化工基础动量传递

第二章流体的动力过程当前第1页\共有95页\编于星期三\0点2.1基本概念1、理想流体和实际流体理想流体：不具有粘性，因而在流动时不产生摩擦阻力的流体。实际流体：具有粘性，因而在流动时产生摩擦阻力的流体。当前第2页\共有95页\编于星期三\0点2、流体的密度定义：单位体积的流体所具有的质量。符号：ρ，ρ=m/v;SI制：kg·m-3

1g·cm-3=1000kg·m-3

ρ=f(T,P)当前第3页\共有95页\编于星期三\0点液体的密度:用比重计法测定.工程上液体的比重用[S]T277

表示,是无因次量.[S]T277=ρ/ρ水=ρ/1000液体混合物的密度当前第4页\共有95页\编于星期三\0点气体的密度混合气体的密度：方法1方法2当前第5页\共有95页\编于星期三\0点3、流体的连续性把流体看作是由无数微团（质点）所组成的连续介质，流体所占的空间全部为这种连续介质所充满。强调：1）在宏观上，流体质点是连续的；2）流体质点的运动也是连续的。当前第6页\共有95页\编于星期三\0点4、压强1）定义：垂直作用于单位面积上的力。P=F/A；单位：Pa(N/m2)在流体力学中，常用液柱高度表示压强P=液体的重量/液体的底面积

当前第7页\共有95页\编于星期三\0点2)单位1atm=101325Pa=760mmHg=10.336mH2O=1.0336kgf·cm-21at=10mH2O=98100Pa=735.6mmHg

工程上1kgf·cm-2

定为1at

当前第8页\共有95页\编于星期三\0点3)压强的表示方法绝对压强:用绝对零点为起点计算的压强表压:用当时当地的大气压为起点的压强真空度:低于当时当地的大气压绝对压强=表压+大气压真空度=大气压–绝对压强当前第9页\共有95页\编于星期三\0点当前第10页\共有95页\编于星期三\0点当前第11页\共有95页\编于星期三\0点请判断下列压强值的大小.(1)500000Pa（绝对压强）;(2)40000kgf/m2（绝对压强）;(3)1.5kgf/cm2（表压）;(4)450mmHg（真空度）;(5)1.6mH2O（绝对压强）答案(1)500000Pa;(2)392000Pa;(3)248000;(4)41300Pa;(5)15700Pa

(1)>(2)>(3)>(4)>(5)当前第12页\共有95页\编于星期三\0点2.2流体静力学方程液体本身的重力:=ρgA(Z1-Z2)垂直方向的作用力为:P1A+ρgA(Z1-Z2)=P2A当前第13页\共有95页\编于星期三\0点整理得:P1A+ρgAZ1=P2A+ρgAZ2

或:称为流体静力学方程当前第14页\共有95页\编于星期三\0点工程上将单位重量的流体所具有的能量称做压头,单位为:m液柱。流体静力学的意义：

在静止的流体内部，位压头和静压头之和为常数当前第15页\共有95页\编于星期三\0点结论：1）静止流体内部任一点的压强是液面深度的函数；2）同一静止流体，同一水平面上，各点压强相等；3）当液面上方的压强变化时，液面内部各点的压强都要变化。当前第16页\共有95页\编于星期三\0点例1：如图问1）1、2、3点的压强相等吗？2）4、5、6点的压强相等吗？3）当P0=760，计算B、C上方的压强。当前第17页\共有95页\编于星期三\0点2.3流体静力学应用1、U型管压差计当前第18页\共有95页\编于星期三\0点指示液的要求：1）不与被测流体相容，且不起化学反应；2）指示液的密度>被测液的密度3)毒性小，挥发性小。当前第19页\共有95页\编于星期三\0点测压原理:当前第20页\共有95页\编于星期三\0点2)液封作用:1)防止气体的泄漏起封闭作用;2)防止气体倒流起止逆作用;3)有时可防止设备超压起泄压作用.当前第21页\共有95页\编于星期三\0点2.4流体流动过程中的物料衡算1、流量和流速流量:单位时间通过导管任一截面的流体量。体积流量(V)，单位：m3/s或m3/h质量流量(m)，单位：kg/s或kg/h两者的关系：当前第22页\共有95页\编于星期三\0点流速：单位时间内流体在导管内所经过的距离，单位：m/s,用表示．当前第23页\共有95页\编于星期三\0点２、粘度流体流动时产生内摩擦力的性质称为粘性，衡量粘性大小的物理量称为粘度。或当前第24页\共有95页\编于星期三\0点牛顿粘性定律单位面积上的内摩擦力（也称剪切力）垂直于流体运动方向的速度变化率当前第25页\共有95页\编于星期三\0点粘度系数，简称粘度单位(SI)：CGS制:P(泊)对气体：温度、压力、密度增加，粘度增加;对液体：温度增加，粘度减小；压力增加，粘度变化不大当前第26页\共有95页\编于星期三\0点3、稳定流动和不稳定流动溢流当前第27页\共有95页\编于星期三\0点流体在管道或设备流量、流速和压力等有关物理参数都不随时间变化而变化，只随空间位置的改变而变化，这种流动称为稳定流动。只要有一项是随时间变化的，则称为不稳定流动。当前第28页\共有95页\编于星期三\0点4、流体流动的类型层流的特点：1）流体质点作一层滑过一层的位移；2）流体的流速沿断面按抛物线

分布；3）管中的平均流速为最大流速的1/2。当前第29页\共有95页\编于星期三\0点湍流的特点：1）流体质点有剧烈的湍动；2）流体的流速沿断面按塞形

分布；3）管中的平均流速为最大流速的0.8.当前第30页\共有95页\编于星期三\0点当前第31页\共有95页\编于星期三\0点5、雷诺数当前第32页\共有95页\编于星期三\0点圆直管中，层流湍流当前第33页\共有95页\编于星期三\0点管径的计算1）长方形管：2）对圆环形管：3）对于圆形管：当前第34页\共有95页\编于星期三\0点6、流体稳定流动时的连续性方程（物料衡算）液体：则当前第35页\共有95页\编于星期三\0点2.5流体流动过程中的能量衡算1、流体流动时的能量形式位能：流体因距所选的基准面有一定距离，由于重力的作用而具有的能量．mgZ动能：流体因流动而具有的能量．

当前第36页\共有95页\编于星期三\0点静压能：克服静压能所做的功＝当前第37页\共有95页\编于星期三\0点２、理想流体流动过程中的能量衡算对1-1截面对2-2截面当前第38页\共有95页\编于星期三\0点两边同除mg得：理想流体的伯努力方程当前第39页\共有95页\编于星期三\0点３、伯努力方程的意义和适用范围意义：1）理想流体在导管中作稳定流动时，导管任一截面的总能量或总压头为一常数；2）机械能中各项可相互转化。当前第40页\共有95页\编于星期三\0点对实际流体，适用于液体、压力变化比较小的气体当前第41页\共有95页\编于星期三\0点4、伯努力方程应用举例例2高位水槽水面距出水管净垂直距离为6.0m,出水管为,管道较长,流动过程中的压头损失为5.7mH2O,试求每小时可输送的水量(m3).当前第42页\共有95页\编于星期三\0点例3已知R=40mmH2O,如图求空气的流量.当前第43页\共有95页\编于星期三\0点例4某化工厂用泵将碱液池的液碱输送到至吸收塔顶,经喷嘴喷出,如图.泵的进口管为

mm的钢管.碱在进口管中的流速为1.5m/s,进口管为的钢管.储液池中碱液深度为1.5m，池底至塔顶喷嘴上方入口处的垂直距离为20m,碱液经管系的摩擦阻力损失为30J/kg,碱液经喷嘴的压力为0.3at(表压）,而碱液的密度为1100kg/m3,设泵的效率为65%,试求泵所需的功率.当前第44页\共有95页\编于星期三\0点图4图5当前第45页\共有95页\编于星期三\0点例5某车间用压缩空气输送98%的浓硫酸.每批压送量为0.5m3.要求15min内押送完毕.押送用钢管为,管子出口离酸槽液面上的垂直距离为16m,输送过程硫酸的温度为293K,损失能量为10J/kg.试求开始押送时压缩空气的表压(管路中没有外加功).当前第46页\共有95页\编于星期三\0点例6、已知循环量为36m3/h，B→A之间的阻力为∑hf49J/kg，A→B之间的阻力为∑hf98.1J/kg,管径相同求(1)若A处的压强为0.25MPa时，B处的压强为多少？（2）泵对流体所提供的能量。当前第47页\共有95页\编于星期三\0点例7、如图所示,20℃的水在内径为100mm的垂直光滑管中流动，当闸阀K关闭时，A、B两截面处压力表的读数差为2kg/cm2，若闸阀K打开时，A处的压力比截面B处的压力高2.05kg/cm2,求(1)判断水在管中的流动方向。(2)计算A、截面之间的摩擦阻力损失。（3）估算管内水的体积流量。当前第48页\共有95页\编于星期三\0点注意:1）水平基准面的选择；2）截面的选择；3）压强的单位两边要统一。当前第49页\共有95页\编于星期三\0点2.6流体流量的测定1、孔板流量计当前第50页\共有95页\编于星期三\0点根据连续性方程（1）（2）当前第51页\共有95页\编于星期三\0点（2）代入（1）且则令C0孔流系数，A0开孔的面积当前第52页\共有95页\编于星期三\0点当前第53页\共有95页\编于星期三\0点当前第54页\共有95页\编于星期三\0点2、转子流量计转子的净重力流体的上推力平衡时当前第55页\共有95页\编于星期三\0点2.7实际流体流动时的阻力1、流体阻力的表现当前第56页\共有95页\编于星期三\0点2、阻力计算的通式连续稳流时若令则当前第57页\共有95页\编于星期三\0点该式为阻力通式，也称Finning公式3、沿程阻力计算f称为沿程阻力系数，8f称为摩擦系数当前第58页\共有95页\编于星期三\0点1）直管阻力计算稳定流动时当前第59页\共有95页\编于星期三\0点当前第60页\共有95页\编于星期三\0点与通式比较可知层流时当前第61页\共有95页\编于星期三\0点2）湍流时阻力系数的计算方法用基本单位表示的物理量称为基本物理量，它的表达式称为因次式，物理量中的各个指数称为因子。压强的因次式：（A）当前第62页\共有95页\编于星期三\0点（1）（2）（3）从（1）、（2）、（3）得当前第63页\共有95页\编于星期三\0点代入（A）式（B）（C）B与C比较得当前第64页\共有95页\编于星期三\0点当前第65页\共有95页\编于星期三\0点光滑管：1）层流：2）过渡流：3）湍流区：4）阻力平方区：f与雷诺数无关当前第66页\共有95页\编于星期三\0点3）局部阻力计算（1）阻力系数法（2）当量长度法当前第67页\共有95页\编于星期三\0点例7如图从水箱接出一管路。若已知d1=150mm,l1=25m,8f1=0.037,d2=125mm,l2=10m,8f2=0.039,闸阀的开度为1/2，水箱内的水面维持不变，需要输入的水量为25l/s，求(1)直管的摩擦损失,(2)局部阻力损失,(3)总的压头损失.当前第68页\共有95页\编于星期三\0点2.8阻力计算的应用1、乌氏粘度计的原理设a-b间的体积为V，毛细管管径为d，流体完全流过毛细管的时间为t，则流速为(1)(2)当前第69页\共有95页\编于星期三\0点(3)当前第70页\共有95页\编于星期三\0点(4)(4)代入（3）得该式为乌氏粘度计的计算公式。当前第71页\共有95页\编于星期三\0点或当前第72页\共有95页\编于星期三\0点2、球形颗粒在流体中运动时的阻力在流体绕过颗粒前后的能量守恒定律为：当前第73页\共有95页\编于星期三\0点形状阻力系数为当前第74页\共有95页\编于星期三\0点因此液体绕过颗粒前后产生的压差为：当前第75页\共有95页\编于星期三\0点3、形状阻力系数与雷诺数的关系流体绕过颗粒时：当前第76页\共有95页\编于星期三\0点当前第77页\共有95页\编于星期三\0点4、颗粒重力沉降时的受力分析当前第78页\共有95页\编于星期三\0点(1)颗粒自由沉降时：F1=F2+F3当前第79页\共有95页\编于星期三\0点(2)(2)代入(1)得:Stokeks公式当前第80页\共有95页\编于星期三\0点2.9流体的输送机械输送液体的机械称为泵,输送气体的机械称为鼓风机或压缩机.按工作原理分类:(1)利用齿轮、活塞、螺杆挤压流体，如往复泵、往复压缩机、齿轮泵等。(2)利用高速转动的叶轮给流体动能,如离心泵、离心压缩机等。(3)其它类型的泵，如喷射泵。当前第81页\共有95页\编于星期三\0点1、离心泵的构造当前第82页\共有95页\编于星期三\0点叶轮、蜗状壳体工作叶轮、泵轴、排出口、吸入口当前第83页\共有95页\编于星期三\0点2、工作原理启动前，泵壳先充满液体。液体由于叶轮的旋转获得静压能和动能。当泵中心的液体进入泵壳内时，由于流道变宽，液体的流速下降而使部分动能转化为静压能。于是具有较高静压能的液体到达出口并排出。泵中心由于液体被抛出形成一定的真空度，而泵吸入管外储槽液面的压强比中心大，在这种压强差的推动下，储槽内的液体源源不断地被吸入泵内。补充被排出的液体。当前第84页\共有95页\编于星期三\0点气缚现象3、离心泵的主要性能参数1）扬程：由泵的结构、转速、流量决定。2）流量：单位时间内泵所输送的流体的体积量。3）功率：单位：kw4）效率：当前第85页\共有95页\编于星期三\0点泵的能量损