化工原理第三节动力学

1、化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 研究流体在什么条件下流动。研究流体在什么条件下流动。 理论应用理论应用:确定流量确定流量,输送设备的有效功率输送设备的有效功率,相对位置相对位置, 管路中的压强。管路中的压强。 流动过程中流体物理量（流动过程中流体物理量（u、P或或E）的变化规律。）的变化规律。任务任务:连续性方程连续性方程:质量衡算质量衡算柏努利方程柏努利方程:能量衡算能量衡算1.3 流体动力学流体动力学化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 （1） 体积流量体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 VSm3/s或或m3/h （

2、2） 质量流量质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。单位时间内流经管道任意截面的流体质量。 WSkg/s或或kg/h。 ssVm 二者关系：二者关系：1、流量、流量一、流量与流速一、流量与流速包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 32、流速、流速（2 2） 质量流速质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。（1 1）流速）流速 （平均流速）（平均流速） 单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。 AVuskg/（m2

3、s）uAVAmGss流量与流速的关系流量与流速的关系： GAuAVmssm/s包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3常用流体适宜流速范围：常用流体适宜流速范围： 水及一般液体水及一般液体 13 m/s粘度较大的液体粘度较大的液体 0.51 m/s低压气体低压气体 815 m/s压力较高的气体压力较高的气体 1525 m/s 内径为内径为 27mm 的自来水管，其设计输水能力为的自来水管，其设计输水能力为 0.3m3/h3m3/h300m3/h30m3/h化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3uVds4对于圆形管

4、道：对于圆形管道：流量流量VSVS一般由生产任务决定。一般由生产任务决定。流速选择：流速选择：3 3、管径的估算、管径的估算 uuu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费 d 设备费用设备费用 流动阻力流动阻力 动力消耗动力消耗 操作费操作费均衡均衡考虑考虑包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 y v x v=0内部存在内摩擦力或粘滞力dydvx -牛顿粘性定律单位面积上的内摩擦力，2mN速度梯度动力粘度简称粘度二、粘性二、粘性牛顿粘性定律牛顿粘性定律运 动 着 的运 动 着 的流 体 内 部流 体

5、内 部相 邻 两 流相 邻 两 流体 层 间 的体 层 间 的作 用 力作 用 力 流 体 阻流 体 阻力 产 生 的力 产 生 的依据依据()化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3流体的粘度流体的粘度 物理意义：衡量流体粘性大小的一个物理量物理意义：衡量流体粘性大小的一个物理量促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系，粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来只有在运动时才显现出来 物理本质物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。分子间的引力和分子的运动与碰撞。n0，流体无粘性，流体无粘性理想流体理想流体: 不可压缩

6、的无粘性流体不可压缩的无粘性流体化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 粘度的单位粘度的单位 /du dymsmmN)/(/22.mSNSPa. P（泊）（泊）或或 cP（厘泊）（厘泊）换算关系换算关系:1100010Pa scPP 2()dyn S cm化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3属物性之一，属物性之一， 获取方法获取方法由实验测定、由实验测定、查有关手册或资料、查有关手册或资料、用经验公式计算。用经验公式计算。 运动粘度运动粘度m2/s牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体；粘性定律的流体；非牛顿型流体：不

7、符合牛顿粘性定律的流体。非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。 流体类型流体类型cm2/s斯斯化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3三、流体定常流动过程的物料衡算三、流体定常流动过程的物料衡算连续性方程连续性方程 对于定态流动系统，在管对于定态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况路中流体没有增加和漏失的情况下：下： 222111AuAu推广至任意截面推广至任意截面 ?uAAuAuWs22211111 2 221 SSWW 化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3常数uAAuAuVs2211不可压缩性流体，不可压缩性流体，.Const圆形管道圆形管道 ：2121221ddAAu

8、u 即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比管内径的平方成反比 。上式均为连续性方程上式均为连续性方程化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3四、定态流动系统的能量守恒四、定态流动系统的能量守恒柏努利方程柏努利方程 1 1、理想流体定常流动时的机械能衡算、理想流体定常流动时的机械能衡算p2,u2,2p1,u1,1221100z2z1（1 1）流体流动具有的机械能形式）流体流动具有的机械能形式化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3衡算范围：衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成截面以及管内壁所围成 的空间的空间衡算基准：衡算基

9、准：1kg流体流体基准面：基准面：0-0水平面水平面a 位能：位能： 流体受重力作用在不同高度所具有的能量流体受重力作用在不同高度所具有的能量。质量为质量为m流体的位能流体的位能 )(JmgZ单位质量流体的位能单位质量流体的位能 )/(kgJgZ化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 流体以一定的流速流动而具有的能量。流体以一定的流速流动而具有的能量。 b 动能动能：质量为质量为m，流速为，流速为u的流体所具有的动能的流体所具有的动能 )(212Jmu单位质量流体所具有的动能单位质量流体所具有的动能 )/(212kgJuc 压强能（流动功）压强能（流动功） 通过某截面的流体具有的用于通过

10、某截面的流体具有的用于克服压力功的能量克服压力功的能量化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3静压能静压能= = pVAVpAFl1kg1kg的流体所具有的静压能为的流体所具有的静压能为 pmpV(J/kg)lAV化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3理想流体流动时：理想流体流动时： 2222121122pugzpugz 0的流体的流体动能动能J/kg位能位能J/kg静压能静压能J/kg（2）理想流体的机械能衡算）理想流体的机械能衡算理想流体的柏努利方程式理想流体的柏努利方程式1121121vpugz1kg流体带入流体带入1-1截面的机械能总和为截面的机械能总和为2222221vpu

11、gz 1kg流体带入流体带入2-2截面的机械能总和为截面的机械能总和为p2,u2,2p1,u1,122110z2z1化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3流体入流体入流体出流体出z1z21122221122121 222fupupgzWgzh实际流体流动时：实际流体流动时：w-机械能衡算方程（柏努利方程）机械能衡算方程（柏努利方程）有效功有效功J/kg摩擦损失摩擦损失J/kg永远为正永远为正2 2、实际流体定常流动时的机械能衡算、实际流体定常流动时的机械能衡算外功外功(有效功有效功)：1kg流体从流体输送机械所获得的能量为流体从流体输送机械所获得的能量为We (J/kg)。摩擦损失：摩擦

12、损失：设设1kg流体损失的能量为流体损失的能量为Wf（J/kg）实际流体：按机械能守恒，实际流体：按机械能守恒，有：有：机械能的输入机械能的输入=机械能的输出机械能的输出+机械能损失机械能损失化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3任意两截面间的机械能衡算式任意两截面间的机械能衡算式为为均为扩展了的柏努利方程均为扩展了的柏努利方程J/kgfeWpugzWpugz222212112121b b 以单位重量流体为基准以单位重量流体为基准 fehgpugzHgpugz222212112121mNJa a 以单位质量流体为基准以单位质量流体为基准 c 以单位体积流体为基准以单位体积流体为基准 fe

13、hpugzWpugz222212112121PamJ3化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 33. 3. 柏努利方程的讨论柏努利方程的讨论 （1 1）若流体处于静止，）若流体处于静止，u=0u=0，WWf f=0=0，W We e=0=0，则柏，则柏努利方程变为努利方程变为 说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律示流体静止状态的规律 。2211pgzpgz（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即总压头为常数，即.212Constpuzg.212Constgpugz化

14、工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 We、Wf 在两截面间单位质量流体获得在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。或消耗的能量。（3）zg、 、 某某截面上单位质量流体所截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能具有的位能、动能和静压能 ；p221u有效功率有效功率 ：eseWmN 轴功率轴功率 ：eNN 化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3（4）柏努利方程式柏努利方程式适用于不可压缩性流体。适用于不可压缩性流体。 对于可压缩性流体，当对于可压缩性流体，当 时，仍可时，仍可用该方程计算，但式中的密度用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均应以两截面的平均密度密度m代替。代替

15、。%20121 ppp化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 34柏努利方程的应用柏努利方程的应用 管内流体的流量；管内流体的流量； 输送设备的功率；输送设备的功率； 管路中流体的压力；管路中流体的压力； 容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3b.两截面间流体连续，封闭（除进、出口处除外）两截面间流体连续，封闭（除进、出口处除外）注意注意:（1） 运用柏努利方程解题步骤运用柏努利方程解题步骤: 作图作图:根据题意画出流动系统示根据题意画出流动系统示意图，标明流动方向确定衡

16、算范围意图，标明流动方向确定衡算范围 选择流体进、出系统的截面选择流体进、出系统的截面a.截面须与流体流动方向垂直截面须与流体流动方向垂直c.所求未知量应在截面上或在两截面之间所求未知量应在截面上或在两截面之间,且截面上的且截面上的P,u,Z等有关物理量等有关物理量,除所求取的未知量外除所求取的未知量外,都应该是已知或可通都应该是已知或可通过其他关系计算出过其他关系计算出.d.两截面上两截面上P,u,Z的与两截面间的的与两截面间的hf都应相互对应一致都应相互对应一致化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 选取基准水平面。选取基准水平面。注意注意:1.水平面与地面平行水平面与地面平行2.尽

17、可能选已使问题简化尽可能选已使问题简化的水平面为计算基准的水平面为计算基准水平管水平管:选管中心线选管中心线地面地面容器液面容器液面 计量单位要求一致。推荐采用计量单位要求一致。推荐采用SI制，使结果简化。制，使结果简化。关于阻力讨论的问题关于阻力讨论的问题, ,后面详述后面详述化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3在在453mm的管路上装一文丘里管，文丘里管的管路上装一文丘里管，文丘里管上游接一压强表，其读数为上游接一压强表，其读数为137.5kPa，管内水的流速，管内水的流速u1=1.3m/s，文丘里管的喉径为，文丘里管的喉径为10mm，文丘里管喉部，文丘里管喉部一内径为一内径为15

18、mm的玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池的玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池内水面到管中心线的垂直距离为内水面到管中心线的垂直距离为3m，若将水视为理想，若将水视为理想流体，流体，试判断池中水能否被吸入管中？试判断池中水能否被吸入管中？化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3分析：判断流向判断流向比较总势能比较总势能求求P？柏努利方程柏努利方程 解：在管路上选在管路上选1-1和和2-2截截面，并取面，并取3-3截面为基准水平面截面为基准水平面设支管中水为静止状态。在设支管中水为静止状态。在1-1截面和截面和2-2截面间列柏努利截面间列柏努利方程：方程： 2222121122PugZPugZ化工

19、原理化工原理2 0 1 32 0 1 3式中： mZZ321smu/3 . 11smdduu/77.19)1039(3 . 1)(222112表压）(105 .13751PaP22222112uuPP277.1923 . 11000105 .137223kgJ /08.57化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 32-2截面的总势能为截面的总势能为 22gZP381. 908.57kgJ /65.273-3截面的总势能为截面的总势能为 00gZP 3-3截面的总势能大于截面的总势能大于2-2截面的总势能，水能被吸截面的总势能，水能被吸入管路中。入管路中。 0化工原理化工原理2 0 1 32

20、0 1 3思考思考（1）若U形压差计安装在倾斜管路中，此时 读数R反映了什么？ （2）70页页gzzgRpp)()(12021p1p2z2RAAz1静动结合题化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3用泵将贮槽中密度为用泵将贮槽中密度为1200kg/m3的溶液送到蒸发器内，贮的溶液送到蒸发器内，贮槽内液面维持恒定，其上方压强为槽内液面维持恒定，其上方压强为101.33103Pa，蒸发器，蒸发器上部的蒸发室内操作压强为上部的蒸发室内操作压强为26670Pa（真空度），蒸发器进（真空度），蒸发器进料口高于贮槽内液面料口高于贮槽内液面15m，进料量为，进料量为20m3/h，溶液流经全，溶液流经全部

21、管路的能量损失为部管路的能量损失为120J/kg，求泵的有效功率。管路直径，求泵的有效功率。管路直径为为60mm。 化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3fehpugZWpugZ2222121122m/s97. 106. 0785. 036002022ufh解：取贮槽液面为解：取贮槽液面为11截面，管路出口内侧为截面，管路出口内侧为 22截面，并以截面，并以11截面为基准水平面，截面为基准水平面， 在两截面间列柏努利方程。在两截面间列柏努利方程。 式中式中 Z1=0 Z2=15m p1=0（表压）（表压） p2=26670Pa（表压）（表压） u1=0 =120J/kg化工原理化工原理2

22、 0 1 32 0 1 3J/kg9 .246120026670120297. 181. 9152eWkg/s67. 63600120020ssVw将上述各项数值代入，则将上述各项数值代入，则 泵的有效功率泵的有效功率Ne为：为： Ne=Wews式中式中 Ne=246.96.67=1647W=1.65kW化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3eNN kW54. 265. 065. 1N实际上泵所作的功并不是全部有效的，故要考虑实际上泵所作的功并不是全部有效的，故要考虑泵的效率泵的效率，实际上泵所消耗的功率（称轴功率），实际上泵所消耗的功率（称轴功率） N为为 设本题泵的效率为设本题泵的效

23、率为0.65，则泵的轴功率为：，则泵的轴功率为： 解解在 1-1 面和 2-2 面间211122221 222fupgzWupgzh2222.687 9.811082.262ppW22285/36002.68/40.106 4Vqum sd10642114 d已知管道尺寸为已知管道尺寸为 114 4mm，流量为流量为85m3/h，水在管路中，水在管路中流动时的总摩擦损失为流动时的总摩擦损失为10J/kg（不包括出口阻力损失），（不包括出口阻力损失），喷头处压力较塔内压力高喷头处压力较塔内压力高20kPa，水从塔中流入下水道的摩擦损失水从塔中流入下水道的摩擦损失可忽略不计。可忽略不计。求泵的有效

24、轴功率。求泵的有效轴功率。气体气体气体气体1m1m5m0.2m1 14 43 3废水池废水池洗洗涤涤塔塔泵泵2 21000 85 90.49 360021372.14emVPq Wq WWkW 3321020 ppkgJ /23. 8 3-3 面与4-4 面间433gzpgz kgJp/77.1181. 92 . 13 泵泵的的有有效效轴轴功功率率为为：mq W282.26pWkgJ/49.90 气体气体气体气体1m1m5m1 14 43 3废水池废水池洗洗涤涤塔塔泵泵2 20.2m化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 1 1 1m 2 4 大大气气 2 2 2 4 1m 3 3喉径流

25、向判断流向判断 喉径内径与水管内径喉径内径与水管内径之比为之比为0.8。若。若忽略水在忽略水在管中流动时的能量损失管中流动时的能量损失，试判断垂直小管中水的试判断垂直小管中水的流向。流向。化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 33Et2tE )(22221表表pugz 2241ugz smu/43. 4181. 924 u2=（d4/ d2）2 u4 =（1/ 0.8）2 4.43=6.92m /skgJp/13.14292. 6181. 9(22) 表表kgJ /32. 4 )(81. 9)(222222表表表表ppuzg 0)(23233 表表pugz解：解：假设垂直小管中流体静止假设

26、垂直小管中流体静止1-1和和4-4间间1-1和和2-2间间化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 1 1 1m 2 4 大大 气气 2 2 2 4 1m 3 3小管中的水自下而上流动。小管中的水自下而上流动。22(14.131.449.81pzmg 表） Et2 Et3化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3思考题：思考题：某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密度为度为1100kg/m3）输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出，）输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出，如附图所示。泵的入口管为如附图所示。泵的入口管为1084mm的钢管，的钢管，管中的流速为管中的流速为1.2

27、m/s，出口管为，出口管为763mm的钢管。的钢管。贮液池中碱液的深度为贮液池中碱液的深度为1.5m，池底至塔顶喷嘴入口，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距离为处的垂直距离为20m。碱液流经所有管路的能量损。碱液流经所有管路的能量损失为失为30.8J/kg（不包括喷嘴），在喷嘴入口处的压（不包括喷嘴），在喷嘴入口处的压力为力为29.4kPa（表压）。设泵的效率为（表压）。设泵的效率为60%，试求，试求泵所需的功率。泵所需的功率。 化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 320m1.5m化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3五、实际流体的基本流动现象五、实际流体的基本流动现象 1 1、流体的流

28、动类型、流体的流动类型（1）雷诺实验）雷诺实验()化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3雷诺实验装置示意图雷诺实验装置示意图溢流溢流恒液面贮水槽恒液面贮水槽高位贮液槽高位贮液槽调调节节阀阀门门针形细管针形细管化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3实验现象实验现象不难看出不难看出b b状态是状态是a,ca,c状态的过渡阶段状态的过渡阶段玻璃管内染色线的变化情况玻璃管内染色线的变化情况化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 通过雷诺实验通过雷诺实验, ,可以发现液体在流动中可以发现液体在流动中存在两种内部结构完全不同的流态：层流存在两种内部结构完全不同的流态：层流和湍流。和湍流。

29、 层流和湍流的特点？层流和湍流的特点？化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3（2）两种流动类型）两种流动类型 层流（层流（Laminar Flow） 湍流（湍流（Turbulent Flow）()化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3层流层流（Laminar Flow） 当流速较小时，流体质点当流速较小时，流体质点( (微团微团) )沿管轴线方向作沿管轴线方向作直线运动，与周围流体间无宏观的混合。这种型直线运动，与周围流体间无宏观的混合。这种型态的流动叫层流。态的流动叫层流。化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3湍流（湍流（Turbulent Flow） 当流速较大时，流体内

30、部充满大小不一的，在不当流速较大时，流体内部充满大小不一的，在不断运动变化着的漩涡，各流层质点形成涡体互相断运动变化着的漩涡，各流层质点形成涡体互相混掺，这种型态的流动叫做湍流。混掺，这种型态的流动叫做湍流。化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3过渡流（过渡流（Transitional flow） 是层流与湍流之间的过渡阶段是层流与湍流之间的过渡阶段 即可能是层流即可能是层流, ,也可能是湍流也可能是湍流 与外界条件有关。与外界条件有关。化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 在雷诺实验中，改变的只有流速这一物理量，流体的流动状态还与哪些物理量有关？如何判断流体的流动类型？如何判断

31、流体的流动类型？化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3（3）雷诺准数）雷诺准数 实验发现，影响流体流动类型的实验发现，影响流体流动类型的( (四个四个) )因素有：因素有：流体的流速流体的流速:u管内径管内径: d 流体的密度流体的密度: 流体的粘度流体的粘度:化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3雷诺将这四个物理量组成一个数群：雷诺将这四个物理量组成一个数群：duRe雷诺准数：雷诺准数：雷诺数的量纲雷诺数的量纲 ：duRe 23/././msNmkgsmm000skgm可见，可见，Re是一个无量纲数群是一个无量纲数群(或称无因次数或称无因次数)。化工原理化工原理2 0 1 32

32、0 1 3通过实验发现，对于圆管内的流动：通过实验发现，对于圆管内的流动：2000Re 40002000Re 4000Re 流动总是层流流动总是层流流动一般为湍流流动一般为湍流流动为过渡流流动为过渡流,即可能即可能是层流是层流,也可能是湍流也可能是湍流所以，所以，Re是流体流动类型的判别准则是流体流动类型的判别准则化工原理化工原理2 0 1 32 0 1 3 流体在管道截面上的速度分布规律因流型而异流体在管道截面上的速度分布规律因流型而异（1 1）层流时的速度分布）层流时的速度分布 理论分析和实验都已证明，滞流时的速度沿管径理论分析和实验都已证明，滞流时的速度沿管径按按抛物线抛物线的规律分布，如图所示。的规律分布，如图所示。截面上各点速截面上各点速度的平均值等于管中心处最大速度度的平均值等于管中心处最大速度umax的的0.5倍倍。2、圆管内的速度分布、圆管内的速度分布()化工原理化工原理2