化工基础_第2讲_流体流动过程及流体输送设备冯启

1、第二章第二章 流体流动过程及输送机械流体流动过程及输送机械2 2.1 .1 流体的静力学基本方程式流体的静力学基本方程式2 2.2 .2 流体流动的基本规律流体流动的基本规律 化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大多数是多数是流体流体，涉及的过程大部分在流动条件下进行。，涉及的过程大部分在流动条件下进行。流体的流动和输送是必不可少的过程操作。流体的流动和输送是必不可少的过程操作。 选择输送流体所需管径尺寸，确定输送流体所选择输送流体所需管径尺寸，确定输送流体所需能量和设备。需能量和设备。流体性能参数的测量流体性能参数的测量, 控制。控制。研究流体的流动

2、形态，为强化设备和操作提供研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供理论依据。理论依据。了解输送设备的工作原理和操作性能，正确地了解输送设备的工作原理和操作性能，正确地使用流体输送设备。使用流体输送设备。研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。2 2.1 .1 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 1 1密度（密度（p10)p10) 单位体积流体所具有的质量称为单位体积流体所具有的质量称为流体的密度流体的密度，其表达式为：其表达式为：流体密度，流体密度，km-3 ; m流体质量，流体质量，kg；V流体体积，流体体积，m3。 气体具有可压缩性及热膨胀性，

3、其密度随压力气体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气体状态方程进行计算：体状态方程进行计算： = pM/RT p气体绝对压强气体绝对压强 kNm-2或或kPa；T气体温度气体温度 K；M气气体摩尔质量体摩尔质量 kgmol-1；R气体常数，气体常数，8.314 Jmo1-1K-1。= mV 化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组分的混合物。对于分的混合物。对于液体混合物液体混合物，各组分的浓度常用，各组分的浓度常用质量分数表示。质量分数表示。n液体混合物中各纯组分液

4、体的密度，液体混合物中各纯组分液体的密度，kgm-3；xmn液体混合物中各组分液体的质量分数。液体混合物中各组分液体的质量分数。m气体混合物平均密度，气体混合物平均密度，kgm-3； Mm气体混合物的平均摩尔质量气体混合物的平均摩尔质量对于对于气体混合物气体混合物: : 比体积比体积 单位质量流体所具有的体积称为流体的单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积比体积，以以表示，它与流体的密度互为倒数表示，它与流体的密度互为倒数: : 一流体的比体积，一流体的比体积，m3kg-1；流体的密度，流体的密度，kgm-3。 =1/2 2压强压强 流体垂直作用于单位面积上的力称为流体垂直作用于单位面积上的

5、力称为压强压强：p流体的压力，流体的压力，Pa；P流体垂直作用于面积流体垂直作用于面积A上的力，上的力，N；A作用面积，作用面积，m2。压力的单位压力的单位Pa（Pascal，帕），即帕），即Nm-2。1atm=760mmHg=1.01325105Pa=10.33mH2O=1.033 kgf-2常用压力单位与常用压力单位与Pa之间的换算关系如下：之间的换算关系如下：p= PA 压强有两种表达方式。一是以绝对真空为起点压强有两种表达方式。一是以绝对真空为起点而计量的压强；另一是以大气压强为基准而计量的而计量的压强；另一是以大气压强为基准而计量的压强，当被测容器的压强高于大气压时，所测压强压强，当

6、被测容器的压强高于大气压时，所测压强称为称为表压表压，当测容器的压强低于大气压时，所测压，当测容器的压强低于大气压时，所测压强称为强称为真空度真空度。 两种表达压强间的换两种表达压强间的换算关系为算关系为 表压表压= =绝对压强绝对压强- -大气压强大气压强真空度大气压强真空度大气压强- -绝对压强绝对压强流体压强的重要特性流体压强的重要特性:流体压强处处与它的作用面垂直流体压强处处与它的作用面垂直,并且总是指并且总是指向流体的作用面向流体的作用面流体中任一点压强的大小与所选定的作用面流体中任一点压强的大小与所选定的作用面在空间的方位无关在空间的方位无关3 3流体静力学基本方程式流体静力学基本

7、方程式 流体处于流体处于静止静止状态下所受的状态下所受的压力压力和和重力重力的平衡关系的平衡关系2211pgzpgz 受力分析（图受力分析（图2-2）或或 1132244535p1p2p 等压面等压面定义定义: : 静止、连续的均质流体，处于同一水平面上的各点压强相等静止、连续的均质流体，处于同一水平面上的各点压强相等关于静力学方程的讨论关于静力学方程的讨论实例：实例：2211pgzpgz等压面概念 p0变化某一数值，则变化某一数值，则 p改变同样大小数值改变同样大小数值压力的可传递性压力的可传递性ghpp02211pgzpgz或常数pgzpozoh112p1p2z2z1重力场中的压力分布重力

8、场中的压力分布有关、仅和一定，hpp0 静止流体内部，各不同截面上的压力能和势能两者之和为常数。静止流体内部，各不同截面上的压力能和势能两者之和为常数。 静力学方程的几种不同形式静力学方程的几种不同形式 2211gZpgZpaPgzpgzp2211kgJ /2211zgpzgpNJ / 测压管php0ghp0 测压管测压管: : 绝压:气压计气压计:ghp0pghp 气压计p = 0p0h测压管和气压计测压管和气压计表压: 4.流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用4.1 压强的测定压强的测定 U形管压差计形管压差计 选基准面选基准面列静力学方程列静力学方程110gzppgRgz

9、pp220Rzz21gRpp)(21R则）（若gRpp21则若1122p1p2z1z2RU 形管压差计00110gzpp11p1paz1R00若若U形管压差计一端与大气相通，则可测得表压（或绝压）。形管压差计一端与大气相通，则可测得表压（或绝压）。 11gzgRp（表）apgzgRp11（绝）gRppa0gRpp)(21 倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计sin1RR R1Rp1p2倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计 微差压差计微差压差计)(10略小且形管直径扩张室直径ACU)(21CAgRppp2RcA微差压差计p1gRpp)(21 倒倒U U形管压差计形管压差计gRpp21倒U形管压差计1122p1p

10、2z1z2R00目的：目的： 恒定设备内的压力，恒定设备内的压力， 防止超压；防止超压；(2) 液封高度液封高度安全液封h0p溢流水00气液气gph0液封高度计算：液封高度计算：p00水气体h0. 煤气柜 防止气体外泄；防止气体外泄； 水封水封 练习习题p54,1, 22.2 流体流动的基本规律物料衡算式：连续性方程能量衡算式：伯努利方程1 1流量和流速流量和流速 单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为称为流体的流量流体的流量。若流体量用体积来计量，称为。若流体量用体积来计量，称为体体积流量积流量，以符号，以符号qv表示，单位为表示，单位为m3s-

11、1 或或m3h-1 ；若若流体量用质量来计量，则称为流体量用质量来计量，则称为质量流量质量流量，以符号，以符号qm表示，其单位为表示，其单位为kgs-1 或或kgh-1 。若流体量用物质的若流体量用物质的量表示，称为量表示，称为摩尔流量摩尔流量，以符号，以符号qn表示，其单位为表示，其单位为mols-1。qm=qV 质量流量与摩尔流量的关系为质量流量与摩尔流量的关系为 qmMqn 体积流量和质量流量的关系为：体积流量和质量流量的关系为： 单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，称为的距离，称为流体的流速流体的流速，以，以u表示，单位为表示，单位为

12、 ms-1。u = qV/A A A 与流体流动方向相垂直的管道截面积，与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2 管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。 通常所说的通常所说的流速流速是指管道整个截面上的平均流速是指管道整个截面上的平均流速，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表示：表示： 质量流速质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单的定义是单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，以位截面积的质量，以G表示，单位为表示，单位为 kgs-

13、1m-2，表表达式为：达式为： G = qmA 流速和质量流速两者之间的关系：流速和质量流速两者之间的关系：液体液体1.5 3.0ms-1，高粘度液体高粘度液体0.5 1.0 ms-1；气体气体102 0 ms-1，高压气体高压气体15 25 ms-1；饱和水蒸气饱和水蒸气204 0 ms-1，过热水蒸气过热水蒸气30 50 ms-1。 G =u工业上用的流速范围大致为：工业上用的流速范围大致为：练习：习题练习：习题32定态流动和非定态流动定态流动和非定态流动 流体在管道或设备中流动流体在管道或设备中流动时，若在任一截面上流体的时，若在任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物流速、压力、密度等

14、有关物理量仅随位置而改变，但不理量仅随位置而改变，但不随时间而改变，称为随时间而改变，称为定态流定态流动动；反之，若流体在各截面；反之，若流体在各截面上的有关物理量中，只要有上的有关物理量中，只要有一项随时间而变化，则一项随时间而变化，则称为称为非定态流动非定态流动。 3定态流动过程物料衡算定态流动过程物料衡算连续性方程连续性方程 当流体在流动系统中作定态流动时，根据当流体在流动系统中作定态流动时，根据质量质量守恒定律守恒定律，在没有物料累积和泄漏的情况下，单位，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。时间内通过流动系统任一截面的流体的质量应相等。 对上

15、图所示截面对上图所示截面11和和22之间作物料衡算：之间作物料衡算： qm,1=qm,2又因为又因为qm=uA，所以：所以：1u1A1 =2u2A2 在任何一个截面上，则：在任何一个截面上，则： qm=1u1A12u2A2nunAn= 常数常数 对于不可压缩流体，对于不可压缩流体，=常数，则：常数，则： 它反映在定态流动体系中，流量一定时，管路各截面它反映在定态流动体系中，流量一定时，管路各截面上流体流速的变化规律。上流体流速的变化规律。 qV = u1A1 = u2A2 = = unAn = 常数常数qm,1=qm,24流体定态流动过程的能量衡算流体定态流动过程的能量衡算伯努利伯努利方程方程

16、 流动体系的能量形式主要有：流动体系的能量形式主要有：流体的动能、位能、流体的动能、位能、静压能以及流体本身的内能。静压能以及流体本身的内能。 动能动能 流体以一定的流速流动时，便具有一定的动流体以一定的流速流动时，便具有一定的动能。动能为能。动能为mu2/2，单位为单位为kJ。 位能位能 流体因受重力的作用，在不同高度处具有不流体因受重力的作用，在不同高度处具有不同的位能，相当在高度同的位能，相当在高度z处所做的功，即处所做的功，即mgz，单位为单位为kJ。 静压能静压能 静止流体内部任一处都存在一定的静压力。静止流体内部任一处都存在一定的静压力。 把流体引入压力系统把流体引入压力系统所做的

17、功，称为所做的功，称为流动功流动功。流体由于外界对它作流动流体由于外界对它作流动功而具有的能量，称为功而具有的能量，称为静静压能压能。 内能内能 内能（又称热力学能）是流体内部大量分内能（又称热力学能）是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的内能的总和。以内能的总和。以U表示单位质量的流体所具有的内能，表示单位质量的流体所具有的内能，则质量为则质量为m（kg）的流体的内能为的流体的内能为mU，单位单位kJ。 流体的流动过程实质上是流动体系中各种形式能流体的流动过程实质上是流动体系中各种形式能量之间的转化过程。量之间的转化过程。

18、 管道内的不可压缩流体，管道内的不可压缩流体，不考虑热力学能不考虑热力学能，仅对，仅对总机械能进行衡算。总机械能进行衡算。（1）理想流体流动过程的能量衡算）理想流体流动过程的能量衡算 如上图，设在单位时间内有质量为如上图，设在单位时间内有质量为m(kg)、密度为密度为的的理想流体在导管中做定态流动，在与流体流动的垂直方向理想流体在导管中做定态流动，在与流体流动的垂直方向上选取截面上选取截面1-l和截面和截面2-2，在两截面之间进行能量衡算。，在两截面之间进行能量衡算。 入E 今流体在截面今流体在截面 2-2处的流速为处的流速为u2， 即即出E= mgz1+m u12/2+p1m/= mgz2+

19、m u22/2+p2m/ 根据能量守恒定律，若在两截面之间没有外界能根据能量守恒定律，若在两截面之间没有外界能量输入，流体也没有对外界作功，则流体在截面量输入，流体也没有对外界作功，则流体在截面1-1”和截面和截面2-2”之间应符合：之间应符合： =入E出E 即 mgz1+m u12/2+p1m/=mgz2+m u22/2+p2m/ 对于单位质量流体，则：对于单位质量流体，则： gz1+ u12/2+p1/=gz2+u22/2+p2/ 对于单位重力（重力单位为牛顿）流体，有：对于单位重力（重力单位为牛顿）流体，有： z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =z2+u22/(2g)+p2/(g

20、) 工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位为工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位为JN-1，即即m，称为称为“压头压头”，则，则z、u2/(2g)和和p/(g)分分别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称为为位压头、动压头和静压头位压头、动压头和静压头。 使用压头形式表示能量时，应注明是哪一种流体，使用压头形式表示能量时，应注明是哪一种流体，如流体是水，应说它的压头是多少米水柱。如流体是水，应说它的压头是多少米水柱。 以上各式都是理想流体在定态流动时的能量衡以上各式都是理想流体在定态流动时的能量衡算方程式，又称为算方程式，又称为伯努利方

21、程伯努利方程（Bernoulli equation）由伯努利方程可知，由伯努利方程可知，理想流体在管道各个截面上的理想流体在管道各个截面上的每种能量并不一定相等，它们在流动时可以相互转每种能量并不一定相等，它们在流动时可以相互转化，但其在管道任一截面上各项能量之和相等，即化，但其在管道任一截面上各项能量之和相等，即总能量（或总压头）是一个常数。总能量（或总压头）是一个常数。2211pgzpgz 注意注意Bernoulli 方程的适用条件；方程的适用条件； 重力场中，连续稳定流动的不可压缩流体。重力场中，连续稳定流动的不可压缩流体。 对可压缩流体，若开始和终了的压力变化不超过对可压缩流体，若开始

22、和终了的压力变化不超过20%，密密度取平均压力下的数值，也可应用上式度取平均压力下的数值，也可应用上式。0u流体静止，流体静止，几点说明：几点说明： 注意式中各项的意义及单位；注意式中各项的意义及单位； 三种形式机械能三种形式机械能的相互转换；的相互转换； Bernoulli 方程与静力学方程关系（方程与静力学方程关系（p12)；应用应用 单位统一；单位统一； 基准统一；基准统一； 选择界面，条件充分，垂直流动方向；选择界面，条件充分，垂直流动方向； 原则上沿流动方向上任意两截面均可。原则上沿流动方向上任意两截面均可。200021112121upgzupgz0001010ppuza) 虹吸管虹

23、吸管在在0-0 和和1-1面间列柏努利方程面间列柏努利方程gHu20可得：可得：位能位能 动能动能 虹吸管Apah110BpaH0 b) 文氏管和喷射泵文氏管和喷射泵222221112121upgzupgz)(21212221uupp压力能压力能 动能动能 1122p1 文氏管u1p2u2 为克服流动阻力使流体流动，往往需要安装流体为克服流动阻力使流体流动，往往需要安装流体输送机械（如泵或风机）。设单位重力的流体从流体输送机械（如泵或风机）。设单位重力的流体从流体输送机械所获得的外加压头为输送机械所获得的外加压头为We，单位单位Jkg-1。 则实际流体在流动时的柏努利方程为：则实际流体在流动时的柏努利方程为： 对于静止状态的流体，对于静止状态的流体，u=0，