化工原理天大第一章流体流动

第一章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.5流体在管内的流动阻力1.6流量测量当前第1页\共有98页\编于星期四\20点1.1流体的物理性质1.1.1流体的密度1.1.2流体的黏度当前第2页\共有98页\编于星期四\20点1.流体：液体和气体的总称(1)流动性；(2)无固定形状，随容器的形状而变化；(3)在外力作用下流体内部发生相对运动；(4)抗剪抗张的能力很小。假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布，可用连续函数加以描述。2.流体连续性假设：当前第3页\共有98页\编于星期四\20点液体气体不可压缩流体1.1.1流体的密度可压缩流体定义：单位体积流体具有的质量点密度当前第4页\共有98页\编于星期四\20点理想气体的密度混合流体的密度液体混合物当前第5页\共有98页\编于星期四\20点1kg混合物为基准，设各组分混合前后体积不变气体混合物xw---组分的质量分数1m3混合气体为基准，设各组分混合前后质量不变xV---组分的体积分数当前第6页\共有98页\编于星期四\20点比容（比体积）比重℃单位质量流体所具有的体积y---组分的物质的量分数补充当前第7页\共有98页\编于星期四\20点1.牛顿黏性定律1.1.2流体的黏度运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力就是流体的内摩擦力或剪切力，黏滞力或黏性摩擦力当前第8页\共有98页\编于星期四\20点影响摩擦力的因素平板间当前第9页\共有98页\编于星期四\20点内摩擦应力（剪应力）：单位面积上的内摩擦力当前第10页\共有98页\编于星期四\20点圆筒内速度梯度：在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率比例系数，流体黏性越大，其值越大，黏滞系数或动力黏度，简称黏度μyxodydu当前第11页\共有98页\编于星期四\20点牛顿型流体：凡符合牛顿黏性定律的流体，所有气体和大多数液体。非牛顿型流体：凡是剪应力与速度梯度不符合牛顿黏性定律的流体均称为非牛顿型流体。胶体溶液、泥浆、乳浊液、长链聚合物溶液、涂料及混凝土等。当前第12页\共有98页\编于星期四\20点2.流体的黏度黏度的物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力液体的粘度随温度的升高而减小；气体的粘度随温度的升高而增大。压力对液体和气体粘度的影响很小。当前第13页\共有98页\编于星期四\20点黏度的单位运动黏度当前第14页\共有98页\编于星期四\20点3.理想流体黏度为零的流体当前第15页\共有98页\编于星期四\20点1.2流体静力学基本方程式1.2.1静止流体的压力1.2.2流体静力学基本方程式1.2.3流体静力学基本方程式的应用当前第16页\共有98页\编于星期四\20点垂直作用于流体单位面积上的力称为流体的静压强，简称压强，俗称压力，Pa点压强：1.2.1静止流体的压力压力当前第17页\共有98页\编于星期四\20点1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133×105Pa压强的单位工程上将1kgf/cm2近似地作为1个大气压，称为1工程大气压当前第18页\共有98页\编于星期四\20点表压强=绝对压强－大气压强压强的不同表示法以绝对零压作为起点计算的压强，是流体的真实压强真空度=大气压强－绝对压强表压强绝对压强真空度当前第19页\共有98页\编于星期四\20点大气压、绝对压强、表压强（真空度）之间关系当前第20页\共有98页\编于星期四\20点P1P2Wz1z2h静止液体内部力的平衡1.2.2流体静力学基本方程式流体在重力和压力下的平衡规律当前第21页\共有98页\编于星期四\20点当液面上方的压强为p0，距液面h处的压强为p流体静力学方程的适用条件及意义：只适用于静止的、连通的同一种连续流体。在重力场作用下，静止液体内部压强的变化规律当前第22页\共有98页\编于星期四\20点①传递定律：p0有变化时，流体内部其他各点上的压强也发生变化；②等压面的概念：在静止的同一连续流体内，处于同一水平面上各点的压强都相等；③压强可以用一定高度的流体柱来表示。当前第23页\共有98页\编于星期四\20点①测量两截面间的压强差或任意截面上的压强；②测量容器内的液面位置；③计算液封高度。一、测量压强差与压强（1）U形管压差计（液柱压差计）①指示液A与被测流体B不互溶也不起化学反应应用条件②1.2.3流体静力学基本方程式的应用当前第24页\共有98页\编于星期四\20点当前第25页\共有98页\编于星期四\20点若要求测定系统中某点压力时，将U形管压力计的一侧直接与大气相连通，则称为测压管，测量的是系统的表压或真空度。当前第26页\共有98页\编于星期四\20点（2）微差压力计①U管内放入两种密度相近且互不相溶的指示液A和C。②在U管顶部增设两个扩张室。当前第27页\共有98页\编于星期四\20点生产中配套使用的两种指示液有：石蜡油和乙醇水溶液、苯甲基醇和氯化钙盐水U形管的直径d与扩张室直径D之比：≤1:10当前第28页\共有98页\编于星期四\20点二、计算液封高度安全液封装置为控制乙炔发生炉内压强不超过10.7×103Pa（表压），需在炉外装有安全液封，其作用是当炉内压强超过规定值时，气体就从液封管排出。求安全液封管应插入槽内水面下的深度。当前第29页\共有98页\编于星期四\20点1.3.1流量和流速1.3.2稳态流动和非稳态流动1.3.3连续性方程式1.3.4柏努利方程式1.3.5柏努利方程式的应用1.3流体流动的基本方程当前第30页\共有98页\编于星期四\20点流量:单位时间流过管道内任一截面流体量流速:单位时间内流体在流动方向上通过的距离体积流量Vsm3/s质量流量wskg/s1.3.1流量和流速管中心：r=0，ur=umax；管壁处：r=R，ur=0；当前第31页\共有98页\编于星期四\20点在工程计算上为方便起见，流体的流速通常指整个管截面上的平均流速质量流速:单位时间内气体通过管道单位截面的质量输送管路的直径m/skg/(m2·s)当前第32页\共有98页\编于星期四\20点流体流动时，若任一点处的流速、压力、密度等与流体有关的流动参数都不随时间而变化，稳态流动。只要有一个流动参数随时间变化，非稳态流动。不稳定流动1.3.2稳态流动和非稳态流动当前第33页\共有98页\编于星期四\20点1.3.3物料衡算---连续性方程式质量守恒定律当前第34页\共有98页\编于星期四\20点②若输送管路直径相同，则A为常数在等直径管道中输送不可压缩流体时速度为常数③若是可压缩流体在等径管道中流动①若输送不可压缩流体当前第35页\共有98页\编于星期四\20点反映在稳态流动系统中，流量一定时，管路各截面上平均流速变化规律连续性方程的规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送机械等无关。连续性方程的意义：注意：当前第36页\共有98页\编于星期四\20点1.3.4能量衡算---柏努利方程式当前第37页\共有98页\编于星期四\20点一、流动系统的总能量衡算

①内能：物质内部能量的总和，U，J/kg②位能：流体因受重力的作用，在不同的高度具有的不同的位能，相当于质量为m的流体自基准水平面升举到某高度所作的功，位能=mgZ，J/kg③动能：mu2/2,J/kg（一）流动着的流体本身具有的能量：当前第38页\共有98页\编于星期四\20点④静压能（压强能）：通过截面的流体必定带着能量进入系统，流体所具有的这种能量称为静压能或流动功设m、V流体通过截面，推进此截面所需作用力流体通过此截面所走的距离静压能当前第39页\共有98页\编于星期四\20点1kg流体输入的静压能静压能单位：位能、动能、静压能称为机械能，三者之和称为总机械能当前第40页\共有98页\编于星期四\20点（二）系统与外界交换的能量①与换热器交换的能量：若换热器对流体加热，则Qe为从外界向系统输入的能量；若换热器对流体冷却，则Qe为系统向外界输出的能量，J/kg。②输送机械向系统输入的功:流体由输送机械所获得的能量，称外功或净功，亦称有效功We

，J/kg。恒算范围:内壁面、1-1与2-2恒算基准:1kg流体；基准水平面:O-O’平面。（三）能量衡算当前第41页\共有98页\编于星期四\20点能量守恒定律：输入的总能量=输出的总能量稳态流动过程的总能量衡算式，也是流动系统中热力学第一定律表达式。当前第42页\共有98页\编于星期四\20点二、流动系统的总机械能衡算根据热力学第一定律：1kg流体在1-1到2-2之间所获得的热被加热而引起体积膨胀所作的功当前第43页\共有98页\编于星期四\20点Qe’由两部分组成：一部分是流体与环境所交换的热，即换热器提供的热量；一部分是液体为克服流体阻力而消耗的一部分机械能，这部分机械能转变成热,只能略微提高流体的温度，而不能直接用于流体的输送，这部分机械能实际上损失，称能量损失设1kg流体在系统中流动，因克服流体阻力而损失的能量为∑hf当前第44页\共有98页\编于星期四\20点表示1kg流体流动时机械能的变化关系，称为流体稳态流动时的机械能衡算式,可压缩流体与不可压缩流体均适用。当前第45页\共有98页\编于星期四\20点三、柏努利方程不可压缩流体的v或ρ为常数当前第46页\共有98页\编于星期四\20点四、柏努利方程式的讨论（1）稳态流动的流体不可压缩理想流体在管道内作稳态流动而且无外功输入时，在任一截面上单位质量流体所具有的总机械能为常数理想流体且无外功加入当前第47页\共有98页\编于星期四\20点各种形式的机械能可以相互转换当前第48页\共有98页\编于星期四\20点gz、u2/2、p/ρ是指在某截面上流体本身所具有的能量；We和∑hf是指流体在两截面间流动时获得和消耗的能量。We：输送设备对单位质量流体所做的有效功，是选择流体输送设备的重要依据Ne：单位时间输送设备所作有效功称有效功率（2）单位质量流体具有的能量：当前第49页\共有98页\编于星期四\20点可采用柏努利方程进行计算，但式中的流体密度ρ应以平均密度ρm代替

（3）可压缩流体的流动（4）静止的流体柏努利方程式表示流体流动及静止状态的规律当前第50页\共有98页\编于星期四\20点①以单位重量流体为衡算基准，除以g（5）不同衡算基准下的柏努利方程单位：√当前第51页\共有98页\编于星期四\20点Z、u2/2g、p/ρg、Hf

称为位压头、动压头、静压头、压头损失；He：输送设备对流体提供有效压头。物理意义：表示单位重量流体所具有的机械能可以把自身从基准水平面升举的高度；当前第52页\共有98页\编于星期四\20点表示单位体积流体所具有的能量②以单位体积流体为衡算基准，乘以ρ当前第53页\共有98页\编于星期四\20点1.3.5柏努利方程式的应用应用柏努利方程解题要点：（1）作图与确定衡算范围；（2）截面的选取；（3）基准水平面的选择；（4）两截面上的压强；（5）单位必须一致当前第54页\共有98页\编于星期四\20点（1）确定管道中流体的流量已知:管道内径分别为d1，d2，∑hf=0求:

qV解:选择截面，且以其中心线处为基准面∵∑hf=0，∴He=0在截面之间列柏努利方程当前第55页\共有98页\编于星期四\20点连续性方程静力学方程：当前第56页\共有98页\编于星期四\20点用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽与大气相通，要求料液在管内以u=1.0m·s-1的速度流动，料液在管内流动时的能量损失为2J·N-1求：高位槽的液面比虹吸管的出口高多少？（能量损失不包括出口的损失）（2）确定容器之间的相对位置解：取高位槽液面为1-1′截面，虹吸管内侧出口为2-2′截面，且以2-2′截面为基准面列柏努力方程：当前第57页\共有98页\编于星期四\20点Z1=h，

Z2=0，p1=p2=0（表压），He=0对于大的容器，其流速相对小管道而言很小，∴u1≈0，当前第58页\共有98页\编于星期四\20点水喷射泵的进水管内径为20mm，水的流量0.5m3/h，进水压强为2.2kgf·cm-2（绝对压强）。喷嘴的内径为3mm，当时大气压为101.3kPa。求：喷嘴处理论上可产生多大的真空度？

（3）流体压强的确定

解：取喷射泵进水口处为1-1′截面，喷嘴口处为2-2′截面，以2-2′截面为基准面列柏努利方程为：当前第59页\共有98页\编于星期四\20点两截面之间垂直距离很小，位差可忽略，Z1≈

Z2，若忽略水流经喷嘴的能量损失喷嘴处的真空度为101.3-23.8=77.5kPap1=2.2×9.81×104=215820Pap2=p1+ρ(u12-u22)/2=23837Pa当前第60页\共有98页\编于星期四\20点（4）确定输送设备的功率离心泵将贮槽中的料液输送到蒸发器内，敞口贮槽内液面保持恒定。料液的密度为1200kg·m-3，蒸发器上部的蒸发室内操作压力为200mmHg（真空度），蒸发器进料口高于贮槽内的液面15m，输送管道的直径为φ68×4mm，送液量为20m3·h-1，溶液流经全部管道的能量损失为12.23J·N-1（不包括出口的能量损失），泵的效率为60%。求:泵的有效功率。应选用多大的电机？当前第61页\共有98页\编于星期四\20点p2

=-200mmHg=-26670Pa（表压）Z1=0，Z2=15m，p1=0，u1≈0Ne=qm·We=1.65kWNa=Ne/η=2.75kW解：取贮槽液面为1-1’截面，蒸发器进料口内侧入口为2-2’截面，以1-1’为基准面列柏努利方程：当前第62页\共有98页\编于星期四\20点1.4.1流动类型和雷诺数①层流（滞流）laminarflow②湍流（絮流）turbulentflow雷诺数是一个无量纲数群（准数）1.4流体流动现象1.雷诺实验与雷诺数当前第63页\共有98页\编于星期四\20点雷诺数的物理意义：ρu2与惯性成正比，μu/d与黏性力成正比，雷诺数的物理意义是惯性力与黏性力之比当前第64页\共有98页\编于星期四\20点2.层流和湍流雷诺数

流动类型Re≤2000层流2000<Re≤4000过渡状态Re>4000湍流层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数Rec当前第65页\共有98页\编于星期四\20点1.4.2流体在管内流动时的速度分布1.流体在圆管内层流流动时的速度分布2.流体在圆管内湍流流动时的速度分布层流内层：湍流时管壁处的速度等于零，靠近管壁的流体作层流流动，这一作层流流动的流体薄层，称为层流内层或层流底层当前第66页\共有98页\编于星期四\20点当前第67页\共有98页\编于星期四\20点化工中的管子按照管材的性质和加工情况分为光滑管和粗糙管。玻璃管、铜管、铅管及塑料管称为光滑管；旧钢管和铸铁管称为粗糙管。管件管子1.5流体在管内的流动阻力弯头、三通、活接头当前第68页\共有98页\编于星期四\20点单位质量流体流动时损失机械能，J/kg单位重量流体流动时损失机械能，m单位体积流体流动时损失机械能，Pa当前第69页\共有98页\编于星期四\20点△pf称为流动阻力引起的压强降压强降与两截面间压强差是两个截然不同的概念当流体在一段无外功加入、直径相等的水平管内流动时当前第70页\共有98页\编于星期四\20点垂直作用于1-1的压力垂直作用于2-2的压力1.5.1流体在直管内的流动阻力当前第71页\共有98页\编于星期四\20点流动的推动力:流动的阻力:牛顿第二运动定律:当前第72页\共有98页\编于星期四\20点令流体阻力会引起压强的降低，用压强降表示：层流、湍流均适用当前第73页\共有98页\编于星期四\20点①滞流时的摩擦系数：λ=f（Re）②湍流时的摩擦系数：λ=f（Re，ε）λ：摩擦系数，雷诺数的函数或雷诺数与管壁粗糙度的函数管壁粗糙面凸出部分的平均高度称为绝对粗糙度ε绝对粗糙度与管内径的比值ε/d，称为相对粗糙度当前第74页\共有98页\编于星期四\20点当前第75页\共有98页\编于星期四\20点20℃的水在直径为Ф60mm×3.5mm的镀锌铁管中以1m·s-1的流速流动，求水通过100m长度管子的压力降及压头损失？解：ρ=998.2kg·m-3,μ=1.005×10-3Pa·sd=60-3.5×2=53mm，l=100m,u=1m·s-1，取镀锌铁管的管壁绝对粗糙度为ε=0.2mm，则ε/d=0.2/53=0.004，在图中找到Re及ε/d位置，由两者的交点读出λ=0.031压力降：压头损失：当前第76页\共有98页\编于星期四\20点1.5.2流体在非圆形直管内的流动阻力水力半径：流体在流道里的流通截面与润湿周边长之比对于直径为d的圆形管：圆形管的直径为水力半径的4倍当前第77页\共有98页\编于星期四\20点非圆形管：非圆形管的直径也采用4倍的水力半径代替，称为当量直径在非圆形直管内作湍流流动时，阻力损失：当前第78页\共有98页\编于星期四\20点在非圆形直管内作层流流动时：当前第79页\共有98页\编于星期四\20点湍流流动下，局部阻力的计算方法有阻力系数法和当量长度法①阻力系数法ζ：局部阻力系数a.突然扩大与突然缩小几种常见的局部阻力系数1.5.3管路上的局部阻力当前第80页\共有98页\编于星期四\20点突然扩大（a）或突然收缩（b）时的局部阻力系数当前第81页\共有98页\编于星期四\20点b.进口和出口当流体从容器进入管内时，A2/A1≈0，ζＣ=0.5。进口损失若进管口圆滑或呈喇叭状，则局部阻力损失减少，ζ=0.25~0.05当流体自管子进入容器或从管子直接排到管外空间时，A1/A2≈0,ζｅ=１。出口损失。当前第82页\共有98页\编于星期四\20点②当量长度法：将局部阻力损失折算成相当长度的直管的阻力损失，此相当的管长度称为当量长度le。管件：弯头、三通、活接头当前第83页\共有98页\编于星期四\20点1.5.4管路系统中的总能量损失当前第84页\共有98页\编于星期四\20点1.6流量的测量根据流体流动时各种机械能相互转换关系而设计的流速计与流量计。1.6.1测速管：皮托管(Pitot)当前第85页\共有98页\编于星期四\20点内管测得:管口所在位置的局部流体动能与静压能之和，称为冲压能测速管的外管前端壁面四周的测压孔口与管道中流体的流动方向平行，故测得的是流体的静压能测量点处的冲压能与静压能之差△h=hA-hB=ur2/2当前第86页\共有98页\编于星期四\20点测量点处局部流速为：当前第87页\共有98页\编于星期四\20点1.6.2孔板流量计当前第88页\共有98页\编于星期四\20点在孔板流量计上游的管截面1~1`处流速为u1,压强为p1的流体通过孔板时，圆流道突然缩小，使流速突然增加，压强降低。流体流过孔板后，由于惯性作用，流道截面继续收缩，直到2~2`处，流体的流道截面收缩到最小，称为缩脉，此处的流速为u2，压强为p2；随后流道截面逐渐扩大，流速逐渐减小，并恢复到截面1~1`处的数值。测量原理：