流體流動(dòng)與流體輸送機(jī)械

1、重要知識(shí)點(diǎn)重要知識(shí)點(diǎn) （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）實(shí)際流體的機(jī)械能衡算方程及應(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）離心泵的性能參數(shù)、特性曲線和管路特性曲線雷諾數(shù)的定義和意義 連續(xù)性方程離心泵的功率（泵的軸功率、有效功率）一、壓力的表示方法表壓=絕壓-當(dāng)?shù)卮髿鈮赫婵斩?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?= - 表壓 例某系統(tǒng)真空度為200mmHg，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3kPa，則：表壓真空度-(200101.3)/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

2、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。duRe數(shù)群中的各個(gè)物理量必須采用同一單位制數(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)程度小。三、管內(nèi)流體的質(zhì)量衡算連續(xù)性方程21mssm222111AuAu從截面1-1流入的流體質(zhì)量流量ms1應(yīng)等于從截面2-2流出的流體質(zhì)量流量ms2,即

3、又因?yàn)檫B續(xù)性連續(xù)性方程方程對(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. 圓管的平均流速與管道管徑的平方成反比總管中的質(zhì)量流量為各支管質(zhì)量流量之和對(duì)于圓管如果管路有分支于是得到四、管內(nèi)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)械能以克服阻力，造成流體的能量損失。fwPugZwPugZ2222e12112121以1Kg流體計(jì)的不可壓縮實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式1.實(shí)際流體的機(jī)械能衡算gz位壓能 u2/2動(dòng)能 P1/靜壓能 We外加功 Wf能量損失 單位J/kg除以重力加速度g，并令We/g=he，Wf/g=hf，則得到單位

4、重量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式fhgPguZgPguZ2222e12112h2Z位壓頭 u2/2g動(dòng)壓頭（速度頭） P/g靜壓頭he外加壓頭 hf壓頭損失 單位均為m若同時(shí)乘以流體密度，又令We=Pe，Wf=Pf，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Pe以單位體積流量計(jì)的外加能量Pf壓力損失 單位均為J/m3,即PaPf壓力損失與hf壓頭損失的關(guān)系 Wf=PfWf/g=hfghf=Pf2.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：222212e121211PugZWPugZ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=

5、0，于是上式化簡為：222212121211PugZPugZ伯努利伯努利方程方程以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,We=0,Wf=0,于是實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式變?yōu)椋?211P

6、gZPgZ流體靜力流體靜力學(xué)方程學(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f222212112121WPugZPugZ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1-3 如圖所示，封閉的罐內(nèi)存有密度為1000kg/m3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)的阻力損失管道的總阻力沿程阻力損失局部阻力損失流體流經(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)生大量漩渦，導(dǎo)致很大的機(jī)械能損

7、失，這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（1）沿程阻力損失的計(jì)算單位質(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范范寧寧公公式式無論對(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圓形直管內(nèi)流動(dòng)的阻力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潤濕周邊長流通截面積水力半徑44ed環(huán)形管潤濕周邊長為 (D+d)，則當(dāng)量直徑為de當(dāng)量直徑(Pa)(m) 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)圖來確定完全湍流，完全湍流，粗糙管粗糙管湍湍流流區(qū)

8、區(qū)過過渡渡區(qū)區(qū)層流區(qū)層流區(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)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）管內(nèi)流動(dòng)的總阻力的計(jì)算總的阻總的阻力公式力公式六、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

9、長和阻力損失，求管徑已知管徑、管長和阻力損失，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。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。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

10、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。（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)象原 因當(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)，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

11、該處汽化并產(chǎn)生的汽泡，被液流帶入葉輪內(nèi)壓力較高處凝部分液體將在該處汽化并產(chǎn)生的汽泡，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)，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。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。過工作溫度下被輸送液體的

12、飽和蒸汽壓。(1)離心泵的性能參數(shù) 1. 1.流量（流量（Q 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m3/h； 2.2.壓頭（壓頭（H 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he為3.3.效率（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/N4泵的有效功率（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KW5.5.軸功率（軸功率（N N）： 指離心泵的泵軸所需的功率，單位為W或kWN-泵的軸功

13、率，WH-泵的壓頭，mQ-泵的流量， m3s-1-液體的密度，kg/ m3(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

14、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a. 流體密度的影響 液體粘度的改變將直接改變其在離心泵內(nèi)的能量損失，因此，HQ、NQ、Q曲線都將隨之而變。 轉(zhuǎn)速的影響比例定律比例定律2121nnQQ22121)(nnHH32121)(nnNN葉輪直徑的影響切割定律切割定律22DDQQ222)(DDHH322)(DDNN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He-Qe線的交點(diǎn)（M 點(diǎn))。 離心泵的流量調(diào)節(jié) 離心泵流量的調(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

15、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：fWPugzPugz2222121122式中：（表壓），002121ppzhz1-1截面比2-2截面面積大得多， 將Wf=20J/kg,U2=1m/s

16、代入得202181.9hm09.2h解得也就是高位槽液面應(yīng)比虹吸管出口高 2.09m1-10 一制冷鹽水循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)量為一制冷鹽水循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)量為45m3/h，鹽水流，鹽水流經(jīng)管路的壓頭損失為：從經(jīng)管路的壓頭損失為：從A至至B的一段為的一段為9m，從，從B至至A的一段為的一段為12m，鹽水的密度為，鹽水的密度為1100kg/m3。試求：（。試求：（1）泵的軸功率，設(shè)其效率為泵的軸功率，設(shè)其效率為0.65.；（；（2）若）若A處的壓力表處的壓力表讀數(shù)為讀數(shù)為0.15MPa，則，則B處的壓力表讀數(shù)為多少處的壓力表讀數(shù)為多少M(fèi)pa？1-121-12如圖所示，水由高位水箱經(jīng)管路從噴嘴如圖所示，水由

17、高位水箱經(jīng)管路從噴嘴流出，已知流出，已知d d1 1=125mm=125mm，d d2 2=100mm=100mm，噴嘴出口，噴嘴出口d d3 3=75mm=75mm，壓差計(jì)讀數(shù)，壓差計(jì)讀數(shù)R=80mmHgR=80mmHg，若阻力損失，若阻力損失可忽略，求可忽略，求H H和和P PA A1-20 1-20 在在2020下將苯液從貯槽中用泵送至反應(yīng)器，經(jīng)過長下將苯液從貯槽中用泵送至反應(yīng)器，經(jīng)過長40m40m的的57mm57mm2.5mm2.5mm鋼管，管路上有兩個(gè)鋼管，管路上有兩個(gè)9090的彎頭的彎頭，一一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)閥個(gè)標(biāo)準(zhǔn)閥（按（按1/21/2開度開度計(jì)算）。管路出口在貯槽的液面以計(jì)算）。管路出口

18、在貯槽的液面以上上12m12m。貯槽與大氣相通，而反應(yīng)器是在。貯槽與大氣相通，而反應(yīng)器是在500KPa500KPa下操作。下操作。若要維持若要維持1.7L/S1.7L/S的體積流量，求的體積流量，求泵所需的功率泵所需的功率。泵的效率。泵的效率為為0.50.5。如圖所示，用泵將水從貯槽送至敞口高位槽，兩槽液面均恒定不變，輸送管路尺寸為833.5mm，泵的進(jìn)出口管道上分別安裝有真空表和壓力表，真空表安裝位置離貯槽的水面高度H1為4.8m，壓力表安裝位置離貯槽的水面高度H2為5m。當(dāng)輸水量為36m3/h時(shí)，進(jìn)水管道全部阻力損失為1.96J/kg，出水管道全部阻力損失為4.9J/kg，壓力表讀數(shù)為2.452105Pa，泵的效率為70%，水的密度為1000kg/m3，試求：（1）兩槽液面的高度差H為多少？（2）泵所需的實(shí)際功率為多少？（3）真空表的讀數(shù)為多少？HH1H2在貯槽液面0-0與真空表所在截面1-1列機(jī)械能衡算方程，有 2-3 如圖所示的循環(huán)管路系統(tǒng)，管內(nèi)徑均為如圖所示的循環(huán)管路系統(tǒng)，管內(nèi)徑均為40mm，管，管路摩擦系數(shù)為路摩擦系數(shù)為0.02，吸入管路和壓出管路總長為，吸入管路和壓出管路總長為10m(包括所有局部阻力的當(dāng)量長度在內(nèi)包括所有局部阻力的當(dāng)量長度在內(nèi))。閥門全開