实际流体的流动.ppt
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化工原理(流体流动) PPT
气体混合物的组成通常以体积分率表示。
对于理想气体，体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。
液体混合物: 液体混合时，体积往往有所改变。若混合前
后体积不变，则1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的体 积之和，则可由下式求出混合液体的密度ρm。
1
a1
a2
an
m
1 2
n
式中 α1、α2、…，αn —— 液体混合物中各组分的质量分率； ρ1、ρ2、…，ρn —— 液体混合物中各组分的密度，kg/m3；
愈大，所以应该使用两种密度接近的指示液。
二、液面测定
1—容器； 2—平衡器的小室； 3—U形管压差计
说明： 1. 图中平衡器的小室2中所装的液体与容器里的液体相同。 2. 平衡器里的液面高度维持在容器液面容许到达的最大高度处。 3. 容器里的液面高度可根据压差计的读数R求得。液面越高，
读数越小。当液面达到最大高度时，压差计的读数为零。
指示液密度ρ0，被测流体密度 为ρ，图中a、b两点的压力是相 等的，因为这两点都在同一种静 止液体（指示液）的同一水平面 上。通过这个关系，便可求出p1
－p2的值。
注：指示剂的选择
根据流体静力学基本方程式则有：
U型管右侧 U型管左侧
pa＝p1+(m+R)ρg pb＝p2+mρg+Rρ0g
pa＝pb
内容提要
1. 流体静力学 2. 流体在管内的流动 3. 流体的流动现象 4. 流动阻力 5. 管路计算 6. 流量测量 * 7. 习题
要求 掌握连续性方程和能量方程 能进行管路的设计计算
第一节 概 述 流体: 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称
为流体。如气体和液体。
化工原理液体流动ppt课件
常见的液柱压差计有以下几种。
.
26
a) 普通 U 型管压差计 b) 倒 U 型管压差计 c) 倾斜 U 型管压差计 d) 微差压差计
p1 p2
0
p1
a
b
R
Ra b
a
0
(a)
p1 p2 (b)
0
(c)
p1 p2
p2
02
b R1
a
b
01
(d)
常见液柱压差计
.
27
（ａ）普通 U 型管压差计
U 型管内位于同一水平面上的 a、b 两点在相连通 的同一静止流体内，两点处静压强相等*
化工中的介质大部分为流体（便于连续生产过程工业）; 流动对传热、传质及化学反应的影 响;
.
4
煤气洗涤装置示意图
流体动力学问题：流体（水 和煤气）在泵（或鼓风机）、流 量计以及管道中流动等；
流体静力学问题：压差计中
流体、水封箱中的水 确定流体输
送管路的直径，计算流动过程产
生的阻力和输送流体所需的动力。
方程式推导
（1）向上作用于薄层下底的总压力，PA （2）向下作用于薄层上底的总压力，（P+dp）A （3）向下作用的重力， gAdz
由于流体处于静止，其
垂直方向所受到的各力代数
和应等于零，简化可得：
dp
gdz
.
z
o
流体静力学基本方程推导
20
流体静力学基本方程式推 导:
在右图中的两个垂直位置2 和 1 之间对上式作定积分
化工原理
Principles of Chemical Engineering
朱德春 合肥学院化学与材料工程系
.
1
.
26
a) 普通 U 型管压差计 b) 倒 U 型管压差计 c) 倾斜 U 型管压差计 d) 微差压差计
p1 p2
0
p1
a
b
R
Ra b
a
0
(a)
p1 p2 (b)
0
(c)
p1 p2
p2
02
b R1
a
b
01
(d)
常见液柱压差计
.
27
（ａ）普通 U 型管压差计
U 型管内位于同一水平面上的 a、b 两点在相连通 的同一静止流体内，两点处静压强相等*
化工中的介质大部分为流体（便于连续生产过程工业）; 流动对传热、传质及化学反应的影 响;
.
4
煤气洗涤装置示意图
流体动力学问题：流体（水 和煤气）在泵（或鼓风机）、流 量计以及管道中流动等；
流体静力学问题：压差计中
流体、水封箱中的水 确定流体输
送管路的直径，计算流动过程产
生的阻力和输送流体所需的动力。
方程式推导
（1）向上作用于薄层下底的总压力，PA （2）向下作用于薄层上底的总压力，（P+dp）A （3）向下作用的重力， gAdz
由于流体处于静止，其
垂直方向所受到的各力代数
和应等于零，简化可得：
dp
gdz
.
z
o
流体静力学基本方程推导
20
流体静力学基本方程式推 导:
在右图中的两个垂直位置2 和 1 之间对上式作定积分
化工原理
Principles of Chemical Engineering
朱德春 合肥学院化学与材料工程系
.
1
化工原理ppt-第一章流体流动
其单位为J/kg。
2022/8/11
34
二、流体系统的质量守恒与能量守恒
2. 柏努利方程
(1) 总能量衡算
4）外加能量 流体输送机械（如泵或风机）向流体作功。单位质量流体所获得
的机械能。用We表示，单位J/kg。 5）能量损失
液体流动克服自身粘度而产生摩擦阻力，同时由于管路局部装置 引起的流动干扰、突然变化而产生的阻力。流体流动时必然要消耗 部分机械能来克服这些阻力。单位质量流体克服各种阻力消耗的机 械能称为能量损失。用Σhf ，单位J/kg。
2022/8/11
27
知识运用
【1-3】某自来水厂要求安装一根输水量为30m3/h的管道，试选择一合 适的管子。
解：水的密度：1000kg/m3， 体积流量：Vs=30000/（3600×1000）=0.0083（m3/s）
查表水流速范围，取u=1.8m3/s
根据d 4Vs
u
d 4Vs 4 30 / 3600 0.077 m 77mm
22
一、流体流量和流速
2.流速
单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。
（1）平均流速：u=Vs/A （m/s）
关系:G =u
（2）质量流速：G=Ws/A (kg/(m2·s))
2022/8/11
23
一、流体流量和流速
3.圆形管道直径的选定
2022/8/11
24
一、流体流量和流速
3.圆形管道直径的选定
2022/8/11
8
二、流体压力
2.表压与真空度
表压和真空度
p 当地大气压，
表压强=绝对压强-大气压强
p 当地大气压，
真空度=大气压强-绝对压强
化工原理第一章 流体流动.ppt
z1 g
1 2
u1
2
p1
We
z2 g
1 2
u
2
2
p2
W f
(1)
式中各项单位为J/kg。
下午5时49分
24喻国华
（2）以单位重量流体为基准
将(1)式各项同除重力加速度g :
z1
1 2g
u12
p1
g
We g
z2
1 2g
u22
p2
g
Wf g
令
He
We g
1~3 m/s 0.5~1 m/s 8~15 m/s 15～25 m/s
下午5时49分
14喻国华
稳定流动与不稳定流动
稳定流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量 仅随位置变化，而不随时间变化；
T, p,u f (x, y, z)
不稳定流动：流体在各截面上的有关物理量既随位 置变化，也随时间变化。
（4）各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也 应一致，即同为绝压或同为表压。
下午5时49分
35喻国华
例 如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液
位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液
管 为 φ45×2.5mm 的 钢 管 ， 要 求
pa
送液量为 3.6m3/h。设料液在管 内的压头损失为1.2m（不包括出 h
下午5时49分
4喻国华
例1-2
如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示 液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准 面，各指示液界面高度分别为
Z0=2.1m, Z2=0.9m, Z4=2.0m, Z6=0.7m, Z7=2.5m。
化工原理第一章第四节流体流动现象-PPT
p2
gz3
u32 2
p3
gz4
u42 2
p4
gz5
u52 2
p5
gz6
u62 2
p6
4
4' 3 3'
1
1' 5 5'
6 6' 2 2'
【例6】水经变径管从上向下流动，粗细管径分别为d2=184mm,
d1=100mm，水在粗管内的流速为u2=2m/s，两测压口垂直距离
h=1.5m，由1-1 至 2-2 截面间能量损失hf1-2=11.38J/kg,问：U
第四节 流体在管内的流动阻力
流体具有粘性，流动时存在内部摩擦力. ——流动阻力产生的根源
直管阻力 ：流体流经一定管径的直管时由
管路中的阻力
hf
于流体的内摩擦而产生的阻力
hf
局部阻力：流体流经管路中的管件、阀门及
hf 管截面的突然扩大及缩小等局部
32
h f h f hf 地方所引起的阻力。
h f : 单位质量流体流动时所损失的机械能，J/kg。
14
即Pa。
F u
S y
du
dy
——牛顿粘性定律
式中：
du ：速度梯度 dy
：比例系数，它的值随流体的不同而不同，流
体的粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简
称粘度。
15
2、流体的粘度
1)物理意义
du dy
促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来
P2= 6.15×104Pa(表压) hf1-2= 160J/kg
u2
Vs
d2
34.5 0.072 3600
流体的运动共49张PPT
流体特性
流体具有易流动性、无固定形状、抗 压性、表面张力等特性。其中，易流 动性是流体最显著的特点，使其能够 适应容器的形状并传递压力。
流动类型及特点
01 02
层流
层流是指流体在流动过程中，各质点沿着一定的轨迹做有规则的平滑运 动。层流具有流速分布均匀、流线平行且连续、质点间无相互混杂等特 点。
湍流
Pa）。
压强
流体中某点的压力与该点处流体密 度的比值，用符号$rho$表示，单 位是千克每立方米（kg/m³）。
压力与压强的关系
$p = rho gh$，其中$g$是重力加 速度，$h$是该点距流体自由表面 的垂直距离。
浮力原理及应用
01
02
03
04
浮力
浸在流体中的物体受到流体竖 直向上的托力，其大小等于物
流线、流管、流量等，以及连续 性方程、伯努利方程等重要原理
。
黏性流体的运动
分析了黏性对流体运动的影响， 包括层流和湍流的形成机制、雷 诺数等概念。
流体的基本性质和分类
介绍了流体的定义、特性以及不 同类型的流体，如牛顿流体和非 牛顿流体。
流体机械能转换
介绍了流体机械能转换的基本原 理，如泵、风机、涡轮机等设备 的工作原理和性能参数。
人工明渠
人工开挖或建造，具有规 则的几何形状，水流条件 相对简单。
涵洞和隧洞
水流在封闭空间内流动， 受边界条件限制，流速分 布和能量损失有特定规律 。
明渠均匀流和非均匀流现象
均匀流
流速沿程不变，水面线呈 水平或倾斜直线，常见于 长直渠道或水槽实验。
非均匀流
流速沿程变化，水面线呈 曲线，分为渐变流和急变 流，常见于天然河道和复 杂渠道。
前沿研究领域介绍
流体具有易流动性、无固定形状、抗 压性、表面张力等特性。其中，易流 动性是流体最显著的特点，使其能够 适应容器的形状并传递压力。
流动类型及特点
01 02
层流
层流是指流体在流动过程中，各质点沿着一定的轨迹做有规则的平滑运 动。层流具有流速分布均匀、流线平行且连续、质点间无相互混杂等特 点。
湍流
Pa）。
压强
流体中某点的压力与该点处流体密 度的比值，用符号$rho$表示，单 位是千克每立方米（kg/m³）。
压力与压强的关系
$p = rho gh$，其中$g$是重力加 速度，$h$是该点距流体自由表面 的垂直距离。
浮力原理及应用
01
02
03
04
浮力
浸在流体中的物体受到流体竖 直向上的托力，其大小等于物
流线、流管、流量等，以及连续 性方程、伯努利方程等重要原理
。
黏性流体的运动
分析了黏性对流体运动的影响， 包括层流和湍流的形成机制、雷 诺数等概念。
流体的基本性质和分类
介绍了流体的定义、特性以及不 同类型的流体，如牛顿流体和非 牛顿流体。
流体机械能转换
介绍了流体机械能转换的基本原 理，如泵、风机、涡轮机等设备 的工作原理和性能参数。
人工明渠
人工开挖或建造，具有规 则的几何形状，水流条件 相对简单。
涵洞和隧洞
水流在封闭空间内流动， 受边界条件限制，流速分 布和能量损失有特定规律 。
明渠均匀流和非均匀流现象
均匀流
流速沿程不变，水面线呈 水平或倾斜直线，常见于 长直渠道或水槽实验。
非均匀流
流速沿程变化，水面线呈 曲线，分为渐变流和急变 流，常见于天然河道和复 杂渠道。
前沿研究领域介绍
第一章 流体力学基础ppt课件(共105张PPT)
原
力〔垂直于作用面，记为 ii〕和两个切向 应力〔又称为剪应力，平行于作用面，记为
理
ij，i j），例如图中与z轴垂直的面上受
到的应力为 zz〔法向）、 zx和 zy〔切
电 向），它们的矢量和为：
子
课
件 τ zzix zjy zkz
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主题
西
1.1 概述
安
交 • 3 作用在流体上的力
大 化
子 课 件
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主题
西
1.2.3 静力学原理在压力和压力差测量上的应用
安
交
大 思索：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数 R反
化 映了什么？
工 原
理 p1p2
p2
p1 z2
电 子
(0)gR(z2z1)g z1
课
R
件
A A’
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主题
西 1.2.3 静力学原理在压力和压力差测量上的应用
安
交 大
•
2．压差计
化 • （2〕双液柱压差计
p1
p2
工•
原•
理
电•
子•
课
件
又称微差压差计适用于压差较小的场合。
z1
1
z1
密度接近但不互溶的两种指示
液1和2 ， 1略小于 2 ；
R
扩p 大1 室p 内2 径与2 U 管1 内g 径之R 比应大于10 。 2
图 1-8 双 液 柱 压 差 计
返回
安
交 大
•
1．压力计
化 • （2〕U形压力计
pa
工 • 设U形管中指示液液面高度差为RA，1 指• 示液
流体在管道中的流动PPT幻灯片课件
•
de=4R=4×0.173=0.693m
•
V=Q/A=0.2/0.48=0.417m/s
10
材料工程基础
• 矩形 a·3a=3a2=0.48m2 a=0.4m b=1.2m
R ab 0.48 0.15 m 2(a b) 2 1.6
• de=4×0.15=0.6m V=Q/A=0.417m/s
则
hf
p1 p2
g
测压管中的水柱高差△Ｐ即为有效截面1-1和2-2 间的压头损失。
14
材料工程基础
图４-３ 水平等 直管道中水头损失
15
材料工程基础
伯努利(能量)方程实验
16
材料工程基础
【例4-1】 管道直径 d 100mm，输送水的流量 qV 0.01
m3/s，水的运动黏度 1106 m2/s，求水在管中的流动状 态？若输送 1.14104 m2/s的石油，保持前一种情况下的流 速不变，流动又是什么状态？
6
材料工程基础
４.１.２ 雷诺数
流体的流动状态与流速、管径和流体的黏性等物理性质有关。
uc d
引入比例系数 Rec
uc Rec d Rec d 或
Rec
ucd
Rec 称为临界雷诺数，是一个无量纲数。
7
材料工程基础
流体在任意形状截面的管道中流动时，雷诺数的形式是
Re ude
材料工程基础
第四节 流体在管道中的流动 一维定常流动
4.1 流体的两种流动状态 4.2 圆管中流体的层流流动 4.3 圆管中流体的紊流流动 4.4 流动阻力损失 4.5 管路计算
1
水力学第七章 实际流体的流动
y
=0
h
d p
x =const = d 2 u 2 dy dx
x
直接积分，并由边界条件 uxx (0) = 0 和 uxx (h) = U ，得：
1 d p U y( y h) y ux= 2d x h 无量纲化 y y u x =P y (1 ) U h h h y y y u x = h 2 d p (1 ) 2 U d x h U h h
p
直接对图示 直接对图示 微 微元 元写 写出 出重 重 力、压差力和 力、压差力和 粘性力的平衡 粘性力的平衡 方程式 方程式
τ
r dx τ
p d p
x
2 2 r d x d* p r =0
lghf
n=1.75-2.0
n=1
过 渡 层流 区
紊流
lgv
§7—2 层流流动
层流流动可直接从 N-S 方程出发求解，但一般来说是很困难 的，只有在极少数情况下才有解析解。下面给出两个例子。 一. 两平行平板间不可压流 体的层流流动（ Couette流） N-S 方 程 最 简 单 的 一 个 解。它是 x-y 平面上的平面
第七章 实际流体的流动
§7—1 流动的两种型态 §7—2 层流流动 §7—3 紊流流动
§7—4 圆管中的紊流流动
§7—1 流动的两种型态
实际流体的流动会呈 现出两种不同的型态： 层流和紊流，它们的区 别在于：流动过程中流 体层之间是否发生混掺 现象。在紊流流动中存 在随机变化的脉动量， 而在层流流动中则没 有。
ux / U .8
0
1.0
1.2
1.4
中的不可压流体层流流动也是一种能够得到解析解，同时
又是重要而实用的流动。它是 x-r 子午面上的轴对称二维流 动，urr = 0 ， uxx = uxx(r) . 流动的起因是：质量力（重力）和压
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dr
dr
pr 2 (2rl) dur
dr
dur p r
dr
2
当r由r→R时，u由ur→0，积分得
ur
p
4l
(R2
r2)
管中心流速为最大，即r＝0时，ur=umax，所以
umax
p
4l
R2
u
VS
R 2
p
8l
R2
1 2 umax
化学工程基础
2、湍流时的速度分布
2）Re与流动类型的关系： ①当Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区； ②当Re≥4000时，流动为湍流，此区称为湍流区； ③当2000< Re <4000 时，流动可能是层流，也可能 是湍流，与外界干扰有关，该区称为不稳定的过渡区。
3）雷诺数的物理意义 Re反映了流体流动中惯性力与 粘性力的对比关系，标志流体流动的湍动程度。 其值愈大，流体的湍动愈剧烈，内摩擦力也愈大。
湍流时的速度分布无法利用理论推导获得，而是通过
实验测定，结果如图所示。
其分布方程通常表示成以下形式：
u
um ax1
r R
n
化学工程基础
2、湍流时的速度分布
湍流时平均流速与最大流速间的关系 u 0.82umax
化学工程基础
三、流动边界层
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1、边界层的形成
y u0
u0
u0
边界层界限
§1-3实际流体的流动
本节主要内容: 实际流体流动时阻力损失的计算.
重点:阻力损失的计算. 难点:流动形态 边界层 范宁公式
化学工程基础
一、流体的黏度
黏性：与流动性相对，是流动流体内部阻碍流体向前运 动的特性。
化学工程基础
1、几个概念：
1）内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的 相互作用力，也称剪切力，是粘性的表现，又称黏滞 力或黏性摩擦力。 2）剪应力：单位面积上的剪切力，用τ表示，单位
为Pa。 3）黏性：运动流体内部产生的、阻碍流体运动的特
性。 4）速度梯度：与流动方向垂直的方向上，流体速度
的变化率 du ，单位是s-1。
dy
化学工程基础
2、牛顿黏性定律
实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层 的速度成差Δu正比，与两层间的垂直距离Δy成反比， 与两层间的接触面积S成正比，即：F u S
化学工程基础
4、流体在圆管内的速度分布
1）层流时的速度分布
如图所示，流体在圆形直管内作定态层流流动。 在圆管内，以管轴为中心，取半径为r、长度为l的 流体柱作为研究对象。
化学工程基础
1）层流时的速度分布
由压力差产生的推力 pr 2
流体层间内摩擦力（阻力）F A dur (2rl) dur
y
化学工程基础
2、牛顿黏性定律
引入一个比例系数μ，写成等式得： F u S
y
上式只适用于u与y成直线关系时，对于成曲线关 系的情况，则应改写为 F du S
dy
即剪切力与速度梯度和接触面积成正比，这就是牛顿
粘性定律。μ为比例系数，称为黏度。
说明：1)牛顿粘性定律是研究流体流动阻力的基本定律；
湍流边界层 层流边界层
x
层流内层
化学工程基础
三、流动边界层
2、边界层的发展： 1）流体在平板上流动时的边界层： 2）流体在圆管内流动时的边界层：
化学工程基础
三、流动边界层
层流边界层 x0：稳定段长度
湍流边界层
化学工程基础
三、流动边界层
3、边界层的分离
A →C：流道截面积逐渐减 小，流速逐渐增加， 压力逐渐减小
2)此定律适合于层流；
3)圆管内速度梯度表示为 管壁 du 越大。
du dr
，沿径向变。越靠近
dr
化学工程基础
3、流体的黏度
黏度的定义
du
dy
表示流体粘性大小的物理量，物性之一。
1）粘度的物理意义：流体流动时在与流动方向垂直的
方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。
2）粘度的单位：在国际单位制下，其单位为
C → S：流道截面积逐渐增 加，流速逐渐减小， 压力逐渐增加
S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的 作用下，速度降为0。
SS’以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡 流，出现边界层分离。
化学工程基础
三、流动边界层
边界层分离的后果： ①产生大量旋涡； ②造成较大的能量损失。
化学工程基础
湍流（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流 动外，还有径向脉动，各质点速度在大小和方向 上都随时变化，质点互相碰撞和混合。
层流与湍流的本质区别： 层流时流体质点只有轴向运动没有径向运动； 湍流时流体质点除沿轴向运动处还有径向运动。
化学工程基础
3、雷诺准数Re
1）定义：Re
du
无因次的数群，又称特征数。
小结
1、几种流量计的结构、原理及使用； 2、牛顿黏度定律； 3、雷诺准数及两种流动形态； 4、流体在圆管内做层流流动时的速度分布； 5、层流、湍流平均流速与最大流速的关系； 6、流动边界层。
化学工程基础
化学工程基础
假塑性流体
无屈服应力
非 牛
与时间有关
涨塑性流体
黏性流体
有屈服应力——宾汉塑性流体
顿 型
与时间无关 触变性流体
流
流凝性(负触变性)流体
体 黏弹性流体
化学工程基础
二、流体的流动型态
1、雷诺实验：
化学工程基础
2、两种流动型态
层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方 向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不 混合；
du
dy
Pa ms
Pa s
m
3）液体的黏度随温度升高而减小，气体的黏度随温度
升高而增大。
化学工程基础
4、非牛顿型流体
凡遵循牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体，
包括所有气体和大多数液体；不符合牛顿粘性定律的
流体称为非牛顿型流体，如高分子溶液、胶体溶液及
悬浮液等。本章讨论的均为牛顿型流体。