第一章流體流動(dòng)與輸送機(jī)械

1、第一章第一章 流體流動(dòng)與輸送機(jī)械流體流動(dòng)與輸送機(jī)械第二節(jié)第二節(jié) 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)流體靜力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)管內(nèi)流體的流動(dòng)現(xiàn)象流體流動(dòng)阻力管路計(jì)算流速與流量的測(cè)量流體的輸送機(jī)械1-2-1 概念概念一一. 流量與流速流量與流速: 流量流量 單位時(shí)間流過管路某一截面的流體體積或質(zhì)量單位時(shí)間流過管路某一截面的流體體積或質(zhì)量體積流量體積流量:SI單位單位:m3/s質(zhì)量流量質(zhì)量流量:SI單位單位: kg/s流速流速 單位時(shí)間單位截面上流過的流體體積或質(zhì)量單位時(shí)間單位截面上流過的流體體積或質(zhì)量體積流速體積流速:SI單位單位:m/s質(zhì)量流速質(zhì)量流速:SI單位單位: kg/(m2.s)根據(jù)定義有根據(jù)定義有: :對(duì)

2、于圓管對(duì)于圓管: :244VVqqududVqmqu,VVqu A uqAmVqqA umqA uwuAAGG 常用經(jīng)濟(jì)流速常用經(jīng)濟(jì)流速: 總費(fèi)用總費(fèi)用 操作費(fèi)操作費(fèi) 設(shè)備費(fèi)設(shè)備費(fèi) uopt 平均流速平均流速u 較大流速，管徑減小，設(shè)備費(fèi)少，阻力增大，消耗動(dòng)力大，操作費(fèi)增加。例例:精餾塔進(jìn)料量為精餾塔進(jìn)料量為 qm=50000kg/h，=960kg/m3，其它性質(zhì)與其它性質(zhì)與水接近。試選擇適宜管徑。水接近。試選擇適宜管徑。選流速選流速 u=1.8m/s (范圍：范圍：1-3.0m/s) 計(jì)算管徑，即計(jì)算管徑，即:具體計(jì)算過程如下：具體計(jì)算過程如下：解：解題思路：初選流速解：解題思路：初選流速計(jì)

3、算管徑計(jì)算管徑查取規(guī)格查取規(guī)格核算流速。核算流速。由附錄查管子規(guī)格，選取由附錄查管子規(guī)格，選取1084mm的無縫鋼管（的無縫鋼管（d=0.1m）核算流速：核算流速：23500001.45 103600 960mVqqm s244 1.45 100.1011.8Vqdmu2224 1.45 101.8540.1Vuqdm s可接受 定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng) 各截面上的溫度、壓力、流速等物理量緊隨各截面上的溫度、壓力、流速等物理量緊隨位置變化，而不隨時(shí)間變化。位置變化，而不隨時(shí)間變化。 化工生產(chǎn)中，大部分情況為穩(wěn)定流動(dòng)（稱正常狀態(tài)），一化工生產(chǎn)中，大部分情況為穩(wěn)定流動(dòng)（稱正常狀態(tài)），一般在開、停工時(shí)為不穩(wěn)

4、定狀態(tài)。般在開、停工時(shí)為不穩(wěn)定狀態(tài)。1-2-2 1-2-2 定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)動(dòng) 非非定態(tài)定態(tài)流動(dòng)流動(dòng) 流體各截面上的物理量既隨位置變化，流體各截面上的物理量既隨位置變化， 也隨時(shí)間變化。也隨時(shí)間變化。定態(tài)流動(dòng)非定態(tài)流動(dòng) 即即 1A1u1= 2A2u2=常數(shù)常數(shù)需滿足的條件需滿足的條件: 質(zhì)點(diǎn)緊密連接。（宏觀）質(zhì)點(diǎn)緊密連接。（宏觀） 流體在管內(nèi)全充滿，不間斷。流體在管內(nèi)全充滿，不間斷。 不可壓縮流體。不可壓縮流體。圓形管道圓形管道:2121221)(ddAAuu流體在圓形管道中的連續(xù)性方程流體在圓形管道中的連續(xù)性方程 1-2-3總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程連續(xù)性方程的推導(dǎo) 即為即

5、為連續(xù)性方程連續(xù)性方程則則:u1A1 = u2A2 = 常數(shù)常數(shù)對(duì)于不可壓縮流體對(duì)于不可壓縮流體:1 = 2 = 根據(jù)質(zhì)量守恒定律根據(jù)質(zhì)量守恒定律: :12mmqqmm8142891dm/s75. 1081. 0785. 0109423211dVuSmm100421082d123b3a 附圖例例 如附圖所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和兩段573.5mm的分支管3a及3b連接而成。若水以9103m3/s的體積流量流動(dòng)，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。解：解： 管1的內(nèi)徑為 則水在管1中的流速為 管2的內(nèi)徑為m/s15. 1)10081(75. 1)(

6、222112dduumm505 . 32573d33222AuAum/s30. 2)50100(215. 1)(2223223dduu則水在管2中的流速為 管3a及3b的內(nèi)徑為 又水在分支管路3a、3b中的流量相等，則有 即水在管3a和3b中的流速為 123b3a 附圖1-2-4 Bernoulli方程方程管內(nèi)流體流動(dòng)的機(jī)械能衡算式管內(nèi)流體流動(dòng)的機(jī)械能衡算式位能：流體受重力作用在不同高度所具有的能量。是相對(duì)值。位能=mgz靜壓能：在靜止和流動(dòng)的流體的內(nèi)部，任一處都具有靜壓力，流體要進(jìn)入系統(tǒng)，就就必須克服這個(gè)靜壓力，這種能力成為靜壓能。靜壓能=pv動(dòng)能：流體以一定的速度流動(dòng)。動(dòng)能= 三者之和為截

7、面上的機(jī)械總能 能量守恒能量守恒動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒三大守恒定律三大守恒定律一、機(jī)械能衡算式一、機(jī)械能衡算式流體入流體入流體出流體出z1z21122 2211pgzpgz -靜力學(xué)方程流體靜止時(shí)：流體靜止時(shí)：理想流體流動(dòng)時(shí)：理想流體流動(dòng)時(shí)： 2222121122pugzpugz 0的流體的流體221122121 222fupupgzWgzh實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)：實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)：w-機(jī)械能衡算方程（柏努利方程）機(jī)械能衡算方程（柏努利方程）動(dòng)能動(dòng)能J/kg位能位能J/kg靜壓能靜壓能J/kg有效軸功率有效軸功率J/kg摩擦損失摩擦損失J/kg永遠(yuǎn)為正永遠(yuǎn)為正Bernoulli方程方程管內(nèi)流體

8、流動(dòng)的機(jī)械能衡算式管內(nèi)流體流動(dòng)的機(jī)械能衡算式221122121 222fupupgzWgzh外加壓頭外加壓頭靜壓頭靜壓頭動(dòng)壓頭動(dòng)壓頭位頭位頭壓頭損失壓頭損失1 22211221222fupupzHzHgggg或 寫 成每一項(xiàng)單位均為 m機(jī)械能機(jī)械能-可直接用于輸送流體；可直接用于輸送流體； 可以相互轉(zhuǎn)變；可以相互轉(zhuǎn)變； 可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄蛄黧w的內(nèi)能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄蛄黧w的內(nèi)能 -機(jī)械能衡算方程（柏努利方程）機(jī)械能衡算方程（柏努利方程）流體的衡算基準(zhǔn)不同，有不同形式流體的衡算基準(zhǔn)不同，有不同形式1 22212112222fuugZPWgZPh(J/Kg)(Pa)(m)或?qū)懗蒮ehgpugzHgpugz2

9、22212112121例例1. 容器間相對(duì)位置的計(jì)算容器間相對(duì)位置的計(jì)算從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液管為452.5mm的鋼管，要求送液量為3.6m3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為1.2m， （不包括出口能量損失），試問高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？解解：如圖所示，取高位槽液面為1-1截面，進(jìn)料管出口內(nèi)側(cè)為2-2截面，以過2-2截面中心線的水平面0-0為基準(zhǔn)面。在1-1和2-2截面間列柏努利方程（由于題中已知壓頭損失，用式（1-20a）以單位重量流體為基準(zhǔn)計(jì)算比較方便） m/s796. 004. 0785. 036006 . 34q22v2dum23

10、. 12 . 1796. 081. 9212h其中： z1=h；因高位槽截面比管道截面大得多，故槽內(nèi)流速比管內(nèi)流速小得多，可以忽略不計(jì)，即u10； p1=0（表壓）； He=0 ；z2=0；p2=0（表壓）；hf =1.2m 將以上各值代入上式中，可確定高位槽液位的高度 計(jì)算結(jié)果表明：計(jì)算結(jié)果表明：動(dòng)能項(xiàng)數(shù)值很小，流體位能主要用于克服管路阻力。解本題時(shí)注意：解本題時(shí)注意：因題中所給的壓頭損失不包括出口能量損失，因此2-2截面應(yīng)取管出口內(nèi)側(cè)。若選2-2截面為管出口外側(cè)，計(jì)算過程有所不同。feWpugzWpugz222212112121 例例2： 管內(nèi)流體壓力的計(jì)算管內(nèi)流體壓力的計(jì)算某廠利用噴射泵

11、輸送氨。管中稀氨水的質(zhì)量流量為1104kg/h，密度為1000kg/m3，入口處的表壓為147kPa。管道的內(nèi)徑為53mm，噴嘴出口處內(nèi)徑為13mm，噴嘴能量損失可忽略不計(jì)，試求噴嘴出口處的壓力。 解：解：取稀氨水入口為1-1截面，噴嘴出口為2-2截面，管中心線為基準(zhǔn)水平面。在1-1和2-2截面間列柏努利方程 其中： z1=0； p1=147103 Pa（表壓） 26. 11000053. 0785. 036001000042211dmus m/s2-21-194.20)013. 0053. 0(26. 1)(222112dduu100094.202110001014726. 1212232p

12、 z2=0；噴嘴出口速度u2可直接計(jì)算或由連續(xù)性方程計(jì)算 m/sWe=0； Wf=0；將以上各值代入上式解得p2=71.45 kPa （表壓），即噴嘴出口處的真空度為71.45kPa。 噴射泵是利用流體流動(dòng)時(shí)靜壓能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行吸、送流體的設(shè)備。當(dāng)一種流體經(jīng)過噴嘴時(shí)，由于噴嘴的截面積比管道的截面積小得多，流體流過噴嘴時(shí)速度迅速增大，使該處的靜壓力急速減小，造成真空，從而可將支管中的另一種流體吸入，二者混合后在擴(kuò)大管中速度逐漸降低，壓力隨之升高，最后將混合流體送出。2-21-1解解在 1-1 面和 2-2 面間211122221 222fupgzWupgzh2222.687 9.811082.262ppW22285/36002.68/40.106 4Vqum sd10642114 d例例3 3 軸功的計(jì)算軸功的計(jì)算 已知管道尺寸為1144mm，流量為85m3/h，水在管路中流動(dòng)時(shí)的總摩擦損失為10J/kg（不包括出口阻力損失），噴頭處壓力較塔內(nèi)壓力高20kPa，水從塔中流入下水道的摩擦損失可忽略不計(jì)。求泵的有效軸功率。氣體氣體氣體氣體1m1m5m0.2m1 14 43 3廢水池廢水池洗