液体流动和输送PPT学习教案

1、会计学1液体流动和输送液体流动和输送物料从一个设备输送到另一个设备，从一个工序到下一个工序都需在一定的流动状态下进行。掌握流体流动的基本规律是解决所有单元操作的重要基础。本章重点讨论流体流动的基本原理，并运用基本原理分析和解决流体输送过程中基本计算问题。第1页/共88页n 第2页/共88页第一节 流体静力学及其应用 第二节 流体在管内流动时的能量衡算 第三节 管内流动阻力和速度分布 第五节 流量的测量 第六节 离心泵 第3页/共88页1. 研究流体流动问题的重要性研究流体流动问题的重要性 流体: 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称 为流体。流体是气体与液体的总称。 流体流动是最普遍的化工单元

2、操作之一； 研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。第一节 流体静力学及其应用第4页/共88页2 . 连续介质假定连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有 间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质连续介质。 质点质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。 工程意义工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究 流体。第5页/共88页3. 流体的特征流体的特征 具有流动性； 无固定形状，随容器形状而变化； 受外力作用时内部产生相对运动。第6页/共88页一、流体的物理性质与作用力第7页/共88页1、单位体积流体的质量，称为流体的密度。 Vmkg/

3、m3 2、单组分密度),(Tpf 液体液体 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。（一）质量和密度、比体积第8页/共88页3、 气体气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算： RTpM注意：注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度 下之值，若条件不同，则密度需进行换算。第9页/共88页4、混合物的密度、混合物的密度 混合气体混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有 nnm2211气体混合物中各组分的体积分率。 n21,或RTpMmmmM混合气体的平均摩尔质量 nnmyMyMyMM2211nyyy21,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。 第1

4、0页/共88页 混合液体混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有 nnmaaa22111naaa21,液体混合物中各组分的质量分率。 5、比容比容 单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。1mVvm3/kg 第11页/共88页（二） 压强与静压强压强与静压强 流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压强。压强。 1、压强的特性、压强的特性 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面； 任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反； 作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。 第12页/共88页2、压强的单位压强的单位 压强的单位压强的单位: v 帕斯卡帕斯卡, Pa, N/m2

5、(法定单法定单位位); v 标准大气压标准大气压, atm; v 某流体在柱高度某流体在柱高度; v bar（巴）或（巴）或kgf/cm2等。等。 第13页/共88页1标准大气压标准大气压(atm)=101300Pa =10330kgf/m2 =1.033kgf/cm2(bar, 巴巴) =10.33mH2O =760mmHg 换算关系换算关系： 注意注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等。 第14页/共88页3、 压力的表示方法压力的表示方法 p绝对压强绝对压强（absolute pressure） ：以绝对真空：以绝对真空(即零大气压即零大气压)为

6、基准。为基准。 p表压强表压强(gauge pressure)：以当地大气压为基准。它与绝对以当地大气压为基准。它与绝对压力的关系，可用下式表示（压强表）：压力的关系，可用下式表示（压强表）： 表压强绝对压强大气压强表压强绝对压强大气压强 p真空度真空度（vacuum）：当被测流体的绝对压力小于大气压时，）：当被测流体的绝对压力小于大气压时，其低于大气压的数值（真空表），即：其低于大气压的数值（真空表），即： 真空度大气压力绝对压力真空度大气压力绝对压力 注意注意：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说明时均可按标准大气压计算。明时均

7、可按标准大气压计算。 表压强真空度第15页/共88页表 压 = 绝对压强 大气压强真空度 = 大气压强 绝对压强绝 对 压绝 对 压强强 绝 对 压绝 对 压强强 绝对零压绝对零压 表压表压强强 真空度真空度 1p2p大气压大气压 第16页/共88页u 流体流动时产生内摩擦力的性质，称为流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性粘性。 流体粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶流体粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油甘油放完要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力比水大的缘故。流动时内摩擦力比水大的缘故。 （三）流体的黏性（三）流体的黏性 第

8、17页/共88页 运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力内摩擦力或或粘滞力粘滞力。流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小。流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小。 设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充满着设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充满着静止的液体，如图静止的液体，如图所示。所示。 x u=0 y u 第18页/共88页 实验证明，实验证明，两流体层之间单位面积上的内摩两流体层之间单位面积上的内摩擦力（或称为剪应力）擦力（或称为剪应力）与垂

9、直于流动方向的与垂直于流动方向的速度梯度成正比。速度梯度成正比。 y x u u=0 u y u/u/ y y表示速度沿法线方向表示速度沿法线方向上的变化率或速度梯度。上的变化率或速度梯度。 第19页/共88页 式中式中为比例系数，称为为比例系数，称为粘性系数粘性系数，或，或动力粘度动力粘度（viscosity），简称），简称粘度粘度。 上式所表示的关系，称为上式所表示的关系，称为牛顿粘性定律牛顿粘性定律。 yu（1-33） 第20页/共88页粘性是流体的基本物理特性之一。任何流体都有粘性，粘性是流体的基本物理特性之一。任何流体都有粘性，粘性只有在流体运动时才会表现出来粘性只有在流体运动时才会

10、表现出来。 u与与y也可能时如右图的关系，也可能时如右图的关系，则牛顿粘性定律可写成：则牛顿粘性定律可写成： 粘度的单位为粘度的单位为Pas 。常用流体的粘度可查表。常用流体的粘度可查表。 dy du o x y 上式中上式中du/dydu/dy为速度梯度：为速度梯度：即在与流体方向相垂直的y方向上流体速度的变化率dydu（1-33） 第21页/共88页粘度的单位为粘度的单位为: sPamsNmNmsmdydu2/2/ 从手册中查得的粘度数据，其单位常用从手册中查得的粘度数据，其单位常用CGS制单位。在制单位。在CGS单位制中，粘度单位为单位制中，粘度单位为 2/2/cmsdyncmdyncm

11、scmdydu 此单位用符号此单位用符号P P表示，称为泊。表示，称为泊。 cPPsPa1000101Ns/m2（或（或Pas）、）、P、 cP与的换算关系为与的换算关系为 第22页/共88页 运动粘度运动粘度：流体粘度流体粘度与密度与密度之比称为运动粘度，之比称为运动粘度，用符号用符号表示表示 / (1-34) 其单位为其单位为m m2 2/s/s。而。而CGSCGS单位制单位制中，其单位为中，其单位为cmcm2 2/s/s，称为斯，称为斯托托克斯，用符号克斯，用符号StSt表示。表示。 各种液体和气体的粘度数据，均由实验测定。可在有关手各种液体和气体的粘度数据，均由实验测定。可在有关手册中

12、查取某些常用液体和气体粘度的图表。册中查取某些常用液体和气体粘度的图表。 温度对液体粘度的影响很大，当温度升高时，液体的粘度温度对液体粘度的影响很大，当温度升高时，液体的粘度减小，而气体的粘度增大。减小，而气体的粘度增大。压力对液体粘度的影响很小，可忽压力对液体粘度的影响很小，可忽略不计，而气体的粘度，除非在极高或极低的压力下，可以认略不计，而气体的粘度，除非在极高或极低的压力下，可以认为与压力无关。为与压力无关。 第23页/共88页a.液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生的切应力减小，所以粘性系数值减小。 b.气体：气体分子间距离

13、大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以粘性系数值增加。第24页/共88页 牛顿流体：符合牛顿粘性定律的流体。 非牛顿流体：不符合牛顿粘性定律的流体。 理想流体：。 0第25页/共88页第26页/共88页第27页/共88页第28页/共88页第29页/共88页二、二、 流体静力学平衡方程流体静力学平衡方程 （一）、静力学基本方程（一）、静力学基本方程 重力场中对液柱进行受力分析：ApP11（1）上端面所受总压力 ApP22（2）下端面所受总压力 （3）液柱的重力 )(21zzgAG设流体不可压缩，.Constp0 p2 p1

14、z1 z2 G方向向下方向向上方向向下第30页/共88页液柱处于静止时，上述三项力的合力为零: 0)(2112zzgAApAp)(2112zzgppgzpgzp2211静力学基本方程静力学基本方程 压力形式能量形式第31页/共88页讨论：讨论：（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性 流体； （2）物理意义：物理意义：zg单位质量流体所具有的位能，J/kg； p单位质量流体所具有的静压能，J/kg。 在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变 。第32页/共88页（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的

15、面称为等压面等压面。 （4）压力具有传递性压力具有传递性：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。（）压强的大小可用一定高度的液体柱来表示。 第33页/共88页（二）、（二）、静力学基本方程的应用静力学基本方程的应用 1. 压力及压力差的测量压力及压力差的测量 （1）U形压差计形压差计 设指示液的密度为 ， 被测流体的密度为 。 0A与A面 为等压面，即AApp)(1RmgppAgRgmppA02而p1 p2 mRAA 第34页/共88页所以gRgmpRmgp021)(整理得gRpp)(021若被测流体是气体， ，则有 0021Rgpp第35页/共88页（2）指示液的选取：

16、指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于大于被测流体密度。 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。 第36页/共88页第二节 流体在管内流动时的能量衡算 1. 体积流量体积流量 单位时间内通过流道横截面的流体体积。 m3/s或m3/h 2.2.质量流量质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。 kg/s或kg/h。 一、流量与流速一、流量与流速vmqqVsWsQv=U/A第37页/共88页4. 4. 质量流速质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。 3.3.流速流速 （平均平均流速）流速） 单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。 Auvqkg/（m2s

17、）uqquvmGAAm/s 第38页/共88页（二） 稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动 稳定流动稳定流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化； 不稳定流动不稳定流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间随时间变化。),(,zyxfupT),(,zyxfupT第39页/共88页（三）（三） 稳定流动系统的质量守恒稳定流动系统的质量守恒连续性方程连续性方程 对于定态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下： 21ssmm222111AuAu推广至任意截面 常数uAAuAums222111连续性方程连续性方程11 2 2qm1=qm2以为基准表示在

18、定态流动系统中，流体流经各截面的质量流量不变，而流速随管道截面面积及流体的密度而变化第40页/共88页常数uAAuAuVs2211不可压缩性流体， .Const圆形管道 ：2121221ddAAuu 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 。第41页/共88页二、稳定二、稳定流动热力体系的总能量方程式流动热力体系的总能量方程式 （ 一）、稳定一）、稳定流动热力体系的概流动热力体系的概念念（二）、稳定流动体系的能量平衡（二）、稳定流动体系的能量平衡第42页/共88页qeWep2,u2,2p1,u1,1221100z2z1换热器第43页/共88页（1）内能 贮存于物质内部的能量。

19、 1kg流体具有的内能为U（J/kg）。衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成 的空间 衡算基准：1kg流体 基准面：0-0水平面（2）位能 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。 第44页/共88页（3）动能 1kg的流体所具有的动能为 (J/kg) 221u（4）静压能 静压能= pVAVpAFl1kg的流体所具有的静压能为 pmpV(J/kg)（5）热 设换热器向1kg流体提供的热量为 (J/kg)。 eqlA V第45页/共88页（6）外功(有效功) 1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We (J/kg)。2222221121112

20、121pugzUqWpugzUeepuzgUqWee221以上能量形式可分为两类： 机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输 送流体； 内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。第46页/共88页2实际流体的机械能衡算实际流体的机械能衡算 假设 流体不可压缩， 则 流动系统无热交换，则 流体温度不变， 则 21 0eq21UU (1) 以单位质量流体为基准 设1kg流体损失的能量为Wf（J/kg），有： feWpugzWpugz222212112121(1),书13页,公式1-30式中各项单位为J/kg。并且实际流体流动时有能量损失。书13页,公式1-30, Lf 为上式的Wf第47页/共88

21、页（2）以单位重量流体为基准 将(1)式各项同除重力加速度g :gWgpugzgWgpugzfe222212112121令 gWHeegWhff则 fehgpugzHgpugz222212112121（2） ,书14页,公式1-34a式中各项单位为mNJkgNkgJ/第48页/共88页z 位压头gu22动压头He外加压头或有效压头。gp静压头总压头hf压头损失第49页/共88页（3）以单位体积流体为基准 将(1)式各项同乘以 :feWpugzWpugz222212112121式中各项单位为PamJmkgkgJ33（3）书15页,公式1-30cfeppugzWpugz222212112121fp

22、 压 力 损失适用于气体输送单位为：Pa第50页/共88页4. 4. 柏努利方程的讨论柏努利方程的讨论 （1）若流体处于静止，u=0，Wf=0，We=0，则柏努利方程变为 说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律 。而流体的静止状态只不过是流动状态的一种特殊形式。 2211pgzpgz（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即.212Constpuzg.212Constgpugz第51页/共88页Hz2 210第52页/共88页第53页/共88页 We、Wf 在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。式中We是输送设备对单位质量流体所作的有效功，是决定流体

23、输送设备的重要数据。单位时间输送设备所作的有效功称为有效功率，以N表示，单位J/s或W. （3）zg、 、 某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能 ；p221u有效功率 ：eseWmN轴功率 ：eNN 效率第54页/共88页（4）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。这种处理方法所导致的误差，在工程计算上是允许的。 %20121 ppp第55页/共88页4柏努利方程的应用柏努利方程的应用 管内流体的流量； 输送设备的功率； 管路中流体的压强； 容器间的相对位置等。利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：第5

24、6页/共88页（1）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围 ；（2）位能基准面的选取 必须与地面平行； 宜于选取两截面中位置较低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。 第57页/共88页（4）各物理量的单位应保持一致，压强表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。 （3）截面的选取 与流体的流动方向相垂直； 两截面间流体应是定态连续流动； 截面宜选在已知量多、计算方便处；一般以水来方向为1-1截面。第58页/共88页第59页/共88页215uhf第60页/共88页第61页/共88页雷诺数(一)、雷诺实验一、

25、流动的形态一、流动的形态第62页/共88页 层流层流（或滞流滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合； 湍流湍流（或紊流紊流） ：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。（二）、流型判据雷诺准数(Reynolds number) udRe无因次数群第63页/共88页 1.判断流型判断流型 Re2000时，流动为层流，此区称为层流区； Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区； 2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。2.物理意义物理意义 R

26、e反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。 第64页/共88页第四节第四节 管内流动管内流动阻力和速度分布阻力和速度分布直管阻力直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而 产生的阻力； 局部阻力局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速 大小及方向的改变而引起的阻力。 一、一、 直管阻力直管阻力1 1、阻力的表现形式、阻力的表现形式 第65页/共88页流体在水平等径直管中作定态流动。fpugzpugzL212122221211第66页/共88页21uu 21zz 21Lppf若管道为倾斜管，则 )()(L2211gzpgzpf 流体的流动阻力表现为静压能的减

27、少静压能的减少； 水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。 第67页/共88页2、直管阻力的通式直管阻力的通式 由于压力差而产生的推动力： 4221dpp流体的摩擦力： LwdAFL4)(w221ddppdfL4L 2L8L22wuduf令 2w8u定态流动时流体柱表面积单位相同，经常把能量损失表示为动能的函数第68页/共88页直管阻力通式（范宁直管阻力通式（范宁Fanning公式公式） 摩擦系数（摩擦因数摩擦系数（摩擦因数） 则 2LL2udfJ/kg压头损失（达西公式） gudhf2L2m压力损失 2L2udpfPa 该公式层流与湍流均适用； 注意 与 的区别。pfp书16页，（3

28、7b）第69页/共88页光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等； 粗糙管：钢管、铸铁管等。绝对粗糙度绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。 相对粗糙度相对粗糙度 ： 绝对粗糙度与管内径的比值。d 层流流动时： 流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与 无关，只与Re有关。d3.湍流时的摩擦系数湍流时的摩擦系数第70页/共88页 湍流流动时： 水力光滑管 只与Re有关，与 无关。 d 完全湍流粗糙管 只与 有关，与Re无关。dd第71页/共88页4、莫狄（Moody）摩擦因数图：完全湍流、粗糙管第72页/共88页（1）层流区（Re 2000） 与 无关，与Re为直线关系，即 ,即 与u的一次方成正比。d

29、Re64ufLfL（2）过渡区（2000Re4000) 将湍流时的曲线延伸查取值 。（3）湍流区（Re4000以及虚线以下的区域）：当 一定时， 随Re的增大而减少， Re值增至某一数值后， 下降缓慢，当 Re值一定时， 随的增加而增大)(Re,dfd/d/第73页/共88页（4）完全湍流区 （虚线以上的区域） 与Re无关，只与 有关 。d该区又称为阻力平方区。2Lufd一定时，经验公式 ：（1）柏拉修斯（Blasius）式： 25. 0Re3164. 0适用光滑管 Re5103105（2）考莱布鲁克（Colebrook）式Re7 .182log274. 11d第74页/共88页5. 非圆形管内的流动阻力非圆形管内的流动阻力 当量直径当量直径： Ade44润湿周边流通截面积 套管环隙，内管的外径为R，外管的内径为rr-R2rR2rR422ed 边长分别为a、b的矩形管 :ba