第三章流體流動(dòng)與流體輸送設(shè)備

第三章流體流動(dòng)與流體輸送設(shè)備第一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四m-質(zhì)量Kg;；V-流體體積m3；1-1-1流體的密度定義：?jiǎn)挝惑w積流體所具有的質(zhì)量，密度平均ρ=m/V式中:第二頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四其它單位：atm、bar(巴)、Kgf/cm2、液柱高度等1-1-2流體的壓強(qiáng)1、壓強(qiáng)的定義：P=F/A式中:P–流體的靜壓強(qiáng)，paF–垂直作用在流體表面上的總壓力，NA–作用面的面積，m22．壓強(qiáng)的單位及換算：SI制：N/m2(pa);第三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四差值。

3．絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)和真空度絕對(duì)壓強(qiáng)：以絕對(duì)零壓為起點(diǎn)計(jì)數(shù)的壓強(qiáng)。表壓：壓力表指示的壓力表壓強(qiáng)=絕對(duì)壓強(qiáng)-大氣壓強(qiáng)真空度：真空表指示的數(shù)值；真空度=大氣壓強(qiáng)-絕對(duì)壓強(qiáng)注意：絕對(duì)壓強(qiáng)是流體實(shí)際具有的壓強(qiáng)，表壓強(qiáng)、真空度是表壓強(qiáng)和真空度互為相反數(shù)。實(shí)際值與大氣壓的差值第四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四流速:u單位：m/s;

u=qv/A4流量與流速體積流量：qv[m3/s];質(zhì)量流量：qm[Kg/s］

qm=qv×ρ＝u×ρ×A流量與流速關(guān)系：第六頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、牛頓粘性定律5、牛頓粘性定律與流體的粘度第七頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、流體的粘度由牛頓粘性定律表達(dá)式得:液體：T↑μ↓;氣體T↑μ↑粘度的物理意義：促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力黏度的單位：SI制：Pa.s；常用單位：cP（厘泊）1cp=0.01p=0.001Pas粘度與溫度的關(guān)系：第八頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)非定態(tài)流動(dòng)與定態(tài)流動(dòng)相反定態(tài)流動(dòng)定義:流體在管道或設(shè)備中進(jìn)行流動(dòng)時(shí)，若在任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而變化，但不隨時(shí)間而變化第九頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2、流體定態(tài)流動(dòng)過(guò)程的物料衡算—連續(xù)性方程流體在定態(tài)流動(dòng)時(shí)，質(zhì)量守恒，根據(jù)流體定態(tài)流動(dòng)的特點(diǎn)有所以qm1=qm2如圖，流體在一直徑變化的管道內(nèi)流動(dòng)第十頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四根據(jù)流速與流量的關(guān)系，得連續(xù)性方程：

U1A1ρ1=u2A2ρ2=…=uAρ(上式稱(chēng)為連續(xù)性方程的一般式)不可壓縮流體和理想流體：ρ=C（常數(shù)）u1A1=u2A2=…=uA第十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四從連續(xù)性方程可以看出：流速與管道直徑平方成反比，直徑越大，流速越小，反之，流速越大。連續(xù)性方程一般用來(lái)求流速圓管：第十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四1-2-4能量衡算一、流體流動(dòng)時(shí)的具有的能量能量種類(lèi)

表式

流體具有的能量與環(huán)境交換能量?jī)?nèi)能位能動(dòng)能靜壓能熱量外功單位質(zhì)量流體（J）mUmgz?（mu2）pVmQemWe第十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四能量種類(lèi)

表式

流體具有的能量?jī)?nèi)能位能動(dòng)能靜壓能單位質(zhì)量流體（J）mUmgz?（mu2）pV第十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算如右圖示，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總能量輸入能量=輸出能量衡算，有：第十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四在不考慮熱損失時(shí)，無(wú)阻力損失

等式兩邊同除以mg,對(duì)理想流體有又因ρ1=ρ2,得到第十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

上式稱(chēng)為理想流體的柏努利衡算式。其中：

z—位壓頭，—速度頭或動(dòng)壓頭，m—靜壓頭，mm第十七頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四其中：He—泵的壓頭，m（外界提供的能量）∑hf—損失壓頭，m（流動(dòng)過(guò)程中損失的能量）可壓縮，有阻力損失實(shí)際流體柏努利衡算式為：注意：若實(shí)際流體是氣體，則密度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定。第十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四4、靜止流體：We=0,∑hf=0，與靜力學(xué)方程相同（柏努利方程在靜止?fàn)顟B(tài)的應(yīng)用）二、柏努利方程的討論1、理想流體且無(wú)外功加入時(shí)，機(jī)械能是守衡的、各種機(jī)械能之間是可以轉(zhuǎn)換的。2、其它衡算基準(zhǔn)的柏努利方程單位重量基準(zhǔn)：各項(xiàng)單位：J/N=m;稱(chēng)為壓頭3、可壓縮流體，（p1-p2）/p1<20%,ρ=ρm（對(duì)壓力取平均）第十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四應(yīng)用柏努利方程解題要點(diǎn)1、畫(huà)流程示意圖，選截面確定衡算范圍2、確定基準(zhǔn)水平面3、列方程、確定各物理量數(shù)值孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的工作原理三、柏努利方程的運(yùn)用第二十頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、流體靜力學(xué)基本方程式如圖示，有一靜止的液體，在該液體中取一正立方體，對(duì)其進(jìn)行受力分析，有F上=F下F上=F2=ρgZ2AF下=F1+G+paA第二十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四ρg(Z1-Z2)A+A(Z1-Z2)ρg+paA=ρgZ2AF1=ρg(Z1-Z2)AG=mg=Vρg=A(Z1-Z2)ρg第二十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用條件：流體是靜止的、連續(xù)的、相同的。流體靜力學(xué)基本方程式的討論：在靜止的、連續(xù)的同一液體內(nèi)處于同一水平面上二、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用流體靜態(tài)方程在工程中，常用來(lái)測(cè)量流體壓強(qiáng)，實(shí)際運(yùn)用有U形管壓差計(jì)、倒置U形管壓差計(jì)、微差壓力計(jì)。各點(diǎn)的壓強(qiáng)都相等。第二十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四1、U管壓差計(jì)工作原理如圖：Fa=P1A+m1gFa=FbFb=P2A+m2g+m3g一U形管內(nèi)裝有密度為ρi的指示液，U形管兩端與管道相連，管道內(nèi)流動(dòng)密度為ρ的液體，現(xiàn)對(duì)U形管進(jìn)行受力分析第二十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(P1-P2）A=(ρi-ρ)Rgm=Vρ=ZAρFA=P1A+m1g=P1A+(Z+R)AρgFB=P2A+m2g+m3g=P2A+ZAρg+RAρigP1A+(Z+R)Aρg=P2A+ZAρg+RAρig第二十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四倒置U形管壓差計(jì)第二十七頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四如圖雙液體U管壓差計(jì)

第二十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四孔板流量計(jì)、第二十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四文丘里流量計(jì)第三十頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四習(xí)題：例五用普通U形管壓差計(jì)測(cè)量氣體管路上兩點(diǎn)的壓力差，指示液用水，讀數(shù)R為12mm。為了放大讀數(shù)，改用雙液體U形管，指示液A是含酒精40%的水溶液，密度為920Kg/m3；指示液C為煤油，密度為850Kg/m3。問(wèn)讀書(shū)可以放大到多少？第三十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四例六、如圖所示，管路由一段內(nèi)徑60mm的管1，一段內(nèi)徑100mm的管2及兩段內(nèi)徑50mm的分支管3a、3b連接而成。水以2.55×10-3m3/s的體積流量自左側(cè)入口送入，若在兩段分支管內(nèi)的體積流量相等，試求各段管內(nèi)的流速。第三十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四例七、桶中的水經(jīng)虹吸管流出，如圖所示，設(shè)流動(dòng)阻力可以不計(jì)，求管內(nèi)水的流速，又求截面A、B、C三處的靜壓力，管徑不變，大氣壓力為101.3KPa。第三十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四例八、水平通風(fēng)管道某處的直徑300mm，為了粗略估計(jì)其中空氣的流量，在錐形接頭兩端各引出一個(gè)測(cè)壓口與U形管壓差計(jì)相連，用水作指示液測(cè)得讀數(shù)為R=40mm。設(shè)空氣流過(guò)錐形接頭的阻力可以忽略，求空氣的體積流量?？諝獾拿芏葹?.2Kg/m3第三十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三節(jié)管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力一、牛頓粘性定律1-3-1牛頓粘性定律與流體的粘度第三十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、流體的粘度粘度與溫度的關(guān)系：液體：T↑μ↓;氣體T↑μ↑由牛頓粘性定律表達(dá)式得:粘度的物理意義：促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力黏度的單位：SI制：Pa.s；常用單位：cP（厘泊）1cp=0.01p=0.001Pas第三十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四1-3-2流動(dòng)類(lèi)型與雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾實(shí)驗(yàn)示意圖第三十七頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

Re≤2000滯流;Re=2000∽4000過(guò)渡區(qū)Re≥4000湍流;層流：其質(zhì)點(diǎn)作有規(guī)則的平行運(yùn)動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)互不碰撞，互不混合。湍流：其質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)，并相互碰撞，產(chǎn)生大大小小的旋渦。雷諾準(zhǔn)數(shù)的定義：Re=duρ/μ;

準(zhǔn)數(shù)：無(wú)單位流型的判斷:第三十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四湍流時(shí)由于流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈的碰撞與混合，使截面上靠管心部分各點(diǎn)速度彼此扯平。二、流體在圓管內(nèi)的速度分布滯流時(shí)的速度沿管徑按拋物線的規(guī)律分布第三十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四流速可能為零。從層流和湍流的速度分布圖可以得到：流體在管道內(nèi)流動(dòng)，流速延管徑發(fā)生變化，管路中心流速最大，沿著管徑向管壁，流速越來(lái)越小，到達(dá)管壁處，這是流速在管道內(nèi)的分布情況第四十頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四1-3-5邊界層的概念這個(gè)速度會(huì)使流體的流動(dòng)類(lèi)型變?yōu)閷恿?，根?jù)流體在管道內(nèi)的分布情況，可以知道，湍流流動(dòng)的流體，在靠近管壁處流速減小，我們就將這層流體稱(chēng)為層流邊界層。第四十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四式中：hf–直管阻力損失J/Kg；hl-局部阻力損失J/Kg第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力阻力損失與流速的關(guān)系是：管路總阻力損失等于直管阻力損失和局部阻力損失之和：∑hf=hf+hL第四十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四1-4-1流體在直管中的流動(dòng)阻力一、圓形直管的阻力通式在1、2截面間列能量衡算有對(duì)上式進(jìn)行分析有，Z1=Z2,u1=u2第四十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四做右圖管段內(nèi)流體的受力分析；F左=F右F右=P1AF左=P2A+第四十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四上式即是計(jì)算圓形直管阻力的通式，稱(chēng)為范寧（Fanning）公式，此式對(duì)層流與湍流都適用。兩式中的λ稱(chēng)為摩擦系數(shù),與流體的流動(dòng)類(lèi)型和管壁粗糙度（ε）有關(guān)第四十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四絕對(duì)粗糟度ε：壁面凸出部分的平均高度。某些工業(yè)管道的絕對(duì)粗糙度如新的鑄鐵管0.3mm舊的鑄鐵0.85mm相對(duì)粗糟度：絕對(duì)粗糟度與管徑的比值ε/d層流流動(dòng)時(shí)第四十七頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四四湍流時(shí)的摩擦系數(shù)與因次分析湍流時(shí)摩擦系數(shù)與很多因素有關(guān)粗糙管,柯?tīng)柌剪斂斯接?jì)算復(fù)雜，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，也可根據(jù)ε/d、Re用查圖法求解λ。經(jīng)驗(yàn)公式有：光滑管Re=3×103～1×105,

第四十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四1-4-2管路上的局部阻力系數(shù)計(jì)算ζ-阻力系數(shù)當(dāng)量長(zhǎng)度法

管路系統(tǒng)總阻力一、局部阻力系數(shù)法突然擴(kuò)大;ζ=f(A!/A2)查圖1-28;流出突然縮小ζ=f(A2/A1)查圖1-28;流入(當(dāng)量長(zhǎng)度，查手冊(cè))第五十頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四例題1已知：流量300l/min、ΔZ=10m,p=0,吸人管:Φ89×4mm、L=15m，一個(gè)底閥、一個(gè)彎頭,排出管：Φ57×3.5mm、L=50m，一個(gè)閘閥、一個(gè)截止閥、三個(gè)彎頭.求泵的軸功率N=?(效率為70%)例題2已知：d=200mm,入口底閥hf’=10(u2/2),pB=350mmHg(真)，hfA-B=0.1(u2/2)。試求(1)、qv=?(2)、PA=?第五十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四例題3已知：Vh=3600m3/h,t=50℃,p1=30mmH2O,L+∑Le=50m(不包括進(jìn)、出口),d=250mm,e=0.15mm,△Z=20m,填料△Pf=200mmH2O，Pa=1atm。試求：Ne=?例題4如圖所示,將密度為1200[kg/m3]的堿液從堿液池中用離心泵打入塔內(nèi),塔頂表壓為0.6[kgf/cm2]。流量為15[m3/h],泵的吸入管阻力為[2m堿液柱],排出管阻力(包括出入口等所有局部阻力)為5[m液柱],試求:(1).泵的壓頭;(2).若吸入管內(nèi)的流速為1[m/s],則泵真空表的讀數(shù)為多少毫米汞柱？第五十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四流體輸送機(jī)械二、離心泵的工作原理啟動(dòng)步驟：1泵內(nèi)灌滿液體，2關(guān)出口閥，3開(kāi)泵(開(kāi)出口閥)：概述：輸送液體的機(jī)械稱(chēng)之為泵、輸送氣體的機(jī)械稱(chēng)之為風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)第一節(jié)液體輸送機(jī)械液體輸送機(jī)械按其工作原理通常分兩大類(lèi)：離心泵和正位移泵離心泵的主要部件與工作原理一、離心泵的主要部件1、葉輪：閉式，半閉式，開(kāi)式2、葉輪后蓋板上平衡孔：平衡軸向應(yīng)力的作用3、吸液方式：?jiǎn)挝胶碗p吸式第五十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四離心泵的流量Q是指離心泵在單位時(shí)間內(nèi)排送到管路系統(tǒng)的液體體積，常用單位為L(zhǎng)/S或m3/h；離心泵的流量與泵的結(jié)構(gòu)，尺寸(主要為葉輪直徑和寬度)及轉(zhuǎn)速等有關(guān)。原理主要依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)液體作功，液體在離心力的作用下獲得了能量以提高靜壓能離心泵的氣縛現(xiàn)象三，離心泵的性能參數(shù)與特性曲線離心泵的主要性能參數(shù)有：流量，壓頭，軸功率效率和氣蝕余量等離心泵性能參數(shù)間的關(guān)系通常用特性曲線來(lái)表示離心泵的主要性能參數(shù)1．流量Q第五十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四軸功率大于有效功率，二者之比稱(chēng)為效率，用表示，即=(Ne/N)100%2．壓頭He離心泵的壓頭He又稱(chēng)揚(yáng)程，它是指離心泵對(duì)單位重量(1N)的液體所能提供的有效能量，其單位為[J/N]=[m]。壓頭與泵的結(jié)構(gòu)(如葉片的彎曲情況，葉輪直徑等)、轉(zhuǎn)速及流量等因素有關(guān)。對(duì)于一定的泵和轉(zhuǎn)速，壓頭與流量有關(guān)，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。3．功率與效率功率分軸功率和有效功率：軸功率N是指泵軸所需的功率，即電機(jī)傳給泵軸的功率，單位為W或kW。離心泵的有效功率Ne是指液體從葉輪獲得的能量,單位為W或kW。第五十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四小于1，離心泵在輸送液體過(guò)程中存在能量損失，主要有三種：(1)容積損失

容積損失是指泵的泄漏所造成的損失，容積損失可由容積效率V表示?！?2)機(jī)械損失

由機(jī)械摩擦而引起的能量損失稱(chēng)為機(jī)械損失；用機(jī)械效率m來(lái)反映這種損失；(3)水力損失

粘性液體流經(jīng)葉輪通道和蝸殼時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力以及在泵局部處而產(chǎn)生的局部阻力，統(tǒng)稱(chēng)為水力損失。這種損失可用水力效率h來(lái)反映。離心泵的效率反映上述三項(xiàng)能量損失的總和，故又稱(chēng)為總效率離心泵的效率在某一流量下為最高，而小于或大于該流量時(shí)都將降低。通常將最高效率下的流量稱(chēng)為額定流量。離心泵的效率與泵的類(lèi)型、尺寸，制造精密程度、液體的流量和性質(zhì)等有關(guān)。一般小型離心泵的效率為50～70％，大型泵可高達(dá)90％。離心泵輸送液體中的能量傳遞、變化過(guò)程第五十七頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四離心泵的軸功率隨流量的增大而上升，流量為零時(shí)軸功率最小。圖為4B20型離心水泵在2900r／min時(shí)的特性曲線，(二)離心泵的特性曲線離心泵的主要性能參數(shù)流量Q、壓頭H、軸功率N及效率η間的關(guān)系曲線稱(chēng)為離心泵的特性曲線或工作性能曲線，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由H-Q，N—Q及η-Q三條曲線所組成。特性曲線隨轉(zhuǎn)速而變，故特性曲線圖上一定要標(biāo)出實(shí)驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速。(1)H-Q曲線

表示泵的壓頭與流量的關(guān)系。(2)N-Q曲線表示泵的軸功率與流量的關(guān)系。第五十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四泵的效率隨之而上升并達(dá)到一最大值，此后隨流量再增大時(shí)效率便下降，離心泵在一定轉(zhuǎn)速下有一最高效率點(diǎn)，通常稱(chēng)為設(shè)計(jì)點(diǎn)．離心泵啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉泵的出口閥門(mén)，使啟動(dòng)電流減少，以保護(hù)電機(jī)。(3)—Q曲線表示泵的效率與流量的關(guān)系。當(dāng)Q=0時(shí)，=0，隨著流量增大，泵的軸功率隨液體密度而改變，N-Q曲線不再適用；第五十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四五、離心泵的氣蝕現(xiàn)象與允許吸上高度(一)、氣蝕現(xiàn)象為避免氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，葉片入口附近的最低壓強(qiáng)不能低于輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓。（泵的安裝高度不能過(guò)高）泵內(nèi)最低壓強(qiáng)的位置不易確定，一般都規(guī)定泵入口處的最低壓強(qiáng)，稱(chēng)為入口處允許的最低壓強(qiáng)第六十頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(二)、離心泵的允許吸上高度Hg離心泵的允許吸上高度又稱(chēng)為允許安裝高度，是指泵的吸入口與吸入貯槽液面間可允許達(dá)到的最大垂直距離。以左圖分析有：于貯槽液面0—0，與泵入口處l—1，列柏努利方程式可得出其計(jì)算式(在允許安裝高度下操作)：第六十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于