流体流动概述
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
衡算原则：质量守恒原理 输入质量流量 - 输出质量流量 =质量积累速率
截面1
截面2
定态流动时， 输入质量流率 = 输出质量流率
qm,1 = qm,2 （连续性方程）
qm,s=qV,s· =u·A· A1·u1·1 =A2·u2·2
对不可压缩性流体：1 = 2
总管
勇于开始，才能找到成 功的路
（园管）
Байду номын сангаас
P1= 0 Pa(表压)；
1
输送所需理论功率（J•S-1）：
Pe = He • g • qm
基准面
实际需功率：Pa=Pe /
例2 容器间相对位置的计算
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 （不包括出口能量损失），试问高位槽的 液位要高出进料口多少米？
？
p1=0 Pa（表压）；p2=0 Pa（表压）
例2 送料用压缩空气压力的确定
某车间用压缩空气送20℃的浓硫酸。 要求输送量为0.036m3.min-1，管径为 Ф383mm，设浓硫酸流经全部管路的 能量损失为1.22J.N-1（不包括出口的能 量损失），试求压缩空气的压力为多 少？
？
2 2’
压缩空气 1
分支管路：总管中的 质量流量为各支管质
量流量之和。
1.4.2 总能量衡算方程
一、流动系统的总能量衡算方程
图1-12 流动系统的总能量衡算 1-换热器; 2-流体输送机械
则热力学第一定律可表述为
流出能量速率－流入能量速率= 从外界的吸热速率+作功机械对流体作功速率
流体流动时所具有的能量：
内能(internal energy): 位能(potential energy):
溢 流
恒位槽 u=u
NOTE：连续操作的化工生产中大多数流动属于定态流动。空白空白
非定态流动(non-steady state):
流动过程中任一 截面上流体的性 质（如密度、粘度等）和流动参 数（如流速、压强等）随时间而 改变。
u=f(t)
NOTE:非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变 化，在求算时用微分式子表达，用积分法求解。
质量流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量，
称为质量流量， q m,（s kg•s-1）。
q m,s = q V,s •
摩尔流量:单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量， 称为摩尔流量，qn(mol.s-1)
流 速 (velocity of flow)
※ 点速度(spot speed)：单位时间内流体质点在流动方向上 通过的距离，uz（m•S-1）
流体流动概述
2020年4月28日星期二
1.3 流体流动概述
教学目的：
根据物料衡算和能量衡算推导出连续性方程 和柏努利方程，进一步理解绪论中提出的化 工基础中的基本规律，并讨论它们在实际生 产中的应用。
重点难点： 连续性方程和柏努利方程及其应用
课 型： 理论知识课
教学方法： 谈话、讲述
流体静力学基本方程
qmU (J/s)
qmgZ (J/s)
动能(energy of motion): 1/2 qm•u2 (J/s)
压力能(static energy):
(J/s)
压力能(static energy):
质量为m、体积为qV1的流体，通过
1
截面1所需的作用力F1=P1A1，流体
推入管内所走的距离qV1/A1，故与
(1-39)
1.4.3 机械能衡算方程的应用
Bernoulli方程在工程上用以计算流体的流速或流量、流体 输送所需的压头和功率以及有关流体流动方面的问题。
NOTE：
❖1、作图：根据题意画出示意图，注明有关参数；
2、选截面：正确选取截面，以确定衡算范围；
截面选取必须具备的条件：与流体流动方向垂直； 两截面间的流体是连续的； 截面应包括题目所给的已知和未知条件
优化： 两者之 和最小
外径 壁厚
1.3.3 流体流动的型态与雷诺数 一、雷诺实验
1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。
示踪剂
阀
溢
门
流
恒位槽
雷诺实验现象：用红墨水观察管中水的流动状态
层流
(a)
过渡流
(b)
湍流
(c)
两种稳定的流动状态：层流、湍流。
层流：
* 流体质点做直线运动； * 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞； * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力。
被输送的流体在管路中的流动。
研究流体在管路中的流动规律是本章的重要内容 。
1.3.2 流量与平均流速
流量(flow,flux)
体积流量(volume flow rate) 质量流量(mass flow rate)
摩尔流量(molar flow rate)
体积流量：单位时间内通过导管任一勇功横于的开路截始面，才的能流找体到成的体积， 称为体积流量， qV,s（m3•s-1）。
15m
1’
Bernoulli方程的应用举例
习题 高位水槽水面距出水管净垂直距离为6.0m,出水管为2 1/2“管,管道较
长,流动过程的压头损失为5.7米水柱,试求每小时可输送水量m3。
解：
v
截面1
？
He
Hf
6m
基准水平面 h=0 m
截面2V ?
Z2= 0m， Z1= 6m p1=p2= 0 Pa（表压） 水为不可压缩性流体 1= 2=
能量转换06
三、对伯努利方程的讨论
2.伯努利方程的其他形式：
将各项均除以重力加速度g
令
(m)
位头
速度 头
动压
压力头
外加 压头
压头损失
▪ 工程上将单头位重力的流体所具有的各种形式的
▪ 能量统称为压头(head)。
三、对伯努利方程的讨论
3.有效功率Pe(J/s)：输送机械在单位时间内所
作的有效功称为有效功率，用下式计算
不稳定的过渡流
三、当量直径的概念
当量直径 水力半径
（1-26）
式中 Lp—流道的润湿周边长度，m；
A—流道的截面积，m2。
1.4 流体流动的基本方程
控制体： 在流场中任意划定一个封闭空间作为研究对 象, 称这个空间为控制体。
s1 u1
s2 u2
控制体
s3 u3
1.4.1 总质量衡算——连续性方程
※ 平均流速(average flow rate)：
u= q V ,s/A（m•s-1）= 4 qV / d 2
※ 质量流速: 单位时间内流体流经管路单位截面积的质量， kg.s-1.m-2
管径的计算
∴
q V,s是由生产
任务决定的
u
d
材料费用
阻力
能量消耗
管径的选择 管子规格
附录十七 附录十八
设备费用 操作费用
此功相当的压力能
压力能 =
[J/s]
一、流动系统的总能量衡算方程
根据能量守恒定律，可得
(J/s)
上式经整理，可得
(J/kg)
定态流动过程的总能量衡算方程
1.机械能的转换与损失
式1-33中所 包括的能量
机械能 内能和热
动能 位能 压力能（流动功） 外功
二、流动系统的机械能衡算方程
流体输送过程中各种机械能相互转换。 由于流体的黏性作用，流体输送过程中还消耗 部分机械能，将其转化为流体的内能。
压强按压力指示表为0.3kgf•cm-2(表压)，密度为1100kg•m-3。输
送系统中压头损失为3米碱液柱计划送液量为25t•h-1。若泵的效
率为55%，试求泵所需的功率。
解：
？ He
1.5m
16m
2
Hf
0 m•s-1
u1= ；
u2= qv/A2=qm/A2•
P2= 0.3kgf•cm-2=3g kPa(表压)
对于实际不可压缩流体，ρ为常数
(J/kg)
或
适用条件：不 可压缩流体
工程伯努利 (Bernoulli)方程
三、对伯努利方程的讨论
1 .
(1-38a)
式1-38表明，理想流体在管路中作定态流动而又 无外功加入时，在任一截面上单位质量流体所具 有的总机械能相等，换言之，各种机械能之间可 以相互转化，但其总量不变。
3、选基准水平面：任意选取，但常将它与一个截面重合，计算方便 。若截面不是水平面，则以中心线进行计算。
4、单位要一致：统一使用SI单位；压强的表示方法要一致。
习题用习泵题将碱流液槽体中输的送碱液设抽备往所吸收需塔功顶率，经的喷计头算喷出作吸收
剂用。泵的汲入管为21/2 “，压出管为2 “。碱液在喷头口前的静
湍流： 主体做轴向运动，同时有径向脉动； 特征：流体质点的脉动 。
过渡流： 不是独立流型（层流+湍流）， 流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。
二、雷诺数
① 影响状态的因素：
Re是量纲为一数群
② 圆形直管中 ➢ Re≤2000 Re ≥4000 ➢2000＜ Re ＜ 4000
稳定的层流 稳定的湍流
以流体在水平管道内的流动来说明。
理想流体流动时，若流动过程中没有热量输入，其温度和内能 没有变化，则能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。
二、流动系统的机械能衡算方程
对于理想流体的流动，又无外功加入
或
适用条件：不 可压缩理想流
体
(J/kg)
伯努利 (Bernoulli)方程
二、流动系统的机械能衡算方程
u1 0 m•s-1 He = 0 mH2O； Hf = 5.7 mH2O
qv= A2• υ= υ• d 2/4
根据用液柱表示压强的方法，p=h g，则在静止液面下面
深度h处的压强为：
（流体静力学方程）
描述静止流体内
部压强的变化规律
1.3.1 流体体系的分类
一、定态与非定态流动
进水
定态流动(steady state):流体流动
的系统中，任一截面上流体的流 速、压力、密度等有关物理量仅 随位置而改变，但
不 随时间而改变。
二、一维与多维流动
若物理量只依赖于一个曲线坐标，则称此 流动为一维流动；依赖于两个曲线坐标称为二 维流动；依赖于三个曲线坐标则称为三维流动 。
应予指出,过程工业中的流体输送因多在 封闭管道内进行，故其流动以一维居多。
三、绕流与封闭管道内的流动
绕流流动
流体绕过一个浸没的物体流过，故也称为 外部流动。例如细颗粒物在大量流体中的沉降、 填充床内的流动等。 封闭管道内的流动
截面1
截面2
定态流动时， 输入质量流率 = 输出质量流率
qm,1 = qm,2 （连续性方程）
qm,s=qV,s· =u·A· A1·u1·1 =A2·u2·2
对不可压缩性流体：1 = 2
总管
勇于开始，才能找到成 功的路
（园管）
Байду номын сангаас
P1= 0 Pa(表压)；
1
输送所需理论功率（J•S-1）：
Pe = He • g • qm
基准面
实际需功率：Pa=Pe /
例2 容器间相对位置的计算
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 （不包括出口能量损失），试问高位槽的 液位要高出进料口多少米？
？
p1=0 Pa（表压）；p2=0 Pa（表压）
例2 送料用压缩空气压力的确定
某车间用压缩空气送20℃的浓硫酸。 要求输送量为0.036m3.min-1，管径为 Ф383mm，设浓硫酸流经全部管路的 能量损失为1.22J.N-1（不包括出口的能 量损失），试求压缩空气的压力为多 少？
？
2 2’
压缩空气 1
分支管路：总管中的 质量流量为各支管质
量流量之和。
1.4.2 总能量衡算方程
一、流动系统的总能量衡算方程
图1-12 流动系统的总能量衡算 1-换热器; 2-流体输送机械
则热力学第一定律可表述为
流出能量速率－流入能量速率= 从外界的吸热速率+作功机械对流体作功速率
流体流动时所具有的能量：
内能(internal energy): 位能(potential energy):
溢 流
恒位槽 u=u
NOTE：连续操作的化工生产中大多数流动属于定态流动。空白空白
非定态流动(non-steady state):
流动过程中任一 截面上流体的性 质（如密度、粘度等）和流动参 数（如流速、压强等）随时间而 改变。
u=f(t)
NOTE:非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变 化，在求算时用微分式子表达，用积分法求解。
质量流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量，
称为质量流量， q m,（s kg•s-1）。
q m,s = q V,s •
摩尔流量:单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量， 称为摩尔流量，qn(mol.s-1)
流 速 (velocity of flow)
※ 点速度(spot speed)：单位时间内流体质点在流动方向上 通过的距离，uz（m•S-1）
流体流动概述
2020年4月28日星期二
1.3 流体流动概述
教学目的：
根据物料衡算和能量衡算推导出连续性方程 和柏努利方程，进一步理解绪论中提出的化 工基础中的基本规律，并讨论它们在实际生 产中的应用。
重点难点： 连续性方程和柏努利方程及其应用
课 型： 理论知识课
教学方法： 谈话、讲述
流体静力学基本方程
qmU (J/s)
qmgZ (J/s)
动能(energy of motion): 1/2 qm•u2 (J/s)
压力能(static energy):
(J/s)
压力能(static energy):
质量为m、体积为qV1的流体，通过
1
截面1所需的作用力F1=P1A1，流体
推入管内所走的距离qV1/A1，故与
(1-39)
1.4.3 机械能衡算方程的应用
Bernoulli方程在工程上用以计算流体的流速或流量、流体 输送所需的压头和功率以及有关流体流动方面的问题。
NOTE：
❖1、作图：根据题意画出示意图，注明有关参数；
2、选截面：正确选取截面，以确定衡算范围；
截面选取必须具备的条件：与流体流动方向垂直； 两截面间的流体是连续的； 截面应包括题目所给的已知和未知条件
优化： 两者之 和最小
外径 壁厚
1.3.3 流体流动的型态与雷诺数 一、雷诺实验
1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。
示踪剂
阀
溢
门
流
恒位槽
雷诺实验现象：用红墨水观察管中水的流动状态
层流
(a)
过渡流
(b)
湍流
(c)
两种稳定的流动状态：层流、湍流。
层流：
* 流体质点做直线运动； * 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞； * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力。
被输送的流体在管路中的流动。
研究流体在管路中的流动规律是本章的重要内容 。
1.3.2 流量与平均流速
流量(flow,flux)
体积流量(volume flow rate) 质量流量(mass flow rate)
摩尔流量(molar flow rate)
体积流量：单位时间内通过导管任一勇功横于的开路截始面，才的能流找体到成的体积， 称为体积流量， qV,s（m3•s-1）。
15m
1’
Bernoulli方程的应用举例
习题 高位水槽水面距出水管净垂直距离为6.0m,出水管为2 1/2“管,管道较
长,流动过程的压头损失为5.7米水柱,试求每小时可输送水量m3。
解：
v
截面1
？
He
Hf
6m
基准水平面 h=0 m
截面2V ?
Z2= 0m， Z1= 6m p1=p2= 0 Pa（表压） 水为不可压缩性流体 1= 2=
能量转换06
三、对伯努利方程的讨论
2.伯努利方程的其他形式：
将各项均除以重力加速度g
令
(m)
位头
速度 头
动压
压力头
外加 压头
压头损失
▪ 工程上将单头位重力的流体所具有的各种形式的
▪ 能量统称为压头(head)。
三、对伯努利方程的讨论
3.有效功率Pe(J/s)：输送机械在单位时间内所
作的有效功称为有效功率，用下式计算
不稳定的过渡流
三、当量直径的概念
当量直径 水力半径
（1-26）
式中 Lp—流道的润湿周边长度，m；
A—流道的截面积，m2。
1.4 流体流动的基本方程
控制体： 在流场中任意划定一个封闭空间作为研究对 象, 称这个空间为控制体。
s1 u1
s2 u2
控制体
s3 u3
1.4.1 总质量衡算——连续性方程
※ 平均流速(average flow rate)：
u= q V ,s/A（m•s-1）= 4 qV / d 2
※ 质量流速: 单位时间内流体流经管路单位截面积的质量， kg.s-1.m-2
管径的计算
∴
q V,s是由生产
任务决定的
u
d
材料费用
阻力
能量消耗
管径的选择 管子规格
附录十七 附录十八
设备费用 操作费用
此功相当的压力能
压力能 =
[J/s]
一、流动系统的总能量衡算方程
根据能量守恒定律，可得
(J/s)
上式经整理，可得
(J/kg)
定态流动过程的总能量衡算方程
1.机械能的转换与损失
式1-33中所 包括的能量
机械能 内能和热
动能 位能 压力能（流动功） 外功
二、流动系统的机械能衡算方程
流体输送过程中各种机械能相互转换。 由于流体的黏性作用，流体输送过程中还消耗 部分机械能，将其转化为流体的内能。
压强按压力指示表为0.3kgf•cm-2(表压)，密度为1100kg•m-3。输
送系统中压头损失为3米碱液柱计划送液量为25t•h-1。若泵的效
率为55%，试求泵所需的功率。
解：
？ He
1.5m
16m
2
Hf
0 m•s-1
u1= ；
u2= qv/A2=qm/A2•
P2= 0.3kgf•cm-2=3g kPa(表压)
对于实际不可压缩流体，ρ为常数
(J/kg)
或
适用条件：不 可压缩流体
工程伯努利 (Bernoulli)方程
三、对伯努利方程的讨论
1 .
(1-38a)
式1-38表明，理想流体在管路中作定态流动而又 无外功加入时，在任一截面上单位质量流体所具 有的总机械能相等，换言之，各种机械能之间可 以相互转化，但其总量不变。
3、选基准水平面：任意选取，但常将它与一个截面重合，计算方便 。若截面不是水平面，则以中心线进行计算。
4、单位要一致：统一使用SI单位；压强的表示方法要一致。
习题用习泵题将碱流液槽体中输的送碱液设抽备往所吸收需塔功顶率，经的喷计头算喷出作吸收
剂用。泵的汲入管为21/2 “，压出管为2 “。碱液在喷头口前的静
湍流： 主体做轴向运动，同时有径向脉动； 特征：流体质点的脉动 。
过渡流： 不是独立流型（层流+湍流）， 流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。
二、雷诺数
① 影响状态的因素：
Re是量纲为一数群
② 圆形直管中 ➢ Re≤2000 Re ≥4000 ➢2000＜ Re ＜ 4000
稳定的层流 稳定的湍流
以流体在水平管道内的流动来说明。
理想流体流动时，若流动过程中没有热量输入，其温度和内能 没有变化，则能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。
二、流动系统的机械能衡算方程
对于理想流体的流动，又无外功加入
或
适用条件：不 可压缩理想流
体
(J/kg)
伯努利 (Bernoulli)方程
二、流动系统的机械能衡算方程
u1 0 m•s-1 He = 0 mH2O； Hf = 5.7 mH2O
qv= A2• υ= υ• d 2/4
根据用液柱表示压强的方法，p=h g，则在静止液面下面
深度h处的压强为：
（流体静力学方程）
描述静止流体内
部压强的变化规律
1.3.1 流体体系的分类
一、定态与非定态流动
进水
定态流动(steady state):流体流动
的系统中，任一截面上流体的流 速、压力、密度等有关物理量仅 随位置而改变，但
不 随时间而改变。
二、一维与多维流动
若物理量只依赖于一个曲线坐标，则称此 流动为一维流动；依赖于两个曲线坐标称为二 维流动；依赖于三个曲线坐标则称为三维流动 。
应予指出,过程工业中的流体输送因多在 封闭管道内进行，故其流动以一维居多。
三、绕流与封闭管道内的流动
绕流流动
流体绕过一个浸没的物体流过，故也称为 外部流动。例如细颗粒物在大量流体中的沉降、 填充床内的流动等。 封闭管道内的流动