清华大学化工原理21第一章流体流动

3第一章流体流动第一节流体流动中的作用力KeyWords:Fluidflow,Shearstress,Fluidstatics,Density,Viscosity,Pressure管道输送化工过程中的流体流动多相流单元操作中流动现象一、体积力和密度：=m/VpT液体基本不变稍有变化气体改变改变理气mnMpMVVRT＝混合密度：体积分率：XV1XV2气体：1122mVVXX（1m3为基准）总质量＝A＋B＋C液体：1Kg混合液为基准，质量分率：Xw1Xw212121wwXX总体积＝A＋B＋C二、压力：1atm=1.013×105N/m2=10.33m（水柱），760mmHg压力表：表压＝绝压－大气压真空表：真空度＝大气压－绝压＝－表压[确切标明（表）、（绝）、（真）]三、剪力、剪应力、粘度：流体沿固体表面流过存在速度分布：FduAdy：动力粘度、粘性系数牛顿型dudy塑性ydudy非牛顿型假塑性()1ndukndy涨塑性()1ndukndy粘度：22///NmNSPasmsmmT↑液体↓，气体↑P↑基本不变基本不变40atm以上考虑变化4混合粘度：①不缔合混合液体loglogmiix(ix摩尔分率)②低压下混合气体1122/miiiiiyMyM＝(iiyM摩尔分率，分子量)第二节流体静力学方程一、静力学基本方程：方向→与作用面垂直静压力各方向作用于一点的静压力相同同一水平面各点静压力相等（均一流体）对于Z方向微元：()0pApdpAgAdzdpgdz不可压缩液体：1221./.()constpgzconstppgZZ，1、不可压缩流体条件：2、静止3、单一连续流体结论：单一流体连续时→同一水平面静压力相等间断、非单一流体→逐段传递压力关系二、流体静力学方程的应用：1、压差计：11221212()0BBAABBApghpghgRppgRppRg＝若微差压差计pgR①:10:1Dd②cA与很接近R很大时，液面相似5例：:10:1Dd，33CA920kg/m998kg/m＝，＝，若0.3Rm222()0.003m44dDhdRhRD1ACC()pRggh=229.6+27.1=256.7N/m2(表)2、液面计：HggHgR水Hg(/)HR水3、液封4、液体在离心力场内的静力学平衡2222121()2pprr第三节流体流动的基本方程KeyWords:Massflowrate,Volumetricflowrate,Velocity,Massvelocity,Equationofcontinuity,Bernoulliequation,Potentialenergy,Kineticenergy,Lossofmechanicalenergy,Work一、流量与流速：体积流量：/SVV，质量流量：/Sww流速：/SuVA，质量流速：/SGwA/SSSwVuAGwAu管路流速：液体0.5～3m/s，气体10～30m/s综合考虑：流量生产任务；流速、动力、设备、工艺二、连续性方程：123SSS流动系统→各截面上：.uAconst。若.const1122uAuA圆管21221//uudd三、总能量衡算和柏努利方程：稳定流动体系中讨论1、与流体有关的能量形式和总能量衡算内能,mUfTp，位能mgZ，动能212mu，静压能（流动功）流体进入划定体积需要对抗压力作功，所作功转化为流体静压能带入划定体积。质量为m、体积为V的流体，进入划定体积上游压力：PpA；所行距离：/lVA；_PA6功：PlpV流动中存在总能量：22mumEmUmgZpV；外界输入：emQ,emW对两个不同截面：22121111222222eemumumUmgZpVmQmWmUmgZpV2、柏努利(Bernoulli)方程式：单位质量流体2/2/eeUgZupQWVm（比容）根据热力学第一定律：W:膨胀功；Q:两部分环境Qe和阻力消耗21efUQWQhpdv2212vefvugzpvpdvWh2221112/2pvppvpefpvvdppdvgZuvdpWh不可压缩流体：21/ppvdpp2/2/efgZupWh对于理想流体：0fh，无外功0eW，22111222/2//2/gZupgZup3、讨论代表能量的转化：对于理想流体＝const.；实际流体（非理想）系统能量随流动↓，实际流体的流动条件E＞E出或We0；Z，p，u，状态函数，We，fh过程函数；当0eW，uo，0fh，静力学方程；三种不同形式gZ，gZ，Z（J/kg），（N/m2），（m）(流体柱)表压绝压可压缩流体(p1-p2)/p110%。4、使用条件：a、稳定流动b、计算空间连续，不可压缩c、截面选定：缓变均匀流d、单位一致性e、管内流动,,,uzp为平均值四、柏努利方程的应用：7画图计算步骤：截面选取：①从上游到下游，1-12-2②沿流动方向③计算1-1,2-2间的We和hf基准水平面单位Δ压差计读数112212ABcAABBcppghppghRgRpppgZpgZRgR：A、B两处位能与静压能总和之差。2222ABAABBfuupgZpgZh均匀管路：ABuuAgABBfpZpgZh*水平管：压测管指示为静压差1212dddd，*均匀管路：压测管指示为fh(不一定水平）Δ截面选取：水池：1-1:Z=0,p=0,u=0水池内管外：Z=-h,p=hg,u=0喷口出口(内)：u=u管,p=p塔喷口出口(外)：u=0,p=p塔流向判断：221122//2//2pupu，求出2p能否流动是静力学问题，一旦流动，汇合管路，p2值变化。8习题讨论课：1－25马利奥特容器。内径800mm，A管d=25mm。选1－1，2－2。22210.3/20.820.61.989/(0.81.1)/(1.9890.025)566.244guugmsts22122012308.88752DthstttsCdg11122222220000,0/2,2212442oZhupZuphguughuCghDdudDdhhCdg2，，；，u1-26（1）a关闭，b开启。选1－1，2－224.54.00.5/213003.233gHgHgHm油水水水（2）a开启，b也开启。选1－1，a-a2(4.5)/3.70.5/21300/2.162gHgHgHm油水水水（3）a、b均关闭，虹吸。第四节流体流动现象9Keywords：Flowphenomena,Reynoldsnumber,Laminarflow,Turbulentflow,Boundarylayer一、剪应力和动量传递：粘性定律：多层同心圆式流动(/)()FmamduddmuAAAAd剪应力：单位时间通过单位面积的动量动量通量。二、两种不同的流动形态上述讨论基于不同流体层的假设，但这种假设仅在u很小时才能成立。1、雷诺实验：u小时，质点沿彼此平行的线运动；u上下波动；u波动加剧，最终全管均一。2、雷诺数：运动分为滞(层)流、湍(紊)流存在一个临界速度：11cudRe/ud(无因次)d：特征长度，Re2000层流；Re4000湍流3、雷诺数的意义：流体流动中惯性力与粘滞力之比u：单位时间通过单位面积的质量kg/m2su2：单位时间通过单位面积的动量惯性力u/d速度梯度，u/d粘滞力u2/u/d=ud/=Reu，Re惯性力占主导地位惯性力加剧湍动u，Re粘滞力占主导地位粘滞力抑制湍动三、管内的滞流与湍流分层流动，各质点互瞬间速度uiinstantaneousvelocity滞流不碰撞互不混合，湍流脉动速度uifluctuatingvelocity速度分布为抛物线型时均速度iumeanvelocity21'211iiiiiuuuuud①ui与位置有关中心ui大，壁面ui=0②iu为稳定值，不随时间变层流湍流101、速度分布：22max(1/)uurR1/max(1/)nuurR0r时：2max14dpuRdlRe=1×105左右，n=72、平均速度：max12uun=7，max0.817uuRe↑,n↑,u/umax↑4×103n=61.1×105n=73.2×106n=103、动能：2u2210.532uu层流时小了一半，但动能项小。4、剪应力：dudy()edudyε:涡流粘度四、边界层概念：1、问题的提出：du/dy集中于壁面附近；主体可按理想流体处理分界：99％u以均匀u流近平板2、边界的形成和发展受平板影响出现du/dy动量传递，边界层加厚边界层厚度研究内容：边界层速度分布剪应力，壁面阻力3、边界层的分离（形体阻力）A:u=0,pmaxAB:u，p，加速减压BC：u，p，减速升压C：动能耗尽p最大，分离点。1)流道扩大时造成逆向压力梯度2)逆压力梯度容易造成边界层分离3)边界层分离造成大量漩涡，增加机械能消耗第五节流体在管内流动阻力KeyWords:Fanningeq.,Hagon-poiseuilleeq.,Hydraulicradius,Suddenexpansionofcrosssection,Suddencontractionofcrosssection,Flowofcompressiblefluids一、阻力损失及通式：沿程阻力三种表示方式：局部阻力:/():():fffahJkgkghmNpp3每；每；每m[对于水平直管，无外功，pf=-p]推导方便11221224842fuppddpdud令28/u磨擦因数。Fanning(范宁)公式：222222fffuuuphHdddg对层流、湍流均适用。求法不同。二、层流时的阻力损失：218dpuRd分离变量积分21223264Re264/RefuupppHagonPoiseuilledd哈根－泊谡叶方程三、因次分析法：依据：因次一致性原则，正确描述一物理现象，等式两边的物理量因次一致。校验：定理有m个基本变量，n个基本因次，无因次群为m－n个步骤：1)找出所有相关物理量2)选出基本因次3)列因次关系式4)组成无因次数群的幂函数关联式,,,,,fpfdu:管壁突出部分平均高度。121311abcefgfcefabgpkduMLKLLLMLMLL1312efabcefgcf21abfgcfef2fgbfpdukudd2pu：压力与惯性力之比四、湍流的阻力损失。令1,(Re)bd，1、实验关联式：柏拉修斯（Blasius）关联式：0.250.3164/Re35，光道管Re-310～1102、Re图(Moody图)滞流区=64/Re，直线斜率为－1