項目一流體輸送任務(wù)一認識流體及流體流動.課件

1、項目一 流體輸送1.掌握流體的基本概念、流動現(xiàn)象、流動形態(tài)及其判定依據(jù)；2.掌握流體的流量、流速的測量方法及并熟悉其設(shè)備；3.掌握管路的基本組成，并能對其進行設(shè)計安裝；4.熟悉典型的流體流動機械，理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，會對其進行操作使用；5.掌握不同的流體輸送方式，能根據(jù)不同輸送對象進行合理選擇；6.能對實訓過程中的故障進行處理，對流體流動阻力、輸送機械的主要參數(shù)進行計算。知識與技能目標任務(wù)一 認識流體及流體流動 1.特性：（1）流動性（2）壓縮性2.分類: (1)不可壓縮流體：液體；（若P,t變化小，氣體）(2)可壓縮流體：實際流體 ，氣體知識鏈接（一）流體氣體和液體一、概述1. 密度k

2、g/m3 重度kgf/m3 , 其數(shù)值同密度。 比容m3/kg, 密度的倒數(shù)。2. 流量有兩種 a.體積流量 qv m3/s,m3/h； b.質(zhì)量流量 qmkg/s，kg/h； qm = qv3.流速(u) m/s（二）幾個物理名詞1.體積力(質(zhì)量力) 重力:G=mg=gV 離心力:muT2/r = V uT2/r 2.表面力 壓力: 表面的力 壓強: 剪力: /表面的力 剪應(yīng)力:（三） 流體流動中的作用力 實驗性定律，是通過實驗得出的 江面流速分布示意圖（四） 牛頓粘性定律選相鄰兩薄圓筒流體（1，2）進行分析在圓管中流動的流體實驗證明，對于一定流體，內(nèi)摩擦力F 剪應(yīng)力, N/m2； 速度梯度

3、； 粘度或動力粘度。 式（A）-牛頓粘性定律一句話，即流體內(nèi)部所受的剪應(yīng)力與速度梯度成正比。非牛頓型流體有三種： 塑性流體 假塑性流體 漲塑性流體 許多高分子溶液、涂料、泥漿等屬于非牛頓型流體。1.流體分類牛頓型流體 非牛頓型流體 a.粘性流體（0）實際流體 b.理想流體（=0）2.流體在圓管內(nèi)的速度分布3.影響粘性的因素 a.溫度 實驗表明: t,g, l 原因：氣體粘性 分子熱運動 液體粘性 分子引力 b.壓強 影響很小4.粘度 衡量流體粘性大小的物理量 單位？ 據(jù)牛頓粘性定律： 1Pa.S = 1000 mPaS物理單位制中： 1P（泊）= 100 cP （厘泊） 1cP = 10-3

4、Pa.S = 1mPa.S另： /= 運動粘度（五）流體流動中的機械能位能：mg z , J；g z , J/kg動能： mu2/2 , J；u2/2 , J/kg 壓強能：mP/ ,J； P/ , J/kg實際流體粘性內(nèi)摩擦力機械能損失 輸送機械做功二、 流體靜力學彎一下？等問題 研究靜止或相對靜止狀態(tài)的流體（一） 流體靜力學基本方程A任取1. 受力分析水平方向： 相互抵消垂直方向：上端面的總壓力: P1=p1A下端面的總壓力: P2=p2A重力： G=Vg = g (Z1-Z2)A Z1Z2GP1P2P0液柱靜止P1+G -P2 = 0 p1A+ g (Z1-Z2)A -p2A = 0 p

5、1 + g (Z1-Z2) -p2 = 0移項： p2 = p1 + g (Z1-Z2) （1）若液柱的上端面取在容器的液面，P0, 液柱高 h , 則： p2 = p0 + gh將式（1）移項： p2 + g Z2 = p1 + g Z1 （2）式（2）/ ： 靜力學基本方程 液柱是任取的：對任意兩點1和2： 12z2z1 (1) 等壓面由式(3) (靜力學基本方程): 當 Z1=Z2, 1=2 p1=p2 即(相對)靜止的,連續(xù)連通的同一種流體(1=2 )。同一水平面上的壓強相等。這樣的水平面稱為等壓面。 2 .幾個概念.CBABC換句話說，即 靜壓強僅與垂直位置有關(guān)，而與水平位置無關(guān)。

6、(2)壓強能與位能 P/ 的單位: 故稱 P/ 為 壓強能 g Z的單位: 故稱 gZ 為位能 這說明：靜止的流體具有位能和壓強能，兩項能量總和恒為常量。若位能小，則P/ 大；反之若gZ大，則P/ 小。說明位能和壓強能可以相互轉(zhuǎn)換，但總能量守恒。壓強的表示方法: A. 以 Pa B. 工程上以液柱高度 mH2O柱, mmHg柱(3)壓強1atm(標準大氣壓）=1.013105 Pa =760 mmHg =10.33mH2O1at (工程大氣壓）=1kgf/cm2 =9.807 104 Pa =10 mH2O 換算關(guān)系： A.絕對真空 絕對壓強 B.大氣壓 表壓（正壓） 壓力表 真空度（負壓，吸

7、力） 真空表 0Pa大氣壓PP1P2絕表真絕壓強的基準 0Pa大氣壓PP1P2絕表真絕 P表=P絕 - Pa ； P真= Pa - P絕 ； 則 P表= - P真；注意： P要同一基準。(1)壓強測量U形管壓差計:指示液：水銀；甘油； 水；CCl4等指示液 i 被測流體 3.流體靜力學的應(yīng)用取等壓面ab (兼基準面) 即 Pa=Pb據(jù)靜力學基本方程:Pa=P1+ gZ1Pb=P2+ g(Z2-R)+ igRPa=P1+ gZ1Pb=P2+ g(Z2-R)+ igR整理:(P1+gZ1)-(P2+ gZ2) =( i - )gR(P1+gZ1)-(P2+ gZ2) =( i - )gR“P1”-

8、”P2”=( i - )gR 虛擬壓強差 “P1”-”P2”=( i - )gR結(jié)論: U形壓差計測得的讀數(shù)R是兩點的虛擬壓強差. 注意: 當管道水平, Z1=Z2, 則 P1-P2= (i- )gR 壓差 (i- )越小 指示液 測液體: 用 Hg 或 CCl4 測氣體:水+染料 且 g i(水） 故 (i- ) i P1-P2= igR測任一處的壓強 一端通大氣,P2=Pa P1-Pa= (i- )gR P1表= (i- )gR其它 微差/倒U形/斜管. 玻璃管液面計(2) 液位測量1穩(wěn)定流動系統(tǒng)若流動系統(tǒng)中各物理量的大小僅隨位置變化、不隨時間變化，則稱為穩(wěn)定流動。若流動系統(tǒng)中各物理量的大

9、小不僅隨位置變化、而且隨時間變化，則稱為不穩(wěn)定流動。工業(yè)生產(chǎn)中的連續(xù)操作過程，如生產(chǎn)條件控制正常，則流體流動多屬于穩(wěn)定流動。連續(xù)操作的開車、停車過程及間歇操作過程屬于不穩(wěn)定流動。本項目所討論的流體流動為穩(wěn)定流動過程 （一）連續(xù)性方程三、 流體動力學2連續(xù)性方程 穩(wěn)定流動系統(tǒng)，流體充滿管道，連續(xù)不斷地從截面1流入，從截面2流出,以單位時間為衡算基準，依質(zhì)量守恒定律，進入截面1的流體質(zhì)量流量與流出截面2的流體質(zhì)量流量相等。 qm1 = qm 2 （1）式中 qm流體的質(zhì)量流量，指單位時間內(nèi)流經(jīng)管道有效截 面積的流體質(zhì)量，kg/s； u流體在管道任一截面的平均流速，m/s； A管道的有效截面積，m2

10、； 流體的密度，kg/m3。因為 qm = uA 故 qm = u1A1 1= u2A2 2 （2） 若將上式推廣到管路上任何一個截面，即 qm = uA = 常數(shù) （3）上式表示在穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，流體流經(jīng)管道各截面的質(zhì)量流量恒為常量，但各截面的流體流速則隨管道截面積和流體密度的不同而變化。若流體為不可壓縮流體，即 =常數(shù)，則 qv= uA = 常數(shù) （4）式中 qv流體的體積流量，指單位時間內(nèi)流經(jīng)管道有效截面積的流體體積， m3/s；上式說明不可壓縮流體不僅流經(jīng)各截面的質(zhì)量流量相等，而且它們的體積流量也相等。而且管道截面積A與流體流速u成反比，截面積越小，流速越大。若不可壓縮流體在圓管內(nèi)流動

11、，因 ，則 （5）上式說明不可壓縮流體在管道內(nèi)的流速u與管道內(nèi)徑的平方d2成反比。式（1）至式（5）稱為流體在管道中作穩(wěn)定流動的連續(xù)性方程。連續(xù)性方程反映了在穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，流量一定時管路各截面上流速的變化規(guī)律。 （二）柏努利方程 在化工生產(chǎn)中，解決流體輸送問題的基本依據(jù)是柏努力方程，因此柏努力方程及其應(yīng)用極為重要。 根據(jù)對穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量衡算，即可得到柏努力方程。1.流動系統(tǒng)的能量 （1）流體所具有的能量機械能 a.位能 位能是流體處于重力場中而具有的能量。 單位質(zhì)量流體的位能則為gz（J/kg）。 位能是相對值，計算須規(guī)定一個基準水平面。b.動能 動能是流體具有一定速度流動而具有的能量。

12、單位質(zhì)量流體的動能為 （J/kg）。c.靜壓能 靜壓能是由于流體具有一定的壓力而具有的能量。單位質(zhì)量流體的靜壓能為 （J/kg） （2）壓力的表示方法 不同的基準流體壓力的大小不同。絕對壓力：以絕對真空為基準測得的壓力。 它是流體的真實壓力。表壓力或真空度：以大氣壓力為基準測得的壓力。表壓力：當被測流體的絕對壓力大于外界大氣壓力時，所用的測壓儀表稱為壓力表。壓力表上的讀數(shù)表示被測流體的絕對壓力比大氣壓力高出的數(shù)值。真空度：當被測流體的絕對壓力小于外界大氣壓力時，所用的測壓儀表稱為真空表。真空表上的讀數(shù)表示被測流體的絕對壓力低于大氣壓力的數(shù)值。顯然，真空度為表壓的負值，并且設(shè)備內(nèi)流體的真空度愈高

13、，它的絕對壓力就愈低。 注意：大氣壓力的數(shù)值不是固定不變的，它隨大氣的溫度、濕度和所在地海拔高度而定，計算時應(yīng)以當時、當?shù)卮髿鈮簽闇省榱吮苊饨^對壓力、表壓力和真空度三者之間相互混淆，當壓力以表壓或真空度表示時，應(yīng)用括號注明，如未加注明，則視為絕對壓力。壓力計算時基準要一致。（3）系統(tǒng)與外界交換的能量 a.外加功 單位質(zhì)量流體從輸送機械中所獲得的能量稱為外加功，用We表示，其單位為J/kg。 外加功We是選擇流體輸送設(shè)備的重要數(shù)據(jù)，可用來確定輸送設(shè)備的有效功率Pe Pe=We qmb.損失能量 單位質(zhì)量流體流動時為克服阻力而損失的能量，用hf表示，其單位為J/kg。 2.柏努利方程 （1）實際

14、流體的柏努利方程 衡算范圍：1-1面、2-2面與壁面所圍成的封閉區(qū)域，設(shè)流體為不可壓縮流體，不變 衡算基準：1kg質(zhì)量的流體， 0-0面為基準面 若以0-0面為基準水平面，兩個截面距基準水平面的垂直距離分別為z1、z2，兩截面處的流速分別為u1、u2，兩截面處的壓力分別為p1、p2，流體在兩截面處的密度為，單位質(zhì)量流體從泵所獲得的外加功為We，從截面1-1流到截面2-2的全部能量損失為hf。 根據(jù)穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量守恒，輸入系統(tǒng)的能量應(yīng)等于輸出系統(tǒng)的能量能量衡算： 式中 gz1、 、 分別為流體在截面1上的位能、動能、靜壓能， J/kg； gz2、 、 分別為流體在截面2上的位能、動能、靜壓能

15、， J/kg；實際流體的柏努利方程反映了流體流動過程中各種能量的轉(zhuǎn)化和守恒規(guī)律，在流體輸送中具有重要意義。 注意：gz、 、 是指在某截面上1kg流體本身所具有的能量，而We、hf是指流體在兩截面之間所獲得和所消耗的能量。柏努利方程的得出是對流體進行能量衡算,必須確定衡算范圍。選截面：a. 垂直；b.沿流動方向上游為1截面，下游為2截面。選基準面：水平、可任選。（2）柏努利方程的討論 a.理想流體的柏努利方程 理想流體：無粘性、無壓縮性，流動時無阻力，hf = 0。當流動系統(tǒng)中無外功加入時（即We = 0）則 說明：理想流體穩(wěn)定流動時，總機械能為一常數(shù)。理想流體在流動系統(tǒng)的各截面上所具有的總機

16、械能相等，而每一種形式的機械能不一定相等，但各種形式的機械能可以相互轉(zhuǎn)換。b.可壓縮流體 對于可壓縮流體，若流動系統(tǒng)兩截面間的絕對壓力變化較小時（常規(guī)定為 %），仍可用柏式進行計算，但流體密度應(yīng)以兩截面間流體的平均密度m來代替。c.以單位重量（1N）流體為計算基準的柏努利方程將以1kg流體為基準的柏式中的各項除以g，則可得 令 則 z、 、 與Hf分別稱為位壓頭、動壓頭、靜壓頭與壓頭損失，而He則被稱為輸送設(shè)備對流體所提供的有效壓頭。（3）柏努利方程使用條件a. 穩(wěn)定、連續(xù)、不可壓縮系統(tǒng)。b.兩截面間流量不變，滿足連續(xù)性方程。（4）柏努利方程的應(yīng)用 a.確定高位槽供液系統(tǒng)的槽面高度b.確定輸送

17、設(shè)備的有效功率c.確定送液氣體的壓力d.流量測量 （5）解題要點A.作圖與確定衡算范圍 根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，并指明流體的流動方向，以明確流動系統(tǒng)的衡算范圍。B.截面的選取 截面應(yīng)與流向垂直；定出上（1-1）、下游（2-2）截面；兩截面間的流體必須是連續(xù)的，所求的未知量應(yīng)在截面上或在兩截面之間反映出來，且截面上有關(guān)物理量，除了所需求取的未知量外，都應(yīng)該是已知的或能通過其它關(guān)系計算出來。求有效功率，截面選在泵的兩側(cè)。C.基準水平面的選取 基準水平面可以任意選取，但必須與地面平行。為了計算方便，通常取基準水平面通過所選兩個截面中的任一個截面，一般選低位，如截面與基準面垂直，則取基準水平面通

18、過截面的中心，z值是指截面中心點與基準水平面間的垂直距離。D.單位必須統(tǒng)一 兩截面的壓力除要求單位一致外，還要求表示方法一致，應(yīng)為絕對壓力，但由于式中所反映的是壓力差，因此壓力也可以同時用表壓力。（6）解題步驟a. 作圖與選截面； b. 選取基準水平面；c.列方程，尋找已知條件，求解。（三）流體流動的型態(tài)1.流動類型的劃分 （1）雷諾實驗雷諾實驗裝置雷諾實驗現(xiàn)象層流：流體質(zhì)點沿管軸方向作直線運動，分層流動，又稱滯流 湍流：流體質(zhì)點除沿軸線方向作主體流動外，還在各個方向有劇烈的隨機運動，又稱紊流 說明：過渡狀態(tài)不是一種獨立的流動型態(tài)，介于層流與湍流之間?？梢钥闯墒遣煌耆耐牧?，或不穩(wěn)定的層流，或

19、者是兩者交替出現(xiàn)，隨外界條件而定，受流體流動干擾的控制。 （2）兩種流動型態(tài)層流與湍流在圓管內(nèi)的速度分布層流時其速度分布曲線呈拋物線形。如圖1-15所示。管壁處速度為零，管中心處速度最大。平均流速u0.5umax 湍流時其速度分布曲線呈不嚴格拋物線形。管中心附近速度分布較均勻，如圖1-16所示，平均流速u0.82umax 層流速度分布（1）雷諾準數(shù)Re2.流體流動型態(tài)的判定 雷諾準數(shù)，無單位。Re大小反映了流體的湍動程度，Re越大，流體流動湍動性越強。計算時只要采用同一單位制下的單位，計算結(jié)果都相同。 （2）判據(jù)Re2000 層流（滯流） Re=20004000 過渡狀態(tài)Re4000 湍流應(yīng)該

20、指出，在2000 Re 2000可作湍流處理。3.湍流流體中的層流內(nèi)層 層流內(nèi)層：當管內(nèi)流體做湍流流動時，管壁處的流速也為零，靠近管壁處的流體薄層速度很低，仍然保持層流流動，這個薄層稱為層流內(nèi)層。層流內(nèi)層的厚度隨雷諾準數(shù)Re的增大而減薄，但不會消失。層流內(nèi)層的存在，對傳熱與傳質(zhì)過程都有很大的影響。流體在管內(nèi)作湍流流動時，橫截面上沿徑向分為層流內(nèi)層、過渡層和湍流主體三部分。 層流內(nèi)層 1.流體的粘度（1）粘性流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦的性質(zhì)稱為流體的粘性。粘性大的流體流動性差，粘性小的流體流動性好。 粘性是流體的固有屬性，流體無論是靜止還是流動，都具有粘性。（四）流體在管內(nèi)的流動阻力 牛頓粘性定律牛頓

21、粘性定律，即流體層間的剪應(yīng)力與速度梯度成正比。式中比例系數(shù)，稱為動力粘度或絕對粘度，簡稱粘度。 服從牛頓粘性定律的流體，稱為牛頓型流體，所有氣體和大多數(shù)液體都屬于這一類。不服從牛頓粘性定律的流體，稱為非牛頓型流體。 流體相鄰層間的內(nèi)摩擦力即為F 若單位流層面積上的內(nèi)摩擦力稱為剪應(yīng)力，則 （2）粘度粘度是表征流體粘性大小的物理量，是流體的重要物理性質(zhì)之一，流體的粘性越大，粘度值越大，其值由實驗測定。影響因素： 流體的粘度是流體的種類及狀態(tài)（溫度、壓力）的函數(shù)，液體的粘度隨溫度升高而減小，氣體的粘度隨溫度升高而增大。壓力變化時，液體的粘度基本不變，氣體的粘度隨壓力增加而增加得很少，一般工程計算中可

22、以忽略。查?。耗承┏Ｓ昧黧w的粘度，可以從有關(guān)手冊和本書附錄中查得。單位及換算：在SI制中，粘度的單位是Pas，在工程上或文獻中粘度的單位常用cgs制，泊（P）或厘泊（cP）表示 1Pas =10P=1000cP在工業(yè)生產(chǎn)中常遇到各種流體的混合物。混合物的粘度，如缺乏實驗數(shù)據(jù)時，可參閱有關(guān)資料，選用適當?shù)慕?jīng)驗公式進行估算。流體在管路中流動時的阻力分為直管阻力和局部阻力兩種。直管阻力：流體流經(jīng)一定管徑的直管時，由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力。局部阻力：流體流經(jīng)管路中的管件、閥門及截面的突然擴大和突然縮小等局部地方所引起的阻力。總阻力：直管阻力和局部阻力的總和。 2.流動阻力（1）直管阻力a.范寧公式

23、直管阻力，也叫沿程阻力，指流體在直管內(nèi)流動時所受到的阻力。直管阻力通常由范寧公式計算，其表達式為： 式中： hf直管阻力，J/kg；摩擦系數(shù)，也稱摩擦因數(shù)，無量綱；l直管的長度，m；d直管的內(nèi)徑，m；u流體在管內(nèi)的流速，m/s。（1）直管阻力b.摩擦系數(shù)層流：流體作層流流動時，管壁上凹凸不平的地方都被有規(guī)則的流體層所覆蓋，與/d無關(guān)，摩擦系數(shù)只是雷諾準數(shù)的函數(shù)。代入范寧公式，則 湍流： 使用經(jīng)驗公式計算：各種經(jīng)驗公式，均有一定的適用范圍，可參閱有關(guān)資料。查莫狄（Moody）圖：可以方便地根據(jù)Re與/d值從圖中查得各種情況下的值。 根據(jù)雷諾準數(shù)的不同，可在圖中分出四個不同的區(qū)域：a層流區(qū) 當Re4000且在圖中虛線以下區(qū)域時，=f（Re，/d）。對于一定的/d，隨Re數(shù)值的增大而減小。d完全湍流區(qū) 即圖中虛線以上的區(qū)域，只取決于/d。當/d一定時，為定值。此區(qū)域內(nèi)，阻力損失與u2成正比，故又稱為阻力平方區(qū)。/d值越大，達到阻力平方區(qū)的Re值越低。莫狄圖某些工業(yè)管道的絕對粗糙度 管道類別絕對粗糙度/mm無縫黃銅管、銅管及鋁管新的無縫鋼管或鍍鋅鐵管新的鑄鐵管具有輕度腐蝕的無縫鋼管具有重度腐蝕的無縫鋼管舊的鑄