流体动力学及管流过程课件.ppt

1、流体动力学及管流过程流体动力学及管流过程流体动力学及管流过程质量守恒定律质量守恒定律 动量定理动量定理 能量守恒定律能量守恒定律 流体流动流体流动 遵循遵循 1.3.1 1.3.1 稳态流动及非稳态流动稳态流动及非稳态流动 （1 1）稳态流动：在流动系统中，流）稳态流动：在流动系统中，流体在各截面上的流速、压力、密度等有体在各截面上的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置变化，而不随时间变关物理量仅随位置变化，而不随时间变化的流动。参数只与空间位置有关而与化的流动。参数只与空间位置有关而与时间无关的流动。时间无关的流动。0tu（2 2）非稳态流动）非稳态流动 流场中的某物理量，不仅和空间位置有关

2、，流场中的某物理量，不仅和空间位置有关，而且和时间有关。而且和时间有关。随着过程的进行，随着过程的进行，h h减低减低,u,u 降低。降低。),(tzyxfF 说明：说明：在化工生产中，正常运行时，在化工生产中，正常运行时，系统流动近似为稳态流动。系统流动近似为稳态流动。各点各处的流量不随时间变化，近各点各处的流量不随时间变化，近似为常数。似为常数。只有在出现波动或是开、停车时，只有在出现波动或是开、停车时，为非稳态流动。为非稳态流动。1.3.2 流体流动的物料衡算连续性方程在流场中任意划定一个封闭空间作为研究对象,称这个空间为控制体。A1A2A3u1u2u3 控制体对稳定流动系统的异径管段作

3、物料衡算：物衡范围 管内壁,1-12-2 时间基准 1s12mmmqqqqm1qm21122111222mquAu Au A将上式推广到任何一个截面对于液体 可化简为：以上三式均为管内稳定流动连续性方程式通式。111222.mnnnquAu Au Au A 常数 常数1122.mnnquAu Au Au A常数一部分静压能转变为动能当流体流出管口时所有的动能都消耗殆尽变为能量损失始的纯轴向流动，层流 200098%浓硫酸，每批压送量为0.p2=500Pa（表）过渡流 20004000Q输入=Q输出面，尽量使其中某一截面的位能为零。的液面应比料液管进塔处高是原子与分子运动及其相互作用的结果。81

4、h=湍流（又称紊流）湍流时，流体质点是杂乱无章地在各个方向以大小不同的流速运动，称为“脉动”。截面2-2 有流速u，也就有动能项1/2u2。解 取高位槽液面为1-1截面，管进塔处出口内侧为2-2截面，以过2-2截面中心线的水平面0-0为基准面。1 稳态流动及非稳态流动功、没能量损失在流场中任意划定一个封闭空间作为研究对象,称这个空间为控制体。用于：求不同 A 下的 u 或不同 u下的 A（或d）。连续性方程式反映了稳态下，流量一定时管路各截面流速的变连续性方程式反映了稳态下，流量一定时管路各截面流速的变化规律。化规律。用于：求不同用于：求不同 A A 下的下的 u u 或不同或不同 u u下的

5、下的 A A（或（或d d）。）。液体在圆管中流动：液体在圆管中流动：212221dduu说明：不可压缩流体在圆管内作稳态流动，速度与管径的平方呈说明：不可压缩流体在圆管内作稳态流动，速度与管径的平方呈 反比。反比。21dd 21uu 则：当)4()4(222211dudu 1.3.3 流动系统的能量1.换热设备；2.输送设备对流体做功对流体做功输入或输出热量输入或输出热量衡算范围：衡算范围：内壁面、内壁面、1-11-1与与2-22-2截面间截面间衡算基准：衡算基准：基准水平面：基准水平面：0-00-0平面平面1 1流体流体 在任一流动系统中总能在任一流动系统中总能量包括两部分，流体本身所量包

6、括两部分，流体本身所具有的能量及系统与外部具有的能量及系统与外部交换的能量交换的能量1.流体本身所具有的能量如右图所示，流动系统中任一位置（如图中1-1截面处），流体均具有一定的能量，能量的形式有以下几种:1.换热设备；2.输送设备内能 U 物质内部的能量总和。是原子与分子运动及其相互作用的结果。与温度有关。1kg流体的内能用U表示，单位：J/kg。位能 即势能 mkg流体的位能相当于将其从基准面升举到其所在高度Z处消耗的功。位能=mgZ 单位：mgZ=kg（m/s2）m=Nm=J 1kg流体的位能为 gZ单位：J/kg。位能是个相对值，高于基准面时为正，低于者为负。若不选基准水平面，只讲位能

7、绝对值是没意义的。动能n动能 n单位：=kg（m/s）2=Nm=Jn有流速 u 的流体才有动能，m kg流体的动能n1kg流体动能为 J/kg。221mu221mu221u静压能 v v流动着的流体内部各点都对应着有静压能，如图示。流动着的流体内部各点都对应着有静压能，如图示。当流体要进入截面当流体要进入截面1-11-1，截面截面1-11-1处的流体有一定的处的流体有一定的 静压静压 欲进系统欲进系统的流体必须带着足以克服的流体必须带着足以克服1-11-1处静压的能量，对处静压的能量，对1-11-1处流体做功令其流动使自己进入处流体做功令其流动使自己进入1-11-1截面。质量为截面。质量为m

8、m，体积为体积为 V V1 1的流体通过截面的流体通过截面1-11-1时，把该流体推进时，把该流体推进1-11-1所需的作用力为所需的作用力为p p1 1A A1 1,流体通过截面经过的距离:V1/A1=m/A1。那么其所做的功为:p1A1m/A1=p1m/（J）则流体代入系统的能量静压能为：p1m/（即其所做的功）对于1kg流体，静压能=p1/;位能、动能和静压能又称为机械能，它们的和“总机械能（总能量）E”。2.系统与外界交换的能量（1）热能 换热器向1kg流体提供/取走的热量为Q，J/kg。（2）外功（净功）1kg流体通过泵等通用机械获得的功也称有效功。用We 表示，J/kg。（3）损失

9、能量 由于流体具有粘性，在流动过程中要克服各种阻力，使一部分能量转化为热能而无法利用，故称损失能。1kg流体的损失能量用 ,其单位为J/Kgfh输入输入输出输出单位单位说说 明明流体具有的能量内能 U1U2J/kg物质内部能量（分子平动能，转动能，振动能）位能 gZ1 gZ2J/kg重力（地心引力）流体机械能动能 1/2u121/2u22J/kg运动物体具有的静压能 P1/P2/J/kg压强作的功与环境交换能量热Qe（加热为入,冷却为出）J/kg外功 We J/kg损失能量hfJ/kgU1gZ11/2u12P1/U2gZ21/2u22P2/WeQeQe如图所示，已知：=1.89m/s，hf=4

10、0J/kg，上式简化为对于理想流体：没粘性、流动时没摩擦力、没外加截面2-2 有流速u，也就有动能项1/2u2。流体静力学基本方程式而前面假设：t=0，即U1=U2流体流动具有阻力要消耗机械能转变成热流型 Re并保持溢流，开启管路上的阀没有运动，自然就没有阻力，即hf=0；解：取高位槽液面为1-1 截面，虹吸管出口内侧截面为2-2截面，并以2-2为基准水平面。流体愈远离壁面，这种影响愈小，流速变化也愈不明显，直至其流速基本上与主体流速uS相一致。截面处），流体均具有一对稳定流动系统的异径管段作物料衡算：面，尽量使其中某一截面的位能为零。例如：水平管道（Z1=Z2）A1A27m，u1=0m/s，

11、p1=p2=1.流体流动具有阻力要消耗机械能转变成热截面处），流体均具有一5m（料液柱）（不包括出根据能量守恒定律：Q输入=Q输出即：上式为总能量衡算式讨论：1.式中有两种能量机械能、内能和热，机械能可以相互转变，也可变为热和内能；而内能和热，不可变为机械能。2.对传热设备作能量衡算时，往往忽略机械能而只考虑焓：3.撇开热和内能，机械能衡算fehupgzUwQupgzU222222221111流体流动具有阻力要消耗机械能转变成热流体流动具有阻力要消耗机械能转变成热而前面假设：而前面假设：t=0t=0，即，即U U1 1=U=U2 2消耗的机械能消耗的机械能热热消耗的机械能消耗的机械能机械能损失

12、掉了机械能损失掉了 能量损失能量损失 1.3.4 1.3.4 流动系统的机械能衡算流动系统的机械能衡算 柏努利方程柏努利方程fehupgzUwQupgzU222222221111设流体是不可压缩的设流体是不可压缩的,系统中无热交换器，系统中无热交换器，Q=0 Q=0 流体等温流动，流体等温流动，U U1 1=U=U2 2 fehpugZWpugZ 2222121122柏努利方程柏努利方程所以总能量衡算式中所以总能量衡算式中,只有机械能守恒只有机械能守恒,前面的式子可写成前面的式子可写成:对柏努利方程的说明流体作稳定流动时，每kg流体流过系统内任意截面的总机械能恒为常数，而每个截面上的不同机械能

13、形式的数值却不一定相等。这说明各种机械能形式之间在一定条件下是可以相互转换的，此减彼增，但总量保持不变。柏努利方程的讨论对于理想流体：没粘性、流动时没摩擦力、没外加 功、没能量损失kgJ/位能位能静压能静压能动能动能2222222111upgzupgz.22ConstpugZE 理想流体，稳态流动，无外功。任一截面上单位理想流体，稳态流动，无外功。任一截面上单位质量流体的位能、动能、静压能之和（总机械能质量流体的位能、动能、静压能之和（总机械能E E ）为一常数。为一常数。总机械能虽然相等，但每一种形式的机械能不一定相总机械能虽然相等，但每一种形式的机械能不一定相等，机械能可以相互转变。等，机

14、械能可以相互转变。例如：水平管道（例如：水平管道（Z Z1 1=Z=Z2 2）A A1 1AA2 2u14000 故流动为湍流450.05 2 998.2Re9.93 10100.5 10du 三、圆形管内的速度分布与流动边界层概念1.圆形管内的速度分布无论是层流还是湍流，流体在管内流动无论是层流还是湍流，流体在管内流动时截面上各点的速度随该点与管中心的时截面上各点的速度随该点与管中心的距离而变化，这种变化关系称速度分布。距离而变化，这种变化关系称速度分布。一般管壁处流体质点流速为零，离开管一般管壁处流体质点流速为零，离开管壁后渐增，到管中心处达到最大，但具壁后渐增，到管中心处达到最大，但具体

15、分布规律依流型而体分布规律依流型而异。（1）层流 速度分布呈抛物线状，管中心处速度最大，平均速度u为最大速度umax的一半。即：u=0.5umax（2）湍流实验测定得到的速度分布曲线如图示。流体质点的强烈分离与混合，使靠近管中心部分各点速度彼此扯凭，速度分布较均匀。实验证明，Re越大，曲线顶部越广阔平坦，但靠管壁处质点速度骤然下降。u=（0.80.82）umax既然湍流时管壁处流速为零，则靠近管壁的流体必然仍作层流流动，这一作层流流动的薄层，称为层流内层，其厚度随Re的增加而减小。从层流底层往管中心推移，速度渐增，因而在层流内层与湍流主体之间存在着一层过渡层（此层内既非层流也不是湍流）。再往中

16、心才是湍流主体区。层流内层虽然很薄，但它对传热、传质、化学反应等过程都有较大的影响。2.流动边界层的概念n以流体在平板上方流过为例。当实际流体以均匀的流速u到达平板后，由于板面的影响，紧贴壁面的一层流体速度降为零。流体相互间的拖曳力使靠近壁面的流体也相继受阻而减速，这样在流动的垂直方向上产生了速度梯度。流体愈远离壁面，这种影响愈小，流速变化也愈不明显，直至其流速基本上与主体流速uS相一致。n由于粘性，在壁面附近形成速度梯度较大的流体层，称为边界层。层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流内层层流内层边界层界限边界层界限u0u0u0 x y 5m（料液柱）（不包括出流体静力学基本方程式面，尽

17、量使其中某一截面的位能为零。物衡范围 管内壁,1-12-2圆管中流体等速圆筒面。的液面应比料液管进塔处高即高位槽液面应比虹吸管出口高2.4 流动系统的机械能衡算 柏努利方程但对不同流体、不同管路进行的大量实验表明，流体的性质、管路和操作条件均对流型产生影响。物质内部能量（分子平动能，转动能，振动能）圆管中流体等速圆筒面。即：上式为总能量衡算式使针尖流出的墨水线尽量细而连续。层流（又称滞流）流体质点仅沿流动方向作一维的有规则的流动。各点各处的流量不随时间变化，近似为常数。注意：本题下游截面2-2 必定要选在管子出口内侧，这样才能与题给的不包括出口损失的总能量相适应。解 取高位槽液面为1-1截面，

18、管进塔处出口内侧为2-2截面，以过2-2截面中心线的水平面0-0为基准面。湍流（又称紊流）湍流时，流体质点是杂乱无章地在各个方向以大小不同的流速运动，称为“脉动”。式中：Z1=0，Z2=20m，p1=0（表），p2=500103Pa，u1=0，u2=1.描述运动参数时必须采用平均的方法。流体静力学基本方程式（1）稳态流动：在流动系统中，流体在各截面上的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置变化，而不随时间变化的流动。基准一致，两截面应选用同一基准水平一部分静压能转变为动能流体在输送过程中可能需要外加能量。p1A1m/A1=p1m/（J）81h=p2=500Pa（表）动（现象）开始质点不流体在管内

19、流动时面，尽量使其中某一截面的位能为零。流型的不同对流体间进行的混合、传热、化学反应等过程影响不同，在一个过程进行之前，工程上就需要知道流型。一部分静压能转变为动能流型 Re特点：流体具有粘性，流动过程中有能量损失；单位：=kg（m/s）2=Nm=J1-1 截面比2-2 截面面积大得多，在流量相同情况下，槽内流速比管内流速就小得多，故槽内流速就可忽略不计，即u10一是远离壁面速度基本不变的区域，称为主流区，其中的粘性阻力可以忽略。内能 U 物质内部的能量总和。这样在平板上方流动的流体分为两个区域：一是壁面处速度变化较大的区域，即边界层区域，粘性阻力主要集中在该区域；一是远离壁面速度基本不变的区域，称为主流区，其中的粘性阻力可以忽略。一般以速度达到主体流速的99%处规定为两区域的分界线。