流體流動(dòng)與流體輸送機(jī)械

1、第一章流體流動(dòng),第二章流體輸送機(jī)械,重要知識(shí)點(diǎn),?,實(shí)際流體的機(jī)械能衡算方程及應(yīng)用,（理想流體的伯努利方程及應(yīng)用、流體靜力學(xué),基本方程及應(yīng)用）,?,管內(nèi)流動(dòng)的阻力損失的求法,（沿程損失和局部損失）,?,雷諾數(shù)的定義和意義,連續(xù)性方程,?,離心泵的性能參數(shù)、特性曲線和管路特性曲線,?,離心泵的功率（泵的軸功率、有效功率）,一、壓力的表示方法,表壓,=,絕壓,-,當(dāng)?shù)卮髿鈮?真空度,=,當(dāng)?shù)卮髿鈮?-,絕壓,真空度,=,當(dāng)?shù)卮髿鈮?-,絕壓,= -,（絕壓當(dāng)?shù)卮髿鈮海?例,= -,表壓,某系統(tǒng)真空度為,200mmHg,，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?101.3kPa,，,則：,表壓真空度,-(200,101.3)

2、/760=-26.7 kPa,絕壓,=,表壓當(dāng)?shù)卮髿鈮?=101.3+(-26.7)=74.6 kPa,二、雷諾數(shù),反映流體的流動(dòng)形態(tài)和湍動(dòng)程度的物理量,1883,年，雷諾通過大量實(shí)驗(yàn)觀察到，流體流動(dòng)分為層流,（滯流）、過渡流、湍流，且流動(dòng)型態(tài)除了與流速,u,有關(guān),外，還與管徑,d,、流體的粘度、流體的密度有關(guān)。,雷諾將,u,、,d,、,組合成一個(gè)復(fù)合數(shù)群。,Re,?,du,?,?,數(shù)群中的各個(gè)物理量必須采用同一單位制,雷諾數(shù)物理意義：,表征慣性力,I,與黏性力,M,之比。慣性,力加劇湍動(dòng)，黏性力抑制湍動(dòng)。,若流體的速度大黏度,小時(shí)，,Re,便大，表示慣性力占主導(dǎo)地位，湍動(dòng)程度大。,反之，湍動(dòng)

3、程度小。,三、管內(nèi)流體的質(zhì)量衡算,連續(xù)性方程,從截面,1-1,流入的流體質(zhì)量流量,m,s1,應(yīng)等于從截面,2-2,流出的,流體質(zhì)量流量,m,s2,即,m,s,1,?,m,s,2,又因?yàn)?連續(xù)性,?,1,u,1,A,1,?,?,2,u,2,A,2,方程,?,對(duì)于不可壓縮流體,于是得到,液體的平均流速與管道流通截面積成反比,.,對(duì)于圓管,于是得到,圓管的平均流速與管道管徑的平方成反比,如果管路有分支,總管中的質(zhì)量流量為各支管質(zhì)量流量之和,四、管內(nèi)流體的機(jī)械能衡算,1.,實(shí)際流體的機(jī)械能衡算,由于實(shí)際流體有粘性，流體,在流動(dòng)過程中，流體內(nèi)部及,流體與管內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，流,體流動(dòng)時(shí)要消耗機(jī)械能以克,服阻

4、力，造成流體的能量損,失。,1,2,P,1,2,P,2,1,gZ,1,?,u,1,?,?,w,e,?,gZ,2,?,u,2,?,?,w,f,2,?,2,?,以,1Kg,流體計(jì)的,不可壓縮實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式,gz,位壓能,We,外加功,u,2,/2,動(dòng)能,W,f,能量損失,P1/,靜壓能,單位,J/kg,除以重力加速度,g,，并令,We/g=he,，,W,f,/g=h,f,，則得到單位,重量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式,u,P,1,u,P,2,Z,1,?,?,?,h,e,?,Z,2,?,?,?,h,f,2,g,?,g,2,g,?,g,Z,位壓頭,2,u,/2g,動(dòng)壓頭（速度頭）,2,1,2,2,

5、P/g,靜壓頭,h,e,外加壓頭,h,f,壓頭損失,單位均為,m,若同時(shí)乘以流體密度,，又令,W,e,=?P,e,，,W,f,=?P,f,，則可以,得到以單位體積流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算方程,?P,e,以單位體積流量計(jì)的外加能量,?P,f,壓力損失,W,f,=?P,f,W,f,/g=h,f,單位均為,J/m,3,即,Pa,?P,f,壓力損失與,h,f,壓頭損失的關(guān)系,gh,f,=?P,f,2.,理想流體的機(jī)械能衡算,伯努利方程,理想流體是指沒有黏性的,流體，即黏度,=0,的流體,則機(jī)械能衡算式為：,P,P,1,2,1,2,1,2,gZ,1,?,u,1,?,?,W,e,?,gZ,2,?,u,2,?

6、,2,?,2,?,對(duì)于不可壓縮流體，,1,=,2,；若流動(dòng)系統(tǒng)與外界沒有功,的交換，則,We=0,，于是上式化簡為：,P,1,2,P,1,2,1,gZ,1,?,u,1,?,?,gZ,2,?,u,2,?,2,2,?,2,?,伯努利,方程,以,1kg,不可壓縮理想流體作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能衡算式,伯努利方程的應(yīng)用，有幾點(diǎn)注意：,?,1,、,選截面，就是選衡算范圍，選邊界條件，最好選已知條,件最多的邊界。,?,2,、,選基準(zhǔn)面，一般選位能較低的截面為基準(zhǔn)面。,?,3,、,壓力項(xiàng)和單位要統(tǒng)一，通常以用表壓較為方便。,?,4,、,大口截面的流速為零。,?,5,、,上游截面和下游截面要分清。應(yīng)該是上游截面的

7、三項(xiàng)能,量之和，加外加的能量，等于下游截面三項(xiàng)能量之和，加流,體損失的能量。,?,6,、,水平管確定基準(zhǔn)面時(shí)，通過管中心的平面，即為基準(zhǔn)面。,3.,若流體靜止，則,u=0,W,e,=0,W,f,=0,于是實(shí)際流體的機(jī)械能衡,算式變?yōu)椋?P,P,gZ,1,?,1,?,gZ,2,?,2,?,?,流體靜力,學(xué)方程,流體靜止?fàn)顟B(tài)也是流體流動(dòng)的一種特殊形式,1,2,P,1,1,2,P,2,gZ,1,?,u,1,?,?,gZ,2,?,u,2,?,?,W,f,2,?,2,?,在無外加功的情況下，流體將自動(dòng)從總位能較高處,流向較低處，據(jù)此可判斷流體流動(dòng)方向,3,1-3,如圖所示，封閉的罐內(nèi)存有密度為,1000

8、kg/m,的水。水面上所裝的壓力表讀數(shù)為,42kPa,。在水面,以下安裝一壓力表，表中心線在測壓口以上,0.15m,其讀數(shù)為,58KPa,。求罐內(nèi)水面至下方測壓,口的距離,?z,。,3 3,五、管內(nèi)流動(dòng)的阻力損失,沿程阻,力損失,管道,的總,阻力,流體流經(jīng)直管時(shí)的機(jī)械能損耗（直,管阻力損失）,流體流經(jīng)各種管件和閥件時(shí)，由于流,速大小和方向突然改變，從而產(chǎn)生大,局部阻,量漩渦，導(dǎo)致很大的機(jī)械能損失，這,力損失,種損失屬于形體阻力損失，它由管件,等局部部位的原因引起，而稱為局部,阻力損失,?,流體在圓形直管內(nèi)流動(dòng)的阻力,單位質(zhì)量,流體的沿,程損失,（,1,）沿程阻力損失的計(jì)算,單位體積,流體的沿,

9、程損失,單位重量,流體的沿,程損失,范,寧,公,式,無論對(duì)層流和湍流，還是對(duì)水平等徑管和非水平等徑管都,適用,?,流體在非圓形直管內(nèi)流動(dòng)的阻力,單位質(zhì)量流體的沿程損失,單位體積流體的沿程損失,單位重量流體的沿程損失,de,當(dāng)量直徑,4,?,流通截面積,d,e,?,4,水力半徑,?,潤濕周邊長,(Pa),(m),環(huán)形管潤濕周邊長為,(D+d),，則當(dāng)量直徑為,?,計(jì)算阻力損失關(guān)鍵是,的獲取。,層流時(shí),根據(jù),哈根,-,泊謖葉公式,得,湍流時(shí),?,更多情況是利用摩擦因數(shù)圖來確定,過,層流區(qū),渡,區(qū),湍,完全湍流，,流,粗糙管,區(qū),（,2,）局部阻力損失的計(jì)算,局部阻力損失的計(jì)算方法有兩種：,阻力系數(shù)

10、法,和,當(dāng)量長度法,?,阻力系數(shù)法,阻力系數(shù)法就是將局部損失表達(dá)成平均動(dòng)能的某一個(gè)倍數(shù)，,即,局部阻力系數(shù)，簡稱阻力系數(shù),，由實(shí)驗(yàn)測得,常用管件和閥件的,值見下表,?,注意,計(jì)算突然,擴(kuò)大、突,然縮小的,阻力損失,時(shí)，都應(yīng),按,小管內(nèi),流速,計(jì)算,動(dòng)能項(xiàng),?,當(dāng)量長度法,將局部損失看作與某一長度為,le,的等徑管的沿程損失相,當(dāng)，此折合的管路長度,le,稱為當(dāng)量長度。,于是，局部損失計(jì)算式為,:,（,3,）管內(nèi)流動(dòng)的總阻力的計(jì)算,總的阻,力公式,六、管路的計(jì)算,簡單管路：,已知流量、管徑和管長、泵的效率，求阻力損,失或泵的軸功率、有效功率。,已知流量、管長和阻力損失，求管徑,已知管徑、管長和阻

11、力損失，求流量（操作型）,常用方法：試差法（、）,步驟：先估計(jì)（設(shè)定）一個(gè),值,代入公式求出,u,算出,Re,根據(jù),Re,查出,值,驗(yàn)證查得,值,與估計(jì)值是否一致，若不一致，重新估計(jì)，計(jì)算。,七、離心泵,離心泵啟動(dòng)前，應(yīng)先向泵內(nèi)充液，使泵殼,和吸入管路充滿被輸送液體。啟動(dòng)后，泵,軸帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，葉片間的液體也隨,之作圓周運(yùn)動(dòng)。同時(shí)在離心力的作用下，,液體又由葉輪中心向外緣作徑向運(yùn)動(dòng)。液,體在此運(yùn)動(dòng)過程中獲得能量，使靜壓能和,動(dòng)能均有所提高。,液體離開葉輪進(jìn)入泵殼后，由于泵殼中流道逐漸加寬，流速逐漸降低，又將一,部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，使液體靜壓能進(jìn)一步提高，最后由出口以高壓沿切線,方向排出。

12、當(dāng)液體從葉輪中心流向外緣后，葉輪中心呈現(xiàn)低壓，貯槽內(nèi)液體在,其液面與葉輪中心壓力差的作用下進(jìn)入泵內(nèi)，再由葉輪中心流向外緣。葉輪如,此連續(xù)旋轉(zhuǎn)，液體便會(huì)不斷地被吸入和排出，達(dá)到輸送目的,。,（,1,）汽縛現(xiàn)象,離心泵啟動(dòng)時(shí)，如果泵殼與吸入管路沒有充滿,液體，則泵殼內(nèi)存有空氣，由于空氣的密度遠(yuǎn),小于液體的密度，產(chǎn)生的離心力小，從葉輪中,心甩出的液體少，因而葉輪中心處所形成的低,壓（真空度）不足以將貯槽內(nèi)的液體吸入泵內(nèi),（打不上水），此時(shí)雖啟動(dòng)離心泵也不能輸送,液體，此種現(xiàn)象稱為氣縛,氣,蝕,現(xiàn),象,當(dāng)泵葉片入口附近的最低壓強(qiáng)等于或小于輸送溫度下液體飽和蒸汽壓時(shí)，,部分液體將在該處汽化并產(chǎn)生的汽泡，

13、被液流帶入葉輪內(nèi)壓力較高處凝,結(jié)或破裂。由于凝結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生瞬間真空，造成周圍液體高速?zèng)_擊該點(diǎn)，,產(chǎn)生劇烈的水擊。,現(xiàn)象：,噪聲大、泵體振動(dòng)，流量、壓頭、效率都明顯下降。嚴(yán)重時(shí)，泵不能正常,工作,防止措施,：,把離心泵安裝在恰當(dāng)?shù)母叨任恢蒙?，確保泵內(nèi)壓強(qiáng)最低點(diǎn)處的靜壓超,過工作溫度下被輸送液體的飽和蒸汽壓。,原,因,(1),離心泵的性能參數(shù),1.,流量（,Q,）,:,離心泵在單位時(shí)間送到管路系統(tǒng)的液體,體積，常用單位為,L/s,或,m,3,/h,；,2.,壓頭（,H,）,：離心泵對(duì)單位重量的液體所能提供的機(jī),械能，其單位為,m,；,根據(jù)機(jī)械能衡算方程可得，對(duì)應(yīng)于任一管道輸送系統(tǒng)，,所需的壓頭,h,

14、e,為,3.,效率（,?,）,：由原動(dòng)機(jī)提供給泵軸的能量不能全部為液體所獲得，,通常用效率來反映泵對(duì)外加能量的利用程度；,?,=Ne/N,4,泵的有效功率（,Ne,）,:,按式,Ne=HQg,算出的功率，即泵所輸出的,功率,單位,W,或,KW,5.,軸功率（,N,）,：,指離心泵的泵軸所需的功率，單位為,W,或,kW,N-,泵的軸功率，,W,H-,泵的壓頭，,m,-,液體的密度，,kg/ m,3,Q-,泵的流量，,m,3,s,-1,(2),離心泵的,特性曲線,通常，離心泵的特性曲線由制造廠附于泵的樣本或說明書中，是,指導(dǎo)正確選擇和操作離心泵的主要依據(jù)。,1.,H-Q,曲線,：表示泵的壓頭與流量

15、的關(guān)系,2.,N-Q,曲線,：表示泵的軸功率與流量的關(guān)系,3.,-Q,曲線,：表示泵的效率與流量的關(guān)系,離心泵的,壓頭,H,一般是隨流量,Q,的增大而下降,，這是離心泵,的一個(gè)重要特性。,?,(3),影響離心泵性能的因素,?,1.,液體物性的影響,?,（,a,）,密度的影響,?,（,b,）,黏度的影響,?,2.,離心泵轉(zhuǎn)速的影響,?,3.,離心泵葉輪直徑的影響,a,.,流體密度的影響,由離心泵的基本方程,(,書,57,、,58,頁的,2-8,、,2-11,）可看出，,離心泵的,壓頭、流量均與液體的密度無關(guān),但離心泵所需,的,軸功率則隨液體密度的增加而增加,b.,黏度的影響,液體粘度的改變將直接

16、改變其在離心泵內(nèi)的能量損失，因,此，,H,Q,、,N,Q,、,?,Q,曲線都將隨之而變,。,?,轉(zhuǎn)速的影響,比例定律,Q,1,n,1,?,Q,2,n,2,H,1,n,1,2,?,(,),H,2,n,2,N,1,n,1,3,?,(,),N,2,n,2,葉輪直徑的影響,切割定律,Q,D,?,Q,D,2,2,D,H,?,(,),H,D,2,2,2,D,N,?,(,),N,D,2,2,3,管路特性曲線,通過某一特定管路的流量與所需壓頭之間的關(guān)系,其中,?,離心泵的工作點(diǎn),?,泵的特性曲線,H-Q,線與所在管路特性曲線,H,e,-Q,e,線的交點(diǎn),（,M,點(diǎn),),。,?,離心泵的流量調(diào)節(jié),?,離心泵流量

17、的調(diào)節(jié)就是改變泵的工作點(diǎn)。方法有二：,?,1.,改變閥門的開度,即改變離心泵出口管路上調(diào)節(jié)閥門,開度改變管路特性曲線，靈活方便，耗能大；,?,2.,改變泵的轉(zhuǎn)速,改變泵轉(zhuǎn)速實(shí)質(zhì)上是改變泵特性曲線，,節(jié)能，投資大。,?,例題,1,用虹吸管從高位槽向反應(yīng)器加料，高位槽,和反應(yīng)器均,與大氣連通,，要求料液在管內(nèi)以,1m/s,的速度流動(dòng)。設(shè)料液在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的能量損失為,20J/kg,（,不包括出口的能量損失,），試求高位槽,的液面應(yīng)比虹吸管的出口高出多少？,解：取高位槽液面為,1-1,截面，虹吸管出口,內(nèi)側(cè),截面為,2-2,截面，并以,2-2,為基準(zhǔn)面。,列機(jī)械能衡算方程方程得：,u,P,u,P,2,

18、1,gz,1,?,?,?,gz,2,?,?,?,W,f,2,?,2,?,2,1,2,2,式中：,z,1,?,h,，,z,2,?,0,，,p,1,?,p,2,?,（表壓）,0,1-1,截面比,2-2,截面面積大得多，,將,W,f,=20J/kg,U,2,=1m/s,代入得,解得,1,9,.,81,h,?,?,20,2,h,?,2,.,09,m,也就是高位槽液面應(yīng)比虹吸管出口高,2.09m,1-10,一制冷鹽水循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)量為,45m,3,/h,，鹽水,流經(jīng)管路的壓頭損失為：從,A,至,B,的一段為,9m,，從,B,至,A,的一段為,12m,，鹽水的密度為,1100kg/m3,。試求：,（,1,

19、）泵的軸功率，設(shè)其效率為,0.65,.,；（,2,）若,A,處的,壓力表讀數(shù)為,0.15MPa,，則,B,處的壓力表讀數(shù)為多少,Mpa,？,1-12,如圖所示，水由高位水箱經(jīng)管路從噴嘴,流出，已知,d,1,=125mm,，,d,2,=100mm,，噴嘴出口,d,3,=75mm,，壓差計(jì)讀數(shù),可忽略，求,R=80mmHg,，若阻力損失,H,和,P,A,1-20,在,20,下將苯液從貯槽中用泵送至反應(yīng)器，經(jīng)過長,40m,的,57mm,2.5mm,鋼管，管路上有兩個(gè),90,的彎頭,，,一,個(gè)標(biāo)準(zhǔn)閥,（按,1/2,開度,計(jì)算）。管路出口在貯槽的液面以,上,12m,。貯槽與大氣相通，而反應(yīng)器是在,500KPa,下操作。,若要維持,1.7L/S,的體積流量，求,泵所需的功率,。泵的效率,為,0.5,。,如圖所示，用