一章流体流动.ppt

《一章流体流动.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一章流体流动.ppt（129页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、1,第一章 流体流动,2,要求：,1.掌握流体静力学基本方程式及应用； 2.掌握连续性方程及应用； 3.掌握柏努利方程式及应用； 4.掌握流动阻力的计算； 5.掌握管路计算。,3,重点：,1.柏努利方程式及应用； 2.流动阻力的计算； 3.管路计算。,4,流体：液体和气体统称为流体。 在研究流体流动时，通常将流体视为由无数分子集团所组成的连续介质，每个分子集团称为质点。,5,流体的特征是具有流动性。流体在流动过程中具有一定的规律性，这些规律对化工生产具有一定的指导作用，具体表现在以下几个方面：,（1）流体的输送 管径的确定、输送设备的负荷； （2）压强、流速和流量的测量 为仪表测量提供依据；

2、（3）为强化设备提供适宜的流动条件 设备的操作效率与流体流动状况有密切关系。,6,1.1 流体的物理性质,1.1.1 流体的密度,1.定义：单位体积流体所具有的质量，kg/m3。,2.求取： (1)一般可在物理化学手册或有关资料中查得，教材附录中也列出某些常见气体和液体的密度。,7,(2)对理想气体，其密度与压强和温度有关。当实际状态与手册中标明的状态不一致时，需校正。,实际上理想气体的密度可按下式计算：,8,(3)对混合物的平均密度还需通过以下公式计算：,、 ：纯组份A、B的密度，kg/m3； xwA、xwB：A、B的质量分数； xVA、xVB：A、B的体积分数； yA、yB： A、B的摩尔

3、分数。,9,1.1.2 流体的粘度,1.牛顿粘性定律 流体在管内流动时，其速度分布规律为：靠近管中心的速度较大，靠近管壁的速度较小（实验可验证）。,10,流体在圆管内流动时，在一定的条件下可视为被分割成无数层极薄的圆筒，一层套一层，每层称流体层，流体层上各质点的速度相等。 相邻两层中靠近管中心的速度较大，靠近管壁的速度较小。前者对后者起带动作用，后者对前者起拖曳作用，相邻流体层之间的这种相互作用称内摩擦力。,11,带动作用是由流体静压力所产生的，而拖曳作用是由流体内在的一种抗拒向前运动的特性所产生的，这种特性称粘性。 粘性是内摩擦力产生的原因，内摩擦力是粘性的表现。流体在流动时的内摩擦力是流动

4、阻力产生的依据。,12,13,流体在流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关？,14,15,流体在平板间流动时，实验证明：,流体在管内流动时：,牛顿粘性定律,16,17,牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体，包括全部气体与大部分液体。 非牛顿型流体：不服从牛顿粘性定律的流体，包括稠厚液体或悬浮液。,18,2.流体的粘度,2）物理意义 促使流动产生单位速度梯度的剪应力。因此，粘度是流体运动时的特性。,1）定义,19,3）求取： 查手册，或实验测定。 混合物的粘度不能按组分叠加计算，只能用专门的经验公式估计。,20,4）影响因素： 温度：液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升高而增大。 压强：压

5、强变化时，液体的粘度基本不变，气体的粘度随压强增加而增加得很少，只有在极高或极低的压强下，才考虑压强对气体粘度的影响。,21,5）粘度的单位：,P（泊）= g/(cms) 1 P = 100 cP（厘泊） 1 Pas = 10 P = 1000 cP,22,3.理想流体 黏度为零的流体。 严格讲：在流动过程中，流动阻力为零的流体。,23,1.2.1 静止流体的压力,1.定义：,2.单位：,Pa（帕斯卡，SI制）, atm（标准大气压）, 某流体柱高度, kgf/cm2(工程大气压) , bar（巴）等,1.2 流体静力学基本方程式,24,其之间换算关系为：,1 atm = 760 mmHg =

6、 1.0133105 Pa = 1.033 kgf/cm2 = 10.33 mH2O = 1.0133 bar,25,3.表示方法 绝对压强：以绝对零压作起点计算的压强，是流体的真实压强； 表压强：绝对压强比大气压强高出的数值； 真空度：绝对压强低于大气压强的数值。,26,换算关系： 表压强 = 绝对压强 大气压强 真空度=大气压强 绝对压强,例1-2（P17）,27,1.2.2 流体静力学基本方程式,1.内容 描述静止流体内部压力（压强）变化规律的数学表达式。,28,2.使用条件： 静止的同一种连续的流体；流体密度恒定。,由流体静力学基本方程式可得到以下结论：,29,1）当容器液面上方的压强

7、一定时，静止液体内部任一点压强 p 的大小与液体本身的密度和该点距液面的深度 h 有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强都相等。,30,2）当液面上方的压强 p0 改变时，液体内部各点的压强 p 也发生同样大小的改变。 3）式 p = p0 + gh 可该写为：(pp0)/g = h，说明压强差的大小可以用一定高度的液柱表示，但必须标明是何种液体液柱。,31,3.流体静力学基本方程式的推导（自学）,例1-3（P19）,32,1.2.3 流体静力学基本方程式的应用,1.压强与压强差的测量 测量压强的仪表种类很多，其中以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器称液柱压差计，

8、它可测量流体的压强或压强差，其中较典型的有下述两种。,33,1)U管压差计 指示液要与被测流体不互溶，不起化学反应，且其密度应大于被测流体。,34,A：指示液；B：待测液体。,35,36,37,3)微差压差计 压差计内装有两种密度相近且不互溶的指示液A和C，且指示液C与被测流体B亦不互溶。 为了读数方便，使U管的两侧臂顶端各装有扩大室，俗称“水库”。,38,A：指示剂 C：指示剂 B：扩大室,39,例1-4（P21）,40,2.液位的测量,41,3.液封高度的计算 化工生产中一些设备需要液封，液封高度的确定就是根据流体静力学基本方程式来计算的。,例1-8、例1-9（P24）,42,43,1.3

9、 流体在管内的流动,1.3.1 流量与流速,1.流量 单位时间内流过管道任一截面的流体量。,44,质量流量 ws ：流体单位时间内流过管道任一截面的流体质量。,体积流量 Vs ：流体单位时间内流过管道任一截面的流体体积。,45,2.流速 单位时间内流体在流动方向上所流过的距离。由于流体在管截面上的速度分布较为复杂，通常流体的流速指整个管截面上的平均流速，表达式为：,46,由于气体的体积流量随温度和压强的变化而变化，故气体的流速也随之而变，因此采用质量流速较为方便。,质量流速：单位时间内流体流过管道单位截面积的质量。,47,由流量和流速可确定管道的直径 d,流量一般由生产任务所决定。流速的选择视

10、具体情况而定，一般选用经验数据，具体见表1-1（P26），计算得到的管径需进行标准化。,例1-10（P26）,48,1.3.2 定态流动与非定态流动,定态流动：在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量不随时间而变化，这种流动称为定态流动或稳定流动。 非定态流动：在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量随时间而变化，这种流动称为非定态流动或不稳定流动。,49,1进水管 2溢流管 3水箱 4排水管,50,1.3.3 连续性方程式,51,根据物料衡算推导出管道内定态流动的连续性方程式：,若流体视为不可压缩流体，=常数，则有：,52,当体积流量一定时，流速与管径的平方成

11、反比，即：,53,1.3.4 柏努利方程式,1.流动系统的总能量衡算,进出系统的能量：（J/kg） 内能 U 位能 gZ 动能 u2/2 静压能 pv 热能 Q 外功（净功）W,总机械能（总能量）,54,1换热器 2泵,55,根据能量守衡定律可得：,56,2.流动系统的机械能衡算式 与 柏努利（Bernouli）方程式,1）流动系统的机械能衡算式,57,58,2）柏努利（Bernouli）方程式 对不可压缩流体，其比容 和密度 为常数，故有：,59,讨论： 理想流体在管道内作定态时，无外功加入，其总机械能在各截面处相等；,60,有效功率 Ne = We ws 对可压缩流体 ，当( p1 - p

12、2 ) / p1 20% 时，上式仍可用，p 取平均值； 当流体静止时，u = 0，则可得到流体静力学方程式。,61,3.柏努利方程式的表达形式与衡算基准有关 1）以单位质量流体为衡算基准，单位：J/kg,62,2）以单位重量流体为衡算基准，单位：m,分别称位压头、动压头、静压头、压头损失,63,3）以单位体积流体为衡算基准，单位：Pa,64,4.应用柏努利方程式解题要点 （1）作图与确定衡算范围 （2）截面的选取：上、下游截面 （3）基准水平面的选取 （4）单位必须一致,65,p 可采用绝对压强或表压两种表示方法。,66,1.3.5 柏努利方程式的应用,1.确定管道中流体的流量 2.确定容器

13、间的相对位置 3.确定输送设备的有效功率 4.确定管道中流体的压强 5.测定流体流经管道时的能量损失,67,1.4.1 流动类型与雷诺准数,前面所提到的流体内可视为分层流动的型态，仅在流速较小时才出现，流速增大或其他条件改变，会发生另一种与此完全不同的流动型态。这是1883年由雷诺（Reynolds）首先提出的，他曾由实验直接地考察流体流动时的内部情况以及有关因素的影响。,1.4 流体流动现象,68,1.雷诺实验与雷诺准数,1）实验装置,69,2）实验观察到的现象,滞流或称层流,湍流或称紊流,70,3）影响流动类型的因素 流速 u、管径 d、流体的粘度 、密度 能否用更少的参数代替流速、管径、

14、流体的粘度、密度等参数来确定流动类型呢？,71,4）雷诺准数 雷诺通过分析研究发现：将影响流动类型的诸因素组合成数群 du / ，其值的大小可以判断流动属于滞流还是湍流，这个数群称雷诺数，用符号来 Re 表示。单位：m0kg0s0。,72, u2：单位时间通过单位管截面的动量； u / d：流体的剪应力。,雷诺准数的物理意义： 反映了流体在流动过程中惯性力（动量）与黏性力（剪应力）的对比关系。,73,2.滞流与湍流 1）雷诺准数 的不同 实验发现：流体在圆形直管内流动时， Re 2000 滞流或层流 Re 4000 湍流或紊流 2000 Re 4000 过渡流,74,2）流体内部质点的运动方式

15、 滞流：轴向运动 湍流: 轴向运动、径向运动 3）速度分布不同 4）流动阻力产生的依据不同 滞流：内摩擦应力 湍流：内摩擦应力和湍流应力,75,1.4.2 流体在圆管内流动时的速度分布,1）层流,76,设流体在半径为R的水平直管内作滞流流动，于管轴心处取一半径为，长度为的流体柱为研究对象。,推动力摩擦阻力,77,78,79,工程中常以管截面的平均流速来计算流动阻力所引起的压强降。,80,81,2.湍流 由于湍流运动的复杂性，尚未能从理论上推倒出管内的速度分布式，只能用经验公式表达。,R：管的半径， r：点到管壁的距离。 n 的值在 6 至 10 之间，雷诺数愈大，n 的值也愈大，当 Re =

16、105 左右时，n = 7。,82,所以湍流时，流体的平均速度大约等于管中心处最大速度的0.82倍。,平均流速 u：,83,1.4.3 边界层的概念,实际流体与固体壁面作相对运动时，流体内部都有剪应力作用。由于速度梯度集中在壁面附近，故剪应力也集中在壁面附近。远离壁面处的速度变化很小，作用于流体层间的剪应力也小到可以忽略，这部分流体便可以当作理想流体。,84,所以，分析实际流体与固体壁面的相对运动时，应以壁面附近的流体为主要对象。这就是本世纪初普兰德提出的边界层学术的出发点。,85,1.边界层的形成 实际流体沿壁面流动时，可在流体中划分出两个区域： 边界层区：在壁面附近存在较大的速度梯度，流动

17、阻力主要集中在此区域； 主流区（外流区）：速度梯度视为零的区域，流动阻力可以忽略不计。,86,87,88,2.边界层的分离 边界层分离：边界层脱离壁面的现象。 流体流动过程中产生边界层分离而引起机械能损耗，这种阻力称形体阻力。 流体沿壁面流动时的流动阻力称摩擦阻力。,89,90,1.5 流体在管内的流动阻力,流动阻力产生的原因和影响因素：流体具有粘性，使得流体在流动时存在内摩擦力；壁面的形状。所以，流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。,91,由于直管阻力和局部阻力产生的原因不同，故需分开计算。,92,1.5.1 流体在直管中的流动阻力,1.圆形直管阻力,93,9

18、4,95,96,由于总摩擦应力包括粘性摩擦应力和湍流应力，所以流型有影响，另外，管壁的粗糙度也有影响，下面分别加以讨论。,97,2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响,光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管等 粗糙管：钢管、铸铁管等,反映管道的粗糙程度的参数： 绝对粗糙度 相对粗糙度 e = / d,98,滞流：与e无关；湍流：与e有关。,99,3.滞流时的摩擦系数,100,4.湍流时的摩擦系数与量纲分析,1）量纲分析 量纲一致性原则：凡是根据基本物理规律导出的物理方程，其中各项的因次必然相同。,2） 定理：无因次数群1、2的数目i等于影响该现象的物理量数目n减去用以表示这些物理量的基本因次的数目m，即：i

19、= n - m,101,称为欧拉（Euler）准数，用Eu表示。,K，b，k，q值通过实验确定。,102,103,上式称经验关联式或半经验半理论式，计算起来都比较复杂，工程计算中，一般将经验数据进行整理，以 e 为参数，绘出 Re 与 的关系图，根据 e 和 Re 可查得的值。,104,105,由图可看出：摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系可分四个区域：,（1）滞流区 （2）过渡区 （3）湍流区 （4）完全湍流区（阻力平方区）,106,流动阻力 hf 与流速 u 的关系：,107,5.流体在非圆形直管内的流动阻力,水力半径 rH ：流通截面 A 与润湿周边之比。,108,1.5.2 流体在管路

20、中的局部阻力,1.阻力系数法,109,1）突然扩大与突然缩小（查图）,110,2）进口与出口 进口：i = 0.5 出口：o = 1.0 3）管件与阀门 查手册,111,112,2.当量长度法,113,1.5.3 管路系统中的总能量损失,114,1.6 管路计算,运用的方程式：连续性方程式、柏努利方程式、流动阻力方程式、物料衡算式 计算类型： （1）已知管路及流体的输送量，求流动阻力； （2）已知管路及流动阻力，求流体的输送量； （3）已知管路（管径未知）、流体的输送量及流动阻力，求管径。,115,按管路性质来分： （1）简单管路 （2）复杂管路（主要讲并联管路和分支管路） 1.简单管路 例1

21、-20（P59）、例1-21（P61）,116,2.并联管路与分支管路 1）并联管路,117,2）分支管路,例1-22（P63）、1-23（P64）、1-24（P65）,118,1.7 流量测量,差压流量计：测速管、孔板流量计、文丘里流量计 截面流量计：转子流量计,119,1.测速管（皮托管）,120,测速管优点：是对流体的阻力较小，适用于测量大直径管路中的气体流速。 测速管缺点：只能测出流体的点速，不能直接测出平均速度，另外当流体中含有固体杂质时，不宜采用。,121,2.孔板流量计,122,Co：流量系数或孔流系数； C1：流体流经孔板产生能量损失的校正系数； C2：测压方法的校正系数； A0：孔板小孔的截面积； A1：管道的截面积。,123,124,优点：容易制造，调换方便。 缺点：流体流经孔板的能量损失较大，孔口边缘容易腐蚀和磨损，需定期进行校正。,125,3.文丘里（Venturi）流量计,126,优点：能量损失小。 缺点：制造要求高。,127,4.转子流量计,128,CR：转子流量计流量系数； AR：转子与玻璃管之间的环形截面积。,129,优点：读取流量方便，能量损失小，测量范围宽能用于腐蚀性流体的测量。 缺点：不能经受高温和高压，安装时必须垂直。,