化工原理上冊(cè)天津大學(xué)柴誠(chéng)敬05－06學(xué)時(shí)ppt課件

1、 第一章 流體流動(dòng)1.3 流體流動(dòng)概述1.3.1 流動(dòng)體系的分類(lèi)一、定態(tài)與非定態(tài)流動(dòng)0流體流速或其它物理量?jī)H隨位置變化而不隨時(shí)間變化，即 流體流速或其它物理量不僅隨位置變化而且隨時(shí)間變化，即 ( , , , )uu x y z定態(tài)流動(dòng)非定態(tài)流動(dòng) 若物理量只依賴(lài)于一個(gè)曲線坐標(biāo)，則稱(chēng)此流動(dòng)為一維流動(dòng)；依賴(lài)于兩個(gè)曲線坐標(biāo)稱(chēng)為二維流動(dòng)；依賴(lài)于三個(gè)曲線坐標(biāo)則稱(chēng)為三維流動(dòng)。 應(yīng)予指出,過(guò)程工業(yè)中的流體輸送因多在封閉管道內(nèi)進(jìn)行，故其流動(dòng)以一維居多。二、一維與多維流動(dòng)三、繞流與封閉管道內(nèi)的流動(dòng)流體流動(dòng)問(wèn)題流體的繞流流動(dòng)在封閉管道內(nèi)的流動(dòng)繞流流動(dòng) 流體繞過(guò)一個(gè)浸沒(méi)的物體流過(guò)，故也稱(chēng)為外部流動(dòng)。例如細(xì)顆粒物在大量

2、流體中的沉降、填充床內(nèi)的流動(dòng)等。封閉管道內(nèi)的流動(dòng) 被輸送的流體在管路中的流動(dòng)。研究流體在管路中的流動(dòng)規(guī)律是本章的重要內(nèi)容。三、繞流與封閉管道內(nèi)的流動(dòng) 第一章 流體流動(dòng)1.3 流體流動(dòng)概述1.3.1 流動(dòng)體系的分類(lèi)1.3.2 流率與平均流速一、流量 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)任一流通截面的流體體積稱(chēng)為體積流率(volume flow rate)，習(xí)慣上亦稱(chēng)之為體積流量。 一、流量,m sv sqq流量的表示方法：體積流量，以qv,s表示，單位為m3/s。質(zhì)量流量，以qv,s 表示，單位為kg/s。體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為二、平均流速 流速是空間位置的函數(shù)，我們稱(chēng)之為流體的點(diǎn)速度。例如當(dāng)流體流經(jīng)一段管路時(shí)，

3、由于流體存在黏性，使得管截面上各點(diǎn)的速度不同。從而由壁面至管中心建立起一個(gè)速度分布。在工程計(jì)算時(shí)，通常采用平均速度來(lái)代替這一速度分布。, v squA平均速度 平均速度(bulk velocity)系指體積流量與流通截面積之比，以u(píng) 表示，其單位為m/s。二、平均流速 二、平均流速 由于氣體的體積流率隨溫度和壓力變化，故采用質(zhì)量平均流速更為方便，通常稱(chēng)之為質(zhì)量通量(mass flux)，以G表示，單位為kg/m2.s 。,m sV sqqGuAA質(zhì)量通量二、平均流速 管徑、體積流量和之間關(guān)系管徑、體積流量和之間關(guān)系 管路直徑 以以d表示內(nèi)徑，則有表示內(nèi)徑，則有,24V squd,4V sqdu

4、管內(nèi)流速（1-24）（1-25）二、平均流速 選擇平均流速： 流速選擇過(guò)高，管徑雖可以減小，但流體流經(jīng)管道的阻力增大，動(dòng)力消耗大，操作費(fèi)用隨之增加； 流速選擇過(guò)低，操作費(fèi)用減小，但管徑增大，管路的投資費(fèi)用隨之增加。 適宜的流速需根據(jù)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡決定。表1-1列出了一些流體在管道中流動(dòng)時(shí)流速的常用范圍。例1-7 提示管徑的選擇管子規(guī)格573mmmm壁厚外徑附錄十七附錄十八二、平均流速 第一章 流體流動(dòng)1.3 流體流動(dòng)概述1.3.1 流動(dòng)體系的分類(lèi)1.3.2 流率與平均流速1.3.3 流動(dòng)型態(tài)與雷諾數(shù)一、雷諾實(shí)驗(yàn) 圖1-9雷諾實(shí)驗(yàn)圖1-10 兩種流動(dòng)型態(tài)層流laminar flow或滯流viscous

5、 flow）湍流或紊流(turbulent flow)一、雷諾實(shí)驗(yàn) 動(dòng)畫(huà)01反映流體流動(dòng)狀態(tài)的量綱為一數(shù)群。 Redu二、雷諾數(shù)Reynolds number） 雷諾數(shù)Reynolds number）黏度流速密度直徑對(duì)于流體在直管內(nèi)的流動(dòng)：當(dāng)Re2000時(shí)屬于層流；當(dāng)Re4000時(shí)屬湍流；當(dāng)Re=20004000之間時(shí)，屬不穩(wěn)定的過(guò)渡流。工程上Re3000時(shí)按照湍流處理二、雷諾數(shù)Reynolds number） 4eHdrHpArL（1-26）式中 Lp流道的潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度，m； A流道的截面積，m2。三、當(dāng)量直徑的概念當(dāng)量直徑水力半徑 第一章 流體流動(dòng)1.4 流體流動(dòng)的基本方程流體動(dòng)力學(xué)主要研

6、究流體流動(dòng)過(guò)程中流速、壓力等物理量的變化規(guī)律，研究所采用的基本方法是通過(guò)守恒原理包括質(zhì)量守恒、能量守恒及動(dòng)量守恒進(jìn)行質(zhì)量、能量及動(dòng)量衡算，獲得物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。作衡算時(shí)，需要預(yù)先指定衡算的空間范圍，稱(chēng)之為控制體，而包圍此控制體的封閉邊界稱(chēng)為控制面。 一、概述 流體動(dòng)力學(xué) 第一章 流體流動(dòng)1.4 流體流動(dòng)的基本方程1.4.1 總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程二、總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程的推導(dǎo) 圖1-11 管路系統(tǒng)的總質(zhì)量衡算 如圖1-11所示，選擇一段管路或容器作為所研究的控制體，該控制體的控制面為管或容器的內(nèi)壁面、截面1-1與2-2組成的封閉表面。根據(jù)質(zhì)量守恒原理可得,2,10mmdMqqd

7、（1-28）二、總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程的推導(dǎo) 對(duì)于定態(tài)流動(dòng)， /0dM d那么,1,2mmqq或1 11222u Au A(1-29)二、總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程的推導(dǎo) 1 11222mqu Au AuA常數(shù)對(duì)于不可壓縮流體，,1122V squ Au AuA 常數(shù)對(duì)于圓形管道 21221()udud(1-30)(1-31)(1-31a)推廣到管路上任意截面二、總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程的推導(dǎo) 1 11222mqu Au AuA常數(shù)不可壓縮流體,1122V squ Au AuA 常數(shù)圓形管道 21221()udud二、總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程的推導(dǎo) 管內(nèi)定態(tài)流動(dòng)的連續(xù)性方程注意：以上各式的適用條件 第

8、一章 流體流動(dòng)1.4 流體流動(dòng)的基本方程1.4.1 總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程1.4.2 總能量衡算方程一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程 選取如圖1-12所示的定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)作為衡算的控制體，控制體內(nèi)裝有對(duì)流體作功的機(jī)械泵或風(fēng)機(jī)以及用于與外界交換熱量的裝置。流體由截面1-1流入，經(jīng)粗細(xì)不同的管道，由截面2-2流出圖1-12 流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算1-換熱器; 2-流體輸送機(jī)械推導(dǎo)思路：總能量衡算機(jī)械能衡算不可壓縮流體機(jī)械能衡算一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程流出能量速率流入能量速率=從外界的吸熱速率+作功機(jī)械對(duì)流體作功速率 一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程則熱力學(xué)第一定律可表述為一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程流體由

9、1-1截面流入與由22截面流出控制體的能量速率包括： 內(nèi)能：由截面1-1進(jìn)入 由截面2-2流出 1mq U2mq U位能：由截面1-1進(jìn)入 由截面2-2流出 1mq gz2mq gz(J/s)(J/s)(J/s)(J/s)動(dòng)能：由截面1-1進(jìn)入 由截面2-2流出 壓力能： 由截面1-1進(jìn)入 由截面2-2流出 21/2mq u22/2mq u,1111,11VVqp Ap qA,2222,22VVqp Ap qA(J/s)(J/s)(J/s)(J/s)一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程換熱器向控制體內(nèi)流體所加入的熱量速率為 輸送機(jī)械向控制體內(nèi)流體所加入的外功速率為 QeP(J/s)(J/s)一、流動(dòng)系

10、統(tǒng)的總能量衡算方程根據(jù)能量守恒定律，可得 21111,112mmmVeq Uq gzq up qQP22222,212mmmVq Uq gzq up q上式經(jīng)整理，可得一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程2()2eeuUg zpvQW （1-33） 式1-33即為一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程定態(tài)流動(dòng)過(guò)程的總能量衡算方程 動(dòng)能校正系數(shù) 式1-33中的動(dòng)能項(xiàng)為單位質(zhì)量流體的平均動(dòng)能，以單位質(zhì)量流體由截面11進(jìn)入控制體為例，應(yīng)該按照下式計(jì)算112231111,1111222zzzzAAmmuuu dAu dAqu A一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程331Au dAu A則上式變換為12223111311,112

11、22zzAmuuuu dAu A令動(dòng)能校正系數(shù) ：一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程因而，總能量衡算方程式可寫(xiě)成 2()2eeuUg zpvQW (1-33a)值與管內(nèi)的速度分布形狀有關(guān)。對(duì)于管內(nèi)層流， =2詳見(jiàn)本章1.6節(jié)）；管內(nèi)湍流時(shí)，值隨Re變化，但接近于1。下面的討論均令 =1。 一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算方程1.機(jī)械能的轉(zhuǎn)換與損失式1-33中所包括的能量機(jī)械能動(dòng)能位能壓力能流動(dòng)功）外功內(nèi)能和熱流體輸送過(guò)程中各種機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換。由于流體的黏性作用，流體輸送過(guò)程中還消耗部分機(jī)械能，將其轉(zhuǎn)化為流體的內(nèi)能。 以流體在水平管道內(nèi)的流動(dòng)來(lái)說(shuō)明。 二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算方程二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算方程假設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)過(guò)程，由熱力學(xué)第一定律可知 1kg流體在截面1-1與2-2之間所獲得的總熱量 21vevUQpdveefQQh 21vefvUQhpdv因而(1-35)克服流動(dòng)阻力而消耗的機(jī)械能將式1-35代入式1-33，可得21212pefpg zuvdpWh (1-36)二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算方程定態(tài)流動(dòng)過(guò)程的機(jī)械能衡算方程 對(duì)于不可壓縮流體，為常數(shù) 212efpg zuWh 2211221222efupupgzWgzh(1-37) (1-37a) 或二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算方程工程伯努利(Berno