南京理工大學(xué)(化工原理).ppt

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1、第一章 流體流動(dòng),本章主要內(nèi)容,1.1流體靜力學(xué)基本方程式1.2 流體流動(dòng)的基本方程式1.3 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象1.4 流體流動(dòng)的阻力損失1.5 流體輸送管路的計(jì)算1.6 流速和流量的測量1.7 非牛頓流體的流動(dòng),1.1 流體靜力學(xué)基本方程式,1.1.1 流體密度 1.1.2 流體靜壓強(qiáng) 1.1.3 流體靜力學(xué)基本方程式 1.1.4 流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用,1.1.1 流體的密度,一、定義,表達(dá)式,,,不可壓縮流體,二、液體的密度,1. 純液體,2. 混合液體,組分濃度以質(zhì)量分率x表示,三、氣體的密度,,可壓縮流體,1. 理想氣體,2. 實(shí)際氣體,查手冊、換算,,理想氣體,3. 混合氣體,第

2、一章 流體輸送 第一次課 流體靜力學(xué)方程,8,1.1.2 流體靜壓強(qiáng),一、 靜壓強(qiáng),,二、 靜壓強(qiáng)的單位 1atm=1.013105 Pa=10.33 mH2O=760mmHg 1at=9.81104 Pa=10 mH2O=735mmHg,三、 靜壓強(qiáng)的表示方法 絕對壓強(qiáng)（ata）：以絕對真空為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)； 表壓強(qiáng)（atg）：以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)。,第一章 流體輸送 第一次課 流體靜力學(xué)方程,10,實(shí)質(zhì)：靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)的變化規(guī)律。,1.1.3 流體靜力學(xué)基本方程式,,,重點(diǎn)討論： 1. 方程應(yīng)用條件：靜止，連續(xù)，同一流體; 2.同一高度處靜壓力相等; 3.壓強(qiáng)差的大小可以用一

3、定高度的液體柱表示 但必須注明流體的名稱。,,4. gz 單位質(zhì)量流體所具有的位能; p/單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能。,1.1.4 流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用,一、壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測量,（pA+gzA）（pB+gzB） =Rg（A）,兩測壓口等高,pApB=（A）gR,1U 形壓差計(jì),2微差壓差計(jì),,（1）兩種指示液密度相接近且不互溶。,（2）U形管的兩側(cè)臂頂端各裝有擴(kuò)大室，擴(kuò)大室內(nèi)徑與U形管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。,p1 p2=（A C）gR,二、液面的測量,遠(yuǎn)距離液面計(jì)裝置,1調(diào)節(jié)閥； 2鼓泡觀察器瓶； 3U管壓差計(jì)；4通氣管 ； 5貯罐 。,,papb pa=gh pb=AgR,三、液封高

4、度的確定,如何控制爐內(nèi)的壓強(qiáng)不超過規(guī)定的數(shù)值?,,液封管插入液面下的深度h ：,1.2 流體流動(dòng)的基本方程,1.2.1流量與流速 一、流量 1.定義 2.表示 體積流量: Vs, m3/s 質(zhì)量流量: ws, kg/s 3.兩者之間的關(guān)系,二、流速,定義 平均流速 體積流速u： m/s 質(zhì)量流速G: kg/（m2s） 流量與流速關(guān)系,ws=Vs=uA,三、管徑的確定,,圓整,例：Vs=0.02m3/s,u=1.5m/s,求d=?,1.計(jì)算方法,,,1.2.2 穩(wěn)定流動(dòng)與 不穩(wěn)定流動(dòng),1.2.3 連續(xù)性方程,,ws= u1A11 =u2A22== uA=常數(shù),Vs= u1A1=u2A2=

5、= uA=常數(shù),管內(nèi)不同截面流速之比 與其相應(yīng)管徑的平方成反比,若流體不可壓縮，=常數(shù),1.2.4 伯努利方程,一、伯努利方程的推導(dǎo) 二、伯努利方程的討論 三、伯努利方程的應(yīng)用,二、伯努利方程的討論,應(yīng)用伯努利方程的條件 流體靜止，u=0，方程變?yōu)榱黧w靜力學(xué)基本方程 方程中每一項(xiàng)均表示一項(xiàng)能量 理想流體的伯努利方程 實(shí)際流體的伯努利方程 可壓縮流體，若管道兩截面間壓力差很小，伯努利方程可用，但注意： 1）平均密度；2）絕對壓強(qiáng) 7.伯努利方程有不同的形式,7.伯努利方程的不同形式 (1)單位重量流體為基準(zhǔn)：,z1：位壓頭 u12/2g:動(dòng)壓頭 p/g：靜壓頭,,J/N,(2)單位質(zhì)量流體為基

6、準(zhǔn),We輸送機(jī)械對流體做功而使單位質(zhì)量流體獲得的能量,（J/kg）；,單位質(zhì)量流體從1-1截面到2-2截面損失的能量 （J/kg）,,J/kg,(3)單位體積流體為計(jì)算基準(zhǔn),J/m3,,三、伯努利方程的應(yīng)用,1.根據(jù)題意繪流程示意圖，標(biāo)明流體流動(dòng)方向； 2.確定衡算范圍，選取上、下游截面，原則： （1）兩截面應(yīng)與流體流動(dòng)方向垂直 （2）兩截面之間流體必須是連續(xù)的； （3）截面上已知條件最充分，截面上和截面間包 含未知量。 3.選基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)面必須與地面平行，若衡算系統(tǒng)為水平管道，則基準(zhǔn)面應(yīng)通過管道中心線； 4.各物理量單位一致，兩截面上壓強(qiáng)表示方法一致。,1.3 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象,1.3.1

7、 黏度,,,,一、牛頓黏性定律,比例系數(shù)，稱黏性系數(shù)或動(dòng)力粘度，簡稱黏度,二、黏度,,,,1. 表達(dá)式:,2. 單位:,物理單位制單位：P,注意：,物理意義：促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度時(shí)剪應(yīng)力的大小 黏度與速度梯度相聯(lián)系，只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來 黏度是流體物理性質(zhì)之一，其值由實(shí)驗(yàn)測定,第一章 流體輸送 第四次課 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象,31,,雷諾實(shí)驗(yàn),1.3.2 流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù),雷諾準(zhǔn)數(shù)：,影響因素:管徑、流速、粘度、密度,物理意義: Re = 慣性力/黏性力,無因次,1.流動(dòng)類型,流動(dòng)類型 層流 湍流 流型的判定 雷諾數(shù) 判定,1.3.3 層流與湍流,流動(dòng)類型：層流和湍流 雷諾指出： （1

8、）當(dāng)Re2000時(shí)，出現(xiàn)層流區(qū)，層流是穩(wěn)定的。 （2）當(dāng)2000Re4000時(shí)，有時(shí)出現(xiàn)層流，有時(shí)出現(xiàn)湍流，決定于外界的擾動(dòng)，此為過渡區(qū)。 （3）當(dāng)Re4000時(shí)，出現(xiàn)湍流區(qū)。,2. 層流與湍流的區(qū)別,流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式 流體在圓管內(nèi)的速度分布 流體在直管內(nèi)的流動(dòng)阻力,,(1) 流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式,質(zhì)點(diǎn)的速度脈動(dòng)曲線,(2) 流體在圓管內(nèi)的速度分布,層流: 速度沿管徑按拋物線規(guī)律分布 平均速度u等于管中心處最大速度umax的0.5倍。,,湍流: 速度分布曲線頂部區(qū)域比較平均，Re數(shù)值愈大， 曲線頂部的區(qū)域就愈平坦; 湍流主體與層流底層之間存在著過渡層;,Re4000,(3)直管流動(dòng)阻力

9、,層流：內(nèi)摩擦力,湍流：內(nèi)摩擦力+流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng),牛頓型流體,1.3.4 邊界層的概念,邊界層的形成與發(fā)展 邊界層分離 局部阻力損失產(chǎn)生原因,邊界層的形成與發(fā)展,流速降至未受邊壁影響流速的99%以內(nèi)的區(qū)域?yàn)檫吔鐓^(qū)，邊界層是邊界影響所及的區(qū)域。,特點(diǎn)：可能層流可能湍流，由Re判定,流體在圓形直管進(jìn)口段的流動(dòng),.邊界層厚度為管子半徑； .邊界層在管中心匯合前， 若為層流，則管內(nèi)流動(dòng)為層流； 若為湍流，則管內(nèi)流動(dòng)為湍流。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,d,,,,,,,3. 邊界層分離,,A駐點(diǎn),,B,,減壓加速,減速加壓,C 分離點(diǎn),,流道的急劇變

10、化必造成逆壓強(qiáng)梯度; 逆壓強(qiáng)梯度使流體邊界層分離; 邊界層分離造成大量旋渦，大大增加機(jī) 械能消耗。,1.4 流體流動(dòng)的阻力損失,直管阻力：或沿程阻力 流經(jīng)直管產(chǎn)生的阻力,局部阻力：流經(jīng)管件、閥門及進(jìn)出口時(shí)，由于受到局 部障礙 所產(chǎn)生的阻力,總能量損失：兩種阻力引起能量損失之總和。,1.4.1層流時(shí)直管阻力損失計(jì)算 流體柱的推動(dòng)力 （p1 - p2）r2 剪應(yīng)力,穩(wěn)定流動(dòng)，推動(dòng)力與阻力大小相等，方向相反,,（p1p2） r2=2 rl,,,,,,哈根 泊謖葉公式,,,,,,,積分的邊界條件為 當(dāng) r = 0 時(shí) ur = umax 當(dāng) r = R 時(shí) ur = 0,,由伯努利方程可知

11、，流體的能量損失為,,,,令,范寧公式,,,,,,摩擦系數(shù),絕對粗糙度 ： 管壁粗糙部分的平均高度。 相對粗糙度 /d：,1.4.2 湍流時(shí)的直管阻力,一、 管壁粗糙度的影響,材料與加工精度； 光滑管：玻璃管，銅管等； 粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。 使用時(shí)間； 絕對粗糙度可查表或相關(guān)手冊。,粗糙度的產(chǎn)生,管壁粗糙度的影響,層流時(shí),湍流時(shí),決定于層流底層厚度b與的大小,對無影響,二、湍流時(shí)摩擦系數(shù),1. 實(shí)驗(yàn)研究方法,2. 因次分析法,（1）找出主要影響因素,（2）因次一致性原理,（3）白金漢定理,（4）因次分析,（5）冪函數(shù)逼近,（6）因次歸并，得出無因次數(shù)群,3. 準(zhǔn)數(shù)意義：,4. 湍流直管阻力

12、損失公式：,摩擦系數(shù)、雷諾數(shù)和粗糙度的關(guān)系,層流區(qū)：=64/Re，與管壁粗糙度無關(guān),湍流區(qū)： =f（/d ， Re）,/d一定： Re增加， 減小,Re一定： /d增加， 增大,完全湍流區(qū)（阻力平方區(qū)）： =f（/d），對指定管路 hf= （l/d）（u2/2），即阻力與流速平方成正比。,三、非圓形管道內(nèi)的流動(dòng)阻力,當(dāng)量直徑 de = 4 A / A流通截面積（m2）；潤濕周邊(m)。 圓管道與套管的當(dāng)量直徑分別為：,**非圓形管道內(nèi)層流流動(dòng)時(shí),= C / Re C為常數(shù),無因次,由管道截面形狀查表獲得。,1.4.3局部阻力損失計(jì)算,一、產(chǎn)生原因,1.阻力系數(shù)法： 2.當(dāng)量長度法：,二、

13、計(jì)算方法,阻 力 系 數(shù),當(dāng) 量 長 度,注意：在計(jì)算局部阻力損失時(shí)，公式中的流速u一般為截面積較小的管中的平均流速。,3. 管道總阻力,或,1.管路類型,（1）簡單管路：,（2）復(fù)雜管路：并聯(lián)管路、分支管路,由直徑相同或不同的管路串聯(lián) 組成的單一管線。,1.4.4管路阻力對流動(dòng)的影響,,12 ， hfA-B u,u ？,pA？,閥門由全開轉(zhuǎn)為半開,pB？,1A ，u hf1-A pA ,B2，hfB-2 pB ,1.4.4管路阻力對流動(dòng)的影響1.簡單管路,結(jié)論：,（1）任何局部阻力系數(shù)的增加將使管內(nèi)各 處的流速下降； （2）下游阻力增大將使上游壓強(qiáng)上升； （3）上游阻力增大將使下游壓強(qiáng)下降。

14、,,02， hf0-2 ，u2 ，p0,閥A關(guān)小 ，p0？u0？p2？u2？u3？,03，p0 ，u3,10，p0 ，u0,,,,,,,,2.分支管路,支管閥門關(guān)小，該支管流量下降; 其它支管流量增加，總管流量減小。,結(jié)論：,注意兩種極端情況：,總管阻力可以忽略，以支管阻力為主： 關(guān)小閥A僅使該支管的流量發(fā)生變化，而對支管B的流量幾乎沒有影響。 城市供水、煤氣管線的鋪設(shè)應(yīng)盡可能屬于這種情況。 總管阻力為主，支管阻力可以忽略： 總管中的總流量將不因支管情況而變。 閥A的啟閉不影響總流量僅改變了各支管間的流量分配。,,3.匯合管路,閥門全開關(guān)小,2. 閥門繼續(xù)關(guān)小至一定程度，使u2降至零；

15、,,1.u1與u2,3.繼續(xù)關(guān)小， u2將作反向流動(dòng)。,1.5.1簡單管路,1. 簡單計(jì)算型 2. 操作型計(jì)算 3. 設(shè)計(jì)型計(jì)算,1.5 流體輸送管路的計(jì)算,1.5.2復(fù)雜管路,一、簡單管路,一、并聯(lián)管路,Vs =Vs1 + Vs2 + Vs3 hf1 = hf2 = hf3 = hfAB,1.5.2復(fù)雜管路,,二、分支管路,VsA = VSB + VSC,分支處（圖中O點(diǎn)）的總壓頭固定， 流向任一支管流體，每千克所具有的總機(jī)械能相等,1. 測速管（皮托管）,A 駐點(diǎn) 點(diǎn)A與點(diǎn)B的 勢能差=動(dòng)能 (A點(diǎn)流體),1.6 流速與流量的測量,注意：,測速管（皮托管）測的是點(diǎn)速度； 管口截面嚴(yán)格垂直于

16、流動(dòng)方向； 前后應(yīng)有50倍直徑的直管距離。 測速管直徑應(yīng)小于管徑的1/50，至少1/15； 優(yōu)點(diǎn)：阻力小，適用于大直徑氣體管路的測量,2.孔板流量計(jì),流體流過小孔時(shí)產(chǎn)生壓強(qiáng)差， 流量越大產(chǎn)生的壓強(qiáng)差越大。,注意：,不能測速度分布，只能測流量 前后段有一定長度的直管； 孔板流量計(jì)有一測速范圍,3.文丘里流量計(jì),4.轉(zhuǎn)子流量計(jì),注意：,刻度換算,下標(biāo) 1 表示出廠時(shí)標(biāo)定所用流體； 2 表示實(shí)際工作流體。,黏度高 黏彈性觸變性（依時(shí)性 ）,1.7 非牛頓流體的流動(dòng)1.7.1 非牛頓流體的基本特性,非牛頓流體類型,假塑性 漲塑性 賓漢塑性流體,K：稠度系數(shù)，Pasn； n：流動(dòng)特性指數(shù)（流變指數(shù)） 無因次。,冪律流體,稱為表觀黏度,一、層流流動(dòng),冪律流體,廣義雷諾數(shù),二、湍流流動(dòng),