化工原理1314流體流動(dòng)概述及流動(dòng)規(guī)律課件

1、1教學(xué)目的：教學(xué)目的：重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)難點(diǎn)：課課 型：型：1.3-1.4 1.3-1.4 流體流動(dòng)概述及流動(dòng)規(guī)律流體流動(dòng)概述及流動(dòng)規(guī)律根據(jù)物料衡算和能量衡算推導(dǎo)出連續(xù)性方程和柏根據(jù)物料衡算和能量衡算推導(dǎo)出連續(xù)性方程和柏努利方程，進(jìn)一步理解緒論中提出的化工中的基努利方程，進(jìn)一步理解緒論中提出的化工中的基本規(guī)律，并討論它們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。本規(guī)律，并討論它們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。連續(xù)性方程和柏努利方程及其應(yīng)用連續(xù)性方程和柏努利方程及其應(yīng)用理論知識(shí)課理論知識(shí)課2流體流動(dòng)的系統(tǒng)中，任一截面流體流動(dòng)的系統(tǒng)中，任一截面上流體的流速、壓力、密度等上流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改變，有關(guān)物理量?jī)H

2、隨位置而改變，但但進(jìn)水進(jìn)水溢溢流流 =NOTE：連續(xù)操作連續(xù)操作的化工生產(chǎn)中大多數(shù)流動(dòng)屬于定態(tài)流動(dòng)。的化工生產(chǎn)中大多數(shù)流動(dòng)屬于定態(tài)流動(dòng)。恒位槽恒位槽隨時(shí)間而改變隨時(shí)間而改變?？瞻卓瞻卓瞻卓瞻?.3 1.3 流體流動(dòng)的基本規(guī)律流體流動(dòng)的基本規(guī)律3=f(t)流動(dòng)過程中任一流動(dòng)過程中任一 截面上流體的截面上流體的性質(zhì)（如密度、粘度等）和流性質(zhì)（如密度、粘度等）和流動(dòng)參數(shù)（如流速、壓強(qiáng)等）動(dòng)參數(shù)（如流速、壓強(qiáng)等）隨隨時(shí)間而改變時(shí)間而改變。NOTE:NOTE:非定態(tài)流動(dòng)時(shí)，若流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間呈規(guī)律性的變非定態(tài)流動(dòng)時(shí)，若流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間呈規(guī)律性的變化，在求算時(shí)用化，在求算時(shí)用微分微分式子表達(dá)，用式子表達(dá)，用積

3、分積分法求解。法求解。4一、流體定態(tài)流動(dòng)過程的物料衡算一、流體定態(tài)流動(dòng)過程的物料衡算 連續(xù)性方程連續(xù)性方程依據(jù)依據(jù)：質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律前提前提：1、充滿導(dǎo)管作定態(tài)流動(dòng)、充滿導(dǎo)管作定態(tài)流動(dòng) 2、沒有累積或泄漏、沒有累積或泄漏截面1截面2qm1=qm2 （連續(xù)性方程）（連續(xù)性方程）5導(dǎo)出導(dǎo)出： 分支管路分支管路：總管中的：總管中的質(zhì)量流量為各支管質(zhì)質(zhì)量流量為各支管質(zhì)量流量之和。量流量之和。q m=q v =S u S1 u1 1 =S2 u2 2對(duì)不可壓縮性流體：對(duì)不可壓縮性流體： 1 = 2總管總管支管支管1支管支管2（圓管）圓管）21221221ddSSuu6例例: 如附圖所示，管路由一

4、段如附圖所示，管路由一段894mm 的管的管1、一段、一段1084mm的管的管2和兩段和兩段573.5mm 的分支管的分支管3a及及3b連接而成。若水以連接而成。若水以910-3m/s 的體積流量流動(dòng)，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試的體積流量流動(dòng)，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。求水在各段管內(nèi)的速度。123b3a 附圖附圖mm8142891dm/s75.1081.0785.0109423211dquVmm100421082dm/s15.1)10081(75.1)(222112dduu解：解： 管1的內(nèi)徑為則水在管1中的流速為 管2的內(nèi)徑為則水在管2中的流速為 33222Su

5、Sum/s30. 2)50100(215. 1)(2223223dduu又水在分支管路3a、3b中的流量相等，則有 即水在管3a和3b中的流速為 管3a及3b的內(nèi)徑為 mm505 . 32573d7二、流體定態(tài)流動(dòng)過程的能量衡算二、流體定態(tài)流動(dòng)過程的能量衡算n流體流動(dòng)時(shí)所具有的機(jī)械能機(jī)械能：E動(dòng)動(dòng)=1/2 mu2E位位=mgZ位能位能(potential energy):J動(dòng)能動(dòng)能(energy of motion):J8壓力能壓力能(static energy):J質(zhì)量為質(zhì)量為m m、體積為、體積為V V1 1的流體，通過的流體，通過1 1截面所需的作用力截面所需的作用力F F1 1=P=P

6、1 1A A1 1，流體推，流體推入管內(nèi)所走的距離入管內(nèi)所走的距離V V1 1/A/A1 1，故與此功，故與此功相當(dāng)?shù)膲毫δ芟喈?dāng)?shù)膲毫δ?壓力能壓力能 = = 111111VpAVAp1111pmVp1kg的流體所具有的靜壓能為的流體所具有的靜壓能為 ，其單位為，其單位為J/kg。19內(nèi)能內(nèi)能(internal energy):是流體內(nèi)部大量分子運(yùn)動(dòng)所具有的內(nèi)動(dòng)能和分子間相互作用力而是流體內(nèi)部大量分子運(yùn)動(dòng)所具有的內(nèi)動(dòng)能和分子間相互作用力而形成的內(nèi)位能的總和。形成的內(nèi)位能的總和。內(nèi)能數(shù)值的大小隨流體的溫度和比容的變化而變化。內(nèi)能數(shù)值的大小隨流體的溫度和比容的變化而變化。設(shè)設(shè)1kg流體具有的內(nèi)能為

7、流體具有的內(nèi)能為U，其單位為，其單位為J/kg 10理想流體理想流體( (ideal fluid)ideal fluid)： 是指不具有粘度，因而流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)是指不具有粘度，因而流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生摩擦阻力的流體。生摩擦阻力的流體。理想液體：不可壓縮、受熱不膨脹理想液體：不可壓縮、受熱不膨脹理想氣體：符合理想氣體方程理想氣體：符合理想氣體方程 pV=nRTpV=nRT1、理想流體能量衡算、理想流體能量衡算若流動(dòng)過程中沒有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒有變化，則理想若流動(dòng)過程中沒有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒有變化，則理想流體流動(dòng)時(shí)的能量衡算可以只考慮機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。流體流動(dòng)時(shí)的能量衡算可以只考慮機(jī)械能之間的

8、相互轉(zhuǎn)換。11截面1截面2依據(jù)：依據(jù)：能量守恒定律能量守恒定律E1=E2根據(jù)連續(xù)性方程：根據(jù)連續(xù)性方程： m1 = m2理想流體的柏努利理想流體的柏努利(Bernoulli)公式公式22221222111211112121mpumgZmmpumgZm221212112121pugZpugZ理想流體理想流體 JJ JJkgkg-1-1 m m液柱液柱 空空對(duì)于不可壓縮性流體：對(duì)于不可壓縮性流體： 1= 21Zgu221gp12Zgu222gp2理想流體能量衡算理想流體能量衡算12 工程上將工程上將單位重力單位重力的流體所具有的各種形式的能量統(tǒng)稱的流體所具有的各種形式的能量統(tǒng)稱 為為壓頭壓頭(he

9、ad)。Z位壓頭位壓頭(potential head)；u2/2g動(dòng)壓頭動(dòng)壓頭(dynamic head)；p/ g壓力頭壓力頭(static head)13nBernoulli方程的物理方程的物理意義意義 1、理想流體在導(dǎo)管中作定態(tài)流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)管任一截面的總能理想流體在導(dǎo)管中作定態(tài)流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)管任一截面的總能量或總壓頭為量或總壓頭為 一常數(shù)。一常數(shù)。 2、能量在不同形式間可以相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)某一形式的壓頭的數(shù)能量在不同形式間可以相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)某一形式的壓頭的數(shù)值因條件而發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)地引起其他壓頭的數(shù)值的變化。值因條件而發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)地引起其他壓頭的數(shù)值的變化。結(jié)論結(jié)論：流體的流動(dòng)過程實(shí)質(zhì)上是流體

10、的流動(dòng)過程實(shí)質(zhì)上是能量的轉(zhuǎn)化過程能量的轉(zhuǎn)化過程。 流體得以流動(dòng)的必要條件是系統(tǒng)兩端有流體得以流動(dòng)的必要條件是系統(tǒng)兩端有壓強(qiáng)差壓強(qiáng)差或或位差位差。142、實(shí)際流體流動(dòng)過程的能量衡算、實(shí)際流體流動(dòng)過程的能量衡算實(shí)際流體的實(shí)際流體的Bernoulli方程方程實(shí)際流體與理想流體的主要區(qū)別：實(shí)際流體與理想流體的主要區(qū)別：？實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)存在摩擦阻力實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)存在摩擦阻力hfgu2221hgu221gp12hgp2HeH f每牛頓流體流動(dòng)時(shí)因阻力而消耗的能量，單位每牛頓流體流動(dòng)時(shí)因阻力而消耗的能量，單位m外界加于每牛頓流體的能量，單位外界加于每牛頓流體的能量，單位mHe221212112121pugZ

11、pugZWe+ Hf153 3、BernoulliBernoulli方程的應(yīng)用方程的應(yīng)用nBernoulli方程在工程上用以計(jì)算流體的流速流速或流量流量、流體流體輸送所需的壓頭輸送所需的壓頭和功率功率以及有關(guān)流體流動(dòng)方面的問題。1、作圖：作圖：根據(jù)題意畫出示意圖，注明有關(guān)參數(shù)；根據(jù)題意畫出示意圖，注明有關(guān)參數(shù)；2、選截面：、選截面：正確選取截面，以確定衡算范圍；正確選取截面，以確定衡算范圍； 截面選取必須具備的條件：截面選取必須具備的條件： 與流體流動(dòng)方向垂直；與流體流動(dòng)方向垂直；兩截面間的流體是連續(xù)的；兩截面間的流體是連續(xù)的；截面應(yīng)包括題目所給的已知和未知條件截面應(yīng)包括題目所給的已知和未知條

12、件3、選基準(zhǔn)水平面：、選基準(zhǔn)水平面：任意選取，但常將它與一個(gè)截面重合，計(jì)算方便。任意選取，但常將它與一個(gè)截面重合，計(jì)算方便。若截面不是水平面，則以中心線進(jìn)行計(jì)算。若截面不是水平面，則以中心線進(jìn)行計(jì)算。4、單位要一致：、單位要一致： 統(tǒng)一使用統(tǒng)一使用SI單位；壓強(qiáng)的表示方法要一致。單位；壓強(qiáng)的表示方法要一致。NOTENOTE：16例例1 設(shè)備間相對(duì)位置的計(jì)算設(shè)備間相對(duì)位置的計(jì)算從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽中液位恒定，從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液管高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液管為為45452.5mm2.5mm的鋼管，要求送液量為的鋼管，要求送液量為3

13、.6m3.6m3 3/h/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為1.2m 1.2m （不包括出口能量損失），試問高位槽的（不包括出口能量損失），試問高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？液位要高出進(jìn)料口多少米？fehgpugzHgpugz222212112121？110smu1222796. 004. 0785. 036006 . 34smdquV p1=0 Pa（表壓）；（表壓）；p2=0 Pa（表壓）（表壓） 17fehgpugzHgpugz222212112121例例2 2 管路某截面處的壓力管路某截面處的壓力的確定的確定某車間用壓縮空氣送某車間用壓縮空氣送2020的濃硫酸。的

14、濃硫酸。要求輸送量為要求輸送量為0.036m0.036m3 3.min.min-1-1，管徑為，管徑為3838 3mm3mm，設(shè)濃硫酸流經(jīng)全部管路的，設(shè)濃硫酸流經(jīng)全部管路的能量損失為能量損失為1.22J.N1.22J.N-1-1（不包括出口的（不包括出口的能量損失），試求壓縮空氣的壓力為能量損失），試求壓縮空氣的壓力為多少？多少？15m1122壓縮空氣壓縮空氣？110smu18例例1-13 管路某截面處的壓力管路某截面處的壓力19習(xí)題習(xí)題 流體輸送設(shè)備所需功率的計(jì)算流體輸送設(shè)備所需功率的計(jì)算習(xí)題習(xí)題用泵將堿液槽中的堿液抽往吸收塔頂，經(jīng)噴頭噴出作吸收用泵將堿液槽中的堿液抽往吸收塔頂，經(jīng)噴頭噴出作

15、吸收劑用。泵的汲入管內(nèi)徑為劑用。泵的汲入管內(nèi)徑為70mm，壓出管為，壓出管為內(nèi)徑為內(nèi)徑為50mm 。堿液在噴頭口前的靜壓強(qiáng)按壓力指示表為堿液在噴頭口前的靜壓強(qiáng)按壓力指示表為0.3kgfcm-2(表壓表壓)，密度為密度為1100kgm-3。輸送系統(tǒng)中壓頭損失為輸送系統(tǒng)中壓頭損失為3米，堿液柱計(jì)劃米，堿液柱計(jì)劃送液量為送液量為25th-1。若泵的效率為若泵的效率為55%，試求泵所需的功率。，試求泵所需的功率。1.5m16m解：解：1hg221gp12hg222gp2HfHe？12基準(zhǔn)面1=0 ms-1；2=qv/A2=qm/A2P1= 0 Pa(表壓)；Hf=3mP2=0.3kgfcm-2= -

16、Pa(表壓表壓)輸送所需理論功率（輸送所需理論功率（JS-1）：）： Ne = He g qm實(shí)際需功率：實(shí)際需功率：Na=Ne / 20例例1-12 計(jì)算輸送機(jī)械的有效功率計(jì)算輸送機(jī)械的有效功率有效功率：輸送機(jī)械在單位時(shí)間內(nèi)所作的有效功稱為有效功率，用下式計(jì)算 emePq W21計(jì)算流體的輸送量計(jì)算流體的輸送量6m解：解：V?v截面1截面21hgp12hHfHeg221g222gp2基準(zhǔn)水平面h=0 mh1=p1=p2= 1= 2= 水為不可壓縮性流體水為不可壓縮性流體1 0 ms-1He = 0 mH2O；Hf =5.7 mH2O0 Pa（表壓）6mh2=0m，？qv= A2 2= 2 d 2/4習(xí)題習(xí)題 高位水槽水面距出水管凈垂直距離為高位水槽水面距出水管凈垂直距離為6.06.0m,m,出水管出水管內(nèi)徑為內(nèi)徑為50mm, ,管管道較長(zhǎng)道較長(zhǎng), ,流動(dòng)過程的壓頭損失為流動(dòng)過程的壓頭損失為5.75.7米水柱米水柱, ,試求每小時(shí)可輸送水量試求每小時(shí)可輸送水量m m3 3。22Bernoulli方程的應(yīng)用舉例習(xí)題習(xí)題 噴射泵中噴射泵中水水流量為流量為10th-1，入口靜壓強(qiáng)為入口靜壓強(qiáng)為1.5kgfcm-2（表壓），進(jìn)表壓），進(jìn)口管內(nèi)徑口管內(nèi)徑53mm，噴嘴口內(nèi)徑噴嘴口內(nèi)徑13mm，試求該噴射泵理論上能形