化工原理第一章第二节.ppt
化工原理第一章第二节2023/3/31现在学习的是第1页，共25页第一章第一章 流流 体体 流流 动动第二节第二节 流体动力学流体动力学2023/3/31现在学习的是第2页，共25页 一、流量与流速一、流量与流速 1、流量、流量 单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。2、流速、流速 单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速，用单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速，用u表示表示，单位为：单位为：m/s。体积流量，单位为：体积流量，单位为：m3/s。质量流量，单位：质量流量，单位：kg/s。流量流量质量流量和体积流量的关系是：质量流量和体积流量的关系是：2023/3/31现在学习的是第3页，共25页流量与流速的关系为：流量与流速的关系为：质量流速：质量流速：单位时间内流体流过管道单位面积的质量流量用单位时间内流体流过管道单位面积的质量流量用G表示，表示，单位为单位为kg/(m2.s)。与流量及流速的关系为：与流量及流速的关系为：2023/3/31现在学习的是第4页，共25页二、稳定流动与不稳定流动二、稳定流动与不稳定流动流动系统流动系统稳定流动稳定流动流流动动系系统统中中，流流体体在在任任一一点点上上的的流流速速、压压强强、密密度度等等有有关关物物理理量量都都不不随随时时间间而而改变。改变。不稳定流动不稳定流动流流动动的的流流体体，任任一一点点上上的的物物理理参参数数，有有部部分或全部随时间而改变。分或全部随时间而改变。2023/3/31现在学习的是第5页，共25页2023/3/31现在学习的是第6页，共25页三、连续性方程三、连续性方程在连续稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算在连续稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算衡算范围：取管内壁截面衡算范围：取管内壁截面1-1与截面与截面2-2及其之间的管段。及其之间的管段。衡算基准：单位时间，衡算基准：单位时间，1s 2023/3/31现在学习的是第7页，共25页将这一关系推广到管路系统的任一截面，有：将这一关系推广到管路系统的任一截面，有：若流体为不可压缩流体若流体为不可压缩流体 稳定流动的连续性方程稳定流动的连续性方程=rrruAAuAuqm222111常数常数q=uAAuAuqmv2211r r常数常数对于连续稳定系统，有：对于连续稳定系统，有：得到得到2023/3/31现在学习的是第8页，共25页对于圆形管道，对于圆形管道，表明：表明：当体积流量一定时，管内流体的流速与管道直径的平方成当体积流量一定时，管内流体的流速与管道直径的平方成 反反 比。比。注注：连连续续性性方方程程应应用用于于管管道道流流动动时时必必须须充充满满整整个个管管道道，不不能能有有间间断断之之处处。其其常常用于变截面流动计算，而且是流体力学的基础。用于变截面流动计算，而且是流体力学的基础。2023/3/31现在学习的是第9页，共25页四、能量衡算方程式四、能量衡算方程式1、流体流动的总能量衡算、流体流动的总能量衡算 伯努利方程式：伯努利方程式：1）理想流体的伯努利方程式）理想流体的伯努利方程式常数常数2023/3/31现在学习的是第10页，共25页伯努利方程式的物理意义伯努利方程式的物理意义位能位能：流体因处于重力场内而具有的能量。流体因处于重力场内而具有的能量。质量为质量为m流体的位能流体的位能 单位质量流体的位能单位质量流体的位能 质量为质量为m，流速为流速为u的流体所具有的动能的流体所具有的动能 单位质量流体所具有的动能单位质量流体所具有的动能 动能：动能：流体以一定的流速流动而具有的能量。流体以一定的流速流动而具有的能量。常数常数2023/3/31现在学习的是第11页，共25页静压能（流动功静压能（流动功）:通过某截面的流体具有的用于克服压力功的能量通过某截面的流体具有的用于克服压力功的能量单位质量流体所具有的静压能单位质量流体所具有的静压能=总机械能总机械能 =常数常数所以：伯努利方程式是单位质量流体机械能守恒方程式所以：伯努利方程式是单位质量流体机械能守恒方程式常数常数用液柱高度表示用液柱高度表示位位能能动动能能静静压压能能2023/3/31现在学习的是第12页，共25页2）实际流体的伯努利方程式）实际流体的伯努利方程式 实际流体实际流体有粘性，流动过程中有内摩擦作用，消耗部分机械能。有粘性，流动过程中有内摩擦作用，消耗部分机械能。压头损失，压头损失，m外界输入机械功：外界输入机械功：外加压头，外加压头，m2023/3/31现在学习的是第13页，共25页乘乘g：单位质量流体的能量损失，单位质量流体的能量损失，单位质量流体的外加能量，也称为有效功。单位质量流体的外加能量，也称为有效功。2023/3/31现在学习的是第14页，共25页伯努利方程式伯努利方程式理想流体理想流体实际流体实际流体2023/3/31现在学习的是第15页，共25页2、柏努利方程式的讨论、柏努利方程式的讨论 1）柏柏努努利利方方程程式式表表明明理理想想流流体体在在管管内内做做稳稳定定流流动动，没没有有外外功功加加入入时时，任任意意截截面面上单位质量流体的总机械能即动能、位能、静压能之和为一常数。上单位质量流体的总机械能即动能、位能、静压能之和为一常数。即即：1kg理理想想流流体体在在各各截截面面上上的的总总机机械械能能相相等等，但但各各种种形形式式的的机机械械能能却却不不一定相等，可以相互转换。一定相等，可以相互转换。2）对于实际流体，在管路内流动时，应满足：）对于实际流体，在管路内流动时，应满足：上游截面处的总机械能大于下游截面处的总机械能。上游截面处的总机械能大于下游截面处的总机械能。2023/3/31现在学习的是第16页，共25页3、柏努利方程式的应用、柏努利方程式的应用 应用柏努利方程的注意事项应用柏努利方程的注意事项 1）作图并确定衡算范围）作图并确定衡算范围 根据题意画出流动系统的示意图，并指明流体的流动方向，定出上下截面，根据题意画出流动系统的示意图，并指明流体的流动方向，定出上下截面，以明确流动系统的衡标范围。以明确流动系统的衡标范围。2）截面的截取）截面的截取 两截面都应与流动方向垂直，并且两截面的流体必须是连续的，所求得未知量应在两两截面都应与流动方向垂直，并且两截面的流体必须是连续的，所求得未知量应在两截面或两截面之间，截面的有关物理量截面或两截面之间，截面的有关物理量Z、u、p等除了所求的物理量之外等除了所求的物理量之外，都，都必须是已知的或者可以通过其它关系式计算出来。必须是已知的或者可以通过其它关系式计算出来。2023/3/31现在学习的是第17页，共25页3）基准水平面的选取）基准水平面的选取所所以以基基准准水水平平面面的的位位置置可可以以任任意意选选取取，但但必必须须与与地地面面平平行行，为为了了 计计算算方方便便，通通常常取取基基准准水水平平面面通通过过衡衡算算范范围围的的两两个个截截面面中中的的任任意意一一个个截截面面。如如衡衡算算范范围围为为水水平管道，则基准水平面通过管道中心线，平管道，则基准水平面通过管道中心线，Z=0。4）单位必须一致）单位必须一致在在应应用用柏柏努努利利方方程程之之前前，应应把把有有关关的的物物理理量量换换算算成成一一致致的的单单位位，然然后后进进行计算。两截面的压强除要求单位一致外，还要求表示方法一致。行计算。两截面的压强除要求单位一致外，还要求表示方法一致。2023/3/31现在学习的是第18页，共25页流量测定流量测定流动体系的压差测量流动体系的压差测量 输送流体所需要的功输送流体所需要的功 高位槽的位置高位槽的位置流向的判断流向的判断应用伯努利方程可解决的问题：应用伯努利方程可解决的问题：2023/3/31现在学习的是第19页，共25页例：例：如图锥形管，水由上而下流动。如果两测点之间的摩擦阻力忽略不计，试求如图锥形管，水由上而下流动。如果两测点之间的摩擦阻力忽略不计，试求水得流量为多少水得流量为多少m3/h。解：解：如图如图 范围：范围：1-12-2基准：基准：1-1面面 依题意：依题意：列伯努利方程：列伯努利方程：=0Z1=0 Z2=1.5P1=2105Pa(表压表压)P2=1.6105Pa（表压）（表压）2023/3/31现在学习的是第20页，共25页u1=u2(A2/A1)=u2(d1/d2)2=0.25u2代入伯努利方程，得：代入伯努利方程，得：u2=7.3m/sqv=u2A2=3600(0.78d22u2)=464m3/h由连续性方程，得：由连续性方程，得：u1A2=u2A22023/3/31现在学习的是第21页，共25页 例例：如如本本题题附附图图所所示示，密密度度为为850kg/m3的的料料液液从从高高位位槽槽送送入入塔塔中中，高高位位槽槽中中的的液液面面维维持持恒恒定定，塔塔内内表表压压强强为为9.81103Pa，进进料料量量为为5m3/h，连连接接管直径为管直径为382.5mm，料液在连接管内流动时的能量损失料液在连接管内流动时的能量损失为为30J/kg(不包括出口的能量损失不包括出口的能量损失)，试求高位槽内液面应为比塔内的进试求高位槽内液面应为比塔内的进料口高出多少？料口高出多少？2023/3/31现在学习的是第22页，共25页分析：分析：解：解：取取高高位位槽槽液液面面为为截截面面1-1，连连接接管管出出口口内内侧侧为为截截面面2-2,并并以以截截面面2-2的中心线为基准水平面，在两截面间列柏努利方程式：的中心线为基准水平面，在两截面间列柏努利方程式：高位槽、管道出口两截面高位槽、管道出口两截面u、p已知已知求求Z柏努利方程柏努利方程2023/3/31现在学习的是第23页，共25页式中：式中：Z2=0 ；Z1=?P1=0(表压表压)；P2=9.81103Pa(表压）表压）由连续性方程由连续性方程 A1A2,We=0，u1u2,可忽略，可忽略，u10。将上列数值代入柏努利方程式，并整理得：将上列数值代入柏努利方程式，并整理得：2023/3/31现在学习的是第24页，共25页例例：如如图图，一一管管路路由由两两部部分分组组成成，一一部部分分管管内内径径为为40mm，另另一一部部分分管管内内径径为为80mm，流流体体为为水水。在在管管路路中中的的流流量量为为13.57m3/h，两两部部分分管管上上均均有有一一测测压压点点，测测压压管管之间连一个倒之间连一个倒U型管型管压差计，其间充以一定量压差计，其间充以一定量的空气。若两测压点所在的空气。若两测压点所在截面间的摩擦损失为截面间的摩擦损失为260mm水柱。求倒水柱。求倒U型管型管压差计中水柱的高度压差计中水柱的高度R为为多少为多少为mm?2023/3/31现在学习的是第25页，共25页
