流体流动及输送机械

流体流动及输送机械第1页，共60页，2023年，2月20日，星期二第一章流体流动及输送机械(1)主讲：曹淼第2页，共60页，2023年，2月20日，星期二●教学基本内容和要求●

主要讨论有关流体在管内流动的基本原理及流动规律。了解流体平衡（静止）和运动的基本规律，熟练掌握静力学方程式、连续性方程式、伯努利方程式的内容和应用，在此基础上解决管路计算、输送设备功率计算等问题。主要内容见图1-1。第3页，共60页，2023年，2月20日，星期二图1-1主要内容管路计算流速与流量测定流体动力学的基本方程式物料衡算能量衡算流体流动阻力计算静力学基本方程式应用u＝0第4页，共60页，2023年，2月20日，星期二目录1.1流体静力学1.2流体动力学1.3管内流体流动现象1.4流体流动阻力1.5管路计算第5页，共60页，2023年，2月20日，星期二第6页，共60页，2023年，2月20日，星期二第7页，共60页，2023年，2月20日，星期二第8页，共60页，2023年，2月20日，星期二1.研究流体流动的意义

流体:是指在剪应力作用下能产生连续变形的物体；主要包括液体和气体两大类；流体流动是最普遍的食品（化学、生物）工程单元操作之一；研究流体流动问题也是研究其它食品单元操作的重要基础。概述第9页，共60页，2023年，2月20日，星期二2.流体的特征

具有流动性；形状随容器形状而变化；

受外力作用时内部产生相对运动;密度和压力有关。不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。第10页，共60页，2023年，2月20日，星期二3.流体的性质（假设）连续性：流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点所组成的连续介质；均匀性：流体内部任意位置的流体其性能相同；各向同性：在流体内部任意位置沿各个方向的性能相同。第11页，共60页，2023年，2月20日，星期二1.1流体静力学

流体静力学是研究流体在重力场中处于特殊的运动状态（静止）的时候所受的外力满足的关系——平衡条件。1.1.1密度一、定义单位体积流体的质量，称为流体的密度。kg/m3

二、单组分密度

液体密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。p、T－状态参数第12页，共60页，2023年，2月20日，星期二气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下的数值，若条件不同，则密度需进行换算。式中：标准状态下气体的密度Kg/m3第13页，共60页，2023年，2月20日，星期二三、混合流体的密度混合气体各组分在混合前后质量不变(无化学反应)，则有——气体混合物中各组分的体积分率。

1m3混合气体为基准，混合前后质量不变;即：1m3混合物的质量等于各组分单独存在时的质量之和。第14页，共60页，2023年，2月20日，星期二混合液体假设各组分在混合前后体积不变，则有—液体混合物中各组分的质量分率。

1kg混合液体为基准，混合前后体积不变;即：1kg混合物的体积等于各组分单独存在时的体积之和。第15页，共60页，2023年，2月20日，星期二1.1.2、比体积（质量体积）单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。m3/kg1.1.3、相对密度某物质的密度和4℃纯水的密度之比，纯数，没有单位。第16页，共60页，2023年，2月20日，星期二1.1.4、理想气态方程P-压强，Pa；V-气体的体积，m3；n-物质的量，mol；R-理想气体常数，8.314J/(mol·K)；T-开尔文温度，单位K。M-摩尔分子质量，kg/mol。ρ-密度，单位kg/m3。第17页，共60页，2023年，2月20日，星期二

1.1.5压强流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，用符号P表示，单位Pa。流体压强与作用面垂直，并指向该作用面，亦即沿作用面的内法线方向；任意界面两侧所受压强，大小相等、方向相反；作用于流体内部某点不同方向上的压强在数值上均相同。一、压强的特性第18页，共60页，2023年，2月20日，星期二实践中以流体柱高度表示：注意：用液柱高度表示压强时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等，此时的压强为。标准大气压的换算关系：二、压强的单位SI制：Pa或N/m2；1bar=105Pa=100kPa=0.1MPa1atm=760mmHg=10.33mH2O=1.0133×105Pa=101.3kPa=0.1013MPa（物理大气压）1at=1.033kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.81×104Pa=98.1kPa（工程大气压）第19页，共60页，2023年，2月20日，星期二

三、压力的表示方法

绝对压强单位面积上所受垂直压力的绝对数值，Pab。相对压力（以大气压度量）

①表压Pg用于被测流体的绝对压强大于外界大气压Pa的情况。压力表上的读数表示被测流体的绝对压强高出大气压的数值。

Pg=Pab－Pa②真空度Pvm用于被测流体的绝对压强小于外界大气压的情况。此时，真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于大气压的数值。

Pvm=Pa－Pab第20页，共60页，2023年，2月20日，星期二绝对压力

绝对压力

绝对真空表压真空度大气压Pa第21页，共60页，2023年，2月20日，星期二例：1.蒸汽加热器的蒸汽压力表上读数为81.9×103Pa，当时当地气压计上读数为98.1×103Pa。则设备内蒸汽的绝对压力为

Pa。某设备上真空表的读数为13.3×103Pa，已知该地区大气压强为98.7×103Pa。则设备内的绝对压力为

Pa。比较下列压力大小：P1=0.4atm,P2=0.4atm(表压),P3=0.4atm(真空度)。A．P1>P2>P3;B．P2>P3>P1;C．P2>P1>P3;D．P1=P2=P3

1.8×10585.4×103B．P2>P3>P1第22页，共60页，2023年，2月20日，星期二1.1.6流体静力学基本方程式（欧拉平衡微分方程）一、静力学基本方程

（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（），重力场中对液柱进行受力分析：pap2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下←正向第23页，共60页，2023年，2月20日，星期二液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:——静力学基本方程式Pa压力表达式（N/m2）/（Kg/m3）＝J/kg能量表达式（J/Kg）/（N/Kg）=J/N=m压头表达式Pa＝N/m2=J/m3

压力表达式和压强p+第24页，共60页，2023年，2月20日，星期二讨论：（1）适用于重力场中静止、连续、均匀的同种不可压缩性流体；（2）物理意义：静力学基本方程式的本质：在同一静止连续不可压缩的静止流体中，流体的压强能和势能之和在不同位置守恒，也就是和压强处处相等。P+

——和压强P

——单位体积的压强能；ρgz

——代表单位体积的势能。第25页，共60页，2023年，2月20日，星期二（3）在静止的、连续、均匀的同种流体内（），处于同一水平面上各点（Z=C）的压力处处相等。压力相等的面称为等压（势）面。（4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。液面上方的大气压pa也传递到距离液面任意h深度:p＝pa＋ρgh。第26页，共60页，2023年，2月20日，星期二二、静力学基本方程的应用1.压（力）差及压力的测量（1）U形管压差计

设指示液A（黑色）的密度为，被测流体B（蓝色）的密度为，a与a′面为等压面，即而p1p2mRaa’第27页，共60页，2023年，2月20日，星期二所以整理得若被测流体是气体，，则有（2）指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。1Ω第28页，共60页，2023年，2月20日，星期二P11课本例1-1Ap1p2A'mRaaBz2

z1（ρ指水）

（ρi指水银等）

解:第29页，共60页，2023年，2月20日，星期二Ap1p2A'mRaaBz2

z1第30页，共60页，2023年，2月20日，星期二讨论：（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将真空度U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度。表压真空度p1pap1pa第31页，共60页，2023年，2月20日，星期二（2）双液体U管压差计（3）倒U形压差计指示剂密度小于被测流体密度，如空气作为指示剂:（5）复式压差计（4）倾斜式压差计2.液位测量

第32页，共60页，2023年，2月20日，星期二例1-2如右图所示，M与N设备内均充满水，两设备之间设有U形管压差计，以水银为指示液，试说明：1、2、3、4各点的压力关系：

；(2)5、6、7、8各点的压力关系：

；(3)9、10、11、12各点的压力关系：

。

P9=P10=P11>P12

P1=P2>P3=P4P5=P6>P7>P8第33页，共60页，2023年，2月20日，星期二作业P63-651,2,3,9,11题习题1.最好参见教材p11的解法，采用和压强相等递推。习题2.本题的气泡产生的条件刚好是静止的极限点，故按照静止问题来解此题。习题3.本题是流体静力学方程的一种工程实际应用。习题9.最好参见教材p11的解法，采用和压强相等递推。第34页，共60页，2023年，2月20日，星期二1.2流体动力学1.体积流量

单位时间内流经管道任意横截面的流体体积。

2.质量流量

单位时间内流经管道任意横截面的流体质量。

3.二者关系一、流量1.2.1流量与流速m3/s或m3/hkg/s或kg/h。第35页，共60页，2023年，2月20日，星期二二、流速2.质量流速

体积流速（平均流速）的定义

单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离；或单位时间单位截面上流过的流体体积。

m/skg/（m2·s）单位时间单位截面上流过的流体质量。

第36页，共60页，2023年，2月20日，星期二对于圆形管道：流量一般由生产任务决定。流速选择：三、管径的估算

↑→d↓→设备费用↓流动阻力↑→动力消耗↑→操作费↑综合考虑uu适宜费用总费用设备费操作费第37页，共60页，2023年，2月20日，星期二常用流速（适宜、经济流速）范围水及一般液体1～3m/s粘度较大的液体0.5～1m/s低压气体8～15m/s压力较高的气体15～25m/s饱和水蒸气20～40m/s过热水蒸气30～50m/s第38页，共60页，2023年，2月20日，星期二1.2.2稳定流动与非稳定流动稳定流动：各截面上的压力、流速等物理量仅随位置变化，但不随时间变化；非稳定流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。第39页，共60页，2023年，2月20日，星期二1.2.3稳定流动系统的质量守恒（物料衡算）－连续性方程

对于稳定流动系统，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1122第40页，共60页，2023年，2月20日，星期二若为不可压缩性流体，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。连续性方程第41页，共60页，2023年，2月20日，星期二1.2.4管内稳定流动的能量衡算（流体动力学）—柏努利方程一、总能量衡算1.柏努利方程第42页，共60页，2023年，2月20日，星期二衡算范围：截面1-1′、2-2′间基准面：0-0′水平面衡算依据：能量守恒假设：流体不可压缩，则连续性方程：m1＝m2＝m

第43页，共60页，2023年，2月20日，星期二

1-1截面输入能量=2-2输出能量（1）位能

mgz1mgz2（2）动能（3）静压能（流动功）

（4）内能mU1mU2

（5）输入功mwe0（5）输入能量mqe0——柏努利方程（J）（J/kg）第44页，共60页，2023年，2月20日，星期二柏努利方程的其他形式：（1）以单位质量流体为基准的能量表达式（2）以单位重量流体为基准的压头表达式

（3）以单位体积流体为基准第45页，共60页，2023年，2月20日，星期二注意几个表示字母单位质量流体衡算，泵的能量we，总机械能损失Σhf1-2

，单位J/Kg；单位重量流体衡算，泵的能量He，总机械能损失ΣHf1-2，单位J/N=m；单位体积流体衡算，泵的能量Pe，总机械能损失ΔPf，单位J/m3。第46页，共60页，2023年，2月20日，星期二2.柏努利方程的讨论（1）对于静止流体，流速u=0，且无能量输入，则：静力学基本方程（2）zg、、——某截面上单位质量流体所具有的位能、静压能和动能；z、、某截面上单位重量流体所具有的位压头、静压头和动压头；静压头和位压头z之和成为冲压头。第47页，共60页，2023年，2月20日，星期二（3）Σhf（ΣHf）

—两截面间单位质量（重量）流体消耗的机械能或内能的改变量；（4）we（He）—两截面间单位质量（重量）流体从泵获得的能量,J/Kg(J/N)。泵的有效功率：J/s=w泵的（轴）功率：J/s=w第48页，共60页，2023年，2月20日，星期二（5）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。

对于可压缩性流体，当时，仍可用该方程计算，但式中的密度ρ应以两截面的平均密度ρm代替。第49页，共60页，2023年，2月20日，星期二4．柏努利方程的应用管内流体的流量；输送设备的功率；管路中流体的压力；容器间的相对位置等。a.解决的问题绘制流体流动系统示意图；确定流动系统的截面及衡算范围；选取基准水平面；列方程，计算。b.步骤第50页，共60页，2023年，2月20日，星期二（3）各物理量的单位应保持一致，特别注意压力表