流體流動(dòng)的基本規(guī)律

1、化 工 基 礎(chǔ)An Introduction to Chemical Industry and Engineering1流體靜力學(xué)基本方程 根據(jù)用液柱表示壓強(qiáng)的方法，p=h g，則在靜止液面下面深度h處的壓強(qiáng)為：（流體靜力學(xué)方程）描述靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)的變化規(guī)律hABPB=PA+gHPA=PB-gH2在重力場(chǎng)中，靜止流體內(nèi)任一點(diǎn)的靜壓力的大小與液體的密度及該點(diǎn)的深度有關(guān)，與該點(diǎn)所在的水平位置及容器的形狀無關(guān)。在連續(xù)、靜止的同一流體中，在同一水平面上，流體的靜壓力相等，這樣的水平面稱為等壓面。0ABCDh？液面上所受的壓強(qiáng)能以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部,此規(guī)律即物理學(xué)中的巴斯噶原理.3練 習(xí)水水水Q1

2、:A1、A2、A3的壓力是否相同？ 他們的大小順序如何？A1A2A3B1B2B3Q2:B1、B2、B3的壓力是否相同？C1C2C3Q3:C1、C2、C3的壓力是否相同？Q4:D1、D2、D3的壓力是否相同？D1D2D3A: A3A2A1A: B3B2C2=C3A: D1=D2=D34練 習(xí)離H0為0.5m，油的密度0為800 kgm-3 ，水的密度為1000 kgm-3。如果要求油水分界面位于觀察孔中心，則倒U型管頂部至觀察孔中心的垂直距離H應(yīng)為多少？設(shè)液體在器內(nèi)的流動(dòng)緩慢，可按靜力學(xué)處理。而且油水易于分層，沒有乳化界面。H0H溢流混合物水油和水的混合物在分離器內(nèi)利用密度差異進(jìn)行分離。油由上部

3、的側(cè)管溢流排走，水由底部的倒U型管排出。倒U型管頂部有平衡管與分離器頂部連通，使兩處壓力相等。油面至觀察孔中心的距5練 習(xí)乙炔發(fā)生器裝有水封管,當(dāng)器內(nèi)壓力過大時(shí)通過水封排氣至安全處。要控制發(fā)生器內(nèi)壓力不超過12kPa（表壓）。求水封管應(yīng)插入水的深度H。乙炔發(fā)生器H6教學(xué)目的：重點(diǎn)難點(diǎn)：課 型：3.2 流體流動(dòng)的基本規(guī)律根據(jù)物料衡算和能量衡算推導(dǎo)出連續(xù)性方程和柏努利方程，進(jìn)一步理解緒論中提出的化工基礎(chǔ)中的基本規(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)用理論知識(shí)課7定態(tài)流動(dòng)(steady state):流體流動(dòng)的系統(tǒng)中，任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改

4、變，但進(jìn)水溢流=NOTE：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)。恒位槽不隨時(shí)間而改變?？瞻卓瞻?.2 流體流動(dòng)的基本規(guī)律8 非定態(tài)流動(dòng)(non-steady state)=f(t)流動(dòng)過程中任一 截面上流體的性質(zhì)（如密度、粘度等）和流動(dòng)參數(shù)（如流速、壓強(qiáng)等）隨時(shí)間而改變。NOTE:非定態(tài)流動(dòng)時(shí)，若流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間呈規(guī)律性的變化，在求算時(shí)用微分式子表達(dá)，用積分法求解。9一、流體定態(tài)流動(dòng)過程的物料衡算 連續(xù)性方程依據(jù)：質(zhì)量守恒定律前提：1、充滿導(dǎo)管作定態(tài)流動(dòng) 2、沒有累積或泄漏截面1截面2qm1=qm2 （連續(xù)性方程）10導(dǎo)出： 分支管路：總管中的質(zhì)量流量為各支管質(zhì)量流量之和。q m=q v

5、=S u S1 u1 1 =S2 u2 2對(duì)不可壓縮性流體：1 = 2總管支管1支管2（圓管）11例: 如附圖所示，管路由一段894mm 的管1、一段1084mm的管2和兩段573.5mm 的分支管3a及3b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，試求水在各段管內(nèi)的速度。123b3a 附圖解： 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 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 12二、流體定態(tài)流動(dòng)過程的能量衡算流體流動(dòng)時(shí)所具有的機(jī)械能：E動(dòng)=1/2 mu2E位=mgZ位能(po

6、tential energy):J動(dòng)能(energy of motion):J13靜壓能(static energy):J質(zhì)量為m、體積為V1的流體，通過1截面所需的作用力F1=P1A1，流體推入管內(nèi)所走的距離V1/A1，故與此功相當(dāng)?shù)撵o壓能 靜壓能 = 1kg的流體所具有的靜壓能為 ，其單位為J/kg。114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。設(shè)1kg流體具有的內(nèi)能為U，其單位為J/kg 15理想流體(ideal fluid)：是指不具有粘度，因而流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生摩擦阻力

7、的流體。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 pV=nRT1、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。16截面1截面2依據(jù)：能量守恒定律E1=E2根據(jù)連續(xù)性方程： m1 = m2理想流體的柏努利(Bernoulli)公式理想流體JJkg-1m液柱空對(duì)于不可壓縮性流體： 1= 2理想流體能量衡算17 工程上將單位重力的流體所具有的各種形式的能量統(tǒng)稱 為壓頭(head)。Z位壓頭(potential head)；u2/2g動(dòng)壓頭(dynamic head)；p/g靜壓頭(static head)1

8、8Bernoulli方程的物理意義 1、理想流體在導(dǎo)管中作定態(tài)流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)管任一截面的總能量或總壓頭為 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)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：流體的流動(dòng)過程實(shí)質(zhì)上是能量的轉(zhuǎn)化過程。 流體得以流動(dòng)的必要條件是系統(tǒng)兩端有壓強(qiáng)差或位差。192、實(shí)際流體流動(dòng)過程的能量衡算實(shí)際流體的Bernoulli方程實(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HfHeH f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mHe203、Bernoulli方程的應(yīng)用Bernoulli方程在工程上用以

9、計(jì)算流體的流速或流量、流體輸送所需的壓頭和功率以及有關(guān)流體流動(dòng)方面的問題。1、作圖：根據(jù)題意畫出示意圖，注明有關(guān)參數(shù)；2、選截面：正確選取截面，以確定衡算范圍； 截面選取必須具備的條件：與流體流動(dòng)方向垂直；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3、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。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：統(tǒng)一使用SI單位；壓強(qiáng)的表示方法要一致。NOTE：21例1 容器間相對(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，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液管為452.5mm的鋼管，要求送液量為3.6m3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的

10、壓頭損失為1.2m （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？ p1=0 Pa（表壓）；p2=0 Pa（表壓） 22例2 送料用壓縮空氣壓力的確定某車間用壓縮空氣送20的濃硫酸。要求輸送量為0.036m3.min-1，管徑為383mm，設(shè)濃硫酸流經(jīng)全部管路的能量損失為1.22J.N-1（不包括出口的能量損失），試求壓縮空氣的壓力為多少？15m1122壓縮空氣？23習(xí)題 流體輸送設(shè)備所需功率的計(jì)算習(xí)題用泵將堿液槽中的堿液抽往吸收塔頂，經(jīng)噴頭噴出作吸收劑用。泵的汲入管為21/2 “，壓出管為2 “。堿液在噴頭口前的靜壓強(qiáng)按壓力指示表為0.3kgfcm-2(表壓)，密度為1100k

11、gm-3。輸送系統(tǒng)中壓頭損失為3米，堿液柱計(jì)劃送液量為25th-1。若泵的效率為55%，試求泵所需的功率。1.5m16m解：HfHe？12基準(zhǔn)面1=0 ms-1；2=qv/A2=qm/A2P1=0 Pa(表壓)；Hf=3mP2=0.3kgfcm-2= - Pa(表壓)輸送所需理論功率（JS-1）： Ne = He g qm實(shí)際需功率：Na=Ne / 24Bernoulli方程的應(yīng)用舉例6m解：V?v截面1截面2HfHe基準(zhǔn)水平面h=0 mh1=p1=p2=1= 2= 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 高位水槽水面距出水管凈垂直距離為6.0m,出水管為“2 1/2管”,管道較長(zhǎng),流動(dòng)過程的壓頭損失為5.7米水柱,試求每小時(shí)可輸送水量m3。25Bernoulli方程的應(yīng)用舉例習(xí)題 噴射泵中水流量為10th-1，入口靜壓強(qiáng)為1.5kgfcm-2（表壓），進(jìn)口管內(nèi)徑53