化工基础 第二章 流体流动与输送1.ppt
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第二章 流体的流动与输送流体的流动与输送*主要内容主要内容 • 第一节:流体静力学• 第二节:流体流动• 第三节:流体流动系统的质量衡算• 第四节:流体流动系统的能量衡算• 第五节:管内流体阻力• 第六节:流体流量的测定• 第七节:流体输送设备Date前言 流体是气体与液体的总称具有流动性；无固定形状；受外力作用时内部产生相对运动流体流动是最普遍的化工单元操作之一；假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点或微团所组成的连续介质不可压缩流体：可压缩性流体：连续性假定由大量分子构成的 微团，其尺寸远小 于设备尺寸、远大 于分子自由程理想流体理想流体是指不具有粘度，流动时不会产生摩擦阻力的流体Date第 二 章 流体流动与输送一、相对密度二、压强三、流体静力学方程四、流体静力学方程的应用第 一 节 流体静力学*1. 密度定义2. 单位体积的流体所具有的质量，ρ; SI单位kg/m3一、密度和相对密度一、密度和相对密度液体（不可压缩流体）气体（可压缩性流体）由理想气体方程求得操作条件（T, P）下的密度标况下Date2.混合物的密度（1）液体混合物的密度ρm取质量为m总液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为假设混合后总体积不变，液体混合物密度计算式Date例 已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与998kg/m3，试求含硫酸为60%（质量）的硫酸水溶液的密度为若干。
解：根据式：ρm=1372kg/m3Date（2)气体混合物的密度ρm取体积为V总的气体,令各组分的体积分率为:φ1, φ2…, φn 其中:i =1, 2, …., n混合物中各组分的质量为：若混合前后,气体的质量不变， ——气体混合物密度计算式 当混合物气体可视为理想气体时, ——理想气体混合物密度计算式混合气体的平均 摩尔质量Date例 已知干空气的组成为：O221%、N278%和Ar1%（均为体积%），试求干空气在压力为9.81×104Pa及温度为100℃时的密度干空气的平均摩尔质量 Mm=32×0.21+28×0.78+39.9×0.01=28.96×10-3kg/molDate（1）比容：单位质量的流体所具有的体积，用υ表示，单位为m3/kg（2）比重(相对密度)：某物质的密度与4℃下的水的密度的比值，用 d 表示在数值上:3.与密度相关的几个物理量硫酸的相对密度d420=1.84DateSI制单位：N/m2，即Pa标准大气压、工程大气压、流体柱高度二、压强二、压强流体垂直作用于单位表面积上的力，称为流体的静压强，简称压强1.压强的定义换算关系为：标准大气压1atm = 101325N/m2 =10332.5kgf/m2= 1.03325 kgf/cm2 =760mmHg =10.33m H2O工程大气压1at =1kgf/cm2 =9.807×104Pa=736mmHg =10mH2ODate压强的表示方法（1）绝对压强（绝压）： 流体体系的真实压强称为绝对压强（2）表压强（表压）：压力表上读取的压强值称为表压表压强=绝对压强-大气压强 （3）真空度：真空表的读数 真空度=大气压强-绝对压强=-表压绝对真空、大气压力Date绝对压强、真空度、表压强的关系为 绝对零压线大气压强线A绝对压强表压强B绝对压强真空度当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明如：4×103Pa（真空度）、200KPa（表压）Date【例2-1】 一台操作中的离心泵，进出口压力表的读书分别为38kPa(真空度）和138kPa（表压强），当地大气压强为1工程大气压，试求（1）泵进口与出口的绝对压力; 绝对零压线大气压强线AB60.07kPa38kPa1工程大气压=98.07kPa解：进口绝对压力p1=98.07-38=60.07kPa出口绝对压力p2=98.07+138=236.07kPa138kPa326.07kPaDate重力场中对液柱进行受力分析：（1）上端面所受总压力 （2）下端面所受总压力 （3）液柱的重力设流体不可压缩，p0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下三、流体静力学方程三、流体静力学方程1.方程的推导Date液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:——流体的静力学方程 1静止流体内部的静压强仅与垂直位置有关，而与同一水平不同位置无关，位置越低，压强越大2.压强与流体的密度有关3.液面上所受的压强能以同样大小传递到 液体内部的任一点Date• 压强与压强差的测量– U形压差计 – 双液体U管压差计 • 液位测量• 液封高度的计算 四、静力学方程的应用四、静力学方程的应用Date1） U形管压差计 A与A′面为等压面，即p1p2mR AA’（1）压强与压强差的测量若被测流体是气体， 设指示液的密度为被测流体的密度为不反应 不互溶则有Date当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，可测得流体的表压或真空度表压真空度p1pap1paU行压差计测量流体压强Date【例】 如附图所示，水在水平管道内流动。
为测量流体在某 截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，指示液为水银 ，读数R＝250mm，m＝900mm已知当地大气压为101.3kPa ，水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3试计算该截 面处的压强pA= pA` pA=p+ρgm + ρ0 gRpA`= papa =p+ρgm + ρ0 gRp = pa -ρgm -ρ0 gR解:绝对压力pa –p=ρgm + ρ0 gR真空度Datep1p2z2R AA’z1【例1-3】 如附图所示，密度为ρ的流动从倾斜管路中流过， 用U形压差计测量管路中两截面1、2的压力差，试推导Δp的表 达式pA= pA` 解:Date2）双液体U管压差计（微压计） 扩大室内径与U管内径之比应大 于10密度接近但不互溶的两种指示液 A和B适用于压差较小的场合ABcdDate2.液位的测定 上端与容器顶部连通，下两与容器底部连通Date3.液封 液封作用：防止气柜内气体泄漏确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；液封高度：Date第一章 流体流动一、流体的流量与流速二、稳态流动与非稳态流动三、流动型态四、牛顿粘性定律五、边界层及边界层分离六、流体在管内的流速分布第二节 流体流动*一、流体的流量与流速一、流体的流量与流速 1、流量单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量若流量用体积来计量，称为体积流量qv；单位：m3/s(h)若流量用质量来计量，称为质量流量qm；单位：kg/s(h)体积流量和质量流量的关系是：2、流速单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速u单位为：m/s数学表达式为：Date对于圆形管道：流量qV一般由生产任务决定4.流速选择3.管径的估算 流动阻力↑ →动力消耗↑ →操作费↑均衡 考虑费用总费用设备费操作费d设备费用uu适宜Date管径的表示方法：Øm×n: m→管外径；n →管厚度；d=(m-2n)Date二、稳态流动与非稳态流动二、稳态流动与非稳态流动1.稳态流动2.非稳态流动流体流动系统内，任一空间位置流量、流速、压强和密度等有关物理量不仅随位置而改变，而且随时间而变的流动流体流动系统内，任一空间位置流量、流速、压强和密度等有关物理量仅随位置而改变，不随时间而改变的流动DateDateDate三、流动型态三、流动型态湍流或紊流流体质点仅沿着与管轴平行的方向 作直线运动，质点无径向脉动，质 点之间互不混合层流或滞流流体质点除了沿管轴方向向前流动外 ，还有径向脉动，各质点的速度在大 小和方向上都随时变化，质点互相碰 撞和混合过渡区1.雷诺实验Date2.判断流型雷诺准数例长度、质量、时间量纲分析:Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区；Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；20004000（2）umax=2000×0.001/(0.025×998.2)=0.08 m/s Date流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的作用力。
又称为粘滞力或粘性摩擦力Fuu＋dudyu流体在流动时产生内摩擦力的性质，称为流体的粘性四、牛顿粘性定律四、牛顿粘性定律衡量流体黏性大小的物理量，称为流体的粘度Date——牛顿粘性定律（高分子溶液，胶体溶液及悬浮溶液）剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体牛顿型流体：（气体和大多数液体的层流）不符合牛顿粘性定律的流体非牛顿型流体：式中：F——内摩擦力，Nτ ——剪应力，Pa——法向速度梯度，1/sμ——比例系数，称为流体的粘度，Pa·sDate流体的粘度物理意义粘度与温度、压强的关系 促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力只有在运动时才显现出来粘度总是与速度梯度相联系液体 :T ↑ → ↓气体 : T ↑ → ↑p ↑ → ↑分子间的相 互作用分子间相 互碰撞Date粘度的单位在SI制中：在物理单位制中， SI单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为： Date边界层：主流区:五、五、 边界层及边界层分离边界层及边界层分离 流速基本不变化，u≥99%u0,速度梯度很小阻力不可忽略较大速度梯度的流体层区域粘度总是与速度梯度相联系可视为理想流体阻力可以忽略，壁面附近流速变化较大的区域，u=0~99%u0的区域Date1、边界层的形成平板：δDate圆管进口段长度层流湍流层流时 L0/d=0.0575Re湍流时 L0/d=50~100进口段长度Date2、边界层分离 当流体流过非流线型物体时会发 生边界层脱离壁面的现象，称为边界层分离AC`C加速减压减速加压边界层速度减为零驻点B1.流道扩大时必造成 逆压强梯度 2.逆压强梯度容易造 成边界层的分离 3.边界层分离造成大 量漩涡，增大机械能 损耗形体阻力 摩擦阻力局部阻力Date六、流体在管内的速度分布六、流体在管内的速度分布速度分布：流体在管内流动时截面上各点速度随该点与管中心的距离的变化关系1.层流时的速度分布2.层流速度分布方程Date作用于流体单元右端的总压力为： 作用于流体单元四周的剪切力为： 作用于流体单元左端的总压力为：管壁处r＝R时，＝0Date代入上式得：——滞流流动时圆管内速度分布式 Date2.圆管内湍流流动的速度分布 4×1043.2×106时，n=10 。
——湍流流动时圆管内速度分布式 Date第一章 流体流动第三节 流体流动系统的质量 衡算连续性方程*连续性方程式对于稳态流动系统，在 管路中流体没有增加和漏失 的情况下： 推广至任意截面 ——连续性方程式1122Date不可压缩性流体，圆形管道 ：即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与 管内径的平方成反比 例Date例 如附图所示，管路由一段φ89×4mm的管1、一 段φ108×4mm的管2和两段φ57×3.5mm的分支管3a 及3b连接而成若水以9×10－3m3 /s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管 内的速度3 a123 b解:Date第一章 流体流动与输送第四节 流体流动系统的能量 衡算伯努利方程*柏努利方程总能量衡算E失Date流体因处于重力场内，因为离基准面有一定高度而具有的能量①位能：单位质量流体的位能 流体以一定的流速流动而具有的能量②动能：单位质量流体所具有的动能 单位时间内质量流量qm的流体的位能 单位时间内质量流量qm的流体的动能 ③压力能 通过某截面的流体具有的用于克服压力功的能量Date流体在截面1-1·处所具有的压力 流体通过截面所走的距离为 流体通过截面的压力能 单位质量流体所具有的压力能 单位时间内流体的压力能 流体内部因分子运动而具有的能量④热力学能：单位质量流体的内能以U表示，单位J/kg单位时间内质量流量qm的流体的内能=qmU (J/s)Date⑤由输送机械获得的能量：W(W、J/s)⑥由换热器提供的热量Q(W、J/。
