第3章流體流動(1)

1、第三章第三章 流體流動過程及流體流動過程及 流體輸送設(shè)備流體輸送設(shè)備 選擇輸送流體所需管徑尺寸選擇輸送流體所需管徑尺寸; ; 確定輸送流體所需能量和設(shè)備確定輸送流體所需能量和設(shè)備; ; 流體性能參數(shù)的測量、控制流體性能參數(shù)的測量、控制; ; 研究流體的流動形態(tài)，為強(qiáng)化設(shè)備和操作提供研究流體的流動形態(tài)，為強(qiáng)化設(shè)備和操作提供理論依據(jù)理論依據(jù); ;了解輸送設(shè)備的工作原理和操作性能，正確地了解輸送設(shè)備的工作原理和操作性能，正確地使用流體輸送設(shè)備。使用流體輸送設(shè)備。研究流體的流動和輸送主要是解決以下問題研究流體的流動和輸送主要是解決以下問題:3.1 3.1 流體的基本性質(zhì)流體的基本性質(zhì)3.2 3.2 流

2、體流動的基本規(guī)律流體流動的基本規(guī)律3.3 3.3 流體壓力和流量的測量流體壓力和流量的測量 3.5 3.5 流體輸送設(shè)備流體輸送設(shè)備3.4 3.4 管內(nèi)流體流動的阻力管內(nèi)流體流動的阻力3.1 3.1 流體的基本性質(zhì)流體的基本性質(zhì) 1 1密度密度 單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度，流體的密度，其表達(dá)式為：其表達(dá)式為：流體密度，流體密度，km-3 ; m流體質(zhì)量，流體質(zhì)量，kg；V流體體積，流體體積，m3。=mV 除極高壓力外，壓力對液體的密度影響很小，除極高壓力外，壓力對液體的密度影響很小，常將液體稱為常將液體稱為不可壓縮流體不可壓縮流體。(3-1) 氣體氣體具

3、有具有可壓縮性可壓縮性及及熱膨脹性熱膨脹性，其密度隨壓力和，其密度隨壓力和溫度有較大的變化。溫度有較大的變化。 氣體密度可近似地用氣體密度可近似地用理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行計算：進(jìn)行計算： =pM/RT p氣體壓力氣體壓力 kNm-2或或kPa；T氣體溫度氣體溫度 K；M氣氣體摩爾質(zhì)量體摩爾質(zhì)量 gmol-1；R氣體常數(shù)氣體常數(shù)8.314Jmo1-1K-1。(3-2) 化工生產(chǎn)中所遇到的化工生產(chǎn)中所遇到的流體流體，往往是含有多個組分，往往是含有多個組分的混合物。對于的混合物。對于液體混合物液體混合物，各組分的濃度常用，各組分的濃度常用質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)量分?jǐn)?shù)表示。表示。 若以若以1kg1k

4、g混合物為基準(zhǔn)，設(shè)混合物為基準(zhǔn)，設(shè)各組分在混合前后其各組分在混合前后其體積不變體積不變，則，則1kg1kg混合物的體積等于各組分單獨存混合物的體積等于各組分單獨存在時的在時的體積和體積和： i液體混合物中各純組分液體的密度，液體混合物中各純組分液體的密度，kgm-3；wi液體混合物中各組分液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；液體混合物中各組分液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；m 液體混合物的密度液體混合物的密度 。iinnMwWWW22111(3-3) 對于對于氣體混合物，氣體混合物，各組分的濃度常用各組分的濃度常用體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)表示。表示。 若以若以1m1m3 3混合氣體為基準(zhǔn)，混合氣體為基準(zhǔn)，設(shè)各組分在混合前設(shè)各組分在混合前

5、后的質(zhì)量不變后的質(zhì)量不變，則，則1m1m3 3混合氣體的混合氣體的質(zhì)量質(zhì)量等于各組分等于各組分的的質(zhì)量之和質(zhì)量之和: :iiiim2211 I I氣體混合物各純組分的密度，氣體混合物各純組分的密度，kgmkgm-3-3； I I氣體氣體 混合物中各組分的體積分?jǐn)?shù)；混合物中各組分的體積分?jǐn)?shù)；m氣體混合物的密度氣體混合物的密度。 (3-4)2 2比體積比體積 單位質(zhì)量流體所具有的體積單位質(zhì)量流體所具有的體積稱為流體的比體積，稱為流體的比體積，以以 表示，它表示，它與流體的密度互為倒數(shù)與流體的密度互為倒數(shù): 一流體的比體積，一流體的比體積，m3kg-1；流體的密度，流體的密度，kgm-3。 =1/(

6、3-5)3 3壓力壓力 流體垂直作用于單位面積上的力流體垂直作用于單位面積上的力稱為壓力：稱為壓力：p流體的壓力，流體的壓力，Pa；F流體垂直作用于面積流體垂直作用于面積A上的力，上的力，N；A作用面積，作用面積，m2。壓力的單位壓力的單位Pa（Pascal，帕），即帕），即Nm-2。latm760mmHg1.01325105Pa10.33mH2O1.033kgf cm-2常用壓力單位與常用壓力單位與PaPa之間的換算關(guān)系如下：之間的換算關(guān)系如下：p= FA(3-6)壓力有兩種表達(dá)方式壓力有兩種表達(dá)方式: : 絕對壓力絕對壓力; ; 大氣壓力大氣壓力. .當(dāng)被測容器的壓力高于大氣壓時，所測壓力

7、稱為當(dāng)被測容器的壓力高于大氣壓時，所測壓力稱為表壓表壓，當(dāng)，當(dāng)被被測容器的壓力低于大氣壓時，所測壓力稱為測容器的壓力低于大氣壓時，所測壓力稱為真空度真空度。 大氣壓力大氣壓力隨溫度、隨溫度、濕度及所濕度及所在地區(qū)的在地區(qū)的海拔高度海拔高度而變化。而變化。4 4流量和流速流量和流速 單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量，稱為流，稱為流體的流量。體的流量。 體積流量體積流量，以符號，以符號qv表示，單位為表示，單位為m3s-1； 質(zhì)量流量質(zhì)量流量，以符號，以符號qm表示，其單位為表示，其單位為kgs-1。 摩爾流量摩爾流量，以符號，以符號qn表示，其單位為表

8、示，其單位為mols-1。qm=qV 質(zhì)量流量與摩爾流量的關(guān)系為質(zhì)量流量與摩爾流量的關(guān)系為 qmMqn 體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為：體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為： (3-7)(3-8)流體的流速：流體的流速：單位時間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動方單位時間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動方向所流過的距離向所流過的距離，以，以u u表示，單位為表示，單位為msms-1-1。u=qV/ /S SS與流體流動方向相垂直的管道截面積，與流體流動方向相垂直的管道截面積，mm2 2 通常所說的通常所說的流速流速是指流道整個截面上的是指流道整個截面上的平均流速平均流速，以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值來表以流體的體積流

9、量除以管路的截面積所得的值來表示：示：氣體的體積流速隨溫度、壓力而變化。氣體的體積流速隨溫度、壓力而變化。 管道中心的流速最大，離管中心距離越遠(yuǎn)，流速管道中心的流速最大，離管中心距離越遠(yuǎn)，流速越小，而在緊靠管壁處，流速為零。越小，而在緊靠管壁處，流速為零。(3-9) 質(zhì)量流速質(zhì)量流速的定義是的定義是單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量截面積的質(zhì)量，以，以w w表示，單位為表示，單位為 kgskgs-1-1mm-2-2，表達(dá)式為：表達(dá)式為： w=qmS 體積流速和質(zhì)量流速兩者之間的關(guān)系：體積流速和質(zhì)量流速兩者之間的關(guān)系：液體液體1.53.0ms-1，高粘度液體高粘度液

10、體0.51.0 ms-1；氣體氣體1020 ms-1，高壓氣體高壓氣體1525 ms-1；飽和水蒸汽飽和水蒸汽2040 ms-1，過熱水蒸汽過熱水蒸汽3050 ms-1。 w=u工業(yè)上用的流速范圍大致為：工業(yè)上用的流速范圍大致為：(3-10)(3-11)5 5粘度粘度 粘性是流體內(nèi)部摩擦力的表現(xiàn)粘性是流體內(nèi)部摩擦力的表現(xiàn)，粘度粘度是是衡量流體粘衡量流體粘性大小的物理量性大小的物理量，是流體的重要參數(shù)之一。流體的粘度，是流體的重要參數(shù)之一。流體的粘度越大，其流動性就越小。越大，其流動性就越小。 流體在圓管內(nèi)的流動，可以看成分割成無數(shù)極薄的流體在圓管內(nèi)的流動，可以看成分割成無數(shù)極薄的圓筒層，其中一

11、層套著一層，各層以不同的速度向前流圓筒層，其中一層套著一層，各層以不同的速度向前流動，形成動，形成流速分布流速分布。圖圖3 3一一3 3所示，將下板固定，而對上板施加一個恒定的外所示，將下板固定，而對上板施加一個恒定的外力，上板就以某一恒定速度力，上板就以某一恒定速度u u沿著沿著x x方向運動。方向運動。 對于一定的液體，內(nèi)摩擦力對于一定的液體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層間的速度與兩流體層間的速度差差u呈正比，與兩層間的接觸面積呈正比，與兩層間的接觸面積A呈正比，而與兩層呈正比，而與兩層間的垂直距離間的垂直距離y呈反比。呈反比。 F(u/y)A 引入比例系數(shù)引入比例系數(shù) ，則：，則： F（u/y）

12、A 單位面積上的內(nèi)摩擦力單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力或稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力（動量剪應(yīng)力（動量通量）通量），以，以 表示，則有：表示，則有： FA（u/y） 當(dāng)流體在管內(nèi)流動時，徑向速度的變化并不是直線當(dāng)流體在管內(nèi)流動時，徑向速度的變化并不是直線關(guān)系，而是曲線關(guān)系，則有：關(guān)系，而是曲線關(guān)系，則有： （du/dy） dudu/ /dydy速度梯度速度梯度，即在與流動方向相垂直的，即在與流動方向相垂直的y y方向上方向上流體速度的變化率；流體速度的變化率； 比例系數(shù)，亦稱為粘性系數(shù)，簡稱比例系數(shù)，亦稱為粘性系數(shù)，簡稱粘度粘度。 牛頓粘性定律牛頓粘性定律(3-12)(3-13)(3-14) 凡

13、符合牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體凡符合牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體，所有氣所有氣體體和和大多數(shù)液體大多數(shù)液體都屬于都屬于牛頓型流體牛頓型流體。 非非牛頓型流體：牛頓型流體：某些某些高分子溶液高分子溶液、膠體溶液膠體溶液及及泥漿泥漿等。等。 液體的粘度隨著溫度的升高而減小，液體的粘度隨著溫度的升高而減小，氣體的粘度隨著氣體的粘度隨著溫度的升高而增加。溫度的升高而增加。 壓力變化時，液體的粘度基本上不變，氣體的粘度隨壓力變化時，液體的粘度基本上不變，氣體的粘度隨壓力的增加而增加壓力的增加而增加, ,但增加得不多。但增加得不多。=/(du/dy)=(Nm-2)/(ms-1m-1)Nsm-2P

14、as1 P100cP（厘泊）厘泊）=10-1Pas= 10-1N.s.m-2 = 10-1kg.m-1.s-1 流體的粘度值由實驗測定。手冊中查得的數(shù)據(jù)常以流體的粘度值由實驗測定。手冊中查得的數(shù)據(jù)常以厘米克秒厘米克秒(CGS)(CGS)制制表示。在表示。在CGSCGS制中，粘度的單位為制中，粘度的單位為g.cmg.cm-1-1.s.s-1-1，稱為，稱為“泊泊”，以，以P P表示。表示。運動粘度：運動粘度：流體的粘度流體的粘度與密度與密度的比值，以的比值，以表示之：表示之：=/單位為單位為m2s-1， 在在CGS制中單位為制中單位為cm2.s-1，稱為，稱為“沲沲” 1st100 cst(厘沲

15、厘沲)10-4m2s-1(3-15) 在工業(yè)上常常遇到各種流體的混合物。對于在工業(yè)上常常遇到各種流體的混合物。對于低壓氣體混合物的粘度低壓氣體混合物的粘度，可采用下式進(jìn)行計算。，可采用下式進(jìn)行計算。 mm常壓下混合氣體的粘度；常壓下混合氣體的粘度； y yi i氣體混合物中某一組分的摩爾分?jǐn)?shù)；氣體混合物中某一組分的摩爾分?jǐn)?shù)；m=（yiiMi1/2)(yiMi1/2) i i與氣體混合物相同溫度下某一組分的粘度；與氣體混合物相同溫度下某一組分的粘度； MMi i氣體混合物中某一組分的相對分子質(zhì)量。氣體混合物中某一組分的相對分子質(zhì)量。(3-16)iimxlglg mm 液體混合物的粘度；液體混合物

16、的粘度； x xi i 液體混合物中某一組分的摩爾分?jǐn)?shù)；液體混合物中某一組分的摩爾分?jǐn)?shù)； i i 與液體混合物相同溫度下某一組分的粘度。與液體混合物相同溫度下某一組分的粘度。 對于分子不發(fā)生締合的對于分子不發(fā)生締合的液體混合物的粘度液體混合物的粘度，采用下，采用下式計算：式計算：(3-17)3.2 流體流動的基本規(guī)律流體流動的基本規(guī)律1定態(tài)流動定態(tài)流動和和非定態(tài)流動非定態(tài)流動 流體在管道或設(shè)備中流流體在管道或設(shè)備中流動時，若在任一截面上流體動時，若在任一截面上流體的的流速流速、壓力壓力、密度密度等有關(guān)等有關(guān)物理量僅隨位置而改變，但物理量僅隨位置而改變，但不不隨時間隨時間而改變，稱為而改變，稱為

17、定態(tài)定態(tài)流動流動；反之，若流體在各截；反之，若流體在各截面上的有關(guān)物理量中，只要面上的有關(guān)物理量中，只要有一項有一項隨時間隨時間而變化，則而變化，則稱稱為非定態(tài)流動為非定態(tài)流動。 2定態(tài)流動定態(tài)流動過程物料衡算過程物料衡算連續(xù)性方程連續(xù)性方程 當(dāng)流體在流動系統(tǒng)中作定態(tài)流動時，根據(jù)質(zhì)量作當(dāng)流體在流動系統(tǒng)中作定態(tài)流動時，根據(jù)質(zhì)量作用定律，在用定律，在沒有物料累積和泄漏沒有物料累積和泄漏的情況下，的情況下，單位時間單位時間內(nèi)內(nèi)通過流動系統(tǒng)通過流動系統(tǒng)任一截面任一截面的的流體的質(zhì)量流體的質(zhì)量應(yīng)相等。應(yīng)相等。 對上圖所示截面對上圖所示截面11和和22之間作物料衡算：之間作物料衡算： 2,1 ,mmqq因

18、為因為qm=uS，所以：所以：在任何一個截面上，則：在任何一個截面上，則： qm=1u1S12u2S2nunSn=常數(shù)常數(shù) 對于對于不可壓縮流體不可壓縮流體， = =常數(shù)，則：常數(shù)，則： 它反映在定態(tài)流動體系中，流量一定時，管路各它反映在定態(tài)流動體系中，流量一定時，管路各截面上截面上流體流速流體流速的變化規(guī)律。的變化規(guī)律。 qV=u1S1=u2S2=unSn=常數(shù)常數(shù)222111SuSu(3-18)(3-19)(3-20)3流體定態(tài)流動流體定態(tài)流動過程的能量衡算過程的能量衡算柏努利方程柏努利方程 流動體系的能量形式主要有：流動體系的能量形式主要有：流體的流體的動能動能、位能位能、靜壓能靜壓能以

19、及流體本身的以及流體本身的內(nèi)能內(nèi)能。 動能動能 流體以一定的流速流動時，便具有一定的動能。流體以一定的流速流動時，便具有一定的動能。動能為動能為mu2/2，單位為單位為kJ。 位能位能 流體因受重力的作用，在不同高度處具有不同流體因受重力的作用，在不同高度處具有不同的位能，其值相當(dāng)于把質(zhì)量為的位能，其值相當(dāng)于把質(zhì)量為mm的流體由基準(zhǔn)水平面垂直舉的流體由基準(zhǔn)水平面垂直舉至某一高度至某一高度Z Z處所做的功，即處所做的功，即mgZ，單位為單位為kJkJ。 靜壓能靜壓能 流體內(nèi)部任一處都存在一定的靜壓力。流體內(nèi)部任一處都存在一定的靜壓力。 在流體體積不變的情況下，把流體引入壓力系統(tǒng)所做的功，稱為在流

20、體體積不變的情況下，把流體引入壓力系統(tǒng)所做的功，稱為流動流動功功。流體由于外界對它作流動功而具有的能量，稱為。流體由于外界對它作流動功而具有的能量，稱為靜壓能靜壓能。靜壓能：靜壓能： 設(shè)流體設(shè)流體m、V i - i截面截面(P、A)，則：則：截面處的壓力截面處的壓力F = PA，流體通過流體通過A前進(jìn)的距離前進(jìn)的距離 l = V/A流體進(jìn)入該截面所需功流體進(jìn)入該截面所需功 = Fl = PV 即：流體所具有的即：流體所具有的靜壓能靜壓能=PV=PV=Pm/Pm/，單位為，單位為J J，又稱流動功。，又稱流動功。 單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能稱稱比靜壓能比靜壓能： 比靜壓

21、能比靜壓能=PV/m=P/(m/V)=P/=PV/m=P/(m/V)=P/，單位為，單位為J/kgJ/kg。 內(nèi)能內(nèi)能 內(nèi)能（又稱熱力學(xué)能）是流體內(nèi)部大量內(nèi)能（又稱熱力學(xué)能）是流體內(nèi)部大量分子運動分子運動所具有的所具有的內(nèi)動能內(nèi)動能和分子間相互作用力而形和分子間相互作用力而形成的成的內(nèi)位能內(nèi)位能的總和。的總和。 以以U U表示單位質(zhì)量的流體所具有的內(nèi)能，則質(zhì)量表示單位質(zhì)量的流體所具有的內(nèi)能，則質(zhì)量為為mm（kgkg）的流體的的流體的內(nèi)能為內(nèi)能為mUmU，單位單位kJkJ。 內(nèi)能和什么有關(guān)？內(nèi)能和什么有關(guān)？ 流體的流動過程實質(zhì)上是流動體系中各種形式流體的流動過程實質(zhì)上是流動體系中各種形式能量之間

22、的轉(zhuǎn)化過程。能量之間的轉(zhuǎn)化過程。（1）理想流體流動過程的能量衡算）理想流體流動過程的能量衡算 理想流體理想流體是指在流動時是指在流動時沒有內(nèi)摩擦力存在沒有內(nèi)摩擦力存在的流體，的流體，即粘度即粘度為零。為零。若過程中沒有熱量輸入，其若過程中沒有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒有變化溫度和內(nèi)能沒有變化，則理，則理想流體流動時的能量恒算只考慮想流體流動時的能量恒算只考慮機(jī)械能機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。之間的相互轉(zhuǎn)換。 設(shè)在單位時間內(nèi)有設(shè)在單位時間內(nèi)有質(zhì)量為質(zhì)量為m(kg)、密度為密度為的理想流體的理想流體在導(dǎo)管中做定態(tài)流動，在與流體流動的垂直方向上選取截在導(dǎo)管中做定態(tài)流動，在與流體流動的垂直方向上選取截面面1l

23、和截面和截面22，在兩截面之間進(jìn)行能量衡算。，在兩截面之間進(jìn)行能量衡算。 /211112mpmumgZE入 令流體在截面令流體在截面 22處的流速為處的流速為u2，即即/212222mpmumgZE出 根據(jù)能量守恒定律，若在兩截面之間沒有外界能量輸根據(jù)能量守恒定律，若在兩截面之間沒有外界能量輸入，流體也沒有對外界作功，則流體在截面入，流體也沒有對外界作功，則流體在截面11”和截面和截面22”之間應(yīng)符合：之間應(yīng)符合： 出入EE對于對于單位質(zhì)量流體單位質(zhì)量流體，則：，則：對于對于單位重力單位重力（重力單位為（重力單位為N）流體，有：）流體，有： 工程上，將工程上，將單位重力的流體所具有的能量單位重

24、力的流體所具有的能量單位單位JN-1 ，即即m，稱為稱為“壓頭壓頭”，則，則Z、u2/(2g)和和p/(g)分別是以壓頭分別是以壓頭形式表示的位能、動能和靜壓能，分別稱為形式表示的位能、動能和靜壓能，分別稱為位壓頭、動壓位壓頭、動壓頭和靜壓頭頭和靜壓頭。/21/2122221211mpmumgZmpmumgZ/21/2122221211pugZpugZ)/()2/()/()2/(22221211gpguZgpguZ(3-21b) 以上各式都是理想流體在定態(tài)流動時的能量衡以上各式都是理想流體在定態(tài)流動時的能量衡算方程式，又稱為算方程式，又稱為柏努利方程柏努利方程（Bernoulli equati

25、on）由柏努利方程可知，由柏努利方程可知，理想流體在管道各個截面上的理想流體在管道各個截面上的每種能量并不一定相等，每種能量并不一定相等，它們在流動時可以相互轉(zhuǎn)它們在流動時可以相互轉(zhuǎn)化，化，但其但其在管道任一截面上各項能量之和相等，在管道任一截面上各項能量之和相等，即即總能量（或總能量（或總壓頭總壓頭）是一個）是一個常數(shù)常數(shù)。 使用壓頭形式表示能量時，使用壓頭形式表示能量時，應(yīng)注明是哪一種流體應(yīng)注明是哪一種流體，如，如流體是水，應(yīng)說它的壓頭是多少流體是水，應(yīng)說它的壓頭是多少米水柱米水柱。 為克服流動阻力使流體流動，往往需要安裝流體為克服流動阻力使流體流動，往往需要安裝流體輸送機(jī)械（如泵或風(fēng)機(jī)）

26、。設(shè)單位重力的流體從流體輸送機(jī)械（如泵或風(fēng)機(jī)）。設(shè)單位重力的流體從流體輸送機(jī)械所獲得的輸送機(jī)械所獲得的外加壓頭為外加壓頭為He，單位單位JN-1或或m。 則實際流體在流動時的柏努利方程為：則實際流體在流動時的柏努利方程為： 實際流體在流動時，由于流體粘性的存在，必實際流體在流動時，由于流體粘性的存在，必然造成然造成阻力損失阻力損失。單位重力的流體的阻力損失單位重力的流體的阻力損失：hf (J.N-1或或m).（2）實際流體流動過程的能量衡算）實際流體流動過程的能量衡算 fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211 對于對于靜止?fàn)顟B(tài)的流體靜止?fàn)顟B(tài)的流體，u=0，沒有外

27、加能量，沒有外加能量，He =0，而且也沒有因摩擦而造成的阻力損失而且也沒有因摩擦而造成的阻力損失hf=0，則柏努利方則柏努利方程簡化為：程簡化為： 或或?qū)嶋H流體在流動時的柏努利方程為：實際流體在流動時的柏努利方程為：fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211)/()/(2211gpZgpZ)(2121ZZgpp(3-23b)(3-23a) 連續(xù)性方程和柏努利方程可用來計算化工生產(chǎn)中流連續(xù)性方程和柏努利方程可用來計算化工生產(chǎn)中流體的體的流速流速或或流量流量、流體輸送所需的、流體輸送所需的壓頭壓頭和和功率功率等流體流動等流體流動方面的實際問題。方面的實際問題。 作圖

28、作圖 根據(jù)題意作出流動系統(tǒng)的示意圖以助分析題意。根據(jù)題意作出流動系統(tǒng)的示意圖以助分析題意。 單位務(wù)必統(tǒng)一單位務(wù)必統(tǒng)一 最好均采用國際單位制。最好均采用國際單位制。 4流體流動規(guī)律的應(yīng)用舉例流體流動規(guī)律的應(yīng)用舉例 在應(yīng)用柏努利方程時，應(yīng)該注意以下幾點：在應(yīng)用柏努利方程時，應(yīng)該注意以下幾點：截面的選取截面的選取 確定出上下游截面以明確對流動系統(tǒng)的衡確定出上下游截面以明確對流動系統(tǒng)的衡算范圍。算范圍。基準(zhǔn)水平面的選取基準(zhǔn)水平面的選取 為了簡化計算，通常將所選兩個為了簡化計算，通常將所選兩個截面中位置較低的一個作為基準(zhǔn)水平面。截面中位置較低的一個作為基準(zhǔn)水平面。例例 3l 今有一離心水泵，其吸入管規(guī)格

29、為今有一離心水泵，其吸入管規(guī)格為88.5 mm4 mm，壓出管為壓出管為75.5mm3.75mm，吸吸入管中水的流速為入管中水的流速為 1.4 ms-1，試求壓出管中水試求壓出管中水的流速為多少？的流速為多少？ （1）管道流速的確定）管道流速的確定解解：吸入管內(nèi)徑吸入管內(nèi)徑dl=88.52 480.5 mm 壓出管內(nèi)徑壓出管內(nèi)徑 d275.52 3.75=68 mm根據(jù)連續(xù)性方程根據(jù)連續(xù)性方程 u1S1= u2S2 圓管的截面積圓管的截面積S=d2/4，上式寫成：上式寫成： u2/ul=(dl/d2)2壓出管中水的流速為：壓出管中水的流速為： u2=(dl/d2)2 ul=(80.5/68)2

30、1.4ms-11.96 ms-1表明：表明：當(dāng)流量一定時，圓管中流體的流速與管徑的當(dāng)流量一定時，圓管中流體的流速與管徑的平方呈反比。平方呈反比。（2）容器相對位置的確定）容器相對位置的確定 例例32 采用虹吸管從高位槽向反應(yīng)釜中加料。高位槽和采用虹吸管從高位槽向反應(yīng)釜中加料。高位槽和反應(yīng)釜均與大氣相通。要求物料在管內(nèi)以反應(yīng)釜均與大氣相通。要求物料在管內(nèi)以 1.05 ms-1的速度的速度流動。若料液在管內(nèi)流動時的能量損失為流動。若料液在管內(nèi)流動時的能量損失為 2.25 JN-1，試求，試求高位槽的液面應(yīng)比虹吸管的出口高出多少米才能滿足加料高位槽的液面應(yīng)比虹吸管的出口高出多少米才能滿足加料要求？要

31、求？解解：作示意圖，：作示意圖，取高位槽的液面為截面取高位槽的液面為截面1-1，虹吸管的出口內(nèi)側(cè)虹吸管的出口內(nèi)側(cè)為截面為截面22，并取截面，并取截面22為基準(zhǔn)為基準(zhǔn)水平面。水平面。fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211式中式中Z1=h，u1 =0 p1=0 (表壓表壓)，He =0； Z20，u2=1.05 ms-1，p2=0（表壓），表壓），hf2.25 JN-1在兩截面間列出柏努利方程式：在兩截面間列出柏努利方程式：代入柏努利方程式，并簡化得：代入柏努利方程式，并簡化得：h1.052 m2s-2/29.81 ms-22.25m2.31m即高位槽液面應(yīng)比虹吸

32、管的出口高即高位槽液面應(yīng)比虹吸管的出口高2.312.31mm，才能滿才能滿足加料的要求。足加料的要求。fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211（3）送料用壓縮空氣的壓力的確定）送料用壓縮空氣的壓力的確定 例例33 某生產(chǎn)車間用壓縮空氣壓送某生產(chǎn)車間用壓縮空氣壓送20，wH2SO4=98.3%的濃硫酸的濃硫酸。若每批壓送量為。若每批壓送量為0.36m3，要，要求在求在10min內(nèi)壓送完畢。管子為內(nèi)壓送完畢。管子為383mm鋼管，管鋼管，管子出口在硫酸罐液面上垂直距離為子出口在硫酸罐液面上垂直距離為15m。設(shè)硫酸流經(jīng)。設(shè)硫酸流經(jīng)全部管路的能量損失為全部管路的能量損失

33、為1.22J.N-1(不包括出口的能量損不包括出口的能量損失失)，試求開始送壓時，試求開始送壓時，壓縮空氣的表壓為多少壓縮空氣的表壓為多少？解：解：繪示意圖。取硫酸罐內(nèi)液面為截面繪示意圖。取硫酸罐內(nèi)液面為截面1-1,硫酸出硫酸出口管口管管口內(nèi)側(cè)管口內(nèi)側(cè)為截面為截面2-2，并以截面，并以截面1-1為基準(zhǔn)水平為基準(zhǔn)水平面。面。 在兩截面間列出柏努利方程式：在兩截面間列出柏努利方程式： fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211 式中式中 ZI=0，ul0，Z215 m，u2=qv /S, p2=0

34、, f = 1.22J.N-1因為因為 qv0.36 m3/ (1060 s) 6.010-4m3s-1 S (0.038 - 20.003)2 m2/4 8.04 10-4 m2故故 u2qv/S6.0 10-4 m3s-1/(8.04 10-4m2) =0.746 ms-1由手冊查得，由手冊查得，20 濃硫酸的密度濃硫酸的密度=1.831 kg.m-3將上列數(shù)據(jù)代入柏努利方程式：將上列數(shù)據(jù)代入柏努利方程式：解得解得：p1= 2.92 105 N.m-2 (表壓）表壓） 例例34 用離心泵將貯槽中的料液輸送到蒸發(fā)器內(nèi)，用離心泵將貯槽中的料液輸送到蒸發(fā)器內(nèi)，敞口貯槽內(nèi)液面維持恒定。已知料液的密

35、度為敞口貯槽內(nèi)液面維持恒定。已知料液的密度為 1200 kgm-3，蒸發(fā)器上部的蒸發(fā)室內(nèi)操作壓力為蒸發(fā)器上部的蒸發(fā)室內(nèi)操作壓力為 200 mm Hg(真空度真空度)，蒸發(fā)器進(jìn)料口高于貯槽內(nèi)的液面，蒸發(fā)器進(jìn)料口高于貯槽內(nèi)的液面 15 m，輸送管道的直徑為輸送管道的直徑為 68 mm 4mm，送液量為送液量為 20 m3h-1。設(shè)溶液流經(jīng)全部管路的能量損失為設(shè)溶液流經(jīng)全部管路的能量損失為12.23 JN-1(不包括出口的能量損失不包括出口的能量損失)，若泵的效率為，若泵的效率為60，試求，試求泵的功率。泵的功率。 （4）流體輸送設(shè)備所需功率的確定）流體輸送設(shè)備所需功率的確定解：解：取貯槽液面為截面

36、取貯槽液面為截面11，管路出口內(nèi)側(cè)為截，管路出口內(nèi)側(cè)為截面面22，并以截面，并以截面1一一l為基準(zhǔn)水平面。在截面為基準(zhǔn)水平面。在截面11和截面和截面22之間進(jìn)行能量衡算，有：之間進(jìn)行能量衡算，有：fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211式中式中 ZI=0，ul0，p 10（表壓）；表壓）；Z215 m，因為因為 qv20/360015.5610-3m3s-1 S(0.06820.004)2 m2/4 2.8310-3 m2故故 u2qv/S5.5610-3m3s-1/2.8310-3m2 =1.97 ms-1又又 p22001.013105/760 = 2.67

37、104Pa（真空度）真空度） = -2.67104Pa（表壓）表壓） fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211NeqmgHeqvgHe=1200 kgm-35.5610-3 m3s-19.81m/s225.16 m1.65103 W1.65 kwf12.23 JN-1將上列各數(shù)值代入拍努利方程式得：將上列各數(shù)值代入拍努利方程式得：He15 m1.9722m2s-2/(29.81ms-1)-2.67104kgs-2m-1 /(12009.81 kgs-2m-2) + 12.23 m 25.16 m液柱液柱泵的理論功率：泵的理論功率：實際功率實際功率：Na=Ne/=

38、1.65kw/0.60=2.75 kw3.3 流體壓力和流量的測量流體壓力和流量的測量 1. 流體壓力的測量流體壓力的測量對處于靜止態(tài)的流體，柏努利方程簡化為：對處于靜止態(tài)的流體，柏努利方程簡化為：)(2112ZZgpp即靜止流體內(nèi)部某兩點壓力差即靜止流體內(nèi)部某兩點壓力差 p2-p1與該兩點垂直與該兩點垂直距離差距離差Z1- Z2呈正比。呈正比。fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211（1）U形管壓力計形管壓力計 管中底部盛有與測量液體不互管中底部盛有與測量液體不互溶、密度為溶、密度為A的指示劑。的指示劑。U形管形管的兩側(cè)臂上部及連接管內(nèi)均充滿的兩側(cè)臂上部及連接

39、管內(nèi)均充滿待測流體待測流體B，其密度為，其密度為B。圖中圖中a, a兩點都在連通著的同一靜止流兩點都在連通著的同一靜止流體內(nèi)體內(nèi)，且在同一平面上，且在同一平面上，故這兩故這兩點的壓強(qiáng)相等：點的壓強(qiáng)相等：)(1RmgppBagRmZgppABa)(2于是有：于是有：gRmZgpRmgpABB)()(21gZgRppBBA)(21gRppBA)(21整理上式，得壓強(qiáng)差整理上式，得壓強(qiáng)差當(dāng)被測管段水平放置時，當(dāng)被測管段水平放置時，Z Z=0=0，上式簡化為：，上式簡化為：(3-24)若被測量的流體是氣體，上式可簡化為：若被測量的流體是氣體，上式可簡化為：gRgRpppABA)(21（2）倒置）倒置U

40、形管壓力計形管壓力計倒置倒置U U形管壓力計結(jié)構(gòu)如上圖所示。形管壓力計結(jié)構(gòu)如上圖所示。 (3-25)取等壓面取等壓面ABAB（水平、靜止、連續(xù)、同一流體水平、靜止、連續(xù)、同一流體），），可以得到：可以得到：P PA A=P=PB B11gZPPA gRgZPPgB 22gRgZPgZPg 2211整理后得：整理后得：（g g） gRgRPPPg )(21（3）微差壓力計）微差壓力計 為測量微小壓力差，常采用微差壓為測量微小壓力差，常采用微差壓力計。結(jié)構(gòu)如下圖所示。力計。結(jié)構(gòu)如下圖所示。主要用于氣體主要用于氣體的測量。的測量。若若兩種指示液兩種指示液的密度分別為的密度分別為 l l和和 2 2，

41、兩測壓點之間的壓力差為：兩測壓點之間的壓力差為：gRppp)(2121l l和和2 2差值越小差值越小 ，精度越高精度越高 2流體流量的測定流體流量的測定 利用流體利用流體機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換原理設(shè)計的流體流量測量原理設(shè)計的流體流量測量儀表有儀表有孔板流量計孔板流量計，文丘里流量計文丘里流量計和和轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計等。等。 （1）孔板流量計孔板流量計 設(shè)流體的密度不設(shè)流體的密度不變，在孔板前導(dǎo)管上變，在孔板前導(dǎo)管上取一截面取一截面11，孔，孔板后取另一截面板后取另一截面22，列出兩截面之，列出兩截面之間能量衡算式：間能量衡算式： u1S1 = u2S2 u1p2 Z1處形成湍流，能量

42、損失嚴(yán)重處形成湍流，能量損失嚴(yán)重)/()2/()/()2/(22221211gpguZgpguZ式中：式中：u1流體通過孔板前的流速，即流體通過孔板前的流速，即流體在管道中的流速，流體在管道中的流速，ms-1； u2流體通過孔板時的流速，流體通過孔板時的流速，ms-1； p1流體在管道中的靜壓力，流體在管道中的靜壓力，Pa； p2流體通過孔板時的壓力流體通過孔板時的壓力Pa )(221pp 2122u-ugpgpg212因是水平管道，因是水平管道，Z1= Z2，則有則有=)/()2/()/()2/(22221211gpguZgpguZ(3-27)對于對于不可壓縮流體不可壓縮流體或過程中或過程中

43、密度變化不大密度變化不大的體系，的體系，根據(jù)連續(xù)性方程可得：根據(jù)連續(xù)性方程可得： 212212)(1/ )(2SSppu1221/ SSuu 式中：式中：S2，S1分別為孔板的分別為孔板的銳孔銳孔和管道的橫截面積和管道的橫截面積，m2. 將上式代入將上式代入(3-27)得：得： 實際流體因阻力會引起實際流體因阻力會引起壓頭損失壓頭損失，孔板處并有收縮孔板處并有收縮造成造成的騷擾，再考慮到孔板與導(dǎo)管間的的騷擾，再考慮到孔板與導(dǎo)管間的裝配可能有誤差裝配可能有誤差，歸，歸納為納為校正系數(shù)校正系數(shù)c c0 0，并以，并以u u0 0代替代替u u2 2得得 的值由實驗或經(jīng)驗確定，的值由實驗或經(jīng)驗確定，

44、0.610.610.630.63。 oc若液柱壓力計的讀數(shù)為若液柱壓力計的讀數(shù)為RR，指示液的密度為指示液的密度為 i i，則則)(20021ppcu)(200iRgcu 流量計算公式為流量計算公式為)(20000ivRgScSuq特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，應(yīng)用廣泛，缺點是能量特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，應(yīng)用廣泛，缺點是能量損耗較大。損耗較大。 (3-30)(3-29)(3-28) (2) 文丘里流量計文丘里流量計 針對孔板流量計能量損耗較大的缺點，設(shè)計文丘里流針對孔板流量計能量損耗較大的缺點，設(shè)計文丘里流量計如圖所示。量計如圖所示。)(2000iVvRgScSuq 式中：式中： 為文丘里為文丘

45、里流量計的流量系數(shù)，流量計的流量系數(shù)，其值約為其值約為0.98，S0為喉管處的截面積。為喉管處的截面積。 vc(3-31) (3)轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計 如圖所示，轉(zhuǎn)子流量計的主要部件為帶刻度線的錐形如圖所示，轉(zhuǎn)子流量計的主要部件為帶刻度線的錐形玻璃管，管內(nèi)裝可上下浮動的轉(zhuǎn)子。玻璃管，管內(nèi)裝可上下浮動的轉(zhuǎn)子。 轉(zhuǎn)子的上升力等于轉(zhuǎn)子的凈重力時，轉(zhuǎn)子在流體中處于轉(zhuǎn)子的上升力等于轉(zhuǎn)子的凈重力時，轉(zhuǎn)子在流體中處于平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)gVgVpAAppRRRRR)21(式中式中 p轉(zhuǎn)子上下轉(zhuǎn)子上下間的壓差間的壓差, VR轉(zhuǎn)子體積轉(zhuǎn)子體積，AR轉(zhuǎn)子頂端面的橫轉(zhuǎn)子頂端面的橫截面積截面積, R轉(zhuǎn)子密度轉(zhuǎn)子密度 流體

46、密度。流體密度。)(221pp 2122u-ugpgpg212Z Z1 1 Z Z2 2，則有則有=)/()2/()/()2/(22221211gpguZgpguZ(3-27)1221/ SSuu 2/ )(212221uupp壓力差壓力差 歸因于流體通過環(huán)隙時流速的增大歸因于流體通過環(huán)隙時流速的增大212212)(1/ )(2SSppu若流體通過環(huán)隙的流速為若流體通過環(huán)隙的流速為uR（= u2），），/2 pcuRR式中式中 cR校正因子校正因子，與流體的流形、轉(zhuǎn)子形狀等有關(guān)，與流體的流形、轉(zhuǎn)子形狀等有關(guān)。qV= uRSR=cRSRRRRAgV/ )(2式中式中 S SR R轉(zhuǎn)子與玻璃管環(huán)隙

47、的面積，轉(zhuǎn)子與玻璃管環(huán)隙的面積，mm2 2 q qV V流體的體積流量，流體的體積流量，mm3 3ss1 1 轉(zhuǎn)子采用轉(zhuǎn)子采用不銹鋼、銅及塑料不銹鋼、銅及塑料等各種抗腐蝕材料制成，等各種抗腐蝕材料制成，適用于中小流量的測定，常用于適用于中小流量的測定，常用于 2 2以下管道系統(tǒng)中，以下管道系統(tǒng)中，耐壓在耐壓在 300300400 400 kPakPa范圍。范圍。 流量公式為流量公式為(3-32)渦渦輪輪流流量量傳傳感感器器耐耐腐腐蝕蝕流流量量計計金屬管浮子流量計金屬管浮子流量計電磁流量計電磁流量計液體腰輪流量計液體腰輪流量計3.4 管內(nèi)流體流動的阻力管內(nèi)流體流動的阻力 流體本身具有粘性，流體流

48、動時因產(chǎn)生流體本身具有粘性，流體流動時因產(chǎn)生內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦力力而消耗能量，是流體阻力損失產(chǎn)生的根本原因。而消耗能量，是流體阻力損失產(chǎn)生的根本原因。管道大小管道大小、內(nèi)壁形狀內(nèi)壁形狀、粗糙度粗糙度等影響著流體流動狀等影響著流體流動狀況，是流體產(chǎn)生阻力的外部條件。況，是流體產(chǎn)生阻力的外部條件。 本節(jié)介紹管路與系統(tǒng)的本節(jié)介紹管路與系統(tǒng)的管管、管件管件、閥門閥門，并討，并討論流體的論流體的流動形態(tài)流動形態(tài)和和管內(nèi)流體流動阻力管內(nèi)流體流動阻力的定量計算。的定量計算。 常把玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等稱為光滑管；常把玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等稱為光滑管；舊鋼管和鑄鐵管稱為粗糙管舊鋼管和鑄鐵管稱為粗糙管.

49、. 鋼管分鋼管分有縫鋼管有縫鋼管和和無縫鋼管。無縫鋼管。管子按照管材的性質(zhì)，管子按照管材的性質(zhì)，可分為可分為光滑管和粗糙管光滑管和粗糙管。 1. 管、管件及閥門簡介管、管件及閥門簡介 鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬管、塑料管鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬管、塑料管及橡膠管及橡膠管等。等。 (1) 管管 管壁粗糙面凸出部分的平均高度，稱為管壁粗糙面凸出部分的平均高度，稱為絕對粗糙度絕對粗糙度，以以 表示。絕對粗糙度表示。絕對粗糙度 與管內(nèi)徑與管內(nèi)徑d d的比值的比值，稱為稱為相對粗相對粗糙度糙度。表。表3131列出了部分管道的絕對粗糙度。列出了部分管道的絕對粗糙度。（2 2）管件）管件 用來

50、改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞用來改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。管道等。 （ 3）閥門）閥門 閥門在管道中用以切斷流動或調(diào)節(jié)流量。常用閥門在管道中用以切斷流動或調(diào)節(jié)流量。常用的閥門有的閥門有截止閥截止閥、閘閥閘閥和和止逆閥止逆閥等。等。 卡套式截止閥卡套式截止閥明桿彈性座封閘閥明桿彈性座封閘閥 煙道止逆閥煙道止逆閥 2. 流動的形態(tài)流動的形態(tài) 為了解流體在管內(nèi)流動狀況及影響因素，為了解流體在管內(nèi)流動狀況及影響因素，雷諾雷諾設(shè)計的設(shè)計的實驗實驗可直接觀察到不同的流動形態(tài)?？芍苯佑^察到不同的流動形態(tài)。（1）兩種流動形態(tài)）兩種流動形態(tài) 流速不大時墨水呈一條直線，平穩(wěn)流過管，質(zhì)

51、點流速不大時墨水呈一條直線，平穩(wěn)流過管，質(zhì)點彼此平行地沿著管軸的方向作直線運動，彼此平行地沿著管軸的方向作直線運動，質(zhì)點與質(zhì)點質(zhì)點與質(zhì)點之間互不混合之間互不混合。這種流動形態(tài)稱為。這種流動形態(tài)稱為滯流或?qū)恿鳒骰驅(qū)恿鳌?表明水的質(zhì)點除了沿著管道向前流動以外，各表明水的質(zhì)點除了沿著管道向前流動以外，各質(zhì)點還作不規(guī)則的紊亂運動，且彼此相互碰撞，互質(zhì)點還作不規(guī)則的紊亂運動，且彼此相互碰撞，互相混合，水流質(zhì)點除了沿管軸方向流動外，還有相混合，水流質(zhì)點除了沿管軸方向流動外，還有徑徑向的復(fù)雜運動向的復(fù)雜運動，這種流動形態(tài)稱為，這種流動形態(tài)稱為湍流或紊流湍流或紊流。 （2）流動形態(tài)的判據(jù)）流動形態(tài)的判據(jù) 影

52、響流體流動的因素除影響流體流動的因素除流速流速u外，還有流體流過的通外，還有流體流過的通道道管徑管徑d的大小，及流體的物理性質(zhì)如的大小，及流體的物理性質(zhì)如粘度粘度和和密度密度。稱稱為雷諾數(shù)，以符號為雷諾數(shù)，以符號Re表示：表示：流體在直管中流動時，流體在直管中流動時，當(dāng)當(dāng)Re2000，流體流動形態(tài)為滯流；流體流動形態(tài)為滯流；當(dāng)當(dāng) Re4000時，流體流動形態(tài)為湍流；時，流體流動形態(tài)為湍流；若將各物理量的量綱代入，則有：若將各物理量的量綱代入，則有：Re=LLT-1ML-3/ML-1T-1=L0M0T0/Redu(3-33)而當(dāng)而當(dāng)20002000Re4000Re4000時，流體的流動則認(rèn)為處時，流體的流動則認(rèn)為處于一種于一種過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)，可以是滯流，也可以是湍流，可以是滯流，也可以是湍流, ,取取決于流動的外部條件。決于流動的外部條件。流體流動阻力的大小與雷諾數(shù)有直接聯(lián)系流體流動阻力的大小與雷諾數(shù)有直接聯(lián)系，流體，流