清華大學化工原理21第一章流體流動

精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)第一章流體流動第一節(jié)流體流動中的作用力KeyWords:Fluidflow,Shearstress,Fluidstatics,Density,Viscosity,Pressure管道輸送化工過程中的流體流動多相流單元操作中流動現(xiàn)象一、體積力和密度：=m/VpT液體基本不變稍有變化氣體改變改變理氣混合密度：體積分率：XV1XV2氣體：（1m3為基準）總質量＝A＋B＋C液體：1Kg混合液為基準，質量分率：Xw1Xw2＝A＋B＋C二、壓力：1atm=1.013×105N/m2=10.33m（水柱），760mmHg壓力表：表壓＝絕壓－大氣壓真空表：真空度＝大氣壓－絕壓＝－表壓[確切標明（表）、（絕）、（真）]三、剪力、剪應力、粘度：流體沿固體表面流過存在速度分布：：動力粘度、粘性系數(shù)牛頓型塑性非牛頓型假塑性漲塑性粘度：T↑液體↓，氣體↑P↑基本不變基本不變40atm以上考慮變化混合粘度：①不締合混合液體()②低壓下混合氣體第二節(jié)流體靜力學方程一、靜力學基本方程：方向→與作用面垂直靜壓力各方向作用于一點的靜壓力相同同一水平面各點靜壓力相等（均一流體）對于Z方向微元：不可壓縮液體：1、不可壓縮流體條件：2、靜止3、單一連續(xù)流體結論：單一流體連續(xù)時→同一水平面靜壓力相等間斷、非單一流體→逐段傳遞壓力關系二、流體靜力學方程的應用：1、壓差計：微差壓差計①②R很大時，液面相似例：，，若=229.6+27.1=256.7N/m2(表)2、液面計：3、液封4、液體在離心力場內(nèi)的靜力學平衡流體流動的基本方程KeyWords:Massflowrate,Volumetricflowrate,Velocity,Massvelocity,Equationofcontinuity,Bernoulliequation,Potentialenergy,Kineticenergy,Lossofmechanicalenergy,Work流量與流速：體積流量：，質量流量：流速：，質量流速：管路流速：液體0.5～3m/s，氣體10～30m/s綜合考慮：流量生產(chǎn)任務；流速、動力、設備、工藝連續(xù)性方程：流動系統(tǒng)→各截面上：。若圓管三、總能量衡算和柏努利方程：穩(wěn)定流動體系中討論1、與流體有關的能量形式和總能量衡算內(nèi)能，位能，動能，靜壓能（流動功）流體進入劃定體積需要對抗壓力作功，所作功轉化為流體靜壓能帶入劃定體積。質量為m、體積為V的流體，進入劃定體積上游壓力：；所行距離：；_功：流動中存在總能量：；外界輸入：,對兩個不同截面：2、柏努利(Bernoulli)方程式：單位質量流體（比容）根據(jù)熱力學第一定律：W:膨脹功；Q:兩部分環(huán)境Qe和阻力消耗不可壓縮流體：對于理想流體：，無外功，3、討論代表能量的轉化：對于理想流體＝const.；實際流體（非理想）系統(tǒng)能量隨流動↓，實際流體的流動條件＞E出或We>0；Z，p，u，狀態(tài)函數(shù)，LINKWord.Document.8"D:\\MyDocuments\\第三節(jié).doc"OLE_LINK2\a\rWe，過程函數(shù)；當，，，靜力學方程；三種不同形式gZ，gZ，Z（J/kg），（N/m2），（m）(流體柱)<表壓><絕壓>可壓縮流體(p1-p2)/p1>10%。4、使用條件：a、穩(wěn)定流動b、計算空間連續(xù)，不可壓縮c、截面選定：緩變均勻流d、單位一致性e、管內(nèi)流動為平均值四、柏努利方程的應用：畫圖計算步驟：截面選取：①從上游到下游，1-12-2②沿流動方向③計算1-1,2-2間的We和hf基準水平面單位Δ壓差計讀數(shù)R：A、B兩處位能與靜壓能總和之差。均勻管路：*水平管：壓測管指示為靜壓差*均勻管路：壓測管指示為(不一定水平）Δ截面選取：水池：1-1:Z=0,p=0,u=0水池內(nèi)管外：Z=-h,p=hg,u=0噴口出口(內(nèi))：u=u管,p=p塔噴口出口(外)：u=0,p=p塔流向判斷：，求出能否流動是靜力學問題，一旦流動，匯合管路，p2值變化。習題討論課：1－25馬利奧特容器。內(nèi)徑800mm，A管d=25mm。選1－1，2－2。1-26（1）a關閉，b開啟。選1－1，2－2（2）a開啟，b也開啟。選1－1，a-a（3）a、b均關閉，虹吸。第四節(jié)流體流動現(xiàn)象Keywords：Flowphenomena,Reynoldsnumber,Laminarflow,Turbulentflow,Boundarylayer一、剪應力和動量傳遞：粘性定律：多層同心圓式流動剪應力：單位時間通過單位面積的動量動量通量。二、兩種不同的流動形態(tài)上述討論基于不同流體層的假設，但這種假設僅在u很小時才能成立。1、雷諾實驗：u小時，質點沿彼此平行的線運動；u上下波動；u波動加劇，最終全管均一。2、雷諾數(shù)：運動分為滯(層)流、湍(紊)流存在一個臨界速度：(無因次)d：特征長度，Re<2000層流；Re>4000湍流3、雷諾數(shù)的意義：流體流動中慣性力與粘滯力之比u：單位時間通過單位面積的質量kg/m2su2：單位時間通過單位面積的動量慣性力u/d速度梯度，u/d粘滯力u2/u/d=ud/=Reu，Re慣性力占主導地位慣性力加劇湍動u，Re粘滯力占主導地位粘滯力抑制湍動三、管內(nèi)的滯流與湍流分層流動，各質點互瞬間速度uiinstantaneousvelocity滯流不碰撞互不混合，湍流脈動速度uifluctuatingvelocity速度分布為拋物線型時均速度meanvelocity①ui與位置有關中心ui大，壁面ui=0②為穩(wěn)定值，不隨時間變層流湍流1、速度分布：時：Re=1×105左右，n=72、平均速度：n=7，Re↑,n↑,u/umax↑4×103n=61.1×105n=73.2×106n=103、動能：層流時小了一半，但動能項小。4、剪應力：ε:渦流粘度四、邊界層概念：問題的提出：du/dy集中于壁面附近；主體可按理想流體處理分界：99％u以均勻u流近平板2、邊界的形成和發(fā)展受平板影響出現(xiàn)du/dy動量傳遞，邊界層加厚邊界層厚度研究內(nèi)容：邊界層速度分布剪應力，壁面阻力3、邊界層的分離（形體阻力）A:u=0,pmaxAB:u，p，加速減壓BC：u，p，減速升壓C：動能耗盡p最大，分離點。1)流道擴大時造成逆向壓力梯度2)逆壓力梯度容易造成邊界層分離3)邊界層分離造成大量漩渦，增加機械能消耗第五節(jié)流體在管內(nèi)流動阻力KeyWords:Fanningeq.,Hagon-poiseuilleeq.,Hydraulicradius,Suddenexpansionofcrosssection,Suddencontractionofcrosssection,Flowofcompressiblefluids一、阻力損失及通式：沿程阻力三種表示方式：局部阻力[對于水平直管，無外功，pf=-p]推導方便令磨擦因數(shù)。Fanning(范寧)公式：對層流、湍流均適用。求法不同。二、層流時的阻力損失：三、因次分析法：依據(jù)：因次一致性原則，正確描述一物理現(xiàn)象，等式兩邊的物理量因次一致。校驗：定理有m個基本變量，n個基本因次，無因次群為m－n個步驟：1)找出所有相關物理量2)選出基本因次3)列因次關系式4)組成無因次數(shù)群的冪函數(shù)關聯(lián)式:管壁突出部分平均高度。：壓力與慣性力之比四、湍流的阻力損失。令1、實驗關聯(lián)式：柏拉修斯（Blasius）關聯(lián)式：2、圖(Moody圖)滯流區(qū)=64/Re，直線斜率為－1一般情況：定值。（阻力平方區(qū)）五、非圓形管內(nèi)阻力損失：當量直徑4倍水力半徑（HydraulicRadius）矩形：環(huán)隙：de對湍流計算較可靠：矩形a:b<3:1環(huán)隙效果較差對于層流正方形環(huán)隙SuddenExpansionofCrossSection,SuddenContractionofCrossSection六、局部阻力：1、阻力系數(shù)法：(1)突然擴大利用動量衡算：作用于體積上的凈力＝單位時間動量增量利用計算動能較準確，計算動量有一定偏差認為1，0處壓力相同稍大計算hf時用小管平均流速(2)突然縮?。河嬎銜r用小管平均流速。(3)出口：0=1；入口：i=0.5(4)當量長度法：FlowofCompressibleFluids七、可壓縮流體的阻力損失：從微元衡算出發(fā)：對于水平直管：dZ=0，若We=0對于穩(wěn)定流動：A一定，積分：理想氣體（1）等溫過程：右邊第一項：壓力變化引起的動能變化。上述方程可利用理想氣體方程：（2）非等溫過程：絕熱：上述推導存在的問題：無嚴格可逆過程p應使用絕壓管路計算管路計算的依據(jù)和類型柏努利方程依據(jù)：連續(xù)性方程阻力損失關系式類型：1)已知Vs，幾何尺寸，進出口條件，求Ne2)輸送壓頭，幾何尺寸。求3)輸送壓頭，管長，特性求一定Vs下的d幾種典型管路的計算：1、串聯(lián)管路：2、并聯(lián)管路：忽略分流、合流處損失，各管路的流量分配按阻力相同原則3、分支管路：1)2)3)分支處總機械能為定值。4、設計計算按照機械能關系由遠及近計算：5、格努利方程未考慮分支，匯合，但按單位流體可以處理。按分支流量的不同，由實驗測定局部阻力系數(shù)若管路長，可以忽略局部阻力注意從上游到下游幾點討論：1、簡單管路：閥門關小任何局部阻力，將使管路各處的u下游阻力，使上游p連續(xù)介質上游阻力，使下游p固定E處2、分支管路：極端情況：1)總管阻力可以忽略，支管路阻力為主：u0很小，p0為常數(shù)，關小A只影響A流量，不影響B(tài)（供水）2)總管阻力為主，支管阻力可忽略，不變，總流量不因A關閉而變小，“影響分配”3、匯合管路：關小閥門，u3；p0，u1，u2；u2快u2=0，反向流動。從液面恒定的開口高位槽向常壓設備加料，d=40mm，若V’=1.5V，采用如下措施：d’=60mmd1=40mmd2=20mmZ至6m假設，，忽略入口損失及出口動能1)2)3)流量的測定KeyWords:Measurementofflowingfluids,Pitottube,Orificemeter,Venturimefer,Ratometer核心：能量轉換一次儀表的表征-----柏努利方程式的應用一、皮托管：沖壓頭＝靜壓頭(p/)＋動壓頭(u2/2)1)與流動方向平行放置2)內(nèi)管前端敞開3)外管封閉，一段距離后側開孔4)另一端接壓差計，加校正系數(shù)C=0.98～1.0注：測點速度滯流0.5umax測umax湍流0.82umaxumaxRmaxu/umaxL>50D，d<D/50（測氣速）差壓流量計：節(jié)流口面積不變截面流量計：節(jié)流口面積隨流量而二、孔板流量計：孔由小大，45銳孔；測定壓差流量大小1)忽略能量損失2)考慮能量損失3)考慮壓差計接法：a角接法：前后兩塊法蘭上。b徑接法：前一倍D，后D/2，4)CO孔流系數(shù)：C1：能量損失C2：測壓口位置（接法）器件部分A0/A1CO一般由實驗求得：Re，CO不變。ReC極限值(使用范圍)A0/A1，CO，（查圖）一般CO在0.6～0.7之間*安裝方便，但存在較大的永久阻力降。三、文丘里流量計：減少能量損失漸縮漸擴上游：漸縮前D/2下游：喉部尺寸嚴格，造價高，但永久壓力降小。四、轉子流量計Vf轉子體積、Af最大部分面積、f轉子材料密度、流體密度忽略切向力AR：環(huán)隙面積不同流體的標定情況，若CR不變。小結主要關系式：1、靜力學方程：均一靜止流體（連續(xù)），同一水平面壓力相等；非均一靜止流體（間斷），逐段傳遞壓力關系。2、連續(xù)性方程（物料衡算）：用于同一管道系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)流動。1－1與2－2，3－3的關系3、柏努利方程：穩(wěn)態(tài)流動，ρ=const.基準1kg，質量流體截面按流動方向，上游下游，未知量少*同一截面的E值相同。4、阻力計算式當水平均勻管道時相等（均勻管道）試差法，（非線性）二、基本概念要清楚記憶1、量綱定義2、數(shù)量概念：三．幾個重要問題：1、壓差計的指示，指示為：－p若，均勻