《(1.3.3)--1.3-1.4 流体流动化工原理课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(1.3.3)--1.3-1.4 流体流动化工原理课件.ppt（67页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、1.3 流体流动概述流体流动概述1.3.1 流动体系的分类流动体系的分类定态与非定态流动（定态与非定态流动（稳定流动稳定流动与不稳定流动与不稳定流动）一维一维与多维流动与多维流动绕流与绕流与封闭管道内的流动封闭管道内的流动 流流动动参参数数都都不不随随时时间间而而变变化化，就就称称这这种种流流动为稳定流动。否则就称为不稳定流动。动为稳定流动。否则就称为不稳定流动。1.3.2 流量与平均流速流量与平均流速流量流量质量流量，质量流量，m，kg/s体积流量，体积流量，V，m3/s关系：关系：流速流速点速度，点速度，v，单位，单位m/s 体积流速体积流速(平均流速平均流速)，u，m/s质量流速质量流速
2、(质量通量质量通量)，G，kg/m2.s圆管管径的估算：圆管管径的估算：选定流速选定流速u计算计算d圆整（规格化，取标准管径）圆整（规格化，取标准管径）液体：液体：u=0.53m/s；气体：；气体：u=1030m/s计算实际流速计算实际流速u实实确定管径：确定管径：1.3.3 流动形态与雷诺数流动形态与雷诺数1.雷诺雷诺(Reynolds)实验实验(1883年年)层流层流(滞流滞流)湍流湍流(紊流紊流)图图1图图2图图3两种流型、三个区域两种流型、三个区域流体的流型流体的流型层流层流(滞流滞流)湍流湍流(紊流紊流)影响因素：影响因素：流速流速u、流体密度、流体密度、粘度、粘度、管径、管径d层流
3、，流体质点沿管轴做有规则的层流，流体质点沿管轴做有规则的平行线运动。平行线运动。湍流，流体质点在沿流动方向运动的同时，还做湍流，流体质点在沿流动方向运动的同时，还做随机的脉动随机的脉动。特点：特点：2.流型的判据流型的判据雷诺准数雷诺准数-流体密度流体密度-流体粘度流体粘度 d-管内径管内径 u-流速流速Re是一个没有单位，没有因次的纯数是一个没有单位，没有因次的纯数。计计算算Re时时，一一定定要要注注意意各各个个物物理理量量的的单单位位必必须须统一统一。雷诺准数可以判断流型雷诺准数可以判断流型 雷诺数的因次雷诺数的因次对对直管直管内的流动而言：内的流动而言：流型的判别流型的判别Re2000时
4、，流动为时，流动为层流层流，此区称为，此区称为层流区层流区；Re4000时，一般出现时，一般出现湍流湍流，此区称为，此区称为湍流区湍流区；2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的湍流，该区称为不稳定的过渡区过渡区。流体粘性力：使流体保持有序的层流流动流体粘性力：使流体保持有序的层流流动流体惯性力：使流体质点作无序的自由运动流体惯性力：使流体质点作无序的自由运动u，粘性力主导粘性力主导 层流层流u，惯性力主导惯性力主导 湍流湍流Re的物理意义的物理意义1.3.4 当量直径当量直径当量直径：当量直径：套管环隙，套管环隙，内管的外径为内
5、管的外径为d1，外管的内径为，外管的内径为d2:边长分别为边长分别为a、b的的矩形管矩形管:d1d21.4 流体流动的基本方程流体流动的基本方程衡算范围衡算范围控制体；控制体；控制面控制面包围控制体的封闭界面。包围控制体的封闭界面。基本方法基本方法通过通过守恒守恒原理进行原理进行衡算，衡算，得到流体流动过程得到流体流动过程中流速、压力等物理量的内在联系和变化规律。中流速、压力等物理量的内在联系和变化规律。质量守恒、能量守恒、动量守恒质量守恒、能量守恒、动量守恒流动方程中的实际应用流动方程中的实际应用鄂洛多克车站惨案鄂洛多克车站惨案1905年，俄国年，俄国船吸现象船吸现象“奥林匹克奥林匹克”号与
6、号与“豪克豪克”号相撞号相撞“香蕉球香蕉球”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范围：取管内壁截面衡算范围：取管内壁截面1-1与截面与截面2-2间的管段。间的管段。衡算基准：衡算基准：1s对于连续稳定系统。对于连续稳定系统。1122m2m1图图1 管路系统的总质量衡算管路系统的总质量衡算1.4.1.1 稳定流动的物料平衡稳定流动的物料平衡圆形管道圆形管道：m1=m2m=V =uA u1 A1 1=u2 A2 2=常数常数 (1)不可压缩性流体不可压缩性流体(=常数常数)连连续续性性方方程程u1 A1=u2 A2=常数常数 (2)稳流，质量流量不稳流，质量流量不变，变，u=f
7、(A,)稳流，不可压缩流稳流，不可压缩流体，体，u与与A成反比成反比1.4.1.2 不稳定流动的物料平衡不稳定流动的物料平衡设：瞬时进入物料质量流量为设：瞬时进入物料质量流量为Wi，瞬时输出物料质量流量瞬时输出物料质量流量Wo，微分时间微分时间d内积累的物料量为内积累的物料量为dm，则有：则有：说明：说明：q注意可压缩性流体及不可压缩性流体的区别；注意可压缩性流体及不可压缩性流体的区别；q无论可压缩与否，均可采用可压缩性流体的无论可压缩与否，均可采用可压缩性流体的连续性方程，即原始方程。连续性方程，即原始方程。m1=m2u1 A1 1=u2 A2 2=常数常数1.稳定流动过程流动系统的总能量衡
8、算稳定流动过程流动系统的总能量衡算（1）外部环境对流体提供的能量）外部环境对流体提供的能量(对于对于1kg流体流体)外功外功(We)净功或有效功，净功或有效功，J/kg；热热量量(Qe)获得的热量，获得的热量，J/kg；规定：规定：外界提供给流体功，外界提供给流体功，We为正；为正；流体传递给外界功，流体传递给外界功，We为负。为负。1.4.2 总能量衡算方程总能量衡算方程 内能内能 U:J/kg 位能位能 动能动能（2）流体在流动过程中本身所具有的能量）流体在流动过程中本身所具有的能量(1kg流体流体)静压能静压能(压强能压强能)m kg：位能位能=mgZ，J1 kg：位能位能=gZ，J/k
9、gm kg：动能动能=mu2/2，J1 kg：动能动能=u2/2，J/kgm kg-V m3：,J 1 kg-m3：静压能：静压能 ,J/kg总能量衡算式总能量衡算式衡算范围：衡算范围：1-1 至至2-2 截面之间的管道和设备截面之间的管道和设备衡算基准：衡算基准：1kg不可压缩流体不可压缩流体基准水平面：基准水平面：0-0 平面平面依据依据:输入总能量输入总能量=输出总能量输出总能量 （3）总能量衡算）总能量衡算总能量总能量机械能机械能内能内能热热位能位能动能动能静压能静压能外功外功 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 由由于于内内摩摩擦擦力力做做功功，部部分分
10、机机械械能能损损失失，转转化成内能。化成内能。1.4.3 机械能衡算方程机械能衡算方程ABCABd，u p动能动能静压能静压能BCd不变，不变，u不变，不变，p黏性摩擦黏性摩擦静压能损失静压能损失内能内能分析：分析：静压能的降低静压能的降低=内能的增加内能的增加热力学第一定律热力学第一定律:因内摩擦力做功而因内摩擦力做功而损失的能量，损失的能量，J/kg 稳定流动的机械能衡算方程稳定流动的机械能衡算方程流体流动中获得的总热量，流体流动中获得的总热量，J/kg 流体与换热器交换的热量，流体与换热器交换的热量，J/kg 流体受热而引起体积膨胀所作的流体受热而引起体积膨胀所作的功，功，J/kg 总能
11、量衡算式总能量衡算式稳定流动的稳定流动的机械能衡算式机械能衡算式不可压缩流体：不可压缩流体：密度密度为常数，即为常数，即或或于是，稳定流动的机械能衡算式可以改写成：于是，稳定流动的机械能衡算式可以改写成：(1)(2)1.4.4 伯努利方程伯努利方程(2)式变为：式变为：(3)说明：说明：理想流体，定态流动，无外功加入，任一截理想流体，定态流动，无外功加入，任一截面上单位质量流体具有的总机械能相等，即面上单位质量流体具有的总机械能相等，即各机械能之间可相互各机械能之间可相互转化而其总量不变转化而其总量不变1.理想流体，无外功加入理想流体，无外功加入伯努利方程伯努利方程2.伯努利方程讨论伯努利方程
12、讨论 静止时：静止时：静力学基本方程静力学基本方程对于对于可压缩流体（如气体）可压缩流体（如气体）：，密度用平均值，即密度用平均值，即若若理想流体，稳态，无外功，理想流体，稳态，无外功，位能位能+动能动能+静压能静压能=常数（总机械能），常数（总机械能），各种形式的机械能可互相各种形式的机械能可互相转换。各项机械能的单位皆为转换。各项机械能的单位皆为J/kg。单位时间内输送机械对流体所作的有效功称为单位时间内输送机械对流体所作的有效功称为有有效功率，以效功率，以Ne表示表示，即，即Ne=mWe=VWe（J/s）。）。伯努利方程式的几种形式伯努利方程式的几种形式其中：其中：以以单位质量流体单位质
13、量流体为衡算基准；为衡算基准；每每一一项项称称为为单单位位质质量量机机械械能能，如如：单单位位质量流体的位能质量流体的位能gz；单位为单位为J/kg。以以单位体积流体单位体积流体为衡算基准；为衡算基准；单位为单位为pa。分别为分别为位压头，动压头，静压头、位压头，动压头，静压头、压头损失压头损失以以单位重量流体单位重量流体为衡算基准；为衡算基准；单位为单位为m；He：输送设备对流体所提供的：输送设备对流体所提供的有效压头。有效压头。3.伯努利方程的应用伯努利方程的应用确定输送设备的有效功率（例确定输送设备的有效功率（例1-12）；）；确定管路中流体的压强（例确定管路中流体的压强（例1-13）；
14、）；确定管道中流体的流量确定管道中流体的流量(流速流速)（例（例1-14）；）；确定容器间的相对位置（例确定容器间的相对位置（例1-15）。）。注意事项注意事项 （2）确定上下游截面）确定上下游截面（1）绘制流程图，标出流向）绘制流程图，标出流向（3）选择基准水平面）选择基准水平面（4）列柏努利方程求解）列柏努利方程求解垂直于流动方向垂直于流动方向 连续流体连续流体出口管道的截面取管内侧出口管道的截面取管内侧未知量在两截面之间未知量在两截面之间注意对应注意对应 与地面平行与地面平行 宜取低水平面宜取低水平面 Z值为垂直距离值为垂直距离 Z，p以管中心线为基准；以管中心线为基准；u为平均流速为平
15、均流速 注意计算单位注意计算单位(1kg，1m3，1N)一致一致可用绝压或表压，但两截面须一致可用绝压或表压，但两截面须一致 大截面处的流速视为大截面处的流速视为0例例：20的的空空气气在在直直径径为为80mm的的水水平平管管流流过过，现现于于管管路路中中接接一一文文丘丘里里管管(如如附附图图)，文文丘丘里里管管的的上上游游接接一一水水银银U管管压压差差计计，在在直直径径为为20mm的的喉喉径径处处接接一一细细管管，其其下下部部插插入入水水槽槽中中。空空气气流流入入文文丘丘里里管管的能量损失忽略不计，当的能量损失忽略不计，当R=25mm，h=0.5m时，时，试求：此时空气的流量试求：此时空气的
16、流量m3/h?当地大气当地大气压强为压强为 101.33103Pa。求流量求流量Vh已知已知d求求u任取一截面任取一截面伯努利方程伯努利方程判断能否应用？判断能否应用？直管直管气体气体分析：分析：解：解：取测压处及喉颈分别为截面取测压处及喉颈分别为截面1-1和截面和截面2-2 截面截面2-2处压强为处压强为：截面截面1-1处压强处压强：流经截面流经截面1-1与与2-2的压强变化为的压强变化为：判断能否应用伯努利方程？判断能否应用伯努利方程？故可按照不可压缩流体处理。故可按照不可压缩流体处理。在在截截面面1-1和和2-2之之间间列列伯伯努努利利方方程程式式。以以管管道道中中心心线作基准水平面。线
17、作基准水平面。We=0，hf=0。p2=-4905Pa(表压表压)Z1=Z2=0p1=3335Pa(表压表压)化简得：化简得：由连续性方程有：由连续性方程有：联立联立(a)、(b)两式两式例例：密密度度为为850kg/m3的的料料液液从从高高位位槽槽送送入入塔塔中中，高高位位槽槽中中的的液液面面维维持持恒恒定定，塔塔内内表表压压强强为为9.81kPa，进进料料量量为为5m3/h，连连接接管管直直径径为为382.5mm，料料液液在在连连接管内流动时的能量损失为接管内流动时的能量损失为30J/kg(不包括出口的能量不包括出口的能量损失损失)，试求，试求高位槽内液面高位槽内液面应为比塔内的进料口高出
18、多少？应为比塔内的进料口高出多少？分析：分析：高位槽、管道出口两截面高位槽、管道出口两截面u、p已知已知求求Z伯努利方程伯努利方程 解：解：取取高高位位槽槽液液面面为为截截面面1-1，连连接接管管出出口口内内侧侧为为截截面面2-2，并并以以截截面面2-2的的中中心心线线为为基基准准水水平平面面，在两截面间列伯努利方程式：在两截面间列伯努利方程式：式中：式中：Z2=0 ；Z1=?；We=0，p1=0(表压表压)；p2=9.81103Pa(表压）表压）u1d例：例：用泵将河水打入洗涤塔中，喷淋下来后流入下用泵将河水打入洗涤塔中，喷淋下来后流入下水道，已知管道内径均为水道，已知管道内径均为0.1m，
19、流量，流量84.82m3/h，水在塔前管路中流动的总摩擦损失水在塔前管路中流动的总摩擦损失(从管子口至喷从管子口至喷头进入管子的阻力忽略不计头进入管子的阻力忽略不计)为为10J/kg，喷头处的压，喷头处的压强较塔内压强高强较塔内压强高0.02MPa，水从塔，水从塔中流到下水道的阻中流到下水道的阻力损失可忽略不计，力损失可忽略不计，泵的效率为泵的效率为65%，求泵所需的功率。求泵所需的功率。分析：分析：求求NeNe=mWe/求求We伯努利方程伯努利方程p2=?塔内压强塔内压强整体流动非连续整体流动非连续截面的选取？截面的选取？解解：取取塔塔内内水水面面为为截截面面3-3，下下水水道道截截面面为为
20、截截面面4-4，取取地地平平面面为为基基准准水水平平面面，在在3-3和和4-4间间列列伯伯努利方程：努利方程：将已知数据代入伯努利方程式得将已知数据代入伯努利方程式得：计计算算塔塔前前管管路路，取取河河水水表表面面为为1-1截截面面，喷喷头头内内侧侧为为2-2截面，截面，在在1-1和和2-2截面间列伯努利方程。截面间列伯努利方程。将已知数据代入伯努利方程式将已知数据代入伯努利方程式 泵的功率：泵的功率：例例：一一管管路路由由两两部部分分组组成成，一一部部分分管管内内径径40mm，另另一一部部分分管管内内径径80mm，流流体体为为水水。管管路路中中的的流流量量为为13.57m3/h，两两部部分分
21、管管上上均均有有一一测测压压点点，测测压压点点之之间间连连一一个个倒倒U型型管管压压差差计计，其其间间充充一一定定量量的的空空气气。若两测压点所在截面间的若两测压点所在截面间的摩擦损失为摩擦损失为260mm水柱。水柱。求倒求倒U型管压差计中水型管压差计中水柱的高度柱的高度R(mm)。1、2两点间的压强差两点间的压强差分析：分析：求求R伯努利方程伯努利方程解解：取取两两测测压压点点处处分分别别为为截截面面1-1和和截截面面2-2，管管道道中中心心线线为为基基准准水水平平面面。在在截截面面1-1和和截截面面2-2间间列列单位重量单位重量流体的伯努利方程。流体的伯努利方程。z1=0，z2=0代入柏努
22、利方程式：代入柏努利方程式：因因倒倒U型型管管中中为为空空气气，若若不计空气质量，不计空气质量，p3=p4=p 例题：例题：小区输水系统小区输水系统水管管径水管管径 68 4mm，4.0m3/h，全部能损为全部能损为20J/kg(不含出口不含出口)。求液面距管出口的垂直距离。求液面距管出口的垂直距离。分析：分析：上游截面：上游截面：1-1 下游截面：下游截面：2-2 基准水平面：出口管轴线所在水平面基准水平面：出口管轴线所在水平面 解：解：Z1=2.05m d=0.068-20.004 =0.06m不稳定流动系统的计算不稳定流动系统的计算 不稳定流动系统不稳定流动系统瞬间伯努利方程瞬间伯努利方
23、程微分物料衡算微分物料衡算例例：附附图图所所示示的的开开口口贮贮槽槽内内液液面面与与排排液液管管出出口口间间的的垂垂直直距距离离h1=9m，贮贮槽槽内内径径D=3m，排排液液管管的的内内径径 d0=0.04m，液体流过该系统时的能量损失，液体流过该系统时的能量损失式中式中 u 为流体在管内的为流体在管内的流速，试求经流速，试求经4小时后小时后贮槽内液面下降的高度。贮槽内液面下降的高度。FdDddA 解：解：在在d时间内对系统作物料衡算，设时间内对系统作物料衡算，设F为瞬间进料率，为瞬间进料率，D为瞬时出料率，为瞬时出料率，dA为在为在d时间内的积累量，时间内的积累量，d时间内，槽内液面下降时间
24、内，槽内液面下降dh，液体在管内瞬间，液体在管内瞬间流速为流速为u，FdDddA 在在瞬瞬时时液液面面1-1与与管管子子出出口口内内侧侧截截面面2-2间间列列伯努利方程式，并以伯努利方程式，并以截面截面2-2为基准水平面为基准水平面，得：，得：式中：式中：h=5.62m 经四小时后贮槽内液面下降高度为：经四小时后贮槽内液面下降高度为：9-5.62=3.38m 思考：思考：伯努利方程在现实生产生活中的实际应用伯努利方程在现实生产生活中的实际应用1.鄂洛多克车站惨案鄂洛多克车站惨案2.“奥林匹克奥林匹克”号与号与“豪克豪克”号相撞号相撞3.足球运动中的足球运动中的“香蕉球香蕉球”的运动轨迹的运动轨迹