第一章流體流動2

1、2022-4-5化工原理 緒論1化化 工工 原原 理理主講人主講人: : 姜美英姜美英2022-4-5化工原理 緒論2第二節(jié)第二節(jié) 流體動力學流體動力學 一、流量與流速一、流量與流速 二、穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動二、穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動 三、穩(wěn)定流動時的物料衡算三、穩(wěn)定流動時的物料衡算連續(xù)性方程連續(xù)性方程 四、穩(wěn)定流動時的能量衡算四、穩(wěn)定流動時的能量衡算伯努利方程伯努利方程 五、伯努利方程的應用五、伯努利方程的應用研究流體流動時研究流體流動時的基本規(guī)律的基本規(guī)律2022-4-5化工原理 緒論32) 質量流量質量流量 :單位時間內流體流經管道任一截面的質量，稱單位時間內流體流經管道任一截面的質量，稱

2、為質量流量，以為質量流量，以qm表示，其單位為表示，其單位為kg/s或者或者 kg/h。1）體積流量）體積流量:單位時間內流體流經管道任一截面的體積，稱為單位時間內流體流經管道任一截面的體積，稱為體積流量，以體積流量，以qV表示，其單位為表示，其單位為m3/s。 qV, m3/h一、流量與流速一、流量與流速1、流量、流量體積流量與質量流量之間的關系為：體積流量與質量流量之間的關系為： qm=qv （1-14）單位時間內流體流經管道任一截面的流體的量，稱為流量，單位時間內流體流經管道任一截面的流體的量，稱為流量，以以V表示，其單位為表示，其單位為m3/s。2022-4-5化工原理 緒論4 實驗證

3、明，流體在管道內流動時，由于流體具有粘性，管實驗證明，流體在管道內流動時，由于流體具有粘性，管道橫截面上流體質點速度是沿半徑變化的。管道中心流速最大，道橫截面上流體質點速度是沿半徑變化的。管道中心流速最大，愈靠管壁速度愈小，在緊靠管壁處，由于液體質點粘附在管壁愈靠管壁速度愈小，在緊靠管壁處，由于液體質點粘附在管壁上，其速度等于零。上，其速度等于零。 流速流速：單位時間內流體質點在流動方向上所流經的距離。單位時間內流體質點在流動方向上所流經的距離。一般是指平均流速。用一般是指平均流速。用u 表示表示 ,單位為單位為m/s 2、流速、流速2022-4-5化工原理 緒論5流速與流量的關系：流速與流量

4、的關系： 流量與流速關系為：流量與流速關系為： AqAqumvAuqqAuqvvm.式中式中 A 管道的截面積，管道的截面積，m222785. 04ddA圓形管道：圓形管道：2022-4-5化工原理 緒論6單位時間內流體流經管道單位截面積的質量稱為質量流速。它單位時間內流體流經管道單位截面積的質量稱為質量流速。它與流速及流量的關系為：與流速及流量的關系為： Gqm/A=Au/A=u （1-17） 由于氣體的體積與溫度、壓力有關，顯然，當溫度、壓力發(fā)由于氣體的體積與溫度、壓力有關，顯然，當溫度、壓力發(fā)生變化時，氣體的體積流量與其相應的流速也將之改變，但其生變化時，氣體的體積流量與其相應的流速也將

5、之改變，但其質量流量不變。此時，采用質量流速比較方便。質量流量不變。此時，采用質量流速比較方便。 3、質量流速、質量流速2022-4-5化工原理 緒論74Vqdu 對于圓形管道：對于圓形管道：流量流量qV一般由生產任務決定。一般由生產任務決定。流速選擇：流速選擇：4. 管徑的估算管徑的估算 d 設備費用設備費用 u 流動阻力流動阻力 動力消耗動力消耗 操作費操作費均衡均衡考慮考慮uu適宜適宜費費用用總費用總費用設備費設備費操作費操作費2022-4-5化工原理 緒論8例例1-7 1-7 某廠要求安裝一根輸水量為某廠要求安裝一根輸水量為30m30m3 3/h/h的管道，試的管道，試選擇合適的管徑。

6、選擇合適的管徑。mmm77077.08.10.78530/3600d0.785uvd 解：依式（解：依式（1-181-18）管內徑為）管內徑為 選取水在管內的流速選取水在管內的流速u u1.8m/s (1.8m/s (自來水自來水1-1.5, 1-1.5, 水水及低粘度液體及低粘度液體1.5-3.0 )1.5-3.0 )2022-4-5化工原理 緒論9思考思考?在流量一定的情況下在流量一定的情況下,管徑管徑是否越小越好是否越小越好?2022-4-5化工原理 緒論10 二、穩(wěn)態(tài)流動與非穩(wěn)態(tài)流動二、穩(wěn)態(tài)流動與非穩(wěn)態(tài)流動穩(wěn)態(tài)流動：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量穩(wěn)態(tài)流動：各截面上的溫度、壓力、流速

7、等物理量僅隨位置變化，而不隨時間變化；僅隨位置變化，而不隨時間變化； 不不穩(wěn)穩(wěn)態(tài)流動：流體在各截面上的有關物理量既隨位態(tài)流動：流體在各截面上的有關物理量既隨位置變化，也隨時間變化。置變化，也隨時間變化。穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動不穩(wěn)定流動不穩(wěn)定流動2022-4-5化工原理 緒論11說明說明： 穩(wěn)定流動中，流速、壓強等有關物理參數只隨空間穩(wěn)定流動中，流速、壓強等有關物理參數只隨空間位置而變，而與時間無關。而不穩(wěn)定流動中，流速、位置而變，而與時間無關。而不穩(wěn)定流動中，流速、壓強等物理參數除與空間位置有關外，還與時間有關。壓強等物理參數除與空間位置有關外，還與時間有關。 在正常情況下，連續(xù)生產過程中的流體流動

8、多屬于在正常情況下，連續(xù)生產過程中的流體流動多屬于穩(wěn)定流動。穩(wěn)定流動。 本著重討論穩(wěn)定流動問題。本著重討論穩(wěn)定流動問題。2022-4-5化工原理 緒論12三、連續(xù)性方程式三、連續(xù)性方程式 如圖所示：如圖所示： 對于穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)，對于穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失的情在管路中流體沒有增加和漏失的情況下：況下： 輸入物料量輸入物料量=輸出物料量輸出物料量21mmqq 222111AuAu 推廣至任意截面推廣至任意截面 常常數數 uAAuAuqm 222111連續(xù)性方程式連續(xù)性方程式11 2 21 1、流體連續(xù)性的假設：、流體連續(xù)性的假設：1)1)連續(xù)不間斷連續(xù)不間斷;1);1)充滿整個管

9、道充滿整個管道 2、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的物料衡算、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的物料衡算-連續(xù)性方程連續(xù)性方程2022-4-5化工原理 緒論13常常數數 uAAuAuqV22111 1、如果流體液體，、如果流體液體，212 2、如果是圓形管道、如果是圓形管道 ：2121221 ddAAuu 結論二：流速與管內徑的平方成反比結論二：流速與管內徑的平方成反比 。討論：討論：結論一：流速與管道截面積成反比結論一：流速與管道截面積成反比注意：流速的變化規(guī)律與管路情況無關注意：流速的變化規(guī)律與管路情況無關2022-4-5化工原理 緒論14四、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量衡算四、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量衡算-伯努利方程式伯努利方程式（一）流體

10、在流動過程中的能量分析（一）流體在流動過程中的能量分析1、本身、本身具 有 的具 有 的機械能機械能能能量量2、從外界、從外界獲得的能量獲得的能量3 、 流 動 過、 流 動 過程中損失的程中損失的能量能量mpmumgz靜壓能動能位能22pugz靜壓能動能位能22以每以每Kg為基準為基準外加功：每外加功：每kg流體從外界流體從外界獲得的能量用獲得的能量用We表示表示能量損失：每能量損失：每kg流體在流動流體在流動過程中損失的能量用過程中損失的能量用hf表示表示2022-4-5化工原理 緒論15220 011z2z111, pu22, puZ1、Z2:分別表示分別表示1-1和和2-2截面截面 與

11、基準面的垂直距離與基準面的垂直距離u1、u2 :分別表示流體在分別表示流體在1-1和和2-2截面處的流速截面處的流速P1、P2 :分別表示流體在分別表示流體在1-1和和2-2截面處的壓強截面處的壓強2022-4-5化工原理 緒論16衡算基準1-1截面2-2截面位能位能動能動能靜壓能靜壓能位能位能動能動能靜壓靜壓能能外加外加功功能量能量損失損失1kg(J/kg)1N(m)各種能量的表達式：各種能量的表達式：gz1gz2221u222u1p2pfhw1z2zgu221gu222gp1gp2HfH輸入系統(tǒng)輸入系統(tǒng)的能量的能量能量損失能量損失輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)的能量的能量能量衡算式：能量衡算式：=+20

12、22-4-5化工原理 緒論17（二）穩(wěn)定系統(tǒng)中的能量衡算（二）穩(wěn)定系統(tǒng)中的能量衡算輸入能量輸入能量=輸出能量輸出能量+能量損失能量損失以每以每kg為為基準基準單 位單 位J/kg（1）zg單位質量流體所具有的位能，單位質量流體所具有的位能，J/kg；p單位質量流體所具有的靜壓能，單位質量流體所具有的靜壓能，J/kg ；221u單位質量流體所具有的動能，單位質量流體所具有的動能，J/kg。各項意義：各項意義：2022-4-5化工原理 緒論18將將(1)(1)式各項同除重力加速度式各項同除重力加速度g :式中各項單位為式中各項單位為mNJN/kgJ/kg z 位壓頭位壓頭gu22動壓頭動壓頭gp

13、靜壓頭靜壓頭總壓頭總壓頭壓頭：單位重量流體所具有的能量。單位是壓頭：單位重量流體所具有的能量。單位是m2022-4-5化工原理 緒論19221211221122fppzuHzuHgggg WHg ffhHg 其中其中He外加壓頭或有效壓頭，外加壓頭或有效壓頭，m;hf壓頭損失，壓頭損失，m。以每以每N重流體為重流體為衡算基準衡算基準以每以每kg重流重流體為衡算基準體為衡算基準2022-4-5化工原理 緒論20（三）伯努利方程的討論（三）伯努利方程的討論 1、如沒有能量損失（稱理想流體）且沒有外加功則：、如沒有能量損失（稱理想流體）且沒有外加功則：2222222111upgZupgZ表明理想流體

14、的機械能守恒，流體流動的過程各種能量表明理想流體的機械能守恒，流體流動的過程各種能量可以相互轉化，流體流動的過程也就是能量轉化的過程?？梢韵嗷マD化，流體流動的過程也就是能量轉化的過程。常數22upgz2022-4-5化工原理 緒論21思考思考1122 11 2 2 如圖所示問流動過程中動能、如圖所示問流動過程中動能、位能、靜壓能如何變化？位能、靜壓能如何變化？動能：變小動能：變小 位能：不變位能：不變 靜壓能：靜壓能增大靜壓能：靜壓能增大動能：不變動能：不變 位能：減小位能：減小 靜壓能：靜壓能增大靜壓能：靜壓能增大2022-4-5化工原理 緒論222、實際流體，如果沒有外加能量，其自發(fā)流動的

15、方向只、實際流體，如果沒有外加能量，其自發(fā)流動的方向只能從能從高能量處高能量處向向低能量處低能量處流動，反之必須輸入外加能量流動，反之必須輸入外加能量泵的有效功率泵的有效功率NeNe ：軸功率軸功率 ：eNN軸vmqgHeqWeNe泵的效率2022-4-5化工原理 緒論233 3、若流體處于靜止，、若流體處于靜止，u=0，hf=0，W=0，則柏努，則柏努利方程變?yōu)槔匠套優(yōu)?說明柏努利方程即表示流體的運動規(guī)律，也表說明柏努利方程即表示流體的運動規(guī)律，也表示流體靜止狀態(tài)的規(guī)律示流體靜止狀態(tài)的規(guī)律 。 2211pgzpgz 2022-4-5化工原理 緒論244、伯努利方程式伯努利方程式適用于不可壓

16、縮性流體。適用于不可壓縮性流體。 對于可壓縮性流體，當對于可壓縮性流體，當 時，仍可時，仍可用該方程計算，但式中的密度用該方程計算，但式中的密度應以兩截面的平均應以兩截面的平均密度密度m代替。代替。%20121 ppp221211221122fppz guWz guh 2022-4-5化工原理 緒論25五、伯努利方程的應用五、伯努利方程的應用 管內流體的流量；管內流體的流量； 輸送設備的功率；輸送設備的功率； 管路中流體的壓力；管路中流體的壓力； 容器間的相對位置等。容器間的相對位置等。利用伯努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：利用伯努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：2022-4-5化工原理 緒論2

17、6（1 1）根據題意根據題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，畫出流動系統(tǒng)的示意圖，標明流體的流動方向，標明流體的流動方向，定出上、下游截面，明確流動系統(tǒng)的衡算范圍定出上、下游截面，明確流動系統(tǒng)的衡算范圍 ；1、應用注意事項、應用注意事項（2 2）選取截面）選取截面目的是目的是確定衡算范圍確定衡算范圍 原則：原則：1 1、與流體的流動方向相垂直；兩截面間流體應、與流體的流動方向相垂直；兩截面間流體應是定態(tài)連續(xù)流動；是定態(tài)連續(xù)流動； 2 2、一律以上游為、一律以上游為1-11-1截面，下游為截面，下游為2-22-2截面；截面； 3 3、截面宜選在已知量多、計算方便處。、截面宜選在已知量多、計算方便處。 2022-4-5化工原理 緒論27（4 4）各物理量的單位應保持一致，壓力表示方法也應一致，）各物理量的單位應保持一致，壓力表示方法也應一致，即同為絕壓或同為表壓。即同為絕壓或同為表壓。 （3 3）選取基準面）選取基準面確定確定Z