化工原理課件1流體.ppt

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第一章 流體流動Date1 (1)流體靜力學基本方程式及其應用; (2)管內流動的連續性方程、機械能衡算方程的物理意義、適用條件及其應用; (3)管路系統的摩擦阻力、局部阻力和總阻力的計算方法。 第一章 流體流動  本章應重點掌握的內容Date21.1 流體的重要性質物質三態:固態、液態和氣態 固體、液體和氣體——固體和流體流體:無定形、易于流動 液體:不可壓縮流體(*本課程不再強調) 氣體:可壓縮流體 固體:有一定形狀、不易變形 流體的共性 —— 流動性氣體和液體統稱為流體描述流體性質及其運動規律的物理量有: 壓力、密度、組成、速度等。Date3 把流體當作是由密集質點構成的、內部無空隙的連續體來研究,則流體的物理性質和運動參數成為空間連續函數?!衫脭祵W工具質點:含有大量分子的流體微團,其尺寸宏觀上 遠小于設備尺寸但分子數量足夠多、微觀 上遠大于分子平均自由程( 3.3×10-7cm) 。 1.1.1 連續介質假定注:本課程所指流體均符合此假定,特別強調的除外Date41.1.2 流體的密度(kg/m3)和比容(m3/kg)混合氣體的密度常溫、常壓下一般氣體均可按理想氣體處理:式中:ρ—— 氣體的密度,kg/m3 p —— 氣體的絕對壓力,kPa Mm —— 氣體的摩爾質量,g/mol R —— 摩爾氣體常數,其值為:8.314 J/mol·K T —— 熱力學溫度,K定義:流體空間某點上單 位體積流體的質量Date5混合氣體的平均摩爾質量式中: Mm—— 混合氣體的平均摩爾質量,g/mol yn —— 氣體混合物中各組分的摩爾分數混合液體的密度ρm (忽略混合前后體積變化)式中: wi —— 混合物中各純組分的質量分數 ρi —— 混合物中各純組分的密度,kg/m3Date6注意:上述公式中每個參數的物理意義、單位及使用條件ρv≡1式中:v —— 流體的比容,m3/kg ρ —— 流體的密度,kg/m3流體的比容(比體積)v定義:單位質量流體的體積Date71.1.3 流體的粘性 (p11 )1.1.3 流體的粘性 (p11 ) 一、粘性 :是流體的固有的物理性質 流動性 粘 性 —— 抵抗流動的特性 流體在圓管內分層流動示意圖Date8流體的粘性- 圖示uyu +duudyy上層對下層有牽引力下層對上層有阻滯力速度梯度速度分布這對力稱為內摩擦力。流體流動時產生內摩擦力,此特性又稱為 — 粘性Date9二、粘度—— 衡量流體粘性大小的物理量 速度梯度: 由實驗知:du / dy s-1牛頓粘性定律 (p11)式中: F —— 內摩擦力,N A —— 兩流體層間的接觸面積,m2式中:τ—— 剪應力(切向應力),N / m2 μ—— 粘度,動量傳導系數, Ns / m2 = Pa·s (動力粘度)Date10粘度的物理意義 粘度的物理意義: 當 du/dy = 1 時, μ =τ 說明在相同的流動條件下,流體的粘度越大,內摩擦力也就越大,需要克服的阻力越大。 理想流體: μ= 0 的流體(自然界中并不存在) 粘性流體: μ≠ 0 的流體(自然界中普遍存在) (實際流體)Date11牛頓型流體與非牛頓流體 凡符合牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體 (如水、空氣等); 凡不符合牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓型流體。K ≠ m注意:非牛頓流體 —— 了解內容,同學們自學。非牛頓流體Date12粘度的單位SI 制溫度、壓力對粘度的影響壓力對粘度的影響可忽略不計(極高壓力除外);溫度對粘度的影響很大 液體:溫度↑,m↓;氣體:溫度↑, m ↑ 。運動粘度,動量擴散系數:習慣使用單位:1 P = 1dyn·s / cm2 = 0.1 N·s / m2 =100 cP(泊)(厘泊)Date131.2.1 流體的受力一、體積力(場力、質量力) 非接觸作用力,施加在每個質點上的力 (重力場、離心力場、電場、磁場)特征:不需要接觸; 受力大小與質點質量成正比。 1.2 流體靜力學 (p13) 本課程只涉及地球引力(重力)。Date14二、表面力特征:必須直接接觸。 二、表面力 定義:通過直接接觸,施加在接觸表面的力(法向應力)正應力 p —— 垂直作用于流體單位表面積的 力,習慣上稱為壓強,也稱 壓力,N/m2 = Pa 切應力 τ—— 平行作用于單位表面積的力, 習慣上稱為剪應力, N/m2=Pa 表面力Date151.2.2 靜止流體的壓力特性(p14)一、壓力(壓強)定義: 壓力的基本特性 1. 為外部作用力(包括流體柱自身的重力)在流體中 的傳播2. 其方向與作用面相垂直,并指向作用面 3. 靜止流體中的壓力稱為靜壓力 4. 在流體空間的任一點處,靜壓力數值相等地作用于 各個方向Date16二、壓力單位二、壓力單位 1at = 9.807×104 N/ m2 = 735.6 mmHg = 10.00 mH2O = 0.100 MPa = 1.000 kgf / cm21atm = 1.013×105 N / m2 = 760 mmHg = 10.33 m H2O物理大氣壓 工程大氣壓 Date17三、壓力的習慣表述:大氣壓表壓絕對壓力壓力絕對壓力真空度0絕 對 零 壓 線絕對壓力:流體的真實壓力測壓表上的讀數(真實壓力 > 大氣壓時)絕對壓力 = 大氣壓 + 表壓(真實壓力 4000局部阻力損失Date76 H = ( 1.512 / 2 + 16.97 - 0.688 H) / 9.81 ∴ H = 18.11 / 10.5 = 1.73 m管進口突然縮小 z 1 = 0.5球心閥(全開) z 2 = 6.490°的標準彎頭 z 3-5 = 0.75局部阻力系數Date771.6 流體輸送管路計算 (p56) 簡單管路:無分支等徑管路變徑管路等徑直管:qm , qV = 0.785 d2u ∑hf =l (L/d)(u2/2)變徑管路: qm1 = qm2 = qm3 = qm u不可壓縮流體: qV1 = qV2 = qV3 = qV u1d12 = u2d22 = u3d32 ∑hf = l1(L1/d1)(u12/2) + l2(L2/d2)(u22/2) + l3 (L3/d3)(u32/2) + z1 (u12/2) + z2(u32/2) 計算變徑管的局部阻力時,取小管內的流速。qm231z1z2Date78 本節所介紹的流量測量方法主要是基于能量轉換原理,并未涉及其它的流量測量的方法。(p65)1.7 流速與流量的測定 Measurement of velocity and flow rate1.7.1 孔板流量計( Orifice Meter)(p67) ——測量管內平均流速Date79測量原理: 壓力能轉換為動能 管道直徑 d1,流體流速u1;孔板孔口直徑 d0,流體流速u0; 縮脈直徑d2,流體流速u2R121002d1A1u1d0A0u0d2A2u2 孔板流量計孔板流量計孔板流量計Date80安 裝(1)在孔板的上、下游必須分別有(15~40)d1 和 5d1 的直管距離;(2)孔板的小孔在前。特點優點:結構簡單,安裝方便,實際應用廣泛。缺點:流過孔口的突小、突大引起的阻力損失大; 測量范圍不寬。 0R12102d1A1u1d0A0u0d2A2u2孔板流量計孔板流量計Date81 1.7.2 轉子流量計 (p70) ——測量流體體積流量原理:錐形管中流體在可以上下浮動的轉子上下截面由于壓差(p1-p2)所形成的向上推力與轉子的重力相平衡。穩定位置與流體通過環隙的流速 u0 有關。轉子流量計Date82 轉子流量計特點: 在流量改變時,恒流速(環隙內),恒壓差,變面積(環隙面積)。而孔板流量計,則為恒面積,變流速,變壓差。轉子流量計 轉子流量計的刻度換算: 轉子流量計上的刻度,一般使用 20℃ 的水或者20℃、0.1 MPa 的空氣進行流量標定并直接按高度刻度。如被測流體與標定條件不符應進行刻度換算。Date83 安裝(1)必須垂直,(傾斜10°,誤差 0.8%);(2)儀表前后要有 5 倍于儀表口徑的直管距離;(3)為了便于對儀表裝拆檢修,要安裝支路。轉子流量計Date84
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