化工原理第一章 流體流動

第一節(jié)流體靜力學(xué)第一章流體流動章總目錄第二節(jié)流體流動的根本方程式第四節(jié)管內(nèi)流體流動的摩擦阻力損失第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象第七節(jié)流體輸送機械第五節(jié)管路計算第六節(jié)流量的測定

第一節(jié)流體靜力學(xué)一流體的根本性質(zhì)流體：具有流動性的物體--氣體和液體。不可壓縮性流體：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。

1.壓力:流體垂直作用于單位面積上的力稱為流體的壓強，也稱為壓力。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O壓力有不同的計量基準(zhǔn)：

絕對壓力、表壓和真空度。表壓=絕對壓力-大氣壓真空度=大氣壓-絕對壓力真空度=-表壓絕對壓力

絕對壓力

絕對真空

表壓

真空度

大氣壓

絕對壓力以絕對真空為基準(zhǔn)測得的壓力。

表壓或真空度以大氣壓為基準(zhǔn)測得的壓力。例1-1用真空表測量某臺離心泵進(jìn)口的真空度為30kPa，出口壓力表測量的表壓為350kPa。設(shè)當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01kPa，求他們的絕對壓力。2.密度：單位體積流體的質(zhì)量。相對密度d：液體密度與4℃水的密度之比。r4℃水=1000kg/m3例1-2氮氫混合氣體中的N2與H2的體積比為1:3，試求氮氫混合氣體在壓力100kPa〔絕對壓力〕和溫度25℃時的密度。例1-3硫酸與水混合液中硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6。試求混合液在20℃下的密度。3.

比體積:單位質(zhì)量流體的體積，單位為m3/kg。液柱受力分析：(1)上外表受向下的壓力為(2)下外表受向上的壓力為(3)重力二.流體靜力學(xué)根本方程式在靜止的、連續(xù)的同一液體內(nèi)，處于同一水平面上的各點壓力相等，稱為等壓面。三.流體靜力學(xué)根本方程式的應(yīng)用〔一〕壓力測量1.U形管液柱壓差計測量氣體時，r<<r指故r指－r≈r例1-4:如下圖，常溫水在管道中流過。為測定a、b兩點的壓力差，安裝一U型壓差計，指示液為汞壓差計的讀數(shù)100mmHg，試計算a、b兩點的壓力差為多少？水與汞的密度分別為1000kg/m3及13600kg/m3。1″2.斜管壓差計

R′＝R/sina，a越小，sina越小，R′值越大，誤差越小。3.微差壓差計rbrara-rb愈小，R愈大，應(yīng)選兩種密度接近的指示液?！捕骋好鏈y定當(dāng)液面到達(dá)最高液位，R讀數(shù)零氣體例1-5.欲知某地下油品貯槽的液位h，采用圖示裝置在地面上進(jìn)行測量。測量時控制氮氣的流量使觀察瓶內(nèi)產(chǎn)生少許氣泡。油品的密度為850kg／m3。并鍘得水銀壓強計的讀數(shù)R為150mm，同貯槽內(nèi)的液位h等于多少?〔三〕確定液封高度為了平安，實際安裝的管子插入液面的深度比上式略低氣體壓力p(表壓)h水第二節(jié)流體流動中的根本方程式一.流量與流速1.流量體積流量：單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的體積，單位是m3/s質(zhì)量流量：單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的質(zhì)量，單位是kg/s2.流速平均流速〔流速〕u：單位時間內(nèi)液體質(zhì)點在流動方向上所流經(jīng)的距離m/s。質(zhì)量流速w:單位時間內(nèi)流體流過管道單位截面積的質(zhì)量kg/(m2s)。一般液體的流速為0.5～3m/s，氣體的流速為10～30m/s。3.管路的直徑例1-6某食品廠混合液用泵輸送，要求每小時輸送混合液9.0×104kg，流速為1.5m/s，20℃時此混合液體的相對密度為1.06。式估算并選擇管道的直徑。二.穩(wěn)態(tài)流動與非穩(wěn)態(tài)流動

1.穩(wěn)態(tài)流動：流體流動時的任一點上的流速、壓力等有關(guān)物理量不隨時間而變化。反之，非穩(wěn)態(tài)流動。溢流液面恒定穩(wěn)態(tài)流動非穩(wěn)態(tài)流動質(zhì)量守恒定律2.連續(xù)性方程例1-5設(shè)圖1-11中，管內(nèi)徑d1=10cm，d2=5cm，大管流量為8L/s，求各段水管內(nèi)平均流速。三.伯努利方程式1.伯努利方程式位能gZ：單位質(zhì)量〔1kg〕流體所具有的位能J/kg動能u2/2：單位質(zhì)量〔1kg〕流體所具有的動能J/kg靜壓能p/r：單位質(zhì)量〔1kg〕流體所具有的靜壓能J/kg伯努利方程式—理想流體單位質(zhì)量流體所具有的能量J/kg單位重量流體所具有的能量J/N=m

位能動能靜壓能單位:J/kg理想流體機械能衡算式---能量壓頭:單位重量流體所具有的能量位壓頭動壓頭靜壓頭單位:J/N=m(1).機械能損失〔壓頭損失〕2.實際流體機械能衡算式(2)外加機械能W，單位：J/kg機械能損失外加機械能單位:J/kg實際流體機械能衡算式---能量壓頭損失外加壓頭

單位:J/N實際流體機械能衡算式----壓頭例1-8用泵將貯槽中的稀堿液送到蒸發(fā)器中進(jìn)行濃縮，如下圖。離心泵的進(jìn)口管尺寸為89mm×3.5mm，出口管尺寸為76mm×3mm?；旌弦涸谶M(jìn)口管的流速為1.5m/s，貯槽中的液面距蒸發(fā)器入口處的垂直距離為7m，混合液經(jīng)管路系統(tǒng)的能量損失40J/kg，蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)壓力〔表壓〕20kpa，堿液的密度為1100kg/m3，試計算所需外加機械能。(1)選取截面兩截面之間的流體必須連續(xù)、穩(wěn)態(tài)流動，且充滿整個衡算系統(tǒng)；截面常選取起點和終點，兩截面都應(yīng)與流動方向相垂直。(2)確定基準(zhǔn)面

通常取選定截面中較低的水平面為基準(zhǔn)面。(3)壓力伯努利方程式中的壓力必須同時使用表壓或絕對壓強。(4)外加機械能對每千克的流體而言。例1-9如附圖所示，水槽液面至水管出口的垂直距離保持在7m，水管內(nèi)徑為68mm。假設(shè)損失的能量為67J/kg，求每小時水的流量。第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象一.牛頓黏性定律

黏性：流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)。流體流動時克服內(nèi)摩擦力而作功，所以流體有一局部機械能損失，損失的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。牛頓黏性定律:剪應(yīng)力t與垂直于流動方向的速度梯度成正比。--牛頓型流體F為內(nèi)摩擦力，或黏滯力，單位：N。m為比例系數(shù)，稱為黏度系數(shù)，或動力黏度，簡稱黏度。單位：pa.sn運動黏度：黏度m與密度r之比。單位：m2/s溫度升高，液體的粘度減小，氣體的粘度增大。壓力對液體的粘度影響很??；忽略不計，氣體的粘度不是在極高或極低的壓力下，認(rèn)為與壓力無關(guān)。二.流體流動類型與雷諾數(shù)1.雷諾實驗

a層流或滯流湍流或紊流c假設(shè)在直徑不同的管內(nèi)用不同的流體進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)：除了流速外，管徑，流體密度和流體黏度，對流動狀況也有影響，流動類型由dur/m決定。雷諾數(shù)Re雷諾數(shù)沒有單位、量綱為1Re≤2000時，為層流；Re≥4000時，為湍流；2000＜Re＜4000，可能是層流也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)兩根不同的管中，當(dāng)流體流動的Re相同時，只要流體的邊界幾何條件相似，那么流體流動狀態(tài)也相同，這稱為流體流動的相似原理。例1-1020℃的水在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)流動,流速為2m/s，是判斷管內(nèi)流體流動的型態(tài)。三.流體在圓管內(nèi)的速度分布(a)層流(b)湍流第四節(jié)管內(nèi)流體流動的摩擦阻力損失一.直管中流體摩擦阻力損失的測定

層流湍流le/dRel：讀音蘭布達(dá)e：讀音伊普西龍絕對粗糙度e:管壁粗糙面凸出局部的平均高度。相對粗糙度e/d:絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值。湍流主體u湍流主體udedded湍流流動時：光滑管

只與Re有關(guān)，與e/d無關(guān)

完全粗糙管

只與e/d有關(guān)，與Re無關(guān)表1-1某些工業(yè)管道絕對粗糙度雷諾數(shù)的范圍分為四個不同的區(qū)域?！?〕層流區(qū)〔Re≤2000〕，l與Re為直線關(guān)系，而與e/d無關(guān)?！?〕過渡區(qū)〔2000<Re<4000〕流動類型不穩(wěn)定，為平安起見，按湍流計算?！?〕湍流區(qū)Re≥4000及虛線以下的區(qū)域。這個區(qū)的特點是摩擦系數(shù)l與Re及e/d都有關(guān)。〔4〕全湍流區(qū)圖中虛線以下的區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，對于一定值，l與Re的關(guān)系趨近于水平線，可看作l與Re無關(guān)，而為定值。Re一定時，l值隨e/d增大而增大。在完全湍流區(qū)，由于l與Re無關(guān)，從式可知，流體的摩擦阻力損失hf與流速u的平方成正比。此區(qū)域又稱為阻力平方區(qū)。4.非圓形管的當(dāng)量直徑

badDadD二.局部摩擦阻力損失

局部摩擦阻力損失：由閥門、管件，及突然縮小或擴(kuò)大等局部位置所產(chǎn)生的流體摩擦阻力損失。計算方法有局部阻力系數(shù)法和當(dāng)量長度法。1.局部阻力系數(shù)法z讀音截塔表1-2管件和閥件的局部阻力系數(shù)與當(dāng)量長度值〔用于湍流〕截面突然變化的局部摩擦損失當(dāng)流體從管路流入截面較大的容器或氣體從管路排到大氣中時z=1.0當(dāng)流體從容器進(jìn)入管的入口，是自很大截面突然縮小到很小的截面z=0.5突然擴(kuò)大

突然縮小

局部阻力系數(shù)法2.當(dāng)量長度法le:是將流體流過管件或閥門所產(chǎn)生的局部摩擦阻力損失折合成流過長度為le的直管的摩擦阻力損失。三.管內(nèi)流體流動的總摩擦阻力損失計算總摩擦阻力損失=直管摩擦阻力損失+局部摩擦阻力損失管內(nèi)流體流動的總摩擦阻力損失計算摩擦系數(shù)直管管長管件閥件當(dāng)量長度法管件、閥件、截面變化局部阻力系數(shù)

壓頭損失的計算公式

例1-10如下圖，用泵將敞口貯液池中20℃的水經(jīng)由的鋼管送至塔頂，塔內(nèi)壓力為6.866×103Pa〔表壓〕。管子總長為80m，裝有一個吸濾網(wǎng)和底閥，還有一個90o彎頭。泵的排出管路中裝有一個閘門閥(全開)和兩個90о彎頭。當(dāng)管路中的體積流量50m3/h時，試求泵的有效功率及其軸功率，設(shè)泵的效率0.65。e/d=0.002第五節(jié)管路計算2.復(fù)雜管路COAB分支管路串聯(lián)管路qVqV1qV2qV3BA并聯(lián)管路1.簡單管路簡單管路-串聯(lián)管路AB132復(fù)雜管路-并聯(lián)管路qVqV1qV2qV3BA第六節(jié)流量的測定一.測速管優(yōu)點：是對流體的阻力較小，適用于測量大直徑管路中的氣體流速。缺點：只能測出流體的點速，不能直接測出平均速度，另外當(dāng)流體中含有固體雜質(zhì)時，不宜采用。二.孔板流量計優(yōu)點：容易制造，調(diào)換方便。缺點：流體流經(jīng)孔板的能量損失較大，孔口邊緣容易腐蝕和磨損，需定期進(jìn)行校正。文丘里流量計三.轉(zhuǎn)子流量計CR：轉(zhuǎn)子流量計流量系數(shù)AR：轉(zhuǎn)子與玻璃管之間的環(huán)形截面積Af：轉(zhuǎn)子最大直徑處的截面積12優(yōu)點：讀取流量方便，能量損失小，測量范圍寬，能用于腐蝕性流體的測量。

缺點：不能經(jīng)受高溫和高壓，安裝時必須垂直。

氣體和液體不同，氣體具有可壓縮性，因此氣體輸送機械與液體輸送機械不相同。工作介質(zhì)：液體——泵氣體——風(fēng)機或壓縮機第七節(jié)流體輸送機械一.離心泵1－葉輪2－泵殼3－葉片

4－吸入管5－底閥6－壓出管7－泵軸73離心泵1.離心泵的工作原理:排液原理:先灌液。啟動泵，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，帶動液體高速旋轉(zhuǎn),離心力將液體沿葉輪邊緣甩到泵殼。由于蝸形通道逐漸擴(kuò)大，大局部動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，液體具有較高的壓力從壓出口進(jìn)入排出管。吸液原理:葉輪處無液體，形成真空。外界在大氣壓下將液體壓入管內(nèi)。氣縛：雖啟動離心泵，也不能輸送液體的現(xiàn)象。解決方法：離心泵啟動前必須向殼體內(nèi)灌滿液體。原因：離心泵啟動前未充滿液體，那么泵內(nèi)存有空氣，由于空氣的密度很小，所產(chǎn)生的離心力也很小。此時，在吸入口處所形成的真空缺乏以將液體吸入泵內(nèi)?！f明離心泵無自吸能力2.離心泵主要部件

葉輪和泵殼半開式閉式開式泵殼制成蝸牛形，既減少了能量損失，又使局部動能轉(zhuǎn)換成靜壓能。1-泵殼2-葉輪3-導(dǎo)輪3.離心泵的主要性能參數(shù)〔1〕流量qV：單位時間內(nèi)泵所輸送的液體體積，m3/s，m3/h〔2〕揚程H：單位重量(1N)的液體經(jīng)過泵獲得的能量，J/N=m流量計1′2′壓力表真空表121′流量計22′壓力表真空表1〔3〕功率與效率軸功率P：電動機的功率。P=UI有效功率Pe：單位時間液體從泵中葉輪獲得的有效能量。效率h：①水力損失

黏性流體流動的摩擦阻力損失。②容積損失

泵內(nèi)高壓液體泄漏到低壓區(qū)，使排出的流量小于流經(jīng)葉輪的流量而造成的功率損失。③機械損失

由泵軸與軸承之間、泵軸密封處的摩擦等造成的功率損失。泵內(nèi)造成的功率損失的原因：例1-14某離心泵用20℃清水做性能的實驗。測得流量720m3/h，泵出口的壓力表讀數(shù)0.4MPa，泵入口的真空表讀數(shù)0.028MPa，兩截面間垂直距離為0.41m。試求揚程與軸功率。泵的效率為0.74.離心泵的特性曲線〔1〕離心泵的特性曲線qV/m3/hH/m①H～qV曲線通常H是qV的增大而減小。②P～qV曲線P隨qV的增大而增大。qV=0，P最小，啟動泵時關(guān)閉出口閥，使電動機的啟動電流減至最小，以保護(hù)電動機。③h～qV曲線開始隨qV的增大而增大，到達(dá)最大值后，到達(dá)最大值后，又隨qV的增大而下降。曲線上最高效率點，稱為泵的設(shè)計工況點。最高效率點對應(yīng)的H和qV下操作最經(jīng)濟(jì)。一般高效區(qū)為不低于最高效率以下7％范圍內(nèi)。〔2〕離心泵的轉(zhuǎn)數(shù)對特性曲線的影響h不變的條件下—比例定律

轉(zhuǎn)數(shù)不超過20%〔3〕液體黏度和密度的影響①黏度的影響m↑，qV↓，H↓，h↓，Pe↓，P↑☆.液體黏度增大，葉輪內(nèi)液體流速降低，使流量減小。☆.液體黏度增大，液體流經(jīng)泵內(nèi)時的流動摩擦損失增大，使揚程減小?！?液體黏度增大，葉輪前、后蓋板與液體之間摩擦而引起能量損失增大，所以軸功率增大?！?由于上述原因，使泵效率下降。□離心泵的流量qV=截面積A×液體速度u，這些因素不受液體密度影響，所以流量qV不改變?！跻驗閜1-p2=rgh與密度成正比，所以揚程與液體密度無關(guān)?！醣玫挠行Чβ孰S液體密度增大而增大。□泵的軸功率隨液體密度增大而增大。②密度的影響r↑,

qV不變,

H不變,

h不變，Pe↑,P↑5.離心泵的工作點與調(diào)節(jié)

貯槽與受液槽的截面都很大，則

〔1〕管路特性方程qV/m3/hH/m〔2〕兩線交點P為泵在該管路上的工作點HHAHCH0HB〔3〕離心泵的流量調(diào)節(jié)①改變閥門的開度：即改變管路特性曲線，當(dāng)閥門關(guān)小時，管路的局部阻力加大，管路特性曲線變陡，曲線k′。②改變泵的轉(zhuǎn)速：即改變泵的特性曲線。轉(zhuǎn)速加大，曲線n′例1-15在內(nèi)徑為150mm、長度為280m的管路系統(tǒng)中，用離心泵輸送清水。該管路局部摩擦阻力損失的當(dāng)量長度為85m，摩擦系數(shù)可取為0.03。離心泵特性曲線如下圖。假設(shè)△Z+△p/rg為20m〔水柱〕，試求離心泵的工作點。qV/m3.h-12030H/m2575501000例1-16某輸水管路系統(tǒng)離心泵轉(zhuǎn)速n=2900r/min時的特性曲線方程為H=25-5qV2，管路特性方程為H=10+kqV2，qV的單位m3/min。試求〔1〕k=2.5的工作點流量qVA和HA〔2〕閥門關(guān)小到k′=5.0時的工作點流量qVB和HB〔3〕對于流量qVB，因閥門開度k=2.5關(guān)小到k′=5.0，管路阻力損失增加了多少？〔4〕假設(shè)不改變閥門開度而用改變轉(zhuǎn)速，使流量從qVA調(diào)到qVB，試求轉(zhuǎn)速應(yīng)調(diào)到多少？HHAHCH0HBD〔4〕離心泵的并聯(lián)和串聯(lián)操作操作qV并<2qV單

H并>H單

離心泵的并聯(lián)qV串>qV單

H串<2H單

離心泵的串聯(lián)操作6.離心泵的汽蝕現(xiàn)象與安裝高度〔1〕離心泵的汽蝕現(xiàn)象汽蝕現(xiàn)象：當(dāng)葉輪入口最低壓力降到該處溫度下液體的飽和蒸氣壓pV時，液體將有局部汽化，同時還有溶解于液體中的氣體解吸出來，產(chǎn)生大量的小氣泡，這些小汽隨液體流到葉輪內(nèi)壓力高于pV區(qū)域時，小汽泡破裂，蒸氣迅速凝結(jié)，周圍的液體將以高速沖向剛消失的氣泡中心，造成很高的局部沖擊壓力，沖擊葉輪，發(fā)生噪音，引起震動。金屬外表受到壓力大、頻率高的沖擊而剝蝕及氣泡內(nèi)夾帶的少量氧氣等活波氣體對金屬外表的電化學(xué)腐蝕等使葉輪外表呈現(xiàn)海綿狀、魚鱗狀的破壞?！?〕離心泵的允許吸上高度〔3〕允許汽蝕余量例1-17某離心泵，汽蝕余量△h=2m〔水柱〕，現(xiàn)用此泵輸送將敞口水槽中40℃清水，假設(shè)泵吸入口距水面以上4m高度處，吸入管路的壓頭損失為1m，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?.1MPa，求此泵的安裝高度是否適宜？7.離心泵的類型與選用〔1〕類型：①清水泵(IS型、D型、S型)②耐腐蝕泵(F型)③油泵〔Y型〕〔2〕選用：泵的流量和揚程>管路的流量和壓頭例1-19如下圖需要安裝一臺泵，將流量密度為45m3/h、溫度20℃的河水輸送到高位槽，高位槽水面高出河面10m，管徑φ88.5×4mm，e/d=0.004，管路總長度為15m。兩個90о彎頭，截止閥(全開)，底閥，吸入管長5m。當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?01.3kPa，選用一臺離心泵，并確定安裝高度。二.其他類型化工用泵1.往復(fù)泵〔1〕構(gòu)造與工作原理主要部件：泵缸、活塞和單向活門。習(xí)題3.如習(xí)題圖所示，容器內(nèi)貯有密度為1250kg/m3的液體，液面高度為3.2m。容器側(cè)壁上有兩根測壓管線，距容器底的高度分別為2m及1m，容器上部空間的壓力〔表壓〕為29.4kPa。試求：(1)壓差計讀數(shù)〔指示液密度為〕；(2)A、B兩個彈簧壓力表的讀數(shù)。8.20℃的水以2.5m/s的平均流速流經(jīng)φ38×2.5mm的水平管，此管以錐形管與另一φ53×3mm的水平管相連。如此題附圖所示，在錐形管兩側(cè)A、B處各插入一垂直玻璃管以觀察兩截面的壓力。假設(shè)水流經(jīng)A、B兩截面間的能量損失為1.5J/kg，求兩玻璃管的水面差〔以mm計〕，并在此題附圖中畫出兩玻璃管中水面的相對位置。9.假設(shè)用壓力表測得輸送水〔密度為1000kg／m3〕、油〔密度為880kg／m3〕、98%硫酸〔密度為1830kg／m3〕的某段水平等直徑管路的壓力降均為49KPa，問三者的壓頭損失的數(shù)值是否相等，各為多少米液柱。10.高位槽內(nèi)的水面高于地面7m，水從φ108×4mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5m。在此題條件下，水流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失可按∑hf=5.5u2計算，其中為水在管內(nèi)的平均流速，m/s。流動為穩(wěn)態(tài)，試計算：〔1〕A-A'截面處水的平均流速；〔2〕水的流速，以m3/h計。12.用離心泵將20℃的水自貯槽送至水洗塔底部，槽內(nèi)水位維持恒定。各局部相對位置如此題附圖所示。管路的直徑均為φ76×3.5mm，在操作條件下，泵入口處真空表的讀數(shù)為2.56×104Pa；水流經(jīng)吸入