流体流动及输送机械.ppt

1、食品工程（Food Engineering) 食品工程原理（Principles of Food Engineering) 化工原理（Principles of Chemical Engineering) 单元操作（Unit Operation） 食品单元操作（Food Operating Unit,第一章 流体流动及输送机械 (1,主讲：曹 淼,教学基本内容和要求 主要讨论有关流体在管内流动的基本原理及流动规律。 了解流体平衡（静止）和运动的基本规律，熟练掌握静力学方程式、连续性方程式、伯努利方程式的内容和应用，在此基础上解决管路计算、输送设备功率计算等问题。 主要内容见图1-1,图1-1

2、主要内容,管路计算 流速与流量测定,流体动力学的基本方程式 物料衡算 能量衡算,流体流动阻力计算,静力学基本方程式,应用,u0,目 录,1.1 流体静力学 1.2 流体动力学 1.3 管内流体流动现象 1.4 流体流动阻力 1.5 管路计算,1. 研究流体流动的意义,流体: 是指在剪应力作用下能产生连续变形的物体； 主要包括液体和气体两大类； 流体流动是最普遍的食品（化学、生物）工程单元操作之一； 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,概 述,2.流体的特征,具有流动性； 形状随容器形状而变化； 受外力作用时内部产生相对运动; 密度和压力有关,3. 流体的性质（假设,连 续 性：

3、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； 均 匀 性：流体内部任意位置的流体其性能相同； 各向同性：在流体内部任意位置沿各个方向的性能相同,1.1 流体静力学,流体静力学是研究流体在重力场中处于特殊的运动状态（静止）的时候所受的外力满足的关系平衡条件。 1.1.1 密度 一、定义 单位体积流体的质量，称为流体的密度,kg/m3,二、单组分密度,液体密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得,p、T状态参数,气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算,注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度 下的数值，若条件不同，则密度需进行换

4、算,式中： 标准状态下气体的密度 Kg/m3,三、混合流体的密度,混合气体 各组分在混合前后质量不变(无化学反应)，则有,气体混合物中各组分的体积分率,1m3混合气体为基准，混合前后质量不变;即：1m3混合物的质量等于各组分单独存在时的质量之和,混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有,液体混合物中各组分的质量分率,1kg混合液体为基准，混合前后体积不变;即：1kg混合物的体积等于各组分单独存在时的体积之和,1.1.2、比体积（质量体积,单位质量流体具有的体积，是密度的倒数,m3/kg,1.1.3、相对密度,某物质的密度和4纯水的密度之比，纯数，没有单位,1.1.4、理想气态方程,P-压强

5、，Pa； V-气体的体积，m3； n-物质的量，mol； R-理想气体常数，8.314J/(molK)； T-开尔文温度，单位K,M-摩尔分子质量，kg/mol。 -密度，单位kg/m3,1.1.5 压强,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，用符号P表示，单位Pa,流体压强与作用面垂直，并指向该作用面，亦即沿作用面的内法线方向； 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,一、压强的特性,实践中以流体柱高度表示,注意：用液柱高度表示压强时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等，此时的压强为,标准大气压的换算关系,二、压

6、强的单位,SI制：Pa或N/m2,1bar=105Pa=100kPa=0.1MPa 1atm=760mmHg=10.33mH2O=1.0133105Pa=101.3kPa=0.1013MPa（物理大气压） 1at=1.033kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.81104Pa=98.1kPa（工程大气压,三、 压力的表示方法,绝对压强 单位面积上所受垂直压力的绝对数值，Pab。 相对压力（以大气压度量） 表压Pg 用于被测流体的绝对压强大于外界大气压Pa的情况。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。 Pg= PabPa 真空度Pvm 用于被测流体的绝对压强小于外

7、界大气压的情况。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。 Pvm=PaPab,绝对压力,绝对压力,绝对真空,表压,真空度,大气压 Pa,例： 1. 蒸汽加热器的蒸汽压力表上读数为81.9103Pa，当时当地气压计上读数为98.1103Pa。则设备内蒸汽的绝对压力为 Pa。 某设备上真空表的读数为13.3103Pa，已知该地区大气压强为98.7103Pa。则设备内的绝对压力为 Pa。 比较下列压力大小：P1=0.4atm,P2=0.4atm(表压),P3=0.4atm(真空度)。 AP1P2P3 ; BP2P3P1; CP2P1P3 ; DP1=P2=P3,1.8105,85

8、.4103,BP2P3P1,1.1.6 流体静力学基本方程式（欧拉平衡微分方程,一、静力学基本方程,1）上端面所受总压力,2）下端面所受总压力,3）液柱的重力,设流体不可压缩（ ），重力场中对液柱进行受力分析,方向向下,方向向上,方向向下,正向,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,Pa 压力表达式,PaN/m2=J/m3 压力表达式,和压强 p,讨论,1）适用于重力场中静止、连续、均匀的同种不可压缩性流体； （2）物理意义,静力学基本方程式的本质：在同一静止连续不可压缩的静止流体中，流体的压强能和势能之和在不同位置守恒，也就是和压强处处相等,P+ 和压强 P 单位体积的压强

9、能； gz 代表单位体积的势能,3）在静止的、连续、均匀的同种流体内（ ），处于同一水平面上各点（Z=C）的压力处处相等。压力相等的面称为等压（势）面。 （4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。 液面上方的大气压pa也传递到距离液面任意h深度: ppagh,二、静力学基本方程的应用,1. 压（力）差及压力的测量,1）U形管压差计,设指示液A（黑色）的密度为， 被测流体B（蓝色）的密度为,a与a面 为等压面，即,而,所以,整理得,若被测流体是气体， ，则有,2）指示液的选取： 指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于被测流体密度。 应根据被测

10、流体的种类及压差的大小选择指示液,1,P11课本例1-1,指水,i指水银等,解,讨论,1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将真空度U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度,表压,真空度,2）双液体U管压差计,3） 倒U形压差计,指示剂密度小于被测流体密度，如空气作为指示剂,5） 复式压差计,4） 倾斜式压差计,2.液位测量,例1-2 如右图所示，M与N设备内均充满水，两设备之间设有U形管压差计，以水银为指示液，试说明,1、2、3、4各点的压力关系： ； (2) 5、6、7、8各点的压力关系： ； (3) 9、10、11、12各点的压力关系：,P9 = P10

11、= P11 P12,P1 = P2 P3 = P4,P5 = P6 P7 P8,作业,P63-65 1,2,3,9,11题 习题1.最好参见教材p11的解法，采用和压强相等递推。 习题2.本题的气泡产生的条件刚好是静止的极限点， 故按照静止问题来解此题。 习题3.本题是流体静力学方程的一种工程实际应用。 习题9.最好参见教材p11的解法，采用和压强相等递推,1.2 流体动力学,1. 体积流量 单位时间内流经管道任意横截面的流体体积。 2. 质量流量 单位时间内流经管道任意横截面的流体质量,3. 二者关系,一、流量,1.2.1 流量与流速,m3/s 或 m3/h,kg/s 或 kg/h,二、流速

12、,2. 质量流速,体积流速（平均流速）的定义 单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离； 或 单位时间单位截面上流过的流体体积,m/s,kg/（m2s,单位时间单位截面上流过的流体质量,对于圆形管道,流量 一般由生产任务决定,流速选择,三、管径的估算,常用流速（适宜、经济流速）范围,水及一般液体 13 m/s 粘度较大的液体 0.51 m/s 低压气体 815 m/s 压力较高的气体 1525 m/s 饱和水蒸气 2040 m/s 过热水蒸气 3050 m/s,1.2.2 稳定流动与非稳定流动,稳定流动：各截面上的压力、流速等物理量仅随位置变化，但不随时间变化,非稳定流动：流体在各截面上的有

13、关物理量既随位置变化，也随时间变化,1.2.3 稳定流动系统的质量守恒（物料衡算）连续性方程,对于稳定流动系统，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,若为不可压缩性流体,圆形管道,即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比,1.2.4 管内稳定流动的能量衡算（流体动力学）柏努利方程,一、总能量衡算 1. 柏努利方程,衡算范围：截面 1-1、2-2间 基 准 面：0-0水平面 衡算依据：能量守恒 假 设：流体不可压缩， 则 连续性方程：m1m2m,1-1截面输入能量 = 2-2 输出能量 （1）位能 mgz1 mgz2 （2）动能 （3）静压能（流动功）

14、（4）内能 mU1 mU2 （5）输入功 mwe 0 （5）输入能量 mqe 0,柏努利方程,J,J/kg,柏努利方程的其他形式： （1）以单位质量流体为基准的能量表达式 （2）以单位重量流体为基准的压头表达式,3）以单位体积流体为基准,注意几个表示字母,单位质量流体衡算，泵的能量we，总机械能损失hf1-2 ，单位 J/Kg； 单位重量流体衡算，泵的能量He，总机械能损失Hf1-2，单位J/N=m； 单位体积流体衡算，泵的能量Pe，总机械能损失Pf，单位J/m3,2. 柏努利方程的讨论,1）对于静止流体，流速u=0，且无能量输入，则,静力学基本方程,2）zg、 、 某截面上单位质量流体所具有

15、的位能、静压能和动能；z、 、 某截面上单位重量流体所具有的位压头、静压头和动压头；静压头 和位压头 z 之和成为冲压头,3）hf（Hf） 两截面间单位质量（重量）流体消耗的机械能或内能的改变量； （4）we（He）两截面间单位质量（重量）流体从泵获得的能量, J/Kg(J/N,泵的有效功率,J/s=w,5）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。 对于可压缩性流体，当 时，仍可用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替,4柏努利方程的应用,管内流体的流量； 输送设备的功率； 管路中流体的压力； 容器间的相对位置等,a.解决的问题,绘制流体流动系统示意图； 确定流动系统的截面及衡算范围； 选取基准水平面； 列方程，计算,b. 步骤,3）各物理量的单位应保持一致，特别注意压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为相对压力,1） 截面的选取 与流体的流动方向相垂直，即与管子中心线垂直； 两截面间流体应是稳定连续流动； 截面宜选在已知量多、计算方便处,2） 基准水平面的选取； 地面； 两截面中位置较低的截面（或过管道中心的水平面,c.注意事项,例1-2：用泵将贮池中的常温下的水送至吸收塔顶部，贮液池水面维持恒定，各部分的相对位置如图所示。输水管的直径为763mm，排出管出口的喷头连接处的压强为6.15104Pa（表压），送水量为34.5 m3/h，水流经全部管道（不包括喷头）的能量