化工原理第一章

化工原理第一章第1頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2流體動(dòng)力學(xué)1.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。

VS——m3/s或m3/h2.質(zhì)量流量

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量。

mS——kg/s或kg/h。

一、流量1.2.1流體的流量與流速體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系：ms=Vs×ρ

第2頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、流速2.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。流速

（平均流速）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。

kg/（m2·s）m/s流量與流速的關(guān)系：

G=ms/A=Vs×ρ/A=u×ρ管內(nèi)流體流速分布第3頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(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

↑→d↓→設(shè)備費(fèi)用↓流動(dòng)阻力↑→動(dòng)力消耗↑

→操作費(fèi)↑均衡考慮uu適宜費(fèi)用總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)

第4頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三常用流體適宜流速范圍：

水及一般液體1~3m/s粘度較大的液體0.5~1m/s低壓氣體8~15m/s壓力較高的氣體15～25m/s

計(jì)算d計(jì)算實(shí)際流速u實(shí)圓整（規(guī)格化，去標(biāo)準(zhǔn)管徑）

選定流速u管徑的選擇：

第5頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

1.2.2定態(tài)流動(dòng)與非定態(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)：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。第6頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2.3定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒——連續(xù)性方程

對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，在管路中流體沒(méi)有增加和漏失的情況下符合質(zhì)量守恒原理

：

推廣至任意截面

——連續(xù)性方程1122（1）推導(dǎo)第7頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）討論對(duì)于在圓管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的不可壓縮流體：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，第8頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例1-3

如附圖所示，管路由一段φ89×4mm的管1、一段φ108×4mm的管2和兩段φ57×3.5mm的分支管3a及3b連接而成。若水以9×10－3m/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第9頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2.4定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒——柏努利方程

一、總能量衡算衡算范圍：1-1′、2-2′截面以及管內(nèi)壁所圍成的空間;衡算基準(zhǔn)：1kg流體;基準(zhǔn)面：0-0′水平面第10頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分析1㎏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)第11頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）靜壓能

靜壓能=1kg的流體所具有的靜壓能為

(J/kg)（5）熱設(shè)換熱器向1kg流體提供的熱量為(J/kg)。

lAV（6）外功(有效功)1kg流體從流體輸送機(jī)械所獲得的能量為We(J/kg)。第12頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三能量形式

意義

１kg流體的能量J/kg輸入

輸出

內(nèi)能物質(zhì)內(nèi)部能量的總和U1

U2

位能將1kg的流體自基準(zhǔn)水平面升舉到某高度Z所作的功gZ1

gZ2

動(dòng)能將1kg的流體從靜止加速到速度u所作的功

靜壓能1kg流體克服截面壓力p所作的功(注意理解靜壓能的概念)p1v1

p2v2

熱換熱器向1kg流體供應(yīng)的或從1kg流體取出的熱量Qe(外界向系統(tǒng)正）

外功1kg流體通過(guò)泵(或其他輸送設(shè)備)所獲得的有效能量.We

表1-11kg流體進(jìn)、出系統(tǒng)時(shí)輸入和輸出的能量第13頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三根據(jù)能量守恒定律，連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量衡算：

以上能量形式可分為兩類：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ΔU和Qe消去。,亦即:

第14頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．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

(1)以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)

設(shè)1kg流體損失的能量為ΣWf（J/kg），有：(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。第15頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（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:令

則

（2）式中各項(xiàng)單位為第16頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三z——位壓頭——?jiǎng)訅侯^He——外加壓頭或有效壓頭。——靜壓頭總壓頭Σhf——壓頭損失第17頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）以單位體積流體為基準(zhǔn)

將(1)式各項(xiàng)同乘以:式中各項(xiàng)單位為（3）——壓力損失第18頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．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。

（4）（5）——柏努利方程式

第19頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.柏努利方程的討論

（1）若流體處于靜止，u=0，ΣWf=0，We=0，則柏努利方程變?yōu)檎f(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。（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)，即第20頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三理想流體能量分布機(jī)械能轉(zhuǎn)化第21頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三We、ΣWf——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；有效功率：軸功率：（3）式中各項(xiàng)能量所表示的意義第22頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）適用條件：①穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；②不可壓縮；③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。（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ρ應(yīng)以兩截面的平均密度ρm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第23頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三序號(hào)

適用條件

方程形式以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)以單位重量流體為基準(zhǔn)

1①穩(wěn)定流動(dòng)②有外功輸入③不可壓縮、實(shí)際流體

2①穩(wěn)定流動(dòng)②無(wú)外功輸入③不可壓縮理想流體

3①不可壓縮流體②流體處于靜止?fàn)顟B(tài)

表1-2柏努利方程的常用形式及其適用條件第24頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4．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；管路中流體的壓力；容器間的相對(duì)位置等。