清華大學(xué)化工原理21第一章流體流動(dòng)

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)第一章流體流動(dòng)第一節(jié)流體流動(dòng)中的作用力KeyWords:Fluidflow,Shearstress,Fluidstatics,Density,Viscosity,Pressure管道輸送化工過(guò)程中的流體流動(dòng)多相流單元操作中流動(dòng)現(xiàn)象一、體積力和密度：=m/VpT液體基本不變稍有變化氣體改變改變理氣混合密度：體積分率：XV1XV2氣體：（1m3為基準(zhǔn)）總質(zhì)量＝A＋B＋C液體：1Kg混合液為基準(zhǔn)，質(zhì)量分率：Xw1Xw2＝A＋B＋C二、壓力：1atm=1.013×105N/m2=10.33m（水柱），760mmHg壓力表：表壓＝絕壓－大氣壓真空表：真空度＝大氣壓－絕壓＝－表壓[確切標(biāo)明（表）、（絕）、（真）]三、剪力、剪應(yīng)力、粘度：流體沿固體表面流過(guò)存在速度分布：：動(dòng)力粘度、粘性系數(shù)牛頓型塑性非牛頓型假塑性漲塑性粘度：T↑液體↓，氣體↑P↑基本不變基本不變40atm以上考慮變化混合粘度：①不締合混合液體()②低壓下混合氣體第二節(jié)流體靜力學(xué)方程一、靜力學(xué)基本方程：方向→與作用面垂直靜壓力各方向作用于一點(diǎn)的靜壓力相同同一水平面各點(diǎn)靜壓力相等（均一流體）對(duì)于Z方向微元：不可壓縮液體：1、不可壓縮流體條件：2、靜止3、單一連續(xù)流體結(jié)論：?jiǎn)我涣黧w連續(xù)時(shí)→同一水平面靜壓力相等間斷、非單一流體→逐段傳遞壓力關(guān)系二、流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用：1、壓差計(jì)：微差壓差計(jì)①②R很大時(shí)，液面相似例：，，若=229.6+27.1=256.7N/m2(表)2、液面計(jì)：3、液封4、液體在離心力場(chǎng)內(nèi)的靜力學(xué)平衡流體流動(dòng)的基本方程KeyWords:Massflowrate,Volumetricflowrate,Velocity,Massvelocity,Equationofcontinuity,Bernoulliequation,Potentialenergy,Kineticenergy,Lossofmechanicalenergy,Work流量與流速：體積流量：，質(zhì)量流量：流速：，質(zhì)量流速：管路流速：液體0.5～3m/s，氣體10～30m/s綜合考慮：流量生產(chǎn)任務(wù)；流速、動(dòng)力、設(shè)備、工藝連續(xù)性方程：流動(dòng)系統(tǒng)→各截面上：。若圓管三、總能量衡算和柏努利方程：穩(wěn)定流動(dòng)體系中討論1、與流體有關(guān)的能量形式和總能量衡算內(nèi)能，位能，動(dòng)能，靜壓能（流動(dòng)功）流體進(jìn)入劃定體積需要對(duì)抗壓力作功，所作功轉(zhuǎn)化為流體靜壓能帶入劃定體積。質(zhì)量為m、體積為V的流體，進(jìn)入劃定體積上游壓力：；所行距離：；_功：流動(dòng)中存在總能量：；外界輸入：,對(duì)兩個(gè)不同截面：2、柏努利(Bernoulli)方程式：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體（比容）根據(jù)熱力學(xué)第一定律：W:膨脹功；Q:兩部分環(huán)境Qe和阻力消耗不可壓縮流體：對(duì)于理想流體：，無(wú)外功，3、討論代表能量的轉(zhuǎn)化：對(duì)于理想流體＝const.；實(shí)際流體（非理想）系統(tǒng)能量隨流動(dòng)↓，實(shí)際流體的流動(dòng)條件＞E出或We>0；Z，p，u，狀態(tài)函數(shù)，LINKWord.Document.8"D:\\MyDocuments\\第三節(jié).doc"OLE_LINK2\a\rWe，過(guò)程函數(shù)；當(dāng)，，，靜力學(xué)方程；三種不同形式gZ，gZ，Z（J/kg），（N/m2），（m）(流體柱)<表壓><絕壓>可壓縮流體(p1-p2)/p1>10%。4、使用條件：a、穩(wěn)定流動(dòng)b、計(jì)算空間連續(xù)，不可壓縮c、截面選定：緩變均勻流d、單位一致性e、管內(nèi)流動(dòng)為平均值四、柏努利方程的應(yīng)用：畫圖計(jì)算步驟：截面選?。孩?gòu)纳嫌蔚较掠危?-12-2②沿流動(dòng)方向③計(jì)算1-1,2-2間的We和hf基準(zhǔn)水平面單位Δ壓差計(jì)讀數(shù)R：A、B兩處位能與靜壓能總和之差。均勻管路：*水平管：壓測(cè)管指示為靜壓差*均勻管路：壓測(cè)管指示為(不一定水平）Δ截面選取：水池：1-1:Z=0,p=0,u=0水池內(nèi)管外：Z=-h,p=hg,u=0噴口出口(內(nèi))：u=u管,p=p塔噴口出口(外)：u=0,p=p塔流向判斷：，求出能否流動(dòng)是靜力學(xué)問(wèn)題，一旦流動(dòng)，匯合管路，p2值變化。習(xí)題討論課：1－25馬利奧特容器。內(nèi)徑800mm，A管d=25mm。選1－1，2－2。1-26（1）a關(guān)閉，b開(kāi)啟。選1－1，2－2（2）a開(kāi)啟，b也開(kāi)啟。選1－1，a-a（3）a、b均關(guān)閉，虹吸。第四節(jié)流體流動(dòng)現(xiàn)象Keywords：Flowphenomena,Reynoldsnumber,Laminarflow,Turbulentflow,Boundarylayer一、剪應(yīng)力和動(dòng)量傳遞：粘性定律：多層同心圓式流動(dòng)剪應(yīng)力：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積的動(dòng)量動(dòng)量通量。二、兩種不同的流動(dòng)形態(tài)上述討論基于不同流體層的假設(shè)，但這種假設(shè)僅在u很小時(shí)才能成立。1、雷諾實(shí)驗(yàn)：u小時(shí)，質(zhì)點(diǎn)沿彼此平行的線運(yùn)動(dòng)；u上下波動(dòng)；u波動(dòng)加劇，最終全管均一。2、雷諾數(shù)：運(yùn)動(dòng)分為滯(層)流、湍(紊)流存在一個(gè)臨界速度：(無(wú)因次)d：特征長(zhǎng)度，Re<2000層流；Re>4000湍流3、雷諾數(shù)的意義：流體流動(dòng)中慣性力與粘滯力之比u：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積的質(zhì)量kg/m2su2：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積的動(dòng)量慣性力u/d速度梯度，u/d粘滯力u2/u/d=ud/=Reu，Re慣性力占主導(dǎo)地位慣性力加劇湍動(dòng)u，Re粘滯力占主導(dǎo)地位粘滯力抑制湍動(dòng)三、管內(nèi)的滯流與湍流分層流動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)互瞬間速度uiinstantaneousvelocity滯流不碰撞互不混合，湍流脈動(dòng)速度uifluctuatingvelocity速度分布為拋物線型時(shí)均速度meanvelocity①ui與位置有關(guān)中心ui大，壁面ui=0②為穩(wěn)定值，不隨時(shí)間變層流湍流1、速度分布：時(shí)：Re=1×105左右，n=72、平均速度：n=7，Re↑,n↑,u/umax↑4×103n=61.1×105n=73.2×106n=103、動(dòng)能：層流時(shí)小了一半，但動(dòng)能項(xiàng)小。4、剪應(yīng)力：ε:渦流粘度四、邊界層概念：?jiǎn)栴}的提出：du/dy集中于壁面附近；主體可按理想流體處理分界：99％u以均勻u流近平板2、邊界的形成和發(fā)展受平板影響出現(xiàn)du/dy動(dòng)量傳遞，邊界層加厚邊界層厚度研究?jī)?nèi)容：邊界層速度分布剪應(yīng)力，壁面阻力3、邊界層的分離（形體阻力）A:u=0,pmaxAB:u，p，加速減壓BC：u，p，減速升壓C：動(dòng)能耗盡p最大，分離點(diǎn)。1)流道擴(kuò)大時(shí)造成逆向壓力梯度2)逆壓力梯度容易造成邊界層分離3)邊界層分離造成大量漩渦，增加機(jī)械能消耗第五節(jié)流體在管內(nèi)流動(dòng)阻力KeyWords:Fanningeq.,Hagon-poiseuilleeq.,Hydraulicradius,Suddenexpansionofcrosssection,Suddencontractionofcrosssection,Flowofcompressiblefluids一、阻力損失及通式：沿程阻力三種表示方式：局部阻力[對(duì)于水平直管，無(wú)外功，pf=-p]推導(dǎo)方便令磨擦因數(shù)。Fanning(范寧)公式：對(duì)層流、湍流均適用。求法不同。二、層流時(shí)的阻力損失：三、因次分析法：依據(jù)：因次一致性原則，正確描述一物理現(xiàn)象，等式兩邊的物理量因次一致。校驗(yàn)：定理有m個(gè)基本變量，n個(gè)基本因次，無(wú)因次群為m－n個(gè)步驟：1)找出所有相關(guān)物理量2)選出基本因次3)列因次關(guān)系式4)組成無(wú)因次數(shù)群的冪函數(shù)關(guān)聯(lián)式:管壁突出部分平均高度。：壓力與慣性力之比四、湍流的阻力損失。令1、實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：柏拉修斯（Blasius）關(guān)聯(lián)式：2、圖(Moody圖)滯流區(qū)=64/Re，直線斜率為－1一般情況：定值。（阻力平方區(qū)）五、非圓形管內(nèi)阻力損失：當(dāng)量直徑4倍水力半徑（HydraulicRadius）矩形：環(huán)隙：de對(duì)湍流計(jì)算較可靠：矩形a:b<3:1環(huán)隙效果較差對(duì)于層流正方形環(huán)隙SuddenExpansionofCrossSection,SuddenContractionofCrossSection六、局部阻力：1、阻力系數(shù)法：(1)突然擴(kuò)大利用動(dòng)量衡算：作用于體積上的凈力＝單位時(shí)間動(dòng)量增量利用計(jì)算動(dòng)能較準(zhǔn)確，計(jì)算動(dòng)量有一定偏差認(rèn)為1，0處壓力相同稍大計(jì)算hf時(shí)用小管平均流速(2)突然縮?。河?jì)算時(shí)用小管平均流速。(3)出口：0=1；入口：i=0.5(4)當(dāng)量長(zhǎng)度法：FlowofCompressibleFluids七、可壓縮流體的阻力損失：從微元衡算出發(fā)：對(duì)于水平直管：dZ=0，若We=0對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)：A一定，積分：理想氣體（1）等溫過(guò)程：右邊第一項(xiàng)：壓力變化引起的動(dòng)能變化。上述方程可利用理想氣體方程：（2）非等溫過(guò)程：絕熱：上述推導(dǎo)存在的問(wèn)題：無(wú)嚴(yán)格可逆過(guò)程p應(yīng)使用絕壓管路計(jì)算管路計(jì)算的依據(jù)和類型柏努利方程依據(jù)：連續(xù)性方程阻力損失關(guān)系式類型：1)已知Vs，幾何尺寸，進(jìn)出口條件，求Ne2)輸送壓頭，幾何尺寸。求3)輸送壓頭，管長(zhǎng)，特性求一定Vs下的d幾種典型管路的計(jì)算：1、串聯(lián)管路：2、并聯(lián)管路：忽略分流、合流處損失，各管路的流量分配按阻力相同原則3、分支管路：1)2)3)分支處總機(jī)械能為定值。4、設(shè)計(jì)計(jì)算按照機(jī)械能關(guān)系由遠(yuǎn)及近計(jì)算：5、格努利方程未考慮分支，匯合，但按單位流體可以處理。按分支流量的不同，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定局部阻力系數(shù)若管路長(zhǎng)，可以忽略局部阻力注意從上游到下游幾點(diǎn)討論：1、簡(jiǎn)單管路：閥門關(guān)小任何局部阻力，將使管路各處的u下游阻力，使上游p連續(xù)介質(zhì)上游阻力，使下游p固定E處2、分支管路：極端情況：1)總管阻力可以忽略，支管路阻力為主：u0很小，p0為常數(shù)，關(guān)小A只影響A流量，不影響B(tài)（供水）2)總管阻力為主，支管阻力可忽略，不變，總流量不因A關(guān)閉而變小，“影響分配”3、匯合管路：關(guān)小閥門，u3；p0，u1，u2；u2快u2=0，反向流動(dòng)。從液面恒定的開(kāi)口高位槽向常壓設(shè)備加料，d=40mm，若V’=1.5V，采用如下措施：d’=60mmd1=40mmd2=20mmZ至6m假設(shè)，，忽略入口損失及出口動(dòng)能1)2)3)流量的測(cè)定KeyWords:Measurementofflowingfluids,Pitottube,Orificemeter,Venturimefer,Ratometer核心：能量轉(zhuǎn)換一次儀表的表征-----柏努利方程式的應(yīng)用一、皮托管：沖壓頭＝靜壓頭(p/)＋動(dòng)壓頭(u2/2)1)與流動(dòng)方向平行放置2)內(nèi)管前端敞開(kāi)3)外管封閉，一段距離后側(cè)開(kāi)孔4)另一端接壓差計(jì)，加校正系數(shù)C=0.98～1.0注：測(cè)點(diǎn)速度滯流0.5umax測(cè)umax湍流0.82umaxumaxRmaxu/umaxL>50D，d<D/50（測(cè)氣速）差壓流量計(jì)：節(jié)流口面積不變截面流量計(jì)：節(jié)流口面積隨流量而二、孔板流量計(jì)：孔由小大，45銳孔；測(cè)定壓差流量大小1)忽略能量損失2)考慮能量損失3)考慮壓差計(jì)接法：a角接法：前后兩塊法蘭上。b徑接法：前一倍D，后D/2，4)CO孔流系數(shù)：C1：能量損失C2：測(cè)壓口位置（接法）器件部分A0/A1CO一般由實(shí)驗(yàn)求得：Re，CO不變。ReC極限值(使用范圍)A0/A1，CO，（查圖）一般CO在0.6～0.7之間*安裝方便，但存在較大的永久阻力降。三、文丘里流量計(jì)：減少能量損失漸縮漸擴(kuò)上游：漸縮前D/2下游：喉部尺寸嚴(yán)格，造價(jià)高，但永久壓力降小。四、轉(zhuǎn)子流量計(jì)Vf轉(zhuǎn)子體積、Af最大部分面積、f轉(zhuǎn)子材料密度、流體密度忽略切向力AR：環(huán)隙面積不同流體的標(biāo)定情況，若CR不變。小結(jié)主要關(guān)系式：1、靜力學(xué)方程：均一靜止流體（連續(xù)），同一水平面壓力相等；非均一靜止流體（間斷），逐段傳遞壓力關(guān)系。2、連續(xù)性方程（物料衡算）：用于同一管道系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。1－1與2－2，3－3的關(guān)系3、柏努利方程：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，ρ=const.基準(zhǔn)1kg，質(zhì)量流體截面按流動(dòng)方向，上游下游，未知量少*同一截面的E值相同。4、阻力計(jì)算式當(dāng)水平均勻管道時(shí)相等（均勻管道）試差法，（非線性）二、基本概念要清楚記憶1、量綱定義2、數(shù)量概念：三．幾個(gè)重要問(wèn)題：1、壓差計(jì)的指示，指示為：－p若，均勻