流体流动与输送机械教学材料

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1、第一章 流体流动与输送机械,第二节 流体动力学,一、流量与流速 （一）流量 流量有体积流量与质量流量之分。 1体积流量：简称为流量，单位时间流过某一截面的流体体积。用符号VS或Vh表示，单位为m3/s或m3/h。 2质量流量：单位时间流过某一截面的流体质量。用符号GS或Gh表示，单位为kg/s或kg/h。 两者之间的关系为： （1-10） 式中：流体的密度，kg/m3。,1.2.1 基本概念流量与流速,（二 ） 流速 流速也分为体积流速与质量流速。 1体积流速（简称流速）：单位时间流体质点流过的距离。用符号u表示，单位为m/s。 *为便于理解，流体可视为由含有大量分子的微团组成，这些微团的质量

2、很小，其质量集中在一点上，故称其为流体质点。 流体在流动过程中，在同一截面上各流体质点的流速是不均等的。因此通常说的流速是指某一截面上的平均流速，用体积流量除以流通截面得到，即： （1-11） 式中：S流体的流通截面积，m2。,1.2.1 基本概念流量与流速,二、粘度 粘度是表示流体流动性能的另一物理量，用符号表示。实践表明，有的流体容易流动，有的难以流动。例如油的流动性比水差，蜂蜜的流动性比油差等等。这就是由于它们的粘度不同。流体的粘度越小就越容易流动；粘度越大就越难流动。 前已述及，在同一流通截面上各流体质点的流速是不均等的，科学研究证明，不同流速的流体之间也存在着阻碍相对运动的摩擦力，称

3、为内摩擦力，流体的粘度就是这种内摩擦力的表示与量度。粘度大的流体，流动时能量消耗大，即阻力损失大，反之亦然。,1.2.1基本概念粘度,单位：Pas（国际单位制） 泊 P（Pas 10P） 厘泊 cP（Pas 1000cP） 纯组分的粘度值可在手册上查取。,物理单位制,1.2.1 基本概念粘度,混合物的粘度在没有实验数据的时候，可用下列公式近似计算其平均粘度： 对于常压气体混合物：,式中：yi气体混合物中i 组分的mol分率（即体积分率）； 与混合气体同温度下i组分的粘度， Pas ； 气体混合物中i 组分的分子量，kg/kmol。,1.2.1 基本概念粘度,液体混合物（无氢键及缔合作用时）,式

4、中： 混合液中i 组分的mol分率； 与混合液同温度下i组分的粘度， Pas 。,1.2.1 基本概念粘度,稳定流动系统：流动系统中各物理量的大小不随时间变化的系统。,1.2.2 稳定流动与不稳定流动,如左图所示的水槽，因上面不断加水，又有溢流装置，使槽内水位维持不变，则放水管任一截面处的流速、压力等都不随时间而变，即属于稳定流动。反之，这些物理量随时间而变的为不稳定流动。如右图所示的水槽，因上面没水补充，随着槽中的水放出，槽内水位不断降低，所以放水管中水的流速、压力等也逐渐降低，即属于不稳定流动。,不稳定流动,1-2-3 连续性方程,第一章 流体流动与输送,稳定流动系统：流动系统中各物理量的

5、大小仅随位置变化而不随时间变化的系统。 稳定流动系统的连续性：系统中充满流体、无空隙，流体质点处于连续状态，因此单位时间内输入系统的物料量等于输出系统的物料量。 液体的密度随压力变化很小，为不可压缩性流体。 气体的密度随压力变化很大，为可压缩性流体。,一、连续性方程式及其讨论,一、连续性方程式及其讨论,1、稳定流动系统的特性连续性,（1）连续性：系统中充满流体、无空隙，流体质点处于连续状态，因此单位时间内输入系统的物料量等于输出系统的物料量。 其中 单位时间内输入系统物料之和，kg/s或者kg/h； 单位时间输出系统物料量之和，kg/s或者kg/h。,（2） 守恒性 质量守恒 能量守恒 单位时

6、间内输入系统的能量之和，J/s或W； 单位时间内输出系统的能量之和，J/s或W；,一、连续性方程式及其讨论,当稳定流动系统在不涉及其他能量间的相互转化时，有单位时间内输入系统的热量等于输出系统的热量，即热量守恒。 单位时间内输入系统的热量之和，J/s或W； 单位时间内输出系统的热量之和，J/s或W；,一、连续性方程式及其讨论,一、连续性方程式及其讨论,推广至任意截面,连续性 方程,不可压缩性流体：,圆形管道 ：,即：不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比 。,一、连续性方程式及其讨论,1、适用于稳定流动系统，只要所取两截面间部分为连续流动； 2、上述规律与管路的安排及管路上是否

7、装有管件、阀门或输送设备无关； 3、 在分支管路中，还需要依据物料衡算进行，即：,3a,1,2,3b,如右图：,二、连续性方程式的应用,对于圆形管道：,流量VS一般由生产任务决定。,流速选择：原则, d 设备费用,流动阻力 动力消耗 操作费,（1）初估管径,二、连续性方程式的应用,化工厂中，化工管路的投资要占化工生产总投资的很大一部分比例。从上式看出，选用较大的管流速，所需管径小些，则投资费用就可减少，但流体阻力较大，输送流体的动力消耗增大，即操作费用增大。可见，管路的基建投资费用与动力消耗是互相矛盾的。因此，最适宜的管流速应能使每年分摊的基建投资折旧费与操作费用之和为最小。,某些流体在管路中

8、的常用流速范围,连续性方程应用管径的选择,连续性方程应用管径的选择,（2）管子规格表示,通常表示方法有两种：,1、公称直径（英寸）Dg,铸铁管，水煤气管规格常用公称直径或英寸表示。,公称直径表示内径，如Dg 100；,公称直径（或为英寸）既不表示内径，也不表示外径,2、外径壁厚,如752.5,内径=外径-2 壁厚,注意：,如不加说明，单位都认为mm,铸铁管,水煤气管,第一章 流体流动与输送机械,1-2-4 柏努利方程式,柏努利方程推导,如右图所示的稳流系统中，流体自11截面流入，经粗细不同的管道，从22截面流出，管路中装有对流体做功的机械(泵或风机)和向流体输入或从流体取走能量的换热器。 衡算

9、范围：内壁面、11与22截面间(图示) 衡算基准： 1流体 基准水平面： 00平面 设：u1，u2截面11与22处的流速， m/s； p1，p2截面11与22处的压强， pa； Z1，Z2截面11与22处的中心处至基准水平面00的垂直距离，m； A1，A2截面11与22处的的截面积，； v1，v2截面11与22处的比容，m3/；,1,2,1,2,z1,z2,0,0,分析1流体进、出系统时输入与输出的能量项： 1)、内能：物质内部能量的总和(分子平动能，转动能，振动能)以U1，U2表示：内能是一个状态函数，取决于流体本身的状态。 U11流体输入系统的能量，J/； U21流体输出系统的能量，J/；

10、 2)、位能：流体因受重力作用，在不同的高度处具有不同的位能，相当于质量为m的流体自基准水平面升举到某高度Z所做的功： Ep=mgZ， J 单位质量(1)流体的位能mgZ/m=gZ， J/；则： gZ11流体输入系统的位能； gZ21流体输出系统的位能； 3)、动能：流体以一定的速度运动时，便具有一定的动能，质量为m，流速为u的流体具有的动能为：Ek=(1/2)mu2， J(1/2) u121流体输入系统的动能； (1/2) u221流体输出系统的动能；,柏努利方程推导,柏努利方程推导,（4）静压能：流体因有一定的压强而具有的能量，称为静压能。 mkg的流体具有的静压能为E静=PV 1kg的流

11、体所具有的静压能为： 1流体输入系统的静压能； 1流体输出系统的静压能； （5）热：Q1流体接受或放出的能量，J/ Q可为正可为负；取吸热时Q为正值 ，放热为负。 （6）外功(净功)：We1流体通过输送设备(泵或风机)所获得的能量，J/ （7）能量损失： 1kg质量流体损失能量为 ，J/kg 根据能量守恒原理有：,输入能量,=,输出能量,+损失的能量,（1）,柏努利方程,(2),式中各项单位为J/kg。,假设：对于稳流、不可压缩流体、理想流体(hf=0)和无外功输入(We=0)，无热量交换（Q=0）,流体不可压缩，,则（1）式可简化为：,柏努利方程式,对于实际流体，有外功输入,广义柏努利方程式

12、,(3),柏努利方程的讨论,（1）柏努利方程成立的条件：稳态流动不可压缩重力场中,（2）守恒与转换：如没有外加能量和损失能量，在任一流动截面上单位质量流体的总机械能守恒，而每一种形式的机械能不一定相等，它们之间可以相互转换。,（3）若式（3）两边同时除以g（用于离心泵的计算），则,z位头；u2/2g动压头(速度头)；p/g静压头；Hf=hf/g压头损失；He=We/g有效压头；式中各项单位均为米。,（4）若式（3）两边同时乘以 （用于风机的计算），则,柏努利方程的讨论,全风压,动风压,静风压,（5）若流体处于静止，,即u=0，hf=0，We=0，,则柏努利方程变为,流体静力学基本方程只是柏努利

13、方程的一种特殊情况。,（6）有效功与轴功 有效功：We（J/kg）；有效功率Ne= WeGs（J/s）；轴功率N= Ne/； 为效率 （7）对于分支管路,柏努利方程的讨论,3,2,1,1,3,2,柏努利方程的应用,解题要求及方法： （1）作图：根据题意画出流动系统的示意图； （2）取截面和基准水平面：标明流体的流动方向，定出上游1-1截面和下游2-2截面，明确流动系统的衡算范围 ； 取截面： a、所取截面与流体的流动方向相垂直，两截面间流体应是稳定连续流动；b、截面宜选在已知量多、计算方便处，所求未知量 须在两截面之一中反映出来。 c、如所求的未知量是输送机械的外加能量，则两截面须取在输送机械

14、两侧。 取基准水平面：为方便计算，宜选取两截面中位置较低的截面为基准水平面。若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。,柏努利方程的应用,各物理量的单位应保持一致，基准一致，如压力表示方法应同为绝压或同为表压。,（3）选用柏努利 方程式并列出已知条件,注意：,截面很大时（如储槽，高位槽），流速可认为是0,（4）代入方程式求解与结果讨论。,例1：某车间用压缩空气压送98%的浓硫酸到某一常压设备，如附图所示。每批压送0.3m3，要求10min内压送完毕。硫酸的温度为20，管道用383mm的钢管，管出口比硫酸贮罐液面高15m，设管路所有阻力损失为10J/kg。试求开始压送时压

15、缩空气的表压？,例题(一)确定送料用压缩气体的压力,解：查附录得：98%的硫酸密度为 取1-1和2-2截面，并以1-1截面为基准水平面 列出柏氏式： 列已知条件： （基准一致绝压） /s 代入求解得：,例题(一)确定送料用压缩气体的压力,例2 如附图所示，用泵将贮槽中密度为1200kg/m3的溶液送到蒸发器内，贮槽中液面维持恒定，其上方压力为大气压。蒸发器内压力为26.7kpa（真空度）。蒸发器进料口高于贮槽液面15m，输送管道为684mm的钢管，送液量20 m3/h，能量损失为120J/kg，求泵的有效功率？,例题(二)确定输送机械的功率,例题(二)确定输送机械的功率,解：取1-1和2-2截面，并以1-1截面为基准水平面； （绝压） 代入上式求得：He=25.16m 则：,思考题,h2,h1,h3,h4,已知高位槽通过溢流装置控制液位高度为h1，请解释为何h3h2 h4,