流体流动与输送机械

1、第一章 流体流动与输送机械第二节第二节 流体动力学流体动力学一、流量与流速一、流量与流速（一）流量（一）流量流量有流量有体积流量体积流量与与质量流量质量流量之分。之分。 1体积流量：简称为流量，单位时间流过某一截面的流体体积。体积流量：简称为流量，单位时间流过某一截面的流体体积。用符号用符号vs或或vh表示，单位为表示，单位为m3/s或或m3/h。2质量流量：单位时间流过某一截面的流体质量。用符号质量流量：单位时间流过某一截面的流体质量。用符号gs或或gh表示，单位为表示，单位为kg/s或或kg/h。两者之间的关系为：两者之间的关系为： （1-10） 式中：式中：流体的密度，流体的密度，kg/

2、m3。ssvg 1.2.1 基本概念基本概念流量与流流量与流速速 （二（二 ） 流速流速流速也分为体积流速与质量流速。流速也分为体积流速与质量流速。1体积流速（简称体积流速（简称流速流速）：单位时间流体质点）：单位时间流体质点流过的距离。用符流过的距离。用符号号u表示，单位为表示，单位为m/s。*为便于理解，流体可视为由含有大量分子的微团组成，这些微团为便于理解，流体可视为由含有大量分子的微团组成，这些微团的质量很小，其质量集中在一点上，故称其为流体质点。的质量很小，其质量集中在一点上，故称其为流体质点。流体在流动过程中，在同一截面上各流体质点的流速是不均等的。流体在流动过程中，在同一截面上各

3、流体质点的流速是不均等的。因此通常说的流速是指因此通常说的流速是指某一截面上的平均流速某一截面上的平均流速，用体积流量除以，用体积流量除以流通截面得到，即：流通截面得到，即： （1-11） 式中：式中：s流体的流通截面积，流体的流通截面积，m2。svus 1.2.1 基本概念基本概念流量与流流量与流速速2质量流速：单位时间、单位流通截面积流过的流体质质量流速：单位时间、单位流通截面积流过的流体质量。用符号量。用符号w表示，单位为表示，单位为kg/ m2.s。表达式为：。表达式为： （1-12）流速与质量流速之间的关系为：流速与质量流速之间的关系为： （1-13） sgws uw 1.2.1基本

4、概念基本概念流量与流速流量与流速二、粘度二、粘度q 粘度是表示流体流动性能的另一物理量，用符号粘度是表示流体流动性能的另一物理量，用符号表示。实践表示。实践表明，有的流体容易流动，有的难以流动。例如油的流动性比表明，有的流体容易流动，有的难以流动。例如油的流动性比水差，蜂蜜的流动性比油差等等。这就是由于它们的粘度不同。水差，蜂蜜的流动性比油差等等。这就是由于它们的粘度不同。流体的粘度越小就越容易流动；粘度越大就越难流动。流体的粘度越小就越容易流动；粘度越大就越难流动。q 前已述及，在同一流通截面上各流体质点的流速是不均等的，前已述及，在同一流通截面上各流体质点的流速是不均等的，科学研究证明，不

5、同流速的流体之间也存在着阻碍相对运动的科学研究证明，不同流速的流体之间也存在着阻碍相对运动的摩擦力，称为内摩擦力，流体的粘度就是这种内摩擦力的表示摩擦力，称为内摩擦力，流体的粘度就是这种内摩擦力的表示与量度。粘度大的流体，流动时能量消耗大，即阻力损失大，与量度。粘度大的流体，流动时能量消耗大，即阻力损失大，反之亦然。反之亦然。 1.2.1基本概念基本概念粘度粘度单位：单位：pas（国际单位制）（国际单位制） 泊泊 p（pas 10p）厘泊厘泊 cp（pas 1000cp） 纯组分的粘度值可在手册上查取。纯组分的粘度值可在手册上查取。 物理单物理单位制位制 1.2.1 基本概念基本概念粘度粘度

6、混合物的粘度在没有实验数据的时候，可用下列公式近混合物的粘度在没有实验数据的时候，可用下列公式近似计算其平均粘度：似计算其平均粘度：v 对于常压气体混合物：对于常压气体混合物：2121iiiiimmymy式中：式中：yi气体混合物中气体混合物中i 组分的组分的mol分率（即体积分率）；分率（即体积分率）； 与混合气体同温度下与混合气体同温度下i组分的粘度，组分的粘度， pas ； 气体混合物中气体混合物中i 组分的分子量，组分的分子量，kg/kmol。iim 1.2.1 基本概念基本概念粘度粘度v 液体混合物（无氢键及缔合作用时）液体混合物（无氢键及缔合作用时）niiilx1)lg(lg式中：

7、式中： 混合液中混合液中i 组分的组分的mol分率；分率； 与混合液同温度下与混合液同温度下i组分的粘度，组分的粘度， pas 。ixi 1.2.1 基本概念基本概念粘度粘度v稳定流动系统稳定流动系统：流动系统中各物理量的大小不随时间变化：流动系统中各物理量的大小不随时间变化的系统。的系统。 1.2.2 稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动如左图所示的水槽，因上面不断加水，又有溢流装置，使槽内水位维如左图所示的水槽，因上面不断加水，又有溢流装置，使槽内水位维持不变，则放水管任一截面处的流速、压力等都不随时间而变，即属持不变，则放水管任一截面处的流速、压力等都不随时间而变，即属于稳定流动。反

8、之，这些物理量随时间而变的为不稳定流动。如右图于稳定流动。反之，这些物理量随时间而变的为不稳定流动。如右图所示的水槽，因上面没水补充，随着槽中的水放出，槽内水位不断降所示的水槽，因上面没水补充，随着槽中的水放出，槽内水位不断降低，所以放水管中水的流速、压力等也逐渐降低，即属于不稳定流动。低，所以放水管中水的流速、压力等也逐渐降低，即属于不稳定流动。不稳定流动不稳定流动1-2-3 连续性方程第一章 流体流动与输送v稳定流动系统稳定流动系统：流动系统中各物理量的大小：流动系统中各物理量的大小仅随位置变化仅随位置变化而不随时间变化的系统。而不随时间变化的系统。v稳定流动系统的连续性稳定流动系统的连续

9、性：系统中充满流体、：系统中充满流体、无空隙，流体质点处于连续状态，因此单位无空隙，流体质点处于连续状态，因此单位时间内输入系统的物料量等于输出系统的物时间内输入系统的物料量等于输出系统的物料量。料量。v液体的密度随压力变化很小，为不可压缩性液体的密度随压力变化很小，为不可压缩性流体。流体。v气体的密度随压力变化很大，为可压缩性流气体的密度随压力变化很大，为可压缩性流体。体。一、连续性方程式及其讨论一、连续性方程式及其讨论n1 1、稳定流动系统的特性、稳定流动系统的特性连续性连续性 （1 1）连续性：系统中充满流体、无空隙，流体质点处）连续性：系统中充满流体、无空隙，流体质点处于连续状态，因此

10、单位时间内输入系统的物料量等于于连续状态，因此单位时间内输入系统的物料量等于输出系统的物料量。输出系统的物料量。其中其中 单位时间内输入系统物料之和，单位时间内输入系统物料之和，kg/skg/s或者或者kg/hkg/h； 单位时间输出系统物料量之和，单位时间输出系统物料量之和，kg/skg/s或者或者kg/hkg/h。ninjjiww112,1 ,niiw11 ,njjw12, （2 2） 守恒性守恒性n 质量守恒质量守恒n 能量守恒能量守恒 单位时间内输入系统的能量之和，单位时间内输入系统的能量之和，j/s或或w； 单位时间内输出系统的能量之和，单位时间内输出系统的能量之和，j/s或或w；

11、ninjjiee11niie1njje1一、连续性方程式及其讨论n当稳定流动系统在不涉及其他能量间的相互转化时，有当稳定流动系统在不涉及其他能量间的相互转化时，有单位时间内输入系统的热量等于输出系统的热量，即热单位时间内输入系统的热量等于输出系统的热量，即热量守恒。量守恒。 单位时间内输入系统的热量之和，单位时间内输入系统的热量之和，j/s或或w； 单位时间内输出系统的热量之和，单位时间内输出系统的热量之和，j/s或或w； ninjjiqq11niiq1njjq1一、连续性方程式及其讨论一、连续性方程式及其讨论312321sssggg333222111sususu推广至任意截面推广至任意截面

12、常数ussusugs222111连续性连续性方程方程常数ussusuvs2211不可压缩性流体：不可压缩性流体：.const圆形管道圆形管道 ：2121221ddssuu 即：不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的即：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平方成反比 。一、连续性方程式及其讨论1、适用于稳定流动系统，只要所取两截面间部分为连、适用于稳定流动系统，只要所取两截面间部分为连续流动；续流动；2、上述规律与管路的安排及管路上是否装有管件、阀、上述规律与管路的安排及管路上是否装有管件、阀门或输送设备无关；门或输送设备无关；3、 在分支管路中，还需要依据物料衡算进行，

13、即：在分支管路中，还需要依据物料衡算进行，即：出进iigsgs3a123bbagggg3321如右图：如右图：二、连续性方程式的应用uguvdss44对于圆形管道：对于圆形管道：流量流量vs一般由生产任务决定。一般由生产任务决定。流速选择：流速选择：原则原则 d 设备费用设备费用 u 流动阻力流动阻力 动力消耗动力消耗 操作费操作费均衡均衡考虑考虑uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费（1）初估管径）初估管径二、连续性方程式的应用n化工厂中，化工管路的投资要占化工生产总投资的很化工厂中，化工管路的投资要占化工生产总投资的很大一部分比例。从上式看出，选用较大的管流速，所大一部分

14、比例。从上式看出，选用较大的管流速，所需管径小些，则投资费用就可减少，但流体阻力较大，需管径小些，则投资费用就可减少，但流体阻力较大，输送流体的动力消耗增大，即操作费用增大。可见，输送流体的动力消耗增大，即操作费用增大。可见，管路的基建投资费用与动力消耗是互相矛盾的。因此，管路的基建投资费用与动力消耗是互相矛盾的。因此，最适宜的管流速应能使每年分摊的基建投资折旧费与最适宜的管流速应能使每年分摊的基建投资折旧费与操作费用之和为最小。操作费用之和为最小。 某些流体在管路中的常用流速范围某些流体在管路中的常用流速范围连续性方程应用管径的选择流体的类别及情况流体的类别及情况流速范围流速范围m/s流体的类别及情况流体的类别及情况流速范围流速范围m/s自来水（自来水（300kpa左右）左右）1-1.5一般气体（常压）一般气体（常压）10-20水及低粘度流体（水及低粘度流体（100-1000kpa）1.5-3鼓风机吸入管鼓风机吸入管10-15高粘度流体高粘度流体0.5-1鼓风机排出管鼓风机排出管15-20工业供水（工业供水（800kpa以下）