化工原理第一章-1

第一章流体(liútǐ)流动精品资料目的(mùdì)和要求1、熟练掌握流体(liútǐ)静力学基本方程式，连续性方程式和柏努利方程式及其应用。2、正确理解流体的流动类型和流动阻力的概念。4、了解测速管，文丘里流量计，孔板流量计和转子流量计的工作原理和基本计算。3、掌握流体流动阻力的计算，简单管路的设计型计算和输送能力的核算。2精品资料（1）静力学基本方程的应用（2）连续性方程、柏努力方程的物理意义、适用条件、应用柏努力方程解题的要点和注意事项。（3）管路(ɡuǎnlù)系统总能量损失方程（包括数据的获得）本章重点(zhòngdiǎn)掌握的内容3精品资料（1）边界层的基本概念（边界层的形成(xíngchéng)和发展，边界层分离）（2）牛顿型流体和非牛顿型流体本章应掌握(zhǎngwò)的内容（1）两种流型（层流和湍流）的本质区别，处理两种流型的工程方法（解析法和实验研究方法）（2）流量测量（3）管路计算本章一般了解的内容4精品资料（2）应用柏努力方程、静力学方程解题要绘图，正确选取衡算范围(fànwéi)。解题步骤要规范。本章(běnzhānɡ)学习应注意的问题（1）流体力学是传热和传质的基础，它们之间又存在着密切的联系和相似性，从开始学习流体流动就要学扎实，打好基础。5精品资料液态或气态下的物料(wùliào)称为流体流体(liútǐ)的特征：易流动，抗剪和抗张的能力很小；连续介质模型流体微团—流体质点无固定形状，随容器的形状而变化；在外力的作用下其内部发生相对运动。6精品资料气体与液体(yètǐ)的区别：①密度(mìdù)：气体变化；液体变化不明显。②压缩性：气体可压缩，<20%可看成不可压缩。液体不可压缩。7精品资料流体流动规律是本门课程的重要基础(jīchǔ)，主要原因是：2、流体的流动对传热、传质以及反应过程有着重要(zhòngyào)的影响。过程进行的好坏，动力的消耗及设备的投资都与流体的流动状况密切相关。1、各种流体输送问题，管路的设计，输送机械的选择以及所需功率的计算,需要研究流体的流动规律。强化削弱化工过程8精品资料第一节流体(liútǐ)静止的基本方程精品资料§1-1流体(liútǐ)的性质密度(mìdù)kg/m3

恒密度流体和变密度流体气体气体混合物液体混合物ψ—体积分率a—质量分率以1m3混合物为基准以1kg混合物为基准比容：υ比重：d10精品资料§1-2流体(liútǐ)的压强定义(dìngyì)：特性：①垂直作用于器壁②在同一流体的相同水平面上各方向的压强相同单位：Pa；atm；某流体柱高度；bar(巴)；kgf／cm2等基本关系：1atm=101325Pa=101.3kPa=0.1013MPa=1.033Kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg1bar=105Papppppp11精品资料计算(jìsuàn)基准表压强(yāqiáng)=绝对压强(yāqiáng)-大气压强(yāqiáng)真空度=大气压强(yāqiáng)-绝对压强(yāqiáng)压力大小的两种表征方法PA,绝PA（表）P大气压P（真空度）PB,绝绝对零压线大气压线绝压/表压/真空度的关系12精品资料若已知某地(mǒudì)的大气压力为750mmHg，而设备A内压力为1000mmHg，则PA表=mmHg=Pa。若设备B的真空度为300mmHg，则PB（绝）=mmHg。25033330.594503377513精品资料ρgAdzp1pp2dzz2zAz1§1-2流体静力平衡(pínghéng)流体静压力(yālì)特点：同一水平面上各点的流体静压力相等但：不同高低位置，p却不一样？力的平衡p+dp14精品资料1、在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平(shuǐpíng)面上各点的压强都相等——等压面2、当液面上方的压强po有改变(gǎibiàn)时，液体内部各点的压强p也发生同样大小的改变(gǎibiàn)——巴斯葛原理3、压强差的大小可以用一定的高度的液体柱表示。如——mH2O,——mmHg流体静力学基本方程式的讨论15精品资料本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层(yóucéng)高度h1=0.7m、密度ρ1=800kg／m3，水层高度h2=0.6m、密度ρ=1000kg／m3。(1)判断下列两关系是否成立，即pA=pA’pB=pB’(2)计算水在玻璃管内的高度解：(1)判断题给两关系式是否(shìfǒu)成立由等压面的知识可知：pA=pA’的关系成立pB=pB’的关系不能成立(2)计算玻璃管内水的高度h因pA=pA’pA=pa+ρ1gh1+ρ2gh2pA’=pa+ρ2gh于是pa+ρ1gh1+ρ2gh2=pa+ρ2gh800×0.7+1000×0.6=1000h解得h=1.16m【补例1】16精品资料§1-4流体静力学基本(jīběn)方程式的应用一、压强(yāqiáng)与压强(yāqiáng)差的测量1、U管压差计指示液：汞、四氯化碳、水、液体石蜡等由静力学方程可得：当时。B为气体

不互溶17精品资料U管压差(yāchà)计18精品资料p其它(qítā)U管压差计单臂U管压差(yāchà)计倒置U管压差计串联U管压差计19精品资料2、微差压差(yāchà)计水库维持等高不互溶目的：放大(fàngdà)读数RR20精品资料倾斜(qīngxié)U型管压差计放大(fàngdà)读数R液位的测量21精品资料目的：（1）恒定设备内的压力(yālì)，防止超压；（2）防止气体外泄；水封液封高度(gāodù)计算：设备液封煤气柜22精品资料为测量腐性液体贮槽中的存液量，采用图示的装置。测量时通入压缩空气，控制调节阀使空气缓慢地鼓泡通过观察瓶。今测得U形压差计读数为R＝130mm，通气管距贮槽底面h=20cm，贮槽直径(zhíjìng)为2m，液体密度为980kg／m3，试求贮槽内液体的储存量为多少吨?【补例2】[远距离液位测定(cèdìng)]23精品资料解：（1）管道内空气缓慢鼓泡，u≈0，用静力学原理(yuánlǐ)求解。（2）空气(kōngqì)的ρ很小，忽略空气(kōngqì)柱的影响。24精品资料容器内装有密度ρ1=700kg/m3的汽油(qìyóu)，顶部接一压力表，其读数p0=2.943×105pa(表),在容器距底面0.5m处接一冲以水银、水和空气的复式U管压差计，压差计内各指示液的界面高度（以地面为基准）如图所示。容器直径为2m，求容器内汽油(qìyóu)的体积。【补例3】[复式U管压差(yāchà)计]25精品资料26精品资料27精品资料A、B两断面(duànmiàn)分别位于直管段内，在两断面(duànmiàn)间装有单U形管和复式U形管，单U形管内指示液密度为ρ1,复式U形管的中间流体和直管内流体相同，密度均为ρ,证明：R1=R2+R3[管道(guǎndào)两点之间压差的测量]28精品资料4、对每一项具体计算过程(guòchéng)，须具备三个步骤：a、列出文字式（全由符号表示，根据公式、定义式或自推导的公式写出）;b、写出数值式c、写出解答。解题(jiětí)须知1、每道题需简明写出已知条件及待求量，题目全文可以不抄，必须作简图，图中标明已知条件及待求量。2、解题思路要明确，必要时用方框图表明。3、使用SI制，作好单位换算。5、每一项计算应尽可能用计算器连算，不要读取中间数据，以减小误差，读取数据时，有效数字一般取3～4位。29精品资料第二节流体流动的基本(jīběn)方程精品资料§1-5流体(liútǐ)流动的基本概念质量(zhìliàng)守恒定律动量定理能量守恒定律流体流动遵循一、稳定流动与不稳定流动稳定流动u(或p、ρ等)=f(x,y,z)不稳定流动u(或p、ρ等)=f(x,y,z,θ)(b)22111122(a)31精品资料二、流速(liúsù)和流量名称表示单位关系流速vm/s体积流量Vsm3/s质量流量mskg/s平均流速um/s平均质量流速Gkg/m2·s32精品资料三、粘性(zhānxìnɡ)及牛顿粘性(zhānxìnɡ)定律uu=0yxy方向上的流体(liútǐ)速度分布为线性为什么有分层流动的现象？

流体具有粘性，流动流体内部存在内摩擦力或粘滞力

dyu+duu粘性33精品资料内摩擦力产生(chǎnshēng)的原因ff大量(dàliàng)实验———牛顿粘性定律动力粘度简称粘度

单位面积上的内摩擦应力（剪应力）速度梯度

34精品资料粘度μ物理(wùlǐ)意义衡量流体粘性大小(dàxiǎo)的一个物理量单位c.g.s：dyn×s/cm2——泊（P）厘泊（cP）1Pa×s=10P=1000cP35精品资料属物性之一，由实验测定；查有关手册或资料、用经验(jīngyàn)公式计算大多数气体(qìtǐ)的粘度远小于液体粘度主要有体系、温度、浓度（压力的影响可忽略（气体））获取方法：影响因素：粘度μ运动粘度γm2/s36精品资料塑性(sùxìng)流体牛顿流体涨塑性(sùxìng)流体假塑性流体tdu/dy四、非牛顿型流体37精品资料五、剪应力与动量(dòngliàng)传递牛二（牛栏山二锅头）

剪应力

流体流动时内部的剪应力是速度不等的两相邻流体层彼此(bǐcǐ)作用的力，其产生的原因是流体层之间的动量传递。动量38精品资料五、剪应力与动量(dòngliàng)传递剪应力即动量通量等于运动粘度γ与单位(dānwèi)体积动量的梯度之积。单位体积流体计的动量梯度

39精品资料六、总衡算1、换热设备；2、输送设备两个重要(zhòngyào)方程——物料衡算式和能量衡算式只注意系统外部所显现(xiǎnxiàn)的变化守恒：输入=输出输入速率=输出速率衡算范围——划定体积——划定表面划定体积划定表面衡算结果：40精品资料§1-6物料(wùliào)衡算—连续性方程1、换热设备；2、输送设备亦即物料(wùliào)衡算ms1=ms2Vs1·ρ1=Vs2·ρ2=const.u1·A1·ρ1=u2·A2·ρ2=const.u1/u2=(d2/d1)2不可压缩流体：ρ=const.Vs1=Vs2=const.圆管：u1·A1=u2·A241精品资料§1-7总能量(néngliàng)衡算1、换热设备；2、输送设备对流体(liútǐ)做功输入或输出热量

衡算范围：内壁面、1－1与2－2截面间衡算基准：基准水平面：0－0平面1㎏流体分析有哪些能量输入和输出？42精品资料1122§1-7总能量(néngliàng)衡算压力(yālì)能：l1

υ1

υ2p1p2l2流体V1必定要带有与所需的功相当的能量才能进入系统作用力pA位移V/A静压能为pA·V/A=pV1㎏流体的静压能pV/m=pυ43精品资料输入输出单位说明流体具有的能量内能

U1U2J/kg物质内部能量(分子平动能，转动能，振动能)

位能gZ1gZ2J/kg重力(地心引力)流体机械能动能1/2u121/2u22J/kg运动物体具有的压力能p1υ1P2υ2J/kg压强作的功与环境交换能量热Qe(加热为入,冷却为出)J/kg外功We

—J/kg44精品资料U1gZ11/2u12p1υ1U2gZ21/2u22p2υ2WeQeQe45精品资料总能量(néngliàng)衡算式稳态系统(xìtǒng)∑E1=∑E2

——稳流系统中流体总能量衡算式

46精品资料1、式中有两种能量——机械能、内能和热，机械能可以相互转变(zhuǎnbiàn)，也可变为热和内能；而内能和热，不可变为机械能。总能量(néngliàng)衡算式讨论：2、对传热设备作能量衡算时，往往忽略机械能而只考虑焓：3、撇开热和内能，机械能衡算。47精品资料§1-8机械能衡算——柏努利方程(fāngchéng)一、推导(tuīdǎo)：设流体是不可压缩的：υ1=υ2=υ

=1/ρ；Qe=0,Δt=0流体流动具有阻力要消耗机械能转变成热

U1<U2？48精品资料§1-8机械能衡算——柏努利方程(fāngchéng)而前面(qiánmian)假设：Δt=0，即U1=U2消耗的机械能热

×t1<t2

消耗的机械能到哪里去了？消耗的机械能机械能损失掉了能量损失49精品资料能量(néngliàng)损失Wf

流体(liútǐ)流动阻力消耗的机械能（内能的变化）——柏努利方程式

（实际流体）

——柏努利方程式

（实际流体）

50精品资料理想流体

Wf=0

对于理想流体，又没有外功(wàigōng)加入即Wf=0，We=0

——柏努利方程式（理想流体）51精品资料二、柏努利方程(fāngchéng)的讨论（I）理想流体，稳态流动，无外功。任一截面(jiémiàn)上单位质量流体的位能、动量、静压能之和（总机械能E）为一常数。总机械能虽然相等，但每一种形式的机械能不一定相等，机械能可以相互转变。

例如：水平管道（Z1=Z2）A1>A2u1<u21122连续性方程E=Const.一部分静压能转变为动能

52精品资料二、柏努利方程(fāngchéng)的讨论（II）各项单位为J/kg，表示(biǎoshì)单位质量流体所具有的能量注意：前三项是指某截面上流体本身所具有的能量，而后两项是指流体在两截面间所获得和消耗的能量。、、与We，Wf的区别We是指输送设备对单位质量流体所作的有效功单位时间输送设备的有效功称为有效功率，以Ne表示。是决定流体输送设备的重要数据Ne=We×ms单位J/s，W53精品资料二、柏努利方程(fāngchéng)的讨论（III）对于不稳定流动(liúdòng)系统的任一瞬间，柏努利方程式仍成立对于不可压缩流体，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%，时，仍可用式子进行计算。但此时式中的密度ρ应取两截面间流体的平均密度ρm代替，这种处理方法所导致的误差，在工程计算上是允许的。54精品资料二、柏努利方程(fāngchéng)的讨论（IV）如果系统里的流体(liútǐ)是静止的，则u=0。——流体静力学基本方程式柏努利方程式除表示流体的流动规律外，还表示了流体静止状态的规律，而流体的静止状态只不过是流动状态的一种特殊的形式。没有运动，自然就没有阻力，即Wf=0；由于流体保持静止状态，也就不会有外功加入，即We=0于是上式变成：动中有静55精品资料二、柏努利方程(fāngchéng)的讨论（V）如果流体的衡算基准(jīzhǔn)不同，式子可写成不同的形式1、以单位重量流体为衡算基准各项除以g：令

则56精品资料二、柏努利方程(fāngchéng)的讨论（V）上式各项的单位(dānwèi)均为长度单位(dānwèi)（m）表示单位重量的流体所具有的机械能可以把它自身的基准水平面升举的高度位压头动压头静压头压头损失有效压头总压头57精品资料2、以单位体积(tǐjī)流体为衡算基准各项乘以流体密度ρ上式各项的单位(dānwèi)为采用不同衡算基准的柏努利方程式，对后面的“流体输送设备”章的计算很重要。表示单位体积流体所具有的能量，简化后即为压强的单位。二、柏努利方程的讨论（V）58精品资料三、柏努利方程式的应用(yìngyòng)1、确定(quèdìng)管路中流体的压强0.5m0.7mA11CB【补例4】

、如图所示，桶中的水经虹吸管流出，设流动阻力可以不计，求管内水的流速，又求截面A（管内）、B、C三处的静压力。管径不变，大气压为101.3kPa。22解：（1）、求u取截面如图，并以2截面为基准水平面。在1-2间列BE式中：Z1=0.7m，u1=0m/s，p1=p2=1.013×105Pa=0Pa(表)，上式为59精品资料0.5m0.7mA11CB22（2）、求pA，pB，pC各个(gègè)截面的总机械能（总压头）=Const.pA=9.44×104Pa同理求pB，pC60精品资料R=40mm300mm200mm水2、确定管路中流体(liútǐ)的流量【补例5】、如图所示，水平通风管道某处的直径自300mm渐缩到200mm，为了粗略估计其中空气的流量，在锥形接头两端各引出一个测压口与U管压差计相连(xiānɡlián)，用水作指示液测得读数为R=40mm。设空气流过锥形接头的阻力可以忽略，求空气的体积流量。空气的密度为1.2kg·m3。空气1122解：取截面如图，以管的轴心线所在平面为基准水平面。在1-2间列BE式中：Z1=Z2=0，We=0，Wf=0，上式简化为？61精品资料R=40mm300mm200mm水空气1122？连续性方程(fāngchéng)（1）（2）（1）、（2）62精品资料2、确定管路中流体(liútǐ)的流量20℃的空气在直径为800mm的水平管流过，现于管路中接一文丘里管，如本题附图所示，文丘里管的上游接一水银U管压差(yāchà)计，在直径为20mm的喉径处接一细管，其下部插入水槽中。空气流入文丘里管的能量损失可忽略不计，当U管压差(yāchà)计读数R=25mm，h=0.5m时，试求此时空气的流量为多少m3/h?当地大气压强为101.33×103Pa。【补例6】分析：求Vh

求u空气为可压缩流体能否用柏氏方程?解：取测压处及喉颈分别为截面1-1’和截面2—2’截面1-1’处压强（表压）截面2-2’处压强为：（表压）流经截面1-1’与2-2’的压强变化为：故可按不可压缩流体来处理63精品资料在1-2间列BE，以管道中心线作基准水平面。两截面间无外功(wàigōng)加入，即We=0；能量损失可忽略，即Wf，据此，BE可写为：式中：Z1=Z2=0取空气(kōngqì)的平均分子量为29kg／kmol，两截面间的空气(kōngqì)平均密度为所以简化得：(a)式a中有两个未知数，须利用连续性方程式定出u1与u2的另一关系，即u1A1＝u2A2(b)以式b代人式a，即(16u1)2-u12=13733解得：u1=7.34m／s64精品资料3、确定输送设备(shèbèi)的有效功率20mp1=0(表)p2=500kPa(表)【补例7】如图所示，用泵将水从水池输送到高处的密闭容器，输水量为15m3/h。输水管的内径为53mm，其出口(chūkǒu)位于水池液面以上20m，伸入压力为500kPa（表压）的容器内。水在管路内机械能损耗为40J/kg。试计算输送所需的有效功率。设泵的效率为0.6，求泵的输入功率。分析：求N→Ne→BE→We65精品资料20mp1=0(表)p2=500kPa(表)解