化工基础流体的流动和输送课件

复复 习习化工生产过程是由一系列的化工生产过程是由一系列的_按一定的顺序所组成，在这按一定的顺序所组成，在这些单元中，有的主要是些单元中，有的主要是_作用作用,有的主要是有的主要是_变化。主变化。主要是要是_或或_的单元可归纳为传递过程。的单元可归纳为传递过程。化学工程中的传递过程包括化学工程中的传递过程包括_、_和和_。单元单元物理物理化学化学物理作用物理作用物理化学作用物理化学作用动量传递动量传递热量传递热量传递质量传递质量传递复 习化工生产过程是由一系列的_按一定的顺序1化工生产中所处理的物料大多数或绝大多数是流体，化工生产中所处理的物料大多数或绝大多数是流体，流体的流动和输流体的流动和输送在化工生产中占有非常重要的地位送在化工生产中占有非常重要的地位,是必不可少的单元操作之一是必不可少的单元操作之一.第二章第二章 流体的流动和输送流体的流动和输送动量传递过程动量传递过程momentum transfer process化工生产中所处理的物料大多数或绝大多数是流体，流体的流动和输2研究的任务：研究的任务：管径选择过小，流体因流动而消耗的能量会显著增大，有时还因此达不到要求的流量；过大，将提高基建费用（1）确定输送流体所需要的能量和设备）确定输送流体所需要的能量和设备（2）选择输送流体所需的管径）选择输送流体所需的管径（3）流体流量的测量和控制）流体流量的测量和控制（4）研究流体的流动形态和条件，作为强化设备和操作的依据）研究流体的流动形态和条件，作为强化设备和操作的依据研究的任务：管径选择过小，流体因流动而消耗的能量会显著增大，3教学目的：教学目的：重点难点：重点难点：掌握流体有关的物理性质和流体静力学方程掌握流体有关的物理性质和流体静力学方程流体的压强流体的压强流体的流速和流量流体的流速和流量流体的粘度流体的粘度流体静力学方程及其应用流体静力学方程及其应用教学目的：重点难点：掌握流体有关的物理性质和流体静力学方程流42.1.1 理想流体和实际流体理想流体和实际流体不具有粘度，因而流动时不产生摩擦阻力的流体。不具有粘度，因而流动时不产生摩擦阻力的流体。2.1 2.1 流体的基本概念及性质流体的基本概念及性质流体流体(fluid)没有固定形状没有固定形状,能够自由流动能够自由流动理想流体：理想流体：2.1.1 理想流体和实际流体不具有粘度，因而流动时不产生5理想液体：不可压缩，受热不膨胀理想液体：不可压缩，受热不膨胀理想气体：流动时没有摩擦阻力的气体理想气体：流动时没有摩擦阻力的气体fluid 流体力学流体力学(fluid mechanics)(fluid mechanics)流体静力学流体静力学(hydrostatic)(hydrostatic)流体动力学流体动力学(hydrodynamic)(hydrodynamic)实际液体的可压缩性很小，热膨胀系数也不大，但在流动实际液体的可压缩性很小，热膨胀系数也不大，但在流动时具有较大的摩擦阻力。时具有较大的摩擦阻力。理想液体：不可压缩，受热不膨胀理想气体：流动时没有摩擦阻力的6理想气体方程式：理想气体方程式：以当时条件与标准条件对比时：以当时条件与标准条件对比时：P是压力是压力,V是气体所占是气体所占体积体积,n是是摩尔摩尔数数,R是理想气体常数是理想气体常数,T是温度是温度 理想气体方程式：以当时条件与标准条件对比时：P是压力,7密度密度(density)(density):是指单位体积物料所具有的质量是指单位体积物料所具有的质量,单位单位液体混合物密度的计算：液体混合物密度的计算：以1kg混合物为基准混合物中各组分的质量分率混合物中各组分的质量分率液体混合物中各组分的密度液体混合物中各组分的密度NoteNote:忽略体积效忽略体积效应应2.1.2 流体的基本性质流体的基本性质注注:流体的密度是流体的密度是温度温度和和压力压力的函数的函数密度(density):是指单位体积物料所具有的质量,单位液8气体混合物密度的计算：气体混合物密度的计算：当当p不太高不太高,T不太低时不太低时,可按理想气体处理可按理想气体处理Mm 气体平均分子量，气体平均分子量，或或:由于各组分在混合前后质量不变，以由于各组分在混合前后质量不变，以1m3混合气体为基准混合气体为基准 气体混合物中各组分的体积分率。气体混合物中各组分的体积分率。在气体混合物的压力下各纯组分的密度，在气体混合物的压力下各纯组分的密度，kg/m3。理想气体方程式气体混合物密度的计算：当p不太高,T不太低时,可按理想气体处9比容比容：比体积：比体积(specific volume)(specific volume)，是指单位质量物料所具有的体积。是指单位质量物料所具有的体积。单位：单位：比容：比体积(specific volume)，单位：10压强压强(pressure):):物体单位面积上所受到的流体物体单位面积上所受到的流体垂直垂直作用力。作用力。压强的单位：压强的单位：国际单位制国际单位制 Pa物理学物理学(cgs制制)atm、mmHg、mH2O等。工程单位制工程单位制 千克(力)/厘米2(kgfcm-2)工程大气压（atm）工程技术上习用工程技术上习用:8:8公斤蒸汽，是指公斤蒸汽，是指8 kgfcm8 kgfcm-2-2(表压表压)的饱和蒸汽；的饱和蒸汽；反应釜有反应釜有5 5公斤压强，指公斤压强，指5 kgfcm5 kgfcm-2-2(表压表压)的压强。的压强。压强的单位换算压强的单位换算:1atm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgfcm-21mmHg=0.133kPa 1mH2O=9.81kPa1kgfcm-2=98.1kPa 1bar=100kPa液柱2.1.3 流体的压力及其测量流体的压力及其测量压强(pressure):物体单位面积上所受到的流体垂直作用11以液柱表示压强：Ahm液柱液柱NoteNote：h即为该流体在压力p作用下能上升的高度；同一p值,因不同流体的密度不同,其h值也不同，用液柱高度表示流体的压力时，必须注明是何种流体何种流体，必要时还应注明温度以确定流体的密度。以液柱表示压强：Ahm液柱Note：h即为该流体在12压强的基准压强的基准绝对压绝对压(absolute pressure):(absolute pressure):以以绝对零压绝对零压为起点的压强称为绝对压强。为起点的压强称为绝对压强。表压表压(super atmospheric pressure):(super atmospheric pressure):以以当时当地大气压当时当地大气压为起点的压强。为起点的压强。真空度真空度(degree of vacuum)(degree of vacuum)：低于当时当地大气压的这部分压强。低于当时当地大气压的这部分压强。绝对零压线当时当地大气压(1.0 atm)p1(1200mmHg)绝对压绝对压表压表压绝对压绝对压真空度真空度p2(500mmHg)绝对压绝对压=当时大气压当时大气压+表压表压=当时大气压当时大气压-真空度真空度压强的基准绝对压(absolute pressure):表压13测压仪表测压仪表机械式的压力表机械式的压力表应用流体静力学原理的压力计应用流体静力学原理的压力计（1）弹簧管压力表）弹簧管压力表（测表压测表压）测量时，当系统压力大于大气压时，金属弹簧管受压变形而伸张，测量时，当系统压力大于大气压时，金属弹簧管受压变形而伸张，变形的大小与关内所受的压力成正比。从而带动拨杆拨动齿轮，随之使变形的大小与关内所受的压力成正比。从而带动拨杆拨动齿轮，随之使指针移动，在刻度盘上指出被测量系统的压力。指针移动，在刻度盘上指出被测量系统的压力。表表 压压测压仪表机械式的压力表应用流体静力学原理的压力计（1）弹簧管14管中盛有与测量流体不互溶的、密度为管中盛有与测量流体不互溶的、密度为i的指示液。的指示液。U形管的形管的两两侧管分管分别联接到被接到被测系系统的两点。的两点。随随测量的量的压力差不同，力差不同，U形管中指示液形管中指示液显示不同的高度差。示不同的高度差。当被测的系统中存在的是气体时，由于当被测的系统中存在的是气体时，由于 i，所以，所以 p=i g Rp1p2 i Z1Z2RA BZ选取等压面选取等压面A、B：（2 2）U U型管压强计型管压强计 应用流体静力学原理的压强计应用流体静力学原理的压强计管中盛有与测量流体不互溶的、密度为i的指示液。U形管的两侧15倒置倒置U型管压力计型管压力计p1p2R以以被测液体被测液体作为指示液，液体作为指示液，液体的上方充满空气，空气的进出的上方充满空气，空气的进出可通过顶端的旋塞来调节。可通过顶端的旋塞来调节。倒置U型管压力计p1p2R以被测液体作为指示液，液体的上方16（3）微差压力计（）微差压力计（测压力差测压力差）主要用于气体系统的测量主要用于气体系统的测量 U形管的两侧管的顶端增设两个小扩大室，其内径形管的两侧管的顶端增设两个小扩大室，其内径与与U形管的内径之比形管的内径之比 10，其，其中盛放两种密度相近，并中盛放两种密度相近，并互不相溶的而有明显分界面的液体，如液体石蜡互不相溶的而有明显分界面的液体，如液体石蜡 酒酒精，水精，水 四氯化碳等。四氯化碳等。（要求指示液与被测流体互不相溶要求指示液与被测流体互不相溶。）。）p2 p1=p=(i i)gRNote:两指示液的密度相差越小，测量的灵敏度越高。两指示液的密度相差越小，测量的灵敏度越高。i i,p2p1R（3）微差压力计（测压力差）p2 p1=p=17例：微差压力计中轻指示液为苯甲醇，密度为例：微差压力计中轻指示液为苯甲醇，密度为1048 kgm-3,重指示液为氯化钙溶液，密度为重指示液为氯化钙溶液，密度为1400 kgm-3。若将氯化。若将氯化钙溶液密度调整为钙溶液密度调整为1200 kgm-3，问测量灵敏度提高多少？，问测量灵敏度提高多少？解：微差压力计的测压公式为：解：微差压力计的测压公式为：p=(i i)gR当当 p不变时，调整前后的读数变化为：不变时，调整前后的读数变化为：即灵敏度为原来的即灵敏度为原来的 2.32 倍。倍。例：微差压力计中轻指示液为苯甲醇，密度为1048 kgm-18体积流量体积流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积，：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积，称为体积流量，称为体积流量，q v 流量流量(flow,flux)体积流量体积流量(volume flow rate)质量流量质量流量(mass flow rate)质量流量质量流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量，单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量，称为质量流量，称为质量流量，q m（m3s-1）。（kgs-1）。q m =q v 摩尔流量摩尔流量:单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量，单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量，称为摩尔流量，称为摩尔流量，qn(mol.s-1)摩尔流量摩尔流量(molar flow rate)2.1.4 流量和流速流量和流速体积流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积，流量(f19流流 速速 (velocity of flow)点速度点速度(spot speed)：单位时间内流体质点在流动方向上通 过的距离，v r（mS-1）平均流速平均流速(average flow rate)：v=q v/A（ms-1）=4 q v/d 2 质量流速质量流速:单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，kg.s-1.m-2流 速(velocity of flow)点速度(20表表2-2 工业上管内流体常用的流速范围工业上管内流体常用的流速范围流动介质流动介质流速流速(ms-1)液液体体自然流动自然流动粘性流体（油类、硫酸等）粘性流体（油类、硫酸等）一般液体一般液体0.11.00.51.00.5 2.5气气体体自然流动自然流动不大的压强下不大的压强下(鼓风机管路鼓风机管路)压缩气体压缩气体2 48 151525蒸蒸汽汽常压和略高于常压的饱和蒸汽常压和略高于常压的饱和蒸汽0.1 0.5MPa(表压表压)饱和水蒸汽饱和水蒸汽15 2520 4021表2-2 工业上管内流体常用的流速范围流动介质流速(ms 化工厂中，管道材料在全部材料费中占相当的比重。选化工厂中，管道材料在全部材料费中占相当的比重。选用较小管径固然有利于降低基建费用，但在一定的流量条件用较小管径固然有利于降低基建费用，但在一定的流量条件下，管径越小，流动阻力也随之增大，能耗也将相应增大。下，管径越小，流动阻力也随之增大，能耗也将相应增大。因此，合理的管径应综合多方面因素来确定。因此，合理的管径应综合多方面因素来确定。管径的初选管径的初选 化工厂中，管道材料在全部材料费中占相当的比重。22不是外径，也不是内径，而是近似普通钢管不是外径，也不是内径，而是近似普通钢管内径内径的一个名的一个名义尺寸。每一公称直径，对应一个外径，其内径数值随厚义尺寸。每一公称直径，对应一个外径，其内径数值随厚度不同而不同。度不同而不同。公称直径公称直径 Dg:指标准化以后的标准直径。指标准化以后的标准直径。代表螺纹尺寸的直径，通常指螺纹大径的基代表螺纹尺寸的直径，通常指螺纹大径的基 本尺寸。本尺寸。无缝钢管、铜管、塑料管：外径无缝钢管、铜管、塑料管：外径规格规格铸铁管：内径铸铁管：内径不是外径，也不是内径，而是近似普通钢管内径的一个名义尺寸。每23管径的计算管径的计算 q V是由生产是由生产任务决定的任务决定的vd材料费用设备费用阻力能量消耗操作费用优化优化：两者之和两者之和最小最小 一般条件下，可根据选用的一般条件下，可根据选用的流速流速来对管径进行初步选择，来对管径进行初步选择，再在此基础上进行多方面的评比来确定使用的管径。再在此基础上进行多方面的评比来确定使用的管径。v=4 q v/d 2 管径的计算 q V是由生产任务决定的vd材料费用设备费用24表表2-3 水管、煤气管的规格水管、煤气管的规格公称口径公称口径 Dg外径外径mm普通管壁厚普通管壁厚mm加厚管壁厚加厚管壁厚mmmm1015202532401251501721.2526.7533.542.25481401652.252.752.753.253.253.54.54.52.753.253.5444.255.55.5ab mm外径壁厚表2-3 水管、煤气管的规格公称口径 Dg外径普通管壁厚mm25例：例：20 C的水经管道输送，每小时输送的水经管道输送，每小时输送72吨。试对出水管吨。试对出水管 管径进行初选。管径进行初选。解：解：20 C水的密度为：水的密度为：=998.2 1000 kgm-3水的体积流量为：水的体积流量为：按常用流速范围，选择流速为按常用流速范围，选择流速为1.5 ms-1，求得管径：，求得管径：流速与流量的关系式为：流速与流量的关系式为：根据水管、煤气管的规格，可选用根据水管、煤气管的规格，可选用Dg125普通管普通管（外径（外径140 mm,内径内径131 mm）。）。d =0.13 mv=qv/A=qv/(d/2)2例：20 C的水经管道输送，每小时输送72吨。试对出水管26定态流动定态流动定态流动定态流动(steady state):(steady state):流体流动的系统中，任一截面上流体流动的系统中，任一截面上流体的流速、压力、密度等有关流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但物理量仅随位置而改变，但进水进水溢溢流流=NOTE：连续操作连续操作的化工生产中大多数流动属于定态流动。的化工生产中大多数流动属于定态流动。恒位槽恒位槽不不随时间而改变随时间而改变。空白空白空白空白2.1.5 2.1.5 定态流动和非定态流动定态流动和非定态流动定态流动(steady state):流体流动的系统中，任一27 非定态流动非定态流动非定态流动非定态流动(non-steady state)(non-steady state)=f(t)流动过程中任一流动过程中任一 截面上流体的截面上流体的性质（如密度、粘度等）和流性质（如密度、粘度等）和流动参数（如流速、压强等）动参数（如流速、压强等）随随时间而改变时间而改变。NOTE:NOTE:非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变化，在求算时用化，在求算时用微分微分式子表达，用式子表达，用积分积分法求解。法求解。非定态流动(non-steady state)=f(t282.2.1 流体定态流动时的物料衡算流体定态流动时的物料衡算 连续性方程连续性方程依据依据：质量守恒定律质量守恒定律前提前提：1、充满导管作定态流动、充满导管作定态流动 2、没有累积或泄漏、没有累积或泄漏截面1截面2qm1=qm2 （流体流动的连续性方程）（流体流动的连续性方程）2.2 流体定态流动时的衡算流体定态流动时的衡算2.2.1 流体定态流动时的物料衡算 29导出导出：分支管路分支管路：总管中的：总管中的质量流量为各支管质质量流量为各支管质量流量之和。量流量之和。q m=q v =A1 v A1 v1 1=A2 v2 2对不可压缩性流体：对不可压缩性流体：1=2总管总管支管支管1支管支管2（圆管）（圆管）导出：分支管路：总管中的质量流量为各支管质量流量之和30123b3a解：解：管1的内径为则水在管1中的流速为 管2的内径为则水在管2中的流速为 又水在分支管路3a、3b中的流量相等，则有 即水在管3a和3b中的流速为 管3a及3b的内径为 例例:如附图所示，管路由一段如附图所示，管路由一段894mm 的管的管1、一段、一段1084mm的管的管2和两段和两段573.5mm 的分支管的分支管3a及及3b连接而成。若水以连接而成。若水以910-3 m3/s 的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。在各段管内的速度。123b3a解：管1的内径为则水在管1中的流速为管2的内径312.2.2 流体定态流动时的能量衡算流体定态流动时的能量衡算v流体流动时所具有的机械能机械能：E动动=1/2 mv2E位位=mgH1）位能）位能(potential energy):J2）动能）动能(energy of motion):J2.2.2 流体定态流动时的能量衡算流体流动时所具有的机械能323）静压能）静压能(static energy):J质量为质量为m m、体积为、体积为V V1 1的流体，通过的流体，通过1 1截面所需的作用力截面所需的作用力F=PF=P1 1A A1 1，流体推入，流体推入管内所走的距离管内所走的距离s=Vs=V1 1/A/A1 1，故与此功，故与此功相当的静压能相当的静压能1kg的流体所具有的静压能为的流体所具有的静压能为 ，其单位为，其单位为J/kg。1 静压能静压能=FS=p3）静压能(static energy):J质量为m、体33是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的内位能的总和。用力而形成的内位能的总和。内能数值的大小随流体的温度和比容的变化而变化。内能数值的大小随流体的温度和比容的变化而变化。v内能（内能（internal energy）是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成34理想流体理想流体(ideal fluid)(ideal fluid)：是指不具有粘度，因而流动时不产是指不具有粘度，因而流动时不产生摩擦阻力的流体。生摩擦阻力的流体。理想液体：不可压缩、受热不膨胀理想液体：不可压缩、受热不膨胀理想气体：符合理想气体方程理想气体：符合理想气体方程 pV=nRTpV=nRT1、理想流体流动的能量衡算、理想流体流动的能量衡算若流动过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则理想若流动过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则理想流体流动时的能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。流体流动时的能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。理想流体(ideal fluid)：是指不具有粘度，因而流动35根据连续性方程：根据连续性方程：m1=m2理想流体的柏努利理想流体的柏努利(Bernoulli)方程方程JJJJkgkg-1-1 mm液柱液柱 对于不可压缩性流体：对于不可压缩性流体：1=2截面1截面2依据：依据：能量守恒定律能量守恒定律E1=E2理想流体理想流体根据连续性方程：m1=m2理想流体的柏努利(Ber36 工程上将工程上将单位重力单位重力的流体所具有的各种形式的能量统称的流体所具有的各种形式的能量统称 为为压头压头(head)。H位压头位压头(potential head)；v2/2g动压头动压头(dynamic head)；p/g静压头静压头(static head)E/mg 工程上将单位重力的流体所具有的各种形式的能量统称 37vBernoulli方程的物理方程的物理意义意义 1、理想流体在导管中作定态流动时，导管任一截面的总能理想流体在导管中作定态流动时，导管任一截面的总能量或总压头为一常数。量或总压头为一常数。2、能量在不同形式间可以相互转化，当某一形式的压头的数能量在不同形式间可以相互转化，当某一形式的压头的数值因条件而发生变化时，相应地引起其他压头的数值的变化。值因条件而发生变化时，相应地引起其他压头的数值的变化。结论结论：流体的流动过程实质上是流体的流动过程实质上是能量的转化过程能量的转化过程。流体得以流动的必要条件是系统两端有流体得以流动的必要条件是系统两端有压强差压强差或或位差位差。Bernoulli方程的物理意义 1、理想流体在导管中382、实际流体流动过程的能量衡算、实际流体流动过程的能量衡算实际流体的实际流体的Bernoulli方程方程实际流体与理想流体的主要区别：实际流体与理想流体的主要区别：？实际流体流动时存在摩擦阻力实际流体流动时存在摩擦阻力HfHeH f每牛顿流体流动时因阻力而消耗的能量，单位每牛顿流体流动时因阻力而消耗的能量，单位m外界加于每牛顿流体的能量，单位外界加于每牛顿流体的能量，单位mHe2、实际流体流动过程的能量衡算实际流体的Bernoulli方393 3、BernoulliBernoulli方程的应用方程的应用vBernoulli方程在工程上用以计算流体的流速流速或流量流量、流体流体输送所需的压头输送所需的压头和功率功率以及有关流体流动方面的问题。1、作图：、作图：根据题意画出示意图，注明有关参数；根据题意画出示意图，注明有关参数；2、选截面：、选截面：正确选取截面，以确定衡算范围；正确选取截面，以确定衡算范围；NOTENOTE：3、Bernoulli方程的应用Bernoulli方程在工程40截面选取必须具备的条件：截面选取必须具备的条件：与流体流动方向垂直；与流体流动方向垂直；两截面间的流体是连续的；两截面间的流体是连续的；截面应包括题目所给的已知和未知条件截面应包括题目所给的已知和未知条件3、选基准水平面：、选基准水平面：任意选取，但常将它与一个截面重合，计算方便。任意选取，但常将它与一个截面重合，计算方便。若截面不是水平面，则以中心线进行计算。若截面不是水平面，则以中心线进行计算。4、单位要一致：、单位要一致：统一使用统一使用SI单位；压强的表示方法要一致。单位；压强的表示方法要一致。截面选取必须具备的条件：与流体流动方向垂直；两截面间的流体是41例例1 容器间相对位置的计算容器间相对位置的计算从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为为452.5mm452.5mm的钢管，要求送液量为的钢管，要求送液量为3.6m3.6m3 3/h/h。设料液在管内的压头损失为。设料液在管内的压头损失为1.2m 1.2m（不包括出口能量损失），试问高位槽的（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？液位要高出进料口多少米？p1=0 Pa（表压）；（表压）；p2=0 Pa（表压）（表压）例1 容器间相对位置的计算从高位槽向塔内进料，高位槽中液位42例例2 2 送料用压缩空气压力的确定送料用压缩空气压力的确定某车间用压缩空气送某车间用压缩空气送2020的的浓硫酸。硫酸。要求要求输送量送量为0.036m0.036m3 3.min.min-1-1，管径，管径为3838 3mm3mm，设浓硫酸流硫酸流经全部管路的全部管路的能量能量损失失为1.22J.N1.22J.N-1-1（不包括出口的（不包括出口的能量能量损失），失），试求求压缩空气的空气的压力力为多少？多少？15m1122压缩空气压缩空气？例2 送料用压缩空气压力的确定某车间用压缩空气送20的浓硫43习题习题 流体输送设备所需功率的计算流体输送设备所需功率的计算习习题题用用泵泵将将碱碱液液槽槽中中的的碱碱液液抽抽往往吸吸收收塔塔顶顶，经经喷喷头头喷喷出出作作吸吸收收剂剂用用。碱碱池池中中碱碱液液深深度度为为1.5m,喷喷头头的的垂垂直直距距离离为为16m，泵泵的的汲汲入入管管为为Dg70“，压压出出管管为为Dg50“。碱碱液液在在喷喷头头口口前前的的静静压压强强按按压压力力指指示示表表为为0.3kgfcm-2(表表压压)，密密度度为为1100kgm-3。输输送送系系统统中中压压头头损损失失为为3米米，碱碱液液柱柱计计划划送送液液量量为为25th-1。若若泵的效率为泵的效率为55%，试求泵所需的功率。，试求泵所需的功率。1.5m16m解：解：HfHe？12基准面1=0 ms-1；2=qv/A2=qm/A2P1=0 Pa(表压)；Hf=3mP2=0.3kgfcm-2=-Pa(表压表压)输送所需理论功率（输送所需理论功率（JS-1）：）：Pe=He g qm实际需功率：实际需功率：Pa=Pe/习题 流体输送设备所需功率的计算习题用泵将碱液槽中的碱液抽44Bernoulli方程的应用举例6m解：解：V?v截面1截面2HfHe基准水平面h=0 mh1=p1=p2=1=2=水为不可压缩性流体水为不可压缩性流体1 0 ms-1He=0 mH2O；Hf=5.7 mH2O0 Pa（表压）6mh2=0m，？qv=A2 2=2 d 2/4习题习题 高位水槽水面距出水管净垂直距离为高位水槽水面距出水管净垂直距离为6.0m,6.0m,出水管为出水管为Dg70,管道较长管道较长,流动过程的压头损失为流动过程的压头损失为5.75.7米水柱米水柱,试求每小时可输送水量试求每小时可输送水量m m3 3。Bernoulli方程的应用举例6m解：V?v截面1截面2H45Bernoulli方程的应用举例习题习题 喷射泵中喷射泵中水水流量为流量为10th-1，入口静压强为，入口静压强为1.5kgfcm-2（表压），进（表压），进口管内径口管内径53mm，喷嘴口内径，喷嘴口内径13mm，试求该喷射泵理论上能形成的真空度。，试求该喷射泵理论上能形成的真空度。设当时外界大气压为设当时外界大气压为101.3kPa，喷嘴很短，且忽略水流动时的摩擦阻力。，喷嘴很短，且忽略水流动时的摩擦阻力。解：解：HfHe12喷嘴很短，喷嘴很短，h1-h2 0？=qv/A压强用绝对压表示：压强用绝对压表示：P1=1.5 98.1+101.3=248.5kPa=0按流动时没有摩擦阻力考虑，按流动时没有摩擦阻力考虑，Hf=0P2=30.9kPa(绝对压绝对压)喷射泵形成的真空度喷射泵形成的真空度=大气压大气压绝对压绝对压Bernoulli方程的应用举例习题 喷射泵中水流量为1046流体静力学基本方程流体静力学基本方程 根据用液柱表示压强的方法，根据用液柱表示压强的方法，p=h p=h g g，则在则在静止静止液面下面液面下面深度深度h h处的压强为：处的压强为：（流体静力学方程）（流体静力学方程）在重力场中，静止流体内任一点的静压力的大小与液体的密度及在重力场中，静止流体内任一点的静压力的大小与液体的密度及该点的深度有关，与该点所在的水平位置及容器的形状无关。该点的深度有关，与该点所在的水平位置及容器的形状无关。在连续、静止的同一流体中，在同一水平面上，流体的静压力在连续、静止的同一流体中，在同一水平面上，流体的静压力相等，这样的水平面称为相等，这样的水平面称为等压面等压面。0ABCDh？液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部,此规律即物理此规律即物理学中的学中的巴斯噶原理巴斯噶原理.流体静力学基本方程 根据用液柱表示压强的方法，p=h 47练练 习习水水水Q Q1 1:A:A1 1、A A2 2、A A3 3的压力是否相同？的压力是否相同？他们的大小顺序如何？他们的大小顺序如何？A1A2A3B1B2B3Q Q2 2:B:B1 1、B B2 2、B B3 3的压力是否相同？的压力是否相同？C1C2C3Q Q3 3:C C1 1、C C2 2、C C3 3的压力是否相同？的压力是否相同？Q Q4 4:D D1 1、D D2 2、D D3 3的压力是否相同？的压力是否相同？D1D2D3A:A3A2A1A:B3B2C2=C3A:D1=D2=D3练 习水水水Q1:A1、A2、A3的压力是否相同？A1A2A48乙炔发生器装有水封管乙炔发生器装有水封管,当器内压力过大时通过水封排气至安当器内压力过大时通过水封排气至安全处。要控制发生器内压力不超过全处。要控制发生器内压力不超过12kPa12kPa（表压）。求水封管（表压）。求水封管应插入水的深度应插入水的深度H H。乙乙炔炔发发生生器器H练练 习习乙炔发生器装有水封管,当器内压力过大时通过水封排气至安全处。49二、流体静力学方程的应用二、流体静力学方程的应用液位计液位计(tank gauge):二、流体静力学方程的应用液位计(tank gauge):50流体静力学方程的应用流体静力学方程的应用液封液封(水封水封)(water lute,water seal,liquid seal):(water lute,water seal,liquid seal):气气柜柜填填料料Pp0Z气体气体气体气体液体液体液体液体流体静力学方程的应用液封(水封)(water lute,wa51pp0P R孔板流量计孔板流量计（ori fice meter）u0u工作原理工作原理：根据：根据流体动力学原流体动力学原理（柏努利方程）理（柏努利方程），流体通过，流体通过孔口时，因截面积骤然缩小，孔口时，因截面积骤然缩小，流体流速随之增大；因流体动流体流速随之增大；因流体动压头增大，其静压头骤然缩小。压头增大，其静压头骤然缩小。利用利用U型管压强计测出孔板前型管压强计测出孔板前后的压强差。后的压强差。三、流体流量的测量三、流体流量的测量pp0P R孔板流量计（ori fice meter）u52Ru0u*实际流体流动的阻力损失，孔板处突然收缩造成的扰动以及孔板与导管间装配可能有误差，这些影响因素归纳为孔板流量系数C C0 0(一般为一般为0.61-0.63)0.61-0.63)NOTE:NOTE:孔板流量计有相当大的压头损失孔板流量计有相当大的压头损失.Ru0u*实际流体流动的阻力损失，孔板处突然收缩造成的扰53文氏流量计文氏流量计（Venturi tube）Rv0NOTE:NOTE:压头损失减少到只有压头损失减少到只有 读数的读数的10%或更少或更少.文氏流量计（Venturi tube）Rv0NOTE:54毛细管流量计毛细管流量计(capillary manometer)(capillary manometer)毛细管流量计(capillary manometer)55转子流量计转子流量计（flowrator）NoteNote：用于液体的转子流量计按规定是用用于液体的转子流量计按规定是用2020的水标定的的水标定的；用；用于测量气体的转子流量计则是用于测量气体的转子流量计则是用293K293K、101.3kPa101.3kPa的空气标定的的空气标定的。当用于测量其他流体的流量时，要加以换算。当用于测量其他流体的流量时，要加以换算。净压力差=转子重力 流体的浮力转子流量计（flowrator）Note：用于液体的转子流量56转子流量计必须垂直垂直安装在管路上，为便于检修，应设置如图1-38所示的支路。支路。转子流量计读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高，对不同的流体适用性广。缺点是玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。图1-38 转子流量计安装示意图转子流量计必须垂直安装在管路上，为便于检修，应设置如图1-3572-3 2-3 实际流体的流动实际流体的流动 实际流体在流过固体壁面时，由于流体对壁面有附着力，实际流体在流过固体壁面时，由于流体对壁面有附着力，将在壁面上粘附一层静止的流体。这层流体的分子仅因扩散作将在壁面上粘附一层静止的流体。这层流体的分子仅因扩散作用而运动。同时，实际流体分子间有吸引力，壁面上静止的流用而运动。同时，实际流体分子间有吸引力，壁面上静止的流体层对其邻近的流体层的流动起约束作用，阻碍该层流体的流体层对其邻近的流体层的流动起约束作用，阻碍该层流体的流动，但离开壁面越远，则约束作用越小。动，但离开壁面越远，则约束作用越小。2-3 实际流体的流动 实际流体在流过固体壁面时58流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的流体的内摩擦力内摩擦力，它是，它是流体粘性的表现流体粘性的表现。流体流动时，。流体流动时，必须克服必须克服粘性阻力粘性阻力而作功，从而造成能量损失。而作功，从而造成能量损失。2.3.1 2.3.1 粘度粘度(viscosity)(viscosity)流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩59牛顿型流体的粘度牛顿型流体的粘度:粘度是流体内部摩擦力的表现内部摩擦力的表现，衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要物性参数之一。流流体的粘度越大，流体的流动性越小。体的粘度越大，流体的流动性越小。F(F(剪切力剪切力)1.1.牛顿型流体牛顿型流体粘度粘度牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿型流体的粘度:粘度是流体内部摩擦力的表现，衡量流体粘性60层间距离层间距离所应加予的力所应加予的力F与层间接触面积与层间接触面积A和相对速度差和相对速度差dv成正比，而成正比，而与层间距离成反比，这一关系称为与层间距离成反比，这一关系称为”牛顿粘性定律牛顿粘性定律”。速度梯度速度梯度遵循该定律的流体称为遵循该定律的流体称为“牛顿型流体牛顿型流体”牛顿粘性定律牛顿粘性定律 层间距离所应加予的力F与层间接触面积A和相对速度差dv成正比61粘度的单位：粘度的单位：液体的粘度液体的粘度:受压力影响很小，随温度的升高而显著降低。受压力影响很小，随温度的升高而显著降低。气体的粘度：气体的粘度：随温度升高而增大，随压力升高而增加的很少。随温度升高而增大，随压力升高而增加的很少。NOTENOTE：粘度不仅与分子间的吸引力有关，还与分子热运动有关。粘度不仅与分子间的吸引力有关，还与分子热运动有关。工业上常常遇到各种流体的混合物，它们的粘度一般应工业上常常遇到各种流体的混合物，它们的粘度一般应 用用实验的方法测定其数值实验的方法测定其数值，或选用适当的，或选用适当的经验公式进经验公式进 行估算行估算。泊(P)、厘泊(cP)粘度的单位：液体的粘度:受压力影响很小，随温度的升高而显62运动粘度运动粘度(kinemetic viscosity):流体的粘度与密度的比值流体的粘度与密度的比值在在CGS制中运动粘度的单位为制中运动粘度的单位为 cm2.s-1，称为，称为 沲沲(stoke，st)1st=100cst=10-4 m2.s-1运动粘度(kinemetic viscosity):流体的632.非牛顿型流体非牛顿型流体：不遵循牛顿粘性定律的流体。：不遵循牛顿粘性定律的流体。为使该流体流动，需要先加以为使该流体流动，需要先加以一个额外的剪应力，使流体变一个额外的剪应力，使流体变形，之后流体再随剪应力增加形，之后流体再随剪应力增加而有相应的剪切速率而有相应的剪切速率t t牛顿型流体牛顿型流体胀流性流体胀流性流体假塑性流体假塑性流体dv/d塑性流体塑性流体表观粘度随剪切速率表观粘度随剪切速率的增加而更大的增加的增加而更大的增加表观粘度随剪切速率表观粘度随剪切速率的增加而增加的较少的增加而增加的较少2.非牛顿型流体：不遵循牛顿粘性定律的流体。为使该流体流动642.3.2 2.3.2 流体流动的形态和雷诺数流体流动的形态和雷诺数雷诺实验装置雷诺实验装置1-小瓶；小瓶；2-细管；细管；3-水箱；水箱；4-水平玻璃管；水平玻璃管；5-阀门；阀门；6-溢流装置溢流装置（1）雷诺实验雷诺实验 1883年,英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。2.3.2 流体流动的形态和雷诺数雷诺实验装置（1）雷诺实验65（2）雷诺实验现象）雷诺实验现象用红墨水观察管中水的流动状态(a)层流(b)过渡流(c)湍流 两种稳定的流动状态：滞流滞流（层流）、湍流（紊流）。层流）、湍流（紊流）。（2）雷诺实验现象用红墨水观察管中水的流动状态(a)层流(b66滞流滞流(laminar flow):也称为层流，也称为层流，流体的质点作一层滑过一流体的质点作一层滑过一层的位移，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因扩层的位移，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因扩散而转移。散而转移。流体的流速沿断面按抛物线分布；流体的流速沿断面按抛物线分布；管中流体的平管中流体的平均流速为最大流速的均流速为最大流速的1/21/2。层流时流体在圆管中的速度分布层流时流体在圆管中的速度分布Re2000uumaxd滞流(laminar flow):也称为层流，流体的质点作一67湍流湍流(turbulent flow):流体在流动时，流体的质点有剧烈流体的质点有剧烈的骚扰涡动，只是靠近管壁处还保留滞流的形态的骚扰涡动，只是靠近管壁处还保留滞流的形态。接近管中央相当大范围内的流体流速接近于最大流速。管内流体的平管内流体的平均流速为管中央最大流速的均流速为管中央最大流速的0.80.8左右左右。Re40004000umaxururRd湍流时流体在圆管中的速度分布湍流时流体在圆管中的速度分布湍流(turbulent flow):流体在流动时，流体的68雷诺数雷诺数滞流滞流湍流湍流过渡状态过渡状态滞流转变的临界值滞流转变的临界值相应的流速称为相应的流速称为临界流速临界流速NOTENOTE：工业上输送流体时大多数是以湍流形态湍流形态进行的。雷诺数滞流湍流过渡状态滞流转变的临界值相应的流速称为临界流速69当量直径当量直径(equivalent diameter)对于非圆形导管非圆形导管，计算Re时，应以当量直径de代替特征数中的直径d：例：直径d1的外套管与直径d2的内套管所形成的环行通道的 当量直径为：当量直径(equivalent diameter)对于非圆70边界层边界层（boundary layer）边界层：边界层：流体的流速低于未受壁面影响的流速的99%的区域。主流区：主流区：在边界层以外，速度梯度接近为零的区域。边边 界界 层层边边 界界 层层边边 界界 层层边边 界界 层层主主 流流 区区主主 流流 区区滞流滞流湍流湍流边界层（boundary layer）边界层：流体的流速低于71湍流流动湍流流动NOTENOTE：滞流内层的厚度虽然不大，但粘附在壁面，成为传热和滞流内层的厚度虽然不大，但粘附在壁面，成为传热和 传质的主要阻力；传质的主要阻力；ReRe值越大，滞流内层厚度越小，传递值越大，滞流内层厚度越小，传递 过程的阻力随之减小。过程的阻力随之减小。湍流流动NOTE：滞流内层的厚度虽然不大，但粘附在壁面，成为72边界层的形成边界层的形成从管口到形成边界层所经历的管长称为从管口到形成边界层所经历的管长称为稳定段长度稳定段长度，此长度，此长度与管的与管的形状、管壁粗糙程度及雷诺数形状、管壁粗糙程度及雷诺数等因素有关。等因素有关。边界层的形成从管口到形成边界层所经历的管长称为稳定段长度，此73边界层分离边界层分离B流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时，也会发生边界层分离。流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时，也会发生边界层分离。NOTENOTE：边界层分离会导致流体流动阻力的增大。边界层分离会导致流体流动阻力的增大。AcC C点处局部流体产点处局部流体产生逆向流动和漩涡生逆向流动和漩涡边界层分离B流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时，也会发生边74改变物体表面的形状，如汽车、飞机都是流线型改变物体表面的形状，如汽车、飞机都是流线型减小或避免边界层分离的措施减小或避免边界层分离的措施改变物体表面的形状，如汽车、飞机都是流线型减小或避免边界层分752.4 2.4 管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力 实际流体的实际流体的Bernoulli方程方程:?2.4 管内流体流动的阻力 实际流体的Bernoulli方76流体流动的阻力与流体的性质流体流动的阻力与流体的性质(如粘度等如粘度等)、流体流动形态、流体流动形态、导管的长度、管径、壁面情况以及流动时的变动状态（如缩导管的长度、管径、壁面情况以及流动时的变动状态（如缩小、扩张等）有关。小、扩张等）有关。阻力阻力hf直管阻力直管阻力(沿程阻力沿程阻力)由于由于内摩擦力内摩擦力而产生的能量损失而产生的能量损失局部阻力局部阻力截面骤然变化截面骤然变化流动方向改变流动方向改变流经管件、仪表等流经管件、仪表等由于由于局部障碍局部障碍引起边界层分离引起边界层分离而而造成能量损失造成能量损失流体流动的阻力与流体的性质(如粘度等)、流体流动形态、导管的772.4.1 管、管件及阀门简介管、管件及阀门简介管管:管子铸铁管（水管、煤气管、污水管）钢管（有缝、无缝）特殊钢管有色金属管塑料管橡胶管管子光滑管（玻璃管、铜管、铅管、塑料管等）粗糙管（旧钢管、铸铁管）管壁的相对粗糙度管壁的相对粗糙度障碍物的高度障碍物的高度2.4.1 管、管件及阀门简介管:管子铸铁管（水管、煤气管、78管件：管件：弯管（弯头）大小头冲压弯管与管的连接部分，它主要是用来改变管道管与管的连接部分，它主要是用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。管件：弯管（弯头）大小头冲压弯管与管的连接部分，它主要是用来79管件管件承插管件法兰法兰封头管件承插管件法兰法兰封头80阀门阀门:安装于管道中用以切断或调节流量。安装于管道中用以切断或调节流量。球阀截止阀闸阀止逆阀阀门:安装于管道中用以切断或调节流量。球阀截止阀闸阀止逆阀81阻力阻力 hf直管阻力直管阻力(沿程阻力沿程阻力)hf局部阻力局部阻力 hl 2.4.2 2.4.2 流体在圆管内流动时的阻力计算流体在圆管内流动时的阻力计算 阻力 hf直管阻力(沿程阻力)hf局部阻力 82 滞流时的摩擦阻力滞流时的摩擦阻力主要是流体的内摩擦力服从牛顿粘性定律：服从牛顿粘性定律：2.4.2.1 2.4.2.1 直管阻力的计算直管阻力的计算要克服此滑动的阻力而使流体流动，管两端必须有一定的压力差：要克服此滑动的阻力而使流体流动，管两端必须有一定的压力差：P=p1 p2此压力差而使流体所受的推力为：此压力差而使流体所受的推力为：滞流时的摩擦阻力主要是流体的内摩擦力服从牛顿粘性定律83流体柱所受的推力与其表面滑动的摩擦阻力相等而方向相反：流体柱所受的推力与其表面滑动的摩擦阻力相等而方向相反：流体柱所受的推力与其表面滑动的摩擦阻力相等而方向相反：84 湍流时的流动阻力湍流时的流动阻力l/d几何相似数；几何相似数；摩擦阻力系数，是摩擦阻力系数，是Re，的函数。的函数。Fanning公式公式管壁的相对粗糙度管壁的相对粗糙度:e 管的粗糙度，管的粗糙度，mm 湍流时的流动阻力l/d几何相似数；摩擦阻力系数85查表：查表：摩擦阻力系数摩擦阻力系数滞流区滞流区过渡区过渡区湍流区湍流区完全湍流区完全湍流区 接近一常数接近一常数,其值主要取决于管壁的粗糙度。其值主要取决于管壁的粗糙度。查表：摩擦阻力系数滞流区过渡区湍流区完全湍流区接近一常数,86摩擦阻力系数摩擦阻力系数经验公式计算：经验公式计算：对光滑管：对光滑管：柏拉相修斯（柏拉相修斯（BlasiusBlasius）公式）公式柯纳柯夫（柯纳柯夫（KypnaKypnaKOBKOB）公式）公式摩擦阻力系数经验公式计算：对光滑管：柏拉相修斯（Blasiu87粗糙管：粗糙管：接近一常数,其值主要取决于管壁的粗糙度。尼库拉则尼库拉则(Nokuradse)(Nokuradse)公式公式用用沿程阻力系数沿程阻力系数表示阻力计算公式表示阻力计算公式:柯尔本柯尔本(Colburn)(Colburn)公式公式粗糙管：接近一常数,其值主要取决于管壁的粗糙度。尼库拉则(882.4.3 2.4.3 局部阻力局部阻力当流体在管道系统中流经各种管件、阀门、接头、改变当流体在管道系统中流经各种管件、阀门、接头、改变方向，导管截面积骤然变化时，流体质点发生扰动而形方向，导管截面积骤然变化时，流体质点发生扰动而形成涡流，产生摩擦阻力，这类阻力称为成涡流，产生摩擦阻力，这类阻力称为局部阻力局部阻力。2.4.3 局部阻力当流体在管道系统中流经各种管件、阀门、89局部阻力的计算：局部阻力的计算：当量长度法当量长度法:将局部阻力的压头损失折算成相应长度的管子将局部阻力的压头损失折算成相应长度的管子所造成的压头损失，再并入总管长度来计算。此相应的管子长所造成的压头损失，再并入总管长度来计算。此相应的管子长度称为度称为当量长度当量长度 le。阻力系数法阻力系数法:局部阻力的计算：当量长度法:将局部阻力的压头损失折算成相90管管件件与与阀阀门门的的当当量量长长度度共共线线图图。管件与阀门的当量长度共线图。91（一）简单管路（一）简单管路特点特点：管径相同，无分支的管路，定态时，流速恒定、流量恒定。12342.4.4 管路的计算管路的计算（一）简单管路12342.4.4 管路的计算92简单管路系统特性分析：简单管路系统特性分析：阻力损失：质量流量：体积流量：(不可压缩流体)1234Hf1-4=Hf1-2+Hf2-3+Hf3-4或简单管路系统特性分析：阻力损失：质量流量：93 (1)1)串联管路串联管路 特点：特点：管径不同，但无分支；稳态时，不同管段流速不同；系统阻力计算，需分段计算，再加和。（二）复杂管路的计算（二）复杂管路的计算 (1)串联管路（二）复杂管路的计算94（2）分支管路：）分支管路：主管处有分支，但最终不再汇合的管路。主管处有分支，但最终不再汇合的管路。分支管路分支管路120 主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和:qm0=qm1+qm2 各分支管路流动终了时，总机械能与该管路中总摩擦阻力之各分支管路流动终了时，总机械能与该管路中总摩擦阻力之 和为常数。和为常数。机械能衡算式机械能衡算式:总管支管3（2）分支管路：主管处有分支，但最终不再汇合的管路。分支管路95（3）并联管路：）并联管路：在主管某处分为几支，然后又汇合成一主管路。在主管某处分为几支，然后又汇合成一主管路。主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和，主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和，qm=qm1+qm2+qm3123单位质量流体通过各支管的能量损失均相等，单位质量流体通过各支管的能量损失均相等，Hf1=Hf2=Hf3=HfAB并联管路并联管路AB注意注意：并联管路，各支路阻力相等。并联段，只能计入一个支路的阻力损失。并联管路，各支路阻力相等。并联段，只能计入一个支路的阻力损失。（3）并联管路：在主管某处分为几支，然后又汇合成一主管路。主96例例 题题例2-18 高位水槽引出内径4