第三章流体流动与流体输送设备

第三章流体流动与流体输送设备第1页，共65页，2023年，2月20日，星期三m-质量Kg;；V-流体体积m3；1-1-1流体的密度定义：单位体积流体所具有的质量，密度平均ρ=m/V式中:第2页，共65页，2023年，2月20日，星期三其它单位：atm、bar(巴)、Kgf/cm2、液柱高度等1-1-2流体的压强1、压强的定义：P=F/A式中:P–流体的静压强，paF–垂直作用在流体表面上的总压力，NA–作用面的面积，m22．压强的单位及换算：SI制：N/m2(pa);第3页，共65页，2023年，2月20日，星期三差值。

3．绝对压强、表压强和真空度绝对压强：以绝对零压为起点计数的压强。表压：压力表指示的压力表压强=绝对压强-大气压强真空度：真空表指示的数值；真空度=大气压强-绝对压强注意：绝对压强是流体实际具有的压强，表压强、真空度是表压强和真空度互为相反数。实际值与大气压的差值第4页，共65页，2023年，2月20日，星期三第5页，共65页，2023年，2月20日，星期三流速:u单位：m/s;

u=qv/A4流量与流速体积流量：qv[m3/s];质量流量：qm[Kg/s］

qm=qv×ρ＝u×ρ×A流量与流速关系：第6页，共65页，2023年，2月20日，星期三一、牛顿粘性定律5、牛顿粘性定律与流体的粘度第7页，共65页，2023年，2月20日，星期三二、流体的粘度由牛顿粘性定律表达式得:液体：T↑μ↓;气体T↑μ↑粘度的物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力黏度的单位：SI制：Pa.s；常用单位：cP（厘泊）1cp=0.01p=0.001Pas粘度与温度的关系：第8页，共65页，2023年，2月20日，星期三定态流动与非定态流动非定态流动与定态流动相反定态流动定义:流体在管道或设备中进行流动时，若在任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而变化，但不随时间而变化第9页，共65页，2023年，2月20日，星期三2、流体定态流动过程的物料衡算—连续性方程流体在定态流动时，质量守恒，根据流体定态流动的特点有所以qm1=qm2如图，流体在一直径变化的管道内流动第10页，共65页，2023年，2月20日，星期三根据流速与流量的关系，得连续性方程：

U1A1ρ1=u2A2ρ2=…=uAρ(上式称为连续性方程的一般式)不可压缩流体和理想流体：ρ=C（常数）u1A1=u2A2=…=uA第11页，共65页，2023年，2月20日，星期三从连续性方程可以看出：流速与管道直径平方成反比，直径越大，流速越小，反之，流速越大。连续性方程一般用来求流速圆管：第12页，共65页，2023年，2月20日，星期三1-2-4能量衡算一、流体流动时的具有的能量能量种类

表式

流体具有的能量与环境交换能量内能位能动能静压能热量外功单位质量流体（J）mUmgz½（mu2）pVmQemWe第13页，共65页，2023年，2月20日，星期三能量种类

表式

流体具有的能量内能位能动能静压能单位质量流体（J）mUmgz½（mu2）pV第14页，共65页，2023年，2月20日，星期三一、流动系统的总能量衡算如右图示，对系统进行总能量输入能量=输出能量衡算，有：第15页，共65页，2023年，2月20日，星期三在不考虑热损失时，无阻力损失

等式两边同除以mg,对理想流体有又因ρ1=ρ2,得到第16页，共65页，2023年，2月20日，星期三

上式称为理想流体的柏努利衡算式。其中：

z—位压头，—速度头或动压头，m—静压头，mm第17页，共65页，2023年，2月20日，星期三其中：He—泵的压头，m（外界提供的能量）∑hf—损失压头，m（流动过程中损失的能量）可压缩，有阻力损失实际流体柏努利衡算式为：注意：若实际流体是气体，则密度应根据实际情况来确定。第18页，共65页，2023年，2月20日，星期三4、静止流体：We=0,∑hf=0，与静力学方程相同（柏努利方程在静止状态的应用）二、柏努利方程的讨论1、理想流体且无外功加入时，机械能是守衡的、各种机械能之间是可以转换的。2、其它衡算基准的柏努利方程单位重量基准：各项单位：J/N=m;称为压头3、可压缩流体，（p1-p2）/p1<20%,ρ=ρm（对压力取平均）第19页，共65页，2023年，2月20日，星期三应用柏努利方程解题要点1、画流程示意图，选截面确定衡算范围2、确定基准水平面3、列方程、确定各物理量数值孔板流量计、文丘里流量计、转子流量计的工作原理三、柏努利方程的运用第20页，共65页，2023年，2月20日，星期三二、流体静力学基本方程式如图示，有一静止的液体，在该液体中取一正立方体，对其进行受力分析，有F上=F下F上=F2=ρgZ2AF下=F1+G+paA第21页，共65页，2023年，2月20日，星期三ρg(Z1-Z2)A+A(Z1-Z2)ρg+paA=ρgZ2AF1=ρg(Z1-Z2)AG=mg=Vρg=A(Z1-Z2)ρg第22页，共65页，2023年，2月20日，星期三第23页，共65页，2023年，2月20日，星期三一、流体静力学方程的应用条件：流体是静止的、连续的、相同的。流体静力学基本方程式的讨论：在静止的、连续的同一液体内处于同一水平面上二、流体静力学基本方程式的应用流体静态方程在工程中，常用来测量流体压强，实际运用有U形管压差计、倒置U形管压差计、微差压力计。各点的压强都相等。第24页，共65页，2023年，2月20日，星期三1、U管压差计工作原理如图：Fa=P1A+m1gFa=FbFb=P2A+m2g+m3g一U形管内装有密度为ρi的指示液，U形管两端与管道相连，管道内流动密度为ρ的液体，现对U形管进行受力分析第25页，共65页，2023年，2月20日，星期三(P1-P2）A=(ρi-ρ)Rgm=Vρ=ZAρFA=P1A+m1g=P1A+(Z+R)AρgFB=P2A+m2g+m3g=P2A+ZAρg+RAρigP1A+(Z+R)Aρg=P2A+ZAρg+RAρig第26页，共65页，2023年，2月20日，星期三倒置U形管压差计第27页，共65页，2023年，2月20日，星期三如图双液体U管压差计

第28页，共65页，2023年，2月20日，星期三孔板流量计、第29页，共65页，2023年，2月20日，星期三文丘里流量计第30页，共65页，2023年，2月20日，星期三习题：例五用普通U形管压差计测量气体管路上两点的压力差，指示液用水，读数R为12mm。为了放大读数，改用双液体U形管，指示液A是含酒精40%的水溶液，密度为920Kg/m3；指示液C为煤油，密度为850Kg/m3。问读书可以放大到多少？第31页，共65页，2023年，2月20日，星期三例六、如图所示，管路由一段内径60mm的管1，一段内径100mm的管2及两段内径50mm的分支管3a、3b连接而成。水以2.55×10-3m3/s的体积流量自左侧入口送入，若在两段分支管内的体积流量相等，试求各段管内的流速。第32页，共65页，2023年，2月20日，星期三例七、桶中的水经虹吸管流出，如图所示，设流动阻力可以不计，求管内水的流速，又求截面A、B、C三处的静压力，管径不变，大气压力为101.3KPa。第33页，共65页，2023年，2月20日，星期三例八、水平通风管道某处的直径300mm，为了粗略估计其中空气的流量，在锥形接头两端各引出一个测压口与U形管压差计相连，用水作指示液测得读数为R=40mm。设空气流过锥形接头的阻力可以忽略，求空气的体积流量。空气的密度为1.2Kg/m3第34页，共65页，2023年，2月20日，星期三第三节管内流体流动的阻力一、牛顿粘性定律1-3-1牛顿粘性定律与流体的粘度第35页，共65页，2023年，2月20日，星期三二、流体的粘度粘度与温度的关系：液体：T↑μ↓;气体T↑μ↑由牛顿粘性定律表达式得:粘度的物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力黏度的单位：SI制：Pa.s；常用单位：cP（厘泊）1cp=0.01p=0.001Pas第36页，共65页，2023年，2月20日，星期三1-3-2流动类型与雷诺准数雷诺实验示意图第37页，共65页，2023年，2月20日，星期三

Re≤2000滞流;Re=2000∽4000过渡区Re≥4000湍流;层流：其质点作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。湍流：其质点作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。雷诺准数的定义：Re=duρ/μ;

准数：无单位流型的判断:第38页，共65页，2023年，2月20日，星期三湍流时由于流体质点的剧烈的碰撞与混合，使截面上靠管心部分各点速度彼此扯平。二、流体在圆管内的速度分布滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布第39页，共65页，2023年，2月20日，星期三流速可能为零。从层流和湍流的速度分布图可以得到：流体在管道内流动，流速延管径发生变化，管路中心流速最大，沿着管径向管壁，流速越来越小，到达管壁处，这是流速在管道内的分布情况第40页，共65页，2023年，2月20日，星期三1-3-5边界层的概念这个速度会使流体的流动类型变为层流，根据流体在管道内的分布情况，可以知道，湍流流动的流体，在靠近管壁处流速减小，我们就将这层流体称为层流边界层。第41页，共65页，2023年，2月20日，星期三式中：hf–直管阻力损失J/Kg；hl-局部阻力损失J/Kg第四节流体在管内的流动阻力阻力损失与流速的关系是：管路总阻力损失等于直管阻力损失和局部阻力损失之和：∑hf=hf+hL第42页，共65页，2023年，2月20日，星期三1-4-1流体在直管中的流动阻力一、圆形直管的阻力通式在1、2截面间列能量衡算有对上式进行分析有，Z1=Z2,u1=u2第43页，共65页，2023年，2月20日，星期三做右图管段内流体的受力分析；F左=F右F右=P1AF左=P2A+第44页，共65页，2023年，2月20日，星期三第45页，共65页，2023年，2月20日，星期三上式即是计算圆形直管阻力的通式，称为范宁（Fanning）公式，此式对层流与湍流都适用。两式中的λ称为摩擦系数,与流体的流动类型和管壁粗糙度（ε）有关第46页，共65页，2023年，2月20日，星期三绝对粗糟度ε：壁面凸出部分的平均高度。某些工业管道的绝对粗糙度如新的铸铁管0.3mm旧的铸铁0.85mm相对粗糟度：绝对粗糟度与管径的比值ε/d层流流动时第47页，共65页，2023年，2月20日，星期三四湍流时的摩擦系数与因次分析湍流时摩擦系数与很多因素有关粗糙管,柯尔布鲁克公式计算复杂，可以根据经验公式计算，也可根据ε/d、Re用查图法求解λ。经验公式有：光滑管Re=3×103～1×105,

第48页，共65页，2023年，2月20日，星期三第49页，共65页，2023年，2月20日，星期三1-4-2管路上的局部阻力系数计算ζ-阻力系数当量长度法

管路系统总阻力一、局部阻力系数法突然扩大;ζ=f(A!/A2)查图1-28;流出突然缩小ζ=f(A2/A1)查图1-28;流入(当量长度，查手册)第50页，共65页，2023年，2月20日，星期三例题1已知：流量300l/min、ΔZ=10m,p=0,吸人管:Φ89×4mm、L=15m，一个底阀、一个弯头,排出管：Φ57×3.5mm、L=50m，一个闸阀、一个截止阀、三个弯头.求泵的轴功率N=?(效率为70%)例题2已知：d=200mm,入口底阀hf’=10(u2/2),pB=350mmHg(真)，hfA-B=0.1(u2/2)。试求(1)、qv=?(2)、PA=?第51页，共65页，2023年，2月20日，星期三例题3已知：Vh=3600m3/h,t=50℃,p1=30mmH2O,L+∑Le=50m(不包括进、出口),d=250mm,e=0.15mm,△Z=20m,填料△Pf=200mmH2O，Pa=1atm。试求：Ne=?例题4如图所示,将密度为1200[kg/m3]的碱液从碱液池中用离心泵打入塔内,塔顶表压为0.6[kgf/cm2]。流量为15[m3/h],泵的吸入管阻力为[2m碱液柱],排出管阻力(包括出入口等所有局部阻力)为5[m液柱],试求:(1).泵的压头;(2).若吸入管内的流速为1[m/s],则泵真空表的读数为多少毫米汞柱？第52页，共65页，2023年，2月20日，星期三流体输送机械二、离心泵的工作原理启动步骤：1泵内灌满液体，2关出口阀，3开泵(开出口阀)：概述：输送液体的机械称之为泵、输送气体的机械称之为风机或压缩机第一节液体输送机械液体输送机械按其工作原理通常分两大类：离心泵和正位移泵离心泵的主要部件与工作原理一、离心泵的主要部件1、叶轮：闭式，半闭式，开式2、叶轮后盖板上平衡孔：平衡轴向应力的作用3、吸液方式：单吸式和双吸式第53页，共65页，2023年，2月20日，星期三第54页，共65页，2023年，2月20日，星期三离心泵的流量Q是指离心泵在单位时间内排送到管路系统的液体体积，常用单位为L/S或m3/h；离心泵的流量与泵的结构，尺寸(主要为叶轮直径和宽度)及转速等有关。原理主要依靠高速旋转的叶轮对液体作功，液体在离心力的作用下获得了能量以提高静压能离心泵的气缚现象三，离心泵的性能参数与特性曲线离心泵的主要性能参数有：流量，压头，轴功率效率和气蚀余量等离心泵性能参数间的关系通常用特性曲线来表示离心泵的主要性能参数1．流量Q第55页，共65页，2023年，2月20日，星期三轴功率大于有效功率，二者之比称为效率，用表示，即=(Ne/N)100%2．压头He离心泵的压头He又称扬程，它是指离心泵对单位重量(1N)的液体所能提供的有效能量，其单位为[J/N]=[m]。压头与泵的结构(如叶片的弯曲情况，叶轮直径等)、转速及流量等因素有关。对于一定的泵和转速，压头与流量有关，一般由实验测定。3．功率与效率功率分轴功率和有效功率：轴功率N是指泵轴所需的功率，即电机传给泵轴的功率，单位为W或kW。离心泵的有效功率Ne是指液体从叶轮获得的能量,单位为W或kW。第56页，共65页，2023年，2月20日，星期三小于1，离心泵在输送液体过程中存在能量损失，主要有三种：(1)容积损失

容积损失是指泵的泄漏所造成的损失，容积损失可由容积效率V表示。’(2)机械损失

由机械摩擦而引起的能量损失称为机械损失；用机械效率m来反映这种损失；(3)水力损失

粘性液体流经叶轮通道和蜗壳时产生的摩擦阻力以及在泵局部处而产生的局部阻力，统称为水力损失。这种损失可用水力效率h来反映。离心泵的效率反映上述三项能量损失的总和，故又称为总效率离心泵的效率在某一流量下为最高，而小于或大于该流量时都将降低。通常将最高效率下的流量称为额定流量。离心泵的效率与泵的类型、尺寸，制造精密程度、液体的流量和性质等有关。一般小型离心泵的效率为50～70％，大型泵可高达90％。离心泵输送液体中的能量传递、变化过程第57页，共65页，2023年，2月20日，星期三离心泵的轴功率随流量的增大而上升，流量为零时轴功率最小。图为4B20型离心水泵在2900r／min时的特性曲线，(二)离心泵的特性曲线离心泵的主要性能参数流量Q、压头H、轴功率N及效率η间的关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线，由实验测定。由H-Q，N—Q及η-Q三条曲线所组成。特性曲线随转速而变，故特性曲线图上一定要标出实验时的转速。(1)H-Q曲线

表示泵的压头与流量的关系。(2)N-Q曲线表示泵的轴功率与流量的关系。第58页，共65页，2023年，2月20日，星期三泵的效率随之而上升并达到一最大值，此后随流量再增大时效率便下降，离心泵在一定转速下有一最高效率点，通常称为设计点．离心泵启动时，应关闭泵的出口阀门，使启动电流减少，以保护电机。(3)—Q曲线表示泵的效率与流量的关系。当Q=0时，=0，随着流量增大，泵的轴功率随液体密度而改变，N-Q曲线不再适用；第59页，共65页，2023年，2月20日，星期三五、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度(一)、气蚀现象为避免气蚀现象产生，叶片入口附近的最低压强不能低于输送温度下液体的饱和蒸气压。（泵的安装高度不能过高）泵内最低压强的位置不易确定，一般都规定泵入口处的最低压强，称为入口处允许的最低压强第60页，共65页，2023年，2月20日，星期三(二)、离心泵的允许吸上高度Hg离心泵的允许吸上高度又称为允许安装高度，是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离。以左图分析有：于贮槽液面0—0，与泵入口处l—1，列柏努利方程式可得出其计算式(在允许安装高度下操作)：第61页，共65页，2