第一章流体流动修改终Word格式文档下载.docx
- 文档编号:18858675
- 上传时间:2023-01-01
- 格式:DOCX
- 页数:46
- 大小:764.62KB
第一章流体流动修改终Word格式文档下载.docx
《第一章流体流动修改终Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第一章流体流动修改终Word格式文档下载.docx(46页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
N2+H2——→NH3
条件:
高温、高压、催化剂
前、后处理过程——大多数都是物理过程
化工生产过程——反应+各单元过程的组合(搭积木)
化工原理——研究化工生产过程中各种单元操作的基本原理及规律,研究典型设备构造及工艺尺寸计算的一门工程技术学科。
《化学工程》、《化工过程及设备》、《单元操作》
二.单元操作
分类:
操作目的、相态、传递过程
操作目的:
●物料的输送、加压、减压
●物料的混合或分散
●物料加热或冷却
●非均相混合物的分离
●均相混合物的分离
传递过程:
◆动量传递(流体流动、搅拌、过滤、沉降、固体流态化)
◆热量传递(传热、蒸发、干燥)
◆质量传递(蒸馏、吸收、萃取、干燥)
P.2表1化工常用单元操作
传递过程是联系各单元操作的一条主线
三.课程性质及研究方法
性质:
专业技术基础课,工程技术学科。
工程问题的复杂性:
几何尺寸,物料
研究方法:
◆实验研究法(经验的方法)——直接用实验测取各变量间的关系
建立实验的方法论:
“由小见大”,“由此及彼”
如:
流体流动、传热
◆数学模型法(半经验、半理论的方法)——对复杂问题进行合理简化,通过简化模型,建立方程,由实验求出一些修正系数。
过滤
研究工程问题方法论是联系各单元操作的另一条主线
化工原理——以单元操作为内容,以传递过程和研究方法论为主线
四.课程需要解决的问题
选择设计操作开发
◆合理地选择单元操作
◆设备设计正确
◆优化操作
◆开发新的单元操作
上册:
标准设备的选型
下册:
非标准设备的设计
五.单位制及因次系统
1.单位制
◆单位——表示物理量的大小。
基本单位、导出单位。
◆单位制——基本单位和导出单位的总和
◆物理量——数值+单位
我国以往常用的单位制
长度时间质量力
c.g.scm(L)s(T)g(M)dyn
M.K.Sms㎏N
工程制m(L)s(T)s2㎏(f)/mkg(f)(F)
SI制mskgN
英制
2.因次系统
◆因次——表示物理量的性质。
基本因次、导出因次
长度L1T0M0,
速度L1T-1M0
◆因次系统——基本因次和导出因次的总和。
采用同一基本因次的为同一因次系统
如c.g.s,M.K.S,SI属同一因次系统
◆物理方程的因次一致性——物理方程中各项具有相同的因次
[L]s=1/2gt2[L]
第一章流体流动
第一节概述
一.连续性假定
流体——液体和气体(特点:
具流动性,无固定形状,其形状随容器而变化)
流体——是由无数分子组成的(微观运动)
考察对象:
不是单个分子,而是流体质点
(宏观——微团)
流体——是由大量质点组成的、质点间无间隙、完全充满所占空间的连续介质,即,其物理性质和参数在空间连续分布(宏观机械运动)
连续性假定——把流体可看成是连续介质,用连续函数来处理流体流动和平衡时的规律。
(高度真空气体例外)
即:
a.流体质点连续,充满整个空间;
b.参数连续。
流体在运动时,各质点间可改变其相对位置,而固体运动时,整个固体一起运动,这就是流体流动与固体运动的区别。
二.流体流动的考察方法
1.拉格朗日法
选定一流体质点,跟踪其运动,考察流体质点随时间变化的规律。
2.欧拉法
在固定的空间点上,考察流体通过每一空间点时,运动参数随时间的变化规律。
如运动参数:
u,p,ρ---
ux=fx(x,y,z,t)
uy=fy(x,y,z,t)
uz=fz(x,y,z,t)
通常,
当流体内每个质点都遵守同一规律时,采用拉格朗日法
多数情况下,考察流体运动都采用欧拉法
对定态流动,采用欧拉法更为简单
3.流线与轨线
轨线——流体质点的运动轨迹
拉格朗日法考察的结果
流线——流线上各点的切线表示该点的速度方向
采用欧拉法的考察结果
轨线与流线是两个不同的概念,只有在定态流动时,流线和轨线才重合。
由流线定义,可得如下推论:
流线互不相交;
流线不能穿越流管。
(图1-1)
4.定态过程与非定态过程
定态过程——过程参数仅随空间变化,而与时间无关的过程
定态流动——如果流体运动空间各点的状态不随时间变化
非定态流动——运动参数不仅随空间位置变化,还与时间有关。
第二节流体静力学
2-1流体静压强及其特性
一.流体静压强定义
任意面上:
(图1-7)
p=ΔF/ΔAN/m2
ΔF垂直于界面
静止流体中,任意界面上,只受到大小相等,方向相反的压力。
在任意点上:
(图1-8)
p=limΔF/ΔA
ΔA→0
在静止流体的任意点上,都受到各个方向、数值相等的静压强(点性质)。
数学描述:
p=f(x,y,z)
二.压强的单位:
[N/m2]=[Pa](帕斯卡)
atm(标准大气压),某流体柱高度,bar(巴),㎏f/cm2(at)
1bar=105Pa
1atm=1.033㎏(f)/cm2(at)=760mmHg=10.33mH2o
=1.0133×
105Pa=1.0133bar
1at=1㎏(f)/cm2=735.6mmHg=10mH2o=9.81×
104Pa
三.压强的基准
绝对压——以绝对零压为基准,是流体的真实压强
表压、真空度——以当时当地的大气压为基准
表压=绝对压—大气压
真空度=大气压—表压
数值上:
表压=-真空度
(见图1-11)
2-2流体静力学基本方程式
一.力的分类
二.流体静力学方程式推导
取微元体,作力分析:
(见图1-9)
中学:
取一流体柱,受力分析:
作用于上底面的压力:
P1=p1A1
作用于下底面的压力:
P2=p2A2
作用于整个液柱的重力:
W=ρA(z1—z2)g
平衡时:
P2=P1+W,
p2=p1+ρg(z1—z2)
p2=p1+ρgh——流体静力学基本方程式
讨论:
1.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+ρgh
当p1有变化时,p2也发生同样大小的变化。
3.p还与ρh有关
ρ↑p↑
h↑p↑
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。
流体静力学方程式揭示了静止流体内部压强分布规律。
4.静力学方程式:
gZ+p/ρ=Const单位:
J/kg
gZ——单位质量流体所具有的位能,J/kg
p/ρ——单位质量流体所具有的压强能
单位:
(N/m2)(m3/kg)=Nm/kg=J/kg
位能、压强能都是势能
流体静力学方程式表示:
在静止流体中,总势能保持不变。
但位能和压强能两者之间可以相互转化,两者之和为常数。
5.用符号/ρ——单位质量流体的总势能J/㎏
定义:
/ρ=gZ+p/ρ
=p+ρgZ
——虚拟压强:
具p的因次,N/m2,(J/m3)
公式
(1)则为:
/ρ=Const
在静止流体中,总势能处处相等,只有同一高度,压强相等。
6.式(1a)也可改写为:
(p2-p1)/ρg=h单位:
m(J/N)
说明压强差可用流体柱的高度表示。
必须注明何种液体,否则失去意义。
应用流体静力学方程式计算时,高度、压强的基准可以任取,但方程两边必须统一。
方程中每一项的单位必须统一。
2-3流体静力学方程式的应用
一.压强的测量
1.简单测压管(图1-12)
pA=pa+ρgR
适用于:
1)高于大气压的压强的测定
2)只适用于液体,不适用于气体
3)如pA过大,则R将很大;
如pA过小,则R将很小,测量误差增大。
2.U型测压管(图1-13)
U型管中放有某种液体——指示液(与被测流体不发生化学反应,且不互溶)
p1=pA+ρgh1
p2=pa+ρigR
pA–pa=ρigR—ρgh1
如被测流体为气体,即ρ《ρI,则
pA–pa=ρigR
3.U型压差计(图1-14)
p1=pA+ρgh1
p2=pB+ρg(h2-R)+ρigR
(pA+ρgh1)–(pB+ρgh2)=Rg(ρi-ρ)
(pA+ρgz1)–(pB+ρgz2)=Rg(ρi-ρ)
即A–B=Rg(ρi-ρ)
U型压差计测出的R是:
Δ
如压差计水平放置:
Δ=Δp
第三节流体流动中的守恒原理
质量守恒
能量守恒(机械能)
动量守恒
应用流体流动的基本原理及其流动规律可解决:
1.确定管径
2.估算输送所需的能量
3.选用合适的计量装置(压强,流速,流量的测量)
4.强化传热、传质过程。
管流为主
3-1流体流动的作用力
二.牛顿粘性定律
剪力:
τ=F/A=-μdu/dy——牛顿粘性定律
μ——粘度,N.s/m2(kg/sm)
du/dy——法向速度梯度,s-1
牛顿粘性定律说明:
(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。
理想流体:
μ=0(τ=0,不一定是理想流体)
实际流体:
μ≠0
3.粘度
粘度是流体的物性参数。
其物理本质是流体分子运动的宏观表现,是微团之间动量交换的结果。
牛顿粘性定律本质上是流体内微团间动量传递速率方程。
动量交换(相互牵制)——表观上产生阻力
影响因素:
流体本身性质,温度有显著影响。
P.7
对液体:
温度↑,粘度↓
对气体:
温度↑,粘度↑
数量级:
μ液≈100μ气
压力对液体粘度的影响可忽略;
对气体,压力↑,粘度↑。
但压力不太高时,变化可忽略。
粘度值可从物性手册上查得。
注意:
粘度的单位
1(dyn/cm2)=1泊=100厘泊(cp)
1cp=10-3N.s/m2
常温、常压下:
水:
μ=1cp
空气:
μ=0.01cp
P.336,P.344共线图
工程计算中,常出现μ与ρ的比值——运动粘度ν
ν=μ/ρ[m2/s]
服从牛顿粘性定律的流体——牛顿型流体。
3-2质量守恒
一.流量、流速
1.流量——单位时间通过管截面的流体量
W=V·
ρ
2.流速——单位时间内,流体在流动方向上流过的距离,m/s
(1)点速度ù
圆管:
粘性,速度分布(图1-3)
工程处理方法:
平均值
(2)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
二.连续性方程
取控制体作物料衡算(欧拉法):
(图1-16)
进-出=积累
截面↑,u↓
截面↓,u↑
流体在均匀直管内作定态流动时,u沿程保持定值,并不因磨擦而减速(不同于固体运动)。
3-3机械能守恒
流体流动中的机械能
位能、动能、压强能——机械能
压强能——流体自低压对抗压力流动时获得的能量。
三种能量相互转换。
牛顿第二定律出发,理想流体能量守恒,实际流体修正。
一.理想流体的机械能守恒
1.沿轨线的机械能守恒
μ=0
运动时,只受质量力和压强力的作用
取微元作力分析(图1-9)
1.沿流线的机械能守恒
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。
2.理想流体管流的机械能守恒
均匀流段:
同一截面上各点的总势能/ρ相等(图1-17)
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
二.实际流体的机械能衡算
1.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,机械能不再守恒
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
2.动能因子〆
平均的原则:
截面上总动能相等
三.伯努利方程的应用
Note:
1)选取截面应垂直于流动方向,均匀流段,未知量尽可能少,包含待求参数……。
(如容器的液面u2/2可忽略)。
2)位能基准面可选任一截面,或容器的液面、管中心……
3)单位一致(特别p)
1.
重力射流(图1-19)
2.
压力射流(图1-20)
3.
驻点压强(图1-21)
四.伯努利方程的几何意义
1
伯努利方程的三种形式
2伯努利方程的几何意义(图1-22)
理想流体管流流动时,三头之和为一常数
3-4动量守恒
mu——动量
牛顿第二定律也可表示为:
动量定理:
物体所受的合外力等于动量随时间的变化率。
一.管流中的动量守恒(图1-25)
二.动量守恒定理应用举例
该例说明,即使忽略了管壁的摩擦力,流动也受到了内摩擦力的作用而使压强能减少。
即阻力损失不等于零。
(流体与固体运动的差异)
三.动量定理与能量衡算式的关系
1.两者都反映了流体运动参数的变化规律。
流体流动应同时遵守这两个规律。
2.两者在应用时有不同要求:
应用能量方程时,必须清楚阻力损失hf项
应用动量方程时,必须清楚合外力
在研究流体与固体边界的力的关系时,必须用动量方程。
第四节流体流动的内部结构
一.两种流动型态(流型)
1.雷诺实验(图1-31)
当流量较小时,有色液呈线状
当流量较大时,呈波纹状
当流量很大时,呈断续状
2.两种流型
◆层流(滞流)——流体质点只作轴向的直线运动,没有径向运动,有规则的运动。
◆湍流(纹流)——流体质点不仅作轴向运动,还有随机的径向脉动,不规则运动。
二.流型的判据——雷诺数
流型=f(d,u,ρ,μ)
Re——雷诺数,无因次数群
当Re<
2000,层流区
当Re>
4000,湍流区
2000<
Re<
4000,过渡区不稳定状态
稳定性概念:
稳定性——抗外界干扰能力
Re〈2000,是稳定的层流。
所以,雷诺数的物理含义:
是流体流动稳定性的判据,惯性力/粘性力(ma/τA)
流体的流动型态:
层流和湍流
三.湍流
1.湍流的基本特征——流体质点在总体上作轴向运动的同时,还作径向的随机脉动(图1-32)
2.时均化概念
瞬时流速:
湍流时的定态流动,是指所有的运动参数的时均值不随时间而变化。
(以后,其它参数均指它们的时均值。
)
质点的径向脉动,增加了径向传递过程的传递速度,强化了径向传递过程。
即强化了径向的动量、热量和质量的传递。
湍流粘度
4.湍流时的层流内层和过渡层
由Re=duρ/μ及管内的点速度分布可知:
远离壁面:
速度脉动大,湍流粘度μ,很大(充分的湍动)
分子粘度μ可忽略
仅壁面处:
u小,速度脉动小(分子粘度μ起主要作用)
即壁面处,流动仍保持层流特征。
(不管主体的湍流程度有多大)
湍流流动时,近壁面处仍保持着层流特征的这一薄层——层流内层
在层流内层与湍流主体间的流体层——过渡层
层流内层(分子运动)是径向传递过程的主要阻力。
其厚度一般随Re的增加而减薄。
四.圆管内流体运动的数学描述
1.化工工程问题的一般处理方法
过程分析:
寻找过程特征
建立平衡方程与过程的特征方程(速率方程)
联立求解:
解析求解,实验求解
结果分析:
分析求解结果对工程的指导意义
圆管内的受力分析(图1-33)
五.圆管内的点速度分布
1.
层流时的速度分布
2.
湍流时的速度分布
3.
动能校正因子
六.边界层及边界层脱体
1.边界层
边界层——流速受边界影响(有速度梯度)的区域。
规定:
当点速度未受边界影响流速的99%以内的区域
图1-17为平壁上的边界层
管流:
(图1-38)
边界层的形成——L0
L0为测量稳定段,参数测量应避开此段
2.边界层分离(脱体)
考察流体对一圆柱体的绕流(图1-39)
A→B,边界层的形成同平板
B→C,流道扩大,流速减小,C点为0
C-C/连线以上的边界层——→脱离了物体的边界层
流道扩大时必产生逆压流动
逆压流动易产生边界层脱体
边界层脱体产生漩涡,增加能耗
第五节阻力损失
根据能量衡算式:
μ=0,Σhf=0
μ≠0,Σhf≠0
所以,产生流动阻力的内因:
流体的粘性
产生流动阻力的外因:
流体流动
管路的组成:
直管;
阀门,弯头等
流动阻力分成:
直管阻力,局部阻力
5-1层流时直管阻力损失
结论:
(层流)
1.Σhf∝u1
2.u=4V/(πd2)代入可知:
当V一定时,Σhf∝d-4
3.虚拟压强的降低,与ρ无关
5-2湍流时直管阻力的实验研究方法
湍流时:
Σhf=f(d,ε,l,u,ρ,μ)ε——绝对粗糙度
设备特性、物性、操作条件
1.影响变量多,实验工作量大
实验次数N=mn
m——每个变量改变的次数(实验的水平数)
n——自变量个数
2.许多变量的可变范围广,物性千变万化
3.设备几何边界条件的复杂性(主要)
(有小见大,由此及彼)
实验研究(因次分析法)的基本步骤
1.通过预实验或过程分析,找出所有的、不可忽略的影响因素
2.函数的无因次化,减少实验次数
3.寻找合适的具体的函数逼近形式
y=a+bx,y=a+a1x+a2x2
y=Ax1ax2b(化原)y=Aeax(化学反应)
4.实验确定待定参数
5-3因次分析法及π定理
一.因次分析法
1.列出所有影响因素
物性:
μ,ρ
几何尺寸:
d,l,ε
流动条件:
u
Σhf=f(d,l,ε,u,ρ,μ)
2.变量的无因次化(写出每个变量的因次;
选n个独立变量;
剩余变量无因次化)
变量单位因次
hfJ/kgL2T-2
l,d,εmL
um/sLT-1
μNs/m2ML-1T-1
ρkg/m3ML-3
选因次相互独立的变量代替基本因次:
d,u,ρ
其余变量:
hf,μ,ε,l无因次化
3.函数的无因次化
二.π定理:
无因次数群的个数=变量数—基本因次数
N=m-n7-3=4
因次分析法的依据:
1.物理方程各项因次一致;
2.π定理
因次分析法的主要特点
1.能够做到“有小见大”,“由此及彼”
2.可以有效地减少实验工作量
3.该法是纯经验的总结和归纳。
所得方程是纯经验方程,对过程的内在本质不了解(黑箱法)
4.实验目的是探索方程。
5-4湍流直管阻力经验式
一.λ与Re的关系
1.层流时:
λ=64/Re
2.莫迪图(双对数坐标)
1)层流区:
λ近与Re有关。
Re↑,λ↓
知道u,d与λ,hf的关系
2)过渡区:
2000<
4000,设计时,按湍流计算λ
3)湍流区:
Re↑,λ↓,下降趋势渐缓
4)高度湍流区(阻力平方区)
λ与Re无关,λ=f(ε/d)
hf∝u2
hf∝d-5,(V一定)
二.相对粗糙度ε/d对λ的影响
层流时:
λ=f(Re),与ε/d无关
(ε/d)↑,λ↑
三.实际管的当量粗糙度
由实验测得阻力损失,算出λ→ε——当量粗糙度
ε值见p.40表1-1
湍流时,λ也可用下式计算:
四.非圆形管的当量直径
直管阻力损失应与固体表面间的摩擦损失区别,
流体流动的直管阻力损失发生在流体内部。
5-5局部阻力损失
一.阻力系数法
对多股流体的合流或单股流体的分流,ξ可能为负值。
即部分流体获得能量。
p.44
记住:
小→大,ξ=1.0
大→小,ξ=0.5
二.当量长度法
p.43
第六节流体输送
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第一章 流体 流动 修改