化工原理第一章(1.2)(1)

1、返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件1.2 管內(nèi)管內(nèi)流體流體流動流動的基本方程的基本方程1.2.1 流體的流量與流速流體的流量與流速 1.2.2 定態(tài)流動與非定態(tài)流動定態(tài)流動與非定態(tài)流動1.2.3 定態(tài)流動系統(tǒng)的定態(tài)流動系統(tǒng)的質量質量守恒守恒（重點）（重點） 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 1.2.4 定態(tài)流動系統(tǒng)的能量守恒定態(tài)流動系統(tǒng)的能量守恒（重點）（重點） 柏努利方程柏努利方程 返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件1.2 流體動力學流體動力學1. 體積流量體積流量 單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積。 VSm3/s或m3/h2.2.質量流量質量流量

2、 單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質量。 mSkg/s或kg/h。 一、流量一、流量1.2.1 流體的流量與流速流體的流量與流速體積流量與質量流量的關系：體積流量與質量流量的關系：m ms s= =VsVs 返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件二、流速二、流速2. 2. 質量流速質量流速 單位時間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質量。1.1. 流速流速 （平均平均流速）流速）單位時間內(nèi)流體質點在流動方向上所流經(jīng)的距離。 AVuskg/（m2s）uAVAmGssm/s流量與流速的關系：流量與流速的關系： G G= =m ms s/A=/A=VsVs/A=/A=u u管內(nèi)流體流速

3、分布返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件uVds4對于圓形管道：流量VS一般由生產(chǎn)任務決定。流速選擇：三、管徑的估算管徑的估算 d 設備費用 u 流動阻力 動力消耗 操作費均衡考慮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 返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件常用流體適宜流速范圍：常用流體適宜流速范圍： 水及一般液體 13 m/s粘度較大的液體 0.51 m/s低壓氣體 815 m/s壓力較高的氣體 1525 m/s 計算計算d d計算實際流速計算實際流速u u實實圓整（規(guī)格化，去標準管徑）圓整（規(guī)格化，去標準管徑） 選定流速選定流

4、速u u 管徑的選擇：管徑的選擇： 返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件 1.2.2 定態(tài)流動與非定態(tài)流動定態(tài)流動與非定態(tài)流動定態(tài)流動定態(tài)流動：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量僅隨位置變化，而不隨時間變化； 非定態(tài)流動非定態(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。),(,zyxfupT),(,tzyxfupT0tu0tu返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件1.2.3 定態(tài)流動系統(tǒng)的質量守恒定態(tài)流動系統(tǒng)的質量守恒連續(xù)性方程連續(xù)性方程 對于穩(wěn)定流動系統(tǒng)，在管對于穩(wěn)定流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失的情路中流體沒有增加和漏失的

5、情況下符合況下符合質量守恒原理質量守恒原理 ： 21ssmm222111AuAu推廣至任意截面 常數(shù)uAAuAums222111連續(xù)性方程連續(xù)性方程11 2 2（1）推導）推導返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件常數(shù)uAAuAuVs2211（2）討論）討論.Const對于在圓管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動的不可壓縮流體：2121221ddAAuu 即管路中任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比 。（3）適用條件）適用條件 流體流動的連續(xù)性方程式僅適用于穩(wěn)定流動時的連續(xù)性流體。對不可壓縮性流體，返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件例例1-31-3 如附圖所示，管路由一

6、段894mm的管1、一段1084mm的管2和兩段573.5mm的分支管3a及3b連接而成。若水以9103m/s的體積流量流動，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。 3a123b返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件1.2.4 定態(tài)流動系統(tǒng)的能量守恒定態(tài)流動系統(tǒng)的能量守恒柏努利方程柏努利方程 一、總能量衡算一、總能量衡算qeWep2,u2,2p1,u1,1221100z2z1衡算范圍：衡算范圍：1-1、2-2截面以及管內(nèi)壁所圍成的空間截面以及管內(nèi)壁所圍成的空間;衡算基準：衡算基準：1kg流體流體; 基準面：基準面：0-0水平面水平面返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電

7、子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件分析分析1流體進、出系統(tǒng)時輸入與輸出的能量項：流體進、出系統(tǒng)時輸入與輸出的能量項：（1）內(nèi)能 貯存于物質內(nèi)部的能量。 1kg流體具有的內(nèi)能為U（J/kg）。（2）位能 流體受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流體所具有的位能為zg（J/kg）。 （3）動能 1kg的流體所具有的動能為 (J/kg) 221u返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件（4）靜壓能 靜壓能= pVAVpAFl1kg的流體所具有的靜壓能為 pmpV(J/kg)（5）熱 設換熱器向1kg流體提供的熱量為 (J/kg)。 eqlAV（6）外功(有效功) 1kg流

8、體從流體輸送機械所獲得的能量為We (J/kg)。返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件能能 量量形形 式式 意意 義義 kg流體的能量流體的能量J/kg 輸輸 入入 輸輸 出出 內(nèi)能內(nèi)能 物質內(nèi)部能量的總和物質內(nèi)部能量的總和 U U1 1 U U2 2 位能位能 將將1kg1kg的流體自基準水平面升的流體自基準水平面升舉到某高度舉到某高度Z Z所作的功所作的功 gZgZ1 1 gZgZ2 2 動能動能 將將1kg1kg的流體從靜止加速到速的流體從靜止加速到速度度u u所作的功所作的功 靜壓能靜壓能1kg1kg流體克服截面壓力流體克服截面壓力p p所作的所作的功功( (注

9、意理解靜壓能的概念注意理解靜壓能的概念)p p1 1v v1 1 p p2 2v v2 2 熱熱 換熱器向換熱器向1 kg1 kg流體供應的或從流體供應的或從1kg1kg流體取出的熱量流體取出的熱量 Q Qe e( (外界向外界向系統(tǒng)正）系統(tǒng)正）外功外功 1kg1kg流體通過泵流體通過泵( (或其他輸送設或其他輸送設備備) )所獲得的有效能量所獲得的有效能量. . W We e 表1-1 1kg 1kg 流體進、出系統(tǒng)時輸入和輸出的能量流體進、出系統(tǒng)時輸入和輸出的能量2112u2212u返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件根據(jù)能量守恒定律，連續(xù)穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量衡算：

10、2222221121112121pugzUqWpugzUeepuzgUqWee221以上能量形式可分為兩類： 機械能：位能、動能、靜壓能及外功，可用于輸 送流體； 內(nèi)能與熱：不能直接轉變?yōu)檩斔土黧w的能量。(熱力學第一定律) 為得到適用流體輸送系統(tǒng)的機械能變化關系式，需將為得到適用流體輸送系統(tǒng)的機械能變化關系式，需將U和和Qe消去。消去。=輸入能輸出能,亦即: 返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件2實際流體的機械能衡算實際流體的機械能衡算 假設 流體不可壓縮， 則 流動系統(tǒng)無熱交換，則 流體溫度不變， 則 21 0eq21UU (1) 以單位質量流體為基準 設1kg流體損

11、失的能量為Wf（J/kg），有： feWpugzWpugz222212112121(1)式中各項單位為J/kg。并且實際流體流動時有能量損失。返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件（2）以單位重量流體為基準 將(1)式各項同除重力加速度g :gWgpugzgWgpugzfe222212112121令 gWHeegWhff則 fehgpugzHgpugz222212112121（2）式中各項單位為mNJkgNkgJ/返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件z 位壓頭gu22動壓頭He外加壓頭或有效壓頭。gp靜壓頭總壓頭hf壓頭損失返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理

12、電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件（3）以單位體積流體為基準 將(1)式各項同乘以 :feWpugzWpugz222212112121式中各項單位為PamJmkgkgJ33（3）feppugzWpugz222212112121fp壓力損失返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件3理想流體的機械能衡算理想流體的機械能衡算 理想流體是指流動中沒有摩擦阻力的流體。 gpugzgpugz222212112121222212112121pugzpugz（4）（5）柏努利方程式柏努利方程式 返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件4. 4. 柏努利方程的討論柏努利

13、方程的討論 （1）若流體處于靜止，u=0，Wf=0，We=0，則柏努利方程變?yōu)?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 。2211pgzpgz（2）理想流體在流動過程中任意截面上總機械能、總壓頭為常數(shù)，即.212Constpuzg.212Constgpugz返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件理想流體能量分布機械能轉化返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件 We、Wf 在兩截面間單位質量流體獲得或消耗的能量。 zg、 、 某截面上單位質量流體所具有的位能、動能和靜壓能 ；p221u有效功率 ：eseWmN 軸功率 ：eNN （

14、3）式中各項能量所表示的意義feWpugzWpugz222212112121返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件（4）適用條件：穩(wěn)態(tài)流動；不可壓縮；重力場（5）物理意義：在任一流動截面上單位質量流體的總機械能守恒，而每一種形式的機械能不一定相等，可以相互轉換。 %20121 ppp（6）對于可壓縮性流體，當 時，仍可用該方程計算，但式中的密度應以兩截面的平均密度m代替。而不穩(wěn)定流動的任一瞬間，柏努利方程仍成立。 （7）不同條件下方程形式及衡算基準：1kg，1N，1m3返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件序序號號 適適 用用 條條 件件 方方 程程

15、 形形 式式 以單位質量以單位質量 流體為基準流體為基準以單位重量以單位重量流體為基準流體為基準 1 1穩(wěn)定流動有穩(wěn)定流動有外功輸入不可外功輸入不可壓縮、實際流體壓縮、實際流體 2 2穩(wěn)定流動無穩(wěn)定流動無外功輸入不可外功輸入不可壓縮理想流體壓縮理想流體 3 3不可壓縮流體不可壓縮流體流體處于靜止流體處于靜止狀態(tài)狀態(tài)2111222222efpugZWpugZh1212ppZZgg表表1-2 1-2 柏努利方程的常用形式及其適用條件柏努利方程的常用形式及其適用條件返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件4柏努利方程的應用柏努利方程的應用 管內(nèi)流體的流量； 輸送設備的功率； 管路

16、中流體的壓力； 容器間的相對位置等。利用柏努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件（1）根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，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 ；（2）位能基準面的選取 必須與地面平行； 宜于選取兩截面中位置較低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準面應選過管中心線的水平面。 返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件（4）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。 （5）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。（3）截

17、面的選取 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； 截面宜選在已知量多、計算方便處。 返回華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學化工原理電子課件截面選擇原則用泵將水槽中水打到高位槽。真空表讀數(shù)31925Pa，管路阻力Rf0-2=23u2，管路阻力Rf0-1=4u2 。問題 （1）管內(nèi)流速？ （2）泵所做的功？10211120002121RuPgZuPgZ102111210RuPgZ212142110003192581. 90uu smu/2 . 2120222220002121RuPgZwuPgZekgJwuRgZwee/2212381. 91121202基準一致，壓力基準，位頭基準。通大氣的面，壓力為大氣壓。P(g)=0大截面的流速可忽略不計。u=0選取適當截面，與流向垂直，條件充分。實例實例001m1110m22R2R