第一章-流体力学基础10

1、第一章 流体力学基础,流体的输送：根据生产要求，往往要将这些流体按照生产程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成流体输送的任务，实现生产的连续化。,压强、流速和流量的测量：以便更好的掌握生产状况。,为强化过程提供适宜的流动条件： 除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下进行的，以便降低传递阻力，减小设备尺寸。流体流动状态对这些单元操作有较大影响。,研究流体的意义,流体的压缩性和膨胀性,可压缩流体：流体的体积如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体。,不可压缩流体：流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体。,实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不

2、可压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如果压力或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流体处理。,几个基本概念,稳定流动（定态流动）,如：流速 定态：u=f(x,y,z) 桶内液面维持不变，放水。,非定态：u=f(x,y,z,t) 桶内液面变化，放水。,连续生产过程中的流体流动，多视为稳定流动，在开工或停工阶段，则可能属于不稳定流动。生产过程以稳定流动为主。,稳定流动：流体在流动时，在任一点上的流速、压力等有关物理参数仅随位置变化而不随时间改变。,设想有两块面积很大而相距很近的平板，其间充满液体，如图所示：,令下块板保持不动，上板以F 力向右推动。此平行于平板的切向力使平板以速度u做匀速

3、运动，两板间的液体于是分成无数薄层而运动。紧贴于上板的流体层以同一速度u流动，而以下各层速度逐渐降低，紧贴于下板表面的一薄层速度为零。,1.1 牛顿流体及其粘度,1.1.1 牛顿内摩擦定律,运动着的流体内 部相邻两流体层间 的作用力，称为流 体的内摩擦力，是 流体粘性的表现， 又称为粘滞力或 粘性摩擦力。 流体流动时产生内摩擦力的性质称为粘性。流体粘性越大，其流动性越小。 流体流动时的内摩擦是流体阻力产生的依据。,牛顿内摩擦定律,比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度。,实验证明，对大多数流体，切应力服从牛顿内摩擦定律,速度分布不是直线规

4、律时,SI单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为：,在物理单位制中： P，泊,1.1.2 粘度的单位 在SI制中：,运动粘度,m2/s,牛顿型流体和非流动流体,1）凡遵循牛顿粘性定义的流体称为牛顿型流体；否则 为非流动型流体。 牛顿型流体，如水、空气等； 2) 非流动型流体，如某些高分子溶液、悬浮液、泥浆 和血液等。 3) 本书所涉及的流体多为牛顿型流体。,1）完全没有粘性称为理想流体； 2) 具有粘性的流体称为粘性流体； 3）自然界中不存在真正的理想流体。,1.1.3 理想流体,流体静力学 流体静力学主要研究流体流体静止时其内部压强变化的规律。用描述这一规律的数学表达式，称为流体静力学基本方

5、程式。先介绍有关概念。,流体静力学（补充内容）,1标准大气压(atm)=1.013 105 Pa =10.33mH2O =760mmHg,1 基本概念,压力可以有不同的计量基准。,绝对压力：以绝对真空(即零大气压)为基准。,表压：以当地大气压为基准。它与绝对压力的关系，可用下式表示： 表压绝对压力大气压力,真空度：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，即： 真空度大气压力绝对压力,注意：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说明时均可按标准大气压计算。,压强的表示方法 ,注意书写时要标注表压或真空度 例如：釜内压强为 2103 Pa (表)，2kPa(真空度),2 流体

6、静力学基本方程式,在垂直方向上作用于液柱的力有： 下底面所受之向上总压力为p2A； 上底面所受之向下总压力为p1A； 整个液柱之重力GgA(Z1-Z2)。,上两式即为液体静力学基本方程式.,p2p1g(Z1-Z2),由上式可知：,当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，与液体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。此压力相等的水平面，称为等压面。,当液面的上方压力p0有变化时，必将引起液体内部各点压力发生同样大小的变化。,p2p0gh可改写为,由上式可知，压力或压力差的大小可用液柱高度表示。,例：图中开口的容器内盛有

7、油和水，油层高度h1=0.7m,密度,水层高度h2=0.6m，密度为,1）判断下列两关系是否成立PAPA，PBPB。 2）计算玻璃管内水的高度h。,解：（1）判断题给两关系是否成立 A，A在静止的连通着的同一种液体的同一水平面上,因B，B虽在同一水平面上，但不是连通着的同一种液体，即截面B-B不是等压面，故,（2）计算水在玻璃管内的高度h,PA和PA又分别可用流体静力学方程表示,设大气压为Pa,指示剂的选择,指示液密度0，被测流体密度为，图中a、b两点的压力是相等的，因为这两点都在同一种静止液体（指示液）的同一水平面上。通过这个关系，便可求出p1p2的值。,3 流体静力学基本方程式应用在过程生

8、产中，有些仪表是以静力学基本方程式为理论依据的。一、压强与压强差测量 1 U型管液柱压差计, 指示液必须与被测流体不互容； 不起化学反应； 大于被测流体的密度。,指示液随被测流体的不同而不同。 常用指示液：汞、四氯化碳、水、液体石蜡等。,下图所示是倒U型管压差计。该压差计是利用被测量液体本身作为指示液的。压力差p1p2可根据液柱高度差R进行计算。,例1-4 如附图所示，常温水在管道中流过。为测定a、b两点的压力差，安装一U型压差计，试计算a、b两点的压力差为若干？已知水与汞的密度分别为1000kg/m3及13600kg/m3。,解 取管道截面a、b处压力分别为pa与pb。根据连续、静止的同一液

9、体内同一水平面上各点压力相等的原理，则 p1p1 （a）,p1paxH2Og p1=RHgg+p2=RHgg+p2=RHgg+pb（Rx）H2Og,根据式（a） papbxH2OgRHgg（Rx）H2Og RHggRH2Og 0.1(13600-1000) 9.81 =1.24 104Pa,说明： 图中平衡器的小室2中所装的液体与容器里的液体相同。 平衡器里的液面高度维持在容器液面容许到达的最大高度处。 容器里的液面高度可根据压差计的读数R求得。液面越高，读数越小。当液面达到最大高度时，压差计的读数为零。,1容器； 2平衡器的小室； 3U形管压差计,二、液面测定,为了安全起见，实际安装时管子插

10、入液面下的深度应比上式计算值略低。,作用：控制设备内气压不超过规定的数值，当设备内压力超过规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备操作的安全。,若设备要求压力不超过P1（表压），按静力学基本方程式，则水封管插入液面下的深度h为,三、确定液封高度,1.2.2 稳定流动体系的能量平衡,一. 稳定流动热力体系的概念,热量交换,物质交换,功交换,二. 稳定流动体系的能量平衡,设一定时间内进出体系的流体质量为m,（1）位能 mgZ,（2）动能 mu2,（3）内能 E=me,（4）压力能（流动功）mP/,（5）外功 W=mw,（6）热量 Q=mq,对于定态流动系统：输入能量=输出能量,对于单位质量流体,外

11、界加给体系的热量和功全部用于流体焓、位能和动能的增加。,h为单位质量流体所具有的焓,稳定流动的总能量方程式,（1）通过换热器的流动,外界对体系的加热量等于流体焓值的增量,总能量方程的应用,（2）通过喷嘴的流动,1,2,流体流过收缩喷嘴时获得的动能等于流体韩志的增加,（3）通过节流阀的流动,流体截流前后的焓值不变,1.2.3 不可压缩理想流体的稳定流动与柏努力方程,位压头 静压头 动压头,1kg,1N,1m3, 选取截面注意问题,1.2.4 不可压缩实际流体的稳定流动,摩擦损失（水头损失）,输送设备的压头（扬程）,本节主要内容：,不可压缩流体的运动规律 层流和紊流 能量损失的原因和计算方法 沿程

12、阻力和局部阻力系数的计算公式及图表,1.3 管中流动,1.3.1 管中稳定流动连续性方程,2.质量流量 G （kg/s） 单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称为质量流量。 3.体积流量与质量流量之间的关系为： G=Q,1. 体积流量 Q （m3/s） 单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为体积流量。,4.平均速度 一般以管道截面积除体积流量所得的值，来表示流体在管道中的速度。此种速度称为平均速度，简称流速。 uQ/A=G/(A),uQ/A=G/(A),G1=1 u1 A1 G2=2 u2 A2,对于稳定流动：G1=G2,1 u1 A1 =2 u2 A2,稳定流动时的连续性方程,即,对于

13、不可压缩流体,u1 A1 = u2 A2,对于圆形管道,1.3.2 雷诺实验与雷诺数,雷诺实验装置 1-小瓶；2-细管；3-水箱； 4-水平玻璃管；5-阀门；6-溢流装置,Re=(du)/,流动型态的判据雷诺数,实验证明：流体在管内流动时 层流 Re 2000 紊流 Re 4000 过渡流 2000 Re 4000,1.3.3 水力直径（当量直径）,对于非圆形管道，可用水力直径dH代替管道直径d,dH=4A/S,S:流体与固体接触周长（流道截面上润湿周边长度）,1.3.4 圆管中的层流,由压力差产生的推力,流体层间内摩擦力,（管壁处rR时，u0）积分可得速度分布方程,注意适用范围,哈根-泊肃叶

14、定律,取半径r处宽度为dr的微小环形面积，可得流量为,（1-17）,1.3.4.2,1.3.4.4 沿程损失,（1）压强损失,由哈根-泊肃叶定律得,用平均速度计算的压强损失为,等径直管中,（2）水头损失,摩擦损失（水头损失）,输送设备的压头（扬程）,表示为,其中层流沿程阻力系数,（达西公式）,对于等径管路,1.3.5 圆管中的紊流,1.3.5.1 粘性底层（层流底层）、水力光滑管与水力粗糙管,脉动现象-与层流的本质区别,质点的概念,绝对粗糙度：管壁凸出部分的平均高度,层流底层的厚度与流体的粘度成正比，与速度u成反比，与沿程阻力系数有关。（随雷诺数Re的增大而减小）,当 时称为水力光滑管,当 时

15、称为水力粗糙管,水力光滑与水力粗糙同几何上的光滑与粗糙有区别,相对粗糙度： /d,层流底层的厚度较小，但它在紊流中的作用却不能忽视。,见图1-9,1.3.6 管路中的沿程阻力,无论是层流还是紊流同样应用达西公式计算沿程阻力,所以，确定沿程阻力的关键是确定阻力系数,（1）层流区 Re 2000,（2）临界区 2000Re 4000,1.3.5.3 湍流的速度分布,（3）光滑管紊流区 当Re 4000 时,（4）过渡区,（5）粗糙管紊流区,完全紊流区中与Re无关，又称为平方阻力区,4.7 管路中的局部阻力,计算方法有阻力系数法和当量长度法,1.阻力系数法：将局部阻力损失折合成管中平均速度表示 的动

16、压头的倍数,2.当量长度法：将局部阻力损失折合成具有相同直径、长 度为当量长度 le的沿程阻力损失。,总水头损失=沿程损失+局部损失,1 u1 A1 =2 u2 A2,dH=4A/S,稳定流动时的连续性方程,u1 A1 =u2 A2,沿程,局部,沿程,局部,1.4 管路计算与流量测量,4.1 管路计算,连续性方程： 柏努利方程: 阻力计算式：,u1 A1 = u2 A2 = Q,二、计算的主要内容：,1. 已知管径，管长，管件和阀门，计算功率,2. 已知管长，管件和阀门，求输送量,3. 已知管长，管件和阀门，求直径,后两种情况存在着共同的问题，即流速u或管径d为未知，因此不能计算Re，则无法判

17、断流体的流型，故不能确定摩擦系数。在工程计算中常采用试差法或其它方法来求解。,一、特点,（1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变。,不可压缩流体,Q1,d1,Q3,d3,Q2,d2,(2) 整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和 。,无分支（等径或异径串联）,5.1.1 简单管路计算,用泵将贮槽(通大气)中的稀碱液送到蒸发器中进行浓缩，如附图 所示。泵的进口管为893.5mm的钢管，碱液在进口管的流速为1.5m/s，泵的出口管为76 2.5mm的钢管。贮槽中碱液的液面距蒸发器入口处的垂直距离为7m，碱液经管路系统的能量损失为40J/kg，蒸发器内碱液蒸发压力保持

18、在 0.2kgf/cm2（表压），碱液的密度为1100kg/m3。试计算所需的外加能量。,基准,式中，z1=0，z2 =7；p1=(表压)，p2=0.2kgf/cm29.8104=19600Pa，u10, u2=u1(d2/d1)2=1.5( (89-23.5) /(76-22.5)2=2.0m/s,代入上式， 得W=128.41J/kg,(1)选取截面 连续流体； 两截面均应与流动方向相垂直。,用柏努利方程式解题时的注意事项：,(2)确定基准面 基准面是用以衡量位能大小的基准。,强调：只要在连续稳定的范围内，任意两个截面均可选用。不过，为了计算方便，截面常取在输送系统的起点和终点的相应截面，

19、因为起点和终点的已知条件多。,(3)压力 柏努利方程式中的压力p1与p2只能同时使用表压或绝对压力，不能混合使用。,(4)外加能量 外加能量W在上游一侧为正，能量损失在下游一侧为正。 应用式(1-32)计算所求得的外加能量W是对每kg流体而言的。若要计算的轴功率，需将W乘以质量流量，再除以效率。,从高位槽向塔内加料。高位槽和塔内的压力均为大气压。要求料液在管内以0.5m/s的速度流动。设料液在管内压头损失为1.2m（不包括出口压头损失），试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米？,解 ：选取高位槽的液面作为1-1截面， 选在管出口处内侧为2-2截面，以0-0截面为基准面，在两截面间列柏努利方程

20、，则有,式中 p1=p2=0（表压）,u1=0（高位槽截面与管截面相差很大，故高位槽截面的流速与管内流速相比，其值很小可以忽略不计）,u2=1.5m/s,hf=1.2m,z1-z2=x,x=1.2m,计算结果表明，动能项数值很小，流体位能主要用于克服管路阻力。,1、测速管（皮托管） 2、孔板流量计 3、文丘里流量计 4、转子流量计,第七节 流量的测定,1 测速管,u1,R,当被测的流体为气体时，上式可化简为,注：测速管测得的是流体的点速度。,缩脉：流体截面 的最小处。,2 孔板流量计,忽略流体从截面1-1流动至孔口0-0的阻力损失，根据柏努利方程有：,考虑到两取压口之间有阻力损失，将上式右边加

21、一校正系数CD,若采用正U型管压差计测量压差，则：,流量系数,C0与哪些因素有关？ C0主要取决于管道流动的Re1和面积比m 、测压方式、孔口形状、加工光洁度、孔板厚度和管壁粗糙度也对C0有影响。对以上情况都规定的标准孔板， C0 = f(Re1 , m)，其关系由实验测定。,如图所示为标准孔板（角接法）的C0曲线，此图为单对数坐标图。,安装及优缺点,（1）安装在稳定流段，上游l10d，下游l5d； （2）结构简单，制造与安装方便 ； （3）能量损失较大 。,3 文丘里管 将测量管段制成如图所示的渐缩渐扩管，避免了突然缩小和突然扩大，阻力损失大大降低。这种管称为文丘里管。在距文丘里管开始收缩处

22、之前至少1/2管径处设为上游取压口，下游取压口通常设在文氏喉（最小截面）附近，两取压口连接U压差计，就构成文丘里流量计。,孔板流量计和文丘里流量计均是恒截面变压差（变阻力）流量计。变阻力流量计是人为设置一阻力构件（如孔板），造成局部阻力（压降），利用能量守恒原理及连续性方程关联此压降与流速乃至流量的关系。下面介绍另一种恒压差变截面的流量计转子流量计。,4 转子流量计,一、结构与原理,组成：锥形玻璃管和转子 原理：转子上下的压差与转子的净重力（重力与浮力之差）相等。,第六节 液体输送设备,概 述,在食品的生产加工中，常常需要将液体 从低处输送到高处； 从低压送至高压； 沿管道送至较远的地方。 为

23、达到此目的，必须对流体加入外功，以克服流体阻力及补充输送液体时所不足的能量。,泵的分类,1 按工作原理分,叶片式泵 有高速旋转的叶轮。 如离心泵、轴流泵、涡流泵。 往 复 泵 靠往复运动的活塞排挤液体。如活塞泵、柱塞泵等。 旋转式泵 靠旋转运动的部件推挤液体。如齿轮泵、螺杆泵等。,清水泵 适用于粘度与水相近的、无腐蚀性、不含杂质的流体，如离心泵。 油泵 适用于高粘度的流体。如齿轮泵、旋转泵等。 耐腐蚀泵 杂质泵,2 按用途分,6.2.1 离心泵,离心泵的外观,工作状况,6.2 叶片泵的性能参数,单级：只有一个叶轮,ISG 型管道离心泵,多级：多个叶轮，可 提供更高 的扬程,叶轮个数,离心泵装置

24、简图,吸上原理与气缚、气蚀现象,叶轮中心低压的形成液体高速离开,离心泵启动时，若泵内存有空气，由于空气密度很低，旋转后产生的离心力小，因而叶轮中心区所形成的低压不足以将储槽内的液体吸入泵内，虽启动离心泵也不能输送液体。此种现象称为气缚，表示离心泵无自吸能力，所以必须在启动前向壳内灌满液体。,离心泵工作时，在叶轮中心区域产生真空形成低压而将液体吸上。如果形成的低压很低，则离心泵的吸上能力越强，表现为吸上高度越高。但是，真空区压强太低，以致于低于体的液饱和蒸汽压，则被吸上的液体在真空区发生大量汽化产生气泡。含气泡的液体挤入高压区后急剧凝结或破裂。因气泡的消失产生局部真空，周围的液体就以极高的速度流

25、向气泡中心，瞬间产生了极大的局部冲击力，造成对叶轮和泵壳的冲击， 使材料受到破坏。把泵内气泡的 形成和破裂而使叶轮材料受到破 坏的过程，称为气蚀。,1离心泵的主要性能参数,（1）压头（扬程）H：,1N流体通过泵获得的机械能。,J/N, m,Hz,（2）流量 Q ，/或m3/泵的流量（又称送液能力）是指单位时间内泵所输送的液体体积。,（3）(叶轮)转速n：,10003000r/min；2900r/min常见,（4）轴功率P ：单位时间原动机输入泵轴的能量,有效功率Pe：,单位时间液体获得的能量,（5）效率： = Pe/ P,100%,泵运转过程中存在以下三种损失： 容积损失 该损失是指叶轮出口处

26、高压液体 因机械泄漏返回叶轮入口所造成的 能量损失。在三种叶轮中，开式叶 轮的容积损失较大，但在泵送含固 体颗粒的悬浮液时，叶片通道不易堵塞；闭式叶轮的渗漏量较小，但在磨损后渗漏便严重。 水力损失 该损失是由于实际流体在泵内有限叶片作用下各种摩擦损失 机械损失 该损失包括旋转叶轮盖板外表面与液体间的摩擦以及轴承机械摩擦所造成的能量损失。,6.2.2 正位移泵的主要性能参数,往复泵,往复泵的流量和压头,（1）理论平均流量,单动,双动,（2）实际平均流量,=容积效率理论平均流量,与压头无关,（3）往复泵的压头,挤压供液，H任意高。,材料强度，密封，电机负载,最终取决于管路特性,（4）功率和效率,计

27、量泵,隔膜泵,齿轮泵,齿轮泵,剖开,2.8.3.5 螺杆泵,2 工作原理,旋转泵的一种,螺纹在旋转时有推进作用,单螺杆,双螺杆,三螺杆,6.2.3泵的特性曲线,HQ,PQ,Q,厂家实验测定产品说明书,20C清水,(1)叶片式泵的特性,离心泵性能特点,离心泵特性曲线,HQ,PQ,在一定转速下20的清水测得,泵在最高效率点条件下操作最为经济合理，但实际上泵往往不可能正好在该条件下运转，一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区。高效率区的效率应不低于最高效率的92%左右。,强调：泵在铭牌上所标明的都是最高效率点下的流量，压头和功率。离心泵产品目录和说明书上还常常注明最高效率区的流量、压头和功率的范

28、围等。,泵的高效率区,离心泵启动时应将出口阀关闭，为什么？,(2)正位移泵的特性,重要特性: 在一定的转数下,泵的理论流量为常数.,6.3 离心泵的安装高度,安装高度:,问题：,液面到泵入口处的垂直距离(Zs),安装高度有无限制？,Zs,s,s,a,a,Pa,由上式可见，在流速，阻力及大气压变化不大时要使吸上高度Zs增大，则（Pa-Ps)越大越好，即Ps越小越好。,截面a-a与s-s间,令,吸上真空高度,最大吸上真空高度,允许吸上真空高度Hsp,Hs，max,Hs，max,Zsp=Hsp,泵的允许安装高度,汽蚀余量与允许安装高度,气蚀余量：泵吸入口处单位液体所具有的超过气化压力能的富裕能量,H

29、s，max,Zsp=,Q ，hf ，H , H Q,管路&流体一定,6.4 管路特性,f(Q),管路特性方程(曲线),工作点,泵的特性 & 管路的特性,工作点确定：,联解两特性方程,作图，两曲线交点,工作点（Q,H,N, ）,泵的实际工作状态,离心泵的工作点,泵的特性曲线,管路的特性曲线,泵的HQ与管路的HQ曲线的交点,阀门开度对工作点的影响,泵转速对工作点的影响,按照终压与压缩比 通风机： 鼓风机： 压缩机： 真空泵：,终压不大于14.7103Pa (表压),终压为14.7103294103Pa ，压缩比小于4。,终压在294103Pa以上，压缩比大于4。,将低于大气压强的气体从容器或设备内

30、抽至大气中。,按结构与工作原理 离心式、往复式、旋转式和流体作用式,第八节气体输送原理与设备,8-1离心式通风机与鼓风机,1、离心式通风机 离心式通风机按所产生的风压不同，分为： 低压离心通风机： 中压离心通风机： 高压离心通风机 ：,出口风压低于1103Pa (表压)；,出口风压为：1103Pa3103Pa (表压),出口风压为：3103Pa15103Pa (表压),1）离心式通风机的结构,风压的定义，单位,离心通风机,2）离心通风机的性能参数 （1）风量：,指气体通过进风口的体积流率，以Q表示，单位为m3/h或m3/s。气体的体积按进口状态计。,（2）风压：,指单位体积的气体通过通风机时所

31、获得的能量，单位为N/m2，与压强单位相同，以HT表示。取决于风机的结构，叶轮尺寸，转速与进入风机的气体的密度。,目前，还不能用理论方法精确计算离心通风机的风 压，而是由试验测定。,在通风机的进口截面1-1和出口截面2-2间列柏努力方程：,简化为,（P2P1）称为静风压，以HSt表示,称为动风压。,离心通风机的风压为静风压和动风压之和，称为全风压。,（3）功率和效率 离心通风机的轴功率为：,3）离心通风机的特性曲线,4）离心通风机的选用 选择离心通风机的主要步骤为： （1）根据气体的种类（清洁空气、易燃气体、腐蚀性气体、含尘气体、高温气体等）与风压范围，确定风机的类型 （2）据所要求的风量与全压，从产品样本或规格目