1、第一章 流体流动,1.流体:液体和气体统称为流体。 特征: (1)具有流动性; (2)无固定形状; (3)在外力作用下,其内部发生相对运动。 2.本章主要讲的内容:流体流动的基本原理及 其流动规律。 3.经常应用流体流动规律的场合: (1)流体的输送(使流体在低能耗及低设备费用下完成输送). (2)压强.流速.和流量的测量(控制生产过程). (3)为强化设备提供适宜的流动条件(为提高设备效率.而化工过程处理的均是流体).,4.讨论的方法: 连续性假设,将流体视为由无数的分子集团组成的连续介质, 每个分子集团称为质点。这些质点: (1)其大小与容器或管道相比是个微不足道的. (2)质点在流体内部
2、一个紧挨一个,它们之间没有任何空隙。 即认为流体充满其所占的空间,从而把流体视 为连续介质,这样就摆脱了复杂的分子运动,从宏观角度来研究流体的流动规律。 注意:在高度真空下的气体,就不能再视为连续介质。,第一节 流体静力学基本方程式,流体静力学:研究流体在外力作用下达到 平衡的规律。 应用很广:流体在设备内或管道内压强的变化与测量、压差计、液体在储罐内液位的测量及设备的液封等。 本节只讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律。 先介绍有关流体的两个参数:,1-1-1 流体的密度,1、 密度:单位体积流体所具有的质量。,2、气体的密度 :由于气体是可压缩的, 即=f(p,T),而 手册中查得的是一定
3、p,t下的值, 这就涉及换算问题。,当压强不太高,温度不太低时,可按理想气体处理。,一般可提供查阅手册获得,T-绝对温度,K , p-Pa(绝对压强),对一定质量的气体,3.混合物密度的计算,(1)液体混合物:假设各组分在混合前后的体积不变,则1kg混合物的体积等于各组分单独存在时的体积之和,即,(2) 混合气体(浓度常用体积分率表示)以1m3混合气体为基准。 假设各组分在混合前后其质量不变,则1m3混合气体的质量等于各组分的质量之和,即,MA,MB, Mn-气体混合物中各组分的摩尔质量 YA,yB , yn-气体混合物中各组分的摩尔分率,4补充几个与密度有关的概念,1)液体的比重(相对密度)
4、,2)重度:单位体积流体所具有重量,3)比容:单位质量的流体所具有的体积,比容:m3/kg,流体流动中的作用力可分为体积力和表面力,体积力:作用于流体每个质点上,并与流体的质量 成正比。对均质流体也与流体的体积成正比。,场力:重力、离心力等,表面力:压力和剪力,与表面积成正比,1-1-3 流体的静压强,p流体的静压强,Pa P垂直作用于流体表面上的压力,N A作用面的面积,m2.,1、定义:流体垂直作用于单位面积上的压力, 称为流体的静压强,简称压强。,表达式:,称为点静压强.,2、特点:(1)在静止流体内部任意面上只受到 大小相等,方向相反的压力。 (2)作用于静止流体内部任意点上所有不同方
5、位的 静压强在数值上相等。,工程上:为了适用和换算方便,常将1 kgf/ cm2称为1个工程大气压,即1at=1 kgf/ cm2 =735.6mmHg=10mH2O=0.9807bar=9.807 104Pa,3、压强的不同单位表示法及其之间的换算关系,(1)SI制中,压强的单位Pa,帕斯卡;N/m2,(2)习惯上:atm(标准大气压),某流体柱高度(米), bar(巴),kgf/cm2等,1atm=101.325kPa=1.033kgf/ cm2 =1.01325bar =760mmHg=10.33m=1.01325105Pa,注:101.325kPa是北纬45度海平面,15C的测定值,4
6、.不同的方法表示的压强,真空表:用来测量压强的仪表,当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时,所用测压仪表称为真空表。,(1) 绝对压强:以绝对零压作起点计算的压强, 称为绝对压强,它是流体的真实压强。,(2) 表压强:压强表上的读数,表示被测流 体的绝对压强比大气压高出的数值,称为表压强。,(3) 真空度:真空表上的读数,表示被测 流体的绝对压强低于大气压强的数值,称为真空度。,4.不同的方法表示的压强,(4) 三者之间的关系,注:真空表和压力表是不同的,即不能互换。 规定:表压和真空度均应该加以标注,即真空度= -表压,真空度=大气压绝对压强,表压=绝对压强大气压,即:3kgf/cm2(表压
7、)或200mmHg(真空度),1-1-3 流体静力学基本方程式,一、基本方程式的推导,在密度为的静止流体中,取一微元立方体,其边长分别为dx,dy,dz,它们分别 与x,y,z轴平行,如图,pdxdy,定义:流体在重力和压力作用下的平衡规律表达 式,也就是流体处于静止状态时的平衡规律。,在z轴方向上,(1) 作用于下底面的压力pdxdy,(2) 作用于上底面的压力,(3)作用于整个立方体的重力为,pdxdy,1-1-3 流体静力学基本方程式,pdxdy,提示:静止流体内部,任意一点的静压能与位能之和为一常数。常称为总势能。,二、讨论,1p0一定, ,故在静止的连续的同一液体内部,处于同一水平面
8、上各点的压强相等,2. p0变化时,液体内各点的压强将发生同样的变化,3 , 说明压强差的大小可以 用一定高度的液柱来表示,但必须注明何种液体;,4上式以不可压缩流体为对象推得。对于气体, 由于它是可压缩流体,在h不同处,变,但在 化工容器中,这种变化可以忽略。上式仍然适 用, 取 m,但只是近似解.,5注意:是在静止的连通着得同一流体内部成立,114静力学基本方程式的应用,一、压强与压强差的测量,1、U型管压差计,1)结构,2)对指示液的要求:,(3)被测流体密度小于指示液的密度,即,(2) A与被测流体不起化学变化;,(1) A与被测流体不互溶;,1、U型管压差计,3)原理:,当流体是气体
9、时,,若用U型管压差计测量某点的压力,则只需将其一端通空,另一端连接到被测量点即可,2.微差压差计:,可以看出,当所测量的压强差很小时,U型管压 差计读数R很小,有时难以准确读出R值,为把读 数放大,有两种措施:,(1)在选指示液时,使 很小, 但后果是液面不稳定;,(2)使用微差压差计:,(2)为读数方便,使U型管两端各装有扩大室,扩大室内径与U型管内径之比大于10,这样就使得管内指示液A的液面差R很大,但两个扩大室内的指示液C的液面变化很小,可以认为维持等高。,(1)微差压差计内装有两种密度相近,且不互溶的 指示液A和C,而指示液C与被测流体B亦不互溶。,微差压差计的特点:,3、倾斜压差计
10、:为了提高读数的精度, 可以将液柱压差计倾斜放置。即:,二、液位的测量:,目的:了解容器里的贮存量,控制设备里的液位,1、最原始的液位测量: 特点:因玻璃管易碎,且不便于远传或远处观察,2、安装平衡室:,条件: (1)平衡器的小室里面所装的液体与容器里的相同。 (2)平衡器里液面的高度维持在容器液面允许达到 的最大高度处。,则结论: (1)当容器里得液面达到最大高度时:R=0 (2 ) R0时可根据压差的计算法,计算液面高度, 容器里液面愈低压差计读数越大,平衡室液位维持在设备的最高液位处,3、远距离测量液位,当容器离操作室较远,或埋在地面一下时,液位的 测量装置如图。管内氮气的流速由调节阀控
11、制,一 般很小,在最高液位时有气泡缓缓溢出即可,气体 流速不能太大,否则阻力损失较大,不可忽略。,除此之外,液位的测量方法还有很多,有利用浮力的浮球 式液位计,电容式液位计,超声波,射线等等。,三、液封高度的计算,真空液封,四、静力学方程式其他应用,1、倾析器,2、稳压高位槽(马里奥特容器),3、倒液封,第二节 流体在管内的流动,流量:,2.流速:,1)实验表明:流体流经管道任一截面时各点的流速沿管径 变化,中心处最大,壁面处最小为0。速度分布复杂, 工程上为方便取平均值。滞流 湍流,121流量与流速,体积流量:流体量用通过的流体的体积表示。VS ,m3/s,单位时间内流过管道任一截面的流体量
12、。,流体量:,质量流量:流体量用通过的流体的质量表示。Ws, kg/s,单位时间内流体在流动方向上流过的距离。u,m/s,3.管道内径的计算:若管道为圆形截面,则,122 定态流动与非定态流动,定态流动:在流动系统中,若各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而变化,不随时间而变化,这种流动称为定态流动。 化工生产中多属于这种连续定态流动过程,非定态流动:在流动系统中,若各截面上流体 的流速、压强、密度等有关物理量不仅随位置而变 化,而且随时间而变化,这种流动称为非定态流动。,123 连续性方程式,物料衡算:如图:,123 连续性方程式,124 能量衡算方程式,流动系统的总能量衡算方
13、程式:如图,衡算范围:设备内壁面、 11截面、22截面间围成的系统,衡算基准:1kg流体,基准水平面:o-o,v1,v2 流体分别在截面11与 截面22处的比容;m3/kg,符号含义:,u1,u2 流体分别在截面11与截面22处的流速;m/s,p1,p2 流体分别在截面11 与截面22处的压强;Pa,Z1,Z2 流体分别为截面11 与截面22处的中心与 基准 水平面的垂直距离;m,A1,A2 流体分别为截面11与 截面22处的面积;m2,1kg流体进、出系统时输入和输出的能量:,1kg流体进、出系统时输入和输出的能量:,以1kg流体为基准的总能量衡算方程式为:,二、流动系统的机械能衡算式与伯努
14、利方程式,以1kg流体为基准的总能量衡算方程式为:,:,二、伯努利方程式的讨论,该方程表示理想流体在管道内作定态流动而又 没有外功加入时,在任一截面上单位质量流体所 具有的位能、动能、静压能之和为一常数,称为 总机械能,单位:J/kg;,2.注意方程中各项的单位及意义;,3.对于可压缩流体,若所取系统两截面的绝对压 强变化小于原来绝对压强的20时,该方程仍然 适用,但应该注意:,式中密度应该用两截面密度的平均值代替;,6.衡算基准不同,方程式形式不同,5.如果流体静止,该式简化为静力学基本方程式; 即流体的静止状态只不过是流动状态的一种特殊形式,4.对于非定态流动系统的任一瞬间,伯努利方程仍然
15、成立;,125 机械能衡算方程式 (伯努利方程式)的应用,确定管道中流体的流量 确定设备间的相对位置 确定输送设备的有效功率 确定管路中流体的压强,五、应用伯努利方程式的解题要点:,1、作图与确定衡算范围,2、截面的选取,3、基准水平面的选取,4、单位必须一致,六、非定态流动系统的计算,第三节 流体的流动现象,一、牛顿粘性定律,2、水在管内的流动:如图 流体的内摩擦力:运动着的流体内部相邻两流 体层间的相互作用力它是流体粘性的表现,又称 为粘滞力或粘性摩擦力。,1、粘性:流体具有粘性,没有固定形状,在外力作用下其内部产生相对运动。在运动状态下,流体还具有一种抗拒内在的向前运动的特性,称为粘性。
16、,它是流体阻力产生的依据。,131 牛顿粘性定律与流体的粘度,3.牛顿粘性定律:以两平行平板间流体流动为例,大量实验表明:,D:压强变化时,液体的粘度基本不变,气体粘度随压强增加而增加很少,一般情况下可以忽略,只有在极低或极高压强下才需要考虑。,二、流体的粘度,1、粘度的物理意义:,促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力,提示:,A:粘度是与速度梯度相联系,流体只有 运动时才显现出来;,B:粘度是流体物理性质之一,其值由实验测定;,C:液体的粘度随温度升高而减小,气体的粘度随 温度的升高而增大;,2、粘度的单位及换算,4、混合物的粘度,132 非牛顿型流体,凡是符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流
17、体。,凡是不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体。,133 流动类型与雷诺准数,一、雷诺实验,2、湍流流动(紊流流动):质点做无规则的杂乱运动,相互碰撞,并产生大大小小的旋涡。,三、雷诺准数,注:凡是几个有内在联系的物理量按无因次条件组合起 来的数群称为准数或无因次数群(包含了各物理量之间 的联系,又能说明某一现象或过程的一些本质),二、流体流动的两种类型:,1、滞流流动(层流流动):质点沿管轴有规则的平行运动,第三节流体的流动现象 134 滞流与湍流,流体内部质点的运动方式,2、流体在圆管内的速度分布滞流 湍流,3、流体在直管内的流动阻力,滞流与湍流的区别,(本质区别),135 边界层的概
18、念,边界层的形成及边界层的发展,2.边界层的分离,平板上边界层的形成与发展,圆管内的边界层形成与发展,第四节 流体在管内的流动阻力,流动阻力产生的原因:,1、流体具有粘性,流动时存在着内摩擦,是流动阻 力产生的根源; 2、固定的管壁或其它形状的固体壁面,促使流动的 流体内部发生相对运动,为流动阻力的产生提供了条件。,流动阻力直管阻力局部阻力,直管阻力:流体流过直管而产生的阻力损失,局部阻力:由于流体流经管路中的管件、阀门及 管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力。,强调:流体流过水平放置的圆形直管,且无外功加入时,两截面压强差就等于由于阻力损失产生的压强降。,141流体在直管中的流动阻力
19、,直管阻力通式的推导,141流体在直管中的流动阻力,141流体在直管中的流动阻力,管壁绝对粗糙度:指壁面凸出部分的平均高度 管壁相对粗糙度: /d,摩擦系数f(Re, /d),2、管壁粗糙度对摩擦系数的影响,粗糙度与摩擦系数的关系1 粗糙度与摩擦系数的关系3 粗糙度与摩擦系数的关系2,3、滞流时的摩擦系数:如图,定理:a)任何因次一致的物理方程都可以表示为一组无因次数群的零函数 b)无因次数群1, 2, 3,的数目i等于影响该现象的物理量数目n减去用以表示这些物理量的基本因次的数目m,4、湍流时的摩擦系数和因次分析,因次分析方法的目的:,因次分析方法的基础或依据:,因次一致性原则:根据基本物理
20、规律导出的物 理方程,其中各项的因次必然相同。,因次一致性原则和定理,4、湍流时的摩擦系数和因次分析,4)完全湍流区:图中虚线以上的区域, 与Re无关,仅与/d有关。,阻力平方区,利用以/d为参数,标绘Re和关系图查取摩擦系数,该图分为四个区域:,1)滞流区:Re=2000 , 与管壁粗糙度无关,和Re准数成 直线关系。,2)过渡区:Re20004000,在此区域内滞流和湍流的 Re 关系曲线都可应用。为安全起见,对于流体阻力的计算,一般将 湍流时的曲线延伸,以查取。,3)湍流区:Re4000及虚线以下的区域,特点是 f(Re, /d),当/d一定, 随Re的增大而减小,Re值增至某一数值后下
21、降缓慢。 Re值一定,随 /d增大而增大。,5、流体在非圆形直管内的流动阻力,水力半径:流体在流道里的流通截面A与润湿周边长度的比值。,142 管路上的局部阻力,1、突然扩大和突然缩小,2、进口和出口,3、管件与阀门,进口阻力系数,c=0.5;出口阻力系数。 e=1.0,有关手册中可查到,142 管路上的局部阻力,当量长度的意义:流体流过某一管件或阀门 的局部阻力,相当于流过一段与其具有相同 直径、长度le的直管阻力。,143 管路系统中的总能量损失,第五节 管路计算,简单管路 复杂管路 分支管路 汇合管路 并联管路,一、简单管路的计算 1、管路计算中的常用方法试差法 2、简单管路分析,一、管
22、路计算中的试差法,对于后两种情况该如何计算?,在实际工作中常见的情况有:,1、已知管径、管长、管件和阀门的设置及流体的输 送量,求流体通过管路系统的能量损失,以便进一步 确定输送设备所加入的外功、设备内的压强或设备 间的相对位置等。,2、已知管径、管长、管件和阀门的设置及允许的 能量损失,求流体的流速或流量。,3、已知管长、管件和阀门的当量长度、流体的流 量及允许的能量损失,求管径。,试差法,一、管路计算中的试差法,二、简单管路的分析,条件:高位槽内液面维持恒定, 各管段管径相同,总阻力损失为定值,结论:,1、任何局部阻力的增加,将使管内流速下降,2、下游阻力增加,将使上游压强增大,3、上游阻
23、力增加,将使下游压强降低,4、任何时刻,阻力损失表现为流体的势能差增大,复杂管路,工程上常用的两种处理方法:,1、交点O的能量交换和损失与各股的流向和流速大小皆有关系,但可将单位质量流体跨越交点的能量变化看作流过管件(三通)的局部阻力损失。由实验测定不同情况下三通的局部阻力系数,,当流体流过交点时能量有所增加,则值为负, 否则为正值。,这样,只要各股流向明确,仍可跨越交点列 机械能衡算式求解。,2、如果输送管路其它部分的阻力较大,如:,三通阻力(单位质量流体流过交点时的能量变化) 所占比例甚小,可以忽略。,可不计三通阻力跨越交点列机械能衡算式, 所得结果是足够准确的,第二种方法实际中常用,三、
24、并联管路的分析,并联管路的特点,四、分支管路的分析,分支管路的特点:,1、尽管各支管长短及直径相差不一,但单位质量流体 在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等,分支管路分析:,因为各支路下游压强不变,有各支路流速增大,因为交点处压强增大,主管路流速减小,特例:,1、总管阻力可以忽略不计,以支管阻力为主,支管路上的阀门关小,对分支点的压强影响较小, 故对其它支管的流量几乎没有影响。,2、总管阻力为主,支管阻力可以忽略,此时因为与各支管终端压强相近,总管中的流量 将不因支管情况而变,即支管阀门的启闭不影响 总流量,而仅仅改变各支管流量的分配。,五、汇合管路的分析,汇合管路,第六节 流量测量
25、,一、测速管(皮托管),1、结构:,2、原理:,提示:1)测速管只能测出管截面上任一点的点速度,2)测量点应该在稳定段,3)测速管的外径不大于管道内径的1/50,4)测速管的制造精度影响测量的准确性,一般,C为校正系数,标准测速管C1,通常为0.981.0,3、优缺点及应用场合,优点:对流体阻力小,适用于测量大直径管路 的气体流速。,缺点:不能直接测出平均流速 ,且读数较小, 常需配用微差压差计,当流体中含固体杂质时,又易堵塞。,二、孔板流量计,1、结构,2、工作原理,3、流量系数C0:,提示:,1) 一定的面积比,ReRec时,Co为常数,2) 根据读数R计算流量时,应该先确定Co,而,故此
26、需采用试差法,即:假设ReRec,查得Co ,再由Co算出流量, 由流量算出流速u,再算Re,若ReRec,假设 正确,否则重算。,3)对于气体或蒸汽流量时,当压力变化20时,4、优缺点及安装:,优点:结构简单,造价低,缺点:阻力损失大,孔口边缘有磨损及腐蚀, 应该定期校正,安装:上下游要有一段内径不变的直管段,上游:50d1;下游:10d1,特点:恒截面,变压差,三、文丘里流量计,1、结构:为了减少流体流经节流元件的能量损失设计了文丘里流量计。,2、原理:与孔板流量计相同,3、特点:阻力损失小 各部分尺寸要求精细,需严格加工,造价高,4、适应场合:低压气体的输送,四、转子流量计,1、转子流量计的构造:,2、转子流量计中的转子受力分析:,转子承受的压力差=转子所受的重力-流体对转子的浮力,显然:对于某一转子流量计,如果在所测量的流 量范围内,流量系数CR为 常数时,流量只随环系 截面积AR而变。,转子流量计特点:恒流量,变截面,转子流量计刻度在标定条件制作的,当使用条件发生 变化时应该进行校核。,标定条件:液体:20C清水 气体:常压、 20C空气,优点:读数方便,能量损失小测量范围宽。 能够用于腐蚀性流体,缺点:玻璃制品易碎,不能承受高温,安装易碎且 必须保持垂直。,