第一章 流体流动.ppt

环境工程原理 张柏欽 目录 第一章流体流动第二章流体输送机械第三章沉降与过滤第四章吸收第五章吸附第六章液 液萃取第七章膜分离技术第八章其他传质分离方法 第一章流体流动 学习目标了解流体流动在工业生产及环境治理中的应用 牛顿粘性定律 流体阻力及其产生的原因 流体在圆管内流动时的速度分布 流动边界层概念 管路的构成及分类 理解雷诺实验 稳定流动与不稳定流动的基本概念 影响摩擦系数的因素 掌握流体的密度 粘度的定义 影响因素和求取方法 压力的表示方法及单位换算 静力学基本方程 连续性方程 柏努利方程及其应用 流体的流动型态及判定方法 管道内流体的流动阻力及计算 能熟练应用柏努利方程解决工程实际问题 树立工程观念 流体具有流动性 在工业生产和环境治过程中所处理的物料 大多为流体 本章主要讨论流体流动的基本原理及流体在管内的流动规律 并应用这些原理和规律解决流体输送过程中的一些问题 具体有以下几个方面 1 流体的输送 2 压强的测量 3 为强化设备提供适宜的操作条件 第一节流体的基本物理量 一 流体的密度单位体积流体所具有的质量称为流体的密度 单位质量流体所具有的体积 称为流体的比容 某液体的密度 与标准大气压下4 277K 时纯水密度 水的比值 称为相对密度 kg m3 m3 kg 对于液体混合物 对于气体 由理想气体状态方程式对于气体混合物 Mm 平均摩尔质量 可得密度计算式为 1 2 i n 混合物中各组分的体积分数 二 流体的压强1 压强的定义在流体内部由于流体本身的重力而产生的垂直作用在单位面积上的力称为流体的静压强 简称压强或压力 流体压力的两个特征 垂直作用于器壁 在同一流体的相同水平面上各方向的压强相同 压力单位之间的换算1atm 1 033kgf cm2 1 013 105N m2 760mmHg 10 33mH2O1at 1kgf cm2 9 807 104N m2 735 6mmHg 10mH2O2 压力的表示方法 绝压 以绝对真空为基准测得的压力 表压 以大气压力为基准测得的压力表压力 绝对压力 大气压力真空度 大气压力 绝对压力绝压 表压 真空度的关系 压力表 真空表 三 流体的流量与流速1 流量 单位时间内流经管道任一截面的流体量 体积流量和质量流量的关系 2 流速 单位时间内流体在流动方向上所流过的距离 A 管道的截面积 m2 对于圆形管路 四 流体的粘度1 牛顿粘性定律粘性 是流体的固有属性 是产生内摩擦力的原因 粘度 衡量流体粘性大小的物理量 牛顿粘性定律 流体层间的剪应力与速度梯度成正比 称为粘度 流体的粘性越大 值越大 2 粘度的单位在SI制中 粘度的单位是Pa s 在工程上或文献中常用泊 P 或厘泊 cP 表示 1Pa s 10P 1000cP运动粘度 在SI制中 运动粘度的单位为m2 s 第二节流体静力学 流体静力学是研究静止流体在重力场中受重力和压力作用下的平衡规律 一 流体静力学基本方程式1 静力学基本方程式的导出在垂直方向上作用于液柱上的力有 作用于上端面的力F1 方向向下 作用于下端面的力F2 方向向上 液柱所受的重力W 方向向下 取向上的作用力为正值 则F1 p1dAF2 p2dAW gdA z1 z2 液柱处于静止状态时 在垂直方向各力的代数和应为零 即p2dA p1dA gdA z1 z2 0整理可得p2 p1 g z1 z2 上式可整理为p p0 gh 2 静力学基本方程式的讨论 在静止的 连通的同一液体内部 处于同一水平面上各点压力都相等 液面上方的压力po变化时 液体内部各点的压力p也发生相应的变化 静力学基本方程式可改写为上式说明压力差的大小可以用一定高度的液体柱来表示 二 流体静力学基本方程式的应用 一 压力的测量运用流体静力学基本原理测定流体的压力差或表压力的仪器统称为液柱压差计 常见的有正U形管压差计 倒U形管压差计 双液柱微差计和斜管压差计等 正U形管压差计 测量表压 测量真空度 1 正U形管压差计因为pa pb所以 2 倒U形管压差计当被测流体为液体时 也可选用比被测液体密度小的流体作指示剂 采用倒U形管压差计进行测量 当p1 p2时当指示剂A选用气体时p1 p2 BgR 倒U形管压差计 3 双液柱微差计及斜管压差计 双液柱微差计 斜管压差计 二 液位的测量以流体静力学基本方程式为依据进行液位的计算 以了解各种贮槽或计量槽等容器内的物料贮存量 控制设备内的液位 液位的测量 远距离测量液位 远距离测量液位pa pb gh BgR 三 液封高度的计算 安全水封 切断水封 溢流水封 第三节稳定流动系统的能量衡算 一 稳定流动与不稳定流动稳定流动 流动参数只与空间位置有关而与时间无关的流动 不稳定流动 流动参数既与空间位置有关又与时间有关的流动 稳定流动与不稳定流动 二 稳定流动系统的物料衡算 连续性方程 对于稳态流动系统 在管路中流体没有增加和漏失的情况下 推广至任意截面 连续性方程式 三 流动系统的能量在任一流动系统中 总能量包括 流体本身所具有的能量及系统与外部交换的能量 一 流体本身所具有的能量 单位质量 1 内能 用U表示J kg2 位能 位能 gzJ kg3 动能 J kg4 静压能 静压能 J kg 动能 流体的管路输送系统 二 系统与外界交换的能量1 功 流体输送设备对系统作功 即将外部的能量转化为流体的机械能用We表示J kg2 热 流体通过换热器将要吸收或放出热量J kg3 损失能量 流体在流动过程中克服各种阻力 使部分能量转化为热能而无法继续利用 用 hf表示 J kg由于在流体流动过程中 内能和热能从工程上讲是可以忽略的 因此只讨论机械能的守恒及其转换 四 稳定系统的能量衡算式 柏努利方程 一 柏努利方程的导出根据能量守恒定律输入系统的能量 输出系统的能量 系统内的能量积累对于稳定流动系统 系统内的能量积累为零可得Pe为有效功率 单位为W或J s 即Pe Weqm 二 柏努利方程的讨论1 理想流体的柏努利方程理想流体的特征 流体的能量损失 hf 0无外功加入时 即We 0 则 理想流体的柏努利方程上式说明 理想流体的机械能守恒 各种形式的机械能可以相互转换 2 静止流体的柏努利方程流体静止时 则u1 u2 0 hf 0 若We 0则整理可得上式即为流体静力学方程式 由此可见 柏努利方程式除了表示流体的流动规律外 还表示了流体静止状态的规律 而静止流体是流体流动的一种特殊形式 3 可压缩流体的柏努利方程若流动系统两截面间的绝对压力变化较小时 常规定为 仍可用柏努利方程式进行计算 但流体密度 应以两截面间流体的平均密度 m来代替 4 以单位重量 1N 流体为计算基准的柏努利方程令则 五 柏努利方程的应用 一 解题要点1 作图与确定衡算范围2 截面的选取3 基准水平面的选取4 单位必须统一 二 应用1 确定管道中流体的流量2 确定设备的相对位置3 确定输送设备的有效功率4 确定管路中流体的压力 第四节流体在管内流动时的摩擦阻力 一 流动阻力产生的原因 内摩擦内摩擦力是由于流体的粘性而产生的 这种内摩擦力总是起着阻止流体层间发生相对运动的作用 粘性是流体流动时阻力产生的根本原因 粘度作为表征粘性大小的物理量 其值越大 说明在同样流动条件下 流体阻力就会越大 决定流动阻力大小的因素除了粘性和流动的边界条件外 还取决于流体的流动状况 即流体的流动型态 二 流体的流动类型 一 流动类型的划分1 雷诺实验 2 两种流动类型 1 层流 又称滞流 流体质点沿管子的轴线方向作直线运动 不具有径向速度 即与周围的流体间无宏观的碰撞和混合 2 湍流 又称紊流 在这类流动状态下 流体不再是分层流动的 流体内部充满了大小不一的 在不断运动变化着的旋涡 流体质点除沿轴线方向作主体流动外 还在各个方向有剧烈的碰撞 即存在径向的运动 二 流体流动型态的判定1 雷诺准数Re流体的流动型态主要与流体的密度 粘度 流速u和管内径d等四个因素有关 并可以用这四个物理量组成一个数群 称为雷诺准数 用来判定流动型态 雷诺准数无量纲 称为特征数 2 流动型态的判断Re4000时 流动为稳定的湍流 Re 2000 4000时 为过渡状态 在一般工程计算中 Re 2000可作湍流处理 另外 就湍流而言 Re越大 流体湍动程度越剧烈 流体中的旋涡和流体质点的随机运动就越剧烈 三 圆管中的速度分布与流动边界层概念 一 圆管中的速度分布1 流体在圆管中作层流时的速度分布 流体在圆管中作湍流时的速度分布 层流时圆管内的速度分布 平均流速um的表达式为 湍流时圆管内的速度分布 湍流时管内流体的平均速度为 um 0 82umax 二 流动边界层的概念 板面附近流速变化较大的区域 称为流动边界层 流体阻力集中在此区域内 边界层以外流体流速基本不变的区域称为主流区 此区内的速度梯度为零 平板上边界层的形成 第五节管路 管路是化工 石油 环保等许多行业生产中所涉及的各种管路形式的总称 一 管路的分类简单管路 无分支的管路复杂管路 有分支的管路二 管路的基本构成1 管子管子是管路的主体 通常按制造管子所使用的材料来进行分类 生产上使用的管子按管材不同可分为金属管 非金属管和复合管 其中以金属管占绝大部分 管子的规格通常用 外径 壁厚 来表示 管路 树状网 环状网 金属管 钢管 有缝钢管 铸铁管 有色金属管 无缝钢管 铜管 铅管 铝管 非金属管 陶瓷管 塑料管 水泥管 玻璃管 管子的分类 2 常用管件管件是用来连接管子 改变管路方向或直径 接出支路和封闭管路的管路附件的总称 普通铸铁管件 2020 2 1 43 3 阀门阀门是用来开启 关闭和调节流量及控制安全的机械置 三 管路的布置与安装1 管路的布置原则 管路尽可能短 管件和阀门应尽可能少 管路与墙壁 柱子或其它管路之间应有适当的距离 管路排列时 要考虑冷热 有无腐蚀 输气 输液 是否经常检修 高压 低压 是否保温 金属 非金属等诸多因素 管子 管件与阀门应尽量采用标准件 对于温度变化较大的管路须采取热补偿措施 安排凝液排出装置 设置气体排放装置 管路通过人行道时高度不得低于2m 通过公路时不得小于4 5m 与铁轨的净距离不得小于6m 通过工厂主要交通干线一般为5m 管路一般采用明线安装 但上下水管及废水管采用埋地铺设 埋地安装深度应当在当地冰冻线以下 2 管路的安装原则 管路的连接包括 管子与管子 管子与管件 管子与阀件 管子与设备之间连接的方式主要有四种 即螺纹连接 法兰连接 承插式连接及焊接等 管路的热补偿 包括 弯管的自然补偿 补偿器补偿 管路的保温与涂色 管路的防静电措施 第六节流体在管内流动时的能量损失 总能量损失 总阻力损失 hf项是管路系统的通过直管和各个局部障碍处的阻力损失这两大部分的总和 一 流体在直管中的流动阻力流体在管径不变的管路中流动时造成的能量损失 称为直管阻力 也叫沿程阻力 光滑管 玻璃管 铜管 铅管及塑料管等 粗糙管 钢管 铸铁管等 绝对粗糙度 管道壁面凸出部分的平均高度 相对粗糙度 绝对粗糙度与管内径的比值 2 层流时摩擦系数流速较慢 与管壁无碰撞 阻力与无关 只与Re有关 二 摩擦系数1 管壁粗糙度 3 湍流时摩擦系数湍流时流体质点运动情况比较复杂 通过实验测定 获得经验的计算式 该公式适用于光滑管 适用范围为Re 5 103 1 105 为了计算方便 可以根据莫狄 Moody 图 摩擦系数 值对应Re与 d的关系曲线查得 值 与Re d的关系 4 流体在非圆形直管内的流动阻力流体在非圆形管道内流动时 在计算雷诺准数和直管阻力的公式之中 直径d的确定方法通常采用当量直径de来代替 其计算公式为 三 局部阻力流体在管路的进口 出口 弯头 阀门 突然扩大 突然缩小或流量计等局部流过时 必然发生流体的流速和流动方向的突然变化 流动受到干扰 冲击或引起边界层分离 产生旋涡并加剧湍动 使流动阻力显著增加 这类流动阻力统称为局部阻力 1 阻力系数法称为局部阻力系