化工原理_03流体的流动

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0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 ( , , , )uu x y z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

2、粒物在大量流体中的沉降、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,m sv sqq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qm,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。例如当流

3、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, v squA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 。,m sV sqqGuAA质量通量12二、平均流速 管径、体积流量和之间关系管径、体积流量和之间关系 管路直径 以以d表示内径，则有表示内径，则有,2

4、4V squd,4V sqdu管内流速（1-24）（1-25）13二、平均流速 选择平均流速： 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573mmmm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

5、型态层流（laminar flow）或滞流（viscous flow）湍流或紊流(turbulent flow)一、雷诺实验 动画0118反映流体流动状态的量纲为一数群。 Redu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） 204eHdrHpArL（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

6、当量直径水力半径21 第一章 流体流动1.4 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

7、制面为管或容器的内壁面、截面1-1与2-2组成的封闭表面。根据质量守恒原理可得,2,10mmdMqqd（1-28）二、总质量衡算-连续性方程的推导 26对于定态流动， /0dM d则,1,2mmqq或1 11222u Au A(1-29)二、总质量衡算-连续性方程的推导 271 11222mqu Au AuA常数对于不可压缩流体，,1122V squ Au AuA常数对于圆形管道 21221()udud(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 281 11222mqu Au AuA常数不可压缩流体,1122V squ Au AuA常数圆形管道

8、21221()udud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1-12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

9、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流出 1mq U2mq U位能：由截面1-1进入 由截面2-2流出 1mq gz2mq gz(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 21/2mq u22/2mq u,1111,11VVqp Ap qA,2222,22VVqp Ap qA(J/s)(J/s)(J/s)(J/s)一、流

10、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 QeP(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 21111,112mmmVeq Uq gzq up qQP22222,212mmmVq Uq gzq up q上式经整理，可得一、流动系统的总能量衡算方程382()2eeuUg zpvQW （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

11、总能量衡算方程13z1A1A111z2zm1 ,m2zdAu21Au1dAu2uq12u40331Au dAu A则上式变换为12223111311,11222zzAmuuuu dAu A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 2()2eeuUg zpvQW (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

12、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 21vevUQpdveefQQh 21vefvUQhpdv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21212pefpg zuvdpWh (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 2121)(ppdppdp46对于不可压缩流体，为常数 212efpg zuWh 2211221222efupupgzWgzh(1-37) (1-37a) 或二、流动系统的机械能衡算方程工程伯努利(Ber