流体流动与输送（课件）.ppt

第三章流体流动过程及流体输送设备,流体的基本性质流体流动的基本规律流体压力和流量的测量管内流体流动的阻力流体输送设备,研究流体的流动与输送要解决以下问题,流体输送所需管径尺寸的选择输送流体所需能量和设备的确定流体性能参数的测量和控制研究流体的流动形态了解流体输送设备的工作原理和操作性能,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的密度.2.比体积:单位质量流体所具有的体积3.压力:流体垂直作用于单位面积上的力(1)绝对压力：以绝对零压为起点而计量（2）表压：以大气压力为基准而计量的压力。大气压为表压大气压为真空度,表压=绝对压力-大气压力真空度=大气压力-绝对压力,4.流量和流速（1）流量：单位时间内流体经过管道任一截面的流体的量。若用流体的体积量来表示，称为体积流量。（2）流速：单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离。用u表示u=qv/SS：与流体流动方向相垂直的管道截面积,5.粘度：衡量流体粘性大小的物理量。牛顿粘性定律式中：流体的粘度，Pa.s（N.s/m2）;法向速度梯度，1/s。,牛顿粘性定律,（3）牛顿粘性定律式中：流体的粘度，Pa.s（N.s/m2）;法向速度梯度，1/s。,3.2流体流动的基本规律,1、定态流动和非定态流动2、流体定态流动过程的物料衡算（连续性方程）3、流体定态流动过程的能量衡算（柏努力方程）4、流体流动规律的应用举例,1、定态流动和非定态流动,定态流动：流速、压力、密度等物理量不随时间而改变非定态流动：流速、压力、密度等物理量中任意一项随时间而改变,2、流体定态流动过程的物料衡算,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。qm,1=qm,2,3、流体定态流动过程的能量衡算,一、柏努利方程式的建立流体作稳定流动时，有四种能量可能发生变化。即位能动能机械能静压能内能能量之间是可以互相转化的，内能与机械能之间也是如此。,为了使问题简化，我们首先建立理想液体的柏式。理想液体的特点：（1）绝对不可压缩（比容不随压强P而变）（2）完全没有粘性（无内摩擦力，即没有机械能向内能的转化，即T不变）（3）流动时无阻力。理想流体流动时，只有机械能之间的转化，而无内能的增减。,对于稳定流动，每mkg流体经截面11进入系统内，必有mkg流体经截面22离开这个系统。，以mkg流体作为衡算的基准。,1、位能流体受重力的作用，在不同的高度具有不同的位能。它是个相对值。位能=mgZ单位：mgZ=kgm/s2m=Nm=J，mgZ流体在截面11，22所具有的位能分别为：mgZ1,mgZ2,2、动能流体流动时所具有的能量。动能=这一能量相当于将mkg流体从速度为零加速到速度为所做的功。单位：=kgm2/s2=Nm=Jmkg流体在截面11，22处所具有的动能分别为：，,mkg流体在截面11，22处所具有的动能分别为：mu12，mu22,3、静压能（流动功）,在静止或流动的流体内部任一处都有一定的静压强。,如mkg流体，体积为Vm3，通过截面11，把该流体推进此截面所需的作用力=P1S1。流体通过此截面所走的距离=，流体带入系统的静压能=单位：,同理：22截面处流体所具有的静压能为P2V2。,根据能量守恒与转化定律，两截面所具有的总机械能相等，,两边除以m，V=V1=V2J/kg（1）两边除以g，米液柱（2）,二、柏式的引申,实际流体有粘性，所以在流动时有摩擦阻力产生，其数值的大小视流体的性质流动的状况管壁的粗糙程度而定。,有外加流体输送机械对流体作功。所以，实际流体的柏努利方程式变为：,m(3),流体输送所需功率是指：单位时间耗用的能量，,实际功率,式中：Ne理论功率输送设备的效率工程上将每kg流体所具有的各种形式的能量统称为压头，如Z：位压头（简称位头）：动压头，又称速度头。：静压头,He：输送设备对流体所提供的能量，又称有效压头。Hf：因阻力所消耗的能量，又称压头损失。压头可以互相转化，是某一截面的能量。压头损失为沿程的压头损失，不是某一截面的。压头一经损失掉，就不能变回系统里任何一种形式的压头。,三、柏努利的讨论,1、方程使用条件：连续系统，稳定流动，不可压缩性流体。2、对于气体，当压强变化时，公式仍适用，其结果是足够准确的。计算时只需将气体的密度用平均密度代替，即。,3、对于静止流体，u=0，He=0，Hf=0，则（3）式变为,4、对于实际流体的流动，它有压头损失。5、对于不稳定流动，在任一瞬间柏式方程仍能成立。,四、应用柏式解题要点,（一）、画示意图，标明流动方向,（二）、选截面取截面是为了确定能量的衡算范围。1、需求取的未知量必须在截面上或两截面间。2、流动方向与截面相垂直。3、以上游为11，下游为22，把所选截面标在图上。4、截面不要选在转弯处或直径突变处。,（三）选水平基准面,1、水平基准面的的高度可以任意选取，但必须与地面平行。2、截面位置在水平基准面的上方，其位压头为正，反之为负。3、把所选基准面标在图上。（四）单位要统一（SI制）,五、柏式应用举例,1、确定容器间的相对位置已知：高位槽和反应器均为敞口容器。管内流速=2m/s，Hf=2m，求h,解：在11，22间列柏式，以00为基准面。z1=h，z2=0，P1=P2=0（表压）u1=0，u2=2m/s，Hf=2m，He=0,2、确定管路中流体的压强,已知，kg/m3，u1=2m/S，u2=8m/sP1=117.72kPa（表压），Hf=0（忽略），求P2解：在11，22间列柏式，以00为基准面。Z1=0，He=0，Hf=0,3、确定输送设备的有效功率,已知料液=1200kg/m3，蒸发室真空度=200mmHg，输送管道684，体积流量=20m3/h，求泵的理论功率。解：在11，22间列柏式，以00为基准面。Z1=0，Z2=15m，P1=1atm，u1=0,P2=（真空度）P2=101325-26665=74660Pa（绝对压）,理论功率：,实际功率：Na=Ne/Na=1.6285kW/0.60=2.75kW,3.3流体压力和流量的测量,一、孔板流量计,在11,22间列柏式，基准面取管中心线。Hf=0（暂时看作）,U2-缩脉处流速上式中：1、未考虑Hf（它不等于0）2、缩脉处的截面积S2是随流动条件而改变的未知（缩脉直径的大小、位置随流况而变）。，u2无法知道。3、孔口截面积S0为已知，孔口流速U0也已知，用U0代替u2,用校正系数C来校正：,1、不可忽略的Hf。2、缩脉截面积与孔口截面积之差。3、上、下游测压口的位置。,U测压计公式：,两边除以g，体积流量C0校正系数，由实验确定，一般在0.610.62之间。对于标准的孔板，有图表可查。,孔板流量计的优点：易于制造；适合大流量的测量。缺点：流体流经孔板的能量损失大；孔板的锐边容易腐蚀、易磨损，流量计应定期进行校正。,二、文丘里流量计,为了减少流体流经孔板的能量损失，用一支渐缩渐扩管代替孔板。这样构成的流量计称为文丘里流量计。文丘里流量计的计算公式与孔板流量计相类似。,三、转子流量计,1、工作原理当流体通过转子与玻璃管形成的环隙时，流道截面积S,流速u，流体静压强p，在转子上产生一个压力差，即向上的推力,转子。,当转子停留在某一位置时，转子与管间的环形截面积一定。流体通过此环形时，流速与静压强的变化关系与通过孔板流量计孔口的情况相似。因此，转子流量计的计算公式可仿照孔板流量计的公式写出。,转子流量计的优点：,1、能直接观察到流量计内流体的流动状况。2、压头损失小，测量范围宽。3、流量计前后不需要有一定长度的直管段。注意：安装时必须保持垂直。,孔板流量计与转子流量计的区别,3.4管内流体流动的阻力,一、流体阻力的表现及来源1、表现压强降,水平管道，管径均一。阀门关闭时，开启时，,在11,22间列柏式，00为基准。,为压强降。的习惯写法为（终态-始态）。,2、来源内摩擦,流体阻力大小的决定因素：流体自身的性质（粘度）主要流体的流动状况（流型）管壁的粗糙度。次要,二、流动类型与雷诺准数,1、雷诺实验Reynolds英国学者，他在1883年做了如下实验。,最后归纳为雷诺准数,不论采用什么单位制，Re均无因次，凡是由几个有内在联系的物理量按无因次这个条件组合起来的数群，称为准数。,2、流动类型,Re4000湍流2000Re输送液体的饱和蒸气压。否则，吸入液体就会在泵中心处气化，体积突然膨胀。当含有大量气泡的液体由低压区进入高压区时，气泡受压而迅速凝结，因而形成局部真空，周围的液体便以极大的速度冲向原来气泡所在的空间，在冲击点上产生几百大气压的局部压强，使叶轮遭到破坏，这种现象称为“气蚀”