流体输送设备的工作过程及操作技术-流体流动的基本知识

基本化工生产技术课程项目二流体输送设备的工作过程及操作技术静态流体的特点01任务三流体流动的基本知识点流量方程式02稳定流动及物料衡算03稳定流动系统的能量衡算——柏努利方程04流体阻力05静态流体的特点子任务一静态流体的特点

——静态液体的特点流体静力学：研究静止流体内部压力变化的规律。液体气体流体流体：指具有流动性的物体工程上可按不可压缩性流体考虑属于可压缩性流体流体压缩性：流体的体积随压强和温度而变的性质静态流体的特点

——流体静力学基本方程设：敞口容器内盛有密度为

的静止流体，取任意一个垂直流体液柱，上下底面积均为Am2。作用在上、下端面上并指向此两端面的压力，分别为P1和P2

该液柱在垂直方向上受到的作用力有:（1）作用在液柱上端面上的总压力P1

P1=p1A（N）（2）作用在液柱下端面上的总压力P2

P2=p2A（N）（3）作用于整个液柱的重力G

G=gA（Z1-Z2）（N）静态流体的特点

——流体静力学基本方程由于液柱处于静止状态，在垂直方向上的三个作用力的合力为零，即：p1A+

gA（Z1-Z2）-–p2A=0

令：h=（Z1-Z2）整理得：p2=p1+

gh

若将液柱上端取在液面，并设液面上方的压强为p0

；则：p0=p1+

gh以上二式均称为流体静力学基本方程式，它阐明了静止流体内部任一点流体静压力的大小与其位置的关系。即：静止流体内部某一点的压强等于作用在其上方的压强加上液柱的重力压强。静态流体的特点

——静力学基本方程静力学基本方程讨论123456在静止的液体中，液体任一点的压力与液体密度和其深度有关。ρ

;h

;p

在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压力均相等。此压力相当的面，称为等压面。当液体上方的压力有变化时，液体内部各点的压力也发生同样大小的变化压强差的大小也可利用一定高度的液体柱来表示方程是以不可压缩流体推导出来的，对于可压缩性的气体，只适用于压强变化不大的情况静态流体的特点

——静力学基本方程的应用

1、测量流体的压差或压力①U管压差计的结构如图，使用时内装指示液。对指示液的要求：指示液要与被测流体不互溶，不起化学作用，且其密度应大于被测流体的密度。通常采用的指示液有：水、油、四氯化碳或汞等。静态流体的特点——静力学基本方程的应用

1、测量流体的压差或压力②原理：等压面上的A点和B点压力应相等（）设流体作用在两支管口的压力为和，且

，

A-B截面为等压面根据流体静力学基本方程式分别对U管左侧和U管右侧进行计算整理得：

静态流体的特点——静力学基本方程的应用

1、测量流体的压差或压力1压差（P1-P2)只与指示液的读数R及指示液同被测流体的密度差有关23讨论若压差△p一定时，（）越小，读数R越大，误差较小若被测流体为气体，气体的密度仅为液体密度的千分之一左右，即静态流体的特点——静力学基本方程的应用

1、测量流体的压差或压力③应用测量压力差U形管两端分别与测压点相连测量表压U形管一端大气，一端被测流体图1-4测量表压图1-5测量真空度静态流体的特点——静力学基本方程的应用

1、液位的测量图1-7玻璃液位计图1-8液柱压差计液位的测量玻璃管液面计液柱压差计静态流体的特点——静力学基本方程的应用3、液封高度的计算1做图2找等压面3单位一致静态流体的特点——小结静态流体的特点12静力学方程及应用基本化工生产技术课程项目二流体输送设备的工作过程及操作技术静态流体的特点01任务三流体流动的基本知识点流量方程式02稳定流动及物料衡算03稳定流动系统的能量衡算——柏努利方程04流体阻力05流量方程式子任务二流量方程式及其应用——流量1、流量：单位时间内流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量流量体积流量质量流量流量方程式及其应用——流量（1）体积流量：单位时间内流经管道任一截面的流体体积，称为体积流量符号：qv单位：m3/s或m3/h液体：qv=f（T）气体：qv=f（T,p）流量方程式及其应用——流量（2）质量流量：单位时间内流经管道任一截面的流体质量，称为质量流量符号：q单位：kg/s或kg/h质量流量与T和P无关质量流量与体积流量的关系为：流量方程式及其应用——流速2、流速：单位时间内流体在流动方向流过的距离，称为流速流速平均流速质量流速流量方程式及其应用——流量（1）平均流速：流体在同一截面上各点流速的平均值符号：u单位：m/s流速与流量的关系：或者：流量方程式及其应用——流量（2）质量流速：质量流量与管道截面积之比称为质量流速符号：G单位：kg/（m2·s）质量流速的物理意义：单位时间内流过管道单位截面积的流体质量。流量方程式及其应用——流量方程式

1、流量和流速——流量方程式1

d

u

，阻力

,动力消耗

,日常操作费用

;，设备费

；反之，u

，d

，阻力

,动力消耗

日常操作费用

;，设备费

2讨论选定适宜流速确定管径，以总费用最小为原则流量方程式及其应用——管径的选取管径选取的步骤1选取的适宜流速U计2初算管子内径d计3按标准选定管子内径d4校和实际流速u5代入单位均为法定单位流量方程式及其应用——小结流量的定义及计算12流速的定义及计算3流量方程式基本化工生产技术课程项目二流体输送设备的工作过程及操作技术静态流体的特点01任务三流体流动的基本知识点流量方程式02稳定流动及物料衡算03稳定流动系统的能量衡算——柏努利方程04流体阻力05稳定流动及物料衡算子任务三稳定流动及物料衡算——稳定与不稳定流动稳定流动与不稳定流动稳定流动不稳定流动流动系统中流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而改变，而不随时间而改变流体在流动时，任一截面处流体的流速、压力、密度等有关物理量不仅随位置而改变，而且也随时间发生变化稳定流动及物料衡算——连续性方程式衡算范围：截面1-1与截面2-2的管段衡算基准：1S衡算对象：连续流动的流体对于连续稳定系统：稳定流动及物料衡算——连续性方程式或者：即，流速与截面积成反比1、若流体是不可压缩性的液体，其密度不变，则稳定流动及物料衡算——连续性方程式即，流速与管径的平方成反比2、对于圆形截面的管子，则稳定流动及物料衡算——连续性方程式因气体可压缩，可变化，固不可忽略3、流体为气体，则稳定流动及物料衡算——小结稳定流动与不稳定流动12连续性方程式基本化工生产技术课程项目二流体输送设备的工作过程及操作技术静态流体的特点01任务三流体流动的基本知识点流量方程式02稳定流动及物料衡算03稳定流动系统的能量衡算——柏努利方程04流体阻力05稳定流动系统的能量衡算——柏努利方程子任务四流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程1、流体流动时所具有的机械能流体流动时所具有的机械能位能动能静压能外加能量损失能量流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程（1）位能：由于流体几何位置的高低而决定的能量。位能是一个相对值，其大小随所选基准水平面的位置而定。mkg流体的位能=mgz单位：J1kg流体的位能=zg单位：J/kg1N流体的位能=z单位：J/N流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程（2）动能：由于流体有一定流速具有的能量。mkg流体的动能=mu2/2单位：J1kg流体的动能=u2/2

单位：J/kg1N流体的动能=u2/2g

单位：J/N流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程（3）静压能：流体克服截面上的压力而作的功，即由于流体有一定静压力而具有的能量。mkg流体的静压能=mp

/2单位：J1kg流体的静压能=p/单位：J/kg1N流体的静压能=u2/2g单位：J/N流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程mkg流体的总机械能：1kg流体的总机械能：1N流体的总机械能：单位：J单位：J/kg单位：J/N流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程（4）外加能量：1kg流体从输送机械所获得的机械能。用

表示

单位：J/kg1N流体的外加能量：单位：J/N流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程（5）损失能量：1kg流体克服两截面间各项阻力所消耗的能量1N流体的损失能量：单位：J/N用

表示

单位：J/kg流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程以单位质量（1Kg）流体为衡算基准:单位：J/kg2、流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程（1）若输送无黏性、流动时不产生摩擦阻力的理想流体时3、柏努利方程的分析及讨论物理意义:①理想流体进行稳定流动时，在管路任一截面的流体总机械能是一个常数。②流体在不同截面间各种机械能的形式可以互相转化，转化前后总能量是守恒的。流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程3、柏努利方程的分析及讨论流体自然流动时只能从机械能较高的截面流向机械能较低的截面。（2）若且即流体自然流动流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程3、柏努利方程的分析及讨论或（3）若流体静止且流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程3、柏努利方程的分析及讨论（4）若才单位重量（1N）流体为衡算基准：式中各项单位为：流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程3、柏努利方程的分析及讨论（5）以单位体积流体为衡算基准：式中各项单位为：流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程3、柏努利方程的分析及讨论（6）输送机械的有效功率及效率：有效功率为：效率为：流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程3、柏努利方程的分析及讨论（7）对于气体，当时，仍可使用式中的流体密度应以两截面之间流体的平均密度代替流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程4、应用柏努利方程时应注意以下几点：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截面的选取：与流体的流动方向相垂直，两截面间流体应是稳定连续流动各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压如果两个横截面积相差很大，则可取大截面处的流速为零。不同基准柏努利方程式的选用：通常依据习题中损失能量或损失压头的单位，选用相同基准的柏努利方程。123456流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程5、柏努利方程的解题步骤：123做图并正确选取截面列方程式并简化方程代入已知条件，求解未知量静态流体的特点——小结柏努利方程时的注意事项12柏努利方程式的解题步骤基本化工生产技术课程项目二流体输送设备的工作过程及操作技术静态流体的特点01任务三流体流动的基本知识点流量方程式02稳定流动及物料衡算03稳定流动系统的能量衡算——柏努利方程04流体阻力05流体阻力子任务五流体阻力——流体的黏度一、流体的黏度1、流体阻力的表现和来源（1）阻力的表现由两截面间的柏努利方程式可得：即：流体阻力——流体的黏度一、流体的黏度1、流体阻力的表现和来源（2）流体阻力的来源1、内摩擦是产生流体阻力的根本原因2、流体流动状况是产生流体阻力的第二位原因管壁粗糙程度和管子的长度、直径均对流体阻力的大小有影响流体阻力——流体的黏度一、流体的黏度2、流体的黏度黏性：流体流动时流层之间产生内摩擦力的这种特性，称为黏性。黏性是决定流体内摩擦力大小的物理量。黏性↑、内摩擦力↑、流体阻力↑黏度：衡量流体黏性大小的物理量。（黏性系数或动力黏度）符号：

流体阻力——流体的黏度一、流体的黏度（1）黏度的单位物理单位制：（dyn·s/cm2），称为（泊），符号：P黏性是决定流体内摩擦力大小的物理量。黏性↑、内摩擦力↑、流体阻力↑由于泊的单位太大，一般常用的是厘泊（cP）。1P＝100cPSI制中：（N·s/m2）或（Pa·s）流体阻力——流体的黏度一、流体的黏度（1）黏度的单位物理单位制中黏度的单位与SI制中黏度单位的换算关系如下：

1Pa·s=10P=1000cP=1000mPa·s或者1cP=1mPa·s流体的黏度随温度而变化。压力对流体黏度的影响可忽略不计。

液体:

T↑，

↓。气体：T↑，

↑。

流体阻力——流体的黏度一、流体的黏度3、运动黏度运动黏度：粘度μ与密度ρ的之比流体阻力——流体流动的类型二、流体流动的类型1、雷诺实验流体阻力——流体流动的类型二、流体流动的类型2、流体类型及其判定流体的流动类型层流（或带流）湍流（或紊流）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；即分层流动。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。流体阻力——流体流动的类型二、流体流动的类型2、流体类型及其判定流动类型判定依据——雷诺准数物理意义：反映了影响流体流动类型的主要因素，标志着流体流动的湍动程度流动类型层流区Re≤2000时，流动为层流湍流区Re≥4000时，一般出现湍流过渡区2000<Re<4000时，流动可能是层流，也可能是湍流流体阻力——圆管内流体的速度分布三、圆管内流体的速度分布1、层流时的速度分布流体阻力——圆管内流体的速度分布三、圆管内流体的速度分布2、湍流时的速度分布流体阻力——圆管内流体的速度分布三、圆管内流体的速度分布3、流体边界层：在湍流时无论流体主体湍动的程度如何剧烈，在靠近管壁处总粘附着一层作层流流动的流体薄层其厚度虽然很小，但对流体传热、传质等方面影响很大。层流边界层的厚度与Re有关，Re值越大，厚度越小；反之越大。流体阻力——流体阻力的计算四、流体阻力的计算直管阻力流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力。（或称沿程阻力）