化工原理-流体流动

300000mm=m/(/)=()()1=(,)()=22.4iimimiivkgmfTwwfpTTTpmpMpRTTpTppMypRT基本概念密度液体不可压缩流体液体混合物为各组分的质量份数气体可压缩性流体理想气体气体混合物或11220P=-=-Up)p)()gzgzpgR压力表示方法：表压绝对压力大气压力真空度大气压力绝对压力型压差计（（mvmvqqqGAGuquA流量与流速00000002p1u=2Rg()2p(2)q2V()(3)q2()(4)qVffVRRfaVVCACAgCAACA。流量测量（）测速管（皮托管）孔板流量计转子流量计文丘里流量计111111V1111muAuAuAuAuAuA连续性方程q常数不可压缩性流体q常数22121122221211222211122211zz2211zz2211zz22effeeppguWgu伯努利方程11221212gzgzppzgzg静力学基本方程压力形式：pp能量形式：222''e22eW2WW22W+=22Re=Re2000Re40002000000,ffffcludluudllluudddudG流体流动阻力直管阻力局部阻力或总阻力（）雷诺准数管内流性判据：，流动为层流，流动为湍流摩擦系数层流区Re2000,=64/Re过流区Re4000,=f(Re,/d)湍流区4ReRe=f(Re,/d)完全湍流,A4*=4*ced区ReRe=f(/d)流通截面积当量直径润湿周边=d/duduFAdydyudy牛顿黏性定律或黏度12312312312312221qqq=++2=q+q+q===3=q+qpp1122vvvffffvvvvffffABvvvcBBBfOBccfOC管路计算（）简单管路（）并联管路q（）分支管路q绪论一、单元操作（三传）动量传递：流体输送、沉降、过滤等。热量传递：加热、冷却、冷凝、蒸发等。质量传递：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等二、单位换算物理量的单位运算经验公式的运算注意：换算时要定出换算因子，熟悉单位换算方法时，不必在式子中间写单位三、基本关系QQQ入出损失GGG入出累积类型：可压缩流体与不可压缩流体密度：或（混合物气体与液体密度）黏性：内摩擦力内摩擦应力：黏度：受压力变化不受压力变化000.................(12)TpTp...................2.(1).mpMaVRT1(13)wAwBwnmABnxxx　　　　(14)mAVABVBnVnxxx　　　uFSy...............Fu(16)S....ydydudydux1.1流体的物理性质1.2—流体静力学①静止流体的压力——三种压力②基本方程式——三种形式③方程式的应用——三种用途1.2.1静止流体的压力——三种压力一、静压能两个特性：①静压力方向与作业面相垂直。②静压力是各向同性的，只与所处位置有关。二、压力单位的换算1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.013bar=1.013*105Pa三、三种压力①绝对压力：以绝对零压作为起点计算的压力②表压力：压力表上的度数表示被测流体的绝对压力比大气压力高出的压力表压力=绝对压力—大气压力（P绝对＞P大气）③真空度：真空表上的读数表示被测流体的绝对压力低于大气压力的数值。真空度=大气压力—绝对压力（P大气＜P绝对）注意：真空表一般为负值1.2.2流体静力学基本方程三种形式：①单位质量：②单位重量：③单位体积：注意：只适用于静止的连通的同一种流体)(2112zzgppgzpgzp22112211zgpzgp1.2.3—基本方程式的应用一、压力与压力差的测量：1.压力与压力差的测量（读数为R）①U管压差计P1—P2=(ρA—ρB）gR一般ρB可忽略不计。注意：若U形管一端与管道某一截面相连，另一端与大气相通，此时R反映的是表压力。②倾斜液柱压差计R=R·/sinα直接反映压差的是R·，且α越小，压差越大③微差压差计（指示液的密度与被测的相似）特点：两种指示液密度相近且不互溶，而且与被测液体不互溶，内有扩大室（水库）P1—P2=（ρA—ρC）gR注意：A与C都是指示液的密度。p1p2z11z1Raa’2二、液位的测量①近距离液位测定②远距离液位测定h=ρHgR/ρ12指示液A指示液Bh=R(A-)/三、液封高度的计算gPh0h0P溢流水00气液气流体静力学静止流体的压力基本方程式方程式的应用绝对压力液封高度的测量表压力真空度压差的测量液差的测量重量式质量式体积式1.3流体流动的基本方程1.3.1流量与流速单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。体积流量Vsm3/s质量流量WsKg/s体积流量与质量流量关系：Ws=Vsρ单位时间内流体在流动方向上所流过的距离，称为流速，以u表示，其单位为m/s。平均流速：u=Vs/AA----与流动方向相垂直的管道截面积，m2流量与流速管系：Ws=Vsρ=uAρ单位时间内流体通过管道单位截面积的质量，称为质量通量，以G表示，单位为Kg/(m2s)G=Ws/A=Vsρ/A=uρ以d表示管道内径，u=Vs/(πd2/4)d=√(4Vs/πu)1.3.2稳态流动与非稳态流动若各截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而变化，不随时间而变，这种流动称为稳态流动。若流体在各截面上的有关物理量既随位置而变，有随时间而变，则称为非稳态流动。1.3.3连续性方程式物料衡算的基本关系式为输入量等于输出量。Ws=u1A1ρ1=u2A2ρ2=......=uAρ=常数Vs=u1A1=u2A2=......=uA=常数1.3.4伯努利方程式以单位质量流体为衡算基准：gZ1+u12/2+p1/ρ+We=gZ2+u22/2+p2/ρ+∑hf以单位重量流体为衡算基准：Z1+u12/2g+p1/ρg+We/g=Z2+u22/2g+p2/ρg+∑hf/g以单位体积流体为衡算基准：ρgZ1+ρu12/2+p1+ρWe=ρgZ2+ρu22/2+p2+ρ∑hfZ,u2/2g,P/ρg,Hf分别称为位压头，动压头，静压头与压头损失He称为输送设备对流体提供的有效压头。1.4流体流动现象1.4.1流动类型与雷诺数1、雷诺数duRe雷诺数的因次：duRe3//mmskgmpas000skgme是一个没有单位，没有因次的纯数。在计算Re时，一定要注意各个物理量的单位必须统一。雷诺准数可以判断流型：Re=2000层流Re=4000湍流Re的值为2000-4000不稳定的过渡区2、层流与湍流层流：流体质点做直线运动流体分层流动，层间不相混合、不碰撞流动阻力来源于层间粘性摩擦力湍流：主体做轴向运动，同时有径向脉动特征：流体质点的脉动过渡流：不是独立流型（层流+湍流），流体处于不稳定状态（易发生流型转变）生产中，一般避免过渡流型下操作。1.4.2流体在圆管内流动时的速度分布圆管内层流与湍流的比较层流湍流本质区别分层流动质点的脉动速度分布22max1Rruu)7(11maxnRruun平均速度max21uum)7(82.0maxnuum剪应力dydudydu1.4.3边界层的概念xusxReRex为距平板前缘距离x作为几何尺寸的雷诺准数，us为主流区的流速对光滑的平板壁面，边界层内流体的流型判断：•Rex≤2×105：边界层内流动层流•Rex≥3×106：边界层内湍流流动•Rex=2×105～3×106：不定型流动1.5流体在管内的流动阻力管路的总能量损失：fffhhh22udllhieif直管阻力（范宁公式，适用于层流与湍流）或：是冈量为1的系数，称为摩擦系数。层流：Re≤2000湍流：Re≥4000阻力平方区：22udlhf22udlhPffRefRe64dfRe,df湍流时的量纲一致性原则：凡是根据基本物理规律导出的物理方程，其中各项的量纲必然相同。π定理：任何量纲一致的物理方程都可以表示为一组量纲为1数群的零函数雷莱指数法，0),...,(21ifi=n-m),,,,,(uldpfgfecbafuldkp.21tMLpLld1Ltu3ML11tMLL12fpMLt局部阻力计算方法1.阻力系数法或进口为0.5，出口为1。2.当量长度法或22uhf22uPf22udlhef22udlPef1.6管路计算简单管路：流体从入口到出口是在一条管路中流动的，没有出现流体的分支或汇合的情况。串联管路：不同管径管道连接成的管路。特点：1.通过各管段的质量不变，对于不可压缩性流体。2.整个管路的阻力损失等于各管段直管阻力损失之和。常数321SSSSVVVV21fffhhh复杂管理1.分支管路（1）单位质量流体在两支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等，且等于分支点处的总机械能。（2）主管流量等于两支管流量之和。2.并联管路（1）并联管路中各支管的能量损失相等。（2）主管中的流量等于各支管流量之和。普遍性规律：支路中局部阻力系数增大，如阀门关小，该支管内流量减少，总管流量减少，其余支路流量增加，阀门上游压力增大，下游压力减小。1.7流量测量流量计：1.变压头流量计，如：测速管、孔板流量计和文丘里流量计2.变截面流量计，如：转子流量计测速管测定管内流体的基本原理和换算公式ggRgu'22