流体流动及输送

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1、第二章 流体流动及输送,第一节 流体静力学 第二节 流休在管内的流动 第三节 流休在管内的流动现象 第四节 管内流动阻力 第五节 管路计算 第六节 流速和流量的测量,1. 研究流体流动问题的重要性 流体: 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称 为流体。流体是气体与液体的总称。,流体流动是最普遍的化工单元操作之一；研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。,第一节 流体静力学,2 . 连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有 间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。 质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸、远大于分子自由程。 工程意义：利用连续函数的数学工具，

2、从宏观研究 流体。,3. 流体的特征,具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。,不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体； 可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。,不可压缩流体：流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体。,实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如果压力或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流体处理。,可压缩流体：流体的体积如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体。,流体的压缩性,一、流体的物理性质与作用力,作用力 质量力：万有引力、达朗贝尔力 表面力：压力、剪力,

3、1、单位体积流体的质量，称为流体的密度。,kg/m3,2、单组分密度,液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。,（一）质量力和密度、比体积,3、 气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：,注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下之值，若条件不同，则密度需进行换算。,4、混合物的密度,混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有,气体混合物中各组分的体积分率。,或,混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。,混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有,液体混合物中各组分的质量分率。,5、比容,单位质量流体具有的体积，是密度的

4、倒数。,m3/kg,（二） 压力与静压强,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。,1、压力的特性流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。,2、压力的单位,压力的单位: 帕斯卡, Pa, N/m2 (法定单位); 标准大气压, atm; 某流体在柱高度; bar（巴）或kgf/cm2等。,注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等。,3、 压力的表示方法,绝对压力（absolute pressure） ：以绝对真空(即零大气压)为基准。,表压(ga

5、uge pressure)：以当地大气压为基准。它与绝对压力的关系，可用下式表示： 表压绝对压力大气压力,真空度（vacuum）：当被测流体的绝对压力小于大气压时，其低于大气压的数值，即： 真空度大气压力绝对压力,注意：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说明时均可按标准大气压计算。,表 压 = 绝对压力 大气压力 真空度 = 大气压力 绝对压力,二、 流体静力学平衡方程,（一）、静力学基本方程,重力场中对液柱进行受力分析：,（1）上端面所受总压力,（2）下端面所受总压力,（3）液柱的重力,设流体不可压缩，,方向向下,方向向上,方向向下,液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:,静力学

6、基本方程,压力形式,能量形式,讨论：,（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性 流体； （2）物理意义：,单位质量流体所具有的位能，J/kg；,单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变 。,（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。 （4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。,（二）、静力学基本方程的应用,1. 压力及压力差的测量,（1）U形压差计,设指示液的密度为 ， 被测流体的密度为 。,A与A面 为等压面，

7、即,而,所以,整理得,若被测流体是气体， ，则有,讨论：,（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；,表压,真空度,（2）指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数R反映了什么？,（2）双液体U管压差计,扩大室内径与U管内径之比应大于10 。,密度接近但不互溶的两种指示液A和C ；,适用于压差较小的场合。,（3） 倒U形压差计,指示剂密度小于被测流体密度， 如空气作为指示剂,（5） 复式压差计,

8、（4） 倾斜式压差计,适用于压差较小的情况。,适用于压差较大的情况。,例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，,指示液为水银，读数R250mm，h900mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3。试计算该截面处的压力。,第二节 流休在管内流动时的能量衡算,1. 体积流量单位时间内通过流道横截面的流体体积。m3/s或m3/h 2.质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。kg/s或kg/h。,一、流量与流速,4. 质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。,3.流速 （

9、平均流速） 单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。,kg/（m2s）,m/s,（二） 稳定流动与不稳定流动,稳定流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；,不稳定流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。,（三） 稳定流动系统的质量守恒连续性方程,对于定态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：,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 。,例1-3 如附图所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和两段573.5mm的分支管3a及3b连接而成。若

10、水以9103m/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。,二、稳定流动热力体系的总能量方程式,（ 一）、稳定流动热力体系的概念,（二）、稳定流动体系的能量平衡,（1）内能贮存于物质内部的能量。1kg流体具有的内能为U（J/kg）。,衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成的空间 衡算基准：1kg流体 基准面：0-0水平面,（2）位能流体受重力作用在不同高度所具有的能量。1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。,（3）动能1kg的流体所具有的动能为 (J/kg),（4）静压能,静压能=,（5）热设换热器向1kg流体提供的热量为 (J/kg)。,（6）外功(有

11、效功)1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We (J/kg)。,以上能量形式可分为两类：,机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输送流体；内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。,2实际流体的机械能衡算,假设 流体不可压缩， 则流动系统无热交换，则流体温度不变， 则,(1) 以单位质量流体为基准,设1kg流体损失的能量为Wf（J/kg），有：,(1),式中各项单位为J/kg。,并且实际流体流动时有能量损失。,（2）以单位重量流体为基准,将(1)式各项同除重力加速度g :,令,式中各项单位为,z 位压头,动压头,He外加压头或有效压头。,静压头,总压头,hf压头损失,（3）以单位体积流体为基

12、准,将(1)式各项同乘以 :,式中各项单位为,（3）,压力损失,3理想流体的机械能衡算,理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。,（4）,（5）,柏努利方程式,4. 柏努利方程的讨论,（1）若流体处于静止，u=0，Wf=0，We=0，则柏努利方程变为,说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律 。,（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即,We、Wf 在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。,（3）zg、 、 某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能 ；,有效功率 ：,轴功率 ：,（4）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。对于可压缩性流体，当 时，仍可

13、用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。,4柏努利方程的应用,管内流体的流量；输送设备的功率；管路中流体的压力；容器间的相对位置等。,利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：,（1）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围 ；,（2）位能基准面的选取必须与地面平行；宜于选取两截面中位置较低的截面；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。,（4）各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。,（3）截面的选取与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应是定态连续流动；截面宜选在已知量多、计算

14、方便处。,例1-4 如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液,管为452.5mm的钢管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为1.2m（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？,例1-5 在453mm的管路上装一文丘里管，文丘里管的上游接一压力表，其读数为5kPa，压力表轴心与管中心的垂直距离为0.3m，管内水的流速为1.5m/s，文丘里管的喉径为10mm。文丘里喉部接一内径为15mm的玻璃管，玻璃管的下端插入水池中，池内水面到管中心的垂直距离为3m。若将水视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管中。若能吸入，再求每小时

15、吸入的水量为多少m3/h。,例1-6 某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密度为1100kg/m3）输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出，如附图所示。泵的入口管为1084mm的钢管，管中的流速为1.2m/s，出口管为763mm的钢管。贮液池中碱液的深度为1.5m，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距离为20m。碱液流经所有管路的能量损失为30.8J/kg（不包括喷嘴），在喷嘴入口处的压力为29.4kPa（表压）。设泵的效率为60%，试求泵所需的功率。,1.2 流体在管内的流动 5.柏努利方程的应用 确定管道中流体的流量 例1-10 确定设备间的相互位置 例1-11 确定输送设备的功率 例1-12 确定管路中流体的压强 例1-13,第三节 流体流动现象,一、牛顿粘性定律 二、流动类型 三、流体在圆管内的速度分布 四、层流内层,流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性。,流体粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力比水大的缘故。,一、牛顿粘性定律,运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力或粘滞力。流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小。,设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充满着静止的液体，如图所示。,实验证明，两流体层之间单位面积上的内摩擦力（或称为剪应力）与垂直于流动方向的速度梯度成正比。,