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1、第二章 流体的流动与输送,第二章 流体的流动与输送,教学内容：1、基本概念2、流体流动时的恒算3、实际流体的流动、阻力计算4、液体输送机械,第二章 流体的流动与输送,重点： 1、静力学基本方程式及应用2、连续性方程及应用3、伯努力方程及应用4、阻力计算5、流动类型的判断与特点6、离心泵性能指标难点：3、4,2-1 基本概念,气体和液体都具有流动性统称为流体(在剪应力作用下能产生连续变形的物体)。 流体的特征：流动性、无固定形状、在外力作用下其内部发生相对运动。研究流体流动的目的： 1. 流体输送：选择适宜流速、确定管路直径、选用输送设备 2. 压强、流速和流量的测量：便于了解和控制生产 3.
2、为强化设备提供适宜流动条件：如传热、传质设备的强化,1 连续性假设：将流体视为由无数个流体微团（或质点）所组成的连续介质，研究流体流动时以流体质点作为研究对象，考察流体的宏观运动。流体质点的特点：微观上充分大、宏观上充分小的分子团（含有大量分子的微团，其大小与容器或管路相比微不足道，但比分子自由程大得多。 运动的描述方法：欧拉法和拉格朗日法欧拉法：不对流体质点跟踪观察，而是在固定空间位置上观察流体质点的运动情况(如速度、压强、密度等)。(属于宏观方法，反映空间各点的状态及其与时间的关系。)拉格朗日法：选定一流体质点，对其跟踪观察，描述其运动参数与时间的关系。(属于微观方法，主要描述运动参数与时
3、间的关系，反映同一质点在不同时刻的状态。),流体体积随压力变化而改变的性质称为压缩性。 实际流体都是可压缩的。液体的压缩性：多数情况下可视为不可压缩 气体的压缩性：在压力温度变化小的时候可视为不可压缩。,一、理想流体与实际流体 1、理想流体：指不具有粘度、流动时不产生摩擦阻力的流体。 理想液体：不可压缩、受热不膨胀（实 际液体近似为理想液体 理想气体：流动时没有摩擦阻力，满足：PV=nRTPV/T=P0V0/T0(标况) 2、实际流体：具有一定粘度、流动时产生较大摩擦力的流体。,二、密度、相对密度、比容,1、密度（）：=m/v 单位体积物料所具有的质量 m-3 任何一种流体的密度都是随压力和温
4、度的 变化而变化的。 不可压缩流体： 密度随压力的变化而变化 很少的流体 可压缩流体： 密度随压力的变化而变化的 流体,2、相对密度（d）：d=1/2 给定条件下某物质1与参考物质2的比值，一般以水为参考物质时d为比重。 3、比容（v）：v=V/m=1/ 单位质量的物料所具有的体积 m3-1,例1：试求75%H2和25%N2的混合气在40oC和1.1绝对大气压（111.5kPa）下的密度。,三、压强及测量：,1、压强（P）的表示方法： 绝对压强：以真空为起点的压强 表压=绝对压强大气压强 真空度=大气压强绝对压强,2、测量：, U型管压差计：测量系统内压强差或表压、真空度。, U型管压差计,P
5、：压差计所联两点的压强差（系统内压强差或表压、真空度）R : 压差计读数（m），若压差计的读数为Pa（Kpa、Mpa），则为压差。通常普通U管压差计所用指示液密度大于被测流体的密度。,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？, U型管压差计应用,例：（1）储槽内存放密度为860kgm-3的油品, 槽侧边测压孔
6、的U型管压差计中汞柱的读数为15cm。设汞柱面的高度与油槽测压孔的高度相同，求：该条件下的槽内油品的质量、体积。,微差压强计：,灵敏度高，测比重不同且互不相溶而分层的体系微小压差。i、i分别指轻重不同的两种液体的密度。二者相差越小，灵敏度越高。,四、流量、流速：,1、流量（q）： 单位时间内流经导管任意截面的物料量。 体积流量qv: m3时间-1 质量流量qm:时间-1qm=qv,流量、流速：,2、流速（）： 流体质点在单位时间内在导管中流过的距 离。 工程上流速指平均流速。（管壁处流速为 零，管中央流速最大）=qv/A,五： 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
7、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。,2-2 流体稳态流动时的恒算,一、流体稳态流动时的物料恒算： 1、连续性方程：稳态流动时没有泄漏与汲入，流体流经任一截面时质量相等。（质量守恒）所以：,一、流体稳态流动时物料恒算：,连续性方程：,2、连续性方程的应用：,例1：水泵的汲入管88.54，压出管75.53.75，汲入管1=1.2ms-1。求：压出管2？,例2 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。若水以9103m3/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试
8、求水在各段管内的速度。,二、流体稳态流动时能量恒算：,（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）能量消耗,因实际流体具有粘性，在流动过程中必消耗一定的能量。根据能量守恒原则，能量不可能消失，只能从一种形式转变为另一种形式，这些消耗的机械能转
9、变成热能，此热能不能再转变为用于流体输送的机械能，只能使流体的温度升高。从流体输送角度来看，这些能量是“损失”掉了。将1kg流体损失的能量用Wf表示，其单位为J/kg。,（7）外功(有效功)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。,将上式各项同除重力加速度g,，,上式中各项的单位均为，表示单位重量（1N）流体所具有的能量。虽然各项的单位为m，与长度的单位相同，但在这里应理解为m液柱，其物理意义是指单位重量的流体所具有的机械能。习惯上将z、分别称为位压头、动压头
10、和静压头，三者之和称为总压头，hf称为压头损失，He为单位重量的流体从流体输送机械所获得的能量，称为外加压头或泵压头。,2、能量恒算伯努力方程,理想流体伯努力方程： 理想流体密度不变、不具有粘度，所以过程中没有内能的 变化。,理想流体伯努力方程物理意义：,理想流体稳态流动流经任一截面时总能量或总压头为一常数；能量在不同形式之间转化，当某一形式的压头因条件改变而发生变化时，相应的引起其他压头值的变化。,实际流体伯努力方程：,实际流体具有粘度，流动时产生阻力，引起能 量损失。He: 外界（泵）输入给每牛顿流体的能量Hf：每牛顿流体因阻力而消耗的能量,有效功率 ：轴功率 ：,管内流体的流量；输送设备
11、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：,3、伯努力方程应用：,（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、计算方便处。,例3：,用泵将碱液槽中的碱液抽往吸收塔顶做吸收剂。（如图）碱液池中碱
12、液深 1.5m,池底至塔顶喷头口垂直距离16m。泵的压出管内径53，碱液在喷头口的压强3000kPa（表压），=1100kgm-3，损失压头3m，送液量25th-1。若泵的效率55%，求：泵的功率？,三、流体流量的测定：,1、孔板流量计：,1、孔板流量计：,设流体密度不变，流体流经小孔时：水平管路中H=H0则：其中：又有 上式变为：,1、孔板流量计,实际测压孔不在孔板处，同时实际流体因为阻力会引起压头损失，板孔处有收缩造成的干扰等，将这些影响都考虑进去引进一个校正系数C0，得：又因为：则：其中：C0：孔流系数，一般为0.610.62R：压差计读数（m）,2、孔板流量计应用：,测系统的质量流量或
13、体积流量。 例3：在603.5的钢管中装上孔板以测量20oC苯的流量。苯的最大流量10m3h-1,相应的孔板前后液注压强计的最大允许读数200Hg，求：孔板的最小直径？并求：流量为6 m3 h-1的压强计的读数及导管中的流速。(co=0.62 苯=860m-3),3、转子流量计：,原理：当流体通过外管与转子间的环隙时，由于通道截面积减小，流速增大，流体的静压强减小（2位置），使转子上下产生压差P，升力（向上的静压力和浮力之和）大于重力，转子上升；当作用于转子的升力等于重力时，转子处于平衡，停止上升。PAR=VRRgVRg静压力 重力 浮力,2-3 实际流体的流动,一、粘度： 1、牛顿粘性定律：
14、 相邻两层流体之间，接触面积A，层间距d，为使层间产生相对运动d时必须加上相应的剪切力F。 实验证明：剪切力与接触面积A和相对速度d成正比，与层间距d成反比。牛顿粘性定律。,2、粘度（）：,物理意义：使相距1m、接触面积为1的流体产生相对运动为1ms-1所需的力。主要由实验测定。粘度是流体内部摩擦力的表现，粘度越大，流体的流动性越小。 单位：Pas； 1泊=0.1 Pas,粘度（）：,影响因素： 液体： 受压力影响很小，温度影响较大，温度升高，粘度减小。 半经验公式：=AeB/RT；A、B为系数，与液体种类有关。 气体：随压强增高而增大；随温度升高而增大；随温度变化的半经验公式：=0(273+
15、C)/(T+C)(T/273)3/2C为系数，与气体性质有关；0为273K时的粘度。,气体混合物粘度计算：3、非牛顿型流体：不遵循牛顿粘性定律的流体（非线性粘性流体）。剪切力的表述形式不同。,二、流体流动的形态：,1、两种流动形态滞流、湍流,2、流动类型判断雷诺准数,雷诺实验：,雷诺准数Re,实验证明：Re是一个无因次数群，不仅与上述物理量有关，还与管壁的粗糙度有关。Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。 根据Re的数值可以判断流体的流动类型。Re4000 湍流Re2000 滞流2000Re4000 过渡流注：当管路为非规则圆管时，d取当量直径：de=4流体流过的截面/流体湿润的边长,雷诺准数Re：,应用： 例：若将20oC H2SO4用483.5的冷拨无缝管输送，求达到湍流时的、qv，并与H2O作比较(=25.410-3PaS;=1840m-3)。,3、边界层：,流体流速低于未受壁面影响的流速的99%的区域称为边界层。在边界层以外d/d=0，为流体的主流区；边界层内存在明显的d/d，阻力主要在这里引起、存在，传质、传热都在这里受到影响。Re越小，边界层越厚，传递过程的阻力越大。 边界层范围：滞流：整个滞流层湍流：靠近壁面的一薄层滞流层,2-4 流体在圆管内流动时的阻力计算,1、滞流时的摩擦阻力： 推力： 阻力： 匀速运动：定积分：,
