流體流動概述

關于流體流動概述1第1頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三2教學目的：重點難點：課型：教學方法：1.3流體流動概述根據(jù)物料衡算和能量衡算推導出連續(xù)性方程和柏努利方程，進一步理解緒論中提出的化工基礎中的基本規(guī)律，并討論它們在實際生產(chǎn)中的應用。連續(xù)性方程和柏努利方程及其應用理論知識課談話、講述第2頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三3流體靜力學基本方程根據(jù)用液柱表示壓強的方法，p=hg，則在靜止液面下面深度h處的壓強為：（流體靜力學方程）描述靜止流體內(nèi)部壓強的變化規(guī)律第3頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三4定態(tài)流動(steadystate):流體流動的系統(tǒng)中，任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關物理量僅隨位置而改變，但進水溢流u=uNOTE：連續(xù)操作的化工生產(chǎn)中大多數(shù)流動屬于定態(tài)流動。恒位槽不隨時間而改變?？瞻卓瞻?.3.1流體體系的分類一、定態(tài)與非定態(tài)流動第4頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三5非定態(tài)流動(non-steadystate):=f(t)流動過程中任一截面上流體的性質(zhì)（如密度、粘度等）和流動參數(shù)（如流速、壓強等）隨時間而改變。NOTE:非定態(tài)流動時，若流動參數(shù)隨時間呈規(guī)律性的變化，在求算時用微分式子表達，用積分法求解。u第5頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三6若物理量只依賴于一個曲線坐標，則稱此流動為一維流動；依賴于兩個曲線坐標稱為二維流動；依賴于三個曲線坐標則稱為三維流動。應予指出,過程工業(yè)中的流體輸送因多在封閉管道內(nèi)進行，故其流動以一維居多。二、一維與多維流動第6頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三7繞流流動流體繞過一個浸沒的物體流過，故也稱為外部流動。例如細顆粒物在大量流體中的沉降、填充床內(nèi)的流動等。封閉管道內(nèi)的流動被輸送的流體在管路中的流動。研究流體在管路中的流動規(guī)律是本章的重要內(nèi)容。三、繞流與封閉管道內(nèi)的流動第7頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三8體積流量：單位時間內(nèi)通過導管任一橫截面的流體的體積，稱為體積流量，qV,s流量(flow,flux)體積流量(volumeflowrate)質(zhì)量流量(massflowrate)質(zhì)量流量：單位時間內(nèi)通過導管任一橫截面的流體的質(zhì)量，稱為質(zhì)量流量，qm,s（m3?s-1）。（kg?s-1）。qm,s=

qV,s?摩爾流量:單位時間內(nèi)通過導管任一橫截面的流體的物質(zhì)的量，稱為摩爾流量，qn(mol.s-1)

摩爾流量(molarflowrate)1.3.2流量與平均流速第8頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三9流速(velocityofflow)※點速度(spotspeed)：單位時間內(nèi)流體質(zhì)點在流動方向上通過的距離，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，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三10管徑的計算∴qV,s是由生產(chǎn)任務決定的ud材料費用設備費用阻力能量消耗操作費用優(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，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三111.3.3流體流動的型態(tài)與雷諾數(shù)一、雷諾實驗

1883年,英國物理學家OsboneReynolds作了如下實驗。溢流示蹤劑恒位槽閥門第11頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三12雷諾實驗現(xiàn)象：兩種穩(wěn)定的流動狀態(tài)：層流、湍流。用紅墨水觀察管中水的流動狀態(tài)(a)層流(b)過渡流(c)湍流第12頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三13湍流：主體做軸向運動，同時有徑向脈動；特征：流體質(zhì)點的脈動。層流：*流體質(zhì)點做直線運動；*流體分層流動，層間不相混合、不碰撞；*流動阻力來源于層間粘性摩擦力。

過渡流：不是獨立流型（層流+湍流），流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉變）。第13頁，講稿共36頁，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)定的過渡流第14頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三15（1-26）式中Lp—流道的潤濕周邊長度，m；

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

在流場中任意劃定一個封閉空間作為研究對象,稱這個空間為控制體。s1s2s3u1u2u3控制體第16頁，講稿共36頁，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)流動時，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，講稿共36頁，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對不可壓縮性流體：1

=2總管支管1支管2（園管）第18頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三191.4.2總能量衡算方程一、流動系統(tǒng)的總能量衡算方程圖1-12流動系統(tǒng)的總能量衡算1-換熱器;2-流體輸送機械第19頁，講稿共36頁，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+作功機械對流體作功速率則熱力學第一定律可表述為第20頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三21流體流動時所具有的能量：1/2qm?u2qmgZ位能(potentialenergy):(J/s)動能(energyofmotion):(J/s)內(nèi)能(internalenergy):(J/s)qmU壓力能(staticenergy):(J/s)第21頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三22質(zhì)量為m、體積為qV1的流體，通過截面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?shù)膲毫δ?/p>

壓力能=壓力能(staticenergy):[J/s]1第22頁，講稿共36頁，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、流動系統(tǒng)的總能量衡算方程定態(tài)流動過程的總能量衡算方程(J/s)(J/kg)第23頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三241.機械能的轉換與損失式1-33中所包括的能量機械能動能位能壓力能（流動功）外功內(nèi)能和熱第24頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三25流體輸送過程中各種機械能相互轉換。由于流體的黏性作用，流體輸送過程中還消耗部分機械能，將其轉化為流體的內(nèi)能。以流體在水平管道內(nèi)的流動來說明。二、流動系統(tǒng)的機械能衡算方程理想流體流動時，若流動過程中沒有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒有變化，則能量衡算可以只考慮機械能之間的相互轉換。第25頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三26對于理想流體的流動，又無外功加入或二、流動系統(tǒng)的機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，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三27對于實際不可壓縮流體，ρ為常數(shù)或二、流動系統(tǒng)的機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，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三28三、對伯努利方程的討論 式1-38表明，理想流體在管路中作定態(tài)流動而又無外功加入時，在任一截面上單位質(zhì)量流體所具有的總機械能相等，換言之，各種機械能之間可以相互轉化，但其總量不變。1.(1-38a)能量轉換06第28頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三29三、對伯努利方程的討論 2.伯努利方程的其他形式：將各項均除以重力加速度g

令(m)位頭速度頭動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)稱為壓頭(head)。第29頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三30三、對伯努利方程的討論 3.有效功率Pe(J/s)：輸送機械在單位時間內(nèi)所作的有效功稱為有效功率，用下式計算

(1-39)第30頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三311.4.3機械能衡算方程的應用Bernoulli方程在工程上用以計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流體流動方面的問題。1、作圖：根據(jù)題意畫出示意圖，注明有關參數(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：與流體流動方向垂直；兩截面間的流體是連續(xù)的；截面應包括題目所給的已知和未知條件3、選基準水平面：任意選取，但常將它與一個截面重合，計算方便。若截面不是水平面，則以中心線進行計算。4、單位要一致：統(tǒng)一使用SI單位；壓強的表示方法要一致。NOTE：第31頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三32習題

流體輸送設備所需功率的計算習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實際需功率：Pa=Pe/第32頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三33例2容器間相對位置的計算從高位槽向塔內(nèi)進料，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），試問高位槽的液位要高出進料口多少米？？

p1=0Pa（表壓）；p2=0Pa（表壓）第33頁，講稿共36頁，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，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三35Bernoulli方程的應用舉例6m解：V?v截面1截面2HfHe基準水平面