化工单元操作与设备之-流体流动

单元一流体流动内蒙古化工职业学院任务一概述一、流体的连续介质模型流体：具有流动性的物体，包括液体和气体。流体质点：由无数个注体分子组成的连续介质。内蒙古化工职业学院二、流体的密度与比体积1、密度与比体积的定义

ρ=单位：kg/m3

ν=单位：m3/kg；2、纯组分流体的密度

ρ==单位：kg/m3

注：其中P的单位是KPa,R=8.314kJ/kmol·K内蒙古化工职业学院3、混合物的密度（1）液体混合物

(i=1、2、3...n)

（2）气体混合物a、(i=1、2、3...n)内蒙古化工职业学院

b、其中：例题：略；内蒙古化工职业学院三、流体的粘性1、牛顿粘性定律：速度梯度，1/s；

μ：比例系数，称粘度，N.s/m2

内蒙古化工职业学院2、流体的粘度1、意义：当=1时，τ=μ；2、单位：1pa.s=10p(泊)=1000cp（厘泊）3、混合物的粘度（略）内蒙古化工职业学院任务二流体静力学内蒙古化工职业学院一、流体的压强1、定义：单位:Pa

2、绝对压力、表压力和真空度（1）例：PPA（绝压）=1.5atm

A设备PA（表压）=0.5atm

大气压：1atmB设备PB（绝压）=1.5atm0PB（表压）=-0.5atmPB（真空度）=0.5atm内蒙古化工职业学院（2）结论表压强=绝对压强—大气压真空度=大气压—绝对压强例：当某设备内绝对压强为1.9atm时，问其表压为多少？当某设备内绝对压强为0.9atm时，问其表压又为多少？如用真空度表示是多少?(单位均为大气压)内蒙古化工职业学院3、单位1atm=1.013×105Pa=101.3kPa=760mmHg=1.033kgf/cm2=10.33mH2O例题：某设备内压强为780mmHg,用Pa表示为多少？内蒙古化工职业学院二、流体静力学基本方程P=P0+ρgh1、公式推导：受力分析2、说明：（1）本式也适用于气体；（2）静止的、连通的同一种液体,处在同一水平面上两点的压强相等；等压面：压强相等；（3）巴斯噶原理：液面上方压强具有传递性。（4）压强大小可以用高度来衡量。内蒙古化工职业学院3、静力学基本方程的应用（1）测量压强及压强差；（2）测量液位；（3）测量液封高度；内蒙古化工职业学院任务三流体动力学内蒙古化工职业学院一、流量与流速

质量流量：Wskg/h1、流量Ws=Vsρ

体积流量:Vsm3/h2、流速：（1）平均流速

m/sWs=VsAρ（2）质量流速：

kg/(m2.s)内蒙古化工职业学院3、圆形管道直径的选取根据：选择一常用流速，进行计算：后进行圆整。例题：

内蒙古化工职业学院二、连续性方程1、定常流动和非定常流动：流体在管道内流动时，任一截面（与流体流动方向相垂直的）上的流速、密度、压强等物理参数均不随时间而变的叫定常流动。反之，为非定常流动。2、连续性方程据质量守恒定律：

12内蒙古化工职业学院

---流体连续性方程对于液体（不可压缩流体）：---液体连续性方程也可变为：意义：流体在定常流动时，流速与管道截面积成反比，与管道直径的平方成反比。内蒙古化工职业学院三、柏努利方程1、流体所具有的机械能：（1）位能：

◆在重力场中，液体高于某基准面所具有的能量称为液体的位能。液体在距离基准面高度为z时的位能相当于流体从基准面提升高度为z时重力对液体所作的功。

◆

mkg流体所具有的位能：mgz,单位是：J;单位质量流体所具有的位能：gz,单位是：内蒙古化工职业学院（2）动能◆液体因运动而具有的能量，称为动能。

◆

mkg流体所具有的动能：,单位是：J;单位质量流体所具有的动能：，单位是：内蒙古化工职业学院（3）压强能◆流体自低压向高压对抗压力流动时，流体由此获得的能量称为压强能。◆mkg流体所具有的压强能：

单位是：J;单位质量流体所具有的压强能：v——流体的比容（比体积），

内蒙古化工职业学院2、理想流体的柏努利方程◆理想流体，无摩擦力，据机械能守恒定律：机械能＝位能＋动能＋压强能＝常数◆单位质量流体所具有的机械能

---理想流体的柏努利方程内蒙古化工职业学院3、讨论：◆机械能守恒与转换方程意义：流体的各种机械能形式之间在一定条件下是可以相互转换的，但总和不变。如图所示管道：◆系统处在静止状态，

内蒙古化工职业学院◆对于可压缩流体如果：，可用，近似按不可压缩流体处理。◆公式中的p既可以用表压，也可用绝压，但须前后保持一致。内蒙古化工职业学院4、实际流体的柏努利方程◆实际流体：（1）有流动阻力，Σhf

，单位是J/Kg；（2）有外加功，We，单位是J/Kg；

---实际流体的柏努利方程（扩展了的柏努利方程）内蒙古化工职业学院

◆以单位重量流体为衡算基准，有：

位压头静压头动压头有效压头压头损失◆以单位体积位衡算基准,有：内蒙古化工职业学院5、实际流体的柏努利方程的应用◆计算两容器间的相对位置；◆计算输送机械的有效功率；◆计算流体的输送量；◆计算输送压强。例题：见课本。内蒙古化工职业学院四、实际流体的基本流动现象（一）、流体的流动类型

1、雷诺实验

内蒙古化工职业学院2、实验结果：层流流体流动型态湍流内蒙古化工职业学院3、流型的判断（1）影响流型的因素：流速：u；密度：ρ；粘度：μ；直径：d；（2）流动型态的判断：雷诺数（无量纲准数）

（3）判断：当Re<2000,层流；当2000<Re〈4000，过渡状态；当Re>4000，湍流；例：见P37（略）内蒙古化工职业学院（二）圆管内的速度分布1、层流时的速度分布特点：管中心处流速最大2、湍流时的速度分布3、层流内层：内蒙古化工职业学院内蒙古化工职业学院内蒙古化工职业学院内蒙古化工职业学院（三）流动边界层的基本概念1、流动边界层：特点：存在速度梯度和阻力的区域；层流边界层种类湍流边界层：层流内层；2、主流区：速度梯度为零；3、边界层的分离特点：有大量机械能损失；内蒙古化工职业学院内蒙古化工职业学院第四节管内流动阻力一、化工管路：管子、管件、阀件；（一）、管子1、种类及用途：铸铁管：强度差，价格低，用作污水管；焊接钢管（水煤气管）：输送水、煤气等低压钢管无腐蚀性介质，分为镀锌管和黑管。无缝钢管：输送高压、高温无腐蚀性流体。合金钢管：输送高温且有腐蚀性介质。

内蒙古化工职业学院紫铜管铜管特点：重量轻，导热性好，黄铜管延展性好，用作换热管。铅管：耐酸，机械强度差；铝管：耐酸不耐碱，输送浓硝酸等；尺寸标注方法：Φ外径

×壁厚mm陶瓷管和玻璃管：不耐压，耐腐蚀；塑料管：种类多，抗腐蚀，易加工；橡胶管：耐酸、碱腐蚀，有弹性，但易老化；内蒙古化工职业学院2、管路的连接（1）螺纹连接（2）焊接（3）承插式连接（4）法兰连接内蒙古化工职业学院（二）管件1、用于改变流向的：弯头（90°、45°、180°）2、用于连接支管的：三通、四通等；内蒙古化工职业学院

3、用于堵塞管路的：管帽、丝堵等；4、其它：改变管径、延长管路等。内蒙古化工职业学院（三）常用阀门种类：闸阀、截止阀、止回阀、球阀、旋塞、隔膜阀等；截止阀闸阀止回阀旋塞阀球阀内蒙古化工职业学院内蒙古化工职业学院内蒙古化工职业学院内蒙古化工职业学院旋塞阀内蒙古化工职业学院球阀内蒙古化工职业学院流动阻力:Σhf种类:直管阻力(hf)

局部阻力(hf’)内蒙古化工职业学院二、直管内的流动阻力1、计算公式：通过对流体进行能量衡算和受力分析，得出：范宁公式其中：摩擦系数（摩擦因数）阻力压降：压头损失：内蒙古化工职业学院2、层流时的摩擦因数影响摩擦因数大小的原因：(1)流动型态（Re）

绝对粗糙度εmm(2)管壁粗糙程度相对粗糙度ε/d3、湍流时的摩擦因数

其中：ε/d相对粗糙度通过实验，得到计算λ的经验公式或摩擦因数图：内蒙古化工职业学院图内蒙古化工职业学院*

摩擦因数与雷诺数、相对粗糙度的关系汇总层流区：湍流区：完全湍流区：过渡区：既可以按层流计算，也可以按湍流查图。内蒙古化工职业学院4、非圆形直管的阻力损失当量直径：同心套管：此时，（C值可查表）内蒙古化工职业学院三、局部阻力1、局部阻力：流体流经局部位置所产生的阻力。形体阻力：由于流体流速、流动方局部阻力向改变产生的阻力摩擦阻力

阻力系数法2、计算方法当量长度法内蒙古化工职业学院局部位置阻力内蒙古化工职业学院

1、阻力系数法

J/Kg（各局部位置的阻力系数见附表）

2、当量长度法

J/Kg

四、流体在管内流动总阻力的计算

（1）、

J/Kg内蒙古化工职业学院(2)例题：见P55。（略）内蒙古化工职业学院第五节管路计算一、简单管路与复杂管路等径管路1、简单管路串联管路特点：（1）、（2）、内蒙古化工职业学院2、复杂管路并联管路复杂管路分支管路汇合管路内蒙古化工职业学院并联管路特点：（1）（2）分支管路特点：（1）（2）分支点处单位质量流体的机械能总和为一定值。内蒙古化工职业学院第六节流量的测定一、皮托测速管1、结构及原理