流体流动及输送机械课件

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1、食品工程（食品工程（Food Engineering)食品工程原理（食品工程原理（Principles of Food Engineering)化工原理（化工原理（Principles of Chemical Engineering)单元操作（单元操作（Unit Operation）食品单元操作（食品单元操作（Food Operating Unit）第一章第一章 流体流动及输送机械流体流动及输送机械 (1)主讲：曹主讲：曹 淼淼教学基本内容和要求教学基本内容和要求 主要讨论有关流体在主要讨论有关流体在管内流动管内流动的的基本原理基本原理及及流动规律流动规律。 了了解解流流体体平平衡衡（静静止止

2、）和和运运动动的的基基本本规规律律，熟熟练练掌掌握握静静力力学学方方程程式式、连连续续性性方方程程式式、伯伯努努利利方方程程式式的的内内容容和和应应用用，在在此此基基础础上上解解决决管管路路计计算算、输送设备功率输送设备功率计算等问题。计算等问题。 主要内容见图主要内容见图1-11-1。 图图1-1 1-1 主要内容主要内容管路计算管路计算流速与流量测定流速与流量测定流体动力学流体动力学的基本方程式的基本方程式物料衡算物料衡算 能量衡算能量衡算流体流体流动阻力流动阻力计算计算静力学静力学基本方程式基本方程式应用应用u u0 0目目 录录1.1 流体静力学流体静力学1.2 流体动力学流体动力学1

3、.3 管内流体流动现象管内流体流动现象1.4 流体流动阻力流体流动阻力1.5 管路计算管路计算1. 1. 研究流体流动的意义研究流体流动的意义 流体流体: : 是指在剪应力作用下能产生连续变形的物体是指在剪应力作用下能产生连续变形的物体；主要包括主要包括液体液体和和气体气体两大类；两大类；流体流动是流体流动是最普遍最普遍的食品（化学、生物）工程的食品（化学、生物）工程单元操作单元操作之一；之一；研究流体流动问题也是研究其它食品单元操作的研究流体流动问题也是研究其它食品单元操作的重要基础重要基础。概概 述述2.2.流体的特征流体的特征 具有流动性；具有流动性； 形状随容器形状而变化；形状随容器形

4、状而变化； 受外力作用时内部产生相对运动受外力作用时内部产生相对运动; ; 密度和压力有关。密度和压力有关。不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；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。可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。3. 3. 流体的性质流体的性质（假设）（假设）连连 续续 性性：流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙：流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙 的流体质点所组成的连续介质；的流体质点所组成的连续介质；均均 匀匀 性性：流体内部任意位置的流体其性能相同；：流体内部任意位置的流体其性能相同

5、；各向同性各向同性：在流体内部任意位置沿各个方向的性能相同。：在流体内部任意位置沿各个方向的性能相同。1.1 1.1 流体静力学流体静力学 流流体体静静力力学学是是研研究究流流体体在在重重力力场场中中处处于于特特殊殊的的运运动动状状态态（静静止）的时候所受的外力满足的关系止）的时候所受的外力满足的关系平衡条件。平衡条件。1.1.1 1.1.1 密度密度一、定义一、定义 单位体积流体的质量，称为流体的密度。单位体积流体的质量，称为流体的密度。kg/mkg/m3 3 二、单组分密度二、单组分密度 液液体体密密度度仅仅随随温温度度变变化化（极极高高压压力力除除外外），其其变变化化关关系系可可从从手册

6、中查得手册中查得。p p、T T状态参数状态参数 气气体体 当当压压力力不不太太高高、温温度度不不太太低低时时，可可按按理理想想气气体体状状态方程计算：态方程计算： 注意注意：手册中查得的气体密度都是在一定：手册中查得的气体密度都是在一定压力压力与与温度温度 下的数值，若条件不同，则密度需进行换算。下的数值，若条件不同，则密度需进行换算。式中：式中： 标准状态下气体的密度标准状态下气体的密度 Kg/mKg/m3 3三、混合流体的密度三、混合流体的密度 混合气体混合气体 各组分在混合前后各组分在混合前后质量不变质量不变( (无化学反无化学反应应) )，则有，则有气体混合物中各组分的气体混合物中各

7、组分的体积分率体积分率。 1m1m3 3混混合合气气体体为为基基准准，混混合合前前后后质质量量不不变变; ;即即：1m1m3 3混混合合物物的质量等于各组分单独存在时的质量之和。的质量等于各组分单独存在时的质量之和。 混混合合液液体体 假假设设各各组组分分在在混混合合前前后后体体积积不不变变，则有则有 液体混合物中各组分的液体混合物中各组分的质量分率质量分率。 1kg1kg混混合合液液体体为为基基准准，混混合合前前后后体体积积不不变变; ;即即：1kg1kg混混合合物物的的体体积积等等于于各各组组分分单单独独存存在在时时的的体体积积之和。之和。 1.1.21.1.2、比体积（质量体积）、比体积

8、（质量体积）单位质量流体具有的体积，是单位质量流体具有的体积，是密度的倒数密度的倒数。m m3 3/kg /kg 1.1.31.1.3、相对密度、相对密度 某物质的密度和某物质的密度和44纯水纯水的密度之比，纯数，没有单位。的密度之比，纯数，没有单位。1.1.41.1.4、理想气态方程、理想气态方程P-P-压强，压强，PaPa；V-V-气体的体积，气体的体积，m m3 3；n-n-物质的量，物质的量，molmol；R-R-理想气体常数，理想气体常数，8.314J/(molK)8.314J/(molK)；T-T-开尔文温度，单位开尔文温度，单位K K。M-M-摩尔分子质量，摩尔分子质量，kg/m

9、olkg/mol。-密度，单位密度，单位kg/mkg/m3 3。 1.1.5 1.1.5 压强压强 流流体体垂垂直直作作用用于于单单位位面面积积上上的的力力，称称为为流流体体的的压压强强，用用符符号号P P表示，单位表示，单位PaPa。 流流体体压压强强与与作作用用面面垂垂直直，并并指指向向该该作作用用面面，亦亦即即沿沿作作用用面面的的内法线方向；内法线方向；任意界面两侧所受压强，大小相等、方向相反；任意界面两侧所受压强，大小相等、方向相反； 作用于流体内部某点不同方向上的压强在数值上均相同。作用于流体内部某点不同方向上的压强在数值上均相同。一、压强的特性一、压强的特性实践中以实践中以流体柱高

10、度流体柱高度表示：表示：注注意意：用用液液柱柱高高度度表表示示压压强强时时，必必须须指指明明流流体体的的种种类类，如如600mmHg600mmHg，10mH10mH2 2O O等，此时的压强为等，此时的压强为 。标准大气压标准大气压的换算关系：的换算关系：二、压强的单位二、压强的单位 SISI制：制：PaPa或或N/mN/m2 2；1bar=105Pa=100kPa=0.1MPa1atm=760mmHg=10.33mH2O=1.0133105Pa=101.3kPa=0.1013MPa（物理大气压）（物理大气压）1at=1.033kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.81104P

11、a=98.1kPa（工程大气压）（工程大气压） 三、三、 压力的表示方法压力的表示方法 绝对压强绝对压强 单位面积上所受垂直压力的绝对数值，单位面积上所受垂直压力的绝对数值，PabPab。 相对压力（以大气压度量）相对压力（以大气压度量） 表表压压Pg Pg 用用于于被被测测流流体体的的绝绝对对压压强强大大于于外外界界大大气气压压PaPa的的情情况况。压力表上的读数表示被测流体的绝对压强高出大气压的数值。压力表上的读数表示被测流体的绝对压强高出大气压的数值。 Pg= Pg= PabPabPaPa 真真空空度度PvmPvm 用用于于被被测测流流体体的的绝绝对对压压强强小小于于外外界界大大气气压压

12、的的情情况况。此时，真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于大气压的数值。此时，真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于大气压的数值。 PvmPvm=Pa=PaPabPab绝对压力绝对压力 绝对压力绝对压力 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 大气压大气压 Pa Pa例：例：1. 1. 蒸汽加热器的蒸汽压力表上读数为蒸汽加热器的蒸汽压力表上读数为81.91081.9103 3PaPa，当时当地气压计上读数，当时当地气压计上读数为为98.11098.1103 3PaPa。则设备内蒸汽的绝对压力为。则设备内蒸汽的绝对压力为 PaPa。2.2.某设备上真空表的读数为某设备上真空表的读数为13.

13、31013.3103 3PaPa，已知该地区大气压强为已知该地区大气压强为98.71098.7103 3PaPa。则设备内的绝对压力为则设备内的绝对压力为 PaPa。 3.3.比较下列压力大小：比较下列压力大小：P P1 1=0.4atm,P=0.4atm,P2 2=0.4atm(=0.4atm(表压表压),P),P3 3=0.4atm(=0.4atm(真空度真空度) )。 A AP P1 1PP2 2PP3 3 ; B ; BP P2 2PP3 3PP1; 1; C CP P2 2PP1 1PP3 ; 3 ; D DP P1 1=P=P2 2=P=P3 3 1.810585.4103BP2P

14、3P11.1.6 1.1.6 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式（欧拉平衡微分方程）（欧拉平衡微分方程）一、静力学基本方程一、静力学基本方程 （1 1）上端面所受总压力）上端面所受总压力 （2 2）下端面所受总压力）下端面所受总压力 （3 3）液柱的重力）液柱的重力设流体不可压缩（设流体不可压缩（ ），重力场中对液柱进行受力分析：），重力场中对液柱进行受力分析：p pa ap p2 2p p1 1z z1 1z z2 2G G方向向下方向向下方向向上方向向上方向向下方向向下正正向向液柱处于静止时，上述三项力的合力为零液柱处于静止时，上述三项力的合力为零: : 静力学基本方程式静力学基本方

15、程式Pa Pa 压力表达式压力表达式（N/mN/m2 2）/ /（Kg/mKg/m3 3）J/kg J/kg 能量表达式能量表达式（J/KgJ/Kg）/ /（N/KgN/Kg）=J/N=m =J/N=m 压头表达式压头表达式PaPaN/mN/m2 2= =J/mJ/m3 3 压力表达式压力表达式和压强和压强p+讨论：讨论：（1 1）适用于适用于重力场中静止、连续、均匀的同种不可压缩性流体；重力场中静止、连续、均匀的同种不可压缩性流体；（2 2）物理意义：）物理意义：静力学基本方程式的本质：静力学基本方程式的本质：在同一静止连续不可压缩的在同一静止连续不可压缩的静止流体中，流体的静止流体中，流体

16、的压强能和势能压强能和势能之和在不同位置守恒，也之和在不同位置守恒，也就是就是和压强和压强处处相等。处处相等。P P+ + 和压强和压强P P 单位体积的压强能；单位体积的压强能；gzgz 代表单位体积的势能。代表单位体积的势能。（3 3）在在静静止止的的、连连续续、均均匀匀的的同同种种流流体体内内（ ），处处于于同同一一水水平平面面上上各各点点（Z=CZ=C）的的压压力力处处处处相相等等。压压力力相相等等的的面面称称为为等压（势）面等压（势）面。（4 4）压压力力具具有有传传递递性性：液液面面上上方方压压力力变变化化时时，液液体体内内部部各各点点的压力也将发生相应的变化。的压力也将发生相应的变化。 液面上方的大气压液面上方的大气压p pa a也传递到距离液面任意也传递到距离液面任意h h深度深度: :p pp pa aghgh。二、静力学基本方程的应用二、静力学基本方程的应用 1. 1. 压（力）差及压力的测量压（力）差及压力的测量 （1 1）U U形管压差计形管压差计 设指示液设指示液A A（黑色）的密度为，（黑色）的密度为，被测流体被测流体B B（蓝色）的密度为，（蓝色）的密度为