化工原理第一章第一節(jié)概述ppt課件

1、 第一章第一章 流體流動流體流動 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述第二節(jié)第二節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)第三節(jié)第三節(jié) 流體流動中的守恒原理流體流動中的守恒原理第四節(jié)第四節(jié) 流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第五節(jié)第五節(jié) 阻力損失阻力損失第六節(jié)第六節(jié) 流體輸送管路的計算流體輸送管路的計算第七節(jié)第七節(jié) 流速和流量的測定流速和流量的測定流動現(xiàn)象：流動現(xiàn)象： 日常生活中 工業(yè)生產(chǎn)過程中煤氣煤氣水孔板流量計泵水封填料塔水池煤 氣 洗 滌 塔引引 言言（2流體的流動對傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)過程有著重要影響流體的流動對傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)過程有著重要影響 化工設(shè)備中的傳熱，傳質(zhì)以及反應(yīng)過程大多是在流動的化工設(shè)備中的傳熱，傳質(zhì)以

2、及反應(yīng)過程大多是在流動的 條件下進(jìn)行的條件下進(jìn)行的一、在所有化工單元操作中為什么首先討論一、在所有化工單元操作中為什么首先討論“流體流動流體流動”？ 流體流動的規(guī)律是化工原理的重要基礎(chǔ)！流體流動的規(guī)律是化工原理的重要基礎(chǔ)?。?） 化學(xué)工業(yè)中涉及各種流體的輸送化學(xué)工業(yè)中涉及各種流體的輸送 研究流體的流動規(guī)律可進(jìn)行管路的設(shè)計，輸送機(jī)械的研究流體的流動規(guī)律可進(jìn)行管路的設(shè)計，輸送機(jī)械的 選擇及功率的計算。選擇及功率的計算。（3流體的混合流體的混合(5) 流量和流速的測量流量和流速的測量(畢托管，孔板流量計，轉(zhuǎn)子流量計畢托管，孔板流量計，轉(zhuǎn)子流量計) 二、二、“流體流動主要研究內(nèi)容流體流動主要研究內(nèi)容（

3、1流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)（2流體流動中的守恒原理流體流動中的守恒原理(3) 流體流動的型態(tài)及阻力計算流體流動的型態(tài)及阻力計算(4) 管路計算管路計算 動量守恒機(jī)械能損失數(shù)據(jù)缺少時的計算動量守恒機(jī)械能損失數(shù)據(jù)缺少時的計算 能量守恒柏努利方程能量衡算能量守恒柏努利方程能量衡算質(zhì)量守恒連續(xù)性方程物料衡算質(zhì)量守恒連續(xù)性方程物料衡算介紹流體靜力學(xué)原理及工程應(yīng)用介紹流體靜力學(xué)原理及工程應(yīng)用 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、流體流動的考察方法一、流體流動的考察方法 a 、由大量的彼此之間有一定間隙單個分子組成，而且單個分子、由大量的彼此之間有一定間隙單個分子組成，而且單個分子做隨機(jī)的、混亂的運動。如果以單個分子為考

4、察對象，流體將是做隨機(jī)的、混亂的運動。如果以單個分子為考察對象，流體將是一種不連續(xù)的介質(zhì)，所處理的運動是一種隨機(jī)運動。如果研究單一種不連續(xù)的介質(zhì)，所處理的運動是一種隨機(jī)運動。如果研究單個分子的微觀運動，則問題復(fù)雜，無法用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具加個分子的微觀運動，則問題復(fù)雜，無法用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具加以描述以描述 。2、流體的特征：、流體的特征：1、流體是所有氣體和液體的總稱。、流體是所有氣體和液體的總稱。b、具有流動性，即抗剪抗張能力都很小、具有流動性，即抗剪抗張能力都很小 ；無固定形狀，隨容器形狀；無固定形狀，隨容器形狀而變化；而變化；c、受外力作用時，內(nèi)部產(chǎn)生相對運動與固體運動的主要區(qū)別）。、

5、受外力作用時，內(nèi)部產(chǎn)生相對運動與固體運動的主要區(qū)別）。流體質(zhì)點：指含有大量分子的流體微團(tuán)流體質(zhì)點：指含有大量分子的流體微團(tuán) 其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺 寸，遠(yuǎn)大于分子自由程寸，遠(yuǎn)大于分子自由程3、連續(xù)性假定、連續(xù)性假定連續(xù)性假定：連續(xù)性假定： 可以使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具加以描述可以使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具加以描述 假定流體是由大量質(zhì)點微團(tuán)所組成假定流體是由大量質(zhì)點微團(tuán)所組成 可看作彼此間沒有空隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)可看作彼此間沒有空隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì) 物理性質(zhì)和運動參數(shù)在空間作連續(xù)分布物理性質(zhì)和運動參數(shù)在空間作連續(xù)分布 但流體質(zhì)點模型的使用是有條件的。當(dāng)特性長度與平

6、均自但流體質(zhì)點模型的使用是有條件的。當(dāng)特性長度與平均自由程之比大于由程之比大于103-4時，就可以使用流體質(zhì)點模型，否則時，就可以使用流體質(zhì)點模型，否則流體質(zhì)點模型就不適用。流體質(zhì)點模型就不適用。 如如1mm3常溫常壓氣體含常溫常壓氣體含2.51015個分子，分子平均自由個分子，分子平均自由程為程為0.1 m數(shù)量級，此時不能使用流體質(zhì)點模型。數(shù)量級，此時不能使用流體質(zhì)點模型。 在在100km的高空，壓力約為的高空，壓力約為0.133Pa，空氣中氧氣和氮氣，空氣中氧氣和氮氣分子的平均自由程約為分子的平均自由程約為1m，這時仍可使用流體質(zhì)點模型，這時仍可使用流體質(zhì)點模型，但在直徑為但在直徑為1m的

7、容器內(nèi)，如壓力也為的容器內(nèi)，如壓力也為0.133Pa，則不能使，則不能使用流體質(zhì)點模型。用流體質(zhì)點模型。 所以，在絕大多數(shù)情況下流體的連續(xù)性假設(shè)是成立的，只所以，在絕大多數(shù)情況下流體的連續(xù)性假設(shè)是成立的，只是高真空稀薄氣體的情況下連續(xù)性假定不成立。是高真空稀薄氣體的情況下連續(xù)性假定不成立。 （1 1拉格朗日法拉格朗日法 選定一個流體質(zhì)點，跟蹤觀察，描述運動參數(shù)與時間的選定一個流體質(zhì)點，跟蹤觀察，描述運動參數(shù)與時間的關(guān)系。關(guān)系。 同對固體的質(zhì)點運動的描述：同對固體的質(zhì)點運動的描述：X=X=1(t)1(t)（如：觀看球賽）（如：觀看球賽）4、運動的描述方法、運動的描述方法（2 2歐拉法歐拉法在固定

8、位置上觀察流體質(zhì)點的運動情況，描述運動參在固定位置上觀察流體質(zhì)點的運動情況，描述運動參數(shù)在指定空間和時間的變化數(shù)在指定空間和時間的變化 ux=x(x,y,z,t) uy=y(x,y,z,t) x,y,z為位置坐標(biāo)，為位置坐標(biāo)，t為時間為時間 uz=z(x,y,z,t)（如：交通流量測量點）（如：交通流量測量點）拉格朗日法描述的是同一質(zhì)點在不同時刻的狀態(tài)。拉格朗日法描述的是同一質(zhì)點在不同時刻的狀態(tài)。系統(tǒng)：包含眾多流體質(zhì)點的集合。系統(tǒng)與外界有力的作用系統(tǒng)：包含眾多流體質(zhì)點的集合。系統(tǒng)與外界有力的作用與能量的交換，但沒有質(zhì)量交換。系統(tǒng)的邊界的形狀和大與能量的交換，但沒有質(zhì)量交換。系統(tǒng)的邊界的形狀和大

9、小隨著時間而變化。小隨著時間而變化。（3 3二法比較和選擇二法比較和選擇歐拉法描述的是空間各點的狀態(tài)及其與時間的關(guān)系。歐拉法描述的是空間各點的狀態(tài)及其與時間的關(guān)系?？刂企w：當(dāng)劃定一固定的空間體積來考察問題，該空間稱為控制體：當(dāng)劃定一固定的空間體積來考察問題，該空間稱為控制體。流體可以進(jìn)出控制體，控制體與外界也可以有力的控制體。流體可以進(jìn)出控制體，控制體與外界也可以有力的作用和能量的交換。（是本課程常用的考察方法）作用和能量的交換。（是本課程常用的考察方法）定態(tài)流動指運動空間各點的狀態(tài)不隨時間而變化的流動定態(tài)流動指運動空間各點的狀態(tài)不隨時間而變化的流動 即：即：( )=0 ( )=0 ( )=0

10、tuxtuytuz5、定態(tài)流動與非定態(tài)流動、定態(tài)流動與非定態(tài)流動那么那么 ux=x(x,y,z) uy=y(x,y,z) uz=z(x,y,z)表明流動的速度只隨空間位置而變，而與時間無關(guān)。表明流動的速度只隨空間位置而變，而與時間無關(guān)。如：河水在河床中流動；工業(yè)生產(chǎn)流水線中的工種如：河水在河床中流動；工業(yè)生產(chǎn)流水線中的工種（2 2） 流線：同一瞬時不同質(zhì)點的速度方向，流線上各點的流線：同一瞬時不同質(zhì)點的速度方向，流線上各點的 切線表示該點的速度方向。這是采用歐拉法考察的結(jié)果切線表示該點的速度方向。這是采用歐拉法考察的結(jié)果 abca,b,c為同一瞬時各質(zhì)點，箭頭為運動方向為同一瞬時各質(zhì)點，箭頭為

11、運動方向 6、流線與軌線、流線與軌線（1 1） 軌線：同一流體質(zhì)點不同時刻所占空間位置的連線即軌線：同一流體質(zhì)點不同時刻所占空間位置的連線即 質(zhì)點運動軌跡。這是采用拉格朗日法考察流體運動的結(jié)果質(zhì)點運動軌跡。這是采用拉格朗日法考察流體運動的結(jié)果在定態(tài)流動過程中，流線和軌線重合在定態(tài)流動過程中，流線和軌線重合 （各位置上流體的速度不隨時間而變化）（各位置上流體的速度不隨時間而變化） （3 3流線與軌線的比較流線與軌線的比較 軌線描述的是同一質(zhì)點在不同時間的位置軌線描述的是同一質(zhì)點在不同時間的位置 流線表示的則是同一瞬間不同質(zhì)點的速度方向流線表示的則是同一瞬間不同質(zhì)點的速度方向二、流體流動中的作用力

12、二、流體流動中的作用力 1、 體積力：作用于流體每一個質(zhì)點上的力體積力：作用于流體每一個質(zhì)點上的力 體積力正比例于質(zhì)量，又稱為質(zhì)量力體積力正比例于質(zhì)量，又稱為質(zhì)量力 在重力場中體積力即重力，在離心場中為離心力在重力場中體積力即重力，在離心場中為離心力2、表面力：作用于所研究流體體積表面上的力、表面力：作用于所研究流體體積表面上的力 表面力正比例于表面積表面力正比例于表面積 （1） 壓力：壓力： 垂直于流體表面的力垂直于流體表面的力 壓強(qiáng)壓強(qiáng) p：單位面積上所受的壓力：單位面積上所受的壓力（2） 剪力切力）：平行于表面的力剪力切力）：平行于表面的力 剪應(yīng)力剪應(yīng)力：單位面積上所受的剪力：單位面積上

13、所受的剪力 壓力壓力剪力剪力dydu牛頓粘性定律牛頓粘性定律右右 左左粘性系數(shù)粘度粘性系數(shù)粘度Ns/m2 或或 pasdydu法向速度梯度法向速度梯度1/s 1/s uFAyxdyduAF F : 內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力 粘性流體運動時內(nèi)部的剪切力粘性流體運動時內(nèi)部的剪切力 dydu速度梯度剪應(yīng)力：剪應(yīng)力： 單位面積上的內(nèi)摩擦單位面積上的內(nèi)摩擦力力是動量傳遞的基本方程式是動量傳遞的基本方程式剪應(yīng)力剪應(yīng)力 的大小實際上代的大小實際上代表了動量傳遞的速率。表了動量傳遞的速率。yuAF3、液體所受剪應(yīng)力與固體所受剪應(yīng)力的區(qū)別：、液體所受剪應(yīng)力與固體所受剪應(yīng)力的區(qū)別：固體：固體：剪切變形剪切彈性模量GG液體

14、：液體：dydu(1) 與固體表面的摩擦力不同，內(nèi)摩擦力與法向壓力無關(guān)。(2) 固體的剪應(yīng)力正比于剪切變形角變形固體的剪應(yīng)力正比于剪切變形角變形d ，而流體的剪應(yīng)力，而流體的剪應(yīng)力正比于剪切變形的速率，這里的速度梯度就是變形的速率正比于剪切變形的速率，這里的速度梯度就是變形的速率d/dt。dydudtddydudtd靜止的流體不能承受剪應(yīng)力靜止的流體不能承受剪應(yīng)力(哪怕是非常微小的剪應(yīng)力哪怕是非常微小的剪應(yīng)力)和剪切變形。和剪切變形。固體可以承受很大的剪應(yīng)力和抵抗剪切變形。固體可以承受很大的剪應(yīng)力和抵抗剪切變形。 (3)剪應(yīng)力的大小代表了動量傳遞的速率。剪應(yīng)力的大小代表了動量傳遞的速率。sms

15、mkgmsmkgmNp21222a的單位dy)u(ddydu單位時間，單位面積上所傳遞的動量。單位時間，單位面積上所傳遞的動量。動量梯度產(chǎn)生動量傳遞。動量梯度產(chǎn)生動量傳遞。sm2運動粘度，單位運動粘度，單位:31msmkg:u的單位dy)u(d - -動力粘度，單位：動力粘度，單位：PaPa s s牛頓黏性定律的另一種牛頓黏性定律的另一種表達(dá)法。表達(dá)法。（4）、流體中的動量傳遞的進(jìn)一步說明實際流體變形需要一定的力。這個力體現(xiàn)為流體內(nèi)部的剪切力，其大小與流體的密度及粘度等性質(zhì)有關(guān)。這一現(xiàn)象可以用分子運動學(xué)說來解釋： yu(b) 流體的動量傳遞(a)u22211u1 由分子運動學(xué)說可見，剪應(yīng)力的產(chǎn)

16、生，是由于不同流體層的分子具有不同速度，或即不同的動量所致。全面討論： dyudVmuu 單位體積流體所具有的動量； dyud 比例系數(shù)，稱為動量擴(kuò)散系數(shù) ，sm /2關(guān)于正負(fù)號的說明：關(guān)于正負(fù)號的說明：對剪應(yīng)力：對剪應(yīng)力：“+” 表示剪應(yīng)力的方向和流向一致；表示剪應(yīng)力的方向和流向一致； “-” 表示剪應(yīng)力的方向和流向相反。表示剪應(yīng)力的方向和流向相反。 是在 方向上的 變化率，稱為動量梯度；yu動量傳遞速率，即單位 時間單位面積的動量對動量傳遞：取對動量傳遞：取“-”，表示動量傳遞的方向和動量梯度，表示動量傳遞的方向和動量梯度 的方向相反。的方向相反。由圖可見，動量傳遞的方向和剪應(yīng)力的方向互相

17、垂直。由圖可見，動量傳遞的方向和剪應(yīng)力的方向互相垂直。用動量傳遞推導(dǎo)粘度的數(shù)值用動量傳遞推導(dǎo)粘度的數(shù)值 mu31動量擴(kuò)散系數(shù)等于分子平均速度和分子平均自由程的乘積的 31 由氣體分子運動學(xué)說,可以估計分子的平均速度 和分子平均自由程 的值, 從而估計出粘度 的數(shù)值,它在數(shù)量級上是正確的，說明這一理論的正確性。vmu 4、粘度、粘度 流體的一種物理特性流體的一種物理特性, 是流體粘性的度量。粘性的本質(zhì)是流體粘性的度量。粘性的本質(zhì)是分子間的引力與分子間的運動和碰撞，是分子間的引力與分子間的運動和碰撞， 是分子微觀運動的是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)。服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體大多數(shù)宏觀表現(xiàn)。服

18、從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體大多數(shù)如水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動規(guī)律。如水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動規(guī)律。 氣體粘度液體粘度氣體粘度液體粘度T 氣體粘度氣體粘度（分子引力減小，運動加劇，運動力是主（分子引力減小，運動加劇，運動力是主要的要的T 液體粘度液體粘度（分子引力減小是主要的，運動力（分子引力減小是主要的，運動力是次要的）是次要的）其大小因流體而異，只與溫度有關(guān)，與速度梯度無關(guān)。其大小因流體而異，只與溫度有關(guān)，與速度梯度無關(guān)。 壓力對液體粘度影響很小，可以忽略不計；氣體粘度在壓壓力對液體粘度影響很小，可以忽略不計；氣體粘度在壓力不是極高或極低的條件下，可以認(rèn)

19、為與壓力無關(guān)。力不是極高或極低的條件下，可以認(rèn)為與壓力無關(guān)。 粘度單位粘度單位物理制物理制( (厘米厘米克克秒制秒制) ) 泊泊( (達(dá)因達(dá)因秒秒/ /厘米厘米2)2) 1 1厘泊厘泊=(1/100)=(1/100)泊泊國際制國際制(SI) Ns/m2 (SI) Ns/m2 帕斯卡帕斯卡秒寫作秒寫作PasPas）單位制換算單位制換算1 1厘泊厘泊=(1/100)=(1/100)泊泊=(1/1000)Ns/m2=1/1000 Pas=(1/1000)Ns/m2=1/1000 Pas1 CP = 1/100 P = 1/1000 pas1 CP = 1/100 P = 1/1000 pas運動黏度

20、運動黏度/)s(m1221cmst （斯托克斯，S ，簡稱沲）4211st100cSt10 m s（厘沲） 非牛頓型流體非牛頓型流體 凡是剪應(yīng)力與速度梯度不符合牛頓粘性定律的流體凡是剪應(yīng)力與速度梯度不符合牛頓粘性定律的流體均稱為非牛頓型流體，如膠體溶液、泥漿、乳濁液、長均稱為非牛頓型流體，如膠體溶液、泥漿、乳濁液、長鏈聚合物溶液、涂料及混凝土等。鏈聚合物溶液、涂料及混凝土等。 非牛頓型流體的剪應(yīng)力與速度梯度成曲線關(guān)系，或非牛頓型流體的剪應(yīng)力與速度梯度成曲線關(guān)系，或者成不過原點的直線關(guān)系，如下圖。者成不過原點的直線關(guān)系，如下圖。 賓漢塑性流體 漲塑性流體 牛頓流體 假塑性流體 du/dy 剪應(yīng)力與速度梯度關(guān)系 5、管截面的速度分布：、管截面的速度分布： 剪應(yīng)力及流體的粘度是有限值，故速度梯度也只能是有限值，相鄰流體層的速度只能連續(xù)變化。粘度不為零粘度不為零管壁速度為零管壁速度為零管中心速度最大管中心速度最大粘度為零理想流體）粘度為零理想流體）速度分布均勻速度分布均勻三、流體流動中的機(jī)械能三、流體流動中的機(jī)械能 位能位能 動能動能 壓強(qiáng)能壓強(qiáng)能機(jī)械能機(jī)械能內(nèi)