实验室通风系统设计.doc

第三节 流体在管内的流动(Fliud-Flow Phenomena) 对于流动着的流体内部压强的变化规律和液体从低位流到高位或流体自低压流到高压时需要输送设备对流体提供能量等问题都是在流体输送过程中常常遇到的。要解决这些问题，必须找出流体在管内的流动规律。1.3.1流量与流速 1、流量：单位时间内流过管道内任一截面的流体量；体积流量Vs ，m3/s质量流量ws ，/s ws=Vs2、(点)流速u：单位时间内流体在流动方向上流过的距离, m/s；3、平均流速：实验证明流体流经管道任一截面时，流速沿径向方向各不相同；管中心：r=0，ur=umax；管壁处：r=R，ur=0；呈下图所示分布： 在工程计算上为方便起见，流体的流速通常指整个管截面上的平均流速，即：u=Vs/A m/s； A与流动方向相垂直的管道横截面积以后如不特别加以说明，流体的流速指的是平均流速，而不是点流速。4、质量流速G：单位时间内流体流过管道截面积的质量，/SG=Ws/A=Vs/A=u管道为圆管时：A=(d2)/4，d为内径此式关联了Vs，u，d 三者，Vs为生产任务，一般为确定量(定值)。见例3d和u的关系如下：u大，d小，管材耗量少(设备费用小)，但操作费用增大(流动阻力增大)；反之亦成立。故以u的确定对总的费用(操作费+设备费)而言，存在最佳值(或最适宜值)：对于液体：u=0.53 m/s一般 对于气体：u=1030 m/s对于蒸汽：u=3050 m/s1.3.2稳定流动与不稳定流动1.3.3连续性方程式 C.E(the equation of continuity)稳流系统在任意两流道截面间作物料衡算，如图示，则 Ws1=Ws2亦即Vs11=Vs22=constu1A11= u2A22=const=const：Vs1= Vs2=constu1A1= u2A2圆管：u1/u2=(d2/d1)2 见例41.3.4柏努利方程式 1、流动系统的总能量衡算如右图所示的稳流系统中，流体自11截面流入，经粗细不同的管道，从22截面流出，管路中装有对流体做功的机械(泵或风机)和向流体输入或从流体取走能量的换热器。 衡算范围：内壁面、11与22截面间(图示)衡算基准：1流体基准水平面：00平面设：u1，u2 截面11与22处的流速， m/s；p1，p2截面11与22处的压强， pa；Z1，Z2截面11与22处的中心处至基准水平面00的垂直距离，m；A1，A2截面11与22处的的截面积，；v1，v2截面11与22处的比容，m3/；分析1流体进、出系统时输入与输出的能量项： 1)、内能：物质内部能量的总和(分子平动能，转动能，振动能)以U1，U2表示：内能是一个状态函数，取决于流体本身的状态。 U11流体输入系统的能量，J/；U21流体输出系统的能量，J/；2)、位能：流体因受重力作用，在不同的高度处具有不同的位能，相当于质量为m的流体自基准水平面升举到某高度Z所做的功：Ep=mgZ， J 单位质量(1)流体的位能mgZ/m=gZ， J/；则：gZ11流体输入系统的位能；gZ21流体输出系统的位能；3)、动能：流体以一定的速度运动时，便具有一定的动能，质量为m，流速为u的流体具有的动能为：Ek=(1/2)mu2， J (1/2) u121流体输入系统的动能；(1/2) u221流体输入系统的动能；4)、静压强(压强能)：流动着的流体内部任何位置具有一定的静压强，如：对于如上图所示的流动系统，流体通过11截面时，由于截面处流体具有一定的压力，这就需要对流体作相应的功，以克服这个压力，才能把流体推进系统里去。因此通过截面11的流体必定要带有与所需的功相当的能量才能进入系统，流体所具有的这种能量就称为静压能或流动功。设质量为m体积为V1的流体通过截面11，把流体推进到此截面所需的作用力为p1A1，又位移为V1/ A1，则： 流体带入系统的静压能为：p1A1V1/ A1= p1V1，J； 1流体带入系统的静压能为：p1V1/ m= p1v1，J/；同理，1流体带出系统的静压能为：p2V2/ m= p2v2，J/； 流体的总机械能=位能+动能+静压能5)、热：Qe1流体接受或放出的能量，J/ Qe可为正可为负；在此以吸热为例，Qe则为正值。6)、外功(净功)：We1流体通过输送设备(泵或风机)所获得或输出的能量，J/；We可为正可为负；对于稳流系统，则能量衡算式为： Ei=Eo亦即： U1+gZ1+p1v1+(1/2)u12+Qe+We= U2+gZ2+p2v2+(1/2)u22令U= U2 U1，Z=Z2Z1，u2/2=(1/2)u22(1/2)u12， (pv)= p2v2p1v1则U+gZ+(pv)+(1/2)u2=Qe+We（1）上式为稳流系统中流体总能量衡算式。(亦叫流动系热力学第一定律)2、流动系统的机械能衡算式在流体的输送过程中，主要考虑各种形式机械能的转换。由热力学第一定律：（可逆膨胀功） Qe：1流体吸收的热量；：1流体因被加热而引起的体积膨胀功；又Qe= Qe+hfQe1流体从换热器中得到的热量，J/；hf能量损失（阻力损失），即克服流动阻力所消耗的一部分机械能，这部分能量会转变为热量。（2）代入式中得：(3)式中：（视过程而定）3、柏努利(Bernonlli)方程式1）、柏努利方程式对于稳流、不可压缩流体、理想流体(hf=0)和无外功输入(We=0)则(3)式为： (4)（4）式称为柏努利方程式。而对于非理想流体，有外功输入： (5)(5)式往往称为广义的柏努利方程式。2）、柏努利方程的讨论： a)、柏努利方程的适用条件：稳态流动；不可压缩流体；理想流体；无外功输入；物理意义：在任一流动截面上单位质量流体的总机械能守恒；而每一中种形式的机械能不一定相等，可以相互转换。b)、，式中每一能量项的单位为J/。 c)、若式两边同时除以g，则 单位：m（流体柱）习惯上：Z位头；u2/2g动压头(速度头)；p/g静压头；Hf=hf/g压头损失；He=We/g有效压头； 在式两边同时乘以，则 单位：Pad)、若流体为静止不动，则u1=u2=0, (4)式为 上式为静力学基本方程式，它是柏努利方程的特例。 e)、对于可压缩流体，若 则(4),(5)仍成立，只是要以m替代。m平均压强下的密度。 f)、不稳定流动的任一瞬间，柏努利方程仍成立。1.3.5柏努利方程的应用流体流动及输送问题的计算，都是根据流体的柏努利方程来进行。 如：一、确定管道中流体的流量(流速)；二、确定输送设备的有效功率；三、确定容器间的相对位置；四、确定管路中流体的压强。1、 计算示例tair=20，1=300mm，p1=1200Pa(表压)，2=200mm，p2=800Pa(表压)， ，Pa=101.33103Pa，求：V？m3/h解：分析应用Bseg求流量，对于可压缩流体（air），验证 成立否？故Bseg可用 替代取管中心线为00基准水平面，则Z1=Z2=0在截面11与22间列出Bseg方程式中Z1=Z2=02、用柏努利方程解题要点：a)、作出示意图，确定衡算范围(系统)；b)、基准面的选取。可任意选取，选取基准水平面的原则为计算方便。为便于计算，通常选取衡算范围内的两个截面中的任一截面作为基准水平面。若系统为水平管道，则基准水平面通常取管中心线所在水平面，则Z=0c)、截面的选取，两截面均应与流动方向相垂直。所选取的截面上的Z,u,p等有关物理量除需求取的未知量外，都应该是已知的或能通过其他关系计算出来的；d)、单位必须一致；e)、压强p1、p2基准要相同。总压或者说全压，是动压与静压之和。动压，就是指流体经叶片后所获得的动能，是速度能头。在叶轮上说的静压和和平常说的流体由重力产生的静压意义不同。这里的静压是由于叶片对流体产生的叶片后与叶片前的压力差。与叶片的速度有关。还与叶片进出口管道的几何尺寸有关，可以理解为断面的变化而引起的压力能的变化。当然，对于静压与动压的所占全压的比例，还与叶片的型式有关。常说风机的静压按理说应该是指总压。但在实际考虑上，一般都会想到是静压。因为这部分获得的压力差能头是最有利的，而尽量避免由速度能转化为压力能。 请问风机的全压是什么意思？悬赏分：0 - 解决时间：2006-7-11 23:56 提问者： 顾毛庐 - 试用期 一级 最佳答案例如一个100m高的防烟楼梯间要设置正压送风,(比如Rm取4.5Pa/m(砖砌,没有抹灰) 100m x 4.5pa/m = 450pa + 50pa(余压) = 500pa静压、动压、全压 在选择空调或风机时，常常会遇到静压、动压、全压这三个概念。根据流体力学知识，流体作用在单位面积上所垂直力称为压力。当空气沿风管内壁流动时，其压力可分为静压、动压和全压，单位是 mmHg或 kgm2或 Pa，我国的法定单位是 Pa。 a. 静压(Pi) 由于空气分子不规则运动而撞击于管壁上产生的压力称为静压。计算时，以绝对真空为计算零点的静压称为绝对静压。以大气压力为零点的静压称为相对静压。空调中的空气静压均指相对静压。静压高于大气压时为正值，低于大气压时为负值。 b. 动压(Pb) 指空气流动时产生的压力，只要风管内空气流动就具有一定的动压，其值永远是正的。 c. 全压(Pq) 全压是静压和动压的代数和： PqPi十Pb 全压代表 l m3气体所具有的总能量。若以大气压为计算的起点，它可以是正值，亦可以是负值。 /2005/07/051737266629-2.shtml 全压=静压+动压 动压=0.5*空气密度*风速2 余压=全压-系统内各设备的阻力 比如：空调机组共有：回风段、初效段、表冷段、中间段、加热段、送风机段组成，各功能段阻力分别为：20Pa、80Pa、120P