流体的流动过程及流体输送设备

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1、第 3章 流体的流动过程及流体输送设备3.1 基本的基本性质1教学目的和要求：掌握流体的基本性质；推导牛顿粘性定律。2本知识点的重点：流体的基本性质3本知识点的难点：粘度及牛顿粘性定律4.教学时数：2 学时研究流体的流动和输送主要解决以下问题: 确定输送流体所需管径。管径由生产任务及被输送流体在流动过程的物料和能量衡算 决定； 确定输送流体所需能量和设备。根据流体的性质、输送的距离和管路阻力等，计算所 需的能量，选择合适的输送设备； 流体性能参数的测量和控制。监控生产过程,准确而及时地测量流体流动时的各参数, 选用可靠而准确的测量和控制仪表； 研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供依据。观察

2、流动形态，选用合适设备; 了解输送设备的工作原理和性能，正确使用输送设备。1密度单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，表达式为：pm/V流体的密度随温度和压力的变化而变化。压力对液体的密度影响很小，故常将液体称为 不可压缩流体。气体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力和温度有较大的变化。在温度不太低和压 力不太高时，气体密度近似用理想气体状态方程计算，即：P =pM/RT在生产中遇到的流体，往往是混合物。对液体混合物，各组分的浓度用质量分数表示。 设各组分在混合前后其体积不变，则混合物的体积应等于各组分单独存在时的体积之和，即1/ P =W / P+Wc / P c +w / Pm 1 1

3、2 2 n n2.压力流体垂直作用于单位面积上的力称为压力，又称为流体的压力或压强，表达式为：P =F/ A压力的单位Pa（Pascal，帕），即Nm-2, kgm-iS-2。单位换算：1 atm=760mmHg=1.01325xl05Pa=10.33mH2O = 1.033kgf cm-2 压力有两种不同的表达方式。一是绝对压力：以绝对零压为起点而计量的压力； 另一是表压或真空度：以大气压力为基准而计量的压力。当被测容器的压力高于大气压时，所测压力称为表压，当测容器的压力低于大气压时(工 程上称为负压)，所测压力称为真空度。压力的换算关系：表压=绝对压力-大气压力真空度=大气压力-绝对压力3

4、流量和流速 流量：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。若流体量用体积来计 量，称为体积流量，以符号q表示，单位为m3s-i；丄V若流体量用质量来计量，则称为质量流量，以符号qm表示，其单位为kgsi。若流体量用物质的量表示，称为摩尔流量，以符号q表示，其单位为molsi。n 体积流量和质量流量的关系为：qm= P qV质量流量与摩尔流量的关系为：q =Mqmn流速：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， 单位为ms-1。流速是指流道整个截面上的平均流速，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值表 示：u=qVS 流速的分布：由于流体本身的

5、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。管道中心流速最大，离管中心越远，流速越小，在紧 靠管壁处，流速为零。工业上流速范围大致为：液体1.53.0ms-i,高粘度液体0.51.0 msi；气体1020 ms-1,高压气体1525 ms-1；饱和水蒸气2040 ms-1,过热水蒸气30一50 ms-1。4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。实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层间的速度差Au呈正比，与两层间 的接触面积A呈正比，而与两层间的垂直距离Ay呈反比，

6、即：F OC ( Au/ Ay)A引入比例系数卩，贝y： F=卩(Au/Ay)A内摩擦力F的方向与作用面平行。单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以T表示，则有：T =F / A=卩(Au/Ay)当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系，则有：T =卩(du/dy)du/dy与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率 卩比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。上式称为牛顿粘性定律。凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，所有气体和大多 数液体都属于牛顿型流体。反之，为非牛顿型流体，如某些高分子溶液、胶体溶液及泥浆等。液体的粘度随着温度的升高而减小，气体的粘度随着温度的

7、升高而增加。压力变化时 液体的粘度基本上不变，气体的粘度随压力的增加而增加得很少。粘度的单位为：卩=T /(du/dy)=(Nm-2)/(ms-im-i)=Nsm-2=Pas1 P=100cP(厘泊)=10-iPas。流体的粘度还用粘度卩与密度P的比值来表示，称为运动粘度，以v表示之，即：V =卩 / P运动粘度的单位为m2s-1。1 st=100 cst(厘沲) = 10-4m2s-1工业上各种混合物粘度用实验的方法测定，缺乏数值时，可参考有关资料以选用适当的 经验公式进行估算。对气体混合物的粘度，可采用下式进行计算：卩=(工 y.卩.M.1/2/工 yi Mi 5mi i i对分子不发生缔

8、合的液体混合物的粘度，可采用下式进行计算：lg卩m=工3.2 流体流动的基本规律1教学目的和要求：掌握流体流动的基本规律；掌握流体流动过程中的物料衡算和能量衡算2本知识点的重点 ：流体流动过程中的物料衡算和能量衡算3本知识点的难点：流体流动过程中的物料衡算和能量衡算4.教学时数：2 学时1定态流动和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；只要有一项随时 间而变化，则称为非定态流动。如图。2流体定态流动过程的物料衡算连续性方程当流体作定态流动时，根据质量作用定律，在没有物料累积和泄漏情况下，单位时间内

9、通过流动系统任一截面的流体的质量应相等。如图所示,对截面11和22之间作衡算，单位时间流入截面11的流体质量应等于 流出截面 22的流体的质量，即：qm,1=qm,2推广到任何一个截面，则：q = P US = P 2U2S2 =. = P u S =常数m 1 1 1 2 2 2 n n n对于不可压缩流体，即上式 P =常数，则：qV=uQ产u2s2=.=u s =常数V 1 12 2不可压缩流体不仅流经各截面的质量流量相等，它们的体积流量也相等。它反映在定态流动体系中，流量一定时，管路各截面上流体流速的变化规律。3流体定态流动过程的能量衡算柏努利方程 流动体系的能量形式主要有：流体的动能

10、、位能、静压能以及流体本身的内能。前三种 又称为流体的机械能。(1) 理想流体流动过程的能量衡算 所谓理想流体是指在流动时内部没有内摩擦力存在的流体，即粘度为零。 若过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则理想流体流动时的能量恒算可以只考虑 机械能之间的相互转换。2P2UP(1) 理想流体流动过程的能量衡算 所谓理想流体是指在流动时内部没有内摩擦力存在的流体，即粘度为零。 若过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则理想流体流动时的能量恒算可以只考虑 机械能之间的相互转换。如图，根 据能量守恒定 律，没有外界 能量输入，在 截面 11”和截面 22”之间应符合：工E =工E入出=mgZ2

11、+m u22/2+p2m/ P即mgZ+m ul2/2+plm/ P单位质量流体，则：gZ1+ u12/2+p1/ P =gZ2+u22/2+p2/P对于单位重力(重力单位为牛顿)流体，则有：Z1+ u12/(2 g)+p1/( P g) =Z2+u22/(2g)+p2/(P g)上式称为：理想流体在定态流动时的能量衡算方程式，又称为柏努利方程 (Bernoulli equation)。工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位为JN-i,即m,称为“压头”，则Z、U/(2g)和p/( 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。理想流体在管道各截面上的每种

12、能量并不一定相等，在流动时可相互转化，但其在管道 任一截面上各项能量之和相等，即总能量(或总压头)是常数。(2) 实际流体流动过程的能量衡算 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。单位重力的流体在定态流动 时因摩擦阻力而损失的能量(压头)记为工h” ；单位J.N-i或m。为克服流动阻力使流体流动，往往需要安装流体输送机械。设单位重力的流体从流体输送机 械所获得的外加压头为He，单位J.N-i域m。则实际流体在流动时的柏努利方程为：Z+ u/(2 g)+p/( P g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/( P g)+ 工 h f(322)以上得到的各种形式柏努利方程仅适用

13、于不可压缩的液体。对静止状态的流体，u=0,没有外加能量，He =0,而且也没有因摩擦而造成的阻力损失 工h f= 0,则柏努利方程简化为：Z1+ p1/(Pg) =Z2+p2/(Pg) 或p1- p2=P g(Z1 -Z2)4流体流动规律的应用举例 连续性方程和柏努利方程可用来计算化工生产中流体的流速或流量、流体输送所需的压 头和功率等流体流动方面的实际问题。在应用柏努利方程时，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。 截面的选取： 确定出上下游截面以明确对流动系统的衡算范围。 基准水平面的选取： 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

14、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。 单位统一 ：方程式两侧的各个物理量单位必须一致，最好均采用国际单位制。 (1)管道流速的确定例31今有一离心水泵，其吸入管规格为88.5 mm x 4 mm， 压出管为75.5 mm x 3.75 mm,吸入管中水的流速为1.4 ms-i,试求压出管中水的流速为多少？解：吸入管内径q=88.52 x 4=80.5 mm 压出管内径 d2=75.52 x 3.75=68 mm 根据不可压缩流体的连续性方程u1S1= u2S2 圆管的截面积S=兀d2/4,于是上式写成： u2u1=(d1d2)2 故压出管中水的流速

15、为：u2=(d / d2)2 U=(80.5 / 68)2 x 1.4ms-1 = 1.96 ms-1 当流量一定时，圆管中流体的流速与管径的平方呈反比。(2) 容器相对位置的确定例 32 采用虹吸管从高位槽向反应釜中加料。高位槽和反应釜均与大气相通。要求物料在 管内以1.05 ms1的速度流动。若料液在管内流动时的能量损失为2.25 JN】(不包括出口的能量损失)，试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少米才能满足加料要求？取高位槽的液面为截面11，虹吸管的出口内侧为截面22，并取截面 22为基解：作示意图，准水平面。 在两截面间列出柏努利方程式：Z+ U2/(2 g)+P/( P g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/( P g)+ 工 h f式中 Z=h, u =0 p1=0(表压)，He =0；Z2=0, u2=1.05 ms-i, p2=0(表压)，工 h f=2.25 JNi代