流體的流動(dòng)過(guò)程及流體輸送設(shè)備

1、第3章流體的流動(dòng)過(guò)程及流體輸送設(shè)備3.1基本的基本性質(zhì)1 教學(xué)目的和要求：掌握流體的基本性質(zhì)；推導(dǎo)牛頓粘性定律。2 .本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)：流體的基本性質(zhì)3 .本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)：粘度及牛頓粘性定律4.教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)研究流體的流動(dòng)和輸送主要解決以下問(wèn)題： 確定輸送流體所需管徑。管徑由生產(chǎn)任務(wù)及被輸送流體在流動(dòng)過(guò)程的物料和能量衡算 決定； 確定輸送流體所需能量和設(shè)備。根據(jù)流體的性質(zhì)、輸送的距離和管路阻力等，計(jì)算所需的能量，選擇合適的輸送設(shè)備； 流體性能參數(shù)的測(cè)量和控制。 監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，準(zhǔn)確而及時(shí)地測(cè)量流體流動(dòng)時(shí)的各參數(shù)， 選用可靠而準(zhǔn)確的測(cè)量和控制儀表； 研究流體的流動(dòng)形態(tài)，為強(qiáng)化設(shè)備和操作提供依據(jù)。觀

2、察流動(dòng)形態(tài)，選用合適設(shè)備； 了解輸送設(shè)備的工作原理和性能，正確使用輸送設(shè)備。壓力有兩種不同的表達(dá)方式。一是絕對(duì)壓力：以絕對(duì)零壓為起點(diǎn)而計(jì)量的壓力；另一是表壓或真空度：以大氣壓力為基準(zhǔn)而計(jì)量的壓力。當(dāng)被測(cè)容器的壓力高于大氣壓時(shí)，所測(cè)壓力稱(chēng)為表壓，當(dāng)測(cè)容器的壓力低于大氣壓時(shí)（工 程上稱(chēng)為負(fù)壓），所測(cè)壓力稱(chēng)為真空度。壓力的換算關(guān)系：表壓 =絕對(duì)壓力-大氣壓力真空度=大氣壓力-絕對(duì)壓力3. 流量和流速流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量，稱(chēng)為流體的流量。若流體量用體積來(lái)計(jì)量，稱(chēng)為體積流量，以符號(hào) qv表示，單位為m3f ；若流體量用質(zhì)量來(lái)計(jì)量，則稱(chēng)為質(zhì)量流量，以符號(hào)qm表示，其單位為kgs-1

3、。若流體量用物質(zhì)的量表示，稱(chēng)為摩爾流量，以符號(hào)qn表示，其單位為 mol s-1。體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為：qm= " qv質(zhì)量流量與摩爾流量的關(guān)系為：qm= Mqn流速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動(dòng)方向所流過(guò)的距離，稱(chēng)為流體的流速，以U表示，單位為 ms-1。流速是指流道整個(gè)截面上的平均流速，以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值表示：u=qv/ S流速的分布：由于流體本身的粘滯性以及流體與管壁之間存在摩擦力，所以流體在管道內(nèi)同一截面上各點(diǎn)的流速是不相同的。管道中心流速最大，離管中心越遠(yuǎn)，流速越小，在緊靠管壁處，流速為零。工業(yè)上流速范圍大致為：液體1.53.0ms-1,高粘度

4、液體 0.51.0 m-s-1;氣體1020m-s-1，高壓氣體1525 m -s-1;飽和水蒸氣 2040 ms-1，過(guò)熱水蒸氣 3050 ms-1。4. 粘度粘性是流體內(nèi)部摩擦力的表現(xiàn)，粘度是衡量流體粘性大小的物理量，是流體的重要參數(shù)之一。流體的粘度越大，其流動(dòng)性就越小。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于一定的液體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層間的速度差：u呈正比，與兩層間的接觸面積A呈正比，而與兩層間的垂直距離Ay呈反比，即：F CC （厶 u/ ：y）A引入比例系數(shù).二，則:F=丄（二u/iy）A內(nèi)摩擦力F的方向與作用面平行。單位面積上的內(nèi)摩擦力稱(chēng)為內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力，以T表示，則有:當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，徑向速度

5、的變化并不是直線(xiàn)關(guān)系，而是曲線(xiàn)關(guān)系，則有：=(du/dy)du/dy 與流動(dòng)方向相垂直的 y方向上流體速度的變化率J 比例系數(shù)，亦稱(chēng)為粘性系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)粘度。上式稱(chēng)為牛頓粘性定律。凡符合牛頓粘性定律的流體稱(chēng)為牛頓型流體，所有氣體和大多數(shù)液體都屬于牛頓型流體。反之，為非牛頓型流體，如某些高分子溶液、膠體溶液及泥漿等。液體的粘度隨著溫度的升高而減小，氣體的粘度隨著溫度的升高而增加。壓力變化時(shí)， 液體的粘度基本上不變，氣體的粘度隨壓力的增加而增加得很少。粘度的單位為：-2-1 -1-2 .L= ./(du/dy)=(N m )/(m m )= N - s m = Pas1 P= 100cP(厘泊)=10

6、-1Pa s。流體的粘度還用粘度 與密度r的比值來(lái)表示，稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)粘度，以表示之，即：、=/ r運(yùn)動(dòng)粘度的單位為 m2 s-1。1 st = 100 cst(厘沲)=10-4m2 s-1工業(yè)上各種混合物粘度用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定，缺乏數(shù)值時(shí)，可參考有關(guān)資料以選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。對(duì)氣體混合物的粘度，可采用下式進(jìn)行計(jì)算：J m=( 7 y i 丄iMi1/2/ 7 yi Mi 2對(duì)分子不發(fā)生締合的液體混合物的粘度，可采用下式進(jìn)行計(jì)算：lgm八x lg叫3.2流體流動(dòng)的基本規(guī)律1 教學(xué)目的和要求：掌握流體流動(dòng)的基本規(guī)律；掌握流體流動(dòng)過(guò)程中的物料衡算和能量衡算。2 本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn) ：流體流動(dòng)過(guò)程中的物

7、料衡算和能量衡算3 本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)：流體流動(dòng)過(guò)程中的物料衡算和能量衡算4.教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)1定態(tài)流動(dòng)和非定態(tài)流動(dòng)流體在管道或設(shè)備中流動(dòng)時(shí)，若在任一截面上流 體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改變, 但不隨時(shí)間而改變，稱(chēng)為定態(tài)流動(dòng)；只要有一項(xiàng)隨時(shí) 間而變化，則稱(chēng)為非定態(tài)流動(dòng)。如圖。2 流體定態(tài)流動(dòng)過(guò)程的物料衡算 一一連續(xù)性方程當(dāng)流體作定態(tài)流動(dòng)時(shí)， 根據(jù)質(zhì)量作用定律， 在沒(méi)有物料累積和泄漏情況下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)流動(dòng)系統(tǒng)任一截面的流體的質(zhì)量應(yīng)相等。如圖所示，對(duì)截面1 1和2 2之間作衡算，單位時(shí)間流入截面1 1的流體質(zhì)量應(yīng)等于 流出截面22'的流體的質(zhì)量，即：qm,1=qm,2推廣到

8、任何一個(gè)截面，則：qm=1U1S1=nUnSn =常數(shù)對(duì)于不可壓縮流體，即上式；?=常數(shù)，則：qv=U1S1 = U2S2= =UnSn=常數(shù)不可壓縮流體不僅流經(jīng)各截面的質(zhì)量流量相等，它們的體積流量也相等。它反映在定態(tài)流動(dòng)體系中，流量一定時(shí)，管路各截面上流體流速的變化規(guī)律。3流體定態(tài)流動(dòng)過(guò)程的能量衡算一一柏努利方程流動(dòng)體系的能量形式主要有：流體的動(dòng)能、位能、靜壓能以及流體本身的內(nèi)能。前三種 又稱(chēng)為流體的機(jī)械能。(1) 理想流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算所謂理想流體是指在流動(dòng)時(shí)內(nèi)部沒(méi)有內(nèi)摩擦力存在的流體，即粘度為零。若過(guò)程中沒(méi)有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒(méi)有變化， 則理想流體流動(dòng)時(shí)的能量恒算可以只考慮機(jī)械能

9、之間的相互轉(zhuǎn)換。(1)理想流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算所謂理想流體是指在流動(dòng)時(shí)內(nèi)部沒(méi)有內(nèi)摩擦力存在的流體，即粘度為零。若過(guò)程中沒(méi)有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒(méi)有變化， 則理想流體流動(dòng)時(shí)的能量恒算可以只考慮機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。1| P2叭-4 r円 °基準(zhǔn)面截面22”之間應(yīng)符合：' E入八E出即mgZi+m ui2/2+pim/=mgZ2+m U22/2+p2m/單位質(zhì)量流體，則：2 2gZi+ ui /2+pi/=gZ2+U2 /2+p2/對(duì)于單位重力(重力單位為牛頓)流體，則有：Zi+ ui2/(2 g)+p i/( ' g) =Z2+U22/(2g)+p2/( '

10、 g)上式稱(chēng)為：理想流體在定態(tài)流動(dòng)時(shí)的能量衡算方程式，又稱(chēng)為柏努利方程 equation)。工程上，將單位重力的流體所具有的能量單位為J N-1,即m如圖，根 據(jù)能量守恒定 律，沒(méi)有外界 能量輸入，在 截面11”和(Bernoulli稱(chēng)為壓頭”，則Z、u2/(2g)和p/(g)分別是以壓頭形式表示的位能、動(dòng)能和靜壓能，分別稱(chēng)為位壓 頭、動(dòng)壓頭和靜壓頭。理想流體在管道各截面上的每種能量并不一定相等，在流動(dòng)時(shí)可相互轉(zhuǎn)化，但其在管道任一截面上各項(xiàng)能量之和相等，即總能量(或總壓頭)是常數(shù)。(2) 實(shí)際流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算實(shí)際流體在流動(dòng)時(shí)，由于流體粘性的存在，必然造成阻力損失。單位重力的流體在定態(tài)流動(dòng)

11、時(shí)因摩擦阻力而損失的能量(壓頭)記為送hf；,單位J N-1或m。為克服流動(dòng)阻力使流體流動(dòng)，往往需要安裝流體輸送機(jī)械。設(shè)單位重力的流體從流體輸送機(jī)械所獲得的外加壓頭為He,單位J N-1域m。則實(shí)際流體在流動(dòng)時(shí)的柏努利方程為：Z什 ui2/(2 g)+pi/( Eg) +He=Z2+U22/(2g)+p2/( ：、g)+ hf(3 22)以上得到的各種形式柏努利方程僅適用于不可壓縮的液體。對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的流體，u=0,沒(méi)有外加能量，He =0,而且也沒(méi)有因摩擦而造成的阻力損失'、 hf= o,則柏努利方程簡(jiǎn)化為：Z什 pi/(g) =Z2+p2/(g)或pi- p2=g(Zi -Z 2)4

12、.流體流動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用舉例連續(xù)性方程和柏努利方程可用來(lái)計(jì)算化工生產(chǎn)中流體的流速或流量、流體輸送所需的壓頭和功率等流體流動(dòng)方面的實(shí)際問(wèn)題。在應(yīng)用柏努利方程時(shí)，注意以下幾點(diǎn)。 作圖：根據(jù)題意作出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，注明流體的流動(dòng)方向。 截面的選?。捍_定出上下游截面以明確對(duì)流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍。 基準(zhǔn)水平面的選?。簽榱撕?jiǎn)化計(jì)算，通常將所選兩個(gè)截面中位置較低的一個(gè)作為基準(zhǔn)水平面。如果截面與基準(zhǔn)水平面不平行，則Z值是指截面中心點(diǎn)與基準(zhǔn)水平面的垂直距離。 單位統(tǒng)一：方程式兩側(cè)的各個(gè)物理量單位必須一致，最好均采用國(guó)際單位制。(1) 管道流速的確定例3l今有一離心水泵，其吸入管規(guī)格為茂88.5 mm X4 mm，壓

13、出管為75.5 mm X3.75mm，吸入管中水的流速為1.4 m s-1,試求壓出管中水的流速為多少？解：吸入管內(nèi)徑 dl=88.5 2 X4= 80.5 mm壓出管內(nèi)徑 d2= 75.5 2 X3.75=68 mm根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性方程U£1= U2S2圓管的截面積S=：d2/4，于是上式寫(xiě)成：U2/ 5=(d 1/ d?)2故壓出管中水的流速為：2 2 1 1U2=(di/d2) ui=(80.5/68) X1.4m s- = 1.96 m s'當(dāng)流量一定時(shí)，圓管中流體的流速與管徑的平方呈反比。(2) 容器相對(duì)位置的確定例32采用虹吸管從高位槽向反應(yīng)釜中加料。高位

14、槽和反應(yīng)釜均與大氣相通。要求物料在管內(nèi)以1.05 m s'1的速度流動(dòng)。若料液在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的能量損失為2.25 J N-1(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米才能滿(mǎn)足加料要求？取高位槽的液面為截面1 1'虹吸管的出口內(nèi)側(cè)為截面22'并取截面22'為基準(zhǔn)水平面。在兩截面間列出柏努利方程式：Z什 ui2/(2 g)+pi/( ''g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hf式中 乙冷，ui =0 pi=O(表壓)，He =0 ；-1Z2= 0,氏=1.05 m s- , P2=0(表壓),、hf= 2.25

15、 J N-1代入柏努利方程式，并簡(jiǎn)化得：2 2 2 2h= 1.05 m /2 %.81 m + 2.25m=2.31m即高位槽液面應(yīng)比虹吸管的出口高2.31m，才能滿(mǎn)足加料的要求。(3) 送料用壓縮空氣的壓力的確定例 3 3某生產(chǎn)車(chē)間用壓縮空氣壓送20C, H2SO4= 98.3%的濃硫酸。若每批壓送量為0.36 m3,要求在10 min內(nèi)壓送完畢。管子為 尬38 mm x 3 mm鋼管，管子出口在硫酸罐液 面上垂直距離為 15 m。設(shè)硫酸流經(jīng)全部管路的能量損失為1.22 J N-1(不包括出口的能量損失)，試求開(kāi)始?jí)核蜁r(shí)，壓縮空氣的表壓力為多少？壓縮空氣解：繪示意圖。取硫酸罐內(nèi)液面為截面1

16、 1'硫酸出口管管口內(nèi)側(cè)為截面22'并以截面1 1'為基準(zhǔn)水平面。在兩截面間列出拍努利方程式：Z什 u12/(2 g)+p('g) +He=Z2+U22/(2g)+p2/('g)+、hf式中 Z1=0, uiZ2= 15 m, U2=qv/S, P2 = 0(表壓)，E hf= 1.22 J N因?yàn)?qv=0.36 m3/ (10 >60 S) = 6.0 X0 4 S1S=: >(0.038 2 >0.003)2 m2/ 442=8.0410 m故u2= qV/S = 6.0 10 4m3 S-1/(8.04 10-4m2)-1=0.

17、746 m s由手冊(cè)查得，20C濃硫酸的密度 "=1831 kg m-3將上列數(shù)據(jù)代入拍努利方程式：3 2222pi/(1831 kg m»9.81m s )= 15 m + 0.746 m-s /(2 >>9.81m s )+ 1.22m解得：Pi= 2.92 >05N -m-2(表壓)即開(kāi)始?jí)核蜁r(shí)，壓縮空氣的表壓力至少為2.92 >05Nm-2。（4）流體輸送設(shè)備所需功率的確定例34用離心泵將貯槽中的料液輸送到蒸發(fā)器內(nèi)，敞口 貯槽內(nèi)液面維持恒定。已知料液的密度為1200 kg m-3,蒸發(fā)器上部的蒸發(fā)室內(nèi)操作壓力為200 mmHg（真空度）,蒸發(fā)

18、器進(jìn)料口高于貯槽內(nèi)的液面15 m，輸送管道的直徑為 血68 min >4mm送液量為20 m3 h-1。設(shè)溶液流經(jīng)全部 管路的能量損失為12.23 J N-1（不包括出口的能量損失）,若泵的效率為60 %，試求泵的功率。解:取貯槽液面為截面 1 1 '管路出口內(nèi)側(cè)為截面 2 2'以截面1 一 l為基準(zhǔn)水平面。在截面1 1'和截面22'可能量衡算，有:Z什 u12/(2 g)+p1/( Eg) +He=Z2+u22/(2g)+p2/( r g)+、 hf式中 Z|=0, ui0 p 1 = 0(表壓)；Z2 = 15 m, 因?yàn)閝v = 20/3600 =

19、15.56 >0-3m3 s-1S=二 >0.0682 0.004) m /4-32=2.83>0 m故 U2= qv/S= 5.56 >0-3m3 S-1/2.83 > 3m2=1.97 m s-1又 P2= 200 XI.013 >05/760=2.67>4Pa(真空度)=-2.671>4Pa(表壓)、hf= 12.23 J N-1將上列各數(shù)值代入拍努利方程式得：He= 15 m + 1.9722m2 s 2/(2 >9.81m s-1) 2.67 >04-2 1 “-2 -2kg s m / (1200 >9.81 kg

20、s- m )+12.23 m=25.16 m 液柱泵理論功率：Ne = qmgHe= ?qvgHe=1200 kg m-3 X5.56 10 m3 s-1X9.81 m/s2 >25.16m3=1.65 >10 W = 1.65kw實(shí)際功率：Na=Ne/ =1.65kw/0.60=2.75 kw3.3流體壓力和流量的測(cè)量1 教學(xué)目的和要求：理解各種測(cè)壓儀表的測(cè)壓原理；推導(dǎo)孔板流量計(jì)及其它流量計(jì)測(cè)量流體流量的關(guān)系式；了解介紹管、管件及閥門(mén)；2本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)：孔板流量計(jì)及其它流量計(jì)測(cè)量流體流量的工作原理和計(jì)算關(guān)系式;3 本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)：孔板流量計(jì)及其它流量計(jì)測(cè)量流體流量的關(guān)系式4.教學(xué)

21、時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)1. 流體壓力的測(cè)量對(duì)處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體，柏努利方程簡(jiǎn)化為：P2-p仁：g = (Zi -Z2)(1) U形管壓力計(jì)U形管壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖 3 8所示。管中盛有與測(cè)量液體不互溶、 密度為的指示劑。U形管的兩個(gè)側(cè)管分別連接到被測(cè)系統(tǒng)的兩點(diǎn)。隨測(cè)量的壓力差的不同U形管中指示液所顯示的高度差亦不相同，根據(jù) (323b)式，可推得：p= p2-pi=( r i -(Zi -Z2)= ( 6- r )g ：: R測(cè)系統(tǒng)中某點(diǎn)壓力時(shí)，若U形管壓力計(jì)的一側(cè)與大氣相通，測(cè)量的是表壓或真空度。若被測(cè)量的流體是氣體，一般情況下，氣體的密度較指示液的密度小得多，上式簡(jiǎn)化為：.:p= p2 -pi= i

22、g(Zi -Z2)= ig. ：R(2) 倒置U形管壓力計(jì)倒置U形管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)如圖示。以被測(cè)液體為指示液，液體的上方充滿(mǎn)空氣，空氣通過(guò)頂端的旋塞調(diào)節(jié)。(3) 微差壓力計(jì).: p= P2 Pi=( ?i-2)g . ： R在被測(cè)系統(tǒng)的壓力差p也一定時(shí)，若所選用的兩種指示液的密度差(t 12)越小，貝也示值厶R就越大，即提高了測(cè)量的靈敏度。上述各種壓力計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，測(cè)壓準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)室有廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)是不耐高壓，測(cè)量范圍受到限制。當(dāng)測(cè)量較高壓力時(shí)，可采用彈簧管壓力計(jì)，即通常所說(shuō)的壓力表。2. 流體流量的測(cè)定利用流體的機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)的流體流量測(cè)量?jī)x表：孔板流量計(jì)，文丘里流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。(1

23、)孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，圖所示。右液柱壓力計(jì)的讀數(shù)為.'：R,指示液的密度為6，則Uo " f)Co的值由實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定，一般情況下，其值為0.610.63。將上式換算為流量計(jì)算公式為孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，應(yīng)用較廣泛，缺點(diǎn)是能量損耗較大。(2) 文丘里流量計(jì)文氏流量計(jì)針對(duì)孔板流量計(jì)能量損耗較大的缺點(diǎn)，參照孔板流量計(jì)孔板前后的流體流線(xiàn)形狀設(shè)計(jì)而成的，所示。主要部件為收縮管和擴(kuò)大管， 兩者的中心角度依次為 15°20°和5°7 °結(jié)合處的截面積最小，稱(chēng)為“喉管”。文氏流量計(jì)的流量與測(cè)壓仿照孔板流量計(jì)推導(dǎo)出:qv= uo

24、So= cv So2g R( - )式中：Cv為文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)，同樣需要由實(shí)驗(yàn)測(cè)定， 在湍流情況下，其值約為0.98,So為喉管處的截面積。文丘里流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)能量損耗比孔板流量計(jì)要小得多，加工制造比孔板流量計(jì)復(fù)雜。(3)轉(zhuǎn)子流量計(jì)tirTJ并求出流量得qv= urSr=crSr . 2g-p/g式中SR轉(zhuǎn)子與玻璃管環(huán)隙的面積，m2qv 流體的體積流量， m31由于環(huán)隙的面積Sr隨著流體的流量而改變，其大小則決定于轉(zhuǎn)子位置的高低，因此流 體的流量與轉(zhuǎn)子的高度保持一定的關(guān)系。轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子可以采用不銹鋼、銅及塑料等各種抗腐蝕材料制成，使用維護(hù)也很方便，使用廣泛，適用于中小流量的測(cè)定，常用

25、于2”以下管道系統(tǒng)中，耐壓在300400 kPa范圍。3.4 管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力1教學(xué)目的和要求：掌握兩種流動(dòng)形態(tài)及其判據(jù)； 理解流體流動(dòng)邊界層及其特點(diǎn)； 結(jié)合流體流動(dòng)阻力計(jì)算公 式的推導(dǎo)， 掌握局部管件阻力和直管阻力的計(jì)算方法； 掌握簡(jiǎn)單管路的計(jì)算方法； 理解流體 流動(dòng)管路設(shè)計(jì)的基本方法； 了解離心泵的結(jié)構(gòu)和工作原理， 掌握離心泵性能曲線(xiàn)的測(cè)定方法； 2本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn) ： 局部管件阻力和直管阻力的計(jì)算方法，簡(jiǎn)單管路的計(jì)算方法、離 心泵性能曲線(xiàn)的測(cè)定方法；3 本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)： 局部管件阻力和直管阻力的計(jì)算方法。4. 教學(xué)時(shí)數(shù)： 2 學(xué)時(shí)1. 管、管件及閥門(mén)簡(jiǎn)介( 1) 管 鑄鐵管、鋼管、特殊鋼

26、管、有色金屬管、塑料管及橡膠管等。鋼管又分有縫鋼管和無(wú)縫 鋼管， 前者多用低碳鋼制成；后者的材料有普通碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼以及不銹鋼等。鑄鐵管常用 于埋在地下的給水總管、煤氣管及污水管等?；ぶ械墓茏影凑展懿牡男再|(zhì)和加工情況， 分為光滑管和粗糙管。 通常把玻璃管、 銅管、 鉛管及塑料管等稱(chēng)為光滑管；把舊鋼管和鑄鐵管稱(chēng)為粗糙管。(2)管件管件為管與管的連接部分，它主要是用來(lái)改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞 管道等。(3)閥門(mén)閥門(mén)安裝于管道中用以切斷流動(dòng)或調(diào)節(jié)流量。 常用的閥門(mén)有 截止閥、閘閥和止逆閥 等。-招 襪止御ffl A - 16 閘閥圈3-17止逆曲 截止閥，它是依靠閥桿的上升或下降，以

27、改變閥盤(pán)與閥座的距離，從而達(dá)到切斷流動(dòng) 或調(diào)節(jié)流量的目的。 閘閥 閘閥又稱(chēng)為閘板閥。閘閥是利用間板的上升或下降來(lái)調(diào)節(jié)管路中流體的流量。閘閥 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流體阻力小，且不易為懸浮物所堵塞，所以常用于大直徑管道。其缺點(diǎn)是閘閥 閥體高，制造和檢修較困難。 止逆閥 止逆閥又稱(chēng)為單向閥。它只允許流體單向流動(dòng)。當(dāng)流體自左向右流動(dòng)時(shí)，閥自動(dòng) 開(kāi)啟；如流體反向流動(dòng)時(shí)，閥自動(dòng)關(guān)閉。止逆閥只在單向開(kāi)關(guān)的特殊情況下使用。2. 流動(dòng)的形態(tài)圖3館雷謹(jǐn)實(shí)臉(c)輝訐巒器遼莎;(1)兩種流動(dòng)形態(tài)圖3 - 19流體機(jī)動(dòng)形奇示意圈滯流：充滿(mǎn)玻璃管內(nèi)的水流如同一層層平行于管壁的圓筒形薄層，各層以不同的流速向 前運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)形態(tài)

28、稱(chēng)為滯流或?qū)恿鳌Ｍ牧鳎罕砻魉馁|(zhì)點(diǎn)除了沿著管道向前流動(dòng)以外，各質(zhì)點(diǎn)還作不規(guī)則的紊亂運(yùn)動(dòng)，且彼此相互碰撞，互相混合，水流質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向流動(dòng)外，還有徑向的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)形態(tài) 稱(chēng)為湍流或紊流。(2)流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)雷諾數(shù)，以符號(hào) Re表示：Re= du ' / J雷諾數(shù)是量綱為一的數(shù)群，是一個(gè)特征數(shù)，計(jì)算時(shí)注意式中各個(gè)物理量必須采用統(tǒng)一的單位 制。Rev 2 000，流體流動(dòng)雷諾數(shù)可以作為流體流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)。流體在直管中流動(dòng)時(shí)，當(dāng)形態(tài)為滯流；當(dāng)Re> 4 000時(shí)，流體流動(dòng)形態(tài)為湍流；而當(dāng)2000 v Rev 4000時(shí)，流體的流動(dòng)則認(rèn)為處于一種過(guò)渡狀態(tài)，可以是滯流，也可以 是湍

29、流，取決于流動(dòng)的外部條件。滯流和湍流是兩種本質(zhì)不同的流動(dòng)形態(tài)，兩者在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。流體流動(dòng)阻力的大小與雷諾數(shù)有直接聯(lián)系，流體流動(dòng)的雷諾數(shù)越大，流體的湍動(dòng)程度越大， 流動(dòng)阻力也愈大。(3) 滯流和湍流的特征滯流：流速沿管徑呈拋物線(xiàn)分布，管中心處流速最大， 管截面各點(diǎn)速度的平均值為管中心處最大速度的0.5倍；湍流：流體質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈湍動(dòng)有利于交換能量，使得管截面靠中心部分速度分布比較均勻流 速分布曲線(xiàn)前沿平坦，而近壁部分的質(zhì)點(diǎn)受壁面阻滯，流速分布較為陡峭，顯然，湍流的流速分布曲線(xiàn)與雷諾數(shù)大小有關(guān)，湍流的平均速度約為最大速度的0.8倍。(») 圖3-加滯施(叮和簡(jiǎn)流(b)的流速分布湍流

30、流動(dòng)還有一個(gè)特征，無(wú)論流體主體的湍動(dòng)程度如何劇烈，在靠近管壁處總有一層作滯流流動(dòng)的流體薄層，稱(chēng)之為滯流底層。其厚度隨雷諾數(shù)的增大而減小，但永遠(yuǎn)不會(huì)消失。 滯流內(nèi)層的存在對(duì)傳熱過(guò)程和傳質(zhì)過(guò)程有很大的影響。工業(yè)生產(chǎn)中的流體流動(dòng)大多數(shù)是以湍流形態(tài)進(jìn)行的。例35在168 mm X 5 mm的無(wú)縫隙鋼管中輸送原料油，已知油的運(yùn)動(dòng)粘度為90cst,密度為910 kg m-3,試求燃料油在管中作滯流時(shí)的臨界速度。解：因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)粘度 v=/'，又在滯流時(shí) Re的臨界值為2 000,代入Re= dW 得:Re = du=du/= 2 000其中 d= 168-2 X5=158 mm=0.158 m-22亠

31、 ,-5 2 -1v = 9 0 cst= 90 X0 X 10-4m s = 9 X10 m s故臨界速度為 u= 2000 X9 X0-5m2 s-1/0.158m = 1.14m s-1計(jì)算非圓形管的 Re值時(shí)，要以當(dāng)量直徑 de代替do ,當(dāng)量直徑de定義為：de=4 X流體流動(dòng)截面積/流道潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度例如邊長(zhǎng)為a的方形管道的當(dāng)量直徑為：de=4(a2/ 4a) = a(4) 流動(dòng)邊界層(自學(xué))3管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算管內(nèi)流動(dòng)阻力可分為直管阻力和局部阻力。直管阻力是當(dāng)流體在直管中流動(dòng)時(shí)因內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力；局部阻力是流體在流動(dòng)中，由于管道的局部阻力障礙(管件、閥門(mén)、流量計(jì)及管徑的突然擴(kuò)大或

32、收縮等)所引起的阻力。送 hf=hf + h|流體在管路中流動(dòng)阻力與流速有關(guān)。動(dòng)壓頭呈正比流速愈快，能量損失就愈大，即阻力損失與流體的2hfu2g式中 是一比例系數(shù)，稱(chēng)為阻力系數(shù)。(1) 直管阻力的計(jì)算圖直背阻力計(jì)算式的椎導(dǎo)、l u2hf='d 2g稱(chēng)為范寧(Fanning)公式，是直管阻力的計(jì)算通式。 滯流時(shí)的摩擦阻力系數(shù) 滯流時(shí)，流體呈一層層平行管壁的圓筒形薄層，以不同速度平 滑地向前流動(dòng)，其阻力主要是流體層間的內(nèi)摩擦力，遵從牛頓粘性定律，所以可以通過(guò) 理論分析，推導(dǎo)出滯流時(shí)的 .Pi滯貳時(shí)的腐撩阻力:p =32 " ul/d2Ap 64 l u2hf=(3-41)Pg

33、Re d 2g 湍流時(shí)的摩擦阻力系數(shù)湍流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)是不規(guī)則的紊亂運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)間互相碰撞激烈，瞬間改變方向和大小，流動(dòng)狀況比滯流要激烈得多。滯流時(shí)，流體層掩蓋了管道的粗糙面， 管壁的粗糙度并未改變其速度分布和內(nèi)摩擦力的規(guī)律，因此對(duì)滯流的流體阻力或摩擦阻力系數(shù)沒(méi)有影響。強(qiáng)烈湍流時(shí)，由于滯流底層很薄，不足以掩蓋壁面的凹凸表面，凹凸部分露出 在湍流主體與流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞，使流體阻力或摩擦阻力系數(shù)增大。Re越大，滯流底層越薄，管壁粗糙度。對(duì)湍流阻力的影響越大。因而，湍流的流體阻力或摩擦阻力系數(shù)還與管壁粗糙度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)研究的步驟和方法如下。a. 析因?qū)嶒?yàn)：對(duì)所研究的過(guò)程作理論分析和探索實(shí)驗(yàn)，尋找影響過(guò)程的

34、主要因素。對(duì)于湍流的直管阻力損失，經(jīng)分析和初步實(shí)驗(yàn)，影響的諸因素為：流體本身的物理性質(zhì)：密度，粘度；流體流動(dòng)的外部條件：流速u(mài)、管徑d、管長(zhǎng)l和管壁的粗糙度；等。待求關(guān)系式為：b規(guī)劃實(shí)驗(yàn)：要確定所研究的物理量與各影響因素的具體關(guān)系，需要在其它變量不變下，多次改變一個(gè)變量的數(shù)值，著自變量個(gè)數(shù)較多， 實(shí)驗(yàn)工作量將很大，同時(shí)要把過(guò)程結(jié)果關(guān)聯(lián)成一個(gè)形式簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用的公式往往是困難的。因此，在實(shí)驗(yàn)前，要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)規(guī)劃。采用 正交實(shí)驗(yàn)法、量綱分析法等可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)。喝=K(l/d) b(du/)-e( ； /d)fc.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理a.滯流區(qū) Rew 2 000九=64/Re,與8/d無(wú)關(guān)。b. 過(guò)渡區(qū)2 0

35、00 v Rev 4000，流形為非定態(tài)'易波動(dòng)。工程上為留有余量，常作湍 流處理。c. 湍流區(qū) Re>4 000以及虛線(xiàn)以下區(qū)域，與Re和；/d均有關(guān)。該區(qū)域內(nèi)對(duì)于不同 ；/d標(biāo)出一系列曲線(xiàn)，其中最下面的一條曲線(xiàn)為光滑管與Re的關(guān)系，表示的關(guān)系一致，hfXu1.75，但將Re范圍擴(kuò)寬至107。其余曲線(xiàn)與式(349)表示的關(guān)系一致，此區(qū)域 '隨Re 數(shù)的增大而減小，隨；/ d增加而增大。d. 完全湍流區(qū) Re足夠大(虛線(xiàn)以上區(qū)域)時(shí)，與Re無(wú)關(guān)，僅與；/d有關(guān)。此區(qū)域， ；/d 一定，'為常數(shù)，當(dāng)I / d 一定時(shí)，由hf= ' (l / d)u2/2g知

36、，hf u2,所以又稱(chēng)阻力平 方區(qū)。該區(qū)域的曲線(xiàn)與式 (3 - 49)表示的關(guān)系也是一致的，此時(shí)式(349)中括號(hào)內(nèi)的第二項(xiàng)可以略去。例36 20C的水在直徑為 60mm x 3.5mm的鍍鋅鐵管中以1m -s-1的流速流動(dòng)，試求水通過(guò)100 m長(zhǎng)度管子的壓力降及壓頭損失為多少。解：查手冊(cè)得水在20 C時(shí)，P=998 . 2 kg s-3, 4 =1.005 X03pas又已知 d = 60 3.5 X = 53 mm ,1=100 m , u= 1m s-1 所以 Re=du p /A =0.053 X X98.2/1.005 X0-3=5.26 X04取鍍鋅鐵管的管壁絕對(duì)粗糙度為:=0.2

37、 mm則；/d = 0.2/ 53 = 0.004在圖3 25中的橫坐標(biāo)上找到Re= 5. 26 >104位置，垂直向上，再在右邊縱坐標(biāo)上找到；/d = 0. 004的線(xiàn)條，由兩者的交點(diǎn)在左邊的縱坐標(biāo)上讀出入的值為 =0.031。將上述數(shù)據(jù)代入(340a)式，得壓力降：.: Pf=入 /d)(宀 2/2) = 0.031 X(100 m/0.053 m)X(998.2 kg m3 x 12 m2 s-2/2)=2.92 >104-2N rn故其壓頭損失為：hf= - (l / d)2/(2g): =0.031(100 m / 0.053 m) >12 m2 s-2/ 2 X9

38、.807 m s-2)=2 . 98 m水柱(2) 局部阻力的計(jì)算阻力系數(shù)法 h|= ' u2/(2g)式中 為局部阻力系數(shù)，用來(lái)表示局部阻礙的幾何形狀對(duì)局部阻力的影響，其值由實(shí)驗(yàn)確 定。下面介紹幾種常見(jiàn)的局部阻力系數(shù)。a. 突然擴(kuò)大與突然收縮：b. 進(jìn)口和出口：若截面處在管出口的內(nèi)側(cè)：'=0;截面取在管子出口的外側(cè)=1。當(dāng)量長(zhǎng)度法hl= ' (、le/d )u2/(2g)例3 7要求向精餾塔中以均勻的流速進(jìn)料，現(xiàn)裝設(shè)一高位糟，使得料液自動(dòng)流入精餾塔中，如附圖所示。若高位槽的液面保持1.5m的高度不變，塔內(nèi)操作壓力為0.4kgf cm-2(表壓),塔的進(jìn)料量需維持在50

39、 m3 h-1,則高位槽的液面應(yīng)該高出塔的進(jìn)-料口多少米才能達(dá)到要求？若已知料液的粘度為1.5 X0-3Pa s,密度為900 kg m-3，連接管的尺寸為* 108mmx 4mm的鋼管，其長(zhǎng)度為 h+1.5 m ,管道上的管件有 180 °勺回彎頭、截止閥及90。的彎頭各一個(gè)。解：取高位槽內(nèi)液面為截面1 一 1'精餾塔的加料口內(nèi)側(cè)為截面22”，并取此加料口的中心線(xiàn)為基準(zhǔn)水平面。在兩截面間列柏努利方程式：2 2Z1+ ui/(2 g)+pi/(g) =Z2+U2/(2g)+p2/( r g)+、hf式中 Zi=h, Z2=0, ui0U2= (50/3 600)/ 二(0.1

40、00/2)2= 1.77 m s-1(p2-pi)/ ( ：“)=0.4區(qū)807 W4/ (900 X9.807)=4.44 m液柱、hf= hf+ hl = (1+、le )/du 2/(2g)Re= du '/= 0.10077900/0.001 = 1.06105取；=0.3 mm,;/d= 0.3/100=0.003，由圖 3 25 查得'=0.02752由 hf=丸(1+ 遲 le )/du /(2g) = 0.0275 (W + 1.5)/0.100 (0.772/2 W.807)=0.044(h + 1.5)(物料由貯槽流入管子，取le1= 2.1； 180”回彎

41、頭le2= 10；截止閥(按 1 / 2開(kāi)度計(jì))le13=28 ； 90 ”彎頭 le4= 4.5hf = (1+、le)/du2/(2g) = hf = ' lei+ le2+ le3+ le4/du 2/(2g) = 0.0275 : (2.l + 10 + 28 +4.5)/0.100: Xl.772/ (2 W.807)=1.96m 液柱將以上數(shù)據(jù)代入拍努利方程式：2h = 4.44 + 1.772/(2 >9.807) + 0.044(h + 1.5) + 1.96解得：h= 6.93 m即高位槽的液面至少須高出塔內(nèi)進(jìn)料口6.93 m，才能滿(mǎn)足精餾塔的進(jìn)料要求。3.5流體輸送設(shè)備1. 輸送機(jī)械流體流動(dòng)需要一定的推動(dòng)力來(lái)克服管路和設(shè)備的阻力，把流體從低處送到高處，或從低壓系