化工基础-第二章-流体流动与输送课件

1、第二章 流体的流动与输送2022/7/16主要内容第一节:流体静力学第二节:流体流动第三节:流体流动系统的质量衡算第四节:流体流动系统的能量衡算第五节:管内流体阻力第六节:流体流量的测定第七节:流体输送设备2022/7/16前言 流体是气体与液体的总称 具有流动性；无固定形状； 受外力作用时内部产生相对运动 流体流动是最普遍的化工单元操作之一； 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点或微团所组成的连续介质不可压缩流体：可压缩性流体：连续性假定由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸、远大于分子自由程理想流体理想流体是指不具有粘度，流动时不会产生摩擦阻力的流体2022/7/16

2、第 二 章 流体流动与输送一、相对密度二、压强三、流体静力学方程四、流体静力学方程的应用第 一 节 流体静力学2022/7/16密度定义 单位体积的流体所具有的质量，; SI单位kg/m3一、密度和相对密度液体（不可压缩流体）气体（可压缩性流体） 由理想气体方程求得操作条件（T, P）下的密度标况下2022/7/162.混合物的密度 （1）液体混合物的密度m 取质量为m总液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为假设混合后总体积不变，液体混合物密度计算式2022/7/16例 已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与998kg/m3，试求含硫酸为60%（质量）的硫酸水溶液的密度为若干。 解：

3、根据式：m=1372kg/m32022/7/16（2)气体混合物的密度m取体积为V总的气体,令各组分的体积分率为:1, 2, n 其中:i =1, 2, ., n混合物中各组分的质量为：若混合前后,气体的质量不变， 气体混合物密度计算式当混合物气体可视为理想气体时, 理想气体混合物密度计算式混合气体的平均摩尔质量2022/7/16例 已知干空气的组成为：O221%、N278%和Ar1%（均为体积%），试求干空气在压力为9.81104Pa及温度为100时的密度。 干空气的平均摩尔质量 Mm=320.21+280.78+39.90.01 =28.9610-3kg/mol2022/7/16（1）比容

4、：单位质量的流体所具有的体积，用表示， 单位为m3/kg（2）比重(相对密度)：某物质的密度与4下的水的密度的比 值，用 d 表示在数值上:3.与密度相关的几个物理量硫酸的相对密度d420=1.842022/7/16 SI制单位：N/m2，即Pa 标准大气压、工程大气压、流体柱高度二、压强 流体垂直作用于单位表面积上的力，称为流体的静压强，简称压强1.压强的定义换算关系为：标准大气压1atm = 101325N/m2 =10332.5kgf/m2= 1.03325 kgf/cm2 =760mmHg =10.33m H2O工程大气压1at =1kgf/cm2 =9.807104Pa=736mmH

5、g =10mH2O2022/7/16压强的表示方法（1）绝对压强（绝压）： 流体体系的真实压强称为绝对压强（2）表压强（表压）：压力表上读取的压强值称为表压表压强=绝对压强-大气压强 （3）真空度：真空表的读数 真空度=大气压强-绝对压强=-表压绝对真空、大气压力2022/7/16绝对压强、真空度、表压强的关系为 绝对零压线大气压强线A绝对压强表压强B绝对压强真空度 当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表压）2022/7/16【例2-1】 一台操作中的离心泵，进出口压力表的读书分别为38kPa(真空度）和138kPa（表压强），当地大气压强为1工

6、程大气压，试求（1）泵进口与出口的绝对压力; 绝对零压线大气压强线AB60.07kPa38kPa1工程大气压=98.07kPa解：进口绝对压力p1=98.07-38=60.07kPa出口绝对压力p2=98.07+138=236.07kPa138kPa326.07kPa2022/7/16重力场中对液柱进行受力分析：（1）上端面所受总压力 （2）下端面所受总压力 （3）液柱的重力设流体不可压缩，p0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下三、流体静力学方程1.方程的推导2022/7/16液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:流体的静力学方程 1静止流体内部的静压强仅与垂直位置有关，而与同一水平不

7、同位置无关，位置越低，压强越大2.压强与流体的密度有关3.液面上所受的压强能以同样大小传递到 液体内部的任一点2022/7/16压强与压强差的测量U形压差计 双液体U管压差计 液位测量液封高度的计算 四、静力学方程的应用2022/7/161） U形管压差计 A与A面为等压面，即p1p2mRAA（1）压强与压强差的测量若被测流体是气体， 设指示液的密度为被测流体的密度为不反应不互溶则有2022/7/16当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，可测得流体的表压或真空度表压真空度p1pap1paU行压差计测量流体压强2022/7/16【例】 如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面

8、处的压力，直接在该处连接一U形压差计，指示液为水银，读数R250mm，m900mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3。试计算该截面处的压强pA= pA pA=p+gm + 0 gRpA= papa =p+gm + 0 gRp = pa -gm -0 gR解:绝对压力pa p=gm + 0 gR真空度2022/7/16p1p2z2RAAz1【例1-3】 如附图所示，密度为的流动从倾斜管路中流过，用U形压差计测量管路中两截面1、2的压力差，试推导p的表达式。pA= pA 解:2022/7/162）双液体U管压差计（微压计） 扩大室内径与U

9、管内径之比应大于10 密度接近但不互溶的两种指示液A和B适用于压差较小的场合ABcd2022/7/162.液位的测定 上端与容器顶部连通，下两与容器底部连通2022/7/163.液封 液封作用：防止气柜内气体泄漏确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；液封高度：2022/7/16第一章 流体流动一、流体的流量与流速二、稳态流动与非稳态流动三、流动型态四、牛顿粘性定律五、边界层及边界层分离六、流体在管内的流速分布第二节 流体流动2022/7/16 一、流体的流量与流速 1、流量 单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量 若流量用体积来计量，称为体积流量qv；单位：m3/s(

10、h) 若流量用质量来计量，称为质量流量qm；单位：kg/s(h) 体积流量和质量流量的关系是： 2、流速 单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速u单位为：m/s数学表达式为：2022/7/16对于圆形管道：流量qV一般由生产任务决定4.流速选择3.管径的估算 流动阻力 动力消耗 操作费均衡考虑费用总费用设备费操作费d设备费用uu适宜2022/7/16管径的表示方法： mn: m管外径；n 管厚度；d=(m-2n)2022/7/16二、稳态流动与非稳态流动1.稳态流动2.非稳态流动流体流动系统内，任一空间位置流量、流速、压强和密度等有关物理量不仅随位置而改变，而且随时间而变的流动流体流动

11、系统内，任一空间位置流量、流速、压强和密度等有关物理量仅随位置而改变，不随时间而改变的流动2022/7/162022/7/162022/7/16三、流动型态湍流或紊流流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合层流或滞流流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合过渡区1.雷诺实验2022/7/162.判断流型雷诺准数例长度、质量、时间量纲分析:Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000 Re 4000 （2）umax=20000.001/(0.02

12、5998.2)=0.08 m/s 2022/7/16 流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的作 用力。又称为粘滞力或粘性摩擦力Fuududyu流体在流动时产生内摩擦力的性质，称为流体的粘性 四、牛顿粘性定律衡量流体黏性大小的物理量，称为流体的粘度2022/7/16牛顿粘性定律（高分子溶液，胶体溶液及悬浮溶液）剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体牛顿型流体：（气体和大多数液体的层流）不符合牛顿粘性定律的流体非牛顿型流体：式中：F内摩擦力，N 剪应力，Pa法向速度梯度，1/s比例系数，称为流体的粘度，Pas2022/7/16流体的粘度物理意义粘度与温度、压强的关系 促使流体流动

13、产生单位速度梯度的剪应力只有在运动时才显现出来粘度总是与速度梯度相联系液体 :T 气体 : T p 分子间的相互作用分子间相互碰撞2022/7/16粘度的单位 在SI制中： 在物理单位制中， SI单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为： 2022/7/16边界层：主流区:五、 边界层及边界层分离 流速基本不变化，u99%u0,速度梯度很小阻力不可忽略较大速度梯度的流体层区域粘度总是与速度梯度相联系可视为理想流体阻力可以忽略，壁面附近流速变化较大的区域，u=099%u0的区域2022/7/161、边界层的形成平板：2022/7/16圆管进口段长度层流湍流层流时 L0/d=0.0575Re湍流时

14、L0/d=50100进口段长度2022/7/162、边界层分离 当流体流过非流线型物体时会发 生边界层脱离壁面的现象，称为边界层分离ACC加速减压减速加压边界层速度减为零驻点B1.流道扩大时必造成逆压强梯度2.逆压强梯度容易造成边界层的分离3.边界层分离造成大量漩涡，增大机械能损耗形体阻力摩擦阻力局部阻力2022/7/16六、流体在管内的速度分布 速度分布：流体在管内流动时截面上各点速度随该点与管中心的距离的变化关系 1.层流时的速度分布 2.层流速度分布方程2022/7/16作用于流体单元右端的总压力为： 作用于流体单元四周的剪切力为： 作用于流体单元左端的总压力为：管壁处rR时，02022

15、/7/16代入上式得：滞流流动时圆管内速度分布式 2022/7/162.圆管内湍流流动的速度分布 4104Re1.1105时，n=6； 1105Re3.2106时，n=10 。湍流流动时圆管内速度分布式 2022/7/16第一章 流体流动第三节 流体流动系统的质量衡算连续性方程2022/7/16连续性方程式 对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下： 推广至任意截面 连续性方程式11222022/7/16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 。例2022/7/16例 如附图所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和两

16、段573.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以9103m3 /s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。3a123b解:2022/7/16第一章 流体流动与输送第四节 流体流动系统的能量衡算伯努利方程2022/7/16柏努利方程总能量衡算E失2022/7/16 流体因处于重力场内，因为离基准面有一定高度而具有的能量位能： 单位质量流体的位能 流体以一定的流速流动而具有的能量动能：单位质量流体所具有的动能 单位时间内质量流量qm的流体的位能 单位时间内质量流量qm的流体的动能 压力能 通过某截面的流体具有的用于克服压力功的能量 2022/7/16流体在截面1-1处

17、所具有的压力 流体通过截面所走的距离为 流体通过截面的压力能 单位质量流体所具有的压力能 单位时间内流体的压力能 流体内部因分子运动而具有的能量热力学能：单位质量流体的内能以U表示，单位J/kg单位时间内质量流量qm的流体的内能=qmU (J/s)2022/7/16由输送机械获得的能量：W(W、J/s)由换热器提供的热量Q(W、J/s) 单位质量流体由泵获得的能量 单位质量流体由换热器获得的热量摩擦能量损耗E失(W、J/s) 单位质量流体摩擦能量损耗2022/7/16总能量衡算衡算范围：1-12-2截面衡算基准：单位时间（s）衡算对象：总能量输入系统的能量输出系统的能量流体流动过程的能量衡算方

18、程为单位J/S实际流体的伯努利方程2022/7/16衡算基准：单位质量流体衡算基准：单位重量流体J/N=m位压头动压头静压头有效压头压头损失总压头扬程2022/7/16伯努利方程的讨论 （2）对于静止的，不可压缩性流体，即W=0，E失=0，u1=u2=0，则伯努利方程变为（1）若无输送机械（w=0),是理想流体（E失=0）理想流体的伯努利方程2022/7/16柏努利方程的解题要点 (1) 作图并确定衡算范围 根据题意画出流动系统的示意图，并指明流体的流动方向，定出上下截面，以明确流动系统的衡算范围(2) 截面的截取 两截面都应与流动方向垂直，并且两截面的流体必须是连续的，所求得未知量应在两截面

19、或两截面之间，截面宜选在已知量多、计算方便的地方2022/7/16(3) 基准水平面的选取 基准水平面的位置可以任意选取，但必须与地面平行，为了计算方便，通常取基准水平面通过衡算范围的两个截面中的任意一个截面。 (4) 单位必须一致 在应用柏努利方程之前，应把有关的物理量换算成一致的单位，然后进行计算。两截面的压强除要求单位一致外，还要求表示方法一致2022/7/16【例2-2】解：取高位槽液面为1-1截面，虹吸管出口内测截面为2-2截面，以2-2截面为基准面z1=h,z2=0,p1=p2=0(表压）He=0u10,u2=1m/shf=20J/kg2022/7/16第 一 章 流体流动与输送一

20、、直管阻力损失计算通式二、层流流动的阻力损失计算三、湍流摩擦阻力计算与量纲 分析法四、 非圆形管内的流动阻力五、局部阻力损失计算第 五 节 管内流动阻力2022/7/16管路中的阻力直管阻力 ：局部阻力： 沿程阻力流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力单位质量流体流动时所损失的能量，J/kg单位重量流体流动时所损失的的能量 ，m单位体积的流体流动时所损失的能量 ，Pa压头损失压力损失压强降2022/7/16一、直管阻力损失计算2022/7/16与比较，得：摩擦系数直管阻力损失计算通式（范宁公式） J/kg2022/7/16pam摩擦系数的物理意义1牛顿流体在管

21、道中流经一段与管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范宁因子压头损失压力损失2022/7/16二、层流流动时的阻力损失计算 层流流动时的计算公式2022/7/16 主要依靠实验建立经验关系式。 实验应在量纲分析法指导下进行。三、湍流时的摩擦阻力计算与量纲分析法 1.量纲分析法与湍流时的摩擦系数 （1）通过初步的实验结果和较系统的分析，找出影响过程的主要因素。湍流时影响摩擦系数的主要因素有： 绝对粗糙度：管道壁面凸出部 分的平均高度2022/7/16(2)用幂函数表示各物理量间关系(3)以基本量纲质量（M）、长度(L)、 时间(T) 表示各物理量： d =m =L u =ms-1=

22、 LT-1 = kgm-3= ML-3 = Pas= N.m-2.s=kgm.s-2.m-2.s= M L-1T -1（4）根据量纲一致性原则确定上述待定指数 忽略粗糙度的影响2022/7/16b=-e; c=-e; a=-e考虑粗糙度的影响三者函数关系的实验结果标绘在双对数坐标图上，称为莫狄（Moody）摩擦系数图 2022/7/162.粗糙度对摩擦系数的影响 光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；粗糙管：钢管、铸铁管等。绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度 ： 绝对粗糙度与管内径的比值。 层流流动时：2022/7/162022/7/16 湍流流动时： 水力光滑管只与Re有关

23、，与 无关 湍流粗糙管 与 、 Re均有关L极小 （完全湍流粗糙管） 湍流粗糙管 与 、 Re均有关只与 ,与Re无关2022/7/163.湍流时阻力损失计算查图法经验公式法 柏拉修斯(Blasius)光滑管公式 适用范围为Re=51031105 粗糙管：光滑管：顾毓珍公式：适用范围为Re =31033106值的确定2022/7/16水力光滑管2022/7/16（1）层流区（Re 2000） 与 无关，与Re为直线关系，即 ,即 与u的一次方成正比。（2）过渡区（2000ReA1，阻力系数 =1管入口： A1A2，阻力系数 =0.52022/7/16例一摇板式止逆底阀10个标准900弯头一个标

24、准截止阀（全开）一个闸阀（全开）求输送单位质量流体需要提供的机械能qv=6m3.h-138mm3mml=20mJ.kg-1He2022/7/16管中流速总阻力2022/7/162022/7/16第一章 流体流动与输送一、孔板流量计二、转子流量计第六节 流体流量测量2022/7/16一、孔板流量计孔板1、孔板流量计的结构及工作原理利用测量压强差的方法测量流体流量2022/7/16在1-1和2-2间列柏努利方程，略去阻力损失 2、流量方程2022/7/16C0-孔流系数，C0=f( A0/A1,Re1 ) 0.60.7文丘里流量计0.980.99孔板流量计流量计算公式2022/7/16二、转子流量

25、计1、转子流量计的结构及工作原理转子受力平衡向上推力+浮力=重力 2、流量方程在转子的上下两截面处列伯努利方程2022/7/16在1-1和2-2截面间列柏努利方程 21122022/7/16刻度换算标定流体：20水（1000kg/m3 ） 20、101.3kPa下空气（ 1.2kg/m3） 转子流量计在出厂时一般是根据20的水或20、0.1MPa下的空气进行实际标定的，并将流量值刻在玻璃管上式中：1标定流体 2被测流体气体转子流量计 例2022/7/16例 以水标定的转子流量计用来测量酒精的流量。已知转子的密度为7700 kg/m3，酒精的密度为790 kg/m3，当转子的刻度相同时，酒精的流

26、量比水的流量大还是小？试计算刻度校正系数。 解：酒精流量比水大2022/7/16第一章 流体流动与输送一、离心泵的构造及工作原理二、往复泵三、旋转泵四、真空泵第七节 流体输送设备2022/7/16闭式叶轮开式叶轮 半闭式叶轮 一离心泵的构造和工作原理1.离心泵的构造叶轮泵壳使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压能 将电动机的机械能传给液体,使液体的能量有所提高汇集液体，作导出液体的通道；2022/7/162.离心泵的工作原理常压流体离心力叶轮旋转高速流体逐渐扩大蜗形泵壳 高压流体离心泵的操作灌液克服气缚现象启动先关闭出口阀门，再合闸运转逐步开启出口阀门，调节流量停车先关闭出口阀门，再拉闸2

27、022/7/162022/7/16 气 缚 离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚”。 为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一止逆阀。此外，在离心泵的出口管路上也装一调节阀，用于开停车和调节流量。2022/7/163.离心泵的主要性能参数离心泵的性能参数：扬程、流量、轴功率和效率 (1) 离心泵的扬程又称为泵的压头泵对单位重量的液体所提供的有效能量，He=f (结构、尺寸、转速、流量）实验测定2 21 1以He表示，单位为m2022/7/

28、16根据1-1,、2-2,两截面间的柏努利方程：(忽略阻力损失) 忽略流速平方差指离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积一般用qv 表示，单位为m3/s 或 m3/h(2)离心泵的流量 qv=f(结构、尺寸、转速）又称为泵的送液能力2022/7/16电机的叶轮将电机的能量传给液体的过程中，所做的功不能全部都为液体所获得，通常用效率来反映能量损失(3)离心泵的功率和效率 电机输给泵轴的功率,用P表示，单位为J/S或W有效功率：流体实际获得的功率，用Pe表示 轴功率：单位为J/S或W轴功率和有效功率之间的关系为 ：2022/7/16有效功率可表达为 轴功率可直接利用效率计算4.离心泵的特性曲线

29、He、 、 P与qv的关系， Heqv、qv 、 Pqv离心泵的特性曲线注意：特性曲线随转速而变 各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线，但形状基本相似，具有共同的特点 2022/7/163）qv曲线：随着流量的增大，泵的效率将上升并达到一个最大值，以后流量再增大，效率便下降1）Heqv曲线：压头普遍随流量的增大而下降2）Pqv曲线：轴功率随流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小启动泵时，应关闭出口阀，以保护电机92% 高效区（工作范围）2022/7/16例hf =52.0qm=1.5kg.s-1d25mm=50%=1840kg.m-3Hf=hf /g2022/7/16例 用离心泵将20水从水

30、池送至敞口高位槽中，流程如附图所示，两槽液面差为12m。输送管为573.5mm的钢管，总长为220m（包括所有局部阻力的当量长度）。用孔板流量计测量水流量，孔径为20mm，流量系数为0.61，U形压差计的读数为400mmHg。摩擦系数可取为0.02。试求：（1）水流量，m3/h；（2）每kg水经过泵 所获得的机械能1211,22,解：（1）2022/7/16（2）在 面间列柏努利方程 ：总阻力损失 Z1=0 Z2=12; p1= p2 =0（表压); u1=u2=02022/7/16安装高度: 液面到泵入口处的垂直距离(Hg)安装高度有无限制？5.离心泵的安装高度Hg，则p1当p1pv，液体部

31、分汽化汽泡被抛向外围凝结局部真空压力升高周围液体高速冲向汽泡中心 撞击叶片(水锤)泵体振动并发出噪音He , qv ，, 严重时不送液；时间长久，水锤冲击和化学腐蚀，损坏叶片气蚀2022/7/16允许吸上真空高度（9.81104pa,20,清水）泵入口管的动压头吸入管径大于输出管径吸入管路压头损失减少吸入管路的管件阀门极限高度2022/7/16例:某工段领到一台离心泵，泵的铭牌上标着：流量qv=20m3.h-1,扬程He=30.8米水柱，转速n=2900转分，允许吸上真空高度Hs=7.2m,泵的流量和扬程均符合要求，若已知管路的全部阻力为1.8米水柱，当时当地大气压为736mmHg,试计算：1

32、.输送20水时泵的安装高度为多少？2.输送90水时泵的安装高度又为多少？7.21.8（1） =5.4（2） 70.1 103965.32022/7/16例qv=100m3.h-1=1200kg.m-3159mm4.5mml=150mP1=0.1MPa(绝压） ; p2=0.05MPa（表压）=0.03He=17.1m qv=0.0306m3.s-117.1m2022/7/16本章复习一、填空题：1.已知兰州的大气压力为640mmHg，试将压力表示为 atm、 kgf/cm2、 mH2O、 m液柱（此液体的密度为800 kg/m3）、 Pa。2液体的密度随T上升而 ，气体密度与 和 有关。3已知通过某一截面的溶液流量为30m3/h，溶液的密度为1200kg/m3，该截面处管子的内径为0.08m，则流速= 、质量流速= 、质量流量= 。2022/7/164. 已知管内径为0.02m，粘度为1.1厘泊，密度为1050kg/m3的液体以每小时2m3的流量流动，则流型为 5在完全湍流情况下，如管路系统不变，流量增大一倍，阻力 6阻力平方