流体流动演示文稿

流体流动演示文稿目前一页\总数九十页\编于十五点流体流动目前二页\总数九十页\编于十五点目前三页\总数九十页\编于十五点①选择输送流体所需管径尺寸;②确定输送流体所需能量和设备;③流体性能参数的测量、控制;④研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供理论依据;⑤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。研究流体的流动和输送主要是解决以下问题:目前四页\总数九十页\编于十五点3.1流体的基本性质3.2流体流动的基本规律3.3流体压力和流量的测量

3.5流体输送设备3.4管内流体流动的阻力目前五页\总数九十页\编于十五点3.1流体的基本性质

1．密度

单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，其表达式为：ρ—流体密度，kɡ·m-3;m—流体质量，kg；V—流体体积，m3。ρ=m／V除极高压力外，压力对液体的密度影响很小，常将液体称为不可压缩流体。(3-1)目前六页\总数九十页\编于十五点

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体状态方程进行计算：

ρ=pM/RT

p—气体压力kN·m-2或kPa；T—气体温度K；M—气体摩尔质量g·mol-1；R—气体常数8.314Jmo1-1·K-1。(3-2)目前七页\总数九十页\编于十五点化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组分的混合物。对于液体混合物，各组分的浓度常用质量分数表示。若以1kg混合物为基准，设各组分在混合前后其体积不变，则1kg混合物的体积等于各组分单独存在时的体积和：ρi—液体混合物中各纯组分液体的密度，kg·m-3；wi—液体混合物中各组分液体的质量分数；ρm

—液体混合物的密度

。(3-3)目前八页\总数九十页\编于十五点对于气体混合物，各组分的浓度常用体积分数表示。若以1m3混合气体为基准，设各组分在混合前后的质量不变，则1m3混合气体的质量等于各组分的质量之和:ρI—气体混合物各纯组分的密度，kg·m-3；

φI—气体ρ混合物中各组分的体积分数；ρm—气体混合物的密度。

(3-4)目前九页\总数九十页\编于十五点2．比体积

单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积，以ν表示，它与流体的密度互为倒数:υ一流体的比体积，m3·kg-1；ρ—流体的密度，kg·m-3。

υ=1/ρ(3-5)目前十页\总数九十页\编于十五点3．压力

流体垂直作用于单位面积上的力称为压力：p—流体的压力，Pa；F—流体垂直作用于面积A上的力，N；A—作用面积，m2。压力的单位Pa（Pascal，帕），即N·m-2。latm＝760mmHg＝1.01325×105Pa＝10.33mH2O＝1.033kgf·cm-2常用压力单位与Pa之间的换算关系如下：p=F／A(3-6)目前十一页\总数九十页\编于十五点压力有两种表达方式:①绝对压力;②大气压力.当被测容器的压力高于大气压时，所测压力称为表压，当被测容器的压力低于大气压时，所测压力称为真空度。

大气压力随温度、湿度及所在地区的海拔高度而变化。目前十二页\总数九十页\编于十五点4．流量和流速

单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量。体积流量，以符号qv表示，单位为m3·s-1；质量流量，以符号qm表示，其单位为kg·s-1。摩尔流量，以符号qn表示，其单位为mol·s-1。qm=ρqV

质量流量与摩尔流量的关系为

qm＝Mqn

体积流量和质量流量的关系为：(3-7)(3-8)目前十三页\总数九十页\编于十五点流体的流速：单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，以u表示，单位为m·s-1。u=qV/S

S—与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2通常所说的流速是指流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表示：气体的体积流速随温度、压力而变化。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。(3-9)目前十四页\总数九十页\编于十五点

质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，以w表示，单位为kg·s-1·m-2，表达式为：

w=qm／S

体积流速和质量流速两者之间的关系：液体1.5~3.0m·s-1，高粘度液体0.5～1.0m·s-1；气体10～20m·s-1，高压气体15～25m·s-1；饱和水蒸汽20~40m·s-1，过热水蒸汽30~50m·s-1。

w=ρu工业上用的流速范围大致为：(3-10)(3-11)目前十五页\总数九十页\编于十五点5．粘度

粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要参数之一。流体的粘度越大，其流动性就越小。流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速度向前流动，形成流速分布。目前十六页\总数九十页\编于十五点图3一3所示，将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力，上板就以某一恒定速度u沿着x方向运动。对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层间的速度差△u呈正比，与两层间的接触面积A呈正比，而与两层间的垂直距离△y呈反比。

F∝(Δu/Δy)A

目前十七页\总数九十页\编于十五点引入比例系数μ

，则：

F＝μ（Δu/Δy）A

单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力（动量通量），以τ表示，则有：τ＝F／A＝μ（Δu/Δy）

当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系，则有：τ＝μ（du/dy）

du/dy—速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率；μ—比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。牛顿粘性定律(3-12)(3-13)(3-14)目前十八页\总数九十页\编于十五点

凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，所有气体和大多数液体都属于牛顿型流体。非牛顿型流体：某些高分子溶液、胶体溶液及泥浆等。

液体的粘度随着温度的升高而减小，气体的粘度随着温度的升高而增加。压力变化时，液体的粘度基本上不变，气体的粘度随压力的增加而增加,但增加得不多。[μ]=[τ/(du/dy)]=(N·m-2)/(m·s-1·m-1)＝N·s·m-2＝Pa·s目前十九页\总数九十页\编于十五点1P＝100cP（厘泊）=10-1Pa·s=10-1-2=10-1kg.m-1.s-1流体的粘度值由实验测定。手册中查得的数据常以厘米克秒(CGS)制表示。在CGS制中，粘度的单位为g.cm-1.s-1，称为“泊”，以P表示。运动粘度：流体的粘度μ与密度ρ的比值，以ν表示之：ν=μ/ρ单位为m2·s-1，在CGS制中单位为cm2.s-1，称为“沲”

1st—100cst(厘沲)＝10-4m2·s-1(3-15)目前二十页\总数九十页\编于十五点

在工业上常常遇到各种流体的混合物。对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进行计算。μm—常压下混合气体的粘度；

yi—气体混合物中某一组分的摩尔分数；μm=（∑yiμiMi1/2)／(∑yiMi1/2)μi—与气体混合物相同温度下某一组分的粘度；

Mi—气体混合物中某一组分的相对分子质量。(3-16)目前二十一页\总数九十页\编于十五点

μm——液体混合物的粘度；

xi——液体混合物中某一组分的摩尔分数；

μi——与液体混合物相同温度下某一组分的粘度。

对于分子不发生缔合的液体混合物的粘度，采用下式计算：(3-17)目前二十二页\总数九十页\编于十五点3.2流体流动的基本规律1．定态流动和非定态流动流体在管道或设备中流动时，若在任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但不随时间而改变，称为定态流动；反之，若流体在各截面上的有关物理量中，只要有一项随时间而变化，则称为非定态流动。

目前二十三页\总数九十页\编于十五点2．定态流动过程物料衡算—连续性方程

当流体在流动系统中作定态流动时，根据质量作用定律，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。

对上图所示截面1—1’和2—2’之间作物料衡算：

目前二十四页\总数九十页\编于十五点因为qm=ρuS，所以：在任何一个截面上，则：

qm=ρ1u1S1＝ρ2u2S2＝…＝ρnunSn=常数

对于不可压缩流体，ρ=常数，则：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。

qV=u1S1=u2S2=…=unSn=常数(3-18)(3-19)(3-20)目前二十五页\总数九十页\编于十五点3．流体定态流动过程的能量衡算——柏努利方程流动体系的能量形式主要有：流体的动能、位能、静压能以及流体本身的内能。

①动能流体以一定的流速流动时，便具有一定的动能。动能为mu2/2，单位为kJ。

②位能流体因受重力的作用，在不同高度处具有不同的位能，其值相当于把质量为m的流体由基准水平面垂直举至某一高度Z处所做的功，即mgZ，单位为kJ。

③静压能流体内部任一处都存在一定的静压力。

在流体体积不变的情况下，把流体引入压力系统所做的功，称为流动功。流体由于外界对它作流动功而具有的能量，称为静压能。目前二十六页\总数九十页\编于十五点⒊静压能：

设流体m、V→i-i截面(P、A)，则：截面处的压力F=P·A，流体通过A前进的距离

l=V/A流体进入该截面所需功

=F·l=P·V即：流体所具有的静压能=PV=Pm/ρ，单位为J，又称流动功。

单位质量流体所具有的静压能称比静压能：比静压能=PV/m=P/(m/V)=P/ρ，单位为J/kg。

目前二十七页\总数九十页\编于十五点

④内能内能（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内位能的总和。以U表示单位质量的流体所具有的内能，则质量为m（kg）的流体的内能为mU，单位kJ。

内能和什么有关？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。目前二十八页\总数九十页\编于十五点（1）理想流体流动过程的能量衡算

理想流体是指在流动时没有内摩擦力存在的流体，即粘度为零。若过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则理想流体流动时的能量恒算只考虑机械能之间的相互转换。

设在单位时间内有质量为m(kg)、密度为ρ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上选取截面1—l’和截面2—2’，在两截面之间进行能量衡算。

目前二十九页\总数九十页\编于十五点令流体在截面2－2’处的流速为u2，即根据能量守恒定律，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1—1”和截面2—2”之间应符合：目前三十页\总数九十页\编于十五点对于单位质量流体，则：对于单位重力（重力单位为N）流体，有：工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位J·N-1，即m，称为“压头”，则Z、u2/(2g)和p/(ρg)分别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称为位压头、动压头和静压头。(3-21b)目前三十一页\总数九十页\编于十五点以上各式都是理想流体在定态流动时的能量衡算方程式，又称为柏努利方程（Bernoulliequation）由柏努利方程可知，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。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。目前三十二页\总数九十页\编于十五点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所获得的外加压头为He，单位J·N-1或m。则实际流体在流动时的柏努利方程为：实际流体在流动时，由于流体粘性的存在，必然造成阻力损失。单位重力的流体的阻力损失：∑hf

(J.N-1或m).（2）实际流体流动过程的能量衡算

目前三十三页\总数九十页\编于十五点对于静止状态的流体，u=0，没有外加能量，He=0，而且也没有因摩擦而造成的阻力损失∑hf=0，则柏努利方程简化为：或实际流体在流动时的柏努利方程为：(3-23b)(3-23a)目前三十四页\总数九十页\编于十五点连续性方程和柏努利方程可用来计算化工生产中流体的流速或流量、流体输送所需的压头和功率等流体流动方面的实际问题。

①作图根据题意作出流动系统的示意图以助分析题意。④单位务必统一最好均采用国际单位制。

4．流体流动规律的应用举例

在应用柏努利方程时，应该注意以下几点：②截面的选取确定出上下游截面以明确对流动系统的衡算范围。③基准水平面的选取为了简化计算，通常将所选两个截面中位置较低的一个作为基准水平面。目前三十五页\总数九十页\编于十五点例3—l

今有一离心水泵，其吸入管规格为88.5mm×4mm，压出管为75.5mm×3.75mm，吸入管中水的流速为1.4m·s-1，试求压出管中水的流速为多少？

（1）管道流速的确定目前三十六页\总数九十页\编于十五点目前三十七页\总数九十页\编于十五点解：吸入管内径dl=88.5－2×4＝80.5mm

压出管内径d2＝75.5－2×3.75=68mm根据连续性方程u1S1=u2S2

圆管的截面积S=πd2/4，上式写成：u2/ul=(dl/d2)2压出管中水的流速为：

u2=(dl/d2)2

ul=(80.5/68)2×1.4m·s-1＝1.96m·s-1表明：当流量一定时，圆管中流体的流速与管径的平方呈反比。目前三十八页\总数九十页\编于十五点（2）容器相对位置的确定

例3－2采用虹吸管从高位槽向反应釜中加料。高位槽和反应釜均与大气相通。要求物料在管内以1.05m·s-1的速度流动。若料液在管内流动时的能量损失为2.25J·N-1，试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少米才能满足加料要求？解：作示意图，取高位槽的液面为截面1-1’，虹吸管的出口内侧为截面2—2’，并取截面2—2’为基准水平面。目前三十九页\总数九十页\编于十五点式中Z1=h，u1=0p1=0(表压)，He=0；

Z2＝0，u2=1.05m·s-1，p2=0（表压），hf＝2.25J·N-1在两截面间列出柏努利方程式：代入柏努利方程式，并简化得：h＝1.052m2·s-2/2×9.81m·s-2＋2.25m＝2.31m即高位槽液面应比虹吸管的出口高2.31m，才能满足加料的要求。目前四十页\总数九十页\编于十五点（3）送料用压缩空气的压力的确定

例3—3

某生产车间用压缩空气压送20℃，wH2SO4=98.3%的浓硫酸。若每批压送量为0.36m3，要求在10min内压送完毕。管子为ф38×3mm钢管，管子出口在硫酸罐液面上垂直距离为15m。设硫酸流经全部管路的能量损失为-1(不包括出口的能量损失)，试求开始送压时，压缩空气的表压为多少？目前四十一页\总数九十页\编于十五点解：绘示意图。取硫酸罐内液面为截面1-1’,硫酸出口管管口内侧为截面2-2’，并以截面1-1’为基准水平面。在两截面间列出柏努利方程式：

目前四十二页\总数九十页\编于十五点式中ZI=0，ul≈0，Z2＝15m，u2=qv/S,p2=0,

∑ｈf-1因为qv＝0.36m3/(10×60s)＝6.0×10-4m3·s-1

S＝π

(0.038-2×0.003)2m2/4＝8.04×10-4m2故u2＝qv/S＝6.0×10-4m3·s-1/(8.04×10-4m2)=0.746m·s-1由手册查得，20℃浓硫酸的密度ρ=1.831kg.m-3将上列数据代入柏努利方程式：解得：p1=2.92×105N.m-2(表压）目前四十三页\总数九十页\编于十五点

例3—4用离心泵将贮槽中的料液输送到蒸发器内，敞口贮槽内液面维持恒定。已知料液的密度为1200kg·m-3，蒸发器上部的蒸发室内操作压力为200mmHg(真空度)，蒸发器进料口高于贮槽内的液面15m，输送管道的直径为ф68mm×4mm，送液量为20m3·h-1。设溶液流经全部管路的能量损失为12.23J·N-1(不包括出口的能量损失)，若泵的效率为60％，试求泵的功率。

（4）流体输送设备所需功率的确定目前四十四页\总数九十页\编于十五点解：取贮槽液面为截面1—1’，管路出口内侧为截面2—2’，并以截面1一l’为基准水平面。在截面1—1’和截面2—2’之间进行能量衡算，有：目前四十五页\总数九十页\编于十五点式中ZI=0，ul≈0，p1＝0（表压）；Z2＝15m，因为qv＝20/3600＝15.56×10-3m3·s-1

S＝(0.0682×0.004)2m2/4＝2.83×10-3m2故u2＝qv/S＝5.56×10-3m3·s-1/2.83×10-3m2=1.97m·s-1又p2＝200×1.013×105/760=2.67×104Pa（真空度）=-2.67×104Pa（表压）

目前四十六页\总数九十页\编于十五点Ne＝qmgHe＝ρqvgHe=1200kg·m-3×5.56×10-3m3·s-1×9.81m/s2×25.16m＝1.65×103W＝1.65kw∑ｈf＝12.23J·N-1将上列各数值代入拍努利方程式得：He＝15m＋1.9722m2·s-2/(2×9.81m·s-1)-2.67×104kg·s-2·m-1/(1200×9.81kg·s-2·m-2)+12.23m＝25.16m液柱泵的理论功率：实际功率：Na=Ne/η=1.65kw/0.60=2.75kw目前四十七页\总数九十页\编于十五点3.3流体压力和流量的测量1.流体压力的测量对处于静止态的流体，柏努利方程简化为：即静止流体内部某两点压力差p2-p1与该两点垂直距离差Z1-Z2呈正比。目前四十八页\总数九十页\编于十五点（1）U形管压力计

管中底部盛有与测量液体不互溶、密度为ρA的指示剂。U形管的两侧臂上部及连接管内均充满待测流体B，其密度为ρB。图中a,a’两点都在连通着的同一静止流体内，且在同一平面上，故这两点的压强相等：目前四十九页\总数九十页\编于十五点于是有：整理上式，得压强差当被测管段水平放置时，Z=0，上式简化为：(3-24)若被测量的流体是气体，上式可简化为：目前五十页\总数九十页\编于十五点目前五十一页\总数九十页\编于十五点（2）倒置U形管压力计倒置U形管压力计结构如上图所示。

(3-25)目前五十二页\总数九十页\编于十五点取等压面AB（水平、静止、连续、同一流体），可以得到：PA=PB整理后得：（ρ>>ρg）

目前五十三页\总数九十页\编于十五点（3）微差压力计为测量微小压力差，常采用微差压力计。结构如下图所示。主要用于气体的测量。若两种指示液的密度分别为ρl和ρ2，两测压点之间的压力差为：ρl和ρ2差值越小，精度越高

目前五十四页\总数九十页\编于十五点目前五十五页\总数九十页\编于十五点2．流体流量的测定利用流体机械能相互转换原理设计的流体流量测量仪表有孔板流量计，文丘里流量计和转子流量计等。

（1）孔板流量计设流体的密度不变，在孔板前导管上取一截面1－1’，孔板后取另一截面2—2’，列出两截面之间能量衡算式：

目前五十六页\总数九十页\编于十五点目前五十七页\总数九十页\编于十五点

u1S1=u2S2

u1<u2；p1>p2

Z1处形成湍流，能量损失严重式中：u1——流体通过孔板前的流速，即流体在管道中的流速，m·s-1；

u2——流体通过孔板时的流速，m·s-1；

p1——流体在管道中的静压力，Pa；

p2——流体通过孔板时的压力Pa

目前五十八页\总数九十页\编于十五点因是水平管道，Z1=Z2，则有==(3-27)目前五十九页\总数九十页\编于十五点对于不可压缩流体或过程中密度变化不大的体系，根据连续性方程可得：式中：S2，S1分别为孔板的锐孔和管道的横截面积，m2.将上式代入(3-27)得：目前六十页\总数九十页\编于十五点实际流体因阻力会引起压头损失，孔板处并有收缩造成的骚扰，再考虑到孔板与导管间的装配可能有误差，归纳为校正系数c0，并以u0代替u2得 的值由实验或经验确定，0.61～0.63。

若液柱压力计的读数为ΔR，指示液的密度为ρi，则流量计算公式为特点是结构简单，制造方便，应用广泛，缺点是能量损耗较大。

(3-30)(3-29)(3-28)目前六十一页\总数九十页\编于十五点

(2)文丘里流量计

针对孔板流量计能量损耗较大的缺点，设计文丘里流量计如图所示。式中：为文丘里流量计的流量系数，其值约为0.98，S0为喉管处的截面积。

(3-31)目前六十二页\总数九十页\编于十五点目前六十三页\总数九十页\编于十五点

(3)转子流量计

如图所示，转子流量计的主要部件为带刻度线的锥形玻璃管，管内装可上下浮动的转子。

目前六十四页\总数九十页\编于十五点转子的上升力等于转子的净重力时，转子在流体中处于平衡状态式中Δp—转子上下间的压差,VR—转子体积，AR—转子顶端面的横截面积,ρR—转子密度ρ—流体密度。目前六十五页\总数九十页\编于十五点Z1≈

Z2，则有==(3-27)压力差归因于流体通过环隙时流速的增大目前六十六页\总数九十页\编于十五点若流体通过环隙的流速为uR（=u2），式中

cR—校正因子，与流体的流形、转子形状等有关。qV=uRSR=cRSR式中SR—转子与玻璃管环隙的面积，m2

qV—流体的体积流量，m3·s－1转子采用不锈钢、铜及塑料等各种抗腐蚀材料制成，适用于中小流量的测定，常用于2‘以下管道系统中，耐压在300～400kPa范围。

流量公式为(3-32)目前六十七页\总数九十页\编于十五点涡轮流量传感器耐腐蚀流量计金属管浮子流量计电磁流量计液体腰轮流量计目前六十八页\总数九十页\编于十五点目前六十九页\总数九十页\编于十五点3.4管内流体流动的阻力流体本身具有粘性，流体流动时因产生内摩擦力而消耗能量，是流体阻力损失产生的根本原因。管道大小、内壁形状、粗糙度等影响着流体流动状况，是流体产生阻力的外部条件。本节介绍管路与系统的管、管件、阀门，并讨论流体的流动形态和管内流体流动阻力的定量计算。目前七十页\总数九十页\编于十五点

常把玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；旧钢管和铸铁管称为粗糙管.钢管分有缝钢管和无缝钢管。管子按照管材的性质，可分为光滑管和粗糙管。

1.管、管件及阀门简介

铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属管、塑料管及橡胶管等。

(1)管目前七十一页\总数九十页\编于十五点管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度，以ε表示。绝对粗糙度ε与管内径d的比值，称为相对粗糙度。表3—1列出了部分管道的绝对粗糙度。目前七十二页\总数九十页\编于十五点（2）管件用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。

目前七十三页\总数九十页\编于十五点

（3）阀门

阀门在管道中用以切断流动或调节流量。常用的阀门有截止阀、闸阀和止逆阀等。

目前七十四页\总数九十页\编于十五点目前七十五页\总数九十页\编于十五点卡套式截止阀目前七十六页\总数九十页\编于十五点明杆弹性座封闸阀目前七十七页\总数九十页\编于十五点烟道止逆阀目前七十八页\总数九十页\编于十五点

2.流动的形态为了解流体在管内流动状况及影响因素，雷诺设计的实验可直接观察到不同的流动形态。（1）两种流动形态目前七十九页\总数九十页\编于十五点目前八十页\总数九十页\编于十五点流速不大时墨水呈一条直线，平稳流过管，质点彼此平行地沿着管轴的方向作直线运动，质点与质点之间互不混合。这种流动形态称为滞流或层流。目前八十一页\总数九十页\编于十五点表明水的质点除了沿着管道向前流动以外，各质点还作不规则的紊乱运动，且彼此相互碰撞，互相混合，水流质点除了沿管轴方向流