化工原理流體力學

化工原理流體力學1第1頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月要求：1.掌握流體靜力學基本方程式及應用；2.掌握連續(xù)性方程及應用；3.掌握柏努利方程式及應用；4.掌握流動阻力的計算；5.掌握管路計算。2第2頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月重點：1.柏努利方程式及應用；2.流動阻力的計算；3.管路計算。3第3頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月流體：液體和氣體統(tǒng)稱為流體。

在研究流體流動時，通常將流體視為由無數(shù)分子集團所組成的連續(xù)介質，每個分子集團稱為質點。4第4頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

流體的特征是具有流動性。流體在流動過程中具有一定的規(guī)律性，這些規(guī)律對化工生產(chǎn)具有一定的指導作用，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）流體的輸送管徑的確定、輸送設備的負荷；（2）壓強、流速和流量的測量為儀表測量提供依據(jù)；（3）為強化設備提供適宜的流動條件設備的操作效率與流體流動狀況有密切關系。5第5頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1流體的物理性質1.1.1流體的密度1.定義：單位體積流體所具有的質量，kg/m3。2.求?。?1)一般可在物理化學手冊或有關資料中查得，教材附錄中也列出某些常見氣體和液體的密度。6第6頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)對理想氣體，其密度與壓強和溫度有關。當實際狀態(tài)與手冊中標明的狀態(tài)不一致時，需校正。實際上理想氣體的密度可按下式計算：7第7頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)對混合物的平均密度還需通過以下公式計算：Ａ、Ｂ：純組份A、B的密度，kg/m3；xwA、xwB：A、B的質量分數(shù)；xVA、xVB：A、B的體積分數(shù)；yA、yB：A、B的摩爾分數(shù)。8第8頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2流體的粘度1.牛頓粘性定律

流體在管內流動時，其速度分布規(guī)律為：靠近管中心的速度較大，靠近管壁的速度較?。▽嶒灴沈炞C）。9第9頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

流體在圓管內流動時，在一定的條件下可視為被分割成無數(shù)層極薄的圓筒，一層套一層，每層稱流體層，流體層上各質點的速度相等。

相鄰兩層中靠近管中心的速度較大，靠近管壁的速度較小。前者對后者起帶動作用，后者對前者起拖曳作用，相鄰流體層之間的這種相互作用稱內摩擦力。10第10頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

帶動作用是由流體靜壓力所產(chǎn)生的，而拖曳作用是由流體內在的一種抗拒向前運動的特性所產(chǎn)生的，這種特性稱粘性。

粘性是內摩擦力產(chǎn)生的原因，內摩擦力是粘性的表現(xiàn)。流體在流動時的內摩擦力是流動阻力產(chǎn)生的依據(jù)。11第11頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月12第12頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月流體在流動時的內摩擦力大小與哪些因素有關？13第13頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月14第14頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月流體在平板間流動時，實驗證明：流體在管內流動時：牛頓粘性定律15第15頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月16第16頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月牛頓型流體：服從牛頓粘性定律的流體，包括全部氣體與大部分液體。非牛頓型流體：不服從牛頓粘性定律的流體，包括稠厚液體或懸浮液。17第17頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2.流體的粘度2）物理意義

促使流動產(chǎn)生單位速度梯度的剪應力。因此，粘度是流體運動時的特性。1）定義18第18頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月3）求?。翰槭謨裕驅嶒灉y定?；旌衔锏恼扯炔荒馨唇M分疊加計算，只能用專門的經(jīng)驗公式估計。19第19頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月4）影響因素：溫度：液體的粘度隨溫度升高而減小，氣體的粘度則隨溫度升高而增大。壓強：壓強變化時，液體的粘度基本不變，氣體的粘度隨壓強增加而增加得很少，只有在極高或極低的壓強下，才考慮壓強對氣體粘度的影響。20第20頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月5）粘度的單位：P（泊）=g/(cm﹒s)1P=100cP（厘泊）1Pa﹒s=10P=1000cP21第21頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月3.理想流體黏度為零的流體。嚴格講：在流動過程中，流動阻力為零的流體。22第22頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1靜止流體的壓力

1.定義：2.單位：Pa（帕斯卡，SI制）,atm（標準大氣壓）,某流體柱高度,kgf/cm2(工程大氣壓),bar（巴）等1.2流體靜力學基本方程式23第23頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月其之間換算關系為：1atm=760mmHg=1.0133×105Pa=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=1.0133bar24第24頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月3.表示方法絕對壓強：以絕對零壓作起點計算的壓強，是流體的真實壓強；表壓強：絕對壓強比大氣壓強高出的數(shù)值；真空度：絕對壓強低于大氣壓強的數(shù)值。25第25頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)Q算關系：表壓強=絕對壓強－大氣壓強真空度=大氣壓強－絕對壓強例1-2（P17）26第26頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2流體靜力學基本方程式1.內容描述靜止流體內部壓力（壓強）變化規(guī)律的數(shù)學表達式。27第27頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2.使用條件：靜止的同一種連續(xù)的流體；流體密度恒定。由流體靜力學基本方程式可得到以下結論：28第28頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1）當容器液面上方的壓強一定時，靜止液體內部任一點壓強p的大小與液體本身的密度ρ和該點距液面的深度h

有關。因此，在靜止的、連續(xù)的同一液體內，處于同一水平面上各點的壓強都相等。29第29頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2）當液面上方的壓強p0

改變時，液體內部各點的壓強p也發(fā)生同樣大小的改變。3）式p=p0+gh可該寫為：(p－p0)/g=h，說明壓強差的大小可以用一定高度的液柱表示，但必須標明是何種液體液柱。30第30頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月3.流體靜力學基本方程式的推導（自學）例1-3（P19）31第31頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3流體靜力學基本方程式的應用1.壓強與壓強差的測量測量壓強的儀表種類很多，其中以流體靜力學基本方程式為依據(jù)的測壓儀器稱液柱壓差計，它可測量流體的壓強或壓強差，其中較典型的有下述兩種。32第32頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1)U管壓差計指示液要與被測流體不互溶，不起化學反應，且其密度應大于被測流體。33第33頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月A：指示液；B：待測液體。34第34頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月35第35頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月36第36頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月3)微差壓差計壓差計內裝有兩種密度相近且不互溶的指示液A和C，且指示液C與被測流體B亦不互溶。為了讀數(shù)方便，使U管的兩側臂頂端各裝有擴大室，俗稱“水庫”。37第37頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月A：指示劑C：指示劑B：擴大室38第38頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-4（P21）39第39頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2.液位的測量40第40頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月3.液封高度的計算化工生產(chǎn)中一些設備需要液封，液封高度的確定就是根據(jù)流體靜力學基本方程式來計算的。例1-8、例1-9（P24）41第41頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月42第42頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3

流體在管內的流動1.3.1流量與流速1.流量單位時間內流過管道任一截面的流體量。43第43頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月質量流量ws：流體單位時間內流過管道任一截面的流體質量。體積流量Vs：流體單位時間內流過管道任一截面的流體體積。44第44頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2.流速單位時間內流體在流動方向上所流過的距離。由于流體在管截面上的速度分布較為復雜，通常流體的流速指整個管截面上的平均流速，表達式為：45第45頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于氣體的體積流量隨溫度和壓強的變化而變化，故氣體的流速也隨之而變，因此采用質量流速較為方便。質量流速：單位時間內流體流過管道單位截面積的質量。

46第46頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月由流量和流速可確定管道的直徑d

流量一般由生產(chǎn)任務所決定。流速的選擇視具體情況而定，一般選用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，具體見表1-1（P26），計算得到的管徑需進行標準化。例1-10（P26）47第47頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2

定態(tài)流動與非定態(tài)流動定態(tài)流動：在流動系統(tǒng)中，各截面上流體的流速、壓強、密度等有關物理量不隨時間而變化，這種流動稱為定態(tài)流動或穩(wěn)定流動。非定態(tài)流動：在流動系統(tǒng)中，各截面上流體的流速、壓強、密度等有關物理量隨時間而變化，這種流動稱為非定態(tài)流動或不穩(wěn)定流動。48第48頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1－進水管2－溢流管3－水箱4－排水管49第49頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3連續(xù)性方程式50第50頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)物料衡算推導出管道內定態(tài)流動的連續(xù)性方程式：若流體視為不可壓縮流體，=常數(shù)，則有：51第51頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

當體積流量一定時，流速與管徑的平方成反比，即：52第52頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4柏努利方程式1.流動系統(tǒng)的總能量衡算進出系統(tǒng)的能量：（J/kg）內能U位能gZ動能u2/2靜壓能pv熱能Q外功（凈功）W總機械能（總能量）53第53頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1－換熱器2－泵54第54頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)能量守衡定律可得：55第55頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2.流動系統(tǒng)的機械能衡算式與柏努利（Bernouli）方程式1）流動系統(tǒng)的機械能衡算式56第56頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月57第57頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2）柏努利（Bernouli）方程式對不可壓縮流體，其比容

和密度

為常數(shù)，故有：58第58頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：理想流體在管道內作定態(tài)時，無外功加入，其總機械能在各截面處相等；59第59頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

有效功率Ne=Wews

對可壓縮流體，當(p1-p2)/p1<20%時，上式仍可用，p取平均值；當流體靜止時，u=0，則可得到流體靜力學方程式。60第60頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月3.柏努利方程式的表達形式與衡算基準有關1）以單位質量流體為衡算基準，單位：J/kg61第61頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2）以單位重量流體為衡算基準，單位：m分別稱位壓頭、動壓頭、靜壓頭、壓頭損失62第62頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月3）以單位體積流體為衡算基準，單位：Pa63第63頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月4.應用柏努利方程式解題要點（1）作圖與確定衡算范圍（2）截面的選取：上、下游截面（3）基準水平面的選?。?）單位必須一致64第64頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月p可采用絕對壓強或表壓兩種表示方法。65第65頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.5柏努利方程式的應用1.確定管道中流體的流量2.確定容器間的相對位置3.確定輸送設備的有效功率4.確定管道中流體的壓強5.測定流體流經(jīng)管道時的能量損失66第66頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1流動類型與雷諾準數(shù)

前面所提到的流體內可視為分層流動的型態(tài)，僅在流速較小時才出現(xiàn)，流速增大或其他條件改變，會發(fā)生另一種與此完全不同的流動型態(tài)。這是1883年由雷諾（Reynolds）首先提出的，他曾由實驗直接地考察流體流動時的內部情況以及有關因素的影響。1.4流體流動現(xiàn)象67第67頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.雷諾實驗與雷諾準數(shù)1）實驗裝置68第68頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2）實驗觀察到的現(xiàn)象滯流或稱層流湍流或稱紊流69第69頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月3）影響流動類型的因素流速u、管徑d、流體的粘度、密度

能否用更少的參數(shù)代替流速、管徑、流體的粘度、密度等參數(shù)來確定流動類型呢？70第70頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月4）雷諾準數(shù)雷諾通過分析研究發(fā)現(xiàn)：將影響流動類型的諸因素組合成數(shù)群du

/

，其值的大小可以判斷流動屬于滯流還是湍流，這個數(shù)群稱雷諾數(shù)，用符號來Re表示。單位：m0kg0s0。71第71頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月u2：單位時間通過單位管截面的動量；

u/d：流體的剪應力。雷諾準數(shù)的物理意義：反映了流體在流動過程中慣性力（動量）與黏性力（剪應力）的對比關系。72第72頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2.滯流與湍流1）雷諾準數(shù)

的不同實驗發(fā)現(xiàn)：流體在圓形直管內流動時，Re＜2000滯流或層流Re＞4000湍流或紊流2000

Re4000過渡流73第73頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2）流體內部質點的運動方式滯流：軸向運動湍流:軸向運動、徑向運動3）速度分布不同4）流動阻力產(chǎn)生的依據(jù)不同滯流：內摩擦應力湍流：內摩擦應力和湍流應力74第74頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2

流體在圓管內流動時的速度分布1）層流75第75頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

設流體在半徑為R的水平直管內作滯流流動，于管軸心處取一半徑為，長度為的流體柱為研究對象。推動力＝摩擦阻力76第76頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月77第77頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月78第78頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

工程中常以管截面的平均流速來計算流動阻力所引起的壓強降。79第79頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月80第80頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2.湍流由于湍流運動的復雜性，尚未能從理論上推倒出管內的速度分布式，只能用經(jīng)驗公式表達。R：管的半徑，r：點到管壁的距離。n的值在6至10之間，雷諾數(shù)愈大，n的值也愈大，當Re=105左右時，n=7。81第81頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

所以湍流時，流體的平均速度大約等于管中心處最大速度的0.82倍。平均流速u：82第82頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.3邊界層的概念

實際流體與固體壁面作相對運動時，流體內部都有剪應力作用。由于速度梯度集中在壁面附近，故剪應力也集中在壁面附近。遠離壁面處的速度變化很小，作用于流體層間的剪應力也小到可以忽略，這部分流體便可以當作理想流體。83第83頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

所以，分析實際流體與固體壁面的相對運動時，應以壁面附近的流體為主要對象。這就是本世紀初普蘭德提出的邊界層學術的出發(fā)點。84第84頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.邊界層的形成

實際流體沿壁面流動時，可在流體中劃分出兩個區(qū)域：邊界層區(qū)：在壁面附近存在較大的速度梯度，流動阻力主要集中在此區(qū)域；主流區(qū)（外流區(qū)）：速度梯度視為零的區(qū)域，流動阻力可以忽略不計。85第85頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月86第86頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月87第87頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2.邊界層的分離邊界層分離：邊界層脫離壁面的現(xiàn)象。流體流動過程中產(chǎn)生邊界層分離而引起機械能損耗，這種阻力稱形體阻力。流體沿壁面流動時的流動阻力稱摩擦阻力。88第88頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月89第89頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5

流體在管內的流動阻力

流動阻力產(chǎn)生的原因和影響因素：流體具有粘性，使得流體在流動時存在內摩擦力；壁面的形狀。所以，流動阻力的大小與流體本身的物理性質、流動狀況及壁面的形狀等因素有關。90第90頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于直管阻力和局部阻力產(chǎn)生的原因不同，故需分開計算。91第91頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.1流體在直管中的流動阻力1.圓形直管阻力92第92頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月93第93頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月94第94頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月95第95頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于總摩擦應力包括粘性摩擦應力和湍流應力，所以流型有影響，另外，管壁的粗糙度也有影響，下面分別加以討論。96第96頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2.管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響光滑管：玻璃管、黃銅管、塑料管等粗糙管：鋼管、鑄鐵管等反映管道的粗糙程度的參數(shù)：絕對粗糙度相對粗糙度e=/d97第97頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月滯流：與e無關；湍流：與e有關。98第98頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月3.滯流時的摩擦系數(shù)99第99頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月4.湍流時的摩擦系數(shù)與量綱分析1）量綱分析量綱一致性原則：凡是根據(jù)基本物理規(guī)律導出的物理方程，其中各項的因次必然相同。2）定理：無因次數(shù)群1、2的數(shù)目i等于影響該現(xiàn)象的物理量數(shù)目n減去用以表示這些物理量的基本因次的數(shù)目m，即：i=n-m100第100頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月稱為歐拉（Euler）準數(shù)，用Eu表示。K，b，k，q值通過實驗確定。101第101頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月102第102頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

上式稱經(jīng)驗關聯(lián)式或半經(jīng)驗半理論式，計算起來都比較復雜，工程計算中，一般將經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行整理，以e為參數(shù)，繪出Re與

的關系圖，根據(jù)e和Re可查得的值。103第103頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月104第104頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月

由圖可看出：摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)及相對粗糙度的關系可分四個區(qū)域：（1）滯流區(qū)（2）過渡區(qū)（3）湍流區(qū)（4）完全湍流區(qū)（阻力平方區(qū)）105第105頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月流動阻力hf與流速u的關系：106第106頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月5.流體在非圓形直管內的流動阻力水力半徑rH

：流通截面A與潤濕周邊之比。107第107頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.2流體在管路中的局部阻力1.阻力系數(shù)法108第108頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1）突然擴大與突然縮?。ú閳D）109第109頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2）進口與出口進口：i=0.5出口：o=1.03）管件與閥門

查手冊110第110頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月111第111頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月2.當量長度法112第112頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.3管路系統(tǒng)中的總能量損失113第113頁，課件共129頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6管路計算

運用的方程式：連續(xù)性方程式、柏努利方程式、流動阻力方程式、物料衡算式計算類型：（1）已知管路及流體的輸送量，求流動阻力；（2）已知管路及流動阻力，求流體的輸送量；（3）已知管路（管徑未知）、流體的輸送量及流動阻