流体流动与流体输送机械

流体流动与流体输送机械第一页，共六十一页，编辑于2023年，星期日重要知识点

（理想流体的伯努利方程及应用、流体静力学基本方程及应用）实际流体的机械能衡算方程及应用管内流动的阻力损失的求法（沿程损失和局部损失）离心泵的性能参数、特性曲线和管路特性曲线雷诺数的定义和意义连续性方程离心泵的功率（泵的轴功率、有效功率）第二页，共六十一页，编辑于2023年，星期日一、压力的表示方法表压=绝压-当地大气压真空度=当地大气压-绝压真空度=当地大气压-绝压=-（绝压－当地大气压）=-表压

例某系统真空度为200mmHg，当地大气压为101.3kPa，则：表压＝－真空度＝-(200×101.3)/760=-26.7kPa绝压=表压＋当地大气压=101.3+(-26.7)=74.6kPa第三页，共六十一页，编辑于2023年，星期日二、雷诺数反映流体的流动形态和湍动程度的物理量1883年，雷诺通过大量实验观察到，流体流动分为层流（滞流）、过渡流、湍流，且流动型态除了与流速u有关外，还与管径d、流体的粘度μ、流体的密度ρ有关。雷诺将u、d、μ、ρ

组合成一个复合数群。第四页，共六十一页，编辑于2023年，星期日数群中的各个物理量必须采用同一单位制雷诺数物理意义：表征惯性力I与黏性力M之比。惯性力加剧湍动，黏性力抑制湍动。若流体的速度大黏度小时，Re便大，表示惯性力占主导地位，湍动程度大。反之，湍动程度小。第五页，共六十一页，编辑于2023年，星期日

三、管内流体的质量衡算—连续性方程

从截面1-1流入的流体质量流量ms1应等于从截面2-2流出的流体质量流量ms2,即又因为连续性方程第六页，共六十一页，编辑于2023年，星期日对于不可压缩流体于是得到液体的平均流速与管道流通截面积成反比.圆管的平均流速与管道管径的平方成反比总管中的质量流量为各支管质量流量之和对于圆管如果管路有分支于是得到第七页，共六十一页，编辑于2023年，星期日

四、管内流体的机械能衡算

由于实际流体有粘性，流体在流动过程中，流体内部及流体与管内壁产生摩擦，流体流动时要消耗机械能以克服阻力，造成流体的能量损失。以1Kg流体计的不可压缩实际流体的机械能衡算式1.实际流体的机械能衡算第八页，共六十一页，编辑于2023年，星期日gz—位压能u2/2—动能P1/ρ—静压能

We—外加功Wf—能量损失单位J/kg除以重力加速度g，并令We/g=he，Wf/g=hf，则得到单位重量流体为基准的机械能衡算式Z—位压头u2/2g—动压头（速度头）P/ρg—静压头he—外加压头hf—压头损失

单位均为m第九页，共六十一页，编辑于2023年，星期日若同时乘以流体密度ρ，又令ρWe=∆Pe，ρWf=∆Pf，则可以得到以单位体积流体为基准的机械能衡算方程∆Pe—以单位体积流量计的外加能量∆Pf—压力损失

单位均为J/m3,即Pa∆Pf—压力损失与hf—压头损失的关系ρWf=∆PfWf/g=hfρghf=∆Pf第十页，共六十一页，编辑于2023年，星期日2.理想流体的机械能衡算——伯努利方程理想流体是指没有黏性的流体，即黏度μ=0的流体则机械能衡算式为：对于不可压缩流体，ρ1=ρ2；若流动系统与外界没有功的交换，则We=0，于是上式化简为：伯努利方程以1kg不可压缩理想流体作稳定流动时的机械能衡算式第十一页，共六十一页，编辑于2023年，星期日伯努利方程的应用，有几点注意：1、选截面，就是选衡算范围，选边界条件，最好选已知条件最多的边界。2、选基准面，一般选位能较低的截面为基准面。3、压力项和单位要统一，通常以用表压较为方便。4、大口截面的流速为零。5、上游截面和下游截面要分清。应该是上游截面的三项能量之和，加外加的能量，等于下游截面三项能量之和，加流体损失的能量。6、水平管确定基准面时，通过管中心的平面，即为基准面。第十二页，共六十一页，编辑于2023年，星期日3.若流体静止，则u=0,We=0,Wf=0,于是实际流体的机械能衡算式变为：流体静力学方程流体静止状态也是流体流动的一种特殊形式在无外加功的情况下，流体将自动从总位能较高处流向较低处，据此可判断流体流动方向第十三页，共六十一页，编辑于2023年，星期日1-3如图所示，封闭的罐内存有密度为1000kg/m3的水。水面上所装的压力表读数为42kPa。在水面以下安装一压力表，表中心线在测压口以上0.15m,其读数为58KPa。求罐内水面至下方测压口的距离∆z。第十四页，共六十一页，编辑于2023年，星期日33第十五页，共六十一页，编辑于2023年，星期日五、管内流动的阻力损失管道的总阻力沿程阻力损失局部阻力损失流体流经直管时的机械能损耗（直管阻力损失）流体流经各种管件和阀件时，由于流速大小和方向突然改变，从而产生大量漩涡，导致很大的机械能损失，这种损失属于形体阻力损失，它由管件等局部部位的原因引起，而称为局部阻力损失第十六页，共六十一页，编辑于2023年，星期日（1）沿程阻力损失的计算单位质量流体的沿程损失单位体积流体的沿程损失单位重量流体的沿程损失范宁公式无论对层流和湍流，还是对水平等径管和非水平等径管都适用流体在圆形直管内流动的阻力第十七页，共六十一页，编辑于2023年，星期日流体在非圆形直管内流动的阻力单位质量流体的沿程损失单位体积流体的沿程损失单位重量流体的沿程损失环形管润湿周边长为π(D+d)，则当量直径为de—当量直径(Pa)(m)第十八页，共六十一页，编辑于2023年，星期日计算阻力损失关键是λ的获取。层流时根据哈根-泊谡叶公式得湍流时s第十九页，共六十一页，编辑于2023年，星期日更多情况是利用摩擦因数图来确定完全湍流，粗糙管湍流区过渡区层流区第二十页，共六十一页，编辑于2023年，星期日（2）局部阻力损失的计算局部阻力损失的计算方法有两种：阻力系数法和当量长度法阻力系数法阻力系数法就是将局部损失表达成平均动能的某一个倍数，即ζ——局部阻力系数，简称阻力系数，由实验测得第二十一页，共六十一页，编辑于2023年，星期日常用管件和阀件的ζ值见下表第二十二页，共六十一页，编辑于2023年，星期日注意计算突然扩大、突然缩小的阻力损失时，都应按小管内流速计算动能项第二十三页，共六十一页，编辑于2023年，星期日当量长度法将局部损失看作与某一长度为le的等径管的沿程损失相当，此折合的管路长度le称为当量长度。于是，局部损失计算式为:（3）管内流动的总阻力的计算总的阻力公式第二十四页，共六十一页，编辑于2023年，星期日六、管路的计算简单管路：①已知流量、管径和管长、泵的效率，求阻力损失或泵的轴功率、有效功率。②已知流量、管长和阻力损失，求管径③已知管径、管长和阻力损失，求流量（操作型）常用方法：试差法（②、③）步骤：先估计（设定）一个λ值——代入公式求出u——算出Re——根据Re查出λ值——验证查得λ值与估计值是否一致，若不一致，重新估计，计算。第二十五页，共六十一页，编辑于2023年，星期日七、离心泵液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使液体静压能进一步提高，最后由出口以高压沿切线方向排出。当液体从叶轮中心流向外缘后，叶轮中心呈现低压，贮槽内液体在其液面与叶轮中心压力差的作用下进入泵内，再由叶轮中心流向外缘。叶轮如此连续旋转，液体便会不断地被吸入和排出，达到输送目的。离心泵启动前，应先向泵内充液，使泵壳和吸入管路充满被输送液体。启动后，泵轴带动叶轮高速旋转，叶片间的液体也随之作圆周运动。同时在离心力的作用下，液体又由叶轮中心向外缘作径向运动。液体在此运动过程中获得能量，使静压能和动能均有所提高。第二十六页，共六十一页，编辑于2023年，星期日（1）汽缚现象离心泵启动时，如果泵壳与吸入管路没有充满液体，则泵壳内存有空气，由于空气的密度远小于液体的密度，产生的离心力小，从叶轮中心甩出的液体少，因而叶轮中心处所形成的低压（真空度）不足以将贮槽内的液体吸入泵内（打不上水），此时虽启动离心泵也不能输送液体，此种现象称为气缚第二十七页，共六十一页，编辑于2023年，星期日气蚀现象原因当泵叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体饱和蒸汽压时，部分液体将在该处汽化并产生的汽泡，被液流带入叶轮内压力较高处凝结或破裂。由于凝结点处产生瞬间真空，造成周围液体高速冲击该点，产生剧烈的水击。现象：噪声大、泵体振动，流量、压头、效率都明显下降。严重时，泵不能正常工作防止措施：把离心泵安装在恰当的高度位置上，确保泵内压强最低点处的静压超过工作温度下被输送液体的饱和蒸汽压。第二十八页，共六十一页，编辑于2023年，星期日(1)离心泵的性能参数1.流量（Q）:离心泵在单位时间送到管路系统的液体体积，常用单位为L/s或m3/h；

2.压头（H）：离心泵对单位重量的液体所能提供的机械能，其单位为m；根据机械能衡算方程可得，对应于任一管道输送系统，所需的压头he为第二十九页，共六十一页，编辑于2023年，星期日3.效率（）：由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得，通常用效率来反映泵对外加能量的利用程度；=Ne/N4．泵的有效功率（Ne）:按式Ne=HQρg算出的功率，即泵所输出的功率单位W或KW5.轴功率（N）：

指离心泵的泵轴所需的功率，单位为W或kWN-泵的轴功率，WH-泵的压头，mQ-泵的流量，m3·s-1Ρ-液体的密度，kg/m3第三十页，共六十一页，编辑于2023年，星期日(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。

1.H-Q曲线：表示泵的压头与流量的关系

2.N-Q曲线：表示泵的轴功率与流量的关系

3.η-Q曲线：表示泵的效率与流量的关系

第三十一页，共六十一页，编辑于2023年，星期日离心泵的压头H一般是随流量Q的增大而下降，这是离心泵的一个重要特性。第三十二页，共六十一页，编辑于2023年，星期日(3)影响离心泵性能的因素1.液体物性的影响（a）密度的影响（b）黏度的影响2.离心泵转速的影响3.离心泵叶轮直径的影响第三十三页，共六十一页，编辑于2023年，星期日由离心泵的基本方程(书57、58页的2-8、2-11）可看出，离心泵的压头、流量均与液体的密度无关,但离心泵所需的轴功率则随液体密度的增加而增加b.黏度的影响a.流体密度的影响

液体粘度的改变将直接改变其在离心泵内的能量损失，因此，H—Q、N—Q、—Q曲线都将随之而变。第三十四页，共六十一页，编辑于2023年，星期日转速的影响—比例定律叶轮直径的影响—切割定律第三十五页，共六十一页，编辑于2023年，星期日管路特性曲线通过某一特定管路的流量与所需压头之间的关系其中第三十六页，共六十一页，编辑于2023年，星期日离心泵的工作点

泵的特性曲线H-Q线与所在管路特性曲线He-Qe线的交点（M点)。离心泵的流量调节离心泵流量的调节就是改变泵的工作点。方法有二：1.改变阀门的开度即改变离心泵出口管路上调节阀门开度改变管路特性曲线，灵活方便，耗能大；2.改变泵的转速改变泵转速实质上是改变泵特性曲线，节能，投资大。第三十七页，共六十一页，编辑于2023年，星期日例题1用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽和反应器均与大气连通，要求料液在管内以1m/s

的速度流动。设料液在管内流动时的能量损失为20J/kg

（不包括出口的能量损失），试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少？第三十八页，共六十一页，编辑于2023年，星期日解：取高位槽液面为1-1截面，虹吸管出口内侧截面为2-2截面，并以2-2为基准面。列机械能衡算方程方程得：式中：∵1-1截面比2-2截面面积大得多，∴

将Wf=20J/kg,U2=1m/s代入得解得也就是高位槽液面应比虹吸管出口高2.09m第三十九页，共六十一页，编辑于2023年，星期日1-10一制冷盐水循环系统，循环量为45m3/h，盐水流经管路的压头损失为：从A至B的一段为9m，从B至A的一段为12m，盐水的密度为1100kg/m3。试求：（1）泵的轴功率，设其效率为0.65.；（2）若A处的压力表读数为0.15MPa，则B处的压力表读数为多少Mpa？第四十页，共六十一页，编辑于2023年，星期日第四十一页，共六十一页，编辑于2023年，星期日第四十二页，共六十一页，编辑于2023年，星期日第四十三页，共六十一页，编辑于2023年，星期日1-12如图所示，水由高位水箱经管路从喷嘴流出，已知d1=125mm，d2=100mm，喷嘴出口d3=75mm，压差计读数R=80mmHg，若阻力损失可忽略，求H和PA第四十四页，共六十一页，编辑于2023年，星期日第四十五页，共六十一页，编辑于2023年，星期日第四十六页，共六十一页，编辑于2023年，星期日第四十七页，共六十一页，编辑于2023年，星期日第四十八页，共六十一页，编辑于2023年，星期日1-20在20℃下将苯液从贮槽中用泵送至反应器，经过长40m的Φ57mm×2.5mm钢管，管路上有两个90°的弯头，一个标准阀（按1/2开度计算）。管路出口在贮槽的液面以上12m。贮槽与大气相通，而反应器是在500KPa下操作。若要维持1.7L/S的体积流量，求泵所需的功率。泵的效率为0.5。第四十九页，共六十一页，编辑于2023年，星期日第五十页，共六十一页，编辑于2023年，星期日第五十一页，共六十一页，编辑于2023年，星期日如图所示，用泵将水从贮槽送至敞口高位槽，两槽液面均恒定不变，输送管路尺寸为83×3.5mm，泵的进出口管道上分别安装有真空表和压力表，真空表安装位置离贮槽的水面高度H1为4.8m，压力表安装位置离贮槽的水面高度H2为5m。当输水量为36m3/h时，进水管道全部阻力损失为