化工原理第一章流体流动.ppt
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1、第一章 流体流动,了解流体运动规律的重要性:化工过程的物料形式注意是流体形式,如气体、液体、气固混合物、液固混合物等。1)流体阻力与流量计量 涉及到管路设计,流体输送机械选择等。2)流动对传热、传质、反应的影响 涉及到这些过程的设计和操作。3)流体的混合 设计到混合效果对过程的影响。,1.1 概述,1.1.1 流体流动的考察方法(对传递过程导论的复习)连续性假定把流体可看成由质点组成的连续介 质,可用连续函数来处理流体流动规律(高度真空 气体例外)。a.流体质点连续,充满整个空间;b.参数连续。质点(微团)有一定的体积和质量,比分子自 由程大得多,比设备小得多。拉格朗日法选定一流体质点,跟踪其
2、运动,考 察流体质点随时间变化的规律。轨线欧拉法在固定的空间点上,考察流体通过每一 空间点时,运动参数随时间的变化规律流线,定态流动流动参数仅随空间变化,而与时间无关。流线与轨线 轨线是质点运动的轨迹,是拉格朗日法考察的结果;流线是线上各点的切线为同一时刻各点的速度方向,是欧拉法考察的结果。定态流体两线重合。系统和控制体 系统(封闭系统)为众多流体质点的集合,是用拉格朗日法考察流体;控制体为某固定空间(化工设备),是用欧拉法考察流体。本门课程通常用欧拉法。,1.1.2 流体流动中的作用力体积力与流体的质量成正比。重力和离心力是典型的体积力。表面力与表面积成正比。又分两种:压力垂直于表面的力,压
3、强单位面积的压力;剪力平行于表面的力,剪应力单位面积的剪力。压强的单位N/m2,又称Pa。常用MPa。但压强还有其他单位的形式:如大气压,mmHg,kg(f)/cm2等。剪应力对大部分流体剪应力服从牛顿黏性定律:,牛顿黏性定律:(适用层流)剪应力N/m2(Pa)粘度Ns/m2(Pas)du/dy法向速度梯度,s-1 这里速度梯度实际是角变形速率黏度是流体的物性,是分子运动的一种宏观表现。黏度是温度和压强的函数(压强不高,可以忽略)对液体,温度升高,黏度下降(内聚力为主)对气体,温度升高,黏度上升(热运动为主),F,dy,dudt,d,d,说明:(1)流体剪应力与法向速度梯度成正比,与正压力无关
4、;(不同于固体表面的摩擦力)(2)当流体静止时du/dy=0,=0;(3)相邻流体层的流速,只能是连续变化的,紧靠静止 固体壁面处的流体流速为0。黏度的单位较早的手册常用泊(达因秒/厘米2)或厘泊 1cP(厘泊)0.001 Pas(水的黏度1cP,20度)有时也用/,称运动黏度,单位m2/s。黏度又称动力黏度。1.1.3 流体流动中的机械能 固体运动的机械能有:位能、动能。流体运动的机械能有:位能、动能、静压能(压强能)流体黏性造成的剪力要消耗机械能。,1.2 流体静力学,1.2.1 静压强在空间的分布静压强在静止流体中,某点各方向的压强相等。其分布可表达为:Pf(x,y,z)对流体微元的力平
5、衡分析得:在重力场中静止流体中不同高度压强间的关系(静力学基本方程),讨论:p2=p1+g h 适用条件:静止流体,重力场,不可压缩流体 如上底面取在容器的液面上,其压力为p0 下底面取在容器的任意面上,其压力为p 则p=p0+g h 当p1有变化时,p2也发生同样大小的变化。p还与,h有关 p hp 等压面在静止的、连续的、同一流体内,处于同 一水平面上各点的压强相等。,1.2.2 压强能与位能 总势能称P/为总势能,即静止流体各点的总势能相同。又称P为虚拟压强,对不可压缩流体,虚拟压强处处相等1.2.3 压强的其他表示方法 各种压强单位:1atm=1.033(f)/cm2(at)=760m
6、mHg=10.33mH2O=1.0133105 Pa=1.0133bar 1at=1(f)/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.81104 Pa,压强的基准绝对压以绝对零压为基准,是流体的真实压强;表压、真空度以当时当地的大气压为基准。表压=绝对压大气压 真空度=大气压表压 数值上:表压=-真空度,p1,表压,绝对压,绝对压,真空度,绝对真空,当时当地大气压,1.2.4 压强的静力学测量方法1)简单测压管(图1-7)pA=pa+g R 适用于(1)高于大气压的压强的测定(2)只适用于液体,不适用于气体(3)如pA过大,则R将很大;如pA过小,则R将很小,测量误差增大。2)U型测压管(
7、图1-8)U型管中放有某种液体指示液(与被测流体不发生化学反应,且不互溶)p1=pA+g h1 p2=pa+i g R 通过等压面 pA pa=i g Rg h1 如被测流体为气体,即I,则 pA pa=i g R,3)U型压差计(图1-9)p1=pA+g h1 p2=pB+g(h2-R)+i g R(pA+g h1)(pB+g h2)=R g(i-)(pA+g zA)(pB+g zB)=R g(i-)即 P AP B=R g(i-)U型压差计测出的R是:P 如压差计水平放置:P=p 问改变管道安装的倾斜度,R是否变化?例11 为复式U形 水银测压计 见P11图,1.3 流体流动中的守恒原理,
8、1.3.1 质量守恒1)流量、流速 流量质量流量qm,kg/s(qv)体积流量qv,m3/s 流速质量流速G,kg/m2s(qm/A)体积流速u,m/s(qv/A)2)点速度u 圆管:粘性,速度分布 工程处理方法:平均值,3)平均速度 平均值的选取应当按其目的采用相应的平均方法 平均流速按照流量相等的原则,即 平均流速只在流量与实际 的速度分布是等效的,并 不代表其他方面也等效。如平均动能。,4)质量守恒方程(连续性方程)取控制体作物料衡算(欧拉法),1.3.2 机械能守恒1)沿轨线的机械能守恒 理想流体:=0 运动时,只受质量力和压强力的作用,上述伯努利方程方程采用拉格朗日考查推导。定态条件
9、:流线与轨线重合,故伯努利方程 对单根流线也适合。理想流体管流的机械能守恒均匀流段(各流线都是平行的直线并与截面垂):同一截面上各点的总势能 P/相等(图1-12)理想流体:同一截面上各点的流速u相等 所以,伯努利方程对管流也适用,实际流体管流的机械能衡算 与理想流体的差别 0,u=f(r)流动时为克服摩擦力要消耗机械能,机械能不守恒;均匀流段上,截面上各点的动能u2/2不等,工程上用平均动能代替之。平均的原则:截面上总动能相等。动能因子在工业上常见的速度分布1,动能项可用平均流速。,柏努利方程的应用Note:选取截面应垂直于流动方向,均匀流段,未知量尽可能少,包含待求参数(如容器的液面u2/
10、2可忽略)。位能基准面可选任一截面,或容器的液面、管中心 单位一致(特别是压强p)1)重力射流 见图114 上液面有溢流口,使液面恒定;液体由小孔流出有收缩现象,C截面为最小。,pa,h,C,A,o,2)压力射流3)驻点压强,p,pa,u0,s,柏努利方程的几何意义,H,p2/g,u22/2g,z3,p3/g,u22/2g,例12 从高位槽经虹吸管放水,h8m,H6m,不计流动阻力。求:出口处流速及虹吸管最高处的压强。解:,3,2,1,1.3.3 动量守恒 动量与速度度是矢量,方向相同。作用于控制体的外力的合力 单位时间流出的动量流入的动量动量的累积 定态流动累积项为零 上面三个公式是三个坐标
11、轴上的分量。,动量守恒定律的应用举例1)弯管受力,Fy,Fx,F,u,u,p,p,2)流量分配部分流体流出,压强回有所上升。柏努利方程:动量守恒定律:可见动量守恒式预示的压强上升比机械能守恒式大。实验表明实际情况应为:由于上述公式都未考虑分流的阻力(分流阻力很复杂)K0.40.88,需实验确定。,机械能守恒定律和动量守恒定律的关系 都是从牛顿第二定律出发,反映流体流动各运动参数变化规律。要解决有关流体力学问题时:1)当机械能耗损无法确定,控制体内的各作用力可以确定,则用动量守恒定律。2)当控制体内的各作用力难于确定,机械能耗损可以确定,则用机械能守恒定律。3)最终要用试验来验证关系式。,1.4
12、 流体流动的内部结构,化工过程都与流体流动内部结构密切相关如:管内流动流速UP的关系说明不同的流速范围流体压降机理不同。,u,p,1.4.1 流动的类型,通过雷诺实验可见两种流型层流和湍流 层流:层间互不掺混(分子扩散),分层流动,微团 不交换湍流:微团随机脉动 层间掺混(漩涡传递)漩涡传递分子传递 几个数量级,流型的判据:雷诺数Re 定义:Re=du/无量纲的数群 物理意义:惯性力/黏性力 判据(对管流):Re4000,一般为湍流,为湍流区。严格讲上述判据是稳定性的判据,Re2000时,干扰出现流动偏离层流,干扰消失,又恢复为层流。层流是稳定的。定态性指运动参数与时间的关系;稳定性指系统对外
13、界干扰的反应。,1.4.2 湍流的基本特征 湍流的基本特征流体质点在总体上作轴向运动的同时,还作径向的随机脉动。瞬时流速ux时均速度脉动速度实际的湍流流动是在时均流动上叠加一个随机脉动。,ux,t,T,湍流的另一种描述把湍流看作一个主体流动上叠加各种不同尺度、强弱不等的漩涡。湍流强度:其数值与旋涡的旋转速度和包含的机械能有关。无障碍的湍流场,湍流强度为0.5%2%;有障碍的湍流场,湍流强度为5%10%。两点脉动速度的相关系数:R01湍流尺度:Re增大,湍流尺度减小;因此要打碎液滴,需高Re。,湍流黏度:湍流时牛顿型流体不再符合牛顿黏性定律,需对方程进行修正。式中的称为湍流黏度。它反映了速度脉动
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