任务一流体流动

流体流动及输送机械(1）掌握流体的主要物性（如密度、粘度等）数据的求取及不同单位间的换算；（2）掌握静力学方程式、连续性方程式、机械能衡算方程式（柏努利方程式）的内容和应用；（3）掌握流体两种流动类型的判断方法；（4）掌握流体在管路中流动时流动阻力的计算（包括直管阻力和局部阻力），流体适宜流速的选择及管路直径的确定；（5）掌握管路中流体的压力、流速和流量的测定原理及方法，了解毕托管、孔板流量计和转子流量计的测量原理，简单结构和特点；（6）掌握离心泵的基本结构、工作原理、主要特性参数、特性曲线及其应用、流量调节、串并联特性、泵的安装、操作注意事项及选型；（7）了解管路的构成，管件及阀门的作用，学会简单管路和复杂管路的相关计算方法。（8）了解流体输送设备在生产中的应用及分类；（9）了解往复泵、漩涡泵等的工作原理、特性、流量调节方法、安装要点及适应范围等（1）流体静力学基本方程式（2）连续性方程（3）伯努利方程及其应用 流体静力学是研究流体在外力作用下达到平衡时，流体内部压强变化的规律。本章只讨论流体在重力作用下的平衡规律。一、基本概念1、流体的密度（1）概念：单位流体体积所具有的质量称为流体的密度，以表示。=m/V kg/m3（2）单位：不同的单位制，密度的单位及数值不同，可从手册查得有关物质的密度，手册上查得密度与操作条件下密度间的换算=TP/TP（上标“”表示手册中所指定的条件）。（3）液体一般认为是不可压缩流体，其密度只随温度变化，压力对其影响不大T；气体是可压缩流体，其密度随温度、压强的变化而变化，T、P，因此，气体的密度要注明状态。（4）对于气体，一般当P不太高、T不太低时，可按理想气体处理，由理想气体方程求得：PV=nRT n=m/M =PM/RT（5）相对密度流体在某温度下的密度与水在4时的密度之比，称为相对密度dt 4=t/4水 t=dt 44水（6）比容单位质量流体所具有的体积，以表示，单位m3/kg =1/2、流体的压强（1）概念：流体垂直作用于单位面积上的压力称为流体的压强，简称压强。P=F/S N/m2 简称 Pa（2）压强的单位及各单位间的换算国际单位制：N/m2代号：帕斯卡Pa ；工程单位制：kgf/cm3；工程大气压at；标准大气压atm；液柱高度mH2O、mmHg；单位间的换算1 atm=1.033 kgf/cm3=760 mmHg=10.33 mH2O=1.033bar=1.0133105 Pa1 at=1kgf/cm3=735.6 mmHg=10 mH2O=0.9807bar=9.807104 Pa例：某流体的压强为600mmHg，试换算成以公斤/厘米2和kPa表示的数值。解：600mmHg=600/7601.033 kgf/cm3=0.82 kgf/cm3600mmHg=600/7601.0133105 Pa=0.7997105 Pa=79.97kPa压强的表现形式绝对压强以绝对零压作为起点计算的压强，称为绝对压强，是流体的真实压强。表压以当地大气压作为起点计算，高出大气压的部分，称为表压，一般压力表上的读数大部分是表压。真空度以当地大气压作为起点计算，低于大气压的部分，称为真空度，一般真空表测得的是真空度。绝对压强=表压+大气压强 真空度=大气压强-绝对压强压强的特性：处处与作用面垂直，且总是指向流体的作用面；外界大气压随大气的温度、湿度及所在地的海拔高度而变，应以当地当时气压计上的读数为准，同时，为了避免混淆绝对压强、表压强、真空度，习惯上对压强的大小除了注明单位外，还要注明是表压强还是真空度，不注明则表示是绝对压强！如：5 kPa（表压）、600mmHg（真空度）、100 Pa（绝对压强）二、流体静力学基本方程式作用于所选液柱的作用力有：（1）作用于液柱上底面的压力：P1A 作用力方向向下（2）作用于液柱下底面的压力：P2A 作用力方向向上（3）液柱自身的重力：G=mg=Vg=A（Z1-Z2）g 作用力方向向下（4）作用于液柱前后、左右的压力相互抵消。由于液体处于相对静止状态，所以在垂直方向上的力的代数和应该为零。即：P2A=P1A +A（Z1-Z2）g P2 =P1 +（Z1-Z2）g令（Z1-Z2）=h(称为液柱高度)P2 =P1+g h若液柱的上截面处于容器的液面上，并设液面上方的压强为P0，距离液面下方h处的压强为P，则 P =P0+gh 称为流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式说明了在重力场作用下，流体静力学基本方程式说明了在重力场作用下，静止液体内部压强的变化规律静止液体内部压强的变化规律：1、当容器液面上方的压强P0一定时，静止液体内部任一点的压强的大小P，只与液体本身的密度和该点距离液面的深度h有关。即：P=（，h）在静止的、连续的、同一液体内、处于同一水平面上的各点压强相等等压面2、当液面上方压强有改变时，液体内部各点的压强也发生相同大小的变化。连通器、液柱测压仪就是利用此原理制得的。3、由式P =P0+gh 可得 h=（P-P0）/g 说明压强差可用液柱高度表示，也解释了压强的单位可以用液柱高度，此时必须要注明是何种液体，否则就失去了意义。4、静力学基本方程式对化工容器内的气体也适用。例题：图中敞口的容器中装有油和水，油层高度h1=0.7m，密度=800kg/m3，水层高度h2=0.6m，密度=1000kg/m3。试（1）判断下面两关系式是否成立PA =PA PB=PB（2）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）小结小结：1、液体静力学方程式的适用范围：静止连续、同一种流体2、静止敁体内部压强变化的律3、应用液体靉力学方程式解题的步骤关键是找等压面三、液体静力学基本方程式的应用（一）连通器和液面（位）计（二）压强与压强差的测量1、U形管压差计取压差计左臂的水银柱液面00，作为基准面，在基准面左、右两臂的12两点上，列静力学方程式，可得对于01点 对于02点 由静力学基本方程式所获得的概念可知：01点与02点的压力相等 即：而 Z1-Z2=R 故：若U形管一端与设备或管道某一截面连通，另一端与大气相通，则R的读数，反映的是管道某一截面处流体的绝对压强与大气压强之差：若R在通大气的一端，则压强计的读数为表压。若R在测压点的一端，则压强计的读数为真空度。2、微差压差计 若所测的压强或压强差很小，则读数R 也很小，难以将读数读准，为了方便读数，在U形管的两侧臂上部顶端装两扩大室，此扩大室的截面积比U形管的截面积大 得多，内装两指示液A、C（AC）。当所测流体的压强或压强差很小时，在扩大室内指示液的液面变化也很微小，但在U形管内的指示液的液面变化就很大，即R的值很大，从而解决了读数难的问题。（三）液位测量1、直接利用液面计原理对液面进行测量2、远程液面测量三、液封高度的计算 液封在化工生产中被广泛应用，设备内操作条件不同，采用液封的目的也不同：1、若设备内气体的压力不允许 超过某种限度时，液封的作 用就是当气体压力超过这个 限度时，气体将冲破液封而 出，从而保护设备，所以又称为安全性液封2、若设备内装有有毒、有害气体 或是负压操作，采用液封的目的 就是防止有毒、有害气体从容器 中泄漏出来及外界空气进入容器，而且它的密封效果极佳，甚至比 阀门还要严密。例如煤气柜通常 用水来封住，以防止煤气泄漏，例题：如图所示，某厂为了控制乙炔 发生炉内的压强不超过 10.7103Pa（表压），需在炉外 装有安全液封，其作用是当炉内 压强超过规定，气体就从液封管 口排出，试求此炉的安全液封管 应插入槽内水面下的深度h。解：过液封管口作基准水平面o-o，在其上取1，2两点。一、基本概念（一）、流量与流速1、流量单位时间内流过管道任一截面的流体量，若流体量以体积计量，称为体积流量，以qv表示，m3/s；若流体量以质量计量，称为质量流量，以qm表示，Kg/s。2、流速单位时间内流体在流动方向上所流过的距离，以u表示，m/s3、质量通量（或称质量流速）单位时间内流体流过管道单位截面积的质量，以G表示，Kg/m2s4、流量与流速的关系 qm=qv qv=uA qm=uA5、流量、流速与管径的关系 u=qv/A=qv/0.785d2 qv(qm)一般是生产任务所决定的，关键在于选择合适的流速 u d hf 动力消耗 操作费用 u d hf 基建费用 操作费用（二）定态流动与非定态流动定态流动在流动系统中，若各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而改变，不随时间而变的流动，称为定态流动。非定态流动在流动系统中，若各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量不仅随位置而改变，也随时间而变的流动，称为不定态流动。二、连续性方程式如图所示，流体为连续介质，不断从1-1截面流入，从2-2截面流出。以管内壁、1-1截面、2-2截面所包围的范围为衡算范围，以1s为衡算基准，则由质量守衡定律可得：qm1 =qm2 qm=uA u1A11=u2A22 若流体为不可压缩流体，则为常 数 u1A1 =u2A2 又管路多采用圆形管，A=0.785d2 u1/u2 =(d2/d1)2 上述各式均称为连续性方程式三、能量衡算方程式（即柏努利方程式）（一）定态流动系统的总能量衡算 如图所示，流体从截面1-1流入，经过粗细不同的管道，从截面2-2流出，管路上装有对流体做功的泵1Z2Z12衡算范围：管壁、1-12-2截面衡算基准：mKg流体基准水平面：地面O-O截面mKg流体进出系统的机械能有：（1）位能在重力作用下，流体因高出基准水平面而具有的能量，相当于将mKg流体由基准水平面提高到某一高度Z时，为克服重力所需做的功。位能=mgZ J（2）动能流体以一定的速度运动时所具有的能量。动能=1/2mv2 J（3）静压能（压强能）静止流体内部任一处都有一定的静压强，流动着的流体内部任何位置也有一定的静压强。静压能=FL=PAV/A=PV=Pm/J（4）外功流体通过泵或其他输送设备所获得的能量，称为外功或有效功，以We表示（5）损失的能量，以Q损表示根据能量守衡定律：则mgZ1+mu21/2+P1m/+mWe=mgZ2+mu22/2+P2m/+mQ损 流动系统的机械能总衡算式（柏努利方程式）（二）柏努利方程式的讨论1、若衡算基准不同，柏努利方程式的形式也不同（1）以单位质量流体为衡算基准：即基本式除以m gZ1+u21/2+P1/+We=gZ2+u22/2+P2/+hf J/Kg（2）以单位重量流体为衡算基准：即基本式除以mg Z1+u21/2g+P1/g+We/g=Z2+u22/2g+P2/g+hf/g m通常We/g用he表示，hf/g用hf表示，则上式为 Z1+u21/2g+P1/g+he=Z2+u22/2g+P2/g+hf m（3）以单位体积流体为衡算基准：即基本式除以V gZ1+u21/2+P1+We=gZ2+u22/2+P2+hf Pa2、若流体流动不产生流动阻力，则hf=0 称为理想流体，对于理想流体，若又没有外功加入，即hf=0，We=0则 gZ1+u1/2+P/=gZ2+u2/2+P/此式表示了理想流体在稳定流动时任一截面上单位质量流体所具有的机械能之和相等。3、一般输送机械都是由轴带动的，而轴又由电机带动，所以能量是由电机泵轴叶轮流体，真正由输送机械传给流体的能量才是有效的能量。单位时间输送设备对流体所作的有效功称为有效功率，以Ne表示。Ne=Weqm J/s 或 W N轴=Ne/4、方程式中hf为流体流动过程中因克服各种流动阻力而消耗掉的总能量，称为阻力损失。5、若流体静止，则u=0 hf=0 We=0 则柏努利方程式为 gZ1+P1/=gZ2+P2/即P2 =P1 +（Z1-Z2）g说明：柏努利方程式除了表示流体的流动规律外，也表示了流体静止状态的规律，静止状态是流动状态的一种特殊形式。四、柏努利方程的应用1、确定容器间的相对位置2、确定管道中流体的流量3、确定输送设备的有效功率4、确定管路中流体的压强（一）应用柏努利方程式解题的要点1、作图，确定衡算范围与基准水平面2、截面的选取3、确定衡算基准：通常以单位时间、单位质量为衡算基准。4、列出衡算式，计算注意：（1）柏努利方程式中各项单位必须一致，特别是流动阻力的单位要对应方程式中各衡算基准的单位，并与式中各项单位一致。（2）两截面的压强除要求单位一致外，还要求表示方法也一致，是表压就全是表压，或者全是真空度、全是绝对压强。（二）应用1、确定管路中流体的压强（P8、例1-3）2、确定管道中流体的流量（P8、例1-4）3、确定输送设备的有效功率（P9、例1-5）4、确定容器间的相对位置一、流体的粘性定律与流体的粘度（一）牛顿粘性定律1.粘性:流体在流动中产生内摩擦力的性质,粘性是能量损失的原因。实验：实验表明：一定的流体，内摩擦力F与两流体层的速度差u成正比，与两流体层之间的垂直距离y成反比，与两流体层间的接触面积s成正比，即：Fu/ys 引入一个比例系数，则 F=u/ys 单位面积上的内摩擦力为内摩擦应力或剪应力，用表示 =F/s=u/y （适用于u与y成直线关系的场合）或=du/dy （适用于u与y成曲线关系的场合）上式所显示的关系称为牛顿粘性定律du/dy（u/y）称为速度梯度，表示与流动方向垂直的y方向上速度的变化率比例系数，称为粘滞系数或动力粘度，简称粘度。随流体不同而不同，流体粘性愈大，其值也愈大。（二）流体的粘度（）1、粘度的物理意义促使流动的流体产生单位速度梯度的剪应力（1）粘度总是与速度梯度相联系的，只有运动才显现出来，du/dy（2）液体的粘度T，P基本不变 气体的粘度T，P上升得很小，在工程上可忽略。理想流体的粘度=0（3）流体的粘性可用粘度与密度的比值来表示，比值称为运动粘度，以表示，单位m2/s、cm2/s（称为沲St）2、粘度的单位国际单位制：=Pas物理单位制：=g/（cms）=P（泊）1cP=0.01P 1Pas=1000cP=10P 二、流动类型与雷诺准数（一）雷诺准数1、实验（装置如图所示）（1）当玻璃管里水流速度不大时，有色液体成一直线平稳地流过（2）若把水流速度提高，有色液体的细线开始先是出现波浪形（3）再增加流速，细线便完全消失，有色液体流出细管后随即散开，与玻璃管内的水完全混合 改用不同的管径d、不同的流体分别进行实验，结果表明；不仅流速能引起流动状况的改变，而且管径、流体的粘度、流体的密度也能引起流动状况的改变流体的流动状态可用Re=du/的形式来判断，Re称为雷诺数或雷诺准数，无单位。实验表明：流体在直管内流动，当Re2000时，属于层流或滞流当Re4000时，属于湍流或紊流 凡是几个有内在联系的物理量按无因次条件组合起来的数群，称为准数或无因次数群，它既反映所包含的各物理量的内在关系，又能说明某一现象或过程的一些本质（二）流动类型滞流与湍流1、流体内部质点的运动方式滞流流体在管内作滞流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞、互不混合。湍流流体在管内作湍流流动时，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，因此，质点由于碰撞而产生的附加阻力较由粘性所产生的阻力大得多，使流体前进的阻力急剧加大2、流体在圆管内的速度分布 无论是滞流或湍流，在管道任意截面上，流体质点的速度沿管径而变，管壁处速度为零，离开管壁以后速度渐增，到管中心处速度最大（1）滞流时，速度沿管径按抛物线的规律分布，截面上各点速度的平均值等于管中心处最大值的0.5倍。（2）湍流时，流体质点的运动比较复杂，目前还不能完全采用理论方法得出湍流时和速度分布规律，经实验测定，湍流时圆管内的速度分布曲线不再是严格的抛物线。3、无论Re多大，湍流程度如何，在靠近管壁处总存在着滞流内层，滞流内层的存在，对传热、传质过程都有重大影响流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。直管阻力hf流体流经一定管径的直管时因流体内摩擦而产生的阻力。局部阻力hf流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力。柏努利方程式中的hf是指所研究管路系统的总能量损失，包括直管阻力和局部阻力，即：hf=hf+hf一、流体在直管中的流动阻力（一）计算圆形直管阻力的通式实验证明，流体只有在流动情况下才能产生阻力，在流体物性、管径、管长相同的情况下，u能量损失hf，又因为动能u2/2与能量损失hf的单位相同，故经常将能量损失hf表示为动能u2/2的函数。即 hf=l/du2/2 Pf=hf=l/du2/2 称为摩擦系数 =f(、Re)上式为计算圆形直管阻力所引起能量损失的通式，称为范宁公式，对滞流、湍流均适用。（二）管壁粗糙度对摩擦系数的影响光滑管玻璃管、黄铜管、塑料管粗糙管钢管、铸铁管绝对粗糙度是指壁面凸出部分的平均高度，以表示相对粗糙度是指绝对粗糙度与管道直径的比值，以/d表示。管径粗糙度对摩擦系数的影响程度与管径的大小有关，如相同，d对影响很大，故流体阻力计算中，不但要考虑，也要考虑/d1、流体作滞流流动时，管壁上凹凸不平的地方被有规则流动的流体层所覆盖，而滞流的流动速度又比较缓慢，流体质点对管壁凸出部分不会有碰撞作用，所以，滞流时摩擦系数与粗糙度无关。2、流体作湍流时，靠管壁处总存在着一层滞流内层（1）若滞流内层的厚度大于壁面粗糙度的厚度，即b，则滞流内层的流体将凹凸不平的地方覆盖，则对的影响如滞流。（2）随着湍流程度增加（Re），滞流内层厚度b，当b时，壁面凸出部分伸入湍流区内与流体质点发生碰撞，使湍流加剧，此时对的影响较显著，Re越大，b下降越大，则对影响越显著（三）滞流时的摩擦系数 =64/du=64/Re 即=64/Re 此式为流体在圆管内作滞流流动时与Re的关系式(四)湍流流动的摩擦系数二、非圆形直管内的流体阻力 在生产实践中，常会遇到流体在非圆形管（如方形管、套管环隙等）内流动。如仍采用圆管内流动的公式，则式中的d必须用一个与圆管直径de相当的量来进行计算，水力半径rH是流体流经的通道截面积与浸润周边（流体与管壁面接触的周边长度）之比。三、局部阻力计算湍流时的局部阻力有两种方法：1、当量长度法 此法是将流体的局部阻力，折合成相当于流体流过相同直径的长度为Le的同一直管的管道时所产生的阻力，计算方法与直管相同。Le称为当量长度。则局部损失hf可由下式计算：hf=Le/du2/2此法的优点是便于将直管阻力与局部阻力合并并起来计算流体流动的总阻力。hf=（Le+L）/du2/22、阻力系数法引入一个阻力系数，将局部阻力引起的能量损失表示为动能的倍数的方法。hf=u2/2 称为局部阻力系数，也由实验测得。当流体流经截面发生变化的局部障碍时，进行计算有的流速需用较小管道中的流速。四、管路系统中的总能量损失管路系统中总能量损失昌管路上全部直管阻力与全部局部阻力之和：用当量长度法：hf=（Le+l）/du2/2用阻力系数法：hf=l/du2/2+u2/2 上两式适用范围于管径相同的系统，式中u是指管段或管路系统的流速，若管径不同，则各段的流速不同，则管路的总能量损失应分段计算，然后再求和一、管路中的计算问题管路计算问题归纳起来有三种情况：1、已知管径d、管长l、管件阀门等的位置及流体的输送量Vs或Ws求hf求We、P或Z2、已知管径d、管长l、管件阀门等的位置及流动过程允许的能量损失hf、允求u或Vs、Ws求We3、已知管长l、管件阀门等的位置及当量长度le、Vs或Ws、流动过程允许的能量损失hf允求管径d后两种问题的求解需试差一、简单管路无分支，但可有管径的变化（串联）二、复杂管路 并联管路和分支管路并联在A处分为两支或多支，在B 处又汇合。分支在主管某处有分支，但最终不再汇合。（一）、计算内容：1、已知Vs总或Ws总、各支管尺寸求各支管Vs支或Ws支2、已知各支管Vs支或Ws支、管长l及管件阀门的设置求管径d3、知输送条件求设备功率Ne（二）、复杂管路的流动规律及计算方法1、并联管路各支管的能量损失相等，hf、AB=hf、1=hf、2=hf、3=主管的流量等于各支管流量之和，Vs总=Vs1+Vs2+Vs3+2、分支管路（1）单位质量流体在两支管流动终了时的总机械能与能量损失之和必相等，即：gZ1+u21/2+P1/+hf、0-1=gZ2+u22/2+P2/+hf、0-2（2）主管流量等于各支管流量之和，Vs总=Vs1+Vs2+Vs3+（3）若上游管路由泵提供能量后分支，若两支管所需能量不同时，则为了保证完成两支管的输送任务，应按要求能量较大的支管来决定分叉处的总机械能测量流体流量的方法很多，利用流体机械能相互转换的原理，人为地使流体在流动过程中产生局部的静压差，测得静压差的大小，应用柏努利方程来确定流体的流速或流量，是化工生产中较常用的方法。现将常用的几种流量计的测量原理简单介绍如下：1、测速管 测速管又称毕托管 测量的是点速度，不能测平均速度对于圆管内流动。2、孔板流量计取压方式：缩脉取压与角接取压孔板流量计是节流式流量计测量平均流速3、文丘里管原理与孔板流量计相同，只是将测速管径先做成逐渐缩小而后又做成逐渐扩大，以减小流体流过时的机械能损失。4、转子流量计优点：优点：读取计量方便、能量损失小、测量范围大、可用于腐蚀性流体