第一章 流体流动4.ppt

1、流体的流量是化工生产和科学实验过程中的重要参数之一。通过本知识点学习，要学会根据工艺要求和流体性质选用适宜的流量计并进行流量测量。,根据流体流动时各种机械能互相转换关系而设计的流速计与流量计分为两大类，即 差压（定截面）流量计，包括测速管（毕托管）、孔板流量计、文丘里流量计等，除测速管测定管截面上的点速度外，其余均测得平均速度。 截面（定压差）流量计（即转子流量计），直接测得流体的体积流量。,1.7 流量测量,（一）测速管,测速管又称皮托（Pitot）管，这是一种测量点速度的装置。它由两根弯成直角的同心套管所组成，外管的管口是封闭的，在外管前端壁面四周开有若干测压小孔，为了减小误差，测速管的前

2、端经常做成半球形以减少涡流。测量时，测速管可以放在管截面的任一位置上，并使其管口正对着管道中流体的流动方向，外管与内管的末端分别与液柱压差计的两臂相连接。,一. 差压流量计,1、结构,2、原理,A,B,内管A处,冲压能,外管B处,当流体流近测速管前端时，流体的动能全部转化为驻点静压能。,点速度：,3、安装,（1）测量点位于均匀流段，上、下游各有50d直管距离； （2）皮托管管口截面严格垂直于流动方向； （3）皮托管外径d0不应超过管内径d的1/50，即d0d/50 。,测管中心最大流速，由 求平均流速，再计算流量。,（1）皮托管测量流体的点速度，可测速度分布曲线；,（2）流量的求取：,由速度分

3、布曲线积分,讨论：,测速的优点是流动阻力小，可测速度分布，适宜大管道中气速测量。其缺点是不能测平均速度，需配微压差计，工作流体应不含固粒。,【例】在内径为300mm的管道中，以测速管测量管内空气的流量。测量点处的温度为20,真空度为490Pa，大气压强为98.66103Pa。测速管插至管道的中心线处。测压装置为微差压计，指时液是油和水，其密度分别为835kg/m3和998kg/m3，测得的读数为80mm。试求空气的质量流量（以每小时计）。,解：解题思路,（1）测管中心处的umax(微压差计),而,所以,（2）平均流速u,20时空气的粘度1.8110-5Pas，则,查图1-20,（3）空气的质量

4、流量,（二）孔板流量计,孔板流量计是一种应用很广泛的节流式流量计。在管道里插入一片与管轴垂直并带有通常为圆孔的金属板，孔的中心位于管道中心线上，如图所示。这样构成的装置，称为孔板流量计。孔板称为节流元件。,在管道中插一有圆孔的金属板孔板，为缩脉，流量越大，惯性越大，缩脉面积越小，流速越大，压强越小，故2压强差就和流量有一定的关系。,在1-1截面和2-2截面间列柏努利方程，暂不计能量损失,变形得,问题：（1）实际有能量损失； （2）缩脉处A2未知。,解决方法：用孔口速度u0替代缩脉处速度u2，引入 校正系数 C,由连续性方程,令,体积流量,质量流量,则,C0流量系数（孔流系数） A0孔面积。,讨

5、论：,（1）特点： 恒截面、变压差差压式流量计,（2）流量系数C0,对于取压方式、结构尺寸、加工状况均已规定的标准孔板,Re是以管道的内径d1计算的雷诺数,当Re Re临界时，,(3) 测量范围,一般 C0=0.60.7,孔板流量计的测量范围受U形压差计量程决定。,三、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 。,管路上安装孔板流量计以后,由于阻力增大,流体的最大通过能力经常下降很多.,对于设计型计算，先在C0=0.60.7的范围内取值，并且根据ReRec及C0直接读出A0/A1，求得d0。再进行校核。,安装孔板流量

6、计时，通常要求上游直管长度50d，下游直管长度10d。,注意,孔板流量计是一种容易制造的简单装置。当流量有较大变化时，为了调整测量条件，调换孔板亦很方便。它的主要缺点是流体经过孔板后能量损失较大，并随A0/A1的减小而加大。而且孔口边缘容易腐蚀和磨损，所以流量计应定期进行校正。,【例】密度为1600kg/m3，粘度为1.510-3Pas的溶液流经833.5mm的钢管。为了测定流量，于管路中装有标准孔板流量计，以U管水银压差计测量孔板前、后的压强差。溶液的最大流量为600L/min，并希望在最大流量下压差计的读数不超过600mm，采用角接取压法，试求孔板的孔径。,解：本例为设计型试差计算题。,设

7、ReRec，并初取C0=0.65，则,则,于是,m,核算,由图1-可知，当A0/A1=0.362时，上述的ReRec=1.06105，即C0确为常数，其值仅由 决定，从图上亦可查得C0=0.65，与假设相符。因此，孔板的孔径应为45.7mm。,(三） 文丘里（Venturi）流量计,属差压式流量计； 能量损失小，造价高。,测压环,文丘里流量计的流量计算式与孔板流量计相类似，即,CV流量系数（0.980.99） A0喉管处截面积,文丘里管的渐缩渐扩结构使流体流速改变时避免了边界层的分离,故阻力损失小,永久压力损失仅占压差读数的10%左右.,二、变截面的流量计-转子流量计,1、结构与原理,从转子的

8、悬浮高度直接读取流量数值。,组成：锥形玻璃管和转子,转子流量计由一个倒锥形的玻璃管和一个能上下移动的转子所构成，玻璃管外壁上刻有流量值。,测速原理,流量计垂直安装，流体自下而上通过转子与管壁间的环隙，转子随流量增大而上移，当转子受力达到平衡时，将悬浮在一定高度，流量值由壁面刻度读取。,2.流量计算公式,当转子稳定悬浮在一定高度时，对转子上、下两端面的流体截面列柏努利方程：,忽略位压头的变化及阻力损失,转子受力平衡,在1-1和0-0截面间列柏努利方程,与孔板流量计流量式整理方法相同，转子流量计公式为：,压差是定值，可通过对转子受力平衡分析确定其计算式。,流体的浮力,动能差,又,CR流量系数,因为

9、,所以,体积流量,（1）特点： 恒压差、恒流速、变截面截面式流量计。,讨论：,（2）刻度换算,标定流体：20水（1000kg/m3 ） 20、101.3kPa下空气（ 1.2kg/m3）,CR相同,同刻度时,式中：1标定流体； 2被测流体。,气体转子流量计,三、安装及优缺点,（1）永远垂直安装，且下进、上出， 安装支路，以便于检修。 （2）读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高； （3）玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。,涡能流量计,本章小结,一、流体静力学,1.压强（P）的表示,表压=绝对压强大气压 真空度=大气压绝对压强,标准大气压的换算关系： 1atm =

10、 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O =101.3kPa=1.033kgf/cm2=1.033工程大气压 1工程大气压=1at=1kg/cm2=10mH2O=735.6mmHg=9.81104pa,2.静力学基本方程,适用条件：静止的，连通着的同一种连续流体，该式表达了重力场中静止的连续不可压缩流体内部压强的变化规律。,应用静力学方程时要注意选取等压面。等压面是流体中压力相等的水平面，等压面必须同时满足静止的、连续的同一种流体、处于同一水平面这三个条件，缺一不可。,二、流体动力学,体积流量V(m3/s)，质量流量w(kg/s)，平均流速u(m/s)，质量流速G(kg

11、/m2.s),1.流量和流速,.稳态流动和非稳态流动,.稳态流动时的连续性方程,不可压缩性流体，,圆形管道 ：,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 。,4.柏努利方程,5.柏努利方程使用的要点,1）作图与确定衡算范围 根据题意画出流动系统的示意图，并指明流体的流动方向。定出上、下游截面，以明确流动系统的衡算范围。,2）截面的选取 两截面均应与流动方向相垂直，并且在两截面间的流体必须是连续的。所求的未知量应在截面上或在两截面之间，且截面上的Z、u、p等有关物理量，除所需求取的未知量外，都应该是已知的或能通过其它关系计算出来。,3）基准水平面的选取 基准水平面可以任意选取，但

12、必须与地面平行。如衡量系统为水平管道，则基准水平面通过管道的中心线，Z=0。,4）两截面上的压强 两截面的压强除要求单位一致外，还要求基准一致。,5）单位必须一致 在用柏努利方程式解题前，应把有关物理量换算成一致的单位，然后进行计算。,6.机械能,有效功率,流体输送机械的轴功率,三、流体流动的阻力,1. 牛顿粘性定律,液体的粘度，随温度的升高而降低 ，气体的粘度，随温度的升高而增大,2.流体的流动型态,当Re2000时，流动为层流，此区称为层流区； 当Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区； 当2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，与外界干扰有关，该区称为不稳定的过

13、渡区。,3.流体在直管中的流动阻力,范宁（Fanning）公式,4. 局部阻力,5.流体在管路中的总阻力,四、管路计算,管路计算的基本关系式是连续性方程，柏努力方程（包括静力学方程）及能量损失计算式（含的确定）。,1.简单管路计算,简单管路是指流体从入口到出口是在一条管路中流动，无分支或汇合的情形。整个管路直径可以相同，也可由内径不同的管子串联组成，,流体通过各串联管段的流量相等，总阻力损等于各管段损失之和。,1简单管路操作型计算,对一定的流体输送管路系统，核算在给定条件下的输送量或能量损失,2简单管路设计型计算,对于规定流量和推动力求管径的设计型计算，仍需试差法。试差起点一般是先选流速u，然

14、后计算d和We。由于不同的u对应一组d与We，需要选择一组最经济合理的数据优化设计。,2.复杂管路,.并联管路计算,主管总流量等于各并联管段之和，即 V=V1+V2+V3,各并联管段的压强降相等，即,.分支管路计算,主管总流量等于各支管流量之和，即 V=V1+V2,单位质量流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等，即,五、流速与流量的测定,本章练习,一、 填空或选择,1某设备的表压强为100kPa，则它的绝对压强为_kPa；另一设备的真空度为400mmHg，则它的绝对压强为_。（当地大气压为101.33 kPa）,答：201.33 kPa，360mmHg,2流体在圆形直管中作滞流流动

15、时，其速度分布是_型曲线。其管中心最大流速为平均流速的_倍，摩擦系数与Re关系为_。,答：抛物线，2， =64/Re,3.如图所示，容器中盛有800kg/m3的油品，U形管中指示液为水(1000kg/m3)，a1、a2、a3在同一水平面上，b1、b2、b3及b4也在同一高度上，h1=100mm，h2=200mm，则各点的表压pa1=_，pa2=_，pb2=_，pb3=_，h3=_。（表压值以mmH2O表示）,答：0，100，200，300，340，200,4流体在钢管内作湍流流动时，摩擦系数与_和_有关；若其作完全湍流（阻力平方区），则仅与_有关。,答：Re， ； ,5流体作湍流流动时，邻近管

16、壁处存在一_，雷诺数愈大，湍流程度愈剧烈，则该层厚度_。,答：滞流内层；愈薄,6.一转子流量计，当通过水流量为1m3/h时，测得该流量计进、出间压强降为20Pa；当流量增加到1.5m3/h时，相应的压强降_。,答：不变。,7.通常流体粘度随温度t的变化规律为,At升高、减小 Bt升高、增大,C对液体粘度t升高减小，对气体则相反. D对液体t升高增大，对气体则相反,C,8. 流体在圆形直管中流动时，若其已进入阻力平方区，则摩擦系数与雷诺数Re的关系为,ARe增加，增大 BRe增加，减小CRe增加，基本上不变 DRe增加，先增加大后减小,C,9.滞流和湍流的本质区别是,A湍流流速大于滞流流速 B滞流时Re数小于湍流时Re数 C流道截面大时为湍流，截面小的为滞流 D滞流无径向脉动，而湍流有径向脉动,D,10.滞流内层越薄,则以下结论是正确的,A近壁面处速度梯度越小 B流体湍动程度越低 C流动阻力越小 D流动阻力越大,D,11.在一水平变径管路中,在小管截面A和大管截面B连接一U型压差计,当流体流过该管时,压差计读数R值反映,AA、B两截面间的压强差 BA、B两截面间的流动阻力CA、B两截面间动压头变化 D突然