速更为方便，通常称之为质量通量(mass flux)，以G表示，单位为kg/m2.s 。,质量通量,12,二、平均流速,管径、体积流量和之间关系,管路直径,以d表示内径，则有,管内流速,（1-24）,（1-25）,13,二、平均流速,选择

4、平均流速： 流速选择过高，管径虽可以减小，但流体流经管道的阻力增大，动力消耗大，操作费用随之增加； 流速选择过低，操作费用减小，但管径增大，管路的投资费用随之增加。 适宜的流速需根据经济权衡决定。表1-1列出了一些流体在管道中流动时流速的常用范围。,14,例1-7 提示 管径的选择 管子规格,壁厚,外径,附录十七 附录十八,二、平均流速,15,第一章 流体流动,1.3 流体流动概述 1.3.1 流动体系的分类 1.3.2 流率与平均流速,1.3.3 流动型态与雷诺数,16,一、雷诺实验,图1-9雷诺实验,17,图1-10 两种流动型态,层流（laminar flow）或滞流（viscous f

5、low） 湍流或紊流(turbulent flow),一、雷诺实验,动画01,18,反映流体流动状态的量纲为一数群。,二、雷诺数（Reynolds number）,雷诺数（Reynolds number）,黏度,流速,密度,直径,19,对于流体在直管内的流动： 当Re2000时属于层流； 当Re4000时属湍流； 当Re=20004000之间时，属不稳定的过渡流。 工程上Re3000时按照湍流处理,二、雷诺数（Reynolds number）,20,（1-26）,式中 Lp流道的润湿周边长度，m； A流道的截面积，m2。,三、当量直径的概念,当量直径,水力半径,21,第一章 流体流动,1.4

6、流体流动的基本方程,22,流体动力学主要研究流体流动过程中流速、压力等物理量的变化规律，研究所采用的基本方法是通过守恒原理（包括质量守恒、能量守恒及动量守恒）进行质量、能量及动量衡算，获得物理量之间的内在联系和变化规律。 作衡算时，需要预先指定衡算的空间范围，称之为控制体，而包围此控制体的封闭边界称为控制面。,一、概述,流体动力学,23,第一章 流体流动,1.4 流体流动的基本方程 1.4.1 总质量衡算-连续性方程,24,二、总质量衡算-连续性方程的推导,图1-11 管路系统的总质量衡算,25,如图1-11所示，选择一段管路或容器作为所研究的控制体，该控制体的控制面为管或容器的内壁面、截面1

7、-1与2-2组成的封闭表面。 根据质量守恒原理可得,（1-28）,二、总质量衡算-连续性方程的推导,26,对于定态流动，,则,或,(1-29),二、总质量衡算-连续性方程的推导,27,对于不可压缩流体，,对于圆形管道,(1-30),(1-31),(1-31a),推广到管路上任意截面,二、总质量衡算-连续性方程的推导,28,不可压缩流体,圆形管道,二、总质量衡算-连续性方程的推导,管内定态流动的连续性方程,注意：以上各式的适用条件,29,第一章 流体流动,1.4 流体流动的基本方程 1.4.1 总质量衡算-连续性方程,1.4.2 总能量衡算方程,30,一、流动系统的总能量衡算方程,选取如图1-1

8、2所示的定态流动系统作为衡算的控制体，控制体内装有对流体作功的机械（泵或风机）以及用于与外界交换热量的装置。流体由截面1-1流入，经粗细不同的管道，由截面2-2流出,31,图1-12 流动系统的总能量衡算 1-换热器; 2-流体输送机械,32,推导思路：,总能量衡算,机械能衡算,不可压缩流体机械能衡算,一、流动系统的总能量衡算方程,33,流出能量速率流入能量速率= 从外界的吸热速率+作功机械对流体作功速率,一、流动系统的总能量衡算方程,则热力学第一定律可表述为,34,一、流动系统的总能量衡算方程,流体由1-1截面流入与由22截面流出控制体的能量速率包括：,内能：,由截面1-1进入,由截面2-2

9、流出,位能：,由截面1-1进入,由截面2-2流出,(J/s),(J/s),(J/s),(J/s),35,动能：,由截面1-1进入,由截面2-2流出,压力能：,由截面1-1进入,由截面2-2流出,(J/s),(J/s),(J/s),(J/s),一、流动系统的总能量衡算方程,36,换热器向控制体内流体所加入的热量速率为,输送机械向控制体内流体所加入的外功速率为,(J/s),(J/s),一、流动系统的总能量衡算方程,37,根据能量守恒定律，可得,上式经整理，可得,一、流动系统的总能量衡算方程,38,（1-33）,式1-33即为,一、流动系统的总能量衡算方程,定态流动过程的总能量衡算方程,39,动能校

10、正系数,式1-33中的动能项为单位质量流体的平均动能，以单位质量流体由截面11进入控制体为例，应该按照下式计算,一、流动系统的总能量衡算方程,40,则上式变换为,令动能校正系数 ：,一、流动系统的总能量衡算方程,41,因此，总能量衡算方程式可写成,(1-33a),值与管内的速度分布形状有关。 对于管内层流， =2（详见本章1.6节）； 管内湍流时，值随Re变化，但接近于1。 下面的讨论均令 =1。,一、流动系统的总能量衡算方程,42,二、流动系统的机械能衡算方程,1.机械能的转换与损失,式1-33中所包括的能量,机械能,动能 位能 压力能（流动功） 外功,内能和热,43,流体输送过程中各种机械能相互转换。 由于流体的黏性作用，流体输送过程中还消耗部分机械能，将其转化为流体的内能。,以流体在水平管道内的流动来说明。,二、流动系统的机械能衡算方程,44,二、流动系统的机械能衡算方程,假设流动为稳态过程，由热力学第一定律可知,1kg流体在截面1-1与2-2之间所获得的总热量,因此,(1-35),克服流动阻力而消耗的机械能,45,将式1-35代入式1-33，可得,(1-36),二、流动系统的机械能衡算方程,定态流动过程的 机械能衡算方程,46,对于不可压缩流体，为常数,(1-37),(1-37a),或,二、流动系统的机械能衡算