化工原理1.2流体动力学 PPT.ppt

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1、1.2.1流体的流量与流速1.2.2定态流动与非定态流动1.2.3定态流动系统的质量守恒1.2.4定态流动系统的能量守恒1.2流体动力学——连续性方程——柏努利方程本节难点：本节重点：连续性方程与柏努利方程。柏努利方程应用；正确选取截面及基准面，解决流体流动问题。1.2流体动力学1.2.1流体的流量与流速一、流量体积流量：单位时间内流经管道任一截面的流体体积。定义：单位时间内流过管道任一截面的流体量。VS——m3/s或m3/h。（1-19）二者关系：2.质量流量:单位时间内流经管道任一截面的流体质量。mS——kg/s或kg/h。二

2、、流速1.流速：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。3.平均流速：流体的体积流量与管道截面积之比。以u表示，单位为m/s。(1-20)习惯上，平均流速简称为流速。2.点速度：流通截面上某一点的速度。用ur来表示。4.质量流速：单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。以G表示，单位为kg/（m2·s）。流量与流速的关系：（1-21）质量流速与流速的关系为：(1-22)三、管径的估算(1-23)一般化工管道为圆形，若以d表示管道的内径，则：则：式中，流量一般由生产任务决定，选定流速u后可用上式估算出管径，再圆整到标准规格。u↑

3、→d↓→设备费用↓流动阻力↑→动力消耗↑→操作费↑均衡考虑uu适宜费用总费用设备费操作费流速选择：图1-12管径与总费用关系图适宜流速的选择应根据经济核算确定，通常可选用经验数据。一般，密度大或粘度大的流体，流速取小一些；通常水及低粘度液体的流速为1～3m/s，一般常压气体流速为10m/s，饱和蒸汽流速为20～40m/s等。对于含有固体杂质的流体，流速宜取得大一些，以避免固体杂质沉积在管道中。例：某厂要求安装一根输水量为30m3/h的管道，试选择一合适的管子。解：取水在管内的流速为1.8m/s，查附录低压流体输送用焊接钢管规格，选

4、用公称直径Dg80（英制3″）的管子，或表示为φ88.5×4mm，该管子外径为88.5mm，壁厚为4mm，则内径为：水在管中的实际流速为：在适宜流速范围内，所以该管子合适。1.2.2定态流动与非定态流动定态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；图1-13定态流动该装置液位恒定，因而流速不随时间变化，为定态流动。非定态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。图1-14非定态流动该装置流动过程中液位不断下降，流速随时间而递减，为非定态流动。在化工厂中，连续生产的开、停车阶段，属于非定

5、态流动，而正常连续生产时，均属于定态流动。本章重点讨论定态流动问题。1.2.3定态流动系统的质量守恒——连续性方程1122图1-15连续性方程的推导如图所示的定态流动系统，流体连续地从1-1′截面进入，2-2′截面流出，且充满全部管道。在管路中流体没有增加和漏失的情况下，根据物料衡算，单位时间进入截面1-1′的流体质量与单位时间流出截面2-2′的流体质量必然相等，即：推广至任意截面或(1-24)(1-24a)(1-24b)式（1-24）～式(1-24b)均称为连续性方程，表明在定态流动系统中，流体流经各截面时的质量流量恒定。对

6、不可压缩流体，ρ=常数，连续性方程可写为：(1-24c)上式表明：不可压缩性流体流经各截面时的体积流量也不变；流速u与管截面积成反比，截面积越小，流速越大；反之，截面积越大，流速越小。对于圆形管道：（1-24d）即：不可压缩流体在圆形管道中，任意截面的流速与管内径的平方成反比例：如图所示，管路由一段φ89×4mm的管1、一段φ108×4mm的管2和两段φ57×3.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以9×10－3m/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。3a123b解：管1的内径为则水在管1中的流

7、速为管2的内径为由式（1-24d），则水在管2中的流速为管3a及3b的内径为又水在分支管路3a、3b中的流量相等，则有即水在管3a和3b中的流速为1.2.4定态流动系统的机械能守恒柏努利方程反映了流体在流动过程中，各种形式机械能的相互转换关系。柏努利方程的推导方法有多种，以下介绍较简便的机械能衡算法。——柏努利方程一、总能量衡算图1-16总能量衡算如图1-16所示的定态流动系统中，流体从1-1′截面流入，2-2′截面流出。衡算范围：1-1′、2-2′截面以及管内壁所围成的空间衡算基准：1kg流体基准面：0-0′水平面（1）内能：贮

8、存于物质内部的能量。（2）位能：流体受重力作用在不同高度所具有的能量。流体的机械能有以下几种形式：1kg流体具有的内能为U，其单位为J/kg。1kg的流体所具有的位能为zg，其单位为J/kg。将质量为mkg的流体自基准水平面0-0′升举到z处所做的