流体流动过程与流体输送

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1、第三章 流体流动过程与流体输送设备 一、流体的概念 流体：能够流动的物体。 化工生产中所指的流体是液体和气体。,研究流体的流动和输送主要是解决以下问题： （1）输送流体所需管径尺寸的选择。 （2）输送流体所需能量和设备的确定。 （3）流体性能参数的测量和控制。 （4）研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供理论依据。 （5）了解流体输送设备的工作原理和操作性能，正确地使用流体输送设备。,二、流体的流动与输送的作用,三、流体的基本性质 1密度：单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。 不可压缩流体：但除极高压力外，压力对液体的密度影响很小，可忽略不计,故常将液体称为不可压缩流体。 可压缩流体：气

2、体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力和温度的变化而变化，故常将气体称为可压缩流体。 2 比体积：单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积，它与流体的密度互为倒数。,3、压强：垂直作用于流体单位面积上的力称为流体的压强，简称为压力。 压力的单位： Pa，即N/m2 。 还有些习惯使用的压力单位 标准大气压（atm） 工程大气压（kgf/cm2，at） 毫米汞柱（mmHg） 米水柱（mH2O） 1kgf/cm2=9.81104Pa=1at 1atm=101.3103Pa,按不同的计量基准，压力有两种不同的表达方式。 绝对压力：以绝对零压为起点而计量的压力； 表压或真空度：以大气压力为基准而计量的

3、压力。 当被测容器的压力高于大气压时，所测压力称为表压； 当被测容器的压力低于大气压时（工程上称为负压），则所测压力称为真空度。 表压=绝对压力大气压 真空度=大气压绝对压力,4流量和流速 单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量。 体积流量qv，单位为m3/s 质量流量qm，单位为kgs qm=qv,通常所说的流速是指整个管道截面的平均流速，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表示：u=qv /A,由于流体本身的粘滞性以及流体与管壁之间存在摩擦力，所以流体在管道内同一截面上各点的流速是不相同的。,单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，称为流体的流速，以u表示，单

4、位为m/s。,5、粘度 粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要参数之一。流体的粘度越大，其流动性就越小。,运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，是流体的内摩擦力F。,牛顿粘性定律 =F/A=du/dy 粘度是牛顿粘性定律中的比例系数。,粘度的物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。,牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体； 非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。,粘度的单位,SI制：Pas 或 kg/(ms) 物理制：cP(厘泊）,运动粘度:粘度与密度之比,常见流体的粘度，可以从本书附录或有关手册中

5、查得。,m2/s,四、流体流动的基本规律 1、定态流动与非定态流动 流体在管道或设备中流动时，若在任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但不随时间而改变，称为定态流动：反之，若流体在各截面上的有关物理量中，只要有一项随时间而变化，则称为非定态流动。,2、定态流动过程的物料衡算连续性方程,稳态流动时，根据质量守恒定律，在没有物料累积和泄漏的情况下，单位时间内通过流动系统任一截面流体的质量应相等。 对截面1-1和2-2之间作物料衡算，则单位时间流入截面1-1的流体质量应等于流出截面2-2的流体的质量，即qm1=qm2 1u1S1=2u2S2 =常数 对于不可压缩流体， u1S

6、1= u2S2 =常数 对于圆管， u1d12=u2d22,截面积不变时，流量增大，流速也增大； 流量不变时，截面积增大，流速减小。,p.105. 例3-1,如图所示，从一主管向两支管输送20的水。要求主管中水的流速约为1m/s，支管1与支管2中水的流量分别为20t/h和10t/h。试计算主管的内径，并从无缝钢管规格表中选择合适的管径，最后计算出主管内的流速。,3、定态流动过程的能量衡算一柏努利方程 （1）流动体系的能量形式 动能：流体以一定的流速流动时具有的能量。 质量为m、流速为u的流体所具有的动能为mu2/2， 单位为J。 位能: 流体因受重力的作用，在不同高度处具有不同的位能，其值相当

7、于把质量为m的流体由基准水平面垂直举至某高度Z处所做的功，即mgZ，单位为J。 位能是个相对值，随所选基准水平面的不同而异。 静压能：静止流体内部任一处都存在一定的静压力，同样在流动着的流体内部任何位置也都有一定的静压力。流体如果要在管内通过，就需要对流体做功，以克服流体的静压力。 在流体体积不变的情况下，把流体引入压力系统所作的功，称为流动功。流体由于外界对它作流动功而具有的能量，称为静压能，其大小为pV=pm/，单位为J 。,内能：流体内部大量分子运动所具有的内动能与分子间相互作用力而形成的内位能的总和。其数值的大小随流体的温度和比体积的变化而变化。 位能、动能、静压能称为流体的机械能，三

8、者之和称为总机械能。,（2）理想流体定态流动过程的能量衡算 理想流体：指流体在流动时没有内摩擦力存在，即粘度为零的流体。 若过程中没有热量输入，理想流体的温度和内能没有变化，能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。 由图3-7，作能量衡算： mgZ1+ mu12/2+ p1m/1=mgZ2+ mu22/2+ p2m/2 上式称为理想流体定态流动过程的能量衡算式，也称为柏努利方程。,gZ1+ u12/2+ p1/1=gZ2+ u22/2+ p2/2 Z1+ u12/2g+ p1/1g=Z2+ u22/2g+ p2/2g 工程上，将单位重力的流体所具有的能量，即JN，称为“压头”。 Z、u2/(2

9、g)、p/(g)分别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称为位压头、动压头和静压头。 使用压头形式表示能量时，应注明是哪一种流体，如流体是水，应说它的压头是多少米水柱。,实际流体在流动时由于流体粘性的存在必然造成阻力损失，令每牛顿重的流体在定态流动时因摩擦阻力而损失的能量为hf ，单位为JN或 m。 为克服流体阻力使流体流动，需安装流体输送机械（如泵或风机），设每牛顿重的流体从流体输送机械所获得的外加能量为He，单位JN或m。 则实际流体的柏努利方程为： Z1+ u12/2g+ p1/1g+He=Z2+ u22/2g+ p2/2g+ hf,对于可压缩的气体，若通过所取两个截面之间的压力变

10、化小于原来压力的20时，衡算所引起的误差不大，柏努利方程仍可适用。但应该注意的是，此时气体的密度和压头损失中的有关数值应采用平均值进行计算。,对于不可压缩流体，上式变为,若流体处于静止状态，u=0，则柏努利方程变为,流体流动的能量衡算方程也包括了流体静止状态的规律，静止的流体不过是运动流体的特殊表现形式而已。,在应用柏努利方程时，应该注意以下几点： 作图。根据题意作出流动系统的示意图，注明流体的流动方向，并标出有关数据以分析题意。 截面的选取。确定出上下游截面以明确流动系统的衡算范围。注意所选截面必须与流体流动方向垂直，且流体在两截面之间必须是连续的。所求的未知量应包括在选定的截面上，以便于解

11、题。若确定外加功时，则两截面应分别选在输送设备的两侧。 基准水平面的选取。原则上，基准水平面可以任意选取，并不影响计算结果，但为了简化计算，通常将所选两个截面中位置较低的一个作为基准水平面。如果截面与基准水平面不平行，则Z值是指截面中心点与基准水平面的垂直距离。 单位务必统一。方程式两侧的各个物理量的单位必须一致，最好均采用国际单位制。特别是等式两边的压力，用绝对压或表压均可，但必须统一。,五、流体压力和流量的测量 1、U形管压强计 U形管内盛有与被测液体互不相溶、密度比被测液体的密度大的指示液； 将U形管压强计的两端与被测系统两端相连接，可测量被测系统两点的压强差.,设指示液的密度为 ， 被

12、测流体的密度为 。,A与A面 为等压面，即,整理得,将U形管压强计的一端与被测系统相连接，另一端与大气相连通，则可测量被测系统的表压或真空度。 p1-pa=R(0-)g,若被测流体是气体， ，则有,倒置U形管压强计以被测液体作为指示液，液体上方充满空气。,密度接近但不互溶的两种指示 液A和C ；,扩大室内径与U管内径之比应大于10 。,微差压力计,z1=z2,Hf0,问题：（1）实际有能量损失； （2）缩脉处A2未知。,C0流量系数（孔流系数），一般为0.60.7 S0孔面积。,2.流量计：孔板流量计,孔板流量计结构简单，制造方便，但能量损耗较大。 （2）文丘里流量计 参照流体流经孔板流量计的

13、孔板前后的流线形状设计而成，它的主要部件为收缩管和扩大管，两者的结合处为“喉管”。流体由收缩管进入，经过喉管进入扩大管流出。流量计算公式与孔板流量计类似。 文丘里流量计的能量损耗比孔板流量计小得多，但加工难度大一些。,（3）转子流量计,从转子的悬浮高度直接读取流量数值。,在1-1和2-2截面间列柏努利方程,Hf0,令,CR流量系数,AR转子的环隙面积,优缺点： （1）永远垂直安装，且下进、上出，安装支路便于检修。 （2）读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高； （3）玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。 （4）转子可用不锈钢等抗腐蚀材料制成，因此转子流量计适用于各

14、种流体流量的测量。 （5）标定流体：20水（1000kg/m3 ） 20、101.3kPa下空气（1.2kg/m3） 被测流体与标定流体不同时，需进行刻度校正。,六、管内流体流动的阻力 1、管、管件及阀门 （1）管（光滑管和粗糙管） 通常把玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；把钢管和铸铁管称为粗糙管。 管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度，以 表示。绝对粗糙度与管内径d的比值d称为相对粗糙度。 钢管分有缝钢管和无缝钢管，前者多用低碳钢制成，后者有普通碳钢、优质碳钢、不锈钢等。 （2）管件：管与管的连接部分，主要用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。 （3）阀门：安装于管

15、道中用以调节流量。 常用的阀门有截止阀、闸阀和止逆阀等。,2.流动形态 雷诺通过大量实验观察到，流体流动分为层流（滞流）、过渡流、湍流等几种类型。,（2）流动形态判据 雷诺实验还发现，流动类型除了与流速有关外，还与管径、流体的黏度、流体的密度有关 。 Re=du/：雷诺数。 Re是一个无因次的数群。 Re4000，湍流； Re2000，层流； 2000Re4000，过渡流。,（3）湍流与层流的特征,层流时流速沿管径呈抛物线分布，管中心处流速最大，管截面各点速度的平均值为最大速度的一半 。,湍流时，流体质点强烈湍动有利于交换能量，使得管截面靠中心部分速度分布比较均匀，流速分布曲线前沿平坦，而近壁

16、部分的质点受壁面阻滞，流速分布较为陡峭 。 湍流的平均速度约为最大速度的0.8倍 。,(4)流动边界层 流体受壁面影响而存在速度梯度的区域称为流体流动的边界层 。 一般把边界层厚度定义为自壁面到流速达到流体主体流速99处的区域。 流体流过较大曲率的物体时，还会发生边界层分离观象。 流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时，产生边界层分离，会导致流体流动阻力的增大。,3、管内流动阻力计算 （1）流动阻力分类： 直管阻力hf ：在直管中流动时由于内摩擦而产生的阻力。 局部阻力hl ：由于管道的局部障碍（管件、阀门、流量计、管径的突然扩大或收缩等）所引起的阻力。,（2）直管阻力损失,层流时的阻力损失,：摩擦系数,湍流时， 的数值通过下图查取。,（3）局部阻力损失,a.阻力系数法,将局部阻力表示为动能的某一倍数,局部阻力系数,管进口:=