武漢大學-《化學工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)課件

第二章流體流動與輸送內(nèi)容提要：本章主要討論化工生產(chǎn)過程中的流體流動的基本原理及流體流動的基本規(guī)律，并運用這些原理與規(guī)律去分析和解決化工生產(chǎn)中的物料輸送問題。基本要求：1.了解化工生產(chǎn)過程中流體流動的基本規(guī)律；2.掌握柏努利方程及其在化工生產(chǎn)中的應用；3.掌握流體在管內(nèi)流動阻力的計算；4.了解流體輸送機械的工作原理和相關(guān)計算。第二章流體流動與輸送內(nèi)容提要：本章主要討論化工生產(chǎn)過程中1武漢大學-《化學工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件2第一節(jié)流體靜力學

1-1流體的物理性質(zhì)密度——單位體積流體所具有的質(zhì)量，稱為流體的密度。相對密度——物料密度與純水（4℃時）密度之比，用符號d表示。如H2SO4的d420=1.84第一節(jié)流體靜力學1-1流體的物理性質(zhì)31-2壓強壓強——單位面積上所受流體垂直方向的作用力，稱為流體的壓強。絕對壓強——壓強的實際數(shù)值。表壓強——某體系之絕對壓強高出當?shù)卮髿鈮褐钪?，稱為該體系的表壓。真空度——某體系之絕對壓強低于當?shù)卮髿鈮褐钪?，稱為該體系的真空度。

1-2壓強4表壓強和真空度示意圖

表壓強和真空度示意圖51-3流體靜力學方程受力分析：1）向上作用于薄層底面的總壓力pA2）向下作用于薄層頂面的總壓力（p+dp）A3）薄層向下作用的重力ρgdzA平衡時：所有力相等pA=（p+dp）A+ρgdzA積分得：p2=p1+ρg（z1-z2）——流體靜力學基本方程1-3流體靜力學方程61-4流體靜力學的應用U形管壓強計液位計液封1-4流體靜力學的應用7

第二節(jié)流體流動

2-1流體的流量和流速體積流量（qV）——單位時間流過導管任一橫截面的流體體積，質(zhì)量流量（qm）——單位時間流過導管任一橫截面的流體質(zhì)量，質(zhì)量流量=體積流量×流體密度

第二節(jié)流體流動2-1流體的流量和流速8流速（u）——在單位時間內(nèi)流體在導管中流過的距離，

管道直徑（d）

流速（u）——在單位時間內(nèi)流體在導管中流過的距離，92-2定常態(tài)流動與非定常態(tài)流動在流體流動系統(tǒng)內(nèi)，任一空間位置上的流量、流速、壓力和密度等物理參數(shù)，只隨空間位置的改變而改變．而不隨時間變化的流動稱為定常態(tài)流動或穩(wěn)定流動。否則，為非定常態(tài)流動或不穩(wěn)定流動。

2-2定常態(tài)流動與非定常態(tài)流動102-3流動形態(tài)

1883年，雷諾通過大量實驗觀察到，流體流動分為層流（滯流）、過渡流、湍流，且流動型態(tài)除了與流速u有關(guān)外，還與管徑d、流體的粘度、流體的密度有關(guān)。2-3流動形態(tài)11

雷諾實驗

雷諾實驗12=此數(shù)群被稱之為雷諾準數(shù)。雷諾準數(shù)值的大小，可以用來判斷流動類型。

Re<2000，層流；Re>4000，湍流，Re=2000-4000，過渡流。=13

2-4牛頓粘性定律

2-4牛頓粘性定律14選相鄰兩薄圓筒流體（1，2）進行分析。設(shè)兩薄層之間垂直距離為dy，兩薄層速度差為du，即（u2-u1），兩薄層之間接觸的圓筒表面積為A，兩薄層之間的內(nèi)摩擦力為F。實驗證明，對于一定流體，內(nèi)摩擦力F與接觸面積A成正比，與速度差du成反比，此即牛頓粘度定律。選相鄰兩薄圓筒流體（1，2）進行分析。設(shè)兩薄層之間垂直距離為15用一句話表述牛頓粘度定律：流體內(nèi)部所受的剪應力與速度梯度成正比。用一句話表述牛頓粘度定律：16服從牛頓粘度定律的流體，我們稱為牛頓型流體。不服從牛頓粘度定律的流體，我們稱為非牛頓型流體。①塑性流體

②假塑性流體

③漲塑性流體

服從牛頓粘度定律的流體，我們稱為牛頓型流體。不服從牛頓粘度定17武漢大學-《化學工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件18粘度-牛頓粘度定律中的比例系數(shù)。粘度的物理意義為：在單位接觸面積上，速度梯度為1時，由流體的粘度引起的內(nèi)摩擦力的大小。

粘度-牛頓粘度定律中的比例系數(shù)。192-5流動邊界層

2-5流動邊界層20在δ距離內(nèi)流體層呈現(xiàn)速度梯度，這個速度梯度區(qū)稱為流動邊界層。穩(wěn)定段的長度L0：流體流動從管道入口開始形成邊界層起直到發(fā)展到邊界層在管道中心匯合為止的長度。L0/d=0.0575Re

在δ距離內(nèi)流體層呈現(xiàn)速度梯度，這個速度梯度區(qū)稱為流動邊界層。212-6動量傳遞層流：湍流：

2-6動量傳遞層流：湍流：222-7流速分布

層流速度分布式的推導內(nèi)摩擦力推動力2-7流速分布層流速度分布式的推導23內(nèi)摩擦力=推動力積分得r=0時，流速最大內(nèi)摩擦力=推動力24層流平均流速u與最大流速umax

層流平均流速u與最大流速umax25武漢大學-《化學工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件26第三節(jié)流體流動的質(zhì)量衡算

定常流動流入系統(tǒng)的液體質(zhì)量流量=流出系統(tǒng)的液體質(zhì)量流量——流體流動連續(xù)性方程第三節(jié)流體流動的質(zhì)量衡算定常流動27第四節(jié)流體流動系統(tǒng)的能量衡算柏努利方程的導出

第四節(jié)流體流動系統(tǒng)的能量衡算柏努利方程的導出28

設(shè)有質(zhì)量流量為qm，流體由1-1截面流至2-2截面，流體流速分別為u1和u2；流體具有的壓強分別為p1和p2。我們對1-1和2-2范圍的流體作能量衡算。位能：

qmgz1和qmgz1

動能：qmu12/2和qmu22/2壓力能：設(shè)有質(zhì)量流量為qm，流體由1-1截面流至229——理想柏努利方程式——理想柏努利方程式30——實際流體的柏努利方程式——實際流體的柏努利方程式31柏努利方程的應用，要注意以下幾點：1.選取截面，實際是確定衡算范圍。截面可以有許多，選取已知條件最多的截面，是選取截面的原則。從數(shù)學角度講，選取截面就是選邊界條件。2.確定基準面。主要是計算截面處的相對位能。一般是選位能較底的那個截面為基準面。此時這個截面的位能為零。3.壓強的單位要統(tǒng)一。要么都用表壓，要么都用絕壓等。如有通大氣的截面，以表壓為單位時，該處截面表壓為零。柏努利方程的應用，要注意以下幾點：1.選取截面，324．大口截面的流速為零。5．上游截面與下游截面的確定。柏努利方程更確切的表達式為：

上游截面的三項能量+從輸送機械獲得的能量=下游截面的三項能量+管道中的摩擦損失能量

6．水平管截面確定基準面時，一般是取通過管中心的水平面為基準面。4．大口截面的流速為零。33第五節(jié)管內(nèi)流動阻力

流體流動的總阻力損失=沿直管流動產(chǎn)生的摩擦阻力損失+遇到變徑、變向的障礙產(chǎn)生的局部阻力損失第五節(jié)管內(nèi)流動阻力流體流動的總阻力損失345-1沿程阻力損失計算和量綱分析方法范寧公式定常流動時：壓力降=剪切力剪切力與剪應力的關(guān)系∴令則有5-1沿程阻力損失計算和量綱分析方法范寧公式35令則有

λ為摩擦系數(shù)，f為范寧因子λ的物理意義物理意義為：1牛頓流體在管道中流經(jīng)一段與管道直徑相等的距離所造成的壓頭損失與其所具有的動壓頭之比。令則有

36層流流動的阻力損失計算流體薄層體積流量將代入，有積分，得

哈根-泊謖葉方程

層流流動的阻力損失計算37由和得流體層流運動時的摩擦阻力系數(shù)的關(guān)聯(lián)式：由和38湍流摩擦阻力計算流體在管內(nèi)作湍流時，與許多因數(shù)有關(guān)。如等。即用實驗方法來求與上列因數(shù)的關(guān)系，則十分困難。因次分析法是化學工程實驗研究中經(jīng)常使用的方法之一。因次分析法的基礎(chǔ)是因次的一致性原則，即每一個物理方程式的兩邊，不僅數(shù)值相等，而且因次也必須相同。湍流摩擦阻力計算流體在管內(nèi)作湍流時，與許多因數(shù)有關(guān)。如39因次分析法

因次分析法的基本原理是白金漢（Buckingham）定理：設(shè)影響該現(xiàn)象的物理量為n個，這些物理量的基本因次為m個，則該物理現(xiàn)象可用N=n-m個獨立的無因次數(shù)群關(guān)系式表示，即π定理。此類無因次數(shù)群稱為準數(shù)。

因次分析法因次分析法的基本原理是白金漢（Buckingha40因次分析法只能歸納出數(shù)群，至于數(shù)群之間的確切定量關(guān)系，還必須依靠實驗才能得到。必須注意，在確定有關(guān)物理量時，須作較詳細的分析，若漏了必要的物理量，則得到的數(shù)群無法通過實驗建立確定的關(guān)系，若引進無關(guān)的物理量，則可能得到?jīng)]有意義的數(shù)群。

因次分析法只能歸納出數(shù)群，至于數(shù)群之41冪指數(shù)關(guān)系已知有等式兩邊每個基本量綱的量綱指數(shù)相等所以冪指數(shù)關(guān)系42湍流時的計算湍流時不僅與Re有關(guān)，而且與管內(nèi)壁的相對粗糙程度有關(guān)，常用查圖的方法查取。湍流時的計算43武漢大學-《化學工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件445-2局部阻力損失計算局部阻力損失計算有兩種方法，即當量長度法與阻力系數(shù)法。當量長度le——將流體通過管件或閥門的局部阻力損失折算成與其相當?shù)闹惫荛L度的摩擦阻力損失。阻力系數(shù)——由實驗測定局部阻力系數(shù)。5-2局部阻力損失計算局部阻力45武漢大學-《化學工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件46第六節(jié)流量測量6-1孔板流量計原理孔板流量計是在流體管道中安裝一個帶有圓孔的孔板構(gòu)成的。通過測量孔板前后壓力差，即可定出管道中流體的流量。流體通過孔板時，流速增大，靜壓頭減少，由靜壓頭的減少值，可以測出流速。

第六節(jié)流量測量6-1孔板流量計原理47武漢大學-《化學工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件48武漢大學-《化學工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件496-2轉(zhuǎn)子流量計原理

轉(zhuǎn)子流量計由一個倒錐形的玻璃管和一個能上下移動并且比流體密度大的轉(zhuǎn)子所構(gòu)成。轉(zhuǎn)子的上浮高度，可以表示流體的流量。6-2轉(zhuǎn)子流量計原理50轉(zhuǎn)子所受上推力=轉(zhuǎn)子重力-流體對轉(zhuǎn)子的浮力轉(zhuǎn)子所受上推力=轉(zhuǎn)子重力-流體對轉(zhuǎn)子的浮力51第七節(jié)流體輸送設(shè)備

輸送液體的機械稱為泵，輸送氣體的機械稱為風機（通風機、鼓風機等）、壓縮機和真空泵等

第七節(jié)流體輸送設(shè)備輸送液體的機械527-1離心泵的構(gòu)造及工作原理

7-1離心泵的構(gòu)造及工作原理53離心泵主要由葉輪和泵殼所組成

離心泵主要由葉輪和泵殼所組成54先將液體注滿泵殼，葉輪反時針高速旋轉(zhuǎn)，將液體甩向葉輪外緣，產(chǎn)生高的動壓頭u2/2g由于泵殼液體通道設(shè)計成截面逐漸擴大的形狀，高速流體逐漸減速，由動壓頭轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓頭即流體出泵殼時，表現(xiàn)為具有高壓的液體。先將液體注滿泵殼，葉輪反時針高速旋轉(zhuǎn)，將液體甩向葉輪外緣，產(chǎn)55名為離心泵，是因為葉輪旋轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)生離心力，液體在離心力作用下產(chǎn)生高速度。離心泵產(chǎn)生的離心力的大小，除與葉輪的轉(zhuǎn)速、和葉輪的直徑有關(guān)外，也與流體的密度有關(guān)。密度越大、離心力也就越大。如果有氣體，密度越小、離心力也就越小。產(chǎn)生氣縛而不能輸送流體，所以應盡量避免。方法有：吸入管不漏入空氣；在吸入管底口安裝低底閥；不用于輸送因抽吸而沸騰的氣化的低沸點的液體或高溫液體。

名為離心泵，是因為葉輪旋轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)生離心力，液體在離心力作56離心泵的性能參數(shù)與特性曲線

泵的流量、揚程、功率、效率，統(tǒng)稱為離心泵的性能參數(shù)。將實驗所得數(shù)據(jù)繪成曲線、曲線、曲線，統(tǒng)稱為離心泵的特性曲線。離心泵的性能參數(shù)與特性曲線泵的流量、揚程、功率、效率，統(tǒng)稱57武漢大學-《化學工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件58揚程

揚程又稱為泵的壓頭，指泵對每牛頓重量液體的供的能量。用He’表示，單位為m揚程揚程又稱為泵的壓頭，指泵對每牛頓重量液體的供的能量。用59武漢大學-《化學工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件60流量：泵的流量指泵在單位時間內(nèi)輸送液體的體積，又稱送液能力。用qv表示，單位為：m3s-1或m3h-1，由實驗測定。

流量：泵的流量指泵在單位時間內(nèi)輸送液體的體積，又稱送液能力。61泵的功率有軸功率和有效功率兩種表示方法。軸功率是：電動機或其他原動機直接傳遞給泵軸的效率。用P表示，單位：J·s-1或W。有效功率：是指流體實際獲得的功率。用Pe表示。泵的功率有軸功率和有效功率兩種表示方法。62離心泵的安裝高度

離心泵的安裝高度63離心泵的類型

離心泵的選擇原則：1.確定輸送系統(tǒng)的流量與壓頭。2.選擇泵的類型與型號3.核算泵的軸功率

離心泵的類型離心泵的選擇原則：64武漢大學-《化學工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)pp