化工基礎流體流動

1、化工基礎ElementaryChemicalEngineering1第一章 流體流動與輸送化工生產(chǎn)中的物料大多數(shù)是流體，經(jīng)常需要將流體從一個設備輸送到另一個設備。化工生產(chǎn)中的傳熱、傳質(zhì)過程以及化學反應過程大部分是在流體流動狀態(tài)下進行的。流體流量的測量也與流體流動有關(guān)。流體流動的基本原理是本門課程及化學反應工程的重要基礎。2分析：流體在管道、泵（風機）、流量計中流動，是流體動力學問題。流體在壓差計、水封箱中處于靜止狀態(tài)，是流體靜力學問題。 要確定流體輸送管路的直徑，需計算流動過程產(chǎn)生的阻力和輸送流體所需的動力。選用多大的水泵或風機呢？要根據(jù)阻力與流量等參數(shù)來選擇輸送設備的類型和型號。3流體流動的

2、考察方法 氣體和液體統(tǒng)稱為流體。流體的特性：流動性和可壓縮性，即沒有固定形狀，受到微小剪切力就會連續(xù)變形；任何流體皆可壓縮。流體是由大量的彼此間有一定間隙的單個分子所組成。不同的考察方法對流體流動情況的理解也不同。在物理化學中（氣體分子運動論）是考察單個分子的微觀運動，分子的運動是隨機的、不規(guī)則的混亂運動，在某一方向上有時有分子通過，有時沒有。因此這種考察方法認為流體是不連續(xù)的介質(zhì)，所面對的運動是一種隨機的運動，隨機性導致問題。4研究流體時的三大假設(1)連續(xù)性假設：考察流體質(zhì)點的宏觀運動時，可以取大量流體分子組成的流體微團作為運動質(zhì)點，并以此質(zhì)點為研究對象，其尺寸大小與容器、管道相比微不足道

3、，但又比分子運動的自由程大得多。于是就可以假定流體是由大量質(zhì)點組成的、彼此間沒有間隙的、完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)這就是連續(xù)性假設。目的：擺脫復雜的分子運動（隨機的、混亂的），從宏觀的角度，用統(tǒng)計的方法來研究流體的流動規(guī)律。同時，流體的物理性質(zhì)及運動參數(shù)在空間作連續(xù)分布，從而可以使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學工具（微積分）加以描述，從而大大提高運算速度和效率。5（2）理想流體：假設流體是一種無粘性，在流動中不產(chǎn)生摩擦阻力的流體。理想流體是一種假設的概念,是對實際流體在某些條件下的簡化處理。實際流體：具有粘性，流動時產(chǎn)生摩擦阻力。理想氣體可用狀態(tài)方程：理想液體符合拉烏爾定律（3）定態(tài)流動：（穩(wěn)定流動，定常流

4、動）空間各點的狀態(tài)不隨時間而變化，該流動稱為定態(tài)流動。ux,uy,yz,p,f(x,y,z) 與t 無關(guān)611 流體靜力學一. 流體的密度1.流體的密度：單位體積流體所具有的質(zhì)量。屬于物性。 對于液體，壓強的變化對密度的影響很小，可以忽略， 稱為不可壓縮性流體。此時，密度僅隨溫度而變，故在使用液體的密度時，要注意溫度條件。 對于氣體，密度隨T、P改變很大，稱為可壓縮性流體，此 時：故氣體的密度必須標明其狀態(tài)。當壓強不太高，溫度不太低時，可按理想氣體來處理。7獲得方法：（1）查物性數(shù)據(jù)手冊（2）公式計算： 由理想氣體方程求得操作條件（T, P）下的密度對理想混合液體，(1kg)混合液體的體積等于

5、各組分單獨存在時的體積之和，即對低壓混合氣體其中 式中 Mi混合氣體中各組分的摩爾質(zhì)量，kg/mol； yi混合氣體中各組分的摩爾分率。8或 (1m3)混合氣體的質(zhì)量等于各組分的質(zhì)量之和。即 式中 i混合氣體中各組分的密度，kg/m3；xvi混合氣體中各組分的體積分率。2.相對密度：是指在共同的特定條件下，一個物質(zhì)的密度與另一個物質(zhì)的密度之比值，用d表示。 在一般情況下是以水作參照物，其值相當于比重9比容：是指單位質(zhì)量流體所具有的體積,是密度的倒數(shù)。單位為m3/kg。二. 流體的靜壓強 1.壓強的定義：流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的壓強，簡稱壓強。用p表示，工程上習慣稱之為壓力。 S

6、I制單位：N/m2，即Pa。10換算關(guān)系為：2.壓強的基準和表示形式1atm(標準大氣壓)=1.013105 Pa =760 mmHg =10.33 mH2O =1.033公斤(力)/厘米2其它常用單位：atm（標準大氣壓）、工程大氣壓kgf/cm2、流體柱高度（mmH2O，mmHg等）。 表壓強=絕對壓強-大氣壓強 2）表壓強（表壓）： 1）絕對壓強（絕壓）： 以當時當?shù)氐拇髿鈮簽槠瘘c的壓力稱為表壓。即絕對壓強與大氣壓強之差。流體體系的真實壓強稱為絕對壓強。 它是以真空為起點的壓力11 3）真空度：真空表的讀數(shù)，絕對壓強低于大氣壓強的數(shù)值 真空度=大氣壓強-絕對壓強三者的關(guān)系： 絕對零壓線大

7、氣壓強線A絕對壓強表壓強B絕對壓強真空度 當用表壓或真空度來表示壓強時，應分別注明。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表壓）。 12例題：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔塔頂真空表讀數(shù)為80kPa，在天津操作時，真空表讀數(shù)應為多少？已知蘭州地區(qū)的平均大氣壓85.3kPa，天津地區(qū)為101.33kPa。解：維持操作的正常進行，應保持相同的絕對壓，根據(jù)蘭州地區(qū)的壓強條件，可求得操作時的絕對壓。 解: 絕壓=大氣壓 - 真空度 = 85300 80000 = 5300Pa 真空度=大氣壓-絕壓 =101330 - 5300 =96030Pa13三.流體靜力學基本方程方程的推導：在1-1截面受到

8、垂直向下的壓力： 在2-2截面受到垂直向上的壓力： 液柱本身所受的重力： 因為小液柱處于靜止狀態(tài)， 14兩邊同時除A： 令 則得： 若取液柱的上底面在液面上，并設液面上方的壓強為P0， 取下底面在距離液面h處，作用在它上面的壓強為P 流體的靜力學方程 表明在重力作用下，靜止液體內(nèi)部壓強的變化規(guī)律15 討論：2）當液面上方的壓強P0有改變時,液體內(nèi)部各點的壓強P也發(fā)生同樣的改變。即：液面上所受的壓強能以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部的任一點。 3）靜止流體內(nèi)部任一點靜壓強的大小與距液面的深度及液體的密度有關(guān)，與該點的水平位置及容器形狀無關(guān)，距液面越深，則壓強越大。 1）在連續(xù)、靜止的同一液體內(nèi),處于同一

9、水平面上各點的壓強相等（等壓面），連通器原理。 4）可以改寫成 壓強差的大小可利用一定高度的液體柱來表示，這就是液體壓強計的根據(jù)，在使用液柱高度來表示壓強或壓強差時，需指明何種液體。 16思考:P0 P1 P2P1= ? P2=? 17例題:1.判斷下面各式是否成立 PA=PA PB=PB PC=PC 2.細管液面高度。 1 = 800kg/m3 2 =1000kg/m3 H1= 0.7m H2= 0.6m 3.當細管水位下降多高時,槽內(nèi)水將放凈?18解:利用等壓面原理求解 1. PA=PA PB=PB 2. 2 g h+p0= 1 gH1+ 2 gH2+p0 3. 2 g h= 1 gH11

10、9四.流體靜力學基本方程的應用1.壓力測定1）U型管壓差計 A-A為等壓面PA=PAPA= P1+ g ( H+R )PA=P2+ g R+ gH P1 - P2= R g (- )如測量氣體 0 P1 - P2= R g 一臂通大氣?P1 P2202）微差壓差計 放大讀數(shù) P1 P2 a R b 特點：（1）內(nèi)裝兩種密度相近且不互溶的指示劑；（2）U型管兩臂各裝擴大室（水庫）。 P1-P2=（a- b）Rg常用指示液：水（著色水），油，四氯化炭等，它必須滿足：與被測的液體互不相溶且不發(fā)生化學反應 它的密度必須大于被測流體的密度。21例題：用普通U型管壓差計測量氣體管路上兩點壓差，指示液為水，

11、讀數(shù)R為1.2cm，為擴大讀數(shù) 改為微差計，一指示液密度為920kg/m3，另一 指示液密度為850kg/m3，讀數(shù)可放大多少倍？ 解： （水- 氣）gR =（ 1- 2）gR 新讀數(shù)為原讀數(shù)的171/1214.3倍22 2.液封洗滌塔液封示意圖氣體RRpp233.液位的測量液位計液位計:用于指示生產(chǎn)設備（如貯槽、計量槽、鍋爐等）內(nèi)物料貯存量的儀表。12PaPbZ1Z2P1=P2P1=Pa+gZ1， P2=Pb+gZ2Pa=Pb, Z1=Z224例 如附圖所示，水在管道中流動。為測得A-A、B-B截面的壓力差，在管路上方安裝一U形壓差計，指示液為水銀。已知壓差計的讀數(shù)R150mm，試計算A-A

12、、B-B截面的壓力差。已知水與水銀的密度分別為1000kg/m3和13600 kg/m3。 解：圖中，1-1面與2-2面間為靜止、連續(xù)的同種流體，且處于同一水平面，因此為等壓面，即又25所以 整理得 由此可見， U形壓差計所測壓差的大小只與被測流體及指示劑的密度、讀數(shù)R有關(guān)，而與U形壓差計放置的位置無關(guān) 26 1.流量 單位時間內(nèi)流過管道任一截面的流體量，稱為流量。 體積流量Vs（m3/s）和質(zhì)量流量Ws（kg/s）的關(guān)系是： 2.流速 單位時間內(nèi)流體在流動方向上流過的距離，稱為流速以u表示，單位為m/s。 數(shù)學表達式為： 一. 流量與流速12 流體流動基本方程流量與流速的關(guān)系為：27 流體輸

13、送管道通常是圓管，若管道直徑為d，則：管道直徑的計算式3.管徑的初選 在管路設計中，適宜的流速的選擇十分重要。 若流速選得太大，流體流過管路時的阻力增大，操作費用增加；若流速選得太小，管徑增大，管路的基建費增加。應在操作費與基建費之間通過經(jīng)濟權(quán)衡來確定適宜的流速。一般來說，液體的流速取0.53.0m/s，氣體則為1030m/s。 28例:安裝一根輸水量為30m3/h的管道,試選擇合適的管道。查普通無縫鋼管產(chǎn)品規(guī)格表，尋找內(nèi)徑與77mm相近的無縫鋼管。 實際選擇：894的管子 ，其中外徑 = 89mm ， 壁厚 = 4mm，內(nèi)徑 d = 81mm = 0.081m則實際流速為: 解：選擇管內(nèi)水的

14、經(jīng)驗流速u = 1.8m/s291.穩(wěn)（定）態(tài)流動： 流動系統(tǒng)中任一截面上流體的性質(zhì)（密度、粘度等）和流動參數(shù)（流速、壓強等）僅隨位置而改變，不隨時間而改變。二.穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動302.非穩(wěn)（定）態(tài)流動 在流動過程中，流體在任一截面上的物理量既隨位置變化又隨時間而變化的流動。31三.連續(xù)穩(wěn)定流動系統(tǒng)的物料衡算衡算范圍：管內(nèi)壁截面1-1與截面2-2間的管段。 根據(jù)質(zhì)量守恒定律： Ws1=Ws2 而 把這一關(guān)系推廣到管路系統(tǒng)的任一截面，有： 穩(wěn)定流動的連續(xù)性方程 32 若流體為不可壓縮流體 對于圓形管道 表明不可壓縮流體在圓形管道中，任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比。 注意：連續(xù)性方程只適用

15、于作穩(wěn)態(tài)流動的流體。如果是非穩(wěn)態(tài)流動呢？ 不成立。因為 u隨時間而改變33思考： 如果管道有分支，則穩(wěn)定流動時的連續(xù)性方程又如何？34例: 如附圖所示的輸水管道，管內(nèi)徑d1=2.5cm,d2=10cm；d3=5cm。（1）當流量為4L/s時，各管段的平均流速為若干？ （2）當流量增至8L/s或減至2L/s時，平均流速如何變化？ (2)各截面流速比例保持不變，流量增至8L/s時，流量增為原來的2倍，則各段流速亦增加至2倍，即 u116.3m/s，u2=1.02m/s，u3=4.08m/s流量減小至2L/s時，即流量減小1/2，各段流速亦為原值的1/2，即 u14.08m/s，u2=0.26m/s

16、，u3=1.02m/s解 (1)u2=0.51m/su3= 2.04m/s 35 1.流體流動時具有的機械能形式內(nèi)能： 物質(zhì)內(nèi)部能量的總和稱為內(nèi)能。單位質(zhì)量流體的內(nèi)能以U表示，單位J/kg。位能：流體因高于某基準水平面而具有的能量。它表示流體在其自身重力作用下落至基準水平面所做的功。 質(zhì)量為m kg流體的位能= m g H 四. 連續(xù)穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量衡算 動能：流體以一定的流速流動而具有的能量。 質(zhì)量為m，流速為u的流體所具有的動能 靜壓能：是流體處于靜壓強p下所具有的能量，即指流體因被壓縮而能向外膨脹作功的能力，其值等于pV，其中 36 通常，將位能.動能.靜壓能稱為機械能。對于理想流體，

17、它的密度不隨壓強而改變，粘度為0，溫度及內(nèi)能均不變，所以只有機械能的變化。2.流體流動過程的能量衡算伯努利方程式 設在1、2截面間沒有外界能量輸入，液體也沒有向外界作功，則mkg理想液體所具有的機械能為定值。37 衡算范圍：截面1-1和截面2-2間的管道和設備。 衡算基準：mkg流體。 設1-1截面的流體流速為u1，壓強為P1，截面積為A1; 截面2-2的流體流速為u2，壓強為P2，截面積為A2。 取o-o為基準水平面，截面1-1和截面2-2中心與基準 水平面的距離為H1，H2 根據(jù)穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量衡算式有： E輸入 = E輸出E輸入= mgH1 + mu21/2 + p1v E輸出= mg

18、H2 + mu22/2 + p2v 理想流體伯努利方程 38物理意義：對于理想流體，在沒有外加能量的情況下流動時，在管道任意截面處的三種形式的機械能總和保持不變，但各種形式的機械能可互相轉(zhuǎn)換。因為是m kg的液體,同時除以mg,得到:實際流體伯努利方程式：(1N)式中每一項表示單位重量流體所具有的能量，稱為壓頭。其中：H：位壓頭；u2/2g：動壓頭；P/ g：靜壓頭；Hf：損失壓頭；He：輸送設備對流體所提供的外加（有效）壓頭。39能量的轉(zhuǎn)換連通變徑管 h2h1h3h440五.伯努利方程式的應用 1）應用柏努利方程的注意事項 作圖 根據(jù)題意作出流動系統(tǒng)的示意圖，并指明流體的流動方 向，使問題直

19、觀化。截面的截取 根據(jù)題意，在連續(xù)流動的系統(tǒng)中選取兩個截面。兩截面都應與流動方向垂直，并且兩截面的流體必須是連續(xù)的，所求得未知量應在兩截面或兩截面之間，截面的有關(guān)物理量H、u、p等除了所求的物理量之外 ，都必須是已知的或者可以通過其它關(guān)系式計算出來。 41基準水平面的選取 目的：確定位能的大小。實際上在柏努利方程中所反映的只是位能差的數(shù)值。所以基準水平面的位置可以任意選取，但必須與地面平行。為了計算方便，通常取基準水平面通過衡算范圍的兩個截面中的任意一個截面。如該截面與地面平行，則基準水平面與該截面重合H=0；若不平行，則取截面中心所在的水平面為基準面。單位必須一致 在應用柏努利方程之前，應把

20、有關(guān)的物理量換算成一 致的單位，然后進行計算。兩截面的壓強除要求單位一致 外，還要求表示方法一致。422）柏努利方程的應用 例：如附圖所示，從高位槽向塔內(nèi)進料，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料口多少米？解：如圖所示，取高位槽液面為1-1截面，進料管出口內(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，在1-1和2-2截面間列伯努利方程。由于已知壓頭損失，以單位重量流體為基準計算比較方便。 43其中：H1=h；因高位槽截面比管道截面

21、大得多，故槽內(nèi)流速比管內(nèi)流速小得多，可以忽略不計，即u10；p1=0（表壓） He=0 H2=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： 計算結(jié)果表明：動能項數(shù)值很小，流體位能主要用于克服管路阻力。 解本題時注意，因題中所給的壓頭損失不包括出口能量損失，因此2-2截面應取管出口內(nèi)側(cè)。若選2-2截面為管出口外側(cè)，計算過程有所不同。44例題:泵進口管893.5，出口管徑762.5流速1.5 m/s，壓力0.2 kg f /cm2(表),能量損失40 J/kg，密度1100 kg/m3, 求外加的能量。 Z1= 0 Z2= 7m P 1= 0P2= 0.

22、298100 Pau1= 0 hf = 40 J/kgu2 = u0 ( d0 / d2 )2 =1.5 ( 82 / 71 )2 =2 m/s 4512 流量測量一. 測速管(畢托管） 原理及構(gòu)造如圖所示： 測速管的內(nèi)管測得管口局部動能ur2/2與靜壓能p/之和沖壓能 外管四周測壓孔測得流體的靜壓能p/ 管徑相差不大，可認為即為A點靜壓能所以 46二.孔板流量計1.結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)：帶圓孔的金屬板；壓差計。原理：當流體流經(jīng)孔板小孔時，產(chǎn)生明顯壓差，流量越大，壓差越大。問題：為什么測量兩點的壓差就能測量流量呢？在生產(chǎn)中需要經(jīng)常了解溫度、壓強、流量等操作條件，并加以調(diào)節(jié)控制。流體的流量是生產(chǎn)操作中

23、必須測量與控制的重要參數(shù)之一。流量計就是常用的測量工具。47縮脈現(xiàn)象 流體流過孔板時，由于射流的慣性作用，流體經(jīng)過小孔后流束截面繼續(xù)縮小，直至孔板后一定距離，流束截面才逐漸恢復，這種現(xiàn)象稱為“縮脈”。 流束截面最小處的流速最大，即動能最大，而相應的靜壓能最低。因此，當流體以一定流量流過小孔時，就產(chǎn)生一定的壓強差，流量越大所產(chǎn)生的壓差也越大。所以可以利用測壓強差的方法來度量流體的流量。48在1、2截面間列柏努利方程，并忽略能量損失 得 而 所以 上式中:u2為縮脈處流速;未考慮Hf（不等于0）; 縮脈處的截面積A2隨流動條件而改變（縮脈直徑的大小、位置隨流況而變）,u2無法知道。 孔口截面積A0

24、為已知，孔口流速u0也已知，考慮用u0代替u249引入校正系數(shù)C0來校正因不可忽略的Hf （能量損失）帶來的誤差；縮脈截面積與孔口截面積之差帶來的誤差；上、下游測壓口的位置帶來的誤差。C0孔流系數(shù)，由實驗確定，一般在0.6-0.7之間?？装辶髁坑嫷膬?yōu)點：易于制造；適合大流量的測量。缺點：流體流經(jīng)孔板的能量損失大；孔板的銳邊容易 腐蝕、易磨損，流量計應定期進行校正。50三.轉(zhuǎn)子流量計1.構(gòu)造:錐形玻璃管轉(zhuǎn)子 Af 轉(zhuǎn)子最大直徑處的截面積；Vf 轉(zhuǎn)子體積；f 轉(zhuǎn)子密度； 流體密度。2. 工作原理pAf = Vf (f- ) gp = Vf (f - ) g / Af轉(zhuǎn)子承受的壓力差=轉(zhuǎn)子的重力-流

25、體對轉(zhuǎn)子的浮力51孔板流量計與轉(zhuǎn)子流量計的區(qū)別：孔板：變壓差，變流速，變阻力，恒流通截面。轉(zhuǎn)子：恒壓差，恒流速，恒阻力，變流通截面。轉(zhuǎn)子流量計的優(yōu)點：1、能直接觀察到流量計內(nèi)流體的流動狀況。2、壓頭損失小，測量范圍寬。3、流量計前后不需要有一定長度的直管段。缺點：玻璃制品，不耐高溫高壓。注意：安裝時必須保持垂直。52一、流體阻力的表現(xiàn)及來源1、表現(xiàn)壓強降 首先看一實驗（如圖）水平管道，管徑均一。閥門關(guān)閉時： 開啟時： 在11,22間列柏式，00為基準。14 實際流體流動與阻力計算-P為壓強降。這一現(xiàn)象說明：流體流過一段水平直管時，靜壓頭 沿程逐漸減小，即靠靜壓頭來克服流動阻力，這就是流體阻力的

26、直接表現(xiàn)。532、來源內(nèi)摩擦上面實驗證明：管內(nèi)的水流動時，壓強降才出現(xiàn)。水在管內(nèi)流過，管子任一截面上各點水的速度并不相等，管中心的速度最大，越靠近管壁速度越小。在貼近管壁的地方，有一層極薄的水粘附在管壁上，其速度=0。在圓管內(nèi)流動的流體，被剝離成無數(shù)個極薄的同心圓筒，一層套著一層，各層以不同的速度向前運動?？恐行牡膱A筒速度最大，稍靠外的圓筒的速度便小一些，前者對后者起帶動作用，后者對前者便起拖曳的作用。筒與筒之間的相互作用就形成了流體阻力，這種阻力是在流體內(nèi)部發(fā)生的。故稱為內(nèi)摩擦力。這便是流體阻力的來源。54粘性:流體在流動過程中產(chǎn)生阻礙流體流動的內(nèi)摩擦力的性質(zhì),稱為粘性。流體流動時的內(nèi)摩擦是

27、流體阻力產(chǎn)生的依據(jù)。粘性是能量損失的原因。二.粘度與牛頓粘性定律1、流體自身的性質(zhì)（粘度）2、流體的流動狀況（流型） 主要3、管壁的粗糙度。 次要 流體阻力大小的決定因素：衡量流體粘性大小的物理量稱為粘度。粘度越大，流動性就越小。55 實驗證明，對于一定的液體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層的速度差du成正比，與兩層之間的垂直距離dy成反比，與兩層間的接觸面積A成正比。 單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為內(nèi)摩擦應力或剪應力，以表示F = A牛頓粘性定律式中： 速度梯度,即在流體流動方向相垂直的y方向上流體速度的變化率。56 粘度系數(shù)，簡稱為粘度。粘度只有在運動時才顯現(xiàn)出來，是流體的物理性質(zhì)之一。單位： 由牛頓粘性

28、定律得 粘度與溫度的關(guān)系： 液體粘度隨溫度升高而減小。T，分子間距離，分子間吸引力， 氣體粘度隨溫度升高而增大。T，分子運動速度，碰撞，動量交換，內(nèi)摩擦力，。此時分子間吸引力很小可忽略。57壓強與粘度的關(guān)系：壓強變化時，液體、氣體的粘度基本不變。只有在極低的壓強下，才需考慮壓強對氣體粘度的影響。二. 流體流動形態(tài)與雷諾數(shù)（1）雷諾實驗 滯流或?qū)恿魍牧骰蛭闪?8（2）雷諾數(shù)ReRe是一個沒有單位、沒有因次的復合數(shù)群（純數(shù)）。 在計算Re時，一定要注意各個物理量的單位必須統(tǒng)一。 雷諾準數(shù)可以判斷流型 ,它的物理意義是表征慣性力與粘性力之比。 層流區(qū)2000 Re 4000 由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯倪^渡區(qū)

29、 Re 4000 湍流區(qū) 對于非圓形管道，計算Re時，應以當量直徑de代替特征數(shù)中的直徑d 。當量直徑的定義為：59（3）層流與湍流的比較 流體在管內(nèi)做層流流動時,其質(zhì)點沿管軸作有規(guī)則的平行運動,各質(zhì)點互不碰撞,互不混合;流體在管內(nèi)做湍流流動時,其質(zhì)點作不規(guī)則的雜亂運動,并互相碰撞,產(chǎn)生大大小小的旋渦。區(qū)別點層流湍流質(zhì)點運動方式平行運動，不碰撞，不混合雜亂運動、碰撞、產(chǎn)生旋渦速度分布60層流速度分布：湍流速度分布：61例題:內(nèi)徑25mm的水管,水流速為1m/s,水溫20, 求:1.水的流動類型; 2.當水的流動類型為層流時的最大流速?解：1. 20 =0.001Pa.s = 998.2kg/m

30、362 在相同流動形態(tài)下用實驗條件來研究操作過程的能量損失,問:實驗設備中空氣流速應為多少?解: Re1 = Re2 例題:操作條件:管徑d1 ，1atm ，80，u1=2.5m/s ,空氣， 實驗條件: d2 = 1/10 d1 ，1atm ， 20 。63查表 20 : 2= 0.018Pa.s 80 : 1= 0.025 Pa.s64三.流體流動時的阻力計算流體流動阻力分為：直管阻力和局部阻力直管阻力又稱為沿程阻力，是流體流經(jīng)直管時由于流體內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力。局部阻力是流體通過局部障礙（如閥門、彎頭）時由于邊界層分離而引起的能量損失。 hf = hf直 + hf局1.圓形直管阻力計算6

31、5 流體在管內(nèi)以一定的速度流動時，有兩個方向相反的力互相作用著。推動力（促使流體流動），和流動方向一致。摩擦阻力（由內(nèi)摩擦引起），與流動方向相反。當推動力與阻力達于平衡，流速才能維持不變，即達到穩(wěn)定流動。 在1-1， 2-2間列柏式，以管中心線為基準面。垂直作用在1-1上的壓力： 垂直作用在2-2上的壓力： f1與f2作用方向相反，所以有一個凈壓力（f1-f2）作用于整個流體柱上，推動它向前運動。66凈推動力=平行作用于流體柱表面上的摩擦力，即管壁處的阻力：根據(jù)牛頓第二定律：要維持流體在管內(nèi)作勻速運動，作用在流體柱上的推動力應與阻力的大小相等，方向相反。即 與流動方向相反。所以范寧公式。此方程

32、對于滯流與湍流均適用。67管壁粗糙度對的影響化工管路按其材質(zhì)和加工情況可分為：光滑管，如：銅、 鉛、玻璃、塑料管；粗糙管，如：鋼、鑄鐵管。管壁粗糙度可用絕對粗糙度和相對粗糙度表示。 絕對粗糙度：e，表示管壁凹凸部分的平均高度。相對粗糙度：是絕對粗糙度與 管徑之比。層流時：光滑管與粗糙管的Re關(guān)系標繪在圖上為同一根直線（40頁圖1-23）。說明管子的粗糙度對無影響。此時只與雷諾數(shù)有關(guān)，=64/Re ，即 =f（Re）；湍流時：=f（Re，/d）；完全湍流時：=f（/d），與Re無關(guān)。6869 2.局部阻力計算（1）局部阻力系數(shù)法 將克服阻力消耗的能量表示成流體動能的倍數(shù)。 h f =u2/2 或

33、 p=u2/2 ：局部阻力系數(shù)，其值通常由實驗測定。 突然擴大時=1.0 突然縮小時=0.570（2）當量長度法 將流體通過管件或閥門的局部阻力損失折算成與其具有相同管徑的相當?shù)闹惫荛L度的摩擦阻力損失來計算。這個長度就稱為當量長度，以le來表示。3.總阻力計算717272例：一高位槽與內(nèi)徑為100mm的鋼管相連，槽內(nèi)為常溫水，直管總長為30m,系統(tǒng)內(nèi)有900彎頭3個，閘閥（全開）和標準閥（全開）各一個，水從管口流出，問欲得到22.7m3/h的流量，槽內(nèi)水面應比管口高多少米？（=0.2mm） 12h73解：以高位槽液面為1-1截面，管出口端外測2-2截面，以管出口中心線為基準水平面，對1，2面列

34、伯努利方程： gz1+u12/2+p1/= gz2+u22/2+p2/+hf z2=0; p1=p2=0(表壓); d=0.1m; =1000kg/m3; u1=0，動能u22/2 =0，（因為為外端所以u2=0）（若內(nèi)端呢？） 管中水的流速uqV/A=0.803m/s Re=du/=0.10.8031000(1.010-3)=80300(湍流) d=0.002,查圖得=0.0256由容器管口,c=0.5,管子出口e=1.0 ;閘閥全開=0.17;標準閥全開=6.0; 900彎頭3個, =30.75=2.25, =0.5+1.0+0.17+6+2.25=9.92 hf=(ld+) u2/2 =

35、(0.0256300.1+9.92)0.8032/2 =5.67J/kg代入得 Z=0.611m ，即高位槽水面應比管出口中心線高0.611m7475在化工生產(chǎn)中，常常需要將流體從低位輸送到高處；從低壓設備輸送到高壓設備；沿管道輸送到較遠的地方。 要克服位能、靜壓能之差及摩擦阻力引起的能量損失 為此，必須借助一定的輸送設備，對流體作功，以補充足夠的能量，這種為輸送流體而提供能量的機械-流體輸送機械流體輸送機械的目的:給流體加入機械能以實現(xiàn)非自動過程 15 流體輸送機械75 液體輸送機械一般稱泵 泵的類型 ： 按適用介質(zhì)分:清水泵、污水泵、砂泵、泥漿泵、 灰渣泵、耐酸泵、堿泵、冷油泵、 熱油泵、

36、低溫泵等。 以離心泵應用最為廣泛。76 離心泵77 葉輪緊固于泵軸上。 泵軸與電機相連，可由電機帶動旋轉(zhuǎn)。一離心泵的構(gòu)造吸入口位于泵殼中央與吸入管路相連，吸入管底部裝有止逆閥。 泵殼的側(cè)邊為排出口，與排出管路相連，其上裝有調(diào)節(jié)閥。7879離心泵主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及功能敞式葉輪和半閉式葉輪不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象79802泵殼思考：泵殼的主要作用是什么？匯集液體，并導出液體；能量轉(zhuǎn)換裝置離心泵主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及功能80 二.離心泵的工作原理 開泵前，先在泵內(nèi)灌滿要輸送的液體。 開動后，泵軸帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力。液體從葉輪中心被拋向葉輪外周，壓力增高，并以很高的速度（15-25m/s）流入泵殼。 在蝸形泵

37、殼中由于流道不斷擴大，液體的流速減慢，使大部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能。最后以較高的靜壓強從排出口流入排出管道。泵內(nèi)的液體被拋出后，葉輪的中心形成了真空，由于泵 的吸入管路一端浸沒于輸送液體內(nèi)，另一端與葉輪中心處相通。在液體壓強（大氣壓）與泵內(nèi)壓力（負壓）的壓差 作用下，液體便經(jīng)底閥、吸入導路進入泵內(nèi)，填補了被排除液體 的位置。 81 離心泵之所以能輸送液體，主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)葉輪所 產(chǎn)生的離心力。因此稱為離心泵。問題：若沒有灌滿輸送液體，會發(fā)生什么現(xiàn)象？ 氣縛現(xiàn)象：當離心泵啟動時，若泵內(nèi)未灌滿液體，則泵殼內(nèi)存在大量空氣，由于空氣的密度遠小于液體，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力也很小，因而葉輪中心處不能形成吸入

38、液體所需的真空度，葉輪空轉(zhuǎn)，但不能輸送液體，這種現(xiàn)象稱為“氣縛現(xiàn)象”。 離心泵是一種沒有自吸能力的液體輸送機械。若泵的吸入口位于貯槽液面的上方，在吸入管路應安裝單向底閥和濾網(wǎng)。單向底閥可防止啟動前灌入的液體從泵內(nèi)漏出，濾網(wǎng)可阻擋液體中的固體雜質(zhì)被吸入而堵塞泵殼和管路。若泵的位置低于槽內(nèi)液面，則啟動時就無需灌泵。8283三.離心泵的性能參數(shù)1.流量Q：泵的送液能力，離心泵單位時間送入管路的流體體積，m3/h。2.揚程H：泵的壓頭He，單位重量液體流經(jīng)泵后所獲得的能量，m。 若H f = 0，h0忽略，u1u283843.效率： 由于存在容積損失、水力損失和機械損失，泵軸轉(zhuǎn)動所作的功不能全部為液體所獲得，所以有效率的高低。效率通常與泵