化工基础 第3章 流体流动过程及流体输送设备

1、第三章 流体流动过程及流体输送设备,3.1 流体的基本性质,3.2 流体流动的基本规律,3.3 流体压力和流量的测量,3.5 流体输送设备,3.4 管内流体流动的阻力,化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大多数是流体，涉及的过程大部分在流动条件下进行。流体的流动和输送是必不可少的过程操作。,选择输送流体所需管径尺寸。 确定输送流体所需能量和设备。 流体性能参数的测量, 控制。 研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供理论依据。 了解输送设备的工作原理和操作性能，正确地使用流体输送设备。,研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。,3.1 流体的基本性质,1密度,单位体积流体所具有的质量称为流体

2、的密度，其表达式为：,流体密度，km-3 ; m流体质量，kg；V流体体积，m3。,气体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气体状态方程进行计算：,=pM/RT,p气体压力 kNm-2或kPa；T气体温度 K；M气体摩尔质量 gmol-1；R气体常数Jmo1-1K-1。,= mV,化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组分的混合物。对于液体混合物，各组分的浓度常用质量分数表示。,i液体混合物中各纯组分液体的密度，kgm-3； wi液体混合物中各组分液体的质量分数。,i气体混合物各纯组分的密度，kgm-3；,i气体混合物中各组分的体积分数。,对于气体混合

3、物:,2比体积,单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积，以表示，它与流体的密度互为倒数:,一流体的比体积，m3kg-1； 流体的密度，kgm-3。,=1/,3压力,流体垂直作用于单位面积上的力称为压力：,p流体的压力，Pa； F流体垂直作用于面积A上的力，N； A作用面积，m2。,压力的单位Pa（Pascal，帕），即Nm-2。,Latm=760mmHg=1.01325105Pa=10.33mH2O=1.033kgf-2,常用压力单位与Pa之间的换算关系如下：,P = FA,压力有两种表达方式。一是以绝对零压为起点而计量的压力；另一是以大气压力为基准而计量的压力，当被测容器的压力高于大气压时

4、，所测压力称为表压，当测容器的压力低于大气压时，所测压力称为真空度。,两种表达压力间的换算关系为,表压=绝对压力-大气压力 真空度大气压力-绝对压力,用图31来表示其关系,4流量和流速,单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量。若流体量用体积来计量，称为体积流量，以符号qv表示，单位为m3s-1；若流体量用质量来计量，则称为质量流量，以符号qm表示，其单位为kgs-1。若流体量用物质的量表示，称为摩尔流量，以符号qn表示，其单位为mols-1。,qm=qV,质量流量与摩尔流量的关系为,qmMqn,体积流量和质量流量的关系为：,单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，称为流

5、体的流速，以u表示，单位为 ms-1。,u = qV/S,S 与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2,管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。 通常所说的流速是指流道整个截面上的平均流速，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表示：,质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，以w表示，单位为 kgs-1m-2，表达式为：,w = qmS,流速和质量流速两者之间的关系：,液体1.5 3.0ms-1，高粘度液体0.5 1.0 ms-1；气体102 0 ms-1，高压气体15 25 ms-1；饱和水蒸气204 0 ms-1，过热水蒸气30 50 m

6、s-1。,w =u,工业上用的流速范围大致为：,5粘度,粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要参数之一。流体的粘度越大，其流动性就越小。,流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速度向前流动，如图3-2所示。,平板间的流体剪应力与速度梯度,图3-3所示，将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力，上板就以某一恒定速度u沿着x方向运动。,实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层间的速度差u呈正比，与两层间的接触面积A呈正比，而与两层间的垂直距离y呈反比，即：,F(u/y)A,引入比例系数 ，则：,F=(u/y)A,单位

7、面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以表示，则有：,=FA=(u/y),当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系，则有：, =(du/dy),du/dy速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率,比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。,凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，所有气体和大多数液体都属于牛顿型流体。,液体的粘度随着温度的升高而减小，气体的粘度随着温度的升高而增加。,压力变化时，液体的粘度基本上不变，气体的粘度随压力的增加而增加得很少。,意义：剪应力的大小与速度梯度成正比。 描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。 物理意义:, 动力粘度，简称粘

8、度,=/(du/dy)=(Nm-2)/(ms-1m-1)=Nsm-2=Pas,流体的粘度还用粘度与密度的比值来表示，称为运动粘度，以v表示之：,对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进行计算,1 P=100cP（厘泊）=10-1Pas,单位为m2s-1 1st100 cst(厘沲)=10-4m2s-1,在工业上常常遇到各种流体的混合物。,m常压下混合气体的粘度； yi气体混合物中某一组分的摩尔分数；,m=（yiiMi1/2)（yiMi1/2),v =/,6. 流体类型, 牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。,气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。 非牛顿型流体, a表观粘度，非纯物性, 是剪应力

9、的函数。, 假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。 几乎所有高分子溶液或溶体属于假塑性流体。 胀塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。 粘塑性流体：当应力低于0 时，不流动；当应力高于0时，流动与牛顿型流体一样。 0 称为屈服应力。 如纸浆、牙膏、污水泥浆等。 触变性流体：表观粘度随时间的延长而减小，如油漆等。 粘弹性流体：既有粘性，又有弹性。当从大容器口挤出时， 挤出物会自动胀大。 如塑料和纤维生产中都存在这种现象。,3.2 流体流动的基本规律,1定态流动和非定态流动,流体在管道或设备中流动时，若在任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅

10、随位置而改变，但不随时间而改变，称为定态流动；反之，若流体在各截面上的有关物理量中，只要有一项随时间而变化，则称为非定态流动。,2定态流动过程物料衡算连续性方程,当流体在流动系统中作定态流动时，根据质量作用定律，在没有物料累积和泄漏的情况下，单位时间内通过流动系统任一截面的流体的质量应相等。,对上图所示截面11和22之间作物料衡算：,qm,1=qm,2,因为qm=uS，所以：,1u1S1 =2u2S,在任何一个截面上，则：,qm=1u1S12u2S2nunSn= 常数,对于不可压缩流体，=常数，则：,它反映在定态流动体系中，流量一定时，管路各截面上流体流速的变化规律。,qV = u1S1 =

11、u2S2 = = unSn = 常数,3流体定态流动过程的能量衡算柏努利方程,流动体系的能量形式主要有：流体的动能、位能、静压能以及流体本身的内能。,动能 流体以一定的流速流动时，便具有一定的动能。动能为mu2/2，单位为kJ。,位能 流体因受重力的作用，在不同高度处具有不同的位能，相当在高度Z处所做的功，即mgZ，单位为kJ。,静压能 静止流体内部任一处都存在一定的静压力。,把流体引入压力系统所做的功，称为流动功。流体由于外界对它作流动功而具有的能量，称为静压能。,内能 内能（又称热力学能）是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的内位能的总和。以U表示单位质量的流体所具

12、有的内能，则质量为m（kg）的流体的内能为mU，单位kJ。,流体的流动过程实质上是流动体系中各种形式能量之间的转化过程。,（1）理想流体流动过程的能量衡算,理想流体是指在流动时没有内摩擦力存在的流体，即粘度为零。,如上图，设在单位时间内有质量为m(kg)、密度为的理想流体在导管中做定态流动，在与流体流动的垂直方向上选取截面1-l和截面2-2，在两截面之间进行能量衡算。,今流体在截面 2-2处的流速为u2， 即,= mgZ1+m u12/2+p1m/,= mgZ2+m u22/2+p2m/,根据能量守恒定律，若在两截面之间没有外界能量输入，流体也没有对外界作功，则流体在截面1-1”和截面2-2”

13、之间应符合：,=,即 mgZ1+m u12/2+p1m/=mgZ2+m u22/2+p2m/,对于单位质量流体，则：,gZ1+ u12/2+p1/=gZ2+u22/2+p2/,对于单位重力（重力单位为牛顿）流体，有：,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g),工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位为JN-1，即m，称为“压头”，则Z、u2/(2g)和p/(g)分别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称为位压头、动压头和静压头。,使用压头形式表示能量时，应注明是哪一种流体，如流体是水，应说它的压头是多少米水柱。,以上各式都是理想流体在定态流动时的能

14、量衡算方程式，又称为柏努利方程（Bernoulli equation）,由柏努利方程可知，理想流体在管道各个截面上的每种能量并不一定相等，它们在流动时可以相互转化，但其在管道任一截面上各项能量之和相等，即总能量（或总压头）是一个常数。, 注意Bernoulli 方程的适用条件； 重力场中，连续稳定流动的不可压缩流体。 对可压缩流体，若开始和终了的压力变化不超过20%，密度取平均压力下的数值，也可应用上式。,流体静止，,几点说明： 注意式中各项的意义及单位； 三种形式机械能的相互转换； Bernoulli 方程与静力学方程关系；, 等压面 定义: 静止、连续的均质流体，处于同一水平面上的各点压力

15、相等,关于静力学方程的讨论,实例：,等压面概念, p0变化某一数值，则 p改变同样大小数值压力的可传递性,或,重力场中的压力分布, 静止流体内部，各不同截面上的压力能和势能两者之和为常数。, 静力学方程的几种不同形式,应用 单位统一； 基准统一； 选择界面，条件充分，垂直流动方向； 原则上沿流动方向上任意两截面均可。,a) 虹吸管,在0-0 和1-1面间列柏努利方程,可得：,位能 动能,理想流体能量分布,为克服流动阻力使流体流动，往往需要安装流体输送机械（如泵或风机）。设单位重力的流体从流体输送机械所获得的外加压头为He，单位JN-1域m。,则实际流体在流动时的柏努利方程为：,对于静止状态的流

16、体，u=0，没有外加能量，He =0，而且也没有因摩擦而造成的阻力损失hf=0，则柏努利方程简化为：,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hf,p1- p2= g(Z1 -Z2),Z1+ p1/(g) =Z2+p2/(g),或,实际流体在流动时，由于流体粘性的存在，必然造成阻力损失。,（2）实际流体流动过程的能量衡算,压力头损失,损失的机械能,实际流体柏努利方程几种表达形式及意义,位能,静压能,动能,有效功,位头,压力头,动压头,有效压头,（速度头）,连续性方程和柏努利方程可用来计算化工生产中流体的流速或流量、流体输送所需的压头和功率等流体流

17、动方面的实际问题。,4流体流动规律的应用举例,在应用柏努利方程时，应该注意以下几点。, 依题意画出流程示意图，标明流动方向； 选取适当截面，与流向垂直； 截面的选取应包含待求的未 知量和尽可能多的已知量，如大截面、敞开截面； 式中各项的单位相同； 基准一致，压力基准，位头基准； 流速使用所选截面上平均速度； 有效功率 Pe：,或, 效率,P 输送机械的轴功率,如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7 m，水从108 mm4 mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5 m。已知水流经系统的能量损失可按hf=5.5u2计算，其中u为水在管内的平均流速（m/s）。设流动为稳态，试计算（1）A-A截面处

18、水的平均流速；（2）水的流量（m3/h）。,解：（1）A- A截面处水的平均流速 在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程,得 （1） 式中 z1=7 m，u10，p1=0（表压） z2=1.5 m，p2=0（表压），ub2 =5.5 u2 代入式（1）得 （2）水的流量（以m3/h计）,例3-4 用离心泵将贮槽中的料液输送到蒸发器内，敞口贮槽内液面维持恒定。已知料液的密度为 1200 kgm-3，蒸发器上部的蒸发室内操作压力为 200 mm Hg(真空度)，蒸发器进料口高于贮槽内的液面 15 m，输送管道的直径为 68 mm 4mm，送液量为 20 m3h-1。设溶液流经全部管路的能量

19、损失为12.23 JN-1(不包括出口的能量损失)，若泵的效率为60，试求泵的功率。,（4）流体输送设备所需功率的确定,式中 ZI=0，ul0，p 1=0（表压）；Z2=15 m， 因为 qv=20/3600=5.5610-3m3s-1 S=（0.06820.004）2m2/4 =2.83 10-3 m2 故 u2=qv/S=5.56 10-3m3S-1/2.83 103m2 =1.97 ms-1 又 p2=200 .013 105/760 = 2.67 104Pa（真空度） = -2.67 104Pa（表压）,解：取贮槽液面为截面1-1，管路出口内侧为截面2-2，并以截面1-l为基准水平面。

20、在截面1-1和截面2-2之间进行能量衡算，有：,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hf,Pe=qmgHe=qvgHe=1200 kgm-35.56103 m3s-19.81m/s225.16m =1.65103W=1.65kw,f12.23 JN-1,将上列各数值代入拍努利方程式得：,He=15 m1.9722m2s-2/(29.81ms-1)-2.67104kgs -2m-1/(12009.81 kgs-2m-2) + 12.23 m =25.16 m液柱,泵的理论功率：,实际功率：P=Pe/=1.65kw/0.60=2.75 kw,3.

21、3 流体压力和流量的测量,化工生产中，为了监视和控制工艺过程，实时测量流体性能参数, 所用测量仪表有不同的类型。,测压管:,绝压:,气压计:, 测压管和气压计,表压:,1.流体压力的测量, U形管压差计 选基准面列静力学方程,若U形管压差计一端与大气相通，则可测得表压（或绝压）。, 倾斜液柱压差计, 微差压差计,目的： 恒定设备内的压力， 防止超压；,(2) 液封高度,液封高度计算：, 防止气体外泄； 水封, 以机械能衡算方程为基础的测定方法，应用公式：,2 流速和流量测定, 流体的速度和流量测定是一个重要的测量参数； 测量用的方法和流量计的种类很多。,1 测速管（毕托管 Pitot ） (1

22、) 结构 同心套管、压差计 。,(2) 测量原理 未放测速管时，截面各点均为静压能。 放入测速管后， 外管：开口平行于流向 pB静压能； 内管：开口垂直于流向 pA滞点压力。 滞点压力(冲压能) =静压能+动能,CP：校正系数，一般取0.981.00 (实测) 流量计标定：校正流量计的过程。 (3) 使用方法,1) 测量点速度 问题：如何测平均流速、流量、速度分布 平均流速：放于管中心处，测出 umax， 层流： 湍流：,a）管口截面： 严格垂直于流体的流动方向；,b）测量点选择： 在稳定流动段（直管段）， 且前后直管各50d , 至少 8-12d；,c）毕托管直径： 外径不超过管径的1/50

23、；,d）测量气体时： 压力变化不超过15%； 要求气体流速 5 m/s；,e）压差较小时： 可配合微差压差计使用。,3) 适用条件 大直径管路，流体含固体杂质时不宜采用。,2) 安装,4）毕托管的优点： 结构简单； 使用方便； 流体的机械能损失很少。 5）毕托管的局限性： 测速管较多地用于测量气体流场中某点的速度； 测压孔易堵塞。,2 孔板流量计 (1) 结构及特点 1) 结构 孔板：测量元件； 缩脉：孔板后1/32/3 d 处。,压差计两种取压方式： 缩脉取压：孔板前1d 孔板后0.5d处。 角接取压：孔板前后，并尽量靠近孔板。 工业上，常用角接取压。 2) 特点：节流式流量计 (恒截面，变

24、压差),(2) 测量原理 在上图所示的1-1、2-2面间列机械能衡算方程：,若不考虑阻力损失，有：,或,考虑阻力损失，并以孔口流速u0代替缩脉处速度u2，则有：,又, 流量系数或孔流系数,式中：,(3) 安装要求 1) 稳定段长度：上游1540d，下游5d处； 2) 不宜安装在要求阻力很小处(如泵入口)。 (4) 主要优缺点 优点：结构简单，制造、使用方便，造价低； 缺点：永久阻力损失大（实测压差的75%）。,3 文丘里流量计 (1) 结构及特点 1) 结构,2) 特点 节流式流量计 (恒截面，变压差),(2) 测量原理 列1-1及2-2面间的机械能方程式：,(3) 安装要求 稳定段长度：上游

25、50d，下游10d。 (4) 主要优缺点 优点：永久阻力损失小(实测压差p1-3的10%)； 缺点：造价较高，本身尺寸较长。,(5) 孔板流量计和文丘里流量计 1) 只能测平均流速，不能测速度分布； 2) 采用试差法求流量系数Cv 或 C0； 3) 可绘制校正曲线，直接查取压差-流量关系。,4 转子流量计 (1) 结构与特点 1）结构 锥形体（锥角约40）； 转子（密度大于流体密度）。,2) 特点： 变截面，恒压差。,列1-1及2-2间伯努利方程：,(2) 测量原理 原理：转子在流体中受力平衡 对控制体(含转子的圆柱体)作力衡算：,(3) 流量计的校正 刻度标准(厂家)：液体 20、 水； 气

26、体 20、101325 Pa的空气。,(5) 使用 1) 用于清洁或腐蚀性流体测量； 2) 玻璃管不耐高温、高压，易碎； 3) 开启时，应缓慢调节流量阀。,1) 必须垂直安装（只能测垂直管中流量）； 2) 必须保证转子位于管中心； （转子上刻有斜槽） 3) 各种流量计在管路中的安装； 为便于检修，各种流量计均应有旁路。,(4) 安装,1) 优点 阻力损失小，测量范围宽， 流量计前后不需稳定管段。,(6) 转子流量计的优缺点,2) 缺点 不耐高压 (小于0.5 MPa)， 管道直径有限 (小于50mm)。,3.4 管内流体流动的阻力,流体本身具有粘性，流体流动时因产生内摩擦力而消耗能量，是流体阻

27、力损失产生的根本原因。管道大小、内壁形状、粗糙度等影响着流体流动状况，是流体产生阻力的外部条件。本节介绍管路与系统的管、管件、阀门，并讨论流体的流动形态和管内流体流动阻力的定量计算。,1. 管、管件及阀门简介,(1) 管,管子种类繁多。有铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属管、塑料管及橡胶管等。,常把玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；旧钢管和铸铁管称为粗糙管.,钢管分有缝钢管和无缝钢管,管子按照管材的性质，可分为光滑管和粗糙管。,管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度，以表示。绝对粗糙度与管内径d的比值，称为相对粗糙度。表3-1列出了部分管道的绝对粗糙度。,（ 3）阀门 阀门在管道中用

28、以切断流动或调节流量。常用的阀门有截止阀、闸阀和止逆阀等。,（2）管件 用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。,2. 流动的形态,为了解流体在管内流动状况及影响因素，雷诺设计的实验可直接观察到不同的流动形态。实验装置如图所示。,（1）两种流动形态,流速不大时墨水呈一条直线，平稳流过管，质点彼此平行的沿着,管轴的方向作直线运动，质点与质点之间互不混合。这种流动形态称为滞流或层流。,开大阀门时，墨水线开始出现波动。流速继续增大，细线消失，墨水与水完全混合。,表明水的质点除了沿着管道向前流动以外，各质点还作不规则的紊乱运动，且彼此相互碰撞，互相混合，水流质点除了沿管轴方向流动外，还有径向

29、的复杂运动，这种流动形态称为湍流或紊流。,1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。,（2）雷诺实验现象,两种稳定的流动状态：层流、湍流。,用红墨水观察管中水的流动状态,湍流： 主体做轴向运动，同时有径向脉动； 特征：流体质点的脉动 。,层流： * 流体质点做直线运动； * 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞； * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力。,过渡流： 不是独立流型（层流+湍流）， 流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。,（3）流动形态的判据,影响流体流动的因素除流速u外，还有流体流过的通道管径d的大小，及流体的物理性质如粘度和密度。称为雷诺数，以符号Re表示：

30、,流体在圆形直管中流动时，当Re2000，流体流动形态为滞流；当 Re4000时，流体流动形态为湍流；而当2000Re4000 时，流体的流动则认为处于一种过渡状态，可以是滞流，也可以是湍流。,Redu/,若将各物理量的量纲代入，则有：,Re=LLT-1ML-3/ML-1T-1,实验分析, 影响状态的因素：,Re是量纲为一数群, 圆形直管中 Re2000 稳定的层流,Re 4000 稳定的湍流,2000 Re 4000 不稳定的过渡流,计算非圆形管的Re值时，要以当量直径de代替d。 当量直径de定义为：,de=4流体流动截面积/流道润湿周边长度,如图所示，滞流时流速沿管径呈抛物线分布，管中心

31、处流速最大，管截面各点速度的平均值为管中心处最大速度的0.5倍； 湍流时，流体质点强烈湍动有利于交换能量，使得管截面靠中心部分速度分布比较均匀流速分布曲线前沿平坦，湍流的流速分布曲线与雷诺数大小有关，湍流的平均速度约为最大速度的0.8倍。,3 直圆管内流体的流动,（1）剪应力分布,稳态流动:,整理得：,（2） 层流的速度分布,可见，层流流动的速度分布为一抛物线； 壁面处速度最小，0 管中心处速度最大,或,因此,说明：圆管内层流流动时的几个重要关系,对比,（3） 湍流时的速度分布和剪应力 湍流描述 主要特征：质点的脉动 瞬时速度= 时均速度+ 脉动速度,涡流粘度，与流动状态有关 。,湍流时,较常

32、见的情况，当Re处于1.11053.2106之间时，,指数,此时,获得方法：实测、经验公式, 速度分布,通常可取,精确计算时，利用下图。,纵坐标：,横坐标：,求平均流速的方法: 速度分布未知, 速度分布已知,由于流体粘性作用，近壁面处的流体将相继受阻而降速。随着流体沿壁面向前运动，流速受影响的区域逐渐扩大。将流体受壁面影响而存在速度梯度的区域称为流体流动的边界层。一般把边界层厚度定义为自壁面到流速达到流体主体流速 99处的区域。,当流体流入圆管时，只在进口附近一段距离内有边界层内外之分。如图3-21所示。当管流雷诺数等于9 105时，入口管长度约为40倍管直径。,4 边界层概念,流体流过较大曲

33、率的物体时，会发生边界层分离现象。如图3-22，流体流过圆柱体时，在圆柱表面ABC处逐步形成边界层，并因流动截面受阻而在B处流速最大。,（1）流动边界层的形成 边界层的形成条件 流动； 实际流体； 流过固体表面。 形成过程 流体流经固体表面； 由于粘性，接触固体表面流体的流速为零 ； 附着在固体表面的流体对相邻流层流动起阻碍作用，使其流速下降；对相邻流层的影响，在离开壁的方向上传递，并逐渐减小。 最终影响减小至零，当流速接近或达到主流的流速时，速度梯度减少至零。,湍流流动时在靠近管壁处总有一层作滞流流动的流体薄层，称之为滞流底层。滞流内层的存在对传热过程和传质过程有很大的影响。,生产中的流体流

34、动大多数是以湍流形态进行的。,流体流过单球体,(c)边界层分离的条件, 逆压梯度 壁面附近的粘性摩擦,(d) 边界层分离对流动的影响 边界层分离大量旋涡消耗能量增大阻力。 由于边界层分离造成的能量损失，称为形体阻力损失。 边界层分离使系统阻力增大。 (e) 减小或避免边界层分离的措施 改变表面的形状， 如汽车、飞机、桥墩都是流线型。,3管内流动阻力计算,管内流动阻力可分为直管阻力和局部阻力。直管阻力是当流体在直管中流动时因内摩擦力而产生的阻力；局部阻力是流体在流动中，由于管道的局部阻力障碍所引起的阻力。,流体阻力的表示方法 对应于机械能衡算的三种形式，流体阻力损失亦有三种表达形式：,阻力损失与

35、压力差的区别： pf 流体流经两截面间的机械能损失； p 任意两点间的压力差。,kJ/kg,m,Pa,二者之间的关系：,管路中的流动阻力=直管阻力+局部阻力 直管阻力：由于流体和管壁之间的摩擦而产生； 局部阻力：由于速度的大小或方向的改变而引起。,即：水平、等径直管，无外功加入时，两截面间的阻力损失 与两截面间的压力差在数值上相等。,流体在管路中流动阻力与流速有关。流速愈快，能量损失就愈大，即阻力损失与流体的动压头呈正比,式中是一比例系数，称为阻力系数。,(1)直管阻力的计算,在柏努利方程式中, hf是指流体在管路系统中的总阻力损失，,hf=hfhl,设其静压力分别为p1和P2，且p1P2，在

36、两个截面之间的柏努利方程式为：,如图，流体在长为l，内径为d的管内以流速u作定态流动，,在等径水平管内，有Z1= Z2，u1= u2=u，上式变为：,垂直作用于流体柱两端截面1-1和2-2上的力分别为：,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g)+ hf,p1-p2=ghf,F1=p1A1= p1d12/4,F2=p2A2= p2 d22/4,d1=d2=d，故推动流体流动的推动力,F1- F2 =(p1-p2) d2/4,而平行作用于管内表面上的摩擦力F为,F =dl,流体在管内作定态等速流动，作用于流体上的推动力和摩擦阻力必然大小相等，方向相反，有：,

37、(p1-p2) d2/4=dl,p1-p2=4l/d,hf =4l/gd,得,得,上式称为范宁(Fanning)公式，是直管阻力的计算通式。流体在直管内流动的阻力及压力损失与流体流速和管道几何尺寸呈正比，比例系数称为摩擦阻力系数。,J/kg,m,Pa,范宁公式的其它表达方法 计算流体流动阻力的一般公式,所以,如图所示，选管中心至管壁的任一r处的流体圆筒，管长为l，则截面积为r2，滑动表面积为2rl。取微分距离dr, 滑动摩擦阻力为：,要克服F而使流体流动，流体必须接受与其大小相等、方向相反的推动力-(p1-p2)r2，即有,滞流时的摩擦阻力系数,整理并积分，得：,-(p1-p2)r2= 2rl

38、,r：0R，u：umax0,pR222lumax,以d=2R，u=umax/2代入，并整理,=64/Re,p =32ul/d2,或, Hangen-Poiseuille方程,其它推导方法：,湍流时的摩擦阻力系数,湍流时，流体质点是不规则的紊乱运动，质点间互相碰撞激烈，瞬间改变方向和大小。 Re越大，滞流底层越薄，管壁粗糙度对湍流阻力的影响越大。因而，湍流的流体阻力或摩擦阻力系数还与管壁粗糙度有关。,a析因实验 对所研究的过程作理论分析和探索，寻找影响过程的主要因素。影响的诸因素为：,量纲分析法是通过把变量组合成为一数群，减少了实验变量个数，相应减少了实验次数。该法在工程上广泛应用。可假设为下列

39、幂函数形式：,实验研究的步骤和方法,p=f(d, l, u, , ),b规划实验 确定所研究的物理量与各影响因素的具体关系，需在其它变量不变下，多次改变一个变量。采用正交实验法、量纲分析法等简化实验。,PK d a l b u cde f,代入并整理得：,du/为雷诺数Re； 称为欧拉数，以 Eu表示； d为相对粗糙度。,c.实验数据处理 获得量纲为一数群后，它们间的关系还需通过实验，并将实验数据进行处理，用适当方式表达出来。对于湍流摩擦阻力系数为,对于光滑管（= 0），常用的关联式有柏拉修斯（Blasius）公式,PK d b-e-f l b u2-e 1-ee f,将指数相同的变量合并，得

40、,= (Re,/d),=0.316 4 Re0.25,上式适用于湍流区的整个范围。,工程上，经常用共线图将与Re和/d的关系形象化，将经验关系式转换成图线,如图3-25所示。,上式适用于流体在光滑管中, 3000Re105范围内的计算。,对于粗糙管，常见的有加考莱布鲁克公式,-1/2= 1.742 lg2/d18.7(Re1/2),粗糙度对的影响： 层流时：绕过突出物，对无影响。 湍流时： 当Re较小时，层流底层厚，形体阻力小，突出物对的 影响小； 当高度湍流时，层流底层薄，突出物充分暴露，形成 较大的形体阻力，突出物对的影响大。,d. 完全湍流区 Re足够大时,与 Re无关,仅与/d有关。

41、hfu2,例3-6 20的水在直径为460mm3.5mm的镀锌铁管中以1ms-1的流速流动，试求水通过100m长度管子的压力降及压头损失为多少。,a滞流区 Re2 000，64/Re,与/d无关。,b过渡区 2 000Re4000，流形为非定态易波动, 常作湍流处理。,c. 湍流区 Re4000以及虚线以下区域,与 Re和/d均有关,随 Re的增大而减小, 随/d增大而增大. hfu1.75,在图 3-25找到 Re=5.26104，再在右边找到/d0.004的线，通过两者的交点在左边读出值0.031。,Pf=(l/d)(u2/2) 0.031(100m/0.053m)(998.2kgm-31

42、2m2s-2/2) =2.92104 Nm-2,压头损失为： hf=(l/d)u2/(2g) =0.031(100m/0.053m)(12m2s-2/29.807ms-2) =2.98 m水柱,解：查手册得20水,=998.2kgm-3,=1.00510-3Pas 已知 d=60-3.52=53mm, l=100m,u=1ms-1 所以 Re=du/=0.0531998.2/1.00510-3=5.26 104,取镀锌铁管绝对粗糙度=0.2mm,则/d=0.2/53=0.004,将上述数据代入压力降公式，得：,阻力系数法 将局部阻力所引起的能量损失，表示为动压头的一个倍数，即 hl=u2/(2

43、g) 为局部阻力系数。,a突然扩大与突然收缩 流体流过的管道直径突然扩大或突然收缩时，局部阻力系数可根据小管与大管的截面积之比S1/S2。,（2）局部阻力的计算,局部阻力的计算方法有阻力系数法和当量长度法两种。,b进口和出口 当流体从容器进入管内时，可看作从很大截面 S1突然流入很小截面S2。,当量长度法 将局部阻力损失折算成相当长度的直管的阻力损失，此相当的管长度称为当量长度le。,在湍流条件下，某些常见管件与阀门的当量长度折算关系如图3-27所示。,采用当量长度法计算管路的局部阻力：,hl=(le/d)u2/(2g),例3-7 要求向精馏塔中以均匀的流速进料，现装设一高位糟，使得料液自动流

44、入精馏塔中，如附图所示。若高位槽的液面保持1.5m的高度不变，塔内操作压力为0.4kgfcm-2(表压)，塔的进料量需维持在50m3h-1，则高位槽的液面应该高出塔的进料口多少米才能达到要求？若已知料液的粘度为1.510-3Pas，密度为900 kgm-3，连接管的尺寸为108mm4 mm的钢管，其长度为h+1.5 m，管道上的管件有 180的回弯头、截止阀及 90的弯头各一个。,解：取高位槽内液面为截面1-1，精馏塔的加料口内侧为截面2-2，并取此加料口的中心线为基准水平面。在两截面间列柏努利方程:,hfhfhl(l+le)/du2/(2g),Redu/0.1001.77900/0.0011

45、.06105,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g)+ h f,式中 Z1=h，Z2=0, u10,u2=(50/3 600)/(0.100/2)2=1.77 ms-1,(p2-p1)/(g)=0.49.807104/(9009.807) 4.44 m液柱,取0.3 mm，/d0.3/100=0.003， 查图得 0.0275,hf (l/d) u2/(2g)0.0275(h1.5)/0.100(1.772/29.807)=0.044(h+1.5),物料由贮槽流入管子，取le12.1；180弯头le210；截止阀(按1/2开度计), le3=28；90

46、 弯头le44.5,结果表明高位槽液面至少高出塔内进料口6.93m，才能满足精馏塔的进料要求。,0.0275(2.l10284.5)/0.100l.772/(29.807)=1.96m液柱,hl (le/d) u2/(2g) (le1+ le2+ le3+ le4)/du2/(2g),将以上数据代入柏努利方程：,h4.441.772/(29.807)0.044(h1.5)1.96,解得：h6.93 m,3.5 流体输送设备,流体流动需要一定的推动力来克服管路和设备的阻力，才能把流体从低处送到高处，或从低压系统输送到高压系统。一般把输送液体的机械通称为泵，输送气体的机械称为风机或压缩机。,离心式

47、 利用高速旋转的叶轮给流体提供动能。 正位移式 利用活塞、齿轮、螺杆等直接挤压流体 不属于上述类型的其它形式的泵，如喷射泵。,本节以离心泵和往复压缩机为例，简单介绍它们的基本构造、原理及其相关特性。,作用：向系统输入能量，补充所需机械能； 用于流体的输送或加压。,1.离心泵,离心泵的构造和工作原理,离心泵是化工生产上广泛应用的一种液体输送设备。它的主要构造如图所示。泵的主要部件有：叶轮、泵轴、蜗状泵壳、吸入管、压出管及底阀等。,蜗壳（外壳）； 叶轮：敞式,半蔽式,蔽式 单吸式、双吸式。 附属装置：底阀、滤网、调节阀、平衡孔(平衡管)、排气孔、轴封。,1.1 离心泵的基本结构，工作原理 (1)

48、离心泵的结构 主要结构：,离心泵外形：,(2) 工作原理 (a) 排出阶段 叶轮旋转(产生离心力，使液体获得能量）流体流入涡壳(动能静压能) 流向输出管路。,(b) 吸入阶段 液体自叶轮中心甩向外缘 叶轮中心形成低压区 贮槽液面与泵入口形成压差 液体吸入泵内。,气缚现象：泵内未充满液体，气体密度低，产生离心力小， 在叶轮中心形成的低压不足以将液体吸上。,说明：离心泵无自吸能力，启动前必须将泵体内充满液体。,离心泵结构示意图,(c) 主要部件作用,泵壳：动能静压能，提高液体压力, 能量转换装置。,叶轮：把原动机(电机)的机械能，传递给液体，提高液体的 动能和静压能。 叶轮形式：叶轮由612片叶片

49、组成。 按叶片两侧有无盖板: 敞式、半蔽式、蔽式。,叶轮的类型,按吸液方式：单吸式、双吸式。,蔽式叶轮：适用于输送清洁液体 敞式和半蔽式叶轮：流道不易堵塞，适用于输送含有固体颗粒的液体悬浮液，效率低。,单吸式：结构简单，液体从叶轮一侧被吸入。 双吸式：吸液能力大，基本上消除轴向推力。,单吸式与双吸式叶轮,（2）离心泵的主要性能参数,离心泵的主要性能参数包括： 扬程、流量、功率和效率。,功率 在单位时间内，液体自泵实际得到的功称为泵的有效功率。用符号Ne表示，单位为W。,扬程 泵对单位重力的流体所做的功称为扬程(或压头)，亦即液体进出泵前后的压头差，用符号He表示，单位为米液柱。,流量 离心泵的

50、流量又称排液量或输送能力，指在单位时间内泵所排送的液体数量，用符号qv表示，单位为m3s-1或m3h-1。,效率 离心泵的效率与泵的大小、类型、制造精度和输送液体的性质有关。泵的有效功率Ne、轴功率Na和效率三者之间的关系如下：,离心泵的主要性能参数之间的关系由实验确定，测出的流量与扬程、功率, 效率之间的关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线。,NeqvgHe,式中 He泵的扬程，m； 一流体的密度，kgm-3 qv泵的流量，m3s-1 g重力加速度，ms-2。,=NeNa,（3）离心泵的特性曲线,上图是离心水泵的特性曲线。其遵循下面的规律：,qvHe曲线离心泵的扬程随着流量的增大而下降

51、。,qvNe曲线离心泵的功率随着流量的增大而升高。,qv曲线 效率开始时随流量的增大而增加，达到最大值后，如继续增大流量，则泵效率反而下降。,离心泵的转速与He, Ne及qV的关系式如下：,（4）离心泵的安装高度和气蚀现象,泵在与最高效率点对应的流量,扬程下工作最为经济。,qv,l/qv,2=nl/n2 He,lHe,2=(nln2)2 Ne,1Ne,2=(nln2)3,Hg=(P0P1)/(g)u12/(2g)hf,能量衡算式为：,P0/(g)HgP1/(g)u12/(2g)hf,或,(P0P1)/g称为离心泵吸上真空高度，记作Hs， P1越小，Hs越大，Hg便越大。,但P1等于或小于在当时

52、温度下的饱和蒸气压时，液体将生成大量气泡，气泡随液体流到叶轮压力较高的区域后，被压缩、破裂又突然凝结，产生很大的冲击力冲击叶轮和泵壳内表面，使叶轮和泵壳内表面造成严重的剥蚀现象，这种现象称为“气蚀”。,泵的气蚀现象刚发生时，所对应的吸上真空高度称为最大吸上真空高度(Hs,max)。为了保证泵在运转中不发生气蚀现象，规定留有0.3米的安全量，称为允许吸上真空高度(Hs)：,Hs=Hs,max- 0.3,如果输送条件与泵样本所给条件不相符时，用下式加以校正：,式中 Hs新条件下的允许吸上真空高度，m水柱； Hs泵样本上的允许吸上真空高度, m水柱； Ha泵工作地方的大气压，其值随海拔高度不同而异，

53、m水柱； Hv被输送液体的饱和蒸气压, m水柱； 10293 K测定时的大气压力，m水柱； 0.24在293 K时水的饱和蒸气压，m水柱。,Hs Hs+(Ha-10) (Hv-0.24),2往复压缩机,压缩机 压缩比在4以上，终压在300kPa(表压)以上。分为低压压缩机(表压在2-10kPa)、中压压缩机(表压在10-100kPa)和高压压缩机(表压在100-1000 kPa)。,通风机 压缩比在11.15间，终压不大于14.7kPa(表压),按其出口压力或压缩比可分为以下几类。,鼓风机 压缩比小于4，终压在 14.7-300 kPa(表压)。,真空泵 用于减压操作，终压相当于当时当地的大气

54、压力。,吸气过程 压缩过程 排气过程,如图是单动往复压缩机的结构及其操作原理示意图。,往复式压缩机的工作过程可分为吸气、压缩和排气三个步骤进行。,每一个工作循环都是吸入状态相同的低压气体，排出状态相同的高压气体。,压缩机每一个实际工作循环是由膨胀一吸气一压缩一排气四个连续的过程所组成。封闭曲线4l234表示了一个完整的工作循环。,降低了排气的温度； 节省压缩所需的功率； 提高了气缸的容积利用率。,多级压缩的优点是：,根据热力学原理，气体受压缩时，它的体积、压力和温度都发生了变化，是一个多变的压缩过程。,本章从流体的基本性质开始，对流体流动的基本规律流体流动的连续性方程（质量守恒定律在流体流动过程中的应用，用于不同截面上流体流速的相互转换）和流体流动的柏努利方程（能量守恒定律在流体流动过程中的应用，用于各类管路计算）作了详尽讨论。造成流体流动能量损失的内因是流体的粘性，外因是流动的外