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第一章流体流动与输送 第一章流体流动与输送 流体输送是研究单元操作的基础什么是流体 具有流动性 气体液体统称流体研究的内容1 流体静力学2 动力学3 流体输送机械 第一章流体流动与输送 主要解决的问题1 流体输送 速度 管径 外加能量 2 压强 流量的测量 3 设备的强化 传热 传质的好坏与流体的流动状态密切相关 1 1流体流动基本概念 连续介质假定 流体由无数质点组成 质点的大小比分子间距离大得多 比设备尺寸小得多 系统与控制体系统 包含众多质点的集合 控制体 考察问题的对象 定态流动 连续稳定过程 与非定态流动 流量与流速 流量 体积流量Vs m3 s质量流量ws kg s摩尔流量 kmol s流速u m s u VS A质量流速G kg m2sG ws A VS A 1 2流体的性质 一 流体的密度一般地 纯物质的密度可查相关资料混合物的密度需计算 牛顿黏性定律 黏性的物理本质 分子间引力和分子热运动 碰撞 牛顿黏性定律表明 流体受剪切力必运动 牛顿型流体与非牛顿型流体的区别 流体的黏度 黏度 物理意义 促使流体产生单位速度梯度的剪应力大小 f P T 气体 温度升高 黏度增大 分子运动碰撞起决定作用 液体 温度升高黏度减小 分子间力决定作用 流体的黏度 黏性与黏度 定性与定量的关系理想流体 0静止流体 0 均无粘性实际流体 0黏度的单位SI制 PaS物理制P 泊 习惯用厘泊 cP 百分之一泊表示1PaS 1000cP1P 100cP黏度的测量方法 旋转式黏度计 毛细管黏度计 落球式黏度计 1 3非牛顿型流体 分类 假塑性流体 无屈服应力 与时间无关 涨塑性流体 有屈服应力宾汉塑性流体 黏性流体 触变性流体 与时间有关 非牛顿性流体 流凝性 负触变性 流体 黏弹性流体非牛顿流体的性质 视频 1 4流体静力学 流体静力学研究什么内容 研究流体在外力的作用下处于平衡时规律及应用 采用什么研究方法 得出什么结论 如何应用结论解决实际问题 静力学应用 一 压强 压差的测量 U型压差计 测压差时 两端分别与测压点相连 测压强时 一端接测压点 一端通大气 应用举例1 U型压差计2 微差压差计 流体静力学应用 二 液位测量液位测量举例远距离液位测量 流体静力学应用 三 液封 用液体密封气体的装置 设备中压力要保持 液体要排出 须用液封 流体静力学应用 三 如何取出负压下物料 工程大气腿 如何计算液封高度 1 5流体动力学 流量 体积流量Vs m3 s质量流量ws kg s摩尔流量 kmol s流速u m s u VS A质量流速G kg m2s G ws A VS A管内适宜流速范围 液体0 5 3m s气体10 30m s 1 5流体动力学 稳态流动与非稳态流动连续性方程柏努力 Bernoulli 方程柏努力方程的应用 稳态流动与非稳态流动 稳态流动 流动系统中 描述过程的各物理量只随位置变化 不随时间变化 非稳态流动 各物理量不仅随位置变化也随时间变化 连续性方程 在稳态流动中 若流体流过一均匀管 流速因摩擦降低吗 流体由粗管流入细管 流速如何变化 变化多少 连续性方程 流体在流动过程中 1 流体不会因摩擦的崔在而降速2 不可压缩流体 流速与流通截面积成反比 与管径的平方成反比 柏努力 Bernoulli 方程 能量守恒 柏式方程应用条件 稳态流动 不可压缩流体可压缩流体 压力变化不大于20 以平均密度代入非稳态流动的某一瞬间B eq 仍然成立 B eq 讨论 1 we 0 理想流体机械能守恒 u2 2 gz p const2 若u1 u2 0 则gz p const 流体静力学方程 3 u2 2 gz p 为各截面上的物理量 而we hf为过程物理量 4 衡算基准不同 方程形式不同 1kg流体 u2 2 gz p we hf1N流体 u2 2g z p g He Hf1m3流体 u2 2 gz p HT hf 1 6流体流动现象 流动类型与雷诺实验1 雷诺 Reynolds 实验与雷诺准数 Re 实验现象2 Re的物理意义 反映惯性力与黏滞力的比值 Re ud 3 Re 2000层流 Laminarflow Re 4000湍流 Turbluentflow 层流与湍流的区别 层流与湍流的根本区别 湍流产生速度脉动 velocityfluctuation 无因次数群 凡是几个有内在联系的物理量按无量纲条件组成的数群 称为准数或无因次数群 不论采用何单位制 其数值相等 层流与湍流的区别 流体在管内的流动阻力 流体有黏性 流动是产生内摩擦 是流动阻力产生的根本原因 流动阻力包括直管阻力和局部阻力 采用不同的计算方法 流动阻力也称为总阻力损失1kg流体 hf J kg1N流体 hf Hfm1m3流体 hf Pf Pa称为压降 流体在直管中的流动阻力 1直管阻力计算通式管壁粗糙度对摩擦系数的影响 摩擦系数与雷诺数 粗糙度 1层流区 Re 2000 摩擦系数与粗糙度无关 与Re呈直线关系2过渡区 Re 2000 4000 一般以湍流去延伸求得3湍流区 Re 4000 相对粗糙度一定 摩擦系数随Re增大而减小 但Re增至一定程度后 摩擦系数下降缓慢4完全湍流区 摩擦系数与Re呈直线关系 称为阻力平方区 查Re 3 105 d 0 0005时的 0 018 查Re 104 d 0 0001时的 0 03 管路上的局部阻力计算法 阻力系数法当量长度法 局部阻力损失 管件阀件处流道变化大 多发生边界层脱体 产生大量旋涡 消耗了机械能 查截止阀全开 接管内径d 100mm时的当量长度le 1 7简单管路计算 简单管路的数学方程 柏努力方程 连续性方程 能量损失计算式 分别为 复杂管路的特点 并联管路1 总流量等于分流量之和2 单位质量流体流过各支路的阻力损失相等分支管路的特点1 总流量等于分流量之和2 在流动终了时 单位质量流体的总机械能与阻力损失之和相等 流量测量 皮托管孔板流量计文丘里流量计转子流量计 流量计原理 流速与流量的测量Measurementofvelocityandflowrate 流速是流体运动最为基本的参数 精确测量各种流场中的流速分布是现代测试技术的重点研究与发展方向之一 采用激光多普勒测速 热丝测速 高速摄影等技术配以计算机自动采样和图像分析可以提供流场内部非常详尽的流速分布信息 本节重点介绍工业上常见的以流体运动的守恒原理为基础的流速 流量测量装置及其测量原理 测速管 Pitottube 原理 由流体冲压能 动压能与静压能之和 与静压能之差检测流速 结构 为一同心套管 内管前端开口 外管前端封闭 距端头一定距离在外管壁上沿周向开有几个小孔 测速管 Pitottube 由于内管前端开口A正对来流方向 来流必在A点 驻点 处停滞 来流的动能在驻点处将全部转化为势能 由柏努利方程 忽略测速管本身对流速的干扰以及A B两点间流体的阻力损失 则在来流与B点之间的柏努利方程为 对指示液密度为 0的U型管差压计 由于A B相距很近 其垂直位差可忽略不计 孔板流量计 测速管 Pitottube 为了尽可能满足测速管的测量原理 应注意 1 保证内管开口截面严格垂直于来流方向 2 测点应位于均匀流速段 通常上 下游应有50倍管径的直管长度 大管径的倍数可适当减少 3 尽量减少测速管对流动的干扰 一般选取测速管直径应小于管径的1 50 优点 结构简单 对被测流体的阻力小 尤其适用于低压 大管道气体流速的测量 缺点 输出的压差信号较小 一般需要放大后才能较为精确地显示其读数 测速管测得的是点速度 若以流量为测量目的 还必须在同一截面上进行多点测量积分求算或求其平均流速进而求得流量 在已知流速分布规律的情况下 例如圆管内层流或湍流 就可以通过一个点或若干点的测量值进行推算 孔板流量计 OrificeMeter 原理 通过改变流体在管道中的流通截面积而引起动能与静压能改变来检测流量 结构 其主要元件是在管道中插入的一块中心开圆孔的板 用U型管测量孔板前后的压力变化 流体流经孔板时因流道缩小 动能增加 且由于惯性作用从孔口流出后继续收缩形成一最小截面 缩脉 2 2 该截面处流速最大因而静压相应最低 在孔板前上游截面1 1与2 2截面之间列柏努利方程 孔板流量计 OrificeMeter 由于缩脉截面的准确位置及截面积难于确定 无法确定u2 p2的对应关系 加上未计实际流体通过孔板的阻力损失等因素 一般工程上采用规定孔板两侧测压口位置 用孔口流速u0代替u2并相应乘上一个校正系数C的办法进行修正 即 根据连续性方程 对不可压缩流体 孔板流量计 OrificeMeter 若U形管指示液密度为 0 则 C0 孔板流量系数 孔流系数 与管内的Re和孔板开孔直径比d0 d1以及取压方式 孔板加工与安装情况等多方面因素有关 一般由实验测定 按照规定方式加工 安装的标准孔板流量计 孔流系数C0可以表示为 孔板流量计 OrificeMeter 实验测得一系列条件下的C0值 发现当Red增加到某个值以后 C0值即不再随其改变而仅由孔板加工参数d0 d1决定 因此设计或选用孔板流量计应尽量使其工作在该范围内 C0值为常数 一般在0 6 0 7之间 优点 是构造简单 制作 安装都方便因而应用十分广泛 缺点 被测介质阻力损失大 原因在于孔板的锐孔结构使流体流过时产生突然缩小和突然扩大的局部阻力损失 m d0 d1 2 文丘里流量计 文丘里流量计 VenturiMeter 原理 通过改变流体流通截面积引起动能与静压能改变来进行测量 其原理与孔板流量计相同 结构 采取渐缩后渐扩的流道 避免使流体出现边界层分离而产生旋涡 因此阻力损失较小 文丘里流量计的计算公式仍可采用孔板流量计的形式 所不同的是用文丘里流量系数CV代替其中的孔流系数C0 即 式中CV也随Red和文丘里管的结构而变 由实验标定 在湍流情况下 喉径与管径比在0 25 0 5的范围内 CV的值一般为0 98 0 99 转子流量计 转子流量计 Rotameter 原理 锥形管中流体在可以上下浮动的转子上下截面由于压差 p1 p2 所形成的向上推力与转子的重力相平衡 稳定位置与流体通过环隙的流速u0有关 式中Af与Vf分别为转子截面积 最大部份 和体积 结构 在上大下小的垂直锥形管内放置一个可以上下浮动的转子 转子材料的密度大于被测流体 当向上推力与转子的重力相平衡时 转子流量计 Rotameter 由柏努利方程将 p1 p2 表达为 表明流体在转子上 下两端面处产生压差的是流体在两截面的位能差和动能差 压差作用于转子上的力即称为浮力 由连续性方程 转子上 下两端面处流体的速度应有如下关系 其中A1 A0分别为锥形管面积和转子稳定高度z2处的环隙流通截面积 转子流量计 Rotameter 将其代入并用转子截面积Af通乘各项 得 将转子受力平衡式代入上式 并用转子体积Vf代替式中的 z2 z1 Af 推得转子流量计中流体的流速为 式中CR为转