化工基础-流体流动

1、第二章第二章 流体流动与输送流体流动与输送 内容提要：主要讨论化工生产过程中的流体流 动的基本原理及流体流动的基本规律，并运用这 些原理与规律去分析和解决化工生产中的物料输 送问题。 基本要求： 1.了解化工生产过程中流体流动的基本规律； 2.掌握柏努利方程及其在化工生产中的应用； 3.掌握流体在管内流动阻力的计算； 4.了解流体输送机械的工作原理和相关计算。 第一节 流体静力学 1-1 流体的物理性质 密度单位体积流体所具有的质量，称为流 体的密度。 相对密度物料密度与纯水（4时）密度 之比，用符号d表示。如H2SO4的d420=1.84 3 mkg V m 1-2 压强 压强单位面积上所受

2、流体垂直方向的作用 力，称为流体的压强 。 绝对压强压强的实际数值。 表压强某体系之绝对压强高出当地大气压 之差值，称为该体系的表压。 真空度某体系之绝对压强低于当地大气压 之差值，称为该体系的真空度。 Pa A F P 表压强和真空度示意图 1-3 流体静力学方程 受力分析： 1）向上作用于薄层底面的总压力 p A 2）向下作用于薄层顶面的总压力（p+dp）A 3）薄层向下作用的重力gdz A 平衡时：所有力相等 p A= （p+dp）A + gdz A 积分得：p2=p1+g（z1-z2） 流体静力学基本方程 1-4 流体静力学的应用 U形管压强计 液位计 液封 第二节 流体流动 13 s

3、m 1 skg 2-1 流体的流量和流速 体积流量（qV）单位时间流过导管任一横 截面的流体体积， 质量流量（qm）单位时间流过导管任一横 截面的流体质量， 质量流量=体积流量流体密度 流速（u） 在单位时间内流体在导管中流 过的距离， 管道直径（d） 1 sm A q u V 导管截面积 体积流量 流速 2-2 定常态流动与非定常态流动 在流体流动系统内，任一空间位置上的流量、 流速、压力和密度等物理参数，只随空间位置 的改变而改变而不随时间变化的流动称为定 常态流动或稳定流动。 否则，为非定常态流动或不稳定流动。 2-3 流动形态 1883年，雷诺通过大量实验观察到，流 体流动分为层流（滞

4、流）、过渡流、湍流，且 流动型态除了与流速u有关外，还与管径d、流 体的粘度 、流体的密度 有关。 )()( 雷诺实验 = 此数群被称之为雷诺准数。 雷诺准数值的大小，可以用来判断流动类型。 Re4000 ，湍流， Re=2000-4000，过渡流。 du Re 000 11 31 TML TML MLTLL 2-4 牛顿粘性定律 选相邻两薄圆筒流体（1，2）进行分析。设两 薄层之间垂直距离为dy，两薄层速度差为du， 即（u2-u1），两薄层之间接触的圆筒表面积为 A，两薄层之间的内摩擦力为F。 实验证明，对于一定流体，内摩擦力F与接触 面积A成正比，与速度梯度du/dy成正比，此即 牛顿粘

5、度定律。 )(A dy du A F dy du AF dy du AF 用一句话表述牛顿粘度定律： 流体内部所受的剪应力与速度梯度成正比。 服从牛顿粘度定律的流体，我们称为牛顿型流 体。不服从牛顿粘度定律的流体，我们称为非 牛顿型流体。 塑性流体 dy du y 假塑性流体 1 n dy du K n 涨塑性流体 1 n dy du K n 粘度 - 牛顿粘度定律中的比例系数。 粘度的物理意义为：在单位接触面积上，速度 梯度为1时，由流体的粘度引起的内摩擦力的 大小。 11 11 22 smkg msm msmkg dy du 2-5 流动边界层 在距离内流体层呈现速度梯度，这个速度梯 度区

6、称为流动边界层。 稳定段的长度 L0：流体流动从管道入口开始形 成边界层起直到发展到边界层在管道中心汇合 为止的长度。 L0/d=0.0575Re 2-6 动量传递 层流： 时间面积 动量 时间面积 速度质量 22 LTLM A F dy du 湍流： dy du )( / 2-7 流速分布 层流速度分布式的推导 内摩擦力 推动力 内摩擦力=推动力 积分得 r=0时，流速最大 层流平均流速u与最大流速umax 第三节 流体流动的质量衡算 定常流动 流入系统的液体质量流量=流出系统的液体质量流量 流体流动连续性方程 第四节 流体流动系统的能量衡算 柏努利方程的导出 设有质量流量为qm，流体由1-

7、1截面流至 2-2截面，流体流速分别为u1和u2；流体具有的 压强分别为p1和p2。我们对1-1和2-2范围的流体 作能量衡算。 位能： qmgz1 和qmgz1 动能：qmu12/2和qmu22/2 压力能： 理想柏努利方程式 实际流体的柏努利方程式 柏努利方程的应用，要注意以下几点： 1.选取截面，实际是确定衡算范围。截面可以有许多， 选取已知条件最多的截面，是选取截面的原则。从数 学角度讲，选取截面就是选边界条件。 2.确定基准面。主要是计算截面处的相对位能。一般 是选位能较底的那个截面为基准面。此时这个截面的 位能为零。 3.压强的单位要统一。要么都用表压，要么都用绝压 等。如有通大气

8、的截面，以表压为单位时，该处截面 表压为零。 4大口截面的流速为零。 5上游截面与下游截面的确定。柏努利方程更确切的表 达式为： 上游截面的三项能量+从输送机械获得的能量 =下游截面的三项能量+管道中的摩擦损失能量 6 水平管截面确定基准面时，一般是取通过管中心的水 平面为基准面。 第五节 管内流动阻力 流体流动的总阻力损失 =沿直管流动产生的摩擦阻力损失 +遇到变径、变向的障碍产生的局部阻力损失 5-1 沿程阻力损失计算和量纲分析方法 范宁公式 定常流动时：压力降=剪切力 剪切力与剪应力的关系 令 则有 令 则有 为摩擦系数，f 为范宁因子 gu d l H f 2/ / 2 的物理意义 物

9、理意义为：1牛顿流体在管道中流经一段与 管道直径相等的距离所造成的压头损失与其所 具有的动压头之比。 层流流动的阻力损失计算 流体薄层体积流量 将 代入，有 积分，得 哈根-泊谡叶方程 由 和 得 流体层流运动时的摩擦阻力系数的关联式： 湍流摩擦阻力计算 流体在管内作湍流时， 与许多因数有关。如 等。即 用实验方法来求与上列因数的关系，则十分困 难。因次分析法是化学工程实验研究中经常使 用的方法之一。 因次分析法的基础是因次的一致性原则，即每 一个物理方程式的两边，不仅数值相等，而且 因次也必须相同。 )(、ud 因次分析法 因次分析法的基本原理是白金汉（Buckingham） 定理：设影响该

10、现象的物理量为n个，这些物理 量的基本因次为m个，则该物理现象可用N=n-m 个独立的无因次数群关系式表示，即定理。此 类无因次数群称为准数。 因次分析法只能归纳出数群，至于数群之 间的确切定量关系，还必须依靠实验才能得到。 必须注意，在确定有关物理量时，须作较 详细的分析，若漏了必要的物理量，则得到的 数群无法通过实验建立确定的关系，若引进无 关的物理量，则可能得到没有意义的数群。 幂指数关系 已知 有 等式两边每个基本量纲的量纲指数相等 所以 湍流时 的计算 湍流时 不仅与Re有关，而且与管内壁的相对 粗糙程度 有关，常用查图的方法查取。 )/(d 5-2 局部阻力损失计算 局部阻力损失计

11、算有两种方法，即当量长 度法与阻力系数法。 当量长度le 将流体通过管件或阀门的局 部阻力损失折算成与其相当的直管长度的摩擦 阻力损失。 阻力系数由实验测定局部阻力系数 。 第六节 流量测量 6-1 孔板流量计原理 孔板流量计是在流体管道中安装一个带有 圆孔的孔板构成的。通过测量孔板前后压力差， 即可定出管道中流体的流量。流体通过孔板时， 流速增大，静压头减少，由静压头的减少值， 可以测出流速。 6-2 转子流量计原理 转子流量计由一 个倒锥形的玻璃管和 一个能上下移动并且 比流体密度大的转子 所构成。转子的上浮 高度，可以表示流体 的流量。 转子所受上推力=转子重力-流体对转子的浮力 一般用

12、293K的水 标定转子流量计 转子处于平衡状态时： 第七节 流体输送设备 输送液体的机械称为泵， 输送气体的机械称为风机（通风机、鼓风 机等）、压缩机和真空泵等 7-1 离心泵的构造及工作原理 离心泵主要由叶轮和泵壳所组成 先将液体注满泵壳，叶轮反时针高速旋转，将 液体甩向叶轮外缘，产生高的动压头u2/2g 由于泵壳液体通道设计成截面逐渐扩大的形状， 高速流体逐渐减速，由动压头转变为静压头 即流体出泵壳时，表现为具有高压的液体。 g P 名为离心泵，是因为叶轮旋转过程中，产生离 心力，液体在离心力作用下产生高速度。 离心泵产生的离心力的大小，除与叶轮的转速、 和叶轮的直径有关外，也与流体的密度

13、有关。 密度越大、离心力也就越大。如果有气体，密 度越小、离心力也就越小。产生气缚而不能输 送流体，所以应尽量避免。方法有：吸入管不 漏入空气；在吸入管底口安装低底阀；不用于 输送因抽吸而沸腾的气化的低沸点的液体或高 温液体。 离心泵的性能参数与特性曲线 泵的流量、扬程、功率、效率，统称为离心泵 的性能参数。 将实验所得数据 绘成曲线 、曲线 、曲 线 ，统称为离心泵的特性曲线。 、PHq eV / ve qH / V qP V q 扬程 扬程又称为泵的压头，指泵对每牛顿重量液体 的供的能量。用He表示，单位为m 流量：泵的流量指泵在单位时间内输送液体的 体积，又称送液能力。用qv表示，单位为

14、： m3s-1或m3h-1，由实验测定。 泵的功率有轴功率和有效功率两种表示方法。 轴功率是：电动机或其他原动机直接传递给泵 轴的效率。用P表示，单位：Js-1 或 W。 有效功率：是指流体实际获得的功率。用Pe表 示。 离心泵的安装高度 离心泵的类型 离心泵的选择原则： 1.确定输送系统的流量与压头。 2.选择泵的类型与型号 3.核算泵的轴功率 （1）水泵 用来输送水或与水类似的（化学性质类似 于水的）液体的泵。分为三类。 B（单级）：泵体与泵盖都是铸铁 D（多级）：一般2-9级，最多可有12级。 SH（双吸式）：若输送的液体流量大而压头并 不高时，可才用双吸泵。由于其有二个输口， 流量大。 （2）耐腐蚀泵（用F表示） 输送酸、碱等。 特点是：与液体接触的部位用耐腐蚀材料制成。 （3）油泵（用Y表示） 输送石油产品的泵。 特点是：易燃、易爆，要求密封完整。 当输送热油时，如2