化工原理第一章 流体流动

第一节流体静力学第一章流体流动章总目录第二节流体流动的根本方程式第四节管内流体流动的摩擦阻力损失第三节管内流体流动现象第七节流体输送机械第五节管路计算第六节流量的测定

第一节流体静力学一流体的根本性质流体：具有流动性的物体--气体和液体。不可压缩性流体：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。

1.压力:流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的压强，也称为压力。标准大气压：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O压力有不同的计量基准：

绝对压力、表压和真空度。表压=绝对压力-大气压真空度=大气压-绝对压力真空度=-表压绝对压力

绝对压力

绝对真空

表压

真空度

大气压

绝对压力以绝对真空为基准测得的压力。

表压或真空度以大气压为基准测得的压力。例1-1用真空表测量某台离心泵进口的真空度为30kPa，出口压力表测量的表压为350kPa。设当地大气压为101kPa，求他们的绝对压力。2.密度：单位体积流体的质量。相对密度d：液体密度与4℃水的密度之比。r4℃水=1000kg/m3例1-2氮氢混合气体中的N2与H2的体积比为1:3，试求氮氢混合气体在压力100kPa〔绝对压力〕和温度25℃时的密度。例1-3硫酸与水混合液中硫酸的质量分数为0.6。试求混合液在20℃下的密度。3.

比体积:单位质量流体的体积，单位为m3/kg。液柱受力分析：(1)上外表受向下的压力为(2)下外表受向上的压力为(3)重力二.流体静力学根本方程式在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点压力相等，称为等压面。三.流体静力学根本方程式的应用〔一〕压力测量1.U形管液柱压差计测量气体时，r<<r指故r指－r≈r例1-4:如下图，常温水在管道中流过。为测定a、b两点的压力差，安装一U型压差计，指示液为汞压差计的读数100mmHg，试计算a、b两点的压力差为多少？水与汞的密度分别为1000kg/m3及13600kg/m3。1″2.斜管压差计

R′＝R/sina，a越小，sina越小，R′值越大，误差越小。3.微差压差计rbrara-rb愈小，R愈大，应选两种密度接近的指示液。〔二〕液面测定当液面到达最高液位，R读数零气体例1-5.欲知某地下油品贮槽的液位h，采用图示装置在地面上进行测量。测量时控制氮气的流量使观察瓶内产生少许气泡。油品的密度为850kg／m3。并铡得水银压强计的读数R为150mm，同贮槽内的液位h等于多少?〔三〕确定液封高度为了平安，实际安装的管子插入液面的深度比上式略低气体压力p(表压)h水第二节流体流动中的根本方程式一.流量与流速1.流量体积流量：单位时间内流体流经管道任一截面的体积，单位是m3/s质量流量：单位时间内流体流经管道任一截面的质量，单位是kg/s2.流速平均流速〔流速〕u：单位时间内液体质点在流动方向上所流经的距离m/s。质量流速w:单位时间内流体流过管道单位截面积的质量kg/(m2s)。一般液体的流速为0.5～3m/s，气体的流速为10～30m/s。3.管路的直径例1-6某食品厂混合液用泵输送，要求每小时输送混合液9.0×104kg，流速为1.5m/s，20℃时此混合液体的相对密度为1.06。式估算并选择管道的直径。二.稳态流动与非稳态流动

1.稳态流动：流体流动时的任一点上的流速、压力等有关物理量不随时间而变化。反之，非稳态流动。溢流液面恒定稳态流动非稳态流动质量守恒定律2.连续性方程例1-5设图1-11中，管内径d1=10cm，d2=5cm，大管流量为8L/s，求各段水管内平均流速。三.伯努利方程式1.伯努利方程式位能gZ：单位质量〔1kg〕流体所具有的位能J/kg动能u2/2：单位质量〔1kg〕流体所具有的动能J/kg静压能p/r：单位质量〔1kg〕流体所具有的静压能J/kg伯努利方程式—理想流体单位质量流体所具有的能量J/kg单位重量流体所具有的能量J/N=m

位能动能静压能单位:J/kg理想流体机械能衡算式---能量压头:单位重量流体所具有的能量位压头动压头静压头单位:J/N=m(1).机械能损失〔压头损失〕2.实际流体机械能衡算式(2)外加机械能W，单位：J/kg机械能损失外加机械能单位:J/kg实际流体机械能衡算式---能量压头损失外加压头

单位:J/N实际流体机械能衡算式----压头例1-8用泵将贮槽中的稀碱液送到蒸发器中进行浓缩，如下图。离心泵的进口管尺寸为89mm×3.5mm，出口管尺寸为76mm×3mm。混合液在进口管的流速为1.5m/s，贮槽中的液面距蒸发器入口处的垂直距离为7m，混合液经管路系统的能量损失40J/kg，蒸发器内蒸发压力〔表压〕20kpa，碱液的密度为1100kg/m3，试计算所需外加机械能。(1)选取截面两截面之间的流体必须连续、稳态流动，且充满整个衡算系统；截面常选取起点和终点，两截面都应与流动方向相垂直。(2)确定基准面

通常取选定截面中较低的水平面为基准面。(3)压力伯努利方程式中的压力必须同时使用表压或绝对压强。(4)外加机械能对每千克的流体而言。例1-9如附图所示，水槽液面至水管出口的垂直距离保持在7m，水管内径为68mm。假设损失的能量为67J/kg，求每小时水的流量。第三节管内流体流动现象一.牛顿黏性定律

黏性：流体流动时产生内摩擦力的性质。流体流动时克服内摩擦力而作功，所以流体有一局部机械能损失，损失的能量转变为热。牛顿黏性定律:剪应力t与垂直于流动方向的速度梯度成正比。--牛顿型流体F为内摩擦力，或黏滞力，单位：N。m为比例系数，称为黏度系数，或动力黏度，简称黏度。单位：pa.sn运动黏度：黏度m与密度r之比。单位：m2/s温度升高，液体的粘度减小，气体的粘度增大。压力对液体的粘度影响很小；忽略不计，气体的粘度不是在极高或极低的压力下，认为与压力无关。二.流体流动类型与雷诺数1.雷诺实验

a层流或滞流湍流或紊流c假设在直径不同的管内用不同的流体进行试验，发现：除了流速外，管径，流体密度和流体黏度，对流动状况也有影响，流动类型由dur/m决定。雷诺数Re雷诺数没有单位、量纲为1Re≤2000时，为层流；Re≥4000时，为湍流；2000＜Re＜4000，可能是层流也可能是湍流，或是两者交替出现两根不同的管中，当流体流动的Re相同时，只要流体的边界几何条件相似，那么流体流动状态也相同，这称为流体流动的相似原理。例1-1020℃的水在内径为50mm的管内流动,流速为2m/s，是判断管内流体流动的型态。三.流体在圆管内的速度分布(a)层流(b)湍流第四节管内流体流动的摩擦阻力损失一.直管中流体摩擦阻力损失的测定

层流湍流le/dRel：读音兰布达e：读音伊普西龙绝对粗糙度e:管壁粗糙面凸出局部的平均高度。相对粗糙度e/d:绝对粗糙度与管内径的比值。湍流主体u湍流主体udedded湍流流动时：光滑管

只与Re有关，与e/d无关

完全粗糙管

只与e/d有关，与Re无关表1-1某些工业管道绝对粗糙度雷诺数的范围分为四个不同的区域。〔1〕层流区〔Re≤2000〕，l与Re为直线关系，而与e/d无关。〔2〕过渡区〔2000<Re<4000〕流动类型不稳定，为平安起见，按湍流计算。〔3〕湍流区Re≥4000及虚线以下的区域。这个区的特点是摩擦系数l与Re及e/d都有关。〔4〕全湍流区图中虚线以下的区域。在此区域内，对于一定值，l与Re的关系趋近于水平线，可看作l与Re无关，而为定值。Re一定时，l值随e/d增大而增大。在完全湍流区，由于l与Re无关，从式可知，流体的摩擦阻力损失hf与流速u的平方成正比。此区域又称为阻力平方区。4.非圆形管的当量直径

badDadD二.局部摩擦阻力损失

局部摩擦阻力损失：由阀门、管件，及突然缩小或扩大等局部位置所产生的流体摩擦阻力损失。计算方法有局部阻力系数法和当量长度法。1.局部阻力系数法z读音截塔表1-2管件和阀件的局部阻力系数与当量长度值〔用于湍流〕截面突然变化的局部摩擦损失当流体从管路流入截面较大的容器或气体从管路排到大气中时z=1.0当流体从容器进入管的入口，是自很大截面突然缩小到很小的截面z=0.5突然扩大

突然缩小

局部阻力系数法2.当量长度法le:是将流体流过管件或阀门所产生的局部摩擦阻力损失折合成流过长度为le的直管的摩擦阻力损失。三.管内流体流动的总摩擦阻力损失计算总摩擦阻力损失=直管摩擦阻力损失+局部摩擦阻力损失管内流体流动的总摩擦阻力损失计算摩擦系数直管管长管件阀件当量长度法管件、阀件、截面变化局部阻力系数

压头损失的计算公式

例1-10如下图，用泵将敞口贮液池中20℃的水经由的钢管送至塔顶，塔内压力为6.866×103Pa〔表压〕。管子总长为80m，装有一个吸滤网和底阀，还有一个90o弯头。泵的排出管路中装有一个闸门阀(全开)和两个90о弯头。当管路中的体积流量50m3/h时，试求泵的有效功率及其轴功率，设泵的效率0.65。e/d=0.002第五节管路计算2.复杂管路COAB分支管路串联管路qVqV1qV2qV3BA并联管路1.简单管路简单管路-串联管路AB132复杂管路-并联管路qVqV1qV2qV3BA第六节流量的测定一.测速管优点：是对流体的阻力较小，适用于测量大直径管路中的气体流速。缺点：只能测出流体的点速，不能直接测出平均速度，另外当流体中含有固体杂质时，不宜采用。二.孔板流量计优点：容易制造，调换方便。缺点：流体流经孔板的能量损失较大，孔口边缘容易腐蚀和磨损，需定期进行校正。文丘里流量计三.转子流量计CR：转子流量计流量系数AR：转子与玻璃管之间的环形截面积Af：转子最大直径处的截面积12优点：读取流量方便，能量损失小，测量范围宽，能用于腐蚀性流体的测量。

缺点：不能经受高温和高压，安装时必须垂直。

气体和液体不同，气体具有可压缩性，因此气体输送机械与液体输送机械不相同。工作介质：液体——泵气体——风机或压缩机第七节流体输送机械一.离心泵1－叶轮2－泵壳3－叶片

4－吸入管5－底阀6－压出管7－泵轴73离心泵1.离心泵的工作原理:排液原理:先灌液。启动泵，叶轮高速旋转，带动液体高速旋转,离心力将液体沿叶轮边缘甩到泵壳。由于蜗形通道逐渐扩大，大局部动能转化为静压能，液体具有较高的压力从压出口进入排出管。吸液原理:叶轮处无液体，形成真空。外界在大气压下将液体压入管内。气缚：虽启动离心泵，也不能输送液体的现象。解决方法：离心泵启动前必须向壳体内灌满液体。原因：离心泵启动前未充满液体，那么泵内存有空气，由于空气的密度很小，所产生的离心力也很小。此时，在吸入口处所形成的真空缺乏以将液体吸入泵内。——说明离心泵无自吸能力2.离心泵主要部件

叶轮和泵壳半开式闭式开式泵壳制成蜗牛形，既减少了能量损失，又使局部动能转换成静压能。1-泵壳2-叶轮3-导轮3.离心泵的主要性能参数〔1〕流量qV：单位时间内泵所输送的液体体积，m3/s，m3/h〔2〕扬程H：单位重量(1N)的液体经过泵获得的能量，J/N=m流量计1′2′压力表真空表121′流量计22′压力表真空表1〔3〕功率与效率轴功率P：电动机的功率。P=UI有效功率Pe：单位时间液体从泵中叶轮获得的有效能量。效率h：①水力损失

黏性流体流动的摩擦阻力损失。②容积损失

泵内高压液体泄漏到低压区，使排出的流量小于流经叶轮的流量而造成的功率损失。③机械损失

由泵轴与轴承之间、泵轴密封处的摩擦等造成的功率损失。泵内造成的功率损失的原因：例1-14某离心泵用20℃清水做性能的实验。测得流量720m3/h，泵出口的压力表读数0.4MPa，泵入口的真空表读数0.028MPa，两截面间垂直距离为0.41m。试求扬程与轴功率。泵的效率为0.74.离心泵的特性曲线〔1〕离心泵的特性曲线qV/m3/hH/m①H～qV曲线通常H是qV的增大而减小。②P～qV曲线P随qV的增大而增大。qV=0，P最小，启动泵时关闭出口阀，使电动机的启动电流减至最小，以保护电动机。③h～qV曲线开始随qV的增大而增大，到达最大值后，到达最大值后，又随qV的增大而下降。曲线上最高效率点，称为泵的设计工况点。最高效率点对应的H和qV下操作最经济。一般高效区为不低于最高效率以下7％范围内。〔2〕离心泵的转数对特性曲线的影响h不变的条件下—比例定律

转数不超过20%〔3〕液体黏度和密度的影响①黏度的影响m↑，qV↓，H↓，h↓，Pe↓，P↑☆.液体黏度增大，叶轮内液体流速降低，使流量减小。☆.液体黏度增大，液体流经泵内时的流动摩擦损失增大，使扬程减小。☆.液体黏度增大，叶轮前、后盖板与液体之间摩擦而引起能量损失增大，所以轴功率增大。☆.由于上述原因，使泵效率下降。□离心泵的流量qV=截面积A×液体速度u，这些因素不受液体密度影响，所以流量qV不改变。□因为p1-p2=rgh与密度成正比，所以扬程与液体密度无关。□泵的有效功率随液体密度增大而增大。□泵的轴功率随液体密度增大而增大。②密度的影响r↑,

qV不变,

H不变,

h不变，Pe↑,P↑5.离心泵的工作点与调节

贮槽与受液槽的截面都很大，则

〔1〕管路特性方程qV/m3/hH/m〔2〕两线交点P为泵在该管路上的工作点HHAHCH0HB〔3〕离心泵的流量调节①改变阀门的开度：即改变管路特性曲线，当阀门关小时，管路的局部阻力加大，管路特性曲线变陡，曲线k′。②改变泵的转速：即改变泵的特性曲线。转速加大，曲线n′例1-15在内径为150mm、长度为280m的管路系统中，用离心泵输送清水。该管路局部摩擦阻力损失的当量长度为85m，摩擦系数可取为0.03。离心泵特性曲线如下图。假设△Z+△p/rg为20m〔水柱〕，试求离心泵的工作点。qV/m3.h-12030H/m2575501000例1-16某输水管路系统离心泵转速n=2900r/min时的特性曲线方程为H=25-5qV2，管路特性方程为H=10+kqV2，qV的单位m3/min。试求〔1〕k=2.5的工作点流量qVA和HA〔2〕阀门关小到k′=5.0时的工作点流量qVB和HB〔3〕对于流量qVB，因阀门开度k=2.5关小到k′=5.0，管路阻力损失增加了多少？〔4〕假设不改变阀门开度而用改变转速，使流量从qVA调到qVB，试求转速应调到多少？HHAHCH0HBD〔4〕离心泵的并联和串联操作操作qV并<2qV单

H并>H单

离心泵的并联qV串>qV单

H串<2H单

离心泵的串联操作6.离心泵的汽蚀现象与安装高度〔1〕离心泵的汽蚀现象汽蚀现象：当叶轮入口最低压力降到该处温度下液体的饱和蒸气压pV时，液体将有局部汽化，同时还有溶解于液体中的气体解吸出来，产生大量的小气泡，这些小汽随液体流到叶轮内压力高于pV区域时，小汽泡破裂，蒸气迅速凝结，周围的液体将以高速冲向刚消失的气泡中心，造成很高的局部冲击压力，冲击叶轮，发生噪音，引起震动。金属外表受到压力大、频率高的冲击而剥蚀及气泡内夹带的少量氧气等活波气体对金属外表的电化学腐蚀等使叶轮外表呈现海绵状、鱼鳞状的破坏。〔2〕离心泵的允许吸上高度〔3〕允许汽蚀余量例1-17某离心泵，汽蚀余量△h=2m〔水柱〕，现用此泵输送将敞口水槽中40℃清水，假设泵吸入口距水面以上4m高度处，吸入管路的压头损失为1m，当地大气压为0.1MPa，求此泵的安装高度是否适宜？7.离心泵的类型与选用〔1〕类型：①清水泵(IS型、D型、S型)②耐腐蚀泵(F型)③油泵〔Y型〕〔2〕选用：泵的流量和扬程>管路的流量和压头例1-19如下图需要安装一台泵，将流量密度为45m3/h、温度20℃的河水输送到高位槽，高位槽水面高出河面10m，管径φ88.5×4mm，e/d=0.004，管路总长度为15m。两个90о弯头，截止阀(全开)，底阀，吸入管长5m。当地大气压力101.3kPa，选用一台离心泵，并确定安装高度。二.其他类型化工用泵1.往复泵〔1〕构造与工作原理主要部件：泵缸、活塞和单向活门。习题3.如习题图所示，容器内贮有密度为1250kg/m3的液体，液面高度为3.2m。容器侧壁上有两根测压管线，距容器底的高度分别为2m及1m，容器上部空间的压力〔表压〕为29.4kPa。试求：(1)压差计读数〔指示液密度为〕；(2)A、B两个弹簧压力表的读数。8.20℃的水以2.5m/s的平均流速流经φ38×2.5mm的水平管，此管以锥形管与另一φ53×3mm的水平管相连。如此题附图所示，在锥形管两侧A、B处各插入一垂直玻璃管以观察两截面的压力。假设水流经A、B两截面间的能量损失为1.5J/kg，求两玻璃管的水面差〔以mm计〕，并在此题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。9.假设用压力表测得输送水〔密度为1000kg／m3〕、油〔密度为880kg／m3〕、98%硫酸〔密度为1830kg／m3〕的某段水平等直径管路的压力降均为49KPa，问三者的压头损失的数值是否相等，各为多少米液柱。10.高位槽内的水面高于地面7m，水从φ108×4mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5m。在此题条件下，水流经系统的能量损失可按∑hf=5.5u2计算，其中为水在管内的平均流速，m/s。流动为稳态，试计算：〔1〕A-A'截面处水的平均流速；〔2〕水的流速，以m3/h计。12.用离心泵将20℃的水自贮槽送至水洗塔底部，槽内水位维持恒定。各局部相对位置如此题附图所示。管路的直径均为φ76×3.5mm，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为2.56×104Pa；水流经吸入