第 一 章 流体流动fluid flow.doc

第一章流体流动fluid flow
本章要点
★学****流体力学原理的目的在于分析与解决化工生产中大量存在的流体流动问题,并为各单元操作的学****提供理论基础。流体流动原理是物理力学对流体流动现象的应用和发展。
★与位能基准一样,静压强也有基准。工程上常用绝对零压线和大气压线两种基准。在同一计算中,应注意用统一的压强基准。
★ U形测压管或U形压差计的依据是流体静力学原理。应用静力学的要点是正确选取等压面。
★连续性方程与机械能衡算方程是描述流体流动过程的基本方程,是分析与计算流体流动过程的基本工具,它们分别是质量守恒定律和热力学第一定律用于流体流动过程的结果。
1. 物料衡算---连续性方程
一维稳定流动的连续性方程使用条件:
将流体视为由无数质点彼此紧靠着而构成的连续体,如果用于管内流动时,流体必须充满全管,不能有间断之处。
2. 机械能衡算---柏努力方程
流体在流动时要作功克服流动的阻力,其机械能有所消耗,消耗了的机械能转化为热,将流体的温度略为升高,既增加流体的内能。
使用条件:假设流体是不可压缩的;流动系统中无热交换器;流体温度不变;并且流体在某种程度上可视为没有阻力的理想流体。
★流体按其流动状态有层流与湍流两种流型,这是有本质区别的流动现象。在流体流动、传热及传质过程的工程计算中,往往必须先确定之。流型判断依据是Re的数值。
★流体在管路中的流动阻力损失包括直管摩擦阻力损失和局部摩擦阻力损失,这是两种有本质区别的阻力损失。前者主要是表面摩擦,而后者主要是涡流造成的形体阻力损失。3. 管内流动的阻力损失
计算直管摩擦损失-----范宁公式
实际流体在流动过程中因克服内摩擦而消耗机械能,故衡算式中要增加损失项,才能使输入与输出平衡。
使用条件:范宁公式是计算管内摩擦损失的通用算式,适用于不可压缩流体的稳定流动,此公式对于层流和湍流都适用。
概述
1、流体—液体和气体的总称。
流体具有三个特点:①流动性,即抗剪抗张能力都很小。②无固定形状,随容器的形状而变化。③在外力作用下流体内部发生相对运动。
2、流体质点:含有大量分子的流体微团。流体质点成为研究流体宏观运动规律的考察对象。
3、流体连续性假设:
假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙,完全充满所占空间的连续介质。
连续性假设的目的是为了摆脱复杂的分子运动,而从宏观的角度来研究流体的流动规律,这时,流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布,从而可用连续函数的数学工具加以描述。
流体流动规律是本门课程的重要基础,这是因为:
①
流体的输送
研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算。
②
压强、流速及流量的测量
为了了解和控制生产过程,需要对管路或设备内的压强、流量及流速等一系列的参数进行测量,这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的。
③
为强化设备提供适宜的流动条件
化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的。
设备的操作效率与流体流动状况有密切的联系。因此,研究流体流动对寻找设备的强化途径具有重要意义。
本章将着重讨论流体流动过程的基本原理及流体在管内的流动规律,并运用这些原理及规律来分析和计算流体的输送问题。
由小区供水引出流体流动
某新建的居民小区,居民用水拟采用建水塔方案为居民楼供水,如图1-1所示。
图1-1 居民小区供水示意图
用泵将水送到高位水塔,水塔中的水源源不断的送到一、二、三楼的用户。
这里引出三个问题:第一个问题是,为了保证一、二、三楼有水,就要维持楼底水管中有一定的水压(表压),为了维持这个表压,水塔应建多高?即图中的当然水塔高度的计算,有许多因素要考虑,水压仅是因素之一。第二个问题是,若水塔高度确定了,需要选用什么类型的泵?即图中泵的有效功率第三个问题是,保持楼底水压为表压,那么一、二、三楼出水是均等的吗?即图中当然,图1-1的供水系统是实际供水系统简化又简化了的。学完流体流动这一章,就能系统解决上述的三个问题了。
第二节流体静力学(fluid statics)基本方程式
流体静力学是研究流体在外力作用下处于平衡的规律。本节只讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律。
1-2 密度
1、流体的密度:单位体积的流体所具有的质量。单位: (对比质量浓度-i组分的质量除以混合物的体积)
①密度与温度、压力的关系。液体----不可压缩流体
气体----可压缩流体,理想气体
②混合物的密度----依据:理想溶液各组分混合前后体积不变,即混合物体积等于各组分单独时体积的加和的原则进行计算。对于液体,混合物组成常用组分的质量分数表示,对于气体,混合物组成常用体积分数表示。因此
混合液:
理想混