流體的流動(dòng)過程及流體輸送設(shè)備

1、第3章流體的流動(dòng)過程及流體輸送設(shè)備3.1基本的基本性質(zhì)教案目的和要求：掌握流體的基本性質(zhì)；推導(dǎo)牛頓粘性定律。本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)：流體的基本性質(zhì)本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)：粘度及牛頓粘性定律教案時(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; b5E2RGbCAP流體性能參數(shù)的測(cè)量和控制。監(jiān)控生產(chǎn)過程，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； plEanqFDPw研究流體的流動(dòng)形態(tài)，為強(qiáng)化設(shè)備和

2、操作提供依據(jù)。觀察流 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。密度單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度，表達(dá)式為：P=m/V流體的密度隨溫度和壓力的變化而變化。壓力對(duì)液體的密度影 響很小，故常將液體稱為不可壓縮流體。氣體具有可壓縮性及熱膨脹性，其密度隨壓力和溫度有較大的 變化。在溫度不太低和壓力不太高時(shí)，氣體密度近似用理想氣體狀 態(tài)方程計(jì)算，即：DXDiTa9E3d=pM/RT在生產(chǎn)中遇到的流體，往往是混合物。對(duì)液體混合物，各組分 的濃度用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。設(shè)各組分在混合前后其體積不變，則混合 物的體積應(yīng)等于各組分單獨(dú)存在時(shí)的體積之和，即RTCrpUDGiT1/ m

3、=w1 / 1+w2/ 2wn / n壓力流體垂直作用于單位面積上的力稱為壓力，又稱為流體的壓力 或壓強(qiáng)，表達(dá)式為：P =F/A壓力的單位Pa(Pascal，帕，即Nm-2，kgmTS-2。單位換算：l atm = 760mmHg = 1.01325X105Pa = 10.33mH2O = 1.033kgfcm-25PCzVD7HxA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)壓力稱為表壓，當(dāng)測(cè)容 器的壓力低于大氣壓時(shí)（工程上稱為負(fù)壓，所測(cè)壓力稱為真空度。 jLBHrnAILg壓力的

4、換算關(guān)系：表壓二絕對(duì)壓力-大氣壓力真空度=大氣壓力-絕對(duì)壓力流量和流速流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量，稱為流體的流量。若流體量用體積來計(jì)量，稱為體積流量，以符號(hào)qv表示，單位為 m3s-1； xHAQX74J0X若流體量用質(zhì)量來計(jì)量，則稱為質(zhì)量流量，以符號(hào)qm表示， 其單位為kgs-1。若流體量用物質(zhì)的量表示，稱為摩爾流量，以符號(hào)qn表示， 其單位為mol sT。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)方向所流過的距離，稱為流體的流速，以u(píng)表示，單位為msT。流速是指流道整個(gè)截面上的平均流速，以流體的體積

5、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。LDAYtRyKfE工業(yè)上流速范圍大致為：液體 1.53.0ms-1，高粘度液體 0.51.0 msT；氣體1020 msT，高壓氣體1525 ms- 1;飽和水蒸氣2040 ms-1，過熱水蒸氣3050 msT。 Zzz6ZB2Ltk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。 dvzf

6、vkwMI1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y呈反比，即：rqyn14ZNXIF 8 5u/ yA引入比例系數(shù)，則：F= ( u/ yA內(nèi)摩擦力F的方向與作用面平行。單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為內(nèi)摩 擦應(yīng)力或剪應(yīng)力，以T表示，則有：= F/A= ( u/ y當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，徑向速度的變化并不是直線關(guān)系，而是 曲線關(guān)系，則有：=(du/dydu/dy與流動(dòng)方向相垂直的y方向上流體速度的變化率比例系數(shù)，亦稱為粘性系數(shù)，簡(jiǎn)稱粘度。上式稱為牛頓粘性定律。凡符合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

7、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EmxvxOtOco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。SixE2yXPq5粘度的單位為：= /(du/dy =(Nm-2/(msTmT= Nsm-2 =Pas1 P=100cP(厘泊=10TPas。流體的粘度還用粘度與密度 的比值來表示，稱為運(yùn)動(dòng)粘度，以表示之，即：二匚/匚運(yùn)動(dòng)粘度的單位為m2sT。1 st = 100 cst(厘淹=10- 4m2sT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

8、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:m=( i iMi1/2 /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:lg m= I3.2流體流動(dòng)的基本規(guī)律教案目的和要求：掌握流體流動(dòng)的基本規(guī)律；掌握流體流動(dòng)過程中的物料衡算和能量衡算。本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)：流體流動(dòng)過程中的物料衡算和能量衡算本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)：流體流動(dòng)過程中的物料衡算和能量衡算教案時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)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I 1 TOC o 1-5 h z 任一截面上流體的流速、壓力、密度等石 /t，有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改變，但不隨時(shí)丁 刃間而改變，稱為定態(tài)流動(dòng)；只要有一項(xiàng) 七隨時(shí)

9、間而變化，則稱為非定態(tài)流動(dòng)。如圖6ewMyirQFL流體定態(tài)流動(dòng)過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，在沒有物料累積和 泄漏情況下，單位時(shí)間內(nèi)通過流動(dòng)系統(tǒng)任一截面的流體的質(zhì)量應(yīng)相 等。kavU42VRUs如圖所示,對(duì)截面11和22之間作衡算，單位時(shí)間流入 截面1l的流體質(zhì)量應(yīng)等于流出截面22的流體的質(zhì)量，即： y6v3ALoS89qm,1=qm,2推廣到任何一個(gè)截面，則：qm=匚 1u1S1=匚 2u2S2 =匚 nunSn=常數(shù)對(duì)于不可壓縮流體，即上式二常數(shù)，則：qV=u1S1=u2S2二二unSn二常數(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

10、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。M2ub6vSTnP流體定態(tài)流動(dòng)過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。前三種又稱為流體的機(jī)械能。(1理想流體流動(dòng)過程的能量衡算所謂理想流體是指在流動(dòng)時(shí)內(nèi)部沒有內(nèi)摩擦力存在的流體，即粘度 為零。若過程中沒有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒有變化，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。OYujCfmUCw(1理想流體流動(dòng)過程的能量衡算所謂理想流體是指在流動(dòng)時(shí)內(nèi)部沒有內(nèi)摩擦力存在的流體，即粘度 為零。若過程中沒有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒有變化，則理想流

11、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。eUts8ZQVRd如圖，根據(jù)能量守恒定律，沒有外界能量輸入，在截面11”和截面22”之間應(yīng)符 合：I入=出即mgZ1+m u12/2+p1m/ =mgZ2+m u22/2+p2m/單位質(zhì)量流體，則：gZ1+ u12/2+p1/=gZ2+u22/2+p2/對(duì)于單位重力(重力單位為牛頓流體，則有：Z1+ u12/(2 g+p1/( g =Z2+u22/(2g+p2/( g上式稱為：理想流體在定態(tài)流動(dòng)時(shí)的能量衡算方程式，又稱為柏 努利方程(Bernoulli equation*工程上，將單位重力的流體所具 有的能量單位為JN-1，即m，稱為“壓頭”

12、，sQsAEJkW5T則Z、u2/(2g和p/( &分別是以壓頭形式表示的位能、動(dòng)能和 靜壓能，分別稱為位壓頭、動(dòng)壓頭和靜壓頭。GMsIasNXkA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)。TIrRGchYzg(2實(shí)際流體流動(dòng)過程的能量衡算實(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)時(shí)因摩擦阻力而損失的能量 (壓頭記為 廠 f;，單位 J NT 或 m。7EqZcWLZNX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

13、壓頭為He，單位JN-1 域 m。 lzq7IGf02E則實(shí)際流體在流動(dòng)時(shí)的柏努利方程為：Z1+ u12/(2 g+p1/( g +He二Z2+u22/(2g+p2/( g+ f (3一 22zvpgeqJ1hk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，沒有外加能量，He =0，而且也沒有 因摩擦而造成的阻力損失f=_0，則柏努利方程簡(jiǎn)化為： NrpoJac3v1Z1+ p1/( g =Z2+p2/( g或p1- p2= g(Z1 -Z2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

14、的實(shí)際問題。在 應(yīng)用柏努利方程時(shí)，注意以下幾點(diǎn)1nowfTG4KI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?；鶞?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fjnFLDa5Zo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3一l今有一離心水泵，其吸入管規(guī)格為廠88.5 mm X 4 mm，壓 出管為i i75.5 mm X 3.75 mm,吸入管中水的流速為1.4 msT，

15、試求壓出管中水的流速為多少？ tfnNhnE6e5解：吸入管內(nèi)徑 dl=88.5 2 X 4 = 80.5 mm壓出管內(nèi)徑 d2 = 75.5 2 X 3.75=68 mm根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性方程u1S1= u2S2圓管的截面積S= d2/4，于是上式寫成：u2/ul=(dl/d22故壓出管中水的流速為：u2=(dl / d22 ul=(80.5 / 682 X 1.4msT = 1.96msT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3-2采用虹吸管從高位槽向反應(yīng)釜中加料。高位槽和反應(yīng)釜均 與大氣相通。要求物料在管內(nèi)以1.05 ms-1的速度流動(dòng)。若料液

16、在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的能量損失為2.25 JN-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M(fèi)才能滿足加料 要求？ HbmVN777sL解：作示意圖，I I取高位槽的液面 d 為截面11，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：Z1+ u12/(2 g+p1/( g +He=Z2+u22/(2g+p2/(g+廠f式中 Z1=h, u1 =0 p1=0(表壓，He =0；Z2 = 0, u2=1.05 ms-1，p2=0(表壓，廠 f = 2.25 JNT代入柏努利方程式，并簡(jiǎn)化得：h=1.052 m2s-2/2X9.81 ms-2 +

17、 2.25m= 2.31m 即高位槽液面應(yīng)比虹吸管的出口高2.31m，才能滿足加料的要求。(3送料用壓縮空氣的壓力的確定例33某生產(chǎn)車間用壓縮空氣壓送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 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 JN-1(不包括出口 的能量損失 ，試求開始?jí)核蜁r(shí)，壓縮空氣的表壓力為多少？ V7l4jRB8Hs2 I 2-壓縮空氣宣解：繪示意圖。取硫酸罐內(nèi)液面為截面1 1，硫酸出口管管口內(nèi) 側(cè)為截面22，并以截面11為基準(zhǔn)水平面

18、。83lcPA59W9在兩截面間列出拍努利方程式：Z1+ u12/(2 g+p1/( g +He=Z2+u22/(2g+p2/( g+ f 式中 Z1=0，ul0，Z2 = 15 m，u2=qV / S，P2 = 0(表壓，廠 f = 1.22 JNT因?yàn)?qV=0.36 m3 /(10 X 60 S = 6.0 X10 4S lS= X(0.038 2 X 0.0032 m2/4=8.04 X 104m2故u2 = qV/S = 6.0 X104m3ST/(8.04 X10-4m2由手冊(cè)查得，20C濃硫酸的密度=1831 kgm-3將上列數(shù)據(jù)代入拍努利方程式：pl /(1831 kgm3 X

19、 9.81ms 2 = 15 m + 0.7462ms2 /(2X 9.81ms2+ 1.22mmZkklkzaaP 解得：pl = 2.92 X 105Nm-2（表壓即開始?jí)核蜁r(shí)，壓縮空氣的表壓力至少為2.92 X 105Nm-2。（4流體輸送設(shè)備所需功率的確定 TOC o 1-5 h z 例34用離心泵將貯槽中的料液輸送到戶蒸發(fā)器內(nèi)，敞口貯槽內(nèi)液面維持恒定。已冒知料液的密度為1200 kgm-3，蒸發(fā)器上,寫Li1部的蒸發(fā)室內(nèi)操作壓力為200 mmHg（真空三度，蒸發(fā)器進(jìn)料口高于貯槽內(nèi)的液面15 m,輸送管道的直徑為 68 min X4mm，送液量為20 m3h-1。設(shè)溶液流經(jīng)全部管路的能

20、 量損失為12.23 JN-1（不包括出口的能量損失，若泵的效率為 60%，試求泵的功率。AVktR43bpw解：取貯槽液面為截面11，管路出口內(nèi)側(cè)為截面22， 以截面1 一 1為基準(zhǔn)水平面。在截面11和截面22間能量 衡算，有：ORjBnOwcEdZ1+ u12/(2 g+p1/( g +He=Z2+u22/(2g+p2/( g+ f 式中 ZI=0，u10，p 1 = 0(表壓；Z2 = 15 m， 因?yàn)?qv = 20 / 3600 = 15.56 X 10-3m3sTS= X(0.0682 X 0.0042m2 / 4= 2.83 X 10-3 m2故 u2 = qV/S = 5.56

21、 X 10-3m3ST/2.83 X 10 3m2=1.97 ms-1又 p2 = 200 X I.013 X 105/760=2.67 X 104Pa(真空度=-2.67 X 104Pa(表壓f=12.23 JNT將上列各數(shù)值代入拍努利方程式得：He = 15 m+1.9722m2s2/(2 X 9.81msT 2.67 X 104 kg+12.23 m= 25.16 m 液柱泵理論功率：Ne = qmgHe= qvgHe=1200 kgm-3 X 5.56 X 10 3 m3s-12MiJTy0dTTX 9.81 m/s2 X 25.16m= 1.65X103W=1.65kw實(shí)際功率：Na

22、=Ne/ =1.65kw/0.60=2.75 kw3.3流體壓力和流量的測(cè)量教案目的和要求：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；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;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)系式教案時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)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-p1= g (Z1 -Z2(1)U形管壓力計(jì)U形管壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖38所示。管中盛有與測(cè)量液體不互 溶、密度為i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

23、示液所顯示的高度差亦不 相同，根據(jù)(3一23b式，可推得：gIiSpiue7Ap= p2-p1=( i - g (Z1 -Z2= ( i- 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 -p1= I g(Z1 -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 上方充滿空氣，空氣通過頂端的旋塞調(diào)節(jié)。(3微差壓力計(jì)p=p2pl=( 1- 2g 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 (1- 2越小，則顯示

24、值 R就越大，即提高了測(cè)量的靈敏度。uEh0U1Yfmh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)，即通常所說的壓力表IAg9qLsgBX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)孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，圖所示。若液柱壓力計(jì)的讀數(shù)為R,指示液的密度為i,則U 二匚 |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qv二村 So二里 So _3SJ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

25、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，稱為“喉管”。WwghWvVhPE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二村 So二里 So式中：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，S0為喉管處的截面積。asfpsfpi4k 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)并求出流量得qV= uRSR=cRSR式中SR轉(zhuǎn)子與玻璃

26、管環(huán)隙的面積，m2qV流體的體積流量，m3s 1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。ooeyYZTjjl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，常用于2”以下管道系統(tǒng)中，耐壓在300 400 kPa范圍。BkeGuInkxI3.4管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力教案目的和要求：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

27、；了解離心泵的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握離心泵性能曲線的 測(cè)定方法；PgdO0sRlMo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、離心泵性能曲線的測(cè)定方法；3cdXwckm15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。教案時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)管、管件及閥門簡(jiǎn)介(1) 管鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬管、塑料管及橡膠管等。鋼管又分有縫鋼管和無縫鋼管，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。h8c52WOngM化工中的管子按照管材的性質(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

28、塑料管等稱為光滑管；把舊鋼管 和鑄鐵管稱為粗糙管。v4bdyGious(2管件管件為管與管的連接部分，它主要是用來改變管道方向、連接支 管、改變管徑及堵塞管道等。(3閥門閥門安裝于管道中用以切斷流動(dòng)或調(diào)節(jié)流量。常用的閥門有截 止閥、閘閥和止逆閥等。3 - 13 截止閥圈 3-16 聞冏ffl 3 - 17 jEJSffl截止閥，它是依靠閥桿的上升或下降，以改變閥盤與閥座的距 離，從而達(dá)到切斷流動(dòng)或調(diào)節(jié)流量的目的。閘閥閘閥又稱為閘板閥。閘閥是利用間板的上升或下降來調(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

29、難。J0bm4qMpJ9止逆閥止逆閥又稱為單向閥。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 逆閥只在單向開關(guān)的特殊情況下使用。XVauA9grYP流動(dòng)的形態(tài)(1兩種流動(dòng)形態(tài)9 3-18雷諾宴驗(yàn)叫3 T#流體凌幼形志示蠢圖滯流：充滿玻璃管內(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)稱為滯流或?qū)恿鳌?bR9C6TJscw湍流：表明水的質(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)稱為湍流或紊流。pN9LBDd

30、trd(2流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)雷諾數(shù)，以符號(hào)Re表示：Re du 匚 /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。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)ReV2 000，流體流動(dòng)形態(tài)為滯流；當(dāng)ReN4 000時(shí)，流體流動(dòng)形態(tài)為湍流；而當(dāng)2000Re滯流和湍流的特征滯流：流速沿管徑呈拋物線分布，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與雷諾

31、數(shù)大小有關(guān)，湍流的平均速度約為最大速度的0.8倍。4B7a9QFw9h湍流流動(dòng)還有一個(gè)特征，無論流體主體的湍動(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) 傳熱過程和傳質(zhì)過程有很大的影響ix6iFA8xoX 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 kgm-3，試求燃料油在管中作 滯流時(shí)的臨界速度。wt6qbkCyDE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 =

32、du /得：Re = du / =du/ =2 000其中 d=168-2 X 5=158 mm=0.158 m=9 0 cst = 90 X 10-2 X 10-4m2.sT = 9 X 10-5m2sT 故臨界速度為 u = 2000 X 9 X 10-5m2sT/0.158m=1.14msT計(jì)算非圓形管的Re值時(shí)，要以當(dāng)量直徑de代替d。，當(dāng)量直 徑de定義為：de=4X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 / 4aa（4流動(dòng)邊界層自學(xué)）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

33、；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、流量計(jì)及管徑的突然擴(kuò)大或收縮等所引起的阻力。Kp5zH46zRkI hf=hf+hl流體在管路中流動(dòng)阻力與流速有關(guān)。流速愈快，能量損失就愈大，即阻力損失與流體的動(dòng)壓頭呈正比式中是一比例系數(shù)，稱為阻力系數(shù)。（1）直管阻力的計(jì)算3-23直管阻力計(jì)算式的推導(dǎo)hf= |或J pf= ghf=_|稱為范寧（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，所以可以通過理論分析，推導(dǎo)出 滯流時(shí)的.Yl4HdOAA6

34、1S-24滯流時(shí)的摩擦阻方p =32 匚 ul/d2hf=| (341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)。ch4PJx4BlI實(shí)驗(yàn)

35、研究的步驟和方法如下。析因?qū)嶒?yàn)：對(duì)所研究的過程作理論分析和探索實(shí)驗(yàn)，尋找影響過 程的主要因素。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、管徑d、管長(zhǎng)l和管壁的粗糙度 等。待求關(guān)系式為： qd3YfhxCzop=f(d,l,u, , , _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)

36、驗(yàn)E836L11DO5| =K(l/db(du，-e( /dfc.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理a.滯流區(qū) ReW2 000，=64/Re，與 /d 無關(guān)。過渡區(qū) 2 000VReV4000，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。湍流區(qū)Re4 000以及虛線以下區(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，其中最下面的一條曲 線為光滑管匚與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S42ehLvE3M完全湍流區(qū)Re足夠大（虛線以上區(qū)域時(shí)，與Re無關(guān)，僅與/ d有關(guān)。

37、此區(qū)域，廠/d 一定，為常數(shù)，當(dāng)l/d 一定時(shí)， 由hf= （l/du2/2g知，hfu2，所以又稱阻力平方區(qū)。該區(qū)域 的曲線與式（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。501nNvZFis例36 20C的水在直徑為60mm X 3.5mm的鍍鋅鐵 管中以 1ms-1的流速流動(dòng)，試求水通過100 m長(zhǎng)度管子的壓力降及壓頭 損失為多少。jW1viftGw9解：查手冊(cè)得水在20C時(shí)，=998.2 kgs-3，=1.005 X10 3Pas又已知 d = 60 3.5X2 = 53 mm，l=100 m， u=1msT所以 Re=du / =0.053 X 1 X

38、998.2 / 1.005 X 10-3=5.26 X 104取鍍鋅鐵管的管壁絕對(duì)粗糙度為=0.2 mm則/ d = 0.2/53 =0.004在圖325中的橫坐標(biāo)上找到Re = 5.26 X 104位置，垂直 向上，再在右邊縱坐標(biāo)上找到/ d = 0. 004的線條，由兩者的交點(diǎn) 在左邊的縱坐標(biāo)上讀出入的值為=0.031。xS0DOYWHLP將上述數(shù)據(jù)代入（340a式，得壓力降：Pf=入（l/d（ | 2/ 2 = 0.031 X（100 m / 0.053 mX（998.2 kgm 3 X 12 m2s-2 / 2=2.92X104 Nrn- 2LOZMkIqI0w故其壓頭損失為：hf=

39、(l/d 2 / (2g =0.031(100 m / 0.053 mX(12 m2-s-2 / 2 X 9.807 ms-2=2. 98 m 水柱 ZKZUQsUJed(2局部阻力的計(jì)算阻力系數(shù)法hl= u2/(2g式中為局部阻力系數(shù)，用來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。下面介紹幾種常見的局部阻力系數(shù)。dGY2mcoKtTa.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)：尋二0；截面取在管子出口的外側(cè)=1。當(dāng)量長(zhǎng)度法hl= ( _| u2/(2g例37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

40、保持1.5m 的高度不變，塔內(nèi)操作壓力為0.4kgfcm-2(表壓，塔的進(jìn)料量需 維持在50 m3h-1，則高位槽的液面應(yīng)該高出塔的進(jìn)一料口多少M(fèi) 才能達(dá)到要求？若已知料液的粘度為 1.5 X 10-3Pas，密度為 900 kgm-3，連接管的尺寸為匚108mm X 4 mm的鋼管，其長(zhǎng)度為 h+1.5 m，管道上的管件有180的回彎頭、截止閥及90的彎頭 各一個(gè)。rCYbSWRLIA例 5-i m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為基準(zhǔn)水平面。在兩截面間列柏努利方程式：FyXjoFlMWhZ1+ u12/(2 g+p1/( g =Z2+

41、u22/(2g+p2/( g+f式中 Z1=h,Z2=0, u10u2= (50 / 3 600 / (0.100 / 22 = 1.77 msT(p2-p1 / ( g=0.4 X 9.807X104 /(900X 9.807= 4.44 m液柱I f = hf+hl= (l+/du2/(2gRe = du / =0.10077 X 900 /0.001 = 1.06 X 105取 =0.3 mm,/d = 0.3 / 100=0.003,由圖 325 查得= 0.0275由 hf =(l+/du2/(2g = 0.0275 X(h + 1.5 /0.100X(1.772 / 2 X 9.807TuWrUpPObX= 0.044(h+1.5(物料由貯槽流入管子，取le1 = 2.1；180”回彎頭le2 = 10；截止 閥(按 1/2 開度計(jì)le13=28；