齐鸣斋化工原理教学视频课件《》

1概述1.1流体流动的考察方法1.1.1连续性假定固体力学：考察对象--单个固体，离散介质。流体力学：考察对象--无数质点，连续介质。例如点压强的考察p(正压力/面积)第1章流体流动质点——含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸、远大于分子平均自由程。可能性：1mm3常温常压气体含2.5×1015个分子，分子平均自由程为0.1μm量级。连续性假定——流体是由无数质点组成的，彼此间没有间隙，完全充满所占空间的连续介质。目的：可用微积分来描述流体的各种参数。1.1.2考察方法拉格朗日法——选定流体质点，跟踪观察，描述运动参数。欧拉法——选定空间位置，考察流体运动参数。轨线与流线(录像)的区别：轨线是同一流体质点在不同时刻所占空间位置的连线；流线是同一瞬时不同流体质点的速度方向连线。系统与控制体的区别系统（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（某固定空间）如化工设备，是用欧拉法考察流体。本门课程通常用欧拉法。定态流动——流动参数仅随空间变化，而与时间无关。1.1.3流体受力体积力作用于体积中的各个部位，力的大小与体积（质量）有关。如：重力，惯性力，离心力。表面力分解成：垂直于作用面，压力p；平行于作用面，剪切力τ。1.1.4流体黏性(录像)黏性的物理本质：分子间引力和分子热运动、碰撞。牛顿黏性定律τ—剪应力N/m2（Pa），μ—粘度N∙s/m2（Pa∙s）表明①流体受剪切力必运动。②牛顿型流体与非牛顿型流体的区别。μ=f(温度，压强)，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）理想流体:假定μ=0说明：（1）流体剪应力与法向速度梯度成正比，与正压力无关；（不同于固体表面的摩擦力）（2）当流体静止时du/dy=0,τ=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）＝0.001Pa∙s（水的黏度1cP，20度）有时也用ν＝μ/ρ，称运动黏度，单位m2/s。黏度μ又称动力黏度。1.1.5流体流动的机械能为单位质量流体的动能gz为单位质量流体的位能为单位质量流体的压强能22u)2(2mum)(mmgzp)ddd(VlAp1.2流体静力学1.2.1静止流体的压强分布1.2.1.1静压强的特性①任意界面上只受到大小相等方向相反的压力。②作用于任意点不同方位的静压强数值相等。③压强各向传递。1.2.1.2取控制体作力衡算,同样,1.2.1.3结合本过程特点解微分方程重力场得X=0,Y=0,Z=-g因,,则积分得p+ρgz=常数或等高等压，等压面01zpZ01xpX01ypY0xp0yp0dd1zpg2211gzpgzpghpzzgppaa)(212讨论：1）p2=p1+ρgh适用条件：静止流体，重力场，不可压缩流体2）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+ρgh3）当p1有变化时，p2也发生同样大小的变化。p还与ρ，h有关ρ↑p↑h↑p↑4）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。分析方法（数学分析法）①取控制体②作力衡算③结合本过程的特点，解微分方程1.2.1.4静力学方程应用条件①同种流体且不可压缩(气体高差不大时仍可用)②静止(或等速直线流动的横截面---均匀流)③重力场④单连通1.2.2流体的总势能总势能（压强能与位能之和）虚拟压强1.2.3压强的表示方法1.2.3.1单位N/m2=Pa106Pa=1MPa流体柱高度(p=ρgh)1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O1bar=105Pa1at=1kg(f)/cm2=9.81×104Pa1.2.3.2基准表压=绝对压-大气压真空度=大气压-绝对压表压真空度绝对零压大气压绝对压绝对压1.2.4静力学方程的工程应用1.2.4.1测压已知：R=180mm,h=500mm求：pA=?(绝压)，(表压)解：pB=pa+ρ汞gRpB=pA+ρ水ghpA=pa+ρ汞gR-ρ水gh=1.013×105+13600×9.81×0.18-1000×9.81×0.5=1.204×105Pa(绝压)pA=1.204×105-1.013×105=1.91×104Pa(表压)1.2.4.2烟囱拔烟pA=p2+ρ冷ghpB=p2+ρ热gh由于ρ冷ρ热,则pApB所以拔风烟囱拔风的必要条件是什么？1.2.4.3浮力的本质物体上下所受压强不同取微元：压差力=(p2-p1)dA=ρghdA=ρgdV排V排=ΣdV排1.2.4.4液封设备中压力要保持，液体要排出，须用液封。1.2.4.5流向判别接通后流向？流水的有无——静力学流水的多少——动力学判据:看z大小，还是p大小？同一水平高度比压强p左=pA+ρgzA=PAp右=pB+ρgzB=PB本次讲课习题：第一章1，2，3，5，6，7,8流线演示：返回流体黏性：返回1.3流体流动中的守恒原理1.3.1质量守恒1）流量、流速流量——质量流量qm，kg/s（ρ·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AquV3）平均速度ū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。vAAquAudAudAuAvmwmquAqquAqGuA4）质量守恒方程（连续性方程）取控制体作物料衡算（欧拉法）212221122122112121222111222111,,0..dduuAAuucAuAucqqccqqcAuAudVtdVtAuAuvvmmVV圆管：，对不可压缩流体：—连续性方程式—即：定态流动：气体密度计算标准状态下：换算：质量流速不随温度压力变化TTpp0001.3.2机械能守恒1）沿轨线的机械能守恒理想流体：μ=0运动时，只受质量力和压强力的作用222P2pugzcucBernoulli不可压缩流体，或：---理想流体沿轨线的机械能守恒---（）伯努利方程上述伯努利方程方程采用拉格朗日考查推导。定态条件：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/ρ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2211221222pupugzgz实际流体管流的机械能衡算与理想流体的差别μ≠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α在工业上常见的速度分布α≈1，动能项可用平均流速。22112212()()22efpupugzhgzh331＝uAudAA柏努利方程的应用条件：（1）重力场，定态流动，不可压缩的理想流体沿轨线满流。（2）无外加机械能或机械能输出。1.3.2.2推广到工程上可用形式沿轨线--→沿流线定态：流线与轨线重合u、p等参数与时间无关沿流线--→沿流管截面处均匀流（没有加速度）截面处流速均匀分布平均速度→速度分布引入α理想流体→黏性损失引入hf关于加速度：点1有当地加速度、有迁移加速度点2只有当地加速度点3有迁移加速度点4没有加速度均匀流段均匀分布得机械能衡算式：1.3.2.3应用时注意u1A1=u2A2+u3A3应用时注意(录像)应用时注意阀开、阀关1.3.2.4工程应用(1)测风量由1-1至2-2排方程压差计：可得：2222uppagRppia2iagRppu2)(22222uAqV(2)虹吸从1-1至2-2排方程222upgHpaagHu22(3)马利奥特容器求水面在a-a面以上时的放水速度：由a-a面至出口小孔截面2-2排方程这时的流动条件是定态的实际:22upgzpaaaagzu2agzCu20机械能衡算式导出步骤：①简化将问题先简化到可分析的状况，得理论解。②修正逐一解决与实际的差距，使结果可工程应用。应用时应注意的问题：①看是否符合应用条件（连续流，满流）②画示意图③截面选取均匀流，已知量最多，大截面u=0真空吸料现要将30℃的乙醇输送到高位槽，,管子,流量0.004m3/s。有人建议抽真空，使料液吸上。忽略hf。求：p=?3kg/m800mm5.357解：从1-2排柏努利方程=5520Pa(绝)guzgpgpa2222m/s0.205.0785.0004.04π222dquV2222gzuppa1281.98002280010013.125根据物化知识30℃pV=10700Pa拟定态处理已知：D=1m,d=40mm,h=0.5m求：放完水所需时间τ解：从1至2截面排柏努利方程任一瞬时∴对桶内液体作质量衡算输入+生成=输出+积累22ughghu2thDuddd4π4π0022ghuthdD2dd22hhgdDtd2d22s200d2d05.0220hhgdDt问题：1.行使的列车旁，人为什么不能靠得太近？2.飞机的升力如何来的？3.旋转的乒乓球为什么走弧线？4.穿堂风是什么？（空气对流原理）5.山上的瀑布是如何形成的？本次讲课习题：第一章11，12，13，14，15，16柏努利演示返回弯头压力分布返回1.3.3动量守恒牛顿第二定律可写成：FΔt=Δ(mu)取单位时间计：F=Δ(qmu)=Σ出qmu-Σ进qmu单进单出：ΣFX=qm(u2x-u1x)ΣFy=qm(u2y-u1y)ΣFz=qm(u2z-u1z)条件：定态流动，管截面上速度均匀分布工程应用：（1）流量分配取一节作分析忽略壁面摩擦阻力，按x方向动量守恒式因支管流水，，所以，(录像)（2）压力射流根据动量守恒，压力射流的小孔流速是多少？解：划虚线控制体，按水平方向列动量守恒式这样，得按实用形式，得C0=0.720000)(uAuqpApAAApma200)(uAppAaappu)(20appCu（3）提升高度已知：喷射量qVj=0.02m3/s,d=0.035m提升量qVs=0.03m3/s,D=0.18m求：H=?解：忽略壁面摩擦力，假定速度分布均匀从2→3排动量守恒方程(p3=pa)从1→2截面排柏努利方程guHgpgpa2222m/s23.1)035.018.0(785.003.0222um34.181.9223.142.122222gugppHa（4）水龙反冲力已知：D=90mm,d=30mm,pmax=150kPa(表)求：最大理论喷射高度h;水龙反冲力的大小,方向。解：由1→2截面排柏努利方程Δz≈0)1(222414222212221dduuupp)1()(24142212ddppum/s4.17)90301(10001000150244最大理论喷射高度即为出口动能完全转化成位能取控制体作动量守恒计算方向：顶住水龙,不让它向后退m4.1581.924.172222guhN21403.0785.04.17100022222AuF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