流體輸送與傳熱技術(shù)

1、流體輸送與傳熱技術(shù)第1頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四2第一部分 流體輸送技術(shù)第2頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四引言流體輸送的應(yīng)用 油品輸送、化工過程中，流體物料需要從一個(gè)設(shè)備送到另一個(gè)設(shè)備（設(shè)備間移動(dòng)），或從一個(gè)工序送往另一個(gè)工序（工序間轉(zhuǎn)移），逐步完成各物理過程和化學(xué)過程。常見輸送方式包括：高位槽送料、真空抽料、壓縮空氣送料和流體輸送機(jī)械送料等。必然會(huì)涉及到流體輸送、流量測(cè)量、壓力測(cè)量、輸送設(shè)備所需功率的計(jì)算及其選型等問題。要解決這些問題必須先掌握流體力學(xué)中流體流動(dòng)的有關(guān)基本原理、基本規(guī)律和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)和應(yīng)用技能。第3頁(yè)，共31頁(yè)，202

2、2年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四4知識(shí)目標(biāo)：理解流體流動(dòng)的基本概念、流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因；掌握連續(xù)性方程式、伯努利程式和管內(nèi)流動(dòng)阻力的計(jì)算；了解流體輸送管路設(shè)計(jì)原則；了解流體輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用；第4頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四51-1 流體的特性、連續(xù)性假設(shè)第一章 流體及其物理性質(zhì)一、易變形性和流動(dòng)流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪切變形趨勢(shì)，這是流體與固體在宏觀力學(xué)行為方面的主要差異；微觀上，流體分子間吸引力小。氣體與液體的區(qū)別第5頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四6 (1)流體質(zhì)點(diǎn)無線尺度，無熱運(yùn)動(dòng)，只在外力作用下作宏觀平 移運(yùn)動(dòng);

3、 (2) 具有宏觀物理特性-溫度、壓強(qiáng)、密度。 1mm3 體積 水: 3.41019 個(gè)分子 空氣: 2.7 1016個(gè)分子 10-10mm3 體積 (相當(dāng)于一?；覊m體積)空氣: 2.7 106個(gè)分子二、流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)流體質(zhì)點(diǎn):流體中宏觀尺寸非常小，微觀尺寸又足夠大的任意物理實(shí)體。第6頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四7連續(xù)介質(zhì)模型：假設(shè)流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)組成的介質(zhì)。(1)可用連續(xù)性函數(shù)u(x,y,z,t)描述流體質(zhì)點(diǎn)物理量的空間分布和時(shí)間變化；(2)由物理學(xué)基本定律建立流體運(yùn)動(dòng)微分或積分方程，并用連續(xù)函數(shù)理論求解方程。 * 除了稀薄氣體與激波的絕大多數(shù)工

4、程問題，均可用連續(xù)介質(zhì)模型作理論分析。 第7頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四81、密度常溫下取 水 =1000 kg / m3 空氣= 1.2 kg/m3 混合液：一 流體的密度（density）均勻流體：一般流體：(kg/m3)1-2 流體的主要物理性質(zhì)理想混合氣體：xi組分i的質(zhì)量分率yi組分i的摩爾分率第8頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四94、重度：3、相對(duì)密度：2、比容 液體的密度與1個(gè)大氣壓4純水密度之比第9頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四10溫度/05101520水0.99981.00000.99970.999

5、10.9982原油0.86930.86620.86310.86000.8569空氣1.2931.2731.2481.2261.205溫度/2530405060水0.99700.99570.99220.98800.9832原油0.85380.85070.84450.83830.8321空氣1.1851.1651.1281.0981.060溫度/708090100水0.97780.97180.96530.9584原油0.82590.81960.81360.8074空氣1.0291.0000.9730.946P=101325原油、空氣相對(duì)密度隨溫度的變化第10頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，1

6、1點(diǎn)6分，星期四11（1）流體的體積壓縮系數(shù)：二、 壓縮性（compressibility）和膨脹性（expansibility）例題1在容器中壓縮液體，壓強(qiáng)為106Pa時(shí)，體積1L；壓強(qiáng)2 106Pa時(shí)，體積995cm3。求壓縮系數(shù)。第11頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四12二、 壓縮性（compressibility）和膨脹性（expansibility）（2）流體的體積膨脹系數(shù)：12（3）不可壓縮流體液體-一般可當(dāng)作不可壓縮流體氣體-低速（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，一般v68m/s）氣流可按不可壓縮流體處理，v=102m/s 時(shí)，不考慮壓縮性引起誤差2.3%。第12頁(yè)，共31頁(yè)，

7、2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四理想氣體(完全氣體)狀態(tài)方程R氣體常數(shù)空氣R=8312/29=287J/kgK道爾頓分壓定律例題21kg氫氣，溫度-40 ，V=0.1m3，求p=?第13頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四141. 流體內(nèi)摩擦概念 牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理(1687)中指出： 相鄰兩層流體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)存在內(nèi)摩擦作用,稱為粘性力。 庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)(1784)三、 流體的粘性 (viscosity)第14頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四15 流體粘性形成原因:(1)兩層液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成(2)兩層氣體之間的粘性力主要

8、由分子動(dòng)量交換形成第15頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四16牛頓內(nèi)摩擦定律/粘性定律:它表明：粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；牛頓流體概念第16頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四17(2)運(yùn)動(dòng)粘度(kinematic viscosity) (1)動(dòng)力粘度(viscosity) (Pas)第17頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四18【例題3】在兩塊相距20mm的平板間充滿動(dòng)力粘度為0.065Ns/m2的油，如果以1m/s的速度勻速拉動(dòng)距上平板5mm處，面積為0.5 m2的薄板，求所需要的拉力。 N /m2 N /m2 N 第18頁(yè)，

9、共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四19恩氏粘度和粘度測(cè)定 第19頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四20溫度（）（kpas）（106m2/s）溫度（）（kpas）（106m2/s） 01.7811.785400.6530.65851.5181.519450.5890.595101.3001.306500.5470.553151.1391.139600.4660.474201.0021.003700.4040.413250.8900.893800.3540.364300.7980.800900.3150.326350.6930.6981000.2820.29

10、4表1 水的粘滯系數(shù)（一個(gè)大氣壓下） 粘度與溫度的關(guān)系 第20頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四21溫度（）（kpas）（106m2/s）溫度（）（kpas）（106m2/s）00.017213.7900.021622.9100.017814.71000.021823.6200.018315.71200.022826.2300.018716.61400.023628.5400.019217.61600.024230.6500.019618.61800.025133.2600.020119.62000.025935.8700.020420.52500.028042.8800

11、.021021.73000.029849.9表2 空氣的黏性系數(shù)（一個(gè)大氣壓下） 第21頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四22粘度與溫度的關(guān)系 第22頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四23四、 流體的表面張力(surface tension)液體具有附著力和粘附力，兩者都是分子的吸引力，附著力使液體能夠附著到另一個(gè)物體上，而粘附力使液體抵抗切向應(yīng)力。在液體和氣體的交界面處和在兩種互不相容液體的界面處，分子間附著力和粘附力產(chǎn)生的向外的平衡吸引力使液體形成了一個(gè)明顯的表面液膜并在液膜表面內(nèi)產(chǎn)生了張力，液體的這個(gè)特性稱為表面張力，用符號(hào)表示，其單位是N/m

12、。水的表面張力在結(jié)冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之間的變化范圍為0.00750.0589 N/m。表面張力與毛細(xì)現(xiàn)象 第23頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四24表面張力和接觸角PP0R液體氣體表面張力: -單位長(zhǎng)度所受拉力 (N/m)接觸角概念: 當(dāng)液體與固體壁面接觸時(shí), 在液體,固體壁面作液體表面的切面, 此切面與固體壁在液體內(nèi)部所夾部分的角度 稱為接觸角, 當(dāng) 為銳角時(shí), 液體潤(rùn)濕固體, 當(dāng) 為鈍角時(shí), 液體不潤(rùn)濕固體水與玻璃的 = 8090 水銀的 = 1380第24頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四25毛細(xì)現(xiàn)象 h水在玻璃管中上升高度 h=29.8/d(mm)

13、水銀在玻璃管中下降高度 h=10.5/d(mm)第25頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四26所有液體都會(huì)蒸發(fā)或沸騰，將它們的分子釋放到表面外的空間中。這樣宏觀上，在液體的自由表面就會(huì)存在一種向外擴(kuò)張的壓強(qiáng)（壓力），即使液體沸騰或汽化的壓強(qiáng)，這種壓強(qiáng)就稱為汽化壓強(qiáng)（或汽化壓力）。因?yàn)橐后w在某一溫度下的汽化壓強(qiáng)與液體在該溫度下的飽和蒸汽壓所具有的壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)相等，所以液體的汽化壓強(qiáng)又稱為液體的飽和蒸汽壓強(qiáng)。分子的活動(dòng)能力隨溫度升高而升高，隨壓力升高而減小，汽化壓強(qiáng)也隨溫度升高而增大。水的汽化壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系見表3五、 汽化壓強(qiáng)第26頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分

14、，星期四27溫度（）汽化壓強(qiáng)（kpa）溫度（）汽化壓強(qiáng)（kpa）溫度（）汽化壓強(qiáng)（kpa）00.61304.247031.1650.87407.388047.34101.235012.339070.10202.346019.92100101.33表3 水在不同溫度下的汽化壓強(qiáng) 1.5 汽化壓強(qiáng)第27頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四28在任意給定的溫度下，如果液面的壓力降低到低于飽和蒸汽壓時(shí)，蒸發(fā)速率迅速增加，稱為沸騰。因此，在給定溫度下，飽和蒸汽壓力又稱為沸騰壓力，在涉及到液體的工程中非常重要。液體在流動(dòng)過程中，當(dāng)液體與固體的接觸面處于低壓區(qū)，并低于汽化壓強(qiáng)時(shí)，液體產(chǎn)生

15、汽化，在固體的表面產(chǎn)生很多氣泡；若氣泡隨液體的流動(dòng)進(jìn)入高壓區(qū)，氣泡中的氣體便液化，這時(shí)，液化過程產(chǎn)生的液體將沖擊固體表面。如這種運(yùn)動(dòng)是周期性的，將對(duì)固體表面造成疲勞并使其剝落，這種現(xiàn)象稱為汽蝕。汽蝕是非常有害的，在工程應(yīng)用時(shí)必須避免汽蝕。 第28頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四29【本章小結(jié)】本章主要介紹了流體的基本特征（流動(dòng)性），闡述了與流體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的幾個(gè)物理性質(zhì)，如密度、壓縮性、熱脹性、黏性等。學(xué)習(xí)中應(yīng)該充分理解各物理量的定義及外界因素對(duì)其的影響，熟悉各物理量的表示方法和相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，尤其要切實(shí)掌握應(yīng)用牛頓內(nèi)摩擦定律的解題方法。第29頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)6分，星期四30小測(cè)驗(yàn)習(xí)題： 1、牛頓粘性定律表