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1、关于流体流动概述1第一页，本课件共有36页2教学目的：教学目的：重点难点：重点难点：课课 型：型：教学方法：教学方法：1.3 1.3 流体流动概述流体流动概述根据物料衡算和能量衡算推导出连续性方程和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础中的基本规律，并讨论它们在实际生产中的应用。应用。连续性方程和柏努利方程及其应用连续性方程和柏努利方程及其应用理论知识课理论知识课谈话、讲述谈话、讲述第二页，本课件共有36页3流体静力学基本方程流体静力学基本方程 根据用液柱表示压强的方法，
2、p=h g，则在静止静止液面下面深度h处的压强为：（流体静力学方程）（流体静力学方程）描述描述静止静止流体内部流体内部压强的变化规律压强的变化规律第三页，本课件共有36页4定态流动定态流动定态流动定态流动(steady state):流体流动流体流动的系统中，任一截面上流体的流的系统中，任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但随位置而改变，但进水进水溢溢流流u=uNOTE：连续操作连续操作的化工生产中大多数流动属于定态流动。的化工生产中大多数流动属于定态流动。恒位槽恒位槽不不随时间而改变随时间而改变。空白空白空白空白1.3.1 流体体系的分类流
3、体体系的分类一、定态与非定态流动第四页，本课件共有36页5 非定态流动非定态流动(non-steady state):=f(t)流动过程中任一流动过程中任一 截面上流体的性质截面上流体的性质（如密度、粘度等）和流动参数（如（如密度、粘度等）和流动参数（如流速、压强等）流速、压强等）随时间而改变随时间而改变。NOTE:非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变化，在求算时用化，在求算时用微分微分式子表达，用式子表达，用积分积分法求解。法求解。u第五页，本课件共有36页6 若若物物理理量量只只依依赖赖于于一一个个曲曲线线坐坐标标，则则称称此此流流动动为为一
4、一维维流流动动；依依赖赖于于两两个个曲曲线线坐坐标标称称为为二二维维流流动动；依赖于三个曲线坐标则称为；依赖于三个曲线坐标则称为三维流动三维流动。应应予予指指出出,过过程程工工业业中中的的流流体体输输送送因因多多在在封封闭闭管道内进行，故其流动以一维居多。管道内进行，故其流动以一维居多。二、一维与多维流动二、一维与多维流动第六页，本课件共有36页7绕流流动绕流流动 流流体体绕绕过过一一个个浸浸没没的的物物体体流流过过，故故也也称称为为外外部部流流动动。例例如如细细颗颗粒粒物物在在大大量量流流体体中中的的沉沉降降、填填充充床床内内的的流动等。流动等。封闭管道内的流动封闭管道内的流动 被输送的流体
5、在管路中的流动。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。研究流体在管路中的流动规律是本章的重要内容。三、绕流与封闭管道内的流动三、绕流与封闭管道内的流动第七页，本课件共有36页8体积流量体积流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积，：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积，称为体积流量，称为体积流量，qV,s 流量流量(flow,flux)体积流量体积流量(volume flow rate)质量流量质量流量(mass flow rate)质量流量质量流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量，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，称
6、为质量流量，q m,s（m3s-1）。（kgs-1）。q m,s =q V,s 摩尔流量摩尔流量:单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量，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，称为摩尔流量，qn(mol.s-1)摩尔流量摩尔流量(molar flow rate)1.3.2 1.3.2 流量与平均流速流量与平均流速第八页，本课件共有36页9流流 速速(velocity of flow)点速度点速度(spot speed)：单位时间内流体质点在流动方向上单位时间内流体质点在流动方向上 通过的距离，通过的距离，uz（mS-1）平均流速平均流速(average flow r
7、ate)：u=q V,s/A（ms-1）=4 qV/d 2 质量流速质量流速:单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，kg.s-1.m-2第九页，本课件共有36页10管径的计算管径的计算 q V,s是由生产任是由生产任务决定的务决定的ud材料费用材料费用设备费用设备费用阻力阻力能量消耗能量消耗操作费用操作费用优化优化：两者之两者之和最小和最小壁厚壁厚外径外径附录十七附录十七附录附录十八十八管径的选择管径的选择管子规格管子规格第十页，本课件共有36页11 1.3.3 流体流动的型态与雷诺数流体流动的型态与雷诺数一、一、雷诺实验雷诺实验 1883年年,英国物
8、理学家英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。作了如下实验。溢流示踪剂恒位槽阀门第十一页，本课件共有36页12雷诺实验现象：雷诺实验现象：两种两种稳定稳定的流动状态：层流、湍流。的流动状态：层流、湍流。用用红墨水红墨水观察管中水的流动状态观察管中水的流动状态(a)层流层流(b)过渡流过渡流(c)湍流湍流第十二页，本课件共有36页13湍流湍流：主体做轴向运动，同时有径向脉动；主体做轴向运动，同时有径向脉动；特征：流体质点的脉动特征：流体质点的脉动。层流层流：*流体质点做直线运动；流体质点做直线运动；*流体分层流动，层间不相混合、不碰撞；流体分层流动，层间不相混合、不碰撞；*流动阻
9、力来源于层间粘性摩擦力。流动阻力来源于层间粘性摩擦力。过渡流过渡流：不是独立流型（层流不是独立流型（层流+湍流），湍流），流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。第十三页，本课件共有36页14二、雷诺数二、雷诺数影响状态的因素：影响状态的因素：Re是量纲为一数群是量纲为一数群 圆形直管中圆形直管中 Re2000 稳定的稳定的层流层流 Re 4000 稳定的稳定的湍流湍流2000 Re 4000 不稳定的不稳定的过渡流过渡流第十四页，本课件共有36页15（1-26）式中 Lp流道的润湿周边长度，m；A流道的截面积，m2。三、当量直径的概念三、当量直径的概念当量
10、直径水力半径第十五页，本课件共有36页161.4 1.4 流体流动的基本方程流体流动的基本方程控制体控制体：在流场中任意划定一个封闭空间作为研究对象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。称这个空间为控制体。s1s2s3u1u2u3 控制体第十六页，本课件共有36页17 1.4.1 1.4.1 总质量衡算总质量衡算连续性方程连续性方程 衡算原则：质量守恒原理衡算原则：质量守恒原理 输入质量流量输入质量流量 -输出质量流量输出质量流量 =质量积累速率质量积累速率截面1截面2定态流动定态流动时，时，输入质量流率输入质量流率 =输出质量流率输出质量流率qm,1=qm,2 （连续
11、性方程）（连续性方程）第十七页，本课件共有36页18分支管路分支管路：总管中的质：总管中的质量流量为各支管质量量流量为各支管质量流量之和。流量之和。qm,s=qV,s=uAA1u11=A2u22对不可压缩性流体：对不可压缩性流体：1=2总管总管支管支管1支管支管2（园管）园管）第十八页，本课件共有36页191.4.2 1.4.2 总能量衡算方程总能量衡算方程 一、流动系统的总能量衡算方程一、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-流体输送机械第十九页，本课件共有36页20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 则热力学第一定律可表述为
12、第二十页，本课件共有36页21n流体流动时所具有的能量：流体流动时所具有的能量：1/2 qmu2qmgZ位能位能(potential energy):(J/s)动能动能(energy of motion):(J/s)内能内能(internal energy):(J/s)qmU压力能压力能(static energy):(J/s)第二十一页，本课件共有36页22质量为质量为m、体积为、体积为qV1的流体，通过的流体，通过截面截面1所需的作用力所需的作用力F1=P1A1，流体推，流体推入管内所走的距离入管内所走的距离qV1/A1，故与此功相，故与此功相当的压力能当的压力能 压力能压力能=压力能压力
13、能(static energy):J/s1第二十二页，本课件共有36页23根据能量守恒定律，可得 上式经整理，可得一、流动系统的总能量衡算方程一、流动系统的总能量衡算方程定态流动过程的总能量衡算方程(J/s)(J/kg)第二十三页，本课件共有36页241.1.机械能的转换与损失机械能的转换与损失式式1-331-33中中所所包包括的能量括的能量机械能机械能动能动能位能位能压力能（流动功）压力能（流动功）外功外功内能和热内能和热第二十四页，本课件共有36页25流体输送过程中各种机械能相互转换。流体输送过程中各种机械能相互转换。由由于于流流体体的的黏黏性性作作用用，流流体体输输送送过过程程中中还还消
14、消耗耗部分机械能，将其转化为流体的内能。部分机械能，将其转化为流体的内能。以流体在水平管道内的流动来说明。以流体在水平管道内的流动来说明。二、流动系统的机械能衡算方程二、流动系统的机械能衡算方程理想流体理想流体流动时，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。没有变化，则能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。第二十五页，本课件共有36页26对于对于理想流体理想流体的流动，又无外功加入的流动，又无外功加入 或二、流动系统的机械能衡算方程二、流动系统的机械能衡算方程伯努利(Bernoulli)方程适用条
15、件：不适用条件：不可压缩可压缩理想流理想流体体(J/kg)第二十六页，本课件共有36页27对于对于实际不可压缩流体实际不可压缩流体，为常数为常数 或或二、流动系统的机械能衡算方程二、流动系统的机械能衡算方程工程伯努利工程伯努利(Bernoulli)(Bernoulli)方程方程适用条件：适用条件：不不可压缩流体可压缩流体(J/kg)第二十七页，本课件共有36页28三、对伯努利方程的讨论三、对伯努利方程的讨论式式1-381-38表表明明，理理想想流流体体在在管管路路中中作作定定态态流流动动而而又又无无外外功功加加入入时时，在在任任一一截截面面上上单单位位质质量量流流体体所所具具有有的的总总机机械
16、械能能相相等等，换换言言之之，各各种种机机械械能能之之间间可可以以相相互互转化，但其总量不变。转化，但其总量不变。1.1.(1-38a)(1-38a)能量转换能量转换0606第二十八页，本课件共有36页29三、对伯努利方程的讨论三、对伯努利方程的讨论2.2.伯努利方程的其他形式：伯努利方程的其他形式：将各项均除以重力加速度将各项均除以重力加速度g g 令令(m)位头位头速度头速度头动压头动压头压力头压力头压头损失压头损失外加外加压头压头 工程上将单位重力的流体所具有的各种形式的工程上将单位重力的流体所具有的各种形式的 能量统称为能量统称为压头压头(head)head)。第二十九页，本课件共有3
17、6页30三、对伯努利方程的讨论三、对伯努利方程的讨论3.3.有效功率有效功率PePe(J/s)(J/s)：输送机械在单位时间内所作的：输送机械在单位时间内所作的有效功称为有效功率，用下式计算有效功称为有效功率，用下式计算 (1-39)第三十页，本课件共有36页311.4.3 机械能衡算方程的应用机械能衡算方程的应用nBernoulli方程在工程上用以计算流体的方程在工程上用以计算流体的流速流速或或流量流量、流体输送流体输送所需的压头所需的压头和和功率功率以及有关流体流动方面的问题。以及有关流体流动方面的问题。1、作图作图：根据题意画出示意图，注明有关参数；根据题意画出示意图，注明有关参数；2、
18、选截面：、选截面：正确选取截面，以确定衡算范围；正确选取截面，以确定衡算范围；截面选取必须具备的条件：截面选取必须具备的条件：与流体流动方向垂直；与流体流动方向垂直；两截面间的流体是连续的；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截面应包括题目所给的已知和未知条件3、选基准水平面：、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。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。若截面不是水平面，则以中心线进行计算。4、单位要一致：、单位要一致：统一使用统一使用SI单位；压强的表示方法要一致。单位；压强的表示方法要一致。NOTE：第三
19、十一页，本课件共有36页32习题习题 流体输送设备所需功率的计算流体输送设备所需功率的计算习习题题用用泵泵将将碱碱液液槽槽中中的的碱碱液液抽抽往往吸吸收收塔塔顶顶，经经喷喷头头喷喷出出作作吸吸收收剂剂用用。泵泵的的汲汲入入管管为为21/2“，压压出出管管为为2“。碱碱液液在在喷喷头头口口前前的的静静压压强强按按压压力力指指示示表表为为0.3kgfcm-2(表表压压)，密密度度为为1100kgm-3。输输送送系系统统中中压压头头损损失失为为3米米碱碱液液柱柱计计划划送送液液量量为为25th-1。若若泵泵的的效效率率为为55%，试试求求泵泵所所需需的功率。的功率。1.5m16m解：解：HfHe？1
20、2基准面u1=0 ms-1；u2=qv/A2=qm/A2P1=0 Pa(表压)；P2=0.3kgfcm-2=3g kPa(表压表压)输送所需理论功率（输送所需理论功率（JS-1）：）：Pe=He g qm实际需功率：实际需功率：Pa=Pe/第三十二页，本课件共有36页33例例2 容器间相对位置的计算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。送液管为位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为452.5mm的钢管，要求送液量为的钢管，要求送液量为3.6m3/h。设。设料液在管内的压头损失为料液在管内的压头损失为1.2m
21、（不包括出口能（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？口多少米？p1=0 Pa（表压）；（表压）；p2=0 Pa（表压）（表压）第三十三页，本课件共有36页34例例2 2 送料用压缩空气压力的确定送料用压缩空气压力的确定某车间用压缩空气送某车间用压缩空气送20的的浓浓硫酸。要求硫酸。要求输输送量送量为为0.036m3.min-1，管径，管径为为38 3mm，设浓设浓硫酸流硫酸流经经全部管路的能全部管路的能量量损损失失为为1.22J.N-1（不包括出口的能量（不包括出口的能量损损失），失），试试求求压缩压缩空气的空气的压压力力为为多少多少？
22、15m1122压缩空气压缩空气？第三十四页，本课件共有36页35Bernoulli方程的应用举例方程的应用举例6m解：解：V?v截面1截面2HfHe基准水平面h=0 mZ1=p1=p2=1=2=水为不可压缩性流体水为不可压缩性流体u1 0 ms-1He=0 mH2O；Hf=5.7 mH2O0 Pa（表压）表压）6mZ2=0m，？qv=A2=d 2/4习题习题 高位水槽水面距出水管净垂直距离为高位水槽水面距出水管净垂直距离为6.0m,出水管为出水管为2 1/2“管管,管道较长管道较长,流动流动过程的压头损失为过程的压头损失为5.7米水柱米水柱,试求每小时可输送水量试求每小时可输送水量m3。第三十五页，本课件共有36页感感谢谢大大家家观观看看第三十六页，本课件共有36页