化工原理流体流动优秀PPT.ppt

化工原理流体流动第1页，本讲稿共16页l动能：动能：l 单位单位=l 1 1kgkg流体的动能：流体的动能：单位：单位：J/kg l静压能（压强能）：静压能（压强能）：l 1 1kgkg流体的静压能流体的静压能l 单位单位l 在在稳稳定定流流动动系系统统中中，流流体体只只能能从从截截面面1-11-1流流入入，而而从从截截面面2 22 2流流出出，因因此此上上述述输输入入与与输输出出系系统统的的四四项项能能量量，实实际际上上就就是是流流体体在在截截面面1 11 1和和2 22 2上上所所具具有有的的各各种种能能量量，其其中中位位能能、动动能能及及静静压压能能又又称称为为机机械械能能，三三者者之之和和称称为为总总机机械能或总能量械能或总能量第2页，本讲稿共16页l 此外，管路中还装有换热器和泵，则进、出该系统的能量还有：此外，管路中还装有换热器和泵，则进、出该系统的能量还有：l热热Qe:该换热器向该换热器向1 1kg流体供应或从流体供应或从1 1kg流体取出的热量为流体取出的热量为Qe。单位。单位:J/kg l外外功功（净净功功）：1 1kg流流体体通通过过泵泵（或或其其它它输输逆逆设设备备）所所获获得得的的能能量量。有有时时还称为有效功，以还称为有效功，以We表示，单位表示，单位J/kg 。l 根根据据能能量量守守衡衡定定律律，连连续续稳稳定定流流动动系系统统的的能能量量衡衡算算是是以以输输入入的的总总能能量量=输输出出总总能能量为依据，流体为基准的能量衡方式：量为依据，流体为基准的能量衡方式：l令：令：l l有增量形式：有增量形式：第3页，本讲稿共16页l二、流动系统的机械能衡算与柏努利方程式二、流动系统的机械能衡算与柏努利方程式l 在在流流体体输输送送过过程程中中，主主要要考考虑虑各各种种形形式式机机械械能能的的转转换换，为为便便于于应应用用，要要把把式式中中的的 和和Qe消去。消去。l根据热力学第一定律：根据热力学第一定律：l l总能量衡算式代入：总能量衡算式代入：l又：又：l有：有：l对不可压缩流体对不可压缩流体ll或或第4页，本讲稿共16页l对于理想流体，又设无外功加入即对于理想流体，又设无外功加入即 l 简化为：简化为：l (柏努利方程柏努利方程)l三、讨论：三、讨论：l上式表示理想流体在管内作稳定流动，又无外功加入，则上式表示理想流体在管内作稳定流动，又无外功加入，则l任一截面上单位质量流体任一截面上单位质量流体l 位能位能+动能动能+静压能静压能=总机械能总机械能=E=E=常数常数l即总机械能相等，但每一种形式的机械能不一定相等，相互间可以转换即总机械能相等，但每一种形式的机械能不一定相等，相互间可以转换l如：理想流体如：理想流体 A u A u（动能）（动能）因因E=com，静压能，静压能表明一个部分表明一个部分l 静压能转变成动能。静压能转变成动能。l 水平管道水平管道 反之：反之：l 稳定流动稳定流动 A u A u 动能动能 静压能静压能l上式中各项单位为上式中各项单位为 J/kg ，表示单位质量流体所具有的能量。，表示单位质量流体所具有的能量。第5页，本讲稿共16页l应注意区别：应注意区别：l l是指某截面上流体本身所具有的能量是指某截面上流体本身所具有的能量l l l l指流体在两截面之间所获得和所消耗的能量指流体在两截面之间所获得和所消耗的能量 l We是输送设备对单位质量流体所做的有效功，是输送设备对单位质量流体所做的有效功，是决定流体输送设备的是决定流体输送设备的l重要数据，重要数据，设设Ne表示有效功率（单位时间输送设备所做的有效功）表示有效功率（单位时间输送设备所做的有效功）l 单位单位 或或Wl对于可压缩流体的流动对于可压缩流体的流动l若若 ，可以使用上式；，可以使用上式；l对于不稳定流动系统的任一瞬间，上式仍成立。对于不稳定流动系统的任一瞬间，上式仍成立。第6页，本讲稿共16页l 没有运动没有运动l系统里流体系统里流体 无阻力无阻力 W Wf f=0=0 l保持静止状态保持静止状态 无有效功加入无有效功加入We=0 l如果流体的衡算基准不同，可以有不同形式：如果流体的衡算基准不同，可以有不同形式：lA A：以单位重量流体为衡算基准：以单位重量流体为衡算基准 各项除各项除g g：l l 令：令：l 各各项项单单位位为为 表表示示单单位位重重量量的的流流体体所所具具有有的的能能量量，m m虽虽是是长长度单位，但在这里却反映了一定的物理意义。度单位，但在这里却反映了一定的物理意义。l 表示单位重量流体所具有的机械能，可以把自身从基准水平面升举的高度。表示单位重量流体所具有的机械能，可以把自身从基准水平面升举的高度。第7页，本讲稿共16页lB B：以单位体积流体为衡算基准，各项乘以：以单位体积流体为衡算基准，各项乘以 ：l 各项单位各项单位l 表示单位体积流体所具有的能量，简化后即为压强单位表示单位体积流体所具有的能量，简化后即为压强单位第8页，本讲稿共16页l1.3.4 1.3.4 柏努利方程式的应用。柏努利方程式的应用。l涉及四个量：涉及四个量：:确定容器间的相对位置确定容器间的相对位置 u:u:确定管道中流体的流量确定管道中流体的流量l :确定管路中流体中的压强确定管路中流体中的压强 We:确定输送设备的有效功确定输送设备的有效功l确定容器间的相对位置：确定容器间的相对位置：l例：用虹吸管从高位槽向反应器加料。例：用虹吸管从高位槽向反应器加料。l高位槽与反应器均与大气相通，要求高位槽与反应器均与大气相通，要求l料液在管内以料液在管内以1 1m/s的速度流动。设料的速度流动。设料l液在管内流动时的能量损失为液在管内流动时的能量损失为2020J/kgl（不包括出口的能量损失），试求：（不包括出口的能量损失），试求：l高位槽的液面应比虹吸管的出口高出高位槽的液面应比虹吸管的出口高出l多少？多少？第9页，本讲稿共16页l解解：取取高高位位槽槽液液面面为为上上游游截截面面1 11 1，虹虹吸吸管管出出口口内内侧侧为为下下游游截截面面2 22 2，并并以以2 22 2为基准水平面，在两截面间列柏努利方程：为基准水平面，在两截面间列柏努利方程：l l （表压）（表压）l由于由于1 11 1截面比管道截面大得多截面比管道截面大得多 u1 1=0,=0,u2 211m/s l代入方程式，并简化：代入方程式，并简化：l l 确定管道中流体的流量确定管道中流体的流量确定管路中流体的压强确定管路中流体的压强确定输送设备的有效功率确定输送设备的有效功率第10页，本讲稿共16页l1.4 1.4 流体流动现象（流体在管内的流动阻力）流体流动现象（流体在管内的流动阻力）l 流流体体在在流流动动过过程程中中所所消消耗耗的的一一部部分分或或全全部部能能量量是是用用来来克克服服流流动动阻阻力力，因因此此流流动动阻阻力力的的计计算算颇颇为为重重要要。本本节节主主要要讨讨论论流流体体流流动动阻阻力力的的产产生生、影影响响因因素及计算。素及计算。l1.4.1 1.4.1 牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度l一、牛顿粘性定律：一、牛顿粘性定律：l结论：结论：l 运运动动着着的的流流体体内内部部相相邻邻两两流流体体层层间间的的相相互互作作用用力力称称为为流流体体的的内内摩擦力，是流体粘性的表现，故又称粘滞力或粘性摩擦力。摩擦力，是流体粘性的表现，故又称粘滞力或粘性摩擦力。l 流流体体在在流流动动时时的的内内摩摩擦擦，是是流流动动阻阻力力产产生生的的依依据据，流流体体流流动动时时必必须须克克服服内磨擦力而作功，从而将流体的一部分机械能转变为热而损失掉。内磨擦力而作功，从而将流体的一部分机械能转变为热而损失掉。第11页，本讲稿共16页l流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关？流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关？l实验证明：实验证明：l对一定的流体，对一定的流体，l引进比例系数引进比例系数 ，上式写成等式，上式写成等式l式式中中内内摩摩擦擦力力F F与与作作用用面面S平平行行。单单位位面面积积上上的的内内摩摩擦擦力力称称为为内内摩摩擦擦应应力力或或剪剪应应力力，以以l有：有：第12页，本讲稿共16页l二、流体的粘度：二、流体的粘度：l牛顿粘性定律表达式可改写成：牛顿粘性定律表达式可改写成：l粘粘度度的的物物理理意意义义是是促促使使流流体体流流动动产产生生单单位位速速度度梯梯度度的的剪剪应应力力。粘粘度度总总是是与速度梯度相关联，只有在运动时才显现出来。与速度梯度相关联，只有在运动时才显现出来。l粘度是流体物理性质之一，其值由实验测定粘度是流体物理性质之一，其值由实验测定l在在t,t,L L ,G G；压压强强P变变化化时时，L L基基本本不不变变，G G变变化化很很小小，只只在在P极极高高或极低情况下，才需考虑或极低情况下，才需考虑P对对G G的影响。的影响。第13页，本讲稿共16页l在在SISI制中，粘度的单位：制中，粘度的单位：l在物理单位制中，粘度的单位为：在物理单位制中，粘度的单位为：l l （泊）（泊）lPP的单位大，以的单位大，以P P表示流体粘度时数值很小，表示流体粘度时数值很小，常用常用cpcp（厘泊）作（厘泊）作 单位。单位。l 有有l 而而l服服从从牛牛顿顿粘粘性性定定律律的的流流体体，称称为为牛牛顿顿型型流流体体。所所有有气气体体及及大大多多数数液液体体属属此此类类。不不服服从从牛牛顿顿粘粘性性定定律律的的流流体体，称称为为非非牛牛顿顿型型流流体体。如如某某些些高高分分子子溶溶液液、胶胶体体及及泥泥浆浆等均属此类。等均属此类。l 本章只讨论本章只讨论牛顿型流体牛顿型流体。第14页，本讲稿共16页l1.4.2 1.4.2 流动类型与雷诺准数流动类型与雷诺准数l一、雷诺实验：一、雷诺实验：l18831883年由雷诺（年由雷诺（ReynoldsReynolds）首先提出（雷诺实验）。）首先提出（雷诺实验）。第15页，本讲稿共16页l二、雷诺准数：二、雷诺准数：l单位：单位：lReRe准准数数是是一一个个无无因因次次数数群群。组组成成此此数数群群的的各各物物理理量量，必必须须用用一一致致的的单单位位表表示示。无论采用何种单位制，只要数群中各物理量的单位一致，所计算出无论采用何种单位制，只要数群中各物理量的单位一致，所计算出ReRe值必相等。值必相等。l凡是几个有内在联系的物理量按无因次条件组合起来的数群，称凡是几个有内在联系的物理量按无因次条件组合起来的数群，称为为准数准数或无因次数群。这种组合并非任意拼凑，一般都是在大量实践或无因次数群。这种组合并非任意拼凑，一般都是在大量实践的基础上，对影响某一现象或过程的各种因素有了一定认识之后，的基础上，对影响某一现象或过程的各种因素有了一定认识之后，再用物理分析或数学推演或二者相结合的方法定出来。它既反映了再用物理分析或数学推演或二者相结合的方法定出来。它既反映了所包含的各物理量的内在关系，又说明某一现象或过程的一些本质。所包含的各物理量的内在关系，又说明某一现象或过程的一些本质。如流体的流动类型，可以用如流体的流动类型，可以用ReRe值来判断。值来判断。第16页，本讲稿共16页