流體流動(dòng)概述

關(guān)于流體流動(dòng)概述1第1頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三2教學(xué)目的：重點(diǎn)難點(diǎn)：課型：教學(xué)方法：1.3流體流動(dòng)概述根據(jù)物料衡算和能量衡算推導(dǎo)出連續(xù)性方程和柏努利方程，進(jìn)一步理解緒論中提出的化工基礎(chǔ)中的基本規(guī)律，并討論它們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。連續(xù)性方程和柏努利方程及其應(yīng)用理論知識(shí)課談話(huà)、講述第2頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三3流體靜力學(xué)基本方程根據(jù)用液柱表示壓強(qiáng)的方法，p=hg，則在靜止液面下面深度h處的壓強(qiáng)為：（流體靜力學(xué)方程）描述靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)的變化規(guī)律第3頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三4定態(tài)流動(dòng)(steadystate):流體流動(dòng)的系統(tǒng)中，任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改變，但進(jìn)水溢流u=uNOTE：連續(xù)操作的化工生產(chǎn)中大多數(shù)流動(dòng)屬于定態(tài)流動(dòng)。恒位槽不隨時(shí)間而改變。空白空白1.3.1流體體系的分類(lèi)一、定態(tài)與非定態(tài)流動(dòng)第4頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三5非定態(tài)流動(dòng)(non-steadystate):=f(t)流動(dòng)過(guò)程中任一截面上流體的性質(zhì)（如密度、粘度等）和流動(dòng)參數(shù)（如流速、壓強(qiáng)等）隨時(shí)間而改變。NOTE:非定態(tài)流動(dòng)時(shí)，若流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間呈規(guī)律性的變化，在求算時(shí)用微分式子表達(dá)，用積分法求解。u第5頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三6若物理量只依賴(lài)于一個(gè)曲線坐標(biāo)，則稱(chēng)此流動(dòng)為一維流動(dòng)；依賴(lài)于兩個(gè)曲線坐標(biāo)稱(chēng)為二維流動(dòng)；依賴(lài)于三個(gè)曲線坐標(biāo)則稱(chēng)為三維流動(dòng)。應(yīng)予指出,過(guò)程工業(yè)中的流體輸送因多在封閉管道內(nèi)進(jìn)行，故其流動(dòng)以一維居多。二、一維與多維流動(dòng)第6頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三7繞流流動(dòng)流體繞過(guò)一個(gè)浸沒(méi)的物體流過(guò)，故也稱(chēng)為外部流動(dòng)。例如細(xì)顆粒物在大量流體中的沉降、填充床內(nèi)的流動(dòng)等。封閉管道內(nèi)的流動(dòng)被輸送的流體在管路中的流動(dòng)。研究流體在管路中的流動(dòng)規(guī)律是本章的重要內(nèi)容。三、繞流與封閉管道內(nèi)的流動(dòng)第7頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三8體積流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的體積，稱(chēng)為體積流量，qV,s流量(flow,flux)體積流量(volumeflowrate)質(zhì)量流量(massflowrate)質(zhì)量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的質(zhì)量，稱(chēng)為質(zhì)量流量，qm,s（m3?s-1）。（kg?s-1）。qm,s=

qV,s?摩爾流量:單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的物質(zhì)的量，稱(chēng)為摩爾流量，qn(mol.s-1)

摩爾流量(molarflowrate)1.3.2流量與平均流速第8頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三9流速(velocityofflow)※點(diǎn)速度(spotspeed)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上通過(guò)的距離，uz（m?S-1）※平均流速(averageflowrate)：u=qV,s/A（m?s-1）=4qV/d2※質(zhì)量流速:單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量，kg.s-1.m-2第9頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三10管徑的計(jì)算∴qV,s是由生產(chǎn)任務(wù)決定的ud材料費(fèi)用設(shè)備費(fèi)用阻力能量消耗操作費(fèi)用優(yōu)化：兩者之和最小壁厚外徑附錄十七附錄十八管徑的選擇管子規(guī)格第10頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三111.3.3流體流動(dòng)的型態(tài)與雷諾數(shù)一、雷諾實(shí)驗(yàn)

1883年,英國(guó)物理學(xué)家OsboneReynolds作了如下實(shí)驗(yàn)。溢流示蹤劑恒位槽閥門(mén)第11頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三12雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：層流、湍流。用紅墨水觀察管中水的流動(dòng)狀態(tài)(a)層流(b)過(guò)渡流(c)湍流第12頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三13湍流：主體做軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有徑向脈動(dòng)；特征：流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)。層流：*流體質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)；*流體分層流動(dòng)，層間不相混合、不碰撞；*流動(dòng)阻力來(lái)源于層間粘性摩擦力。

過(guò)渡流：不是獨(dú)立流型（層流+湍流），流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變）。第13頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三14二、雷諾數(shù)①影響狀態(tài)的因素：Re是量綱為一數(shù)群

②圓形直管中

Re≤2000穩(wěn)定的層流

Re≥4000穩(wěn)定的湍流2000＜Re＜4000不穩(wěn)定的過(guò)渡流第14頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三15（1-26）式中Lp—流道的潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度，m；

A—流道的截面積，m2。三、當(dāng)量直徑的概念當(dāng)量直徑水力半徑第15頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三161.4流體流動(dòng)的基本方程控制體：

在流場(chǎng)中任意劃定一個(gè)封閉空間作為研究對(duì)象,稱(chēng)這個(gè)空間為控制體。s1s2s3u1u2u3控制體第16頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三17

1.4.1總質(zhì)量衡算——連續(xù)性方程衡算原則：質(zhì)量守恒原理輸入質(zhì)量流量-輸出質(zhì)量流量=質(zhì)量積累速率截面1截面2定態(tài)流動(dòng)時(shí)，輸入質(zhì)量流率=輸出質(zhì)量流率qm,1=qm,2

（連續(xù)性方程）第17頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三18分支管路：總管中的質(zhì)量流量為各支管質(zhì)量流量之和。qm,s=qV,s·=u·A·A1·u1·1

=A2·u2·2對(duì)不可壓縮性流體：1

=2總管支管1支管2（園管）第18頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三191.4.2總能量衡算方程一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程圖1-12流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算1-換熱器;2-流體輸送機(jī)械第19頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三20流出能量速率－流入能量速率=從外界的吸熱速率+作功機(jī)械對(duì)流體作功速率則熱力學(xué)第一定律可表述為第20頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三21流體流動(dòng)時(shí)所具有的能量：1/2qm?u2qmgZ位能(potentialenergy):(J/s)動(dòng)能(energyofmotion):(J/s)內(nèi)能(internalenergy):(J/s)qmU壓力能(staticenergy):(J/s)第21頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三22質(zhì)量為m、體積為qV1的流體，通過(guò)截面1所需的作用力F1=P1A1，流體推入管內(nèi)所走的距離qV1/A1，故與此功相當(dāng)?shù)膲毫δ?/p>

壓力能=壓力能(staticenergy):[J/s]1第22頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三23根據(jù)能量守恒定律，可得上式經(jīng)整理，可得一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程定態(tài)流動(dòng)過(guò)程的總能量衡算方程(J/s)(J/kg)第23頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三241.機(jī)械能的轉(zhuǎn)換與損失式1-33中所包括的能量機(jī)械能動(dòng)能位能壓力能（流動(dòng)功）外功內(nèi)能和熱第24頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三25流體輸送過(guò)程中各種機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換。由于流體的黏性作用，流體輸送過(guò)程中還消耗部分機(jī)械能，將其轉(zhuǎn)化為流體的內(nèi)能。以流體在水平管道內(nèi)的流動(dòng)來(lái)說(shuō)明。二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算方程理想流體流動(dòng)時(shí)，若流動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒(méi)有變化，則能量衡算可以只考慮機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。第25頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三26對(duì)于理想流體的流動(dòng)，又無(wú)外功加入或二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算方程伯努利(Bernoulli)方程適用條件：不可壓縮理想流體(J/kg)第26頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三27對(duì)于實(shí)際不可壓縮流體，ρ為常數(shù)或二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算方程工程伯努利(Bernoulli)方程適用條件：不可壓縮流體(J/kg)第27頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三28三、對(duì)伯努利方程的討論 式1-38表明，理想流體在管路中作定態(tài)流動(dòng)而又無(wú)外功加入時(shí)，在任一截面上單位質(zhì)量流體所具有的總機(jī)械能相等，換言之，各種機(jī)械能之間可以相互轉(zhuǎn)化，但其總量不變。1.(1-38a)能量轉(zhuǎn)換06第28頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三29三、對(duì)伯努利方程的討論 2.伯努利方程的其他形式：將各項(xiàng)均除以重力加速度g

令(m)位頭速度頭動(dòng)壓頭壓力頭壓頭損失外加壓頭工程上將單位重力的流體所具有的各種形式的能量統(tǒng)稱(chēng)為壓頭(head)。第29頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三30三、對(duì)伯努利方程的討論 3.有效功率Pe(J/s)：輸送機(jī)械在單位時(shí)間內(nèi)所作的有效功稱(chēng)為有效功率，用下式計(jì)算

(1-39)第30頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三311.4.3機(jī)械能衡算方程的應(yīng)用Bernoulli方程在工程上用以計(jì)算流體的流速或流量、流體輸送所需的壓頭和功率以及有關(guān)流體流動(dòng)方面的問(wèn)題。1、作圖：根據(jù)題意畫(huà)出示意圖，注明有關(guān)參數(shù)；2、選截面：正確選取截面，以確定衡算范圍；

截面選取必須具備的條件：與流體流動(dòng)方向垂直；兩截面間的流體是連續(xù)的；截面應(yīng)包括題目所給的已知和未知條件3、選基準(zhǔn)水平面：任意選取，但常將它與一個(gè)截面重合，計(jì)算方便。若截面不是水平面，則以中心線進(jìn)行計(jì)算。4、單位要一致：統(tǒng)一使用SI單位；壓強(qiáng)的表示方法要一致。NOTE：第31頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三32習(xí)題

流體輸送設(shè)備所需功率的計(jì)算習(xí)題用泵將堿液槽中的堿液抽往吸收塔頂，經(jīng)噴頭噴出作吸收劑用。泵的汲入管為21/2“，壓出管為2“。堿液在噴頭口前的靜壓強(qiáng)按壓力指示表為0.3kgf?cm-2(表壓)，密度為1100kg?m-3。輸送系統(tǒng)中壓頭損失為3米堿液柱計(jì)劃送液量為25t?h-1。若泵的效率為55%，試求泵所需的功率。1.5m16m解：HfHe？12基準(zhǔn)面u1=0m?s-1；u2=qv/A2=qm/A2?P1=0Pa(表壓)；P2=0.3kgf?cm-2=3gkPa(表壓)輸送所需理論功率（J?S-1）：Pe=He

?g?qm實(shí)際需功率：Pa=Pe/第32頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三33例2容器間相對(duì)位置的計(jì)算從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液管為φ45×2.5mm的鋼管，要求送液量為3.6m3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為1.2m（不包括出口能量損失），試問(wèn)高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？？

p1=0Pa（表壓）；p2=0Pa（表壓）第33頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三34例2送料用壓縮空氣壓力的確定某車(chē)間用壓縮空氣送20℃的濃硫酸。要求輸送量為0.036m3.min-1，管徑為Ф383mm，設(shè)濃硫酸流經(jīng)全部管路的能量損失為1.22J.N-1（不包括出口的能量損失），試求壓縮空氣的壓力為多少？15m11’22’壓縮空氣？第34頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三35Bernoulli方程的應(yīng)用舉例6m解：V?v截面1截面2HfHe基準(zhǔn)水平面