設備之流體流動

2024/7/61概述氣體、液體統(tǒng)稱為流體。流體是由大量的彼此間有一定間隙的單個分子所組成。不同的考察方法對流體流動情況的理解也就不同。在物理化學中，氣體分子運動論是考察單個分子的微觀運動，分子的運動是隨機的、不規(guī)則的混亂運動，在某一方向上有時有分子通過，有時沒有。因此這種考察方法認為流體是不連續(xù)的介質，所需處理的運動是一種隨機的運動。流體流動是最普遍的化工單元操作之一；研究流體流動問題也是研究其它化工單元操作的重要基礎，化工中的許多過程都與流體流動的內部細節(jié)有關，如流動阻力，流體傳熱、傳質等。理想流體是指不具有粘度，流動時不會產(chǎn)生摩擦阻力的流體2024/7/622024/7/63連續(xù)性假設（不講）在化工中是考察液體質點的宏觀運動，流體質點是由大量分子組成的流體微團，其尺寸遠小于設備尺寸，但比起分子自由路程卻要大的多。假定流體是由無數(shù)內部緊密相連、彼此間沒有間隙的流體質點或微團所組成的連續(xù)介質。流體的物性及運動參數(shù)在空間作連續(xù)分布，從而可以使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學工具加以描述。在絕大多數(shù)情況下流體的連續(xù)性假設是成立的，只是高真空稀薄氣體的情況下連續(xù)性假定不成立。2024/7/64流體的特征（不講）具有流動性；無固定形狀，隨容器形狀而變化；受外力作用時內部產(chǎn)生相對運動。不可壓縮流體：流體的體積不隨壓力變化而變化，如液體；可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化，如氣體。2024/7/652024/7/66密度定義：單位體積流體的質量，稱為流體的密度。2024/7/67單組分密度液體密度僅隨溫度變化（極高壓力除外），其變化關系可從手冊中查得。氣體當壓力不太高、溫度不太低時，可按理想氣體狀態(tài)方程計算：注意：手冊中查得的氣體密度都是在一定壓力與溫度下之值，若條件不同，則密度需進行換算2024/7/68混合物的密度混合氣體:各組分在混合前后質量不變，則有2024/7/69混合液體：假設各組分在混合前后體積不變，則有混合液體2024/7/610比容單位質量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。單位為m3/kg2024/7/611流體的壓力流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強，習慣上又稱為壓力。壓力的特性流體壓力與作用面垂直，并指向該作用面任意界面兩側所受壓力，大小相等、方向相反作用于任意點不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同2024/7/612壓力的單位SI制：N/m2或Pa；或以流體柱高度表示：注意：用液柱高度表示壓力時，必須指明流體的種類，如600mmHg，10mH2O等。標準大氣壓的換算關系：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O壓力的單位2024/7/613壓力的表示方法絕對壓力：以絕對真空為基準測得的壓力。表壓或真空度：以大氣壓為基準測得的壓力。表壓=絕對壓力－大氣壓力真空度=大氣壓力－絕對壓力壓力的表示方法2024/7/614絕對壓力動畫+2024/7/615真空度動畫2024/7/616表壓真空度動畫2024/7/617真空—壓力表2024/7/618流體靜力學平衡方程（不講）設流體不可壓縮，重力場中對液柱進行受力分析：上端面所受總壓力下端面所受總壓力液柱的重力p0p2p1z1z2G2024/7/619液柱處于靜止時，上述三項力的合力為零:壓力形式能量形式——靜力學基本方程

2024/7/620討論：適用于重力場中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性流體；物理意義：在同一靜止流體中，處在不同位置流體的位能和靜壓能各不相同，但二者可以轉換，其總和保持不變?！獑挝毁|量流體所具有的位能，J/kg；——單位質量流體所具有的靜壓能，J/kg。2024/7/621在靜止的、連續(xù)的同種流體內，處于同一水平面上各點的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓面。壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時，液體內部各點的壓力也將發(fā)生相應的變化。2024/7/622靜力學基本方程的應用壓力與壓力差的測量U形壓差計雙液體U管壓差計倒U形壓差計傾斜式壓差計液位測量近距離液位測量裝置遠距離液位測量裝置液封高度的計算2024/7/623U形壓差計指示液的密度為ρ0，被測流體的密度為ρp1p2mRAA’A與A′面為等壓面，即整理得2024/7/624U形壓差計可測系統(tǒng)內兩點的壓力差，當將U形管一端與被測點連接、另一端與大氣相通時，也可測得流體的表壓或真空度；

表壓真空度p1pap1pa2024/7/625指示液的選?。褐甘疽号c被測流體不互溶，不發(fā)生化學反應；其密度要大于被測流體密度。應根據(jù)被測流體的種類及壓差的大小選擇指示液。2024/7/626思考：若U形壓差計安裝在傾斜管路中，此時讀數(shù)R反映了什么？p1p2z2RAA’z12024/7/6272024/7/628雙液體U管壓差計適用于壓差較小的場合密度接近但不互溶的兩種指示液A和C擴大室內徑與U管內徑之比應大于10有微壓差p存在時，盡管兩擴大室液面高差很小以致可忽略不計，但U型管內卻可得到一個較大的R讀數(shù)對一定的壓差p，R值的大小與所用的指示劑密度有關，密度差越小，R值就越大，讀數(shù)精度也越高。2024/7/6292024/7/630倒U形壓差計指示劑密度小于被測流體密度，如用空氣作為指示劑；或利用被測量液體本身作為指示液。U型管內位于同一水平面上的a、b兩點在相連通的同一靜止流體內，兩點處靜壓強相等2024/7/631斜管壓差計適用于壓差較小的情況，放大壓差計的讀數(shù)。2024/7/632近距離液位測量裝置壓差計讀數(shù)R反映出容器內的液面高度。液面越高，h越小，壓差計讀數(shù)R越小；當液面達到最高時，h為零，R亦為零。

2024/7/6332024/7/634遠距離液位測量裝置管道中充滿氮氣，其密度較小，近似認為AB而2024/7/6352024/7/636液封高度的計算液封作用：確保設備安全：當設備內壓力超過規(guī)定值時，氣體從液封管排出；防止氣柜內氣體泄漏。液封高度：2024/7/6372024/7/638流體流動的基本方程2024/7/639流量體積流量（volumetricflowrate）單位時間內流經(jīng)管道任意截面的流體體積。以V表示，單位為m3·s質量流量（massflowrate）單位時間內流經(jīng)管道任意截面的流體質量。以G表示，單位為kg·s二者關系教材中以Q表示2024/7/640流速流速（平均流速）：單位時間內流體質點在流動方向上所流經(jīng)的距離。質量流速單位時間內流經(jīng)管道單位截面積的流體質量。m/skg/（m2·s）2024/7/641管徑的估算對于圓形管道uu適宜費用總費用設備費操作費↑→d↓→設備費用↓流動阻力↑→動力消耗↑

→操作費↑均衡考慮流速選擇：2024/7/642常用流體適宜流速范圍水及一般液體1~3m/s粘度較大的液體0.5~1m/s低壓氣體8~15m/s壓力較高的氣體15～25m/s

2024/7/643穩(wěn)定流動與非穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量僅隨位置變化，而不隨時間變化

2024/7/644非穩(wěn)定流動：流體在各截面上的有關物理量既隨位置變化，也隨時間變化2024/7/645定態(tài)流動系統(tǒng)的質量守恒：連續(xù)性方程對于定態(tài)流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失的情況下：推廣至管道任意截面連續(xù)性方程2024/7/646不可壓縮性流體圓形管道11

2

2不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與管內徑的平方成反比2024/7/647定態(tài)流動系統(tǒng)的能量守恒：柏努利方程dxdzpAθ(p+dp)AgdmxgρAdz2024/7/6482024/7/649柏努利方程的另一種解法：總能量衡算2024/7/650衡算范圍：1-1′、2-2′截面及管內壁所圍成的空間

衡算基準：1kg流體

基準面：0-0′水平面內能

貯存于物質內部的能量。

1kg流體具有的內能為U（J/kg）位能

流體受重力作用在不同高度所具有的能量

1kg的流體所具有的位能為zg（J/kg）2024/7/651動能1kg的流體所具有的動能為(J/kg)靜壓能

靜壓能=1kg的流體所具有的靜壓能為

(J/kg)熱設換熱器向1kg流體提供的熱量為(J/kg)。

2024/7/652外功(有效功)

1kg流體從流體輸送機械所獲得的能量為We(J/kg)。以上能量形式可分為兩類：機械能：位能、動能、靜壓能及外功，可用于輸送流體；內能與熱：不能直接轉變?yōu)檩斔土黧w的能量。2024/7/653實際流體的機械能衡算以單位質量流體為基準假設流體不可壓縮，則流動系統(tǒng)無熱交換，則流體溫度不變，則

并且實際流體流動時有能量損失，設1kg流體損失的能量為ΣWf（J/kg），有：

式中各項單位為J/kg。教材以Ef表示2024/7/654以單位重量流體為基準將式各項同除重力加速度g:令

則：式中各項單位為m

2024/7/655He——外加壓頭或有效壓頭。z——位壓頭—動壓頭—靜壓頭總壓頭Σhf——壓頭損失2024/7/656理想流體的機械能衡算理想流體是指非粘性的流體，流動過程中沒有摩擦損失?！嘏匠淌?/p>

2024/7/657柏努利方程的討論若流體處于靜止，u=0，ΣWf=0，We=0，則柏努利方程變?yōu)槔硐肓黧w在流動過程中任意截面上總機械能、總壓頭為常數(shù)，即2024/7/658zg、、——某截面上單位質量流體所具有

的位能、動能和靜壓能；We、ΣWf——在兩截面間單位質量流體獲得或消耗的能量。有效功率：軸功率：2024/7/659柏努利方程的應用利用柏努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：管內流體的流量輸送設備的功率管路中流體的壓力容器間的相對位置等2024/7/660根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，標明流體的流動方向，定出上、下游截面，明確流動系統(tǒng)的衡算范圍；位能基準面的選取必須與地面平行；宜于選取兩截面中位置較低的截面；若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準面應選過管中心線的水平面。截面的選取與流體的流動方向相垂直；兩截面間流體應是定態(tài)連續(xù)流動；截面宜選在已知量多、計算方便處。各物理量的單位應保持一致，壓力表示方法也應一致，即同為絕壓或同為表壓。2024/7/661理想流體能量分布2024/7/662實際流體能量分布2024/7/663能量轉換示意圖2024/7/664管內流體流動現(xiàn)象在應用伯努利方程式進行管路計算時，必須先知道能量損失的數(shù)值。2024/7/665牛頓粘性定律真實流體質點的相對運動，必然表現(xiàn)出剪切力，又稱之為內摩擦力，這一性質稱之為流體的粘性。流體的粘性是其流動時產(chǎn)生阻力的內在原因。2024/7/666牛頓粘性定律牛頓粘性定律說明流體在流動過程中流體層間所產(chǎn)生的剪應力與法向速度梯度成正比，與壓力無關。流體的這一規(guī)律與固體表面的摩擦力規(guī)律不同F(xiàn)uu＋dudy或F:內摩擦力，N；τ:剪應力，Pa；

:法向速度梯度，1/s；μ:比例系數(shù)，稱為流體的粘度，Pa·s

2024/7/667流體的粘度（動力粘度）粘度的物理意義：流體流動時在與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應力。粘度的物理本質：分子間的引力和分子的運動與碰撞。粘度的單位：SI制：Pa·s或kg/(m·s)物理制：cP(厘泊）換算關系1cP＝10-3Pa·s2024/7/668流體類型牛頓型流體：剪應力與速度梯度的關系符合牛頓粘性定律的流體；

如：空氣、水等非牛頓型流體：不符合牛頓粘性定律的流體。（假塑性流體、脹塑性流體、粘塑性流體、觸變性流體、粘彈性流體）

如：泥漿、某些高分子溶液、懸浮液等2024/7/669層流（或滯流）：流體質點僅沿著與管軸平行的方向作直線運動，質點無徑向脈動，質點之間互不混合；湍流（或紊流）：流體質點除了沿管軸方向向前流動外，還有徑向脈動，各質點的速度在大小和方向上都隨時變化，質點互相碰撞和混合。流型判據(jù)——雷諾準數(shù)：Re反映了流體流動中慣性力與粘性力的對比關系，標志著流體流動的湍動程度。流體的流動形態(tài)與雷諾準數(shù)

2024/7/6702024/7/6712024/7/6722024/7/6732024/7/674實驗結果：流體在管內的流動分層流、湍流兩種類型流體在管內的流動類型，由流體的臨界速度決定臨界速度的大小受粘度、密度、管徑的影響進一步地分析與研究表明，臨界速度取決于無特征數(shù)--雷諾（Reynolds）數(shù)Re的大小不僅是作為層流與湍流的判據(jù)，而且在很多地方都要用到它。不過使用時要注意單位統(tǒng)一。另外，還要注意d，有時是直徑，有時是別的特征長度。2024/7/675流體在圓管內的速度分布速度分布：流體在圓管內流動時，管截面上質點的速度隨半徑的變化關系。由于層流與

湍流是本質完全不同的兩種流動類型，兩者的速度分布規(guī)律不同。2024/7/676設流體在半徑為R的水平直管內穩(wěn)態(tài)流動，于管心處取一半徑為r，長度為l的流體柱，作用于流體柱兩端面的壓力分別P1和P2當流體作穩(wěn)態(tài)流動時，推動力與阻力相等圓管內流體剪應力分布與半徑成直線關系；在圓心處應力為零，靠近管壁處的應力最大；以上結論無論對層流還是對湍流都是適用的2024/7/677層流時的速度分布層流流動特點穩(wěn)態(tài)流動時，管內各點的速度沿直徑存在一定分布流體質點只有軸向運動而無徑向運動2024/7/678層流速度分布2024/7/679速度分布方程式由壓力差產(chǎn)生的推力

流體層間內摩擦力

管壁處r＝R時，u＝0可得速度分布方程

流體等速運動，根據(jù)牛頓第二定律

2024/7/680管中心流速為最大，即r＝0時，u＝umax

管截面上的平均速度:層流流動時的平均速度為管中心最大速度的1/2流體在圓形直管內層流流動時，其速度呈拋物線分布2024/7/681哈根（Hagen）-泊素葉（Poiseuille）方程式層流流動時，用以克服摩擦阻力的壓力差與流速成正比2024/7/682湍流時的速度分布湍流的速度分布目前還不能利用理論推導求得，只能通過實驗方法得到湍流速度分布的經(jīng)驗式：2024/7/683n與Re有關，取值如下：

1/7次方定律當時，流體的平均速度:2024/7/684流體流動邊界層流動邊界層：存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域，即流速降為主體流速的99％以內的區(qū)域邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層邊界層厚度：邊界層外緣與壁面間的垂直距離。2024/7/685流體在平板上流動時的邊界層邊界層區(qū)（邊界層內）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮粘度的影響，剪應力不可忽略主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應力可以忽略，可視為理想流體2024/7/686層流邊界層：在平板的前段，邊界層內的流型為層流。湍流邊界層：離平板前沿一段距離后，邊界層內的流型轉為湍流2024/7/6872024/7/688流體在圓管內流動時的邊界層充分發(fā)展的邊界層厚度為圓管的半徑進口段內有邊界層內外之分也分為層流邊界層與湍流邊界層2024/7/6892024/7/690湍流流動時湍流主體：速度脈動較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動而大大強化過渡層：分子粘度與湍流粘度相當層流內層：速度脈動較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運動2024/7/6912024/7/692邊界層的分離ABS

流體流過曲面或障礙時，會發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象邊界層的分離會導致流體流動阻力的增大2024/7/693A→C：流道截面積逐漸減小，流速逐漸增加，壓力逐漸減小（順壓梯度）；C→S：流道截面積逐漸增加，流速逐漸減小，壓力逐漸增加（逆壓梯度）；S點：物體表面的流體質點在逆壓梯度和粘性剪應力的作用下，速度降為0。SS’以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流回來，形成渦流，出現(xiàn)邊界層分離。2024/7/694邊界層分離的后果：產(chǎn)生大量旋渦造成較大的能量損失邊界層分離的必要條件：流體具有粘性流動過程中存在逆壓梯度2024/7/6952024/7/6962024/7/697流體流動的阻力實際流體在流動過程中，都必須克服阻力，從而損失掉一部分機械能。其表示方法具有不同形式2024/7/698流體在管路中流動的阻力可分為直管阻力和局部阻力直管阻力是流體流經(jīng)一定直徑的直管時，由于流體和管壁之間的摩擦而產(chǎn)生的阻力。局部阻力是流體流經(jīng)管路中的閥門、管件等局部地方，由于速度的大小或方向改變而引起的阻力。2024/7/699管、管件及閥門管目前在化工中廣泛應用的有鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬管、塑料管、橡膠管等管徑常以ΦAxB表示，其中A指外徑，B指管壁厚度管件管與管的連接部件，主要用來改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。2024/7/61002024/7/6101閥門截止閥截止閥的特點是嚴密可靠.可以準確地調節(jié)流量.但對流體的阻力比較大.常用蒸汽、壓縮空氣、真空管路以及一般的液體管路中。但不能使用于帶有固體顆粒和粘度較大的介質。安裝截止閥時。應保證流體從閥盤的下部向上流動。否則，當流體壓強較大的情況下難以打開開。2024/7/6102閘閥閘閥的形休較大，制造維修都比較困難。但全開時流體的阻力小、常用于大型管路的開啟和切斷，一般不用來調節(jié)流量的大小，也不適用于含有固體顆粒的料液.2024/7/6103止逆閥用來控制流體只能朝一個方向流動、井能自動啟閉2024/7/6104隔膜閥2024/7/6105節(jié)流閥2024/7/6106球閥2024/7/6107安全閥用于中、高壓設備上、當壓強超過規(guī)守值時即可自動泄壓2024/7/6108流體在直管中的流動阻力水平等徑直管中作定態(tài)流動，流體的能量損失等徑直管中作定態(tài)流動，流體的能量損失流體的流動阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少水平安裝時，流動阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差2024/7/6109層流的摩擦阻力哈根-泊素葉方程壓頭損失摩擦系數(shù)能量損失2024/7/6110湍流的摩擦阻力管壁粗糙度的影響流體流過管壁面的情況水力光滑管完全湍流粗糙管2024/7/61112024/7/6112基本定理：白金漢（Buckinghan）π定理設影響某一物理現(xiàn)象的獨立變量數(shù)為n個，這些變量的基本量綱數(shù)為m個，則該物理現(xiàn)象可用N＝（n－m）個獨立的量綱為一的量之間的關系式表示。

湍流時壓力損失的影響因素： 流體性質：

，

流動的幾何尺寸：d，l，

（管壁粗糙度） 流動條件：u2024/7/6113這7個物理量的量綱分別為：基本量綱有m＝3；量綱為一的量有N＝n－m＝4個2024/7/61142024/7/6115經(jīng)驗公式：柏拉修斯（Blasius）式：適用光滑管Re＝5×103～105考萊布魯克（Colebrook）式適用于湍流區(qū)的光滑管與粗糙管直至完全湍流區(qū)2024/7/6116非圓形管內的流動阻力當量直徑：套管環(huán)隙，內管的外徑為d1，外管的內徑為d2:邊長分別為a、b的矩形管:2024/7/6117局部阻力阻力系數(shù)法將局部阻力表示為動能的某一倍數(shù)

ζ——局部阻力系數(shù)2024/7/6118突然擴大2024/7/6119突然縮小2024/7/61202024/7/6121很大的截面到很小截面由管道流到較大截面對等直徑的直管氣體從管道流到大氣2024/7/6122當量長度法將流體流過管件或閥門所產(chǎn)生的局部阻力損失折合成流體流過相同直徑、長度le的直管的阻力損失，le稱為管件、閥門的當量長度2024/7/6123流體在管內流動的總阻力損失管路系統(tǒng)的總阻力損失包括直管阻力損失和所有管件、閥門等的局部阻力損失。若管路系統(tǒng)中的管徑d不變，則總阻力損失為減少流動阻力的途徑： 管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎 盡量不安裝不必要的管件和閥門等 管徑適當大些2024/7/6124管路計算管路計算是連續(xù)性方程、柏努利方程以及能量損失計算式的具體應用。連續(xù)性方程：柏努利方程：阻力計算：2024/7/6125簡單管路簡單管路通常指直徑相同的管路或不同直徑組成的串聯(lián)管路。流體通過各管段的質量流量不變，對于不可壓縮流體，則體積流量也不變。整個管路的總能量損失等于各段能量損失之和。G1,d1G3,d3G2,d22024/7/6126設計型計算設計要求：規(guī)定輸液量Vs，確定一經(jīng)濟的管徑及供液點提供的位能z1(或靜壓能p1)。給定條件：（1）供液與需液點的距離，即管長l；

（2）管道材料與管件的配置，即及；

（3）需液點的位置z2及壓力p2；（4）輸送機械W。2024/7/6127操作型計算已知：管子d、、l，管件和閥門，供液點z1、p1，

需液點的z2、p2，輸送機械W；求：流體的流速u及供液量V。

已知：管子d、

l、管件和閥門、流量V等，求：供液點的位置z1；或供液點的壓力p1；

或輸送機械有效功W。2024/7/6128阻力對管內流動的影響pApBpaF11

22

AB當閥門關小時，其局部阻力增大，將使管路中流量下降下游阻力的增大使上游壓力上升上游阻力的增大使下游壓力下降可見，管路中任一處的變化，必將帶來總體的變化，因此必須將管路系統(tǒng)當作整體考慮。2024/7/6129最適宜管徑2024/7/6130復雜管路并聯(lián)管路主管中的流量為并聯(lián)的各支路流量之和并聯(lián)管路中各支路的能量損失均相等不可壓縮流體VV1V3BV22024/7/6131注意：計算并聯(lián)管路阻力時，僅取其中一支路即可，不能重復計算2024/7/6132并聯(lián)管路的流量分配支管越長、管徑越小、阻力系數(shù)越大，流量越小2024/7/6133分支管路與