化工原理第一章(1.2)(1)

1、返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件1.2 管內(nèi)管內(nèi)流體流體流動(dòng)流動(dòng)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(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)1.2.3 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量質(zhì)量守恒守恒（重點(diǎn)）（重點(diǎn)） 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 1.2.4 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒（重點(diǎn)）（重點(diǎn)） 柏努利方程柏努利方程 返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件1.2 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)1. 體積流量體積流量 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積。 VSm3/s或m3/h2.2.質(zhì)量流量質(zhì)量流量

2、 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)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(zhì)量流量的關(guān)系：體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系：m ms s= =VsVs 返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件二、流速二、流速2. 2. 質(zhì)量流速質(zhì)量流速 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。1.1. 流速流速 （平均平均流速）流速）單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離。 AVuskg/（m2s）uAVAmGssm/s流量與流速的關(guān)系：流量與流速的關(guān)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(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件uVds4對(duì)于圓形管道：流量VS一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇：三、管徑的估算管徑的估算 d 設(shè)備費(fèi)用 u 流動(dòng)阻力 動(dòng)力消耗 操作費(fèi)均衡考慮uu適宜適宜費(fèi)費(fèi)用用總費(fèi)用總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)操作費(fèi) 返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(jì)算計(jì)算d d計(jì)算實(shí)際流速計(jì)算實(shí)際流速u(mài) u實(shí)實(shí)圓整（規(guī)格化，去標(biāo)準(zhǔn)管徑）圓整（規(guī)格化，去標(biāo)準(zhǔn)管徑） 選定流速選定流

4、速u(mài) u 管徑的選擇：管徑的選擇： 返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件 1.2.2 定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量?jī)H隨位置變化，而不隨時(shí)間變化； 非定態(tài)流動(dòng)非定態(tài)流動(dòng)：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時(shí)間變化。),(,zyxfupT),(,tzyxfupT0tu0tu返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件1.2.3 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒連續(xù)性方程連續(xù)性方程 對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，在管對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，在管路中流體沒(méi)有增加和漏失的情路中流體沒(méi)有增加和漏失的

5、情況下符合況下符合質(zhì)量守恒原理質(zhì)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(dǎo)）推導(dǎo)返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件常數(shù)uAAuAuVs2211（2）討論）討論.Const對(duì)于在圓管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)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(dòng)的連續(xù)性方程式僅適用于穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的連續(xù)性流體。對(duì)不可壓縮性流體，返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(dòng)，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(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件1.2.4 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒定態(tài)流動(dòng)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(zhǔn)：衡算基準(zhǔn)：1kg流體流體; 基準(zhǔn)面：基準(zhǔn)面：0-0水平面水平面返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電

7、子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件分析分析1流體進(jìn)、出系統(tǒng)時(shí)輸入與輸出的能量項(xiàng)：流體進(jìn)、出系統(tǒng)時(shí)輸入與輸出的能量項(xiàng)：（1）內(nèi)能 貯存于物質(zhì)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(dòng)能 1kg的流體所具有的動(dòng)能為 (J/kg) 221u返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(shè)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(jī)械所獲得的能量為We (J/kg)。返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(zhì)內(nèi)部能量的總和物質(zhì)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(zhǔn)水平面升的流體自基準(zhǔn)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(dòng)能動(dòng)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(yīng)的或從流體供應(yīng)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(guò)泵流體通過(guò)泵( (或其他輸送設(shè)或其他輸送設(shè)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(jìn)、出系統(tǒng)時(shí)輸入和輸出的能量流體進(jìn)、出系統(tǒng)時(shí)輸入和輸出的能量2112u2212u返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(dòng)系統(tǒng)的能量衡算：

10、2222221121112121pugzUqWpugzUeepuzgUqWee221以上能量形式可分為兩類(lèi)： 機(jī)械能：位能、動(dòng)能、靜壓能及外功，可用于輸 送流體； 內(nèi)能與熱：不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔土黧w的能量。(熱力學(xué)第一定律) 為得到適用流體輸送系統(tǒng)的機(jī)械能變化關(guān)系式，需將為得到適用流體輸送系統(tǒng)的機(jī)械能變化關(guān)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(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件2實(shí)際流體的機(jī)械能衡算實(shí)際流體的機(jī)械能衡算 假設(shè) 流體不可壓縮， 則 流動(dòng)系統(tǒng)無(wú)熱交換，則 流體溫度不變， 則 21 0eq21UU (1) 以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn) 設(shè)1kg流體損

11、失的能量為Wf（J/kg），有： feWpugzWpugz222212112121(1)式中各項(xiàng)單位為J/kg。并且實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)有能量損失。返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件（2）以單位重量流體為基準(zhǔn) 將(1)式各項(xiàng)同除重力加速度g :gWgpugzgWgpugzfe222212112121令 gWHeegWhff則 fehgpugzHgpugz222212112121（2）式中各項(xiàng)單位為mNJkgNkgJ/返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件z 位壓頭gu22動(dòng)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(xué)化工原理

12、電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件（3）以單位體積流體為基準(zhǔn) 將(1)式各項(xiàng)同乘以 :feWpugzWpugz222212112121式中各項(xiàng)單位為PamJmkgkgJ33（3）feppugzWpugz222212112121fp壓力損失返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件3理想流體的機(jī)械能衡算理想流體的機(jī)械能衡算 理想流體是指流動(dòng)中沒(méi)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(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(shuō)明柏努利方程即表示流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律 。2211pgzpgz（2）理想流體在流動(dòng)過(guò)程中任意截面上總機(jī)械能、總壓頭為常數(shù)，即.212Constpuzg.212Constgpugz返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件理想流體能量分布機(jī)械能轉(zhuǎn)化返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件 We、Wf 在兩截面間單位質(zhì)量流體獲得或消耗的能量。 zg、 、 某截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動(dòng)能和靜壓能 ；p221u有效功率 ：eseWmN 軸功率 ：eNN （

14、3）式中各項(xiàng)能量所表示的意義feWpugzWpugz222212112121返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件（4）適用條件：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；不可壓縮；重力場(chǎng)（5）物理意義：在任一流動(dòng)截面上單位質(zhì)量流體的總機(jī)械能守恒，而每一種形式的機(jī)械能不一定相等，可以相互轉(zhuǎn)換。 %20121 ppp（6）對(duì)于可壓縮性流體，當(dāng) 時(shí)，仍可用該方程計(jì)算，但式中的密度應(yīng)以?xún)山孛娴钠骄芏萴代替。而不穩(wěn)定流動(dòng)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(zhǔn)：1kg，1N，1m3返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件序序號(hào)號(hào) 適適 用用 條條 件件 方方 程程

15、 形形 式式 以單位質(zhì)量以單位質(zhì)量 流體為基準(zhǔn)流體為基準(zhǔn)以單位重量以單位重量流體為基準(zhǔn)流體為基準(zhǔn) 1 1穩(wěn)定流動(dòng)有穩(wěn)定流動(dòng)有外功輸入不可外功輸入不可壓縮、實(shí)際流體壓縮、實(shí)際流體 2 2穩(wěn)定流動(dòng)無(wú)穩(wěn)定流動(dòng)無(wú)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?fàn)顟B(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(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件4柏努利方程的應(yīng)用柏努利方程的應(yīng)用 管內(nèi)流體的流量； 輸送設(shè)備的功率； 管路

16、中流體的壓力； 容器間的相對(duì)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(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件（1）根據(jù)題意畫(huà)出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流動(dòng)方向，定出上、下游截面，明確流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍 ；（2）位能基準(zhǔn)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(zhǔn)面應(yīng)選過(guò)管中心線的水平面。 返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件（4）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示方法也應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。 （5）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示方法也應(yīng)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(dòng)方向相垂直； 兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動(dòng)； 截面宜選在已知量多、計(jì)算方便處。 返回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理電子課件華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(wèn)題 （1）管內(nèi)流速？ （2）泵所做的功？10211120002121RuPgZuPgZ102111210RuPgZ212142110003192581. 90uu smu/2 . 2120222220002121RuPgZwuPgZekgJwuRgZwee/2212381. 91121202基準(zhǔn)一致，壓力基準(zhǔn)，位頭基準(zhǔn)。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(jì)。u=0選取適當(dāng)截面，與流向垂直，條件充分。實(shí)例實(shí)例001m1110m22R2R