化工原理钟秦第二版课件.ppt

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1、第一章第一章 流体流动流体流动本章主要内容本章主要内容 1.1流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式1.2 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式1.3 管内流体流动现象管内流体流动现象1.4 流体流动的阻力损失流体流动的阻力损失1.5 流体输送管路的计算流体输送管路的计算1.6 流速和流量的测量流速和流量的测量1.7 非牛顿流体的流动非牛顿流体的流动mVfTfTp，12m121nnxxx,fp TpMRTm1 V12 V2V1nnxxx mmpMRTm1122nnMM yM yM y8 流体静压强流体静压强 一一 静压强静压强vFpA二二 静压强的单位静压强的单位 1atm=1.013

2、105 Pa=10.33 mH2O=760mmHg 1at=9.81 104 Pa=10 mH2O=735mmHg 三三 静压强的表示方法静压强的表示方法 绝对压强绝对压强（ata）：以绝对真空为基准量得的压强； 表压强表压强（atg）：以大气压强为基准量得的压强。 10实质：实质：静止流体内部压强的变化规律。静止流体内部压强的变化规律。1.1.3 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式重点讨论：重点讨论：1. 方程应用条件：方程应用条件：静止，连续，同一流体静止，连续，同一流体; ;2.2.同一高度处静压力相等同一高度处静压力相等; ;3.3.压强差的大小可以压强差的大小可以用一定高度的液

3、体柱表示用一定高度的液体柱表示 但必须注明流体的名称。但必须注明流体的名称。 0pphg1212ppgzgz4. 4. gz 单位质量流体所具有的单位质量流体所具有的位能位能; p/单位质量单位质量流体流体所具有的所具有的静压能静压能。1212ppgzgz（pA+gzA）（pB+gzB）=Rg（A）两测压口等高两测压口等高 pApB=（A）gR 2微差压差计微差压差计（1 1）两种指示液密度相）两种指示液密度相接近且不互溶。接近且不互溶。 （2 2）U U形管的两侧臂顶端形管的两侧臂顶端各装有扩大室，扩大室内各装有扩大室，扩大室内径径与与U形管内径之比应大形管内径之比应大于于10。 p1 p2

4、=（A C）gR 二、液面的测量二、液面的测量 远距离液面计装置远距离液面计装置 papb pa=gh pb=AgR AhR 三、液封高度的确定三、液封高度的确定 如何控制炉内的压强不超过规定的数值如何控制炉内的压强不超过规定的数值? ? 21H Ophg液封管插入液面下的深度液封管插入液面下的深度h ：1.2 流体流动的基本方程流体流动的基本方程1.2.1流量与流速流量与流速一、流量一、流量1.定义定义2.表示表示体积流量体积流量: Vs, m3/s质量流量质量流量: ws, kg/s3.两者之间的关系两者之间的关系二、流速二、流速定义定义平均流速平均流速体积流速体积流速u： m/s质量流速

5、质量流速G: kg/（m2s）流量与流速关系流量与流速关系s24VudsswVGuAAws=Vs=uA三、管径的确定管径的确定 ss24VVuAd1.计算方法计算方法s4Vdu1.2.2 稳定流动与稳定流动与 不稳定流动不稳定流动 1.2.3 连续性方程连续性方程 ws= u1A11 =u2A22= uA=常数 Vs= u1A1=u2A2= uA=常数 21221ududv 管内不同截面流速之比管内不同截面流速之比 与其相应管径的平方成反比与其相应管径的平方成反比 若流体不可压缩，=常数 1.2.4 伯努利方程伯努利方程一一、伯努利方程的推导伯努利方程的推导二二、伯努利方程的讨论伯努利方程的讨

6、论三、伯努利方程的应用伯努利方程的应用二、伯努利方程的二、伯努利方程的讨论讨论 应用伯努利方程的条件应用伯努利方程的条件 流体静止，流体静止，u=0，方程变为流体静力学基本方程，方程变为流体静力学基本方程 方程中每一项均表示一项能量方程中每一项均表示一项能量 理想流体的伯努利方程理想流体的伯努利方程 实际流体的伯努利方程实际流体的伯努利方程 可压缩流体，若管道两截面间压力差很小，伯努利方程可用，可压缩流体，若管道两截面间压力差很小，伯努利方程可用，但注意：但注意： 1）平均密度；）平均密度；2）绝对压强）绝对压强7.伯努利方程有不同的形式伯努利方程有不同的形式7.伯努利方程的不同形式伯努利方程

7、的不同形式 (1)(1)单位重量流体为基准：单位重量流体为基准： 22fe11221222hWupupZZggggggfeef hWHHgg有效压头；压头损失z1：位压头：位压头 u12/2g:动压头动压头 p/g：静压头：静压头2211221e2f22upupgZWgZhfh221211e22f22uugZpWgZph (3)单位体积流体为计算基准单位体积流体为计算基准三三、伯努利方程的应用伯努利方程的应用1.3 管内流体流动现象管内流体流动现象 1.3.1 黏度黏度 dduy黏黏 比例系数，称黏性系数或动力粘度，简称黏度二二、黏度黏度 dduy22N /mNsP asdm /smdmuy

8、2. 单位单位: 1Pa s 10P 物理单位制单位：物理单位制单位：P P-31cP 10 Pa s注意： 物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度时物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度时剪应力的大小剪应力的大小 黏度与速度梯度相联系，只有在运动时才显现黏度与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来出来 黏度是流体物理性质之一，其值由实验测定黏度是流体物理性质之一，其值由实验测定 31雷雷诺诺实实验验1.3.2 udRe雷诺准数：雷诺准数：物理意义物理意义: : Re = = 惯性力惯性力/ /黏性力黏性力1.1.流动类型流动类型 流动类型流动类型 层流层流 湍流湍流 流型的判定流型的判定 雷

9、诺数雷诺数 判定判定1.3.3流动类型：流动类型：层流和湍流层流和湍流雷诺指出：雷诺指出：（1）当）当Re2000时，出现时，出现层流区，层流区，层流是层流是稳定稳定的。的。（2）当）当2000Re4000时，有时出现层流，有时出时，有时出现层流，有时出现湍流，决定于外界的扰动，此为现湍流，决定于外界的扰动，此为过渡区过渡区。（3）当）当Re4000时，出现时，出现湍流区湍流区。2. 层流与湍流的区别层流与湍流的区别 流体内部质点的运动方式流体内部质点的运动方式 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布 流体在直管内的流动阻力流体在直管内的流动阻力(1) 流体内部质点的运动方式流体内部质点

10、的运动方式质点的速度脉动曲线质点的速度脉动曲线 (2) 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布 maxmaxRe40004000(3)直管流动阻力直管流动阻力 层流：内摩擦力层流：内摩擦力 湍流：内摩擦力+流体质点的脉动dduy牛顿型流体牛顿型流体1.3.4 边界层的概念边界层的概念 边界层的形成与边界层的形成与 边界层分离边界层分离局部阻力损失产生原因局部阻力损失产生原因 边界层的形成与边界层的形成与流速降至未受边壁影响流速的流速降至未受边壁影响流速的99%99%以内的区域为以内的区域为边界区，边界层是边界影响所及的区域。边界区，边界层是边界影响所及的区域。 特点：可特点：可能层流可能

11、层流可能湍流，能湍流，由由判定判定流体在圆形直管进口段的流动流体在圆形直管进口段的流动.边界层厚度为管子半径边界层厚度为管子半径；. .边界层在管中心汇合前，边界层在管中心汇合前， 若为层流，则管内流动为层流；若为层流，则管内流动为层流； 若为湍流，则管内流动为湍流。若为湍流，则管内流动为湍流。d3. 边界层分离边界层分离 A驻点B减压减压加速加速=0最大最大减速减速加压加压最大最大 p最小最小C分离点分离点=0最大流道的急剧变化必造成逆压强梯流道的急剧变化必造成逆压强梯度度; ;逆压强梯度逆压强梯度使流体边界层分离使流体边界层分离;边界层分离造成大量旋涡，大大增加机边界层分离造成大量旋涡，大

12、大增加机 械能消耗。械能消耗。 1.4 流体流动的阻力损失流体流动的阻力损失 直直管管阀门 弯头 三通管管件件突然扩大或缩小管路直管阻力直管阻力：或沿程阻力：或沿程阻力 流经直管产生的阻力流经直管产生的阻力局部阻力局部阻力：流经管件、阀门及进出口时，由于受到局流经管件、阀门及进出口时，由于受到局 部障碍部障碍 所产生的阻力所产生的阻力总能量损失总能量损失：两种阻力引起能量损失之总和。两种阻力引起能量损失之总和。1.4.1层流时直管阻力损失计算层流时直管阻力损失计算 流体柱的推动力流体柱的推动力 （p1 - p2）r2 剪应力剪应力 稳定流动，推动力与阻力大小相等，方向相反稳定流动，推动力与阻力

13、大小相等，方向相反rrddur rddur哈根哈根 泊谡叶公式泊谡叶公式 max00d2dRrup r rlu 232 lupd 积分的边界条件为积分的边界条件为 当当 r = 0 时时 ur = umax 当当 r = R 时时 ur = 0 由伯努利方程可知，流体的能量损失为 令 范宁公式 f232pluhd2f642luhdud64Re2f2l uhd摩擦系数 q绝对粗糙度绝对粗糙度 ： 管壁粗糙部分的平均高度。管壁粗糙部分的平均高度。q相对粗糙度相对粗糙度 /d： 1.4.2 湍流时的直管阻力湍流时的直管阻力、材料与加工精度；材料与加工精度；光滑管：玻璃管，铜管等；光滑管：玻璃管，铜管

14、等；粗糙管：钢管、铸铁管等。粗糙管：钢管、铸铁管等。使用时间；使用时间；绝对粗糙度可查表或相关手册。绝对粗糙度可查表或相关手册。 粗糙度的产生粗糙度的产生层流时层流时 湍流时湍流时决定于层流底层厚度决定于层流底层厚度b b与与的大小的大小 对对无影响无影响二二、湍流时摩擦系数湍流时摩擦系数1. 实验研究方法实验研究方法2. 因次分析法因次分析法3. 准数意义：准数意义：4. 湍流直管阻力损失公式：湍流直管阻力损失公式：,Red2,2pluRedd摩擦系数、雷诺数和粗糙度的关系摩擦系数、雷诺数和粗糙度的关系层流区：层流区：=64/Re，与管壁粗糙度无关与管壁粗糙度无关湍流区：湍流区： =f（/d

15、 ， Re）/d一定：一定： Re增加，增加， 减小减小Re一定：一定：/d增加增加， 增大增大完全湍流区（阻力平方区）完全湍流区（阻力平方区）： =f（/d），对指定管路），对指定管路hf= （l/d）（）（u2/2），即阻力与流速），即阻力与流速平方成正比平方成正比。、e2e44ddd22e444DddDdDdd*非圆形管道内非圆形管道内层流流动时层流流动时,= C / ReC为常数为常数, ,无因次无因次, ,由管道截面形状查表获得由管道截面形状查表获得。1.4.3局部阻力损失计算局部阻力损失计算一、产生原因一、产生原因1.阻力系数法：2.当量长度法：2f2uh2ef2l uhd二、二、

16、计算方法计算方法阻阻力力系系数数当当量量长长度度fffhhh局直 注意：注意：在计算局部阻力损失时，公式中的流速在计算局部阻力损失时，公式中的流速u一一般为截面积较小的管中的平均流速。般为截面积较小的管中的平均流速。3. 管道总阻力管道总阻力2ef2lluhd2f2luhd1.4.4管路阻力对流动的影响管路阻力对流动的影响12 ， hfA-B uu ？pA？阀门由全开转为半开阀门由全开转为半开 pB？1A ，u hf1-A pA B2，hfB-2 pB 1.4.4管路阻力对流动的影响管路阻力对流动的影响1.简单管路简单管路结论：结论： （1 1）任何局部阻力系数的增加将使管内各）任何局部阻力系

17、数的增加将使管内各 处的流速下降；处的流速下降；（2 2）下游阻力增大将使上游压强上升；）下游阻力增大将使上游压强上升；（3 3）上游阻力增大将使下游压强下降。）上游阻力增大将使下游压强下降。02， hf0-2 ，u2 ，p0阀阀A关小关小 ，p0？u0？p2？u2？u3？03，p0 ，u3 10，p0 ，u0 2.分支管路分支管路 支管阀门支管阀门关小关小，该支管流量，该支管流量下降下降; 其它支管流量其它支管流量增加增加，总管流量，总管流量减小减小。结论：结论： 注意两种极端情况：注意两种极端情况： 总管阻力可以忽略，以支管阻力为主：总管阻力可以忽略，以支管阻力为主： 关小阀关小阀A仅使该

18、支管的流量发生变化，而对支仅使该支管的流量发生变化，而对支管管B的流量几乎没有影响。的流量几乎没有影响。 城市供水、煤气管线的铺设应尽可能属于这种城市供水、煤气管线的铺设应尽可能属于这种情况。情况。 总管阻力为主，支管阻力可以忽略：总管阻力为主，支管阻力可以忽略： 总管中的总流量将不因支管情况而变。总管中的总流量将不因支管情况而变。 阀阀A的启闭不影响总流量仅改变了各支管间的的启闭不影响总流量仅改变了各支管间的流量分配。流量分配。3.汇合管路汇合管路阀门全开关小2. 阀门继续关小至一定程度，使u2降至零； 1.u1与u23.继续关小， u2将作反向流动。1.5.1简单管路简单管路1. 简单计算

19、型简单计算型2. 操作型计算操作型计算3. 设计型计算设计型计算 1.5 流体输送管路的计算流体输送管路的计算1.5.2复杂管路复杂管路、u、l+le、d、Vshf、 、 u、l+le、d、hfVs核算流量核算流量、 、 u、l+le、Vs、hfD一、一、并联管路并联管路Vs =Vs1 + Vs2 + Vs3 hf1 = hf2 = hf3 = hfAB1.5.2复杂管路复杂管路555312s1s2s31 12 23 3:dddVVVlll二、分支管路二、分支管路VsA = VSB + VSC分支处（图中分支处（图中O O点）的总压头固定，点）的总压头固定，流向流向任任一支管流体，每千克所具有

20、的总机械能相等一支管流体，每千克所具有的总机械能相等1. 测速管（皮托管）测速管（皮托管）A A 驻点驻点点点A A与点与点B B的的势能差势能差= =动能动能(A(A点流体点流体) ) 1.6 流速与流量的测量流速与流量的测量注意： 测速管（皮托管）测的是点速度；测速管（皮托管）测的是点速度； 管口截面严格垂直于流动方向；管口截面严格垂直于流动方向； 前后应有前后应有5050倍直径的直管距离。倍直径的直管距离。 测速管直径应小于管径的测速管直径应小于管径的1/501/50，至少，至少1/151/15；优点：阻力小，适用于大直径气体管路的测量优点：阻力小，适用于大直径气体管路的测量2.孔板流量

21、计孔板流量计流体流过小孔时产生压强差，流体流过小孔时产生压强差，流量越大产生的压强差越大流量越大产生的压强差越大。注意：注意： 不能测速度分布，只能测流量不能测速度分布，只能测流量 前后段有一定长度的直管；前后段有一定长度的直管； 孔板流量计有一测速范围孔板流量计有一测速范围3.文丘里流量计文丘里流量计4.转子流量计注意：注意： 刻度换算刻度换算1f2S1S22f1VVS11S22VV下标下标 1 1 表示出厂时标定所用流体；表示出厂时标定所用流体； 2 2 表示实际工作流体表示实际工作流体。黏度高黏度高 黏弹性触变性（依时性黏弹性触变性（依时性 ）1.7 非牛顿流体的流动非牛顿流体的流动1.7.1 非牛顿流体的基本特性非牛顿流体的基本特性非牛顿流体类型非牛顿流体类型 假塑性 涨塑性 宾汉塑性流体 0dduKyddnuKy1ddddnuuKyyK：稠度系数，Pasn；n：流动特性指数（流变指数）无因次。1ddnuKy幂律流体称为表观黏度 一、层流流动一、层流流动2f42pl uhfd幂律流体幂律流体 MR16fRe21MR4813nnnnd unReKn广义雷诺数广义雷诺数 二、湍流流动二、湍流流动 1/2MR0.751.214.00.4lgnRefnnf