第一章-流体流动与输送机械复习 化工原理

第一章流体流动与输送机械压力定义：垂直作用于单位面积上的表面力称为流体的静压强,简称压强。流体的压强具有点特性。工程上习惯上将压强称之为压力。表达式单位：1.1流体基本性质表压、绝压、真空度绝对压强以绝对零压为基准测得的压强，是流体的真实压强。表压强以大气压强为基准测得的压强

表压强＝绝对压强－大气压强

真空度以大气压强为基准测得的负压

真空度＝大气压强－绝对压强注意:1)由于各地大气压不同，故会有总压相同，但表压却不同

2)有时用mmHg表示真空度

3)如用表压，真空度表示压强，必须要说明；如不特别说明一般认为是绝对压强。上两式即为液体静力学基本方程式。如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为p0，液柱Z1-Z2＝h，则上式可改写为1.2流体静力学平衡方程当P0一定时，h↑→P2↑，即：静止流体中任一点的压力与流体密度ρ和所处高度h有关，与容器形状无关；P0变化时，会以同样大小传递到液体内部─帕斯卡原理；应用：水压机、液压传动装置讨论:

等压面:

静止流体中，同一水平面各点压强相等，称此水平面为等压面等压面条件：静止、连续、同一流体、同一液面（缺一不可）例如：如图所示a-b、b-c、c-d不是等压面,只有a-c是等压面。

（一）测压1、U形管压差计U形玻璃管标尺指示液结构：测压原理：注意其选择指示液密度ρ0，被测流体密度为ρ，图中A、A’两点的压力是相等的，因为这两点都在同一种静止液体（指示液）的同一水平面上。通过这个关系，便可求出（p1－p2）的值。二、静力学基本方程的应用p1p2mRAA’根据流体静力学基本方程式则有：测量气体时，由于气体的ρ密度比指示液的密度ρ0小得多，故ρ0－ρ≈ρ0，上式可简化为U型管左侧U型管右侧p1p2mRAA’密度接近但不互溶的两种指示液A和C；2、双液体U管压差计（微差压差计）扩大室内径与U管内径之比应大于10。1流量与流速

单位时间内通过流道有效截面的流体的体积量，以qv表示，单位m3/s或m3/h

。生产中常说的流量就指体积流量。

单位时间内通过流道有效截面的流体的质量，用qm表示，单位kg/s或kg/h。体积流量质量流量1.3流体动力学两者关系：

单位时间内通过单位流道有效截面的流体的体积量称为体积流速，习惯上简称为流速，以u表示，单位m/s

单位时间内通过单位流道有效截面的流体的质量称为质量流速，以G表示，单位kg/(m2

•s)两者关系：质量流速

体积流速

2定态流动及非定态流动（1）定态流动（稳态流动）

流场中的物理量，仅和空间位置有关，而和时间无关。（2）非定态流动（非稳态流动）流场中的某物理量，不仅和空间位置有关，而且和时间有关。

随着过程的进行，h减低,u降低。

3定态流动系统的质量守恒—连续性方程

连续性方程是质量守恒定律的一种表现形式，本节通过物料衡算进行推导。对于连续稳态的一维流动，如果没有流体的泄漏或补充，由物料衡算的基本关系：

输入质量流量=输出质量流量qm1=

qm2

设流体在如图所示的管道中:作连续定态流动;从截面1-1流入，从截面2-2流出；

一、连续性方程式1122

上式可写成:u1A1ρ1=u2A2ρ2推广到管路上任何一个截面，即:u1A1ρ1=u2A2ρ2=…=uAρ=常数

以上两式都称为管内稳定流动的连续性方程式。它反映了在稳定流动系统中，流体流经各截面的质量流量不变时，管路各截面上流速的变化规律。此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关。对于不可压缩的流体，即:ρ＝常数，可得到u1A1=u2A2=…=uA=常数u1A1=u2A2对于在圆管内作稳态流动的不可压缩流体：式中d1及d2分别为管道上截面1和截面2处的管内径。上式说明不可压缩流体在管道中的流速与管道内径的平方成反比。（1）、机械能衡算式——柏努利方程式qewe由能量守恒定律：输入能量＝输出能量总能量衡算式：柏努利方程4定态流动系统的机械能守恒—柏努利方程－－式中各项单位为J/N，m。当流动系统不涉及与环境的热量交换及温度变化时，此时Ｑe=0，U1=U2。流体为不可压缩流体，，则柏努利方程可化为：ρ1=ρ2=ρ

柏努利方程柏努利方程－－式中各项单位为J/kg。（1）作图并在图上标出有关物理量；（2）取截面并确定基准水平面；柏努利方程式的应用解题要求：截面要求：与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应是定态连续流动；截面宜选在已知量多、计算方便处。计算中要注意各物理量的单位保持一致，尤其在计算截面上的静压能时，p1、p2不仅单位要一致，同时表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。（３）选用柏努利方程式（５）代入方程式求解截面很大时（如储槽，高位槽），流速可认为是0。

位能基准水平面必须与地面平行。为计算方便，宜于选取两截面中位置较低的截面为基准水平面。若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选管中心线的水平面。（４）并列出已知条件（６）结果讨论

泵压头与流体输送机械的有效功率的关系We——在两截面间1kg质量流体获得的能量，即输送机械所做的有效功。有效功率

Pe

：单位时间输送设备所作的有效功。η---输送机械的效率轴功率已知u1，d1，d2，左侧高度

1m，求h（忽略从1到2处的压头损失）柏努利方程式的应用出水阀全关闭时，压力表读数为P1。阀门开启后，压力表读数降至P2。设压力表之前管路中的压头损失为Hf米水柱，求水的流量为多少?R=40mm300mm200mm水例如图所示，已知：ρ=1.2kg/m3求：qv。空气1122解：取截面如图，以管的轴心线所在平面为基准水平面。在1-2间列柏努利方程式中：Z1=Z2=0，We=0，∑Wf=0，上式简化为？？连续性方程（1）（2）（1）、（2）在物理单位制中,粘度的单位为:在SI中,粘度的单位为:P(泊)或cP(厘泊)2、粘度的单位换算关系:

为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响,可安排如右图所示的实验。这个实验称为雷诺实验。一、雷诺实验与流体的流动型态雷诺实验装置1-小瓶；2-细管；3-水箱；4-水平玻璃管；5-阀门；6-溢流装置1-4-2流体的流动型态1.4管内流体流动现象

根据Re雷诺准数数值来分析判断流型。对直管内的流动而言：

Re的大小不仅是作为层流与湍流的判据，而且在很多地方都要用到它。不过使用时要注意单位统一。另外，还要注意d，有时是直径，有时是别的特征长度。当Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区；当Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；当2000<Re<4000

时，流动可能是层流，也可能是湍流，与外界干扰有关，该区称为不稳定的过渡区。2.流动型态的判定例：套管环隙，内管的外径为d1，外管的内径为d2d2d1例：矩形截面ab

非圆形管内的当量直径仅仅是用来计算非圆形管内的雷诺准数，与“直径”这一概念要区别开来，不能用当量直径来计算非圆形管内流体的流速、流量等物理量。3、非圆形管路的当量直径de流体在管道截面上的速度分布规律因流型而异。

层流时的速度分布理论分析和实验都已证明，滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布，如右图所示。管截面上的平均速度

:二、管内速度分布湍流时流体质点的运动情况比较复杂，目前还不能完全采用理论方法得出湍流时的速度分布规律经实验测定，湍流时圆管内的速度分布曲线如下图所示。速度分布比较均匀，速度分布曲线不再是严格的抛物线。

湍流速度分布的经验式：湍流时的速度分布当时，流体的平均速度

:

流体在管流系统中的能量损失由直管阻力损失与局部阻力损失构成。

直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；直管阻力又称沿程阻力，以Wf表示。局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。局部阻力又称形体阻力，以Wf′表示。流体在圆管内流动时的总阻力为：一、表示阻力损失的物理量及其相互关系1.5流体流动阻力二、阻力计算1.直管阻力的计算阻力损失J/kg（范宁Fanning公式）

摩擦系数压头损失J/N或m压力损失pa查书30页图1-22莫狄（Moody）摩擦因数图不仅与Re有关，而且和管子的粗糙度有关。（适用于圆形管路）正方形C＝57套管环隙C＝96层流时的摩擦系数湍流时的摩擦系数上图可以分成4个不同区域：层流区：Re2000，=64/Re，与/d无关。过渡区：2000<Re<4000湍流区：Re4000,与Re和/d有关。完全湍流区(阻力平方区)：与Re无关，仅与/d有关。查表举例1.Re=103，=0.058

2.Re=104，/d=0.002=0.034

3.Re=107，/d=0.002=0.023当量长度法

将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为Le的直管所产生的阻力。le——

管件或阀门的当量长度，m。

必须指明，在应用上式计算时，若遇两端流速u不相同时，式中的u、λ必须采用较大侧的参数。

局部障碍物的当量长度通常由实验测定，也可查阅文献获得。2.局部阻力损失

阻力系数法

将局部阻力表示为动能的某一倍数:

ζ—局部阻力系数，可查有关手册得到。J/kg或

J/N=m记住：容器入管口，ξ=0.5；管子入容器，ξ=1.0两种局部阻力的计算方法，同一管路系统最好采用同一种计算方法。注意：3、管路总阻力：从系统的1-1截面到2-2截面所有的阻力损失。4.减少流动阻力的途径：减小直管阻力；减小局部阻力；适当放大管径在物料中；加入一些添加剂；给管子穿衬衣。例：用泵把20℃的苯从地下储罐送到高位槽，流量为300l/min。高位槽液面比储罐液面高10m。泵吸入管路用φ89×4mm的无缝钢管，直管长为15m，管路上装有一个底阀（可粗略的按旋启式止回阀全开时计）、一个标准弯头；泵排出管用φ57×3.5mm的无缝钢管，直管长度为50m，管路上装有一个全开的闸阀、一个全开的截止阀和三个标准弯头。储罐及高位槽液面上方均为大气压。设储罐液面维持恒定。试求泵的轴功率。设泵的效率为70%。50m,1个闸阀,1个标准阀,3个90O弯头15m,1个底阀，1个90O弯头分析：求泵的轴功率机械能衡算式△Z、△u、△P已知求∑hf管径不同吸入管路排出管路范宁公式l、d已知求λ求Re、ε/d摩擦因数图当量长度阻力系数查图解：取储罐液面为上游截面1-1，高位槽液面为下游截面2-2，并以截面1-1为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式。式中：式中管件、阀门的当量长度为：底阀(按旋转式止回阀全开时计）6.3m标准弯头2.7m进口阻力系数ξ=0.5（1）吸入管路上的能量损失苯的密度为880kg/m3，粘度为6.5×10-4Pa·s取管壁的绝对粗糙度ε=0.3mm，ε/d=0.3/81=0.0037，查得λ=0.029（2）排出管路上的能量损失∑wf,b式中:管件、阀门的当量长度分别为：全开的闸阀0.33m全开的截止阀17m

三个标准弯头1.6×3=4.8m出口阻力系数ξ=1仍取管壁的绝对粗糙度ε=0.3mm，ε/d=0.3/50=0.006，查得λ=0.0313（3）管路系统的总能量损失:苯的质量流量为：泵的有效功率为：泵的轴功率为：由若干个弯曲的叶片组成的叶轮置于具有蜗壳通道的泵壳之内。叶轮紧固于泵轴上泵轴与电机相连，可由电机带动旋转。二、离心泵1、离心泵的基本结构和工作原理1.8流体输送机械气缚离心泵启动时，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。

离心泵在停机前，为防止出口管路中的高压流体向泵体内倒灌（因叶轮中心在停机瞬间尚处在真空状态），以至于对设备造成破坏，需先关闭出口阀后方可停机。

离心泵在启动前，必须先开启出口阀进行“灌泵排气”，使泵体及吸入管路内注满被输送的流体。注意：3、离心泵的主要性能参数与特性曲线

（1）性能参数

离心泵出厂时，泵上附有一个标牌（铭牌），注明泵在效率最高时的主要性能，如下图为一泵的铭牌。离心清水泵型号IS50-32-200转速2900r/min扬程48m效率51%流量15m3/h轴功率3.84kw气蚀余量2.5m叶轮直径200mm排出口径32mm吸入口径50mm重量*******水泵厂出厂编号*******出厂日期**年**月**日流量Q离心泵在单位时间内输送到管路系统的流体体积；[m3/h]定义：影响泵流量的因素：泵的结构（单吸、双吸）泵的规格（叶轮的直径和宽度）叶轮的转速输送流体的黏度扬程H

离心泵对单位重量（1N）的流体所能提供的有效机械能量，即每牛顿流体由泵实际获得的净机械能，单位为J/N或m（液柱）。

其值一般由实验测定。转速n泵轴在单位时间内的转数。转速以每秒的转数计，单位Hz；工程上用得较多的还有r/min功率有效功率Ne：单位时间液体从泵获得的能量，w或kw轴功率N：单位时间泵轴所需的能量，w或kw设备的尺寸流体的粘度流量N随之增大而增大效率η

：泵轴功率的利用率，或者说泵轴功率的损失程度。

η=Ne/N能量损失的原因：容积损失:泵的液体泄露所造成的损失；机械损失:轴与轴承，轴与填料及叶轮盖板外表面与液体摩檫。水利损失:流体流经叶轮通道和蜗壳时摩檫阻力及局部阻力；（2）离心泵的特性曲线通常，离心泵的特性曲线由制造厂附于泵的样本或说明书中，是指导正确选择和操作离心泵的主要依据。H~Q曲线：H随Q的增大而减小。