化工原理流体流动.ppt

陕理工高分子教研室制作1/116化工原理—流体流动第一章流体流动一、概述二、流体静力学三、管内流体流动的基本方程式四、管内流体流动现象五、管内流体流动的摩擦阻力损失六、管路计算七、流量测定八、非牛顿流体的流动陕理工高分子教研室制作2/116化工原理—流体流动气体和液体统称为流体。流体的共性(流动性)气体:分子可自由运动,不受约束,宏观上表现出易流动,可压缩的性质。液体:分子热震荡振幅大,平衡位置频繁改变,宏观上表现出易流动,但不可压缩的性质。流体流动规律是本门课程的重要基础,主要内容有以下三个方面:1)流动阻力及流量计算2)流动对传热、传质及化学反应的影响3) 概述陕理工高分子教研室制作3/116化工原理—流体流动流体是由大量彼此间有一定间隙的单个分子所组成。不同的考察方法,对流体流动情况的理解也就不同。在物理化学中(气体分子运动论)是考察单个分子的微观运动,分子的运动是随机的、不规则的混乱运动,在某一方向上有时有分子通过,有时没有。 因此这种考察方法认为:流体是不连续的介质,所需处理的运动是一种随机的运动,问题将是非常复杂的。 流体流动的考察方法陕理工高分子教研室制作4/116化工原理—流体流动1)连续性假设①在化工原理中是考察液体质点的宏观运动。流体质点是由大量分子组成的流体微团,其尺寸远小于设备尺寸,但比起分子自由路程却要大的多。②假定流体是有大量质点组成、彼此间没有间隙、完全充满所占空间连续介质。③流体的物性及运动参数在空间作连续分布,从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。④在绝大多数情况下流体的连续性假设是成立的。而高真空稀薄气体的情况下连续性假定不成立。陕理工高分子教研室制作5/116化工原理—流体流动2)流体运动的描述方法①拉格朗日法:选定一个流体质点,对其跟踪观察,描述其运动参数(位移、数度等)与时间的关系。可见,拉格朗日法描述的是同一质点在不同时刻的状态。②欧拉法:在固定的空间位置上观察流体质点的运动情况,直接描述各有关参数在空间各点的分布情况合随时间的变化,例如对速度u,可作如下描述:Ux=fx(x,y,z,t) Uy=fy(x,y,z,t)Uz=fz(x,y,z,t)可见,欧拉法描述的是空间各点的状态及其与时间的关系。陕理工高分子教研室制作6/116化工原理—流体流动3)定态流动(稳定流动,定常流动)4)流线与轨线①流线:是采用欧拉法考察的结果,流线上各点的切线表示同一时刻各点的速度方向。如图1 所示。流线上四个箭头分别表示在同一时间四个不同空间位置上a、b、c、d四个流体质点(不是真正几何意义上的点,而是具有质点尺寸的点)的速度方向。由于同一点在指定某一时刻只有一个速度,所以各流线不会相交。若空间各点的状态不随时间变化,该流动称为定态流动。Ux,Uy,Uz,p,……=f(x,y,z)与t 无关陕理工高分子教研室制作7/116化工原理—流体流动②轨线:是采用拉格朗日法来看流体运动所得的结果,轨线是某一流体质点的流动轨迹,轨线上各点表示同一质点在不同时刻的空间位置。显然,轨线与流线是完全不同的。轨线描述的是同一质点在不同时,间的位置,而流线表示的则是同一瞬间不同质点的速度方向。陕理工高分子教研室制作8/116化工原理—流体流动1)表面力与流体的表面积成正比。若取流体中任一微小的平面,作用于其上的表面力可分为:①垂直与表面的力P ,称为压力。单位面积上所受的压力称为压强p 。1MPa(兆帕)=106Pa(帕斯卡)注意:国内许多教材****惯上把压强称为压力。22F( N)N/mA( m??剪力,(剪应力,)面积,) 流体流动中的作用力②平行于表面的力F,称为剪力(切力)。单位面积上所受的剪力称为应力τ。)())(/(22mANPPamNp(面积,)压力,压强,?陕理工高分子教研室制作9/116化工原理—流体流动3)剪应力此式即著名的牛顿粘性定律。式中:μ—();du/dy—法向速度梯度(1/s)。ddF uA y? ?? ?2)体积力(质量力)与流体的质量成正比,对于均质的流体也与流体的体积成正比。如流体在重力场中运动时受到的重力就是一种体积力,F=mg。陕理工高分子教研室制作10/116化工原理—流体流动不同之一:固体表面的剪应力τ∝剪切变形(角变形)dθ;流体内部的剪应力τ∝剪切变形速率(角变形速率):dθ/dt=du/dy(见图1-3)。概述不同之二:静止流体不能承受剪应力(哪怕是非常微小的剪应力)和抵抗剪切变形。固体可以承受很大的剪应力和抵抗剪切变形。①流体与固体的力学特性两个不同点