1、2019/4/9,第 一 章 流 体 的流 动过程与输送机械,第 一 节 概述,2019/4/9,2019/4/9,2019/4/9,第一章 流体流动过程与输送机械,1.本章学习目的通过本章学习，重点掌握流体流动的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和解决流体流动过程的有关问题，诸如： （1）流体输送:流速的选择、管径的计算、流体输送机械选型。 （2）流动参数的测量:如压强、流速的测量等。 （3）建立最佳条件:选择适宜的流体流动参数，以建立传热、传质及化学反应的最佳条件。 此外，非均相体系的分离、搅拌（或混合）都是流体力学原理的应用。,2019/4/9,2 本章应掌握的内容 （
2、1）流体静力学基本方程式的应用； （2）连续性方程、柏努利方程的物理意义、适用条件、解题要点； （3）两种流型的比较和工程处理方法； （4）流动阻力的计算； （5）管路计算。,2019/4/9,第一节 概述 一、化工生产中流体的流动与输送机械：,流体流动规律是本门课程的重要基础，主要原因 有以下两个方面： （1）流动阻力及流量计算 （2）流动对传热、传质及化学反应的影响,化工生产中，经常应用流体流动的 基本原理及其流动规律解决相关问题。以图1-1为煤气洗涤装置为例来说明： 流体动力学问题：流体（水和煤气） 在泵（或鼓风机）、流量计以及管道中 流动等；流体静力学问题：压差计中流体、 水封箱中的水
3、。,图1-1 煤气洗涤装置,2019/4/9,确定流体输送管路的直径，计算流动过程产生的阻力和输送流体所需的动力。 根据阻力与流量等参数选择输送设备的类型和型号，以及测定流体的流量和压强等。流体流动将影响过程系统中的传热、传质过程等，是其他单元操作的主要基础。,图1-1 煤气洗涤装置,2019/4/9,流体的分类和特性,气体和液体统称流体。流体有多种分类方法：（1）按状态分为气体、液体；（2）按可压缩性分为不可压流体和可压缩流体；（3）按是否可忽略分子之间作用力分为理想流体与 实际流体；（4）按流变特性可分为牛顿型和非牛顿型流体；流体区别于固体的主要特征是具有流动性，其形状随容器形状而变化；受
4、外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一。,2019/4/9,流体是由大量的彼此间有一定间隙的单个分子所组成。在物理化学（气体分子运动论）重要考察单个分子的微观运动，分子的运动是随机的、不规则的混乱运动。这种考察方法认为流体是不连续的介质，所需处理的运动是一种随机的运动，问题将非常复杂。连续性假设(Continuum hypotheses) 在化工原理中研究流体的宏观特性，在静止和流动状态下的规律性时，常将流体视为由无数质点组成的连续介质。连续性假设:假定流体是由大量质点组成、彼此间没有间隙、完全充满所占空间连续介质，流体的物性及运动参数在空间作连续
5、分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。,2019/4/9,二、理想流体与实际流体： 1、理想流体：没有黏性、流动过程中没有摩擦阻力、不可压缩。 2、实际流体：具有黏性、流动过程中产生摩擦阻力。,2019/4/9,第 一 章 流 体的 流 动过程与输送机械,一、流体的物理性质 二、流体静力学基本方程 三、流体静力学基本方程的应用,第 二 节 流体静力学及其应用,2019/4/9,本节主要内容 流体的密度和压强的概念、单位及换算等；在重力场中的静止流体内部压强的变化规律及其工程应用。 本节的重点 重点掌握流体静力学基本方程式的适用条件及工程应用实例。,第二节 流体静力学及其应用,2019/
6、4/9,一、流体静力学中的重要物理量,密度 1）定义单位体积的流体所具有的质量，; SI单位kg/m3。,2）影响的主要因素,2019/4/9,液体：,不可压缩性流体,气体：,可压缩性流体,3）气体密度的计算,理想气体在标况下的密度为：,例如：标况下的空气，,操作条件下（T, P）下的密度：,2019/4/9,由理想气体方程求得操作条件（T, P）下的密度,2019/4/9,2.流体的静压强,1）压强的定义流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的静压强，简称压强。,（1）流体压力处处与它的作用面垂直，并总是指向流体的 作用面。,(2)流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关。,2
7、019/4/9,2）压力的单位和单位换算,SI制单位：N/m2，即Pa。,其它常用单位有：,atm（标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、bar；流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。,2019/4/9,换算关系为：,3）压强的表示方法,（1）绝对压强（绝压）：,流体体系的真实压强称为绝对压强。,（2）表压 强（表压）：,压力表上读取的压强值称为表压。,表压强=绝对压强-大气压强,2019/4/9,2019/4/9,（3）真空度：,真空表的读数,真空度=大气压强-绝对压强=-表压,绝对压强、真空度、表压强的关系为,绝对零压线,大气压强线,绝对压强,表压强,绝对压强,真空度,当用表压或真空度来
8、表示压强时，应分别注明。如：4103Pa（真空度）、200KPa（表压）。书9页图,2019/4/9,二、流体静力学基本方程,1、流体静力学基本方程式,在上截面受到垂直向下的压力,在下截面受到垂直向上的压力：,小液柱本身所受的重力：,因为小液柱处于静止状态，,2019/4/9,两边同时除A,令,则得：,若取液柱的上底面在液面上，并设液面上方的压强为Pa， 取下底面在距离液面H处，作用在它上面的压强为P,2019/4/9,流体的静力学方程,表明在重力作用下，静止液体内部压强的变化规律。,2019/4/9,方程的讨论,1）液体内部压强P是随Pa和H的改变而改变的，即：,2）当容器液面上方压强Pa一
9、定时，静止液体内部的压强P仅与垂直距离h有关，即：,处于同一水平面上各点的压强相等。,3）当液面上方的压强改变时，液体内部的压强也随之改变，即：液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点。,2019/4/9,4）从流体静力学的推导可以看出,它们只能用于静止的连通着的同一种流体的内部，对于间断的并非单一流体的内部则不满足这一关系。,压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示，这就是液体压强计的根据，在使用液柱高度来表示压强或压强差时，需指明何种液体。,6)方程是以不可压缩流体推导出来的，对于可压缩性的气体，只适用于压强变化不大的情况。,2019/4/9,例：图中开口的容器内盛有油和水，油层
10、高度h1=0.7m, 密度,，水层高度h2=0.6m，密度为,1）判断下列两关系是否成立PAPA，PBPB。2）计算玻璃管内水的高度h。,2019/4/9,解：（1）判断题给两关系是否成立A，A在静止的连通着的同一种液体的同一水平面上,因B，B虽在同一水平面上，但不是连通着的同一种液体，即截面B-B不是等压面，故,（2）计算水在玻璃管内的高度h,PA和PA又分别可用流体静力学方程表示,设大气压为Pa,2019/4/9,2019/4/9,三、流体 静力学基本方程的应用,流体静力学原理的应用很广泛，它是连通器和液柱压差计工作原理的基础，还用于容器内液柱的测量，液封装置，不互溶液体的重力分离（倾析器
11、）等。解题的基本要领是正确确定等压面。本节介绍它在测量液体的压力和确定液封高度等方面的应用。,压力的测量测量压强的仪表很多，现仅介绍以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器-液柱压差计。液柱压差计可测量流体中某点的压力，亦可测量两点之间的压力差。 常见的液柱压差计有以下几种。,2019/4/9,1、U型管压差计,利用流体静力学原理设计的测定压强的一种仪表。 一般用透明玻璃管制成，管中盛有选定的指示液，指示液的密度须大于被测流体的密度，与被测流体不起化学作用且不互溶。,2019/4/9,在U形管压强计内取a、b两点，这两点是连通的，静止的在同一流体内，又在同一水平面上，根据讨论（2），这两点的压强
12、相等，则： PA=P1+(Z+R)g，PB=P2+Zg+Rig 因PA=PB 故 P1-P2=（ i-）gRU形管压差计的计算公式,当前位置：第一章 第二节,2019/4/9,当被测的流体为气体时，,可忽略,则,，,两点间压差计算公式,若U型管的一端与被测流体相连接，另一端与大气相通，那么读数R就反映了被测流体的绝对压强与大气压之差，也就是被测流体的表压。,当P1-P2值较小时，R值也较小，若希望读数R清晰，可采取三种措施：两种指示液的密度差尽可能减小、采用倾斜U型管压差计、 采用微差压差计。,2019/4/9,普通 U 型管压差计 倒 U 型管压差计 倾斜 U 型管压差计 微差压差计,201
13、9/4/9,2、液封装置 液封，也称水封，是一种利用液体的静压来封闭气体 的装置。,液封的作用： 若设备内要求气体的压力不超过某种限度时，液封的作用就是：当气体压力超过这个限度时，气体冲破液封流出，在压力设备上防止超压而起泄压作用。防止气体泄漏而起密封作用。防止气体气体倒流而起止逆作用。若设备内为负压操作，其作用是：防止外界空气进入设备内,2019/4/9,液封在化工生产中被广泛应用：通过液封装置的液柱高度 ，控制器内压力不变或者防止气体泄漏。 为了控制器内气体压力不超过给定的数值，常常使用安全液封装置（或称水封装置）如图，其目的是确保设备的安全，若气体压力超过给定值，气体则从液封装置排出。,
14、安全液封,液封需有一定的液位，其高度的确定就是根据流体静力学基本方程式。,2019/4/9,液封高度,液封还可达到防止气体泄漏的目的，而且它的密封效果极佳，甚至比阀门还要严密。例如煤气柜通常用水来封住，以防止煤气泄漏。 液封高度可根据静力学基本方程式进行计算。设器内压力为p（表压），水的密度为，则所需的液封高度h0 应为 为了保证安全，在实际安装时使管子插入液面下的深度应比计算值略小些，使超压力及时排放；对于后者应比计算值略大些，严格保证气体不泄漏。 12页书上例题,2019/4/9,如图所示，某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过 10.7103Pa（表压），需在炉外装有安全液封，其作用是 当
15、炉内压强超过规定，气体就从液封管口排出，试求此炉 的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。,解：过液封管口作基准水平面 o-o，在其上取1，2两点。,2019/4/9,当前位置：第一章 第三节,第三节 稳态流动时的物料衡算和能量衡算,一、稳态流动与非稳态流动： 1.稳态流动：流动过程中，管内与流动方向垂直的任一截面的流动参数（流量、流速、压力）和有关物理性质（密度、黏度）等都不随时间而变化，仅是位置的函数。,2019/4/9,稳态流动与非稳态流动,流动系统,稳态流动,流动系统中流体的流速、压强、 密度等有关物理量仅随位置而改 变，而不随时间而改变。,非稳态流动,上述物理量不仅随位置而且随时间变化
16、的流动。,2019/4/9,2019/4/9,二.流体稳态流动时的流量与流速,1.流量单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。流量用体积来计量，称为体积流量qv；单位为：m3/s。若流量用质量来计量，称为质量流量qm；单位：kg/s。体积流量和质量流量的关系是：,2.流速单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速 v 。,单位为：m/s。数学表达式为：,2019/4/9,流量与流速的关系为：,对于圆形管道，,管道直径的计算式,生产实际中，管道直径应如何确定？,2019/4/9,工程上输送流体的管道，大多为圆管，设圆管的内径为d，刚管道的截面积为 A=（/4）d2(今后除特别指明之外，
17、均指内径），代入式（2-12），得：,式中：d-管道内径， m； V-流体体积流量，m3/s； u-流体在管道内的流速，m/s； 根据流量和流速，可用式（2-15）算得管道内径，其中流量通常是为生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。由式（2-15）可知，当流量V一定时，流速u越大，管径d越小，设备费用可减小，但此时流体流速相应增大，其在管道中流动阻力也越大，使操作费用（动力消耗）增加。反之，流速减小，阻力降低，操作费用减少，但管径增大，设备费用增加。设计管道时，尤其是输送距离较长时，需要综合考虑这两个相互矛盾的因素，确定适宜的流速，使操作费用与设备费用之和为最低。,工程上输送流体的管道，
18、大多为圆管，设圆管的内径为d，刚管道的截面积为 A=（/4）d2(今后除特别指明之外，均指内径），代入上式，得：,式中：d-管道内径， m；qv-流体体积流量，m3/s； v-流体在管道内的流速，m/s； 根据流量和流速，可用上式算得管道内径，其中流量通常是生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。由上式可知，当体积流量qv一定时，流速v越大，管径d越小，设备费用可减小，但此时流体流速相应增大，其在管道中流动阻力也越大，使操作费用（动力消耗）增加。反之，流速减小，阻力降低，操作费用减少，但管径增大，设备费用增加。设计管道时，尤其是输送距离较长时，需要综合考虑这两个相互矛盾的因素，确定适宜的流
19、速，使操作费用与设备费用之和为最低。书中表1-1列出了某些流体常用流速范围。,qv,2019/4/9,三、流体稳态流动时的物料衡算连续性方程,由表可见，流体在管道中的适宜流速与流体的性质及操作条件有关。在管径的选择时，先根据情况选定流速v，再经上式算出d 后，从有关手册或本书附录中选用标准管的规格。,即： qm1=qm2=qm3 , 根据流量的概念， qm = vA 则 v1A 1 1= v2A 2 2=v3A3 3 ， 即： vA =常数 (流体连续性方程或物料衡算关系式) 对于理想流体或不可压缩流体， 为常数， 则 v1A 1 = v2A 2 = v3A3 即： vA =常数(理想流体的连
20、续性方程或物料衡算关系式),2019/4/9,对于在圆管中流动的理想流体，A= d2/4 （15页书上例题） 则 vd2=常数(理想流体在圆形管路中的连续性方程或物料衡算式),即,=,四、流体稳态流动时的能量衡算-伯努利方程1、流体流动时的能量形式：,流体流动时的能量 流体质量为m(kg)、距基准面为Z(m)、压强为p(Pa),内能 ：mU,机械能,位 能： E位=mgZ (J) 动 能: E动=(1/2)mv2 (J) 静压能: E压=PV=mp/ (J）,质量为m的流体在以速度v运动时，它所具有的总能量是它的内能和机械能的总和： E= mU+ mgZ+ (1/2)mv2+mp/,2019/
21、4/9,能量衡算方程式,流体流动的总能量衡算,流体本身具有的能量,物质内部能量的总和称为内能。内部分子运动单位质量流体的内能以U表示，单位J/kg。,内能：,流体因处于重力场内而具有的能量。,位能：流体由于其所处位置高于某 基准面而具有的能量。,2019/4/9,质量为m流体的位能,单位质量流体的位能,流体以一定的流速流动而具有的能量。,动能：,质量为m，流速为v的流体所具有的动能 （1/2）mv2,单位质量流体所具有的动能 ()v2,静压能（流动功） 静止或流动流体内部都存在静压能。系统的任一截面都具有压力。,通过某截面的流体具有的用于 克服压力功的能量,2019/4/9,流体在截面处所具有
22、的压力,流体通过截面所走的距离为,流体通过截面的静压能,单位质量流体所具有的静压能,质量为m的流体在以速度v运动时，它所具有的总能量是它的内能和机械能的总和： E= mU+ mgZ+ (1/2)mv2+mp/,2019/4/9,2、理想流体流动过程的能量衡算,对于理想流体，由于其不可压缩，故其密度可视为不随压强变化，由于不具有黏性，在流动时没有摩擦阻力产生。在没有热量输入和引出情下，流体的温度不变则内能无变化，因而只有机械能之间的转化。,在任一与流动方向垂直的截面上，理想流体的机械能之和为一个常数 。E= mgZi+ (1/2)mv2i+mpi/=常数(i表示与流动方向垂直的任一截面),201
23、9/4/9,任取1-1、2-2两个截面，则mgZ1 + (1/2)mv12 + mP1/ = mgZ2 + (1/2)mv22 +m P2/ J Z1 + (1/2g)v2 + P1/g = Z2 + (1/2g)v22 +P2/g-m 理想流体的伯努利方程,1,1,2,2,当前位置：第一章 第三节,压头：单位重量流体或者1牛顿流体所具有的能量。 Z-高度为Z米的1牛顿流体所具有的能量，位压头，单位：米。 P/g-1牛顿流体所具有的静压能，静压头，单位：米。 v2/2g-1牛顿流体所具有的动能，动压头，单位：米。,2019/4/9,当前位置：第一章 第三节,根据压头的概念，伯努利方程可概括为：
24、 理想流体作稳态流动时，它的总压头保持不变。压头之间可以在一定条件下相互转化。,总压头,基准面,2019/4/9,流体在管道流动时的压力变化规律,2019/4/9,柏努利方程的不同形式 a) 若以单位重量（1牛顿）的流体所具有的能量 为压头。以单位重量（1牛顿）的流体为衡算基准,m,位压头，动压头，静压头,2019/4/9,b) 若以质量为mkg流体为衡算基准,静压强项P可以用绝对压强值代入，也可以用表压强值代入 。,J,c）以单位质量（1千克)流体为衡算基准J/Kg,2019/4/9,当前位置：第一章 第三节,3.实际流体的伯努利方程： hf-损失压头，每牛顿流体从截面1-1流动到截面2-2
25、时因摩擦而消耗的机械能总和，单位：米 He-泵的压头或扬程，泵为每牛顿流体提供的能量，单位：米,实际流体的伯努利方程： Z1 + (1/2g)v12 + P1/g+ He = Z2 + (1/2g)v22 +P2/g+ hf,适用范围： 不可压缩流体，对于气体，在压强和温度的变化在允许的误差范围内，则仍可使用，但其= (1 +2 )/2,2019/4/9,4、柏努利方程式的讨论1）适用范围 只适用于不可压缩流体的连续稳态流动过程,2）与流体静力学方程的比较,伯努利方程的推论： 流体静止时没有外功加入，He=0， 流体处于静止状态，V=0, hf =0, 流体静力学基本方程式是伯努利方程的特例,
26、Z1 + p1/g = Z2+ p2/g,2019/4/9,3）方程各项意义 实际流体的伯努利方程中，动能、位能和静压能项分别由衡算截面上的流速、距基准面距离和静压能所决定，且各参数均有平均值意义。阻力损失和泵压头是和具体流动过程有关的，可理解为过程量意义。,4）He与泵功率 流体输送所需功率P是指单位时间内耗用的能量P实际=P理论/=qvgHe/ ,2019/4/9,5）基准水平面的选取 基准水平面的位置可以任意选取，但必须与地面平行，为了计算方便，通常取基准水平面通过衡算范围的两个截面中的任意一个截面。如衡算范围为水平管道，则基准水平面通过管道中心线，Z=0。 6）单位必须一致在应用柏努利
27、方程之前，应把有关的物理量换算成一致的单位，然后进行计算。两截面的压强除要求单位一致外，还要求表示方法一致。不能用真空度来计算。,2019/4/9,5、应用伯努利方程解题时的注意事项：（1）作图；（2）截面的选取并确定衡算范围；（3） He 及hf的确定；（4）基准面的选取：必须与地面平行；（5）单位必须一致：压强的单位可用绝对 压 或表压强，不可用真空度。书上18页例题,2019/4/9,例：水在本题附图所示的虹 吸管内作定态流动，管路直径没有 变化，水流经管路的能量损失可以 忽略不计，计算管内截面2-2 ,3-3 , 4-4和5-5处的压强，大气压强为 760mmHg，图中所标注的尺寸均以
28、mm计。,分析：,求P,柏努利方程,理想流体,2019/4/9,解：在水槽水面11及管出口内侧截面66间列柏努 利方程式，并以66截面为基准水平面,式中：,P1=P6=0（表压） u10 代入柏努利方程式,2019/4/9,u6=4.43m/s u2=u3=u6=4.43m/s,取截面2-2基准水平面 , z1=3m ，P1=760mmHg=101330Pa,对于各截面压强的计算，仍以2-2为基准水平面，Z2=0， Z3=3m ，Z4=3.5m，Z5=3m,2019/4/9,（1）截面2-2压强,（2）截面3-3压强,2019/4/9,（3）截面4-4 压强,（4）截面5-5 压强,从计算结果可见：P2P3P4 ，而P4P5P6，这是由于流 体在管内流动时，位能和静压能相互转换的结果。,
