1、第三章 流體流動過程及流體輸送設備 3.1 流體的基本性質3.2 流體流動的基本規(guī)律3.3 流體壓力和流量的測量 3.5 流體輸送設備3.4 管內流體流動的阻力 化工生產(chǎn)中處理的原料、中間產(chǎn)物，產(chǎn)品，大多數(shù)是流體，涉及的過程大部分在流動條件下進行。流體的流動和輸送是必不可少的過程操作。 選擇輸送流體所需管徑尺寸。確定輸送流體所需能量和設備。流體性能參數(shù)的測量, 控制。研究流體的流動形態(tài)，為強化設備和操作提供理論依據(jù)。了解輸送設備的工作原理和操作性能，正確地使用流體輸送設備。研究流體的流動和輸送主要是解決以下問題。3.1 流體的基本性質 1密度 單位體積流體所具有的質量稱為流體的密度，其表達式為

2、：流體密度，km-3 ; m流體質量，kg；V流體體積，m3。 氣體具有可壓縮性及熱膨脹性，其密度隨壓力和溫度有較大的變化。氣體密度可近似地用理想氣體狀態(tài)方程進行計算： =pM/RT p氣體壓力 kNm-2或kPa；T氣體溫度 K；M氣體摩爾質量 gmol-1；R氣體常數(shù)Jmo1-1K-1。= mV 化工生產(chǎn)中所遇到的流體，往往是含有多個組分的混合物。對于液體混合物，各組分的濃度常用質量分數(shù)表示。 i液體混合物中各純組分液體的密度，kgm-3；wi液體混合物中各組分液體的質量分數(shù)。i氣體混合物各純組分的密度，kgm-3； i氣體混合物中各組分的體積分數(shù)。 對于氣體混合物:2比體積 單位質量流體

3、所具有的體積稱為流體的比體積，以表示，它與流體的密度互為倒數(shù): 一流體的比體積，m3kg-1；流體的密度，kgm-3。 =1/3壓力 流體垂直作用于單位面積上的力稱為壓力：p流體的壓力，Pa；F流體垂直作用于面積A上的力，N；A作用面積，m2。壓力的單位Pa（Pascal，帕），即Nm-2。Latm=760mmHg=1.01325105Pa=10.33mH2O=1.033kgf-2常用壓力單位與Pa之間的換算關系如下：P = FA 壓力有兩種表達方式。一是以絕對零壓為起點而計量的壓力；另一是以大氣壓力為基準而計量的壓力，當被測容器的壓力高于大氣壓時，所測壓力稱為表壓，當測容器的壓力低于大氣壓時

4、，所測壓力稱為真空度。 兩種表達壓力間的換算關系為 表壓=絕對壓力-大氣壓力真空度大氣壓力-絕對壓力用圖31來表示其關系流體壓力的重要特性: 流體壓力處處與它的作用面垂直,并且總是指向流體的作用面 流體中任一點壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關4流量和流速 單位時間內流體流經(jīng)管道任一截面的流體量，稱為流體的流量。若流體量用體積來計量，稱為體積流量，以符號qv表示，單位為m3s-1；若流體量用質量來計量，則稱為質量流量，以符號qm表示，其單位為kgs-1。若流體量用物質的量表示，稱為摩爾流量，以符號qn表示，其單位為mols-1。qm=qV 質量流量與摩爾流量的關系為 qmMqn 體積流

5、量和質量流量的關系為： 單位時間內，流體在管道內沿流動方向所流過的距離，稱為流體的流速，以u表示，單位為 ms-1。u = qV/S S 與流體流動方向相垂直的管道截面積，m2 管道中心的流速最大，離管中心距離越遠，流速越小，而在緊靠管壁處，流速為零。 通常所說的流速是指流道整個截面上的平均流速，以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值來表示： 質量流速的定義是單位時間內流體流經(jīng)管路單位截面積的質量，以w表示，單位為 kgs-1m-2，表達式為： w = qmS 流速和質量流速兩者之間的關系：液體1.5 3.0ms-1，高粘度液體0.5 1.0 ms-1；氣體102 0 ms-1，高壓氣體15

6、 25 ms-1；飽和水蒸氣204 0 ms-1，過熱水蒸氣30 50 ms-1。 w =u工業(yè)上用的流速范圍大致為：5粘度 粘性是流體內部摩擦力的表現(xiàn)，粘度是衡量流體粘性大小的物理量，是流體的重要參數(shù)之一。流體的粘度越大，其流動性就越小。 流體在圓管內的流動，可以看成分割成無數(shù)極薄的圓筒層，其中一層套著一層，各層以不同的速度向前流動，如圖3-2所示。圖3-3所示，將下板固定，而對上板施加一個恒定的外力，上板就以某一恒定速度u沿著x方向運動。 實驗證明，對于一定的液體，內摩擦力F與兩流體層間的速度差u呈正比，與兩層間的接觸面積A呈正比，而與兩層間的垂直距離y呈反比，即： F(u/y)A 引入比

7、例系數(shù) ，則： F=(u/y)A 單位面積上的內摩擦力稱為內摩擦應力或剪應力，以表示，則有： =FA=(u/y) 當流體在管內流動時，徑向速度的變化并不是直線關系，而是曲線關系，則有： =(du/dy) du/dy速度梯度，即在與流動方向相垂直的y方向上流體速度的變化率 比例系數(shù)，亦稱為粘性系數(shù)，簡稱粘度。 凡符合牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體，所有氣體和大多數(shù)液體都屬于牛頓型流體。 液體的粘度隨著溫度的升高而減小，氣體的粘度隨著溫度的升高而增加。 壓力變化時，液體的粘度基本上不變，氣體的粘度隨壓力的增加而增加得很少。意義：剪應力的大小與速度梯度成正比。 描述了任意兩層流體間剪應力大小的關系

8、。物理意義: 動力粘度，簡稱粘度平板間的流體剪應力與速度梯度=/(du/dy)=(Nm-2)/(ms-1m-1)=Nsm-2=Pas流體的粘度還用粘度與密度的比值來表示，稱為運動粘度，以v表示之： 對于低壓氣體混合物的粘度，可采用下式進行計算1 P=100cP（厘泊）=10-1Pas單位為m2s-1 1st100 cst(厘沲)=10-4m2s-1在工業(yè)上常常遇到各種流體的混合物。m常壓下混合氣體的粘度； yi氣體混合物中某一組分的摩爾分數(shù)；m=（yiiMi1/2)（yiMi1/2)v =/i與氣體混合物相同溫度下某一組分的粘度； Mi氣體混合物中某一組分的相對分子質量。 m液體混合物的粘度；

9、 x i液體混合物中某一組分的摩爾分數(shù)； i與液體混合物相同溫度下某一組分的粘度 對于分子不發(fā)生締合的液體混合物的粘度，采用下式計算：lgm=6. 流體類型牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體。 氣體及大多數(shù)低分子量液體是牛頓型流體。 非牛頓型流體 a表觀粘度，非純物性, 是剪應力的函數(shù)。 假塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而減小。 幾乎所有高分子溶液或溶體屬于假塑性流體。 脹塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸鹽等懸浮液屬于脹塑性流體。 粘塑性流體：當應力低于0 時，不流動；當應力高于0時，流動與牛頓型流體一樣。 0 稱為屈服應力。 如紙漿、牙膏、污水泥漿等。 觸變性流體：

10、表觀粘度隨時間的延長而減小，如油漆等。 粘彈性流體：既有粘性，又有彈性。當從大容器口擠出時，擠出物會自動脹大。 如塑料和纖維生產(chǎn)中都存在這種現(xiàn)象。0du/dy粘塑料流體假塑料流體脹塑料流體CBADA-牛頓流體；B-假塑性流體；C-賓漢塑性流體；D-脹塑性流體；牛頓流體與非牛頓流體剪應力與速度梯度的關系3.2 流體流動的基本規(guī)律1定態(tài)流動和非定態(tài)流動 流體在管道或設備中流動時，若在任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關物理量僅隨位置而改變，但不隨時間而改變，稱為定態(tài)流動；反之，若流體在各截面上的有關物理量中，只要有一項隨時間而變化，則稱為非定態(tài)流動。 2定態(tài)流動過程物料衡算連續(xù)性方程 當流體在流

11、動系統(tǒng)中作定態(tài)流動時，根據(jù)質量作用定律，在沒有物料累積和泄漏的情況下，單位時間內通過流動系統(tǒng)任一截面的流體的質量應相等。 對上圖所示截面11和22之間作物料衡算： qm,1=qm,2因為qm=uS，所以：1u1S1 =2u2S 在任何一個截面上，則： qm=1u1S12u2S2nunSn= 常數(shù) 對于不可壓縮流體，=常數(shù)，則： 它反映在定態(tài)流動體系中，流量一定時，管路各截面上流體流速的變化規(guī)律。 qV = u1S1 = u2S2 = = unSn = 常數(shù)3流體定態(tài)流動過程的能量衡算柏努利方程 流動體系的能量形式主要有：流體的動能、位能、靜壓能以及流體本身的內能。 動能 流體以一定的流速流動時

12、，便具有一定的動能。動能為mu2/2，單位為kJ。 位能 流體因受重力的作用，在不同高度處具有不同的位能，相當在高度Z處所做的功，即mgZ，單位為kJ。 靜壓能 靜止流體內部任一處都存在一定的靜壓力。 把流體引入壓力系統(tǒng)所做的功，稱為流動功。流體由于外界對它作流動功而具有的能量，稱為靜壓能。 內能 內能（又稱熱力學能）是流體內部大量分子運動所具有的內動能和分子間相互作用力而形成的內位能的總和。以U表示單位質量的流體所具有的內能，則質量為m（kg）的流體的內能為mU，單位kJ。 流體的流動過程實質上是流動體系中各種形式能量之間的轉化過程。（1）理想流體流動過程的能量衡算 理想流體是指在流動時沒有

13、內摩擦力存在的流體，即粘度為零。 如上圖，設在單位時間內有質量為m(kg)、密度為的理想流體在導管中做定態(tài)流動，在與流體流動的垂直方向上選取截面1-l和截面2-2，在兩截面之間進行能量衡算。 今流體在截面 2-2處的流速為u2， 即= mgZ1+m u12/2+p1m/= mgZ2+m u22/2+p2m/ 根據(jù)能量守恒定律，若在兩截面之間沒有外界能量輸入，流體也沒有對外界作功，則流體在截面1-1”和截面2-2”之間應符合： = 即 mgZ1+m u12/2+p1m/=mgZ2+m u22/2+p2m/ 對于單位質量流體，則： gZ1+ u12/2+p1/=gZ2+u22/2+p2/ 對于單位

14、重力（重力單位為牛頓）流體，有： Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g) 工程上，將單位重力的流體所具有的能量單位為JN-1，即m，稱為“壓頭”，則Z、u2/(2g)和p/(g)分別是以壓頭形式表示的位能、動能和靜壓能，分別稱為位壓頭、動壓頭和靜壓頭。 使用壓頭形式表示能量時，應注明是哪一種流體，如流體是水，應說它的壓頭是多少米水柱。 以上各式都是理想流體在定態(tài)流動時的能量衡算方程式，又稱為柏努利方程（Bernoulli equation）由柏努利方程可知，理想流體在管道各個截面上的每種能量并不一定相等，它們在流動時可以相互轉化，但其在管道任一截面上各

15、項能量之和相等，即總能量（或總壓頭）是一個常數(shù)。 注意Bernoulli 方程的適用條件； 重力場中，連續(xù)穩(wěn)定流動的不可壓縮流體。 對可壓縮流體，若開始和終了的壓力變化不超過20%，密度取平均壓力下的數(shù)值，也可應用上式。流體靜止，幾點說明： 注意式中各項的意義及單位； 三種形式機械能的相互轉換； Bernoulli 方程與靜力學方程關系；1132244535p1p2p 等壓面定義: 靜止、連續(xù)的均質流體，處于同一水平面上的各點壓力相等關于靜力學方程的討論實例：等壓面概念 p0變化某一數(shù)值，則 p改變同樣大小數(shù)值壓力的可傳遞性或pozoh112p1p2z2z1重力場中的壓力分布 靜止流體內部，各

16、不同截面上的壓力能和勢能兩者之和為常數(shù)。 靜力學方程的幾種不同形式 應用 單位統(tǒng)一； 基準統(tǒng)一； 選擇界面，條件充分，垂直流動方向； 原則上沿流動方向上任意兩截面均可。a) 虹吸管在0-0 和1-1面間列柏努利方程可得：位能 動能 虹吸管Apah110BpaH0 b) 文氏管和噴射泵壓力能 動能 1122p1 文氏管u1p2u2理想流體能量分布0理想流體的能量分布11341250 為克服流動阻力使流體流動，往往需要安裝流體輸送機械（如泵或風機）。設單位重力的流體從流體輸送機械所獲得的外加壓頭為He，單位JN-1域m。 則實際流體在流動時的柏努利方程為： 對于靜止狀態(tài)的流體，u=0，沒有外加能量

17、，He =0，而且也沒有因摩擦而造成的阻力損失hf=0，則柏努利方程簡化為： Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hfp1- p2= g(Z1 -Z2) Z1+ p1/(g) =Z2+p2/(g)或 實際流體在流動時，由于流體粘性的存在，必然造成阻力損失。 （2）實際流體流動過程的能量衡算 實際流體的能量分布OO23451fhgu22gpr壓力頭損失 損失的機械能式中 壓力降 實際流體柏努利方程幾種表達形式及意義位能靜壓能動能有效功位頭壓力頭動壓頭有效壓頭（速度頭） 連續(xù)性方程和柏努利方程可用來計算化工生產(chǎn)中流體的流速或流量、流體輸送所需的壓

18、頭和功率等流體流動方面的實際問題。 4流體流動規(guī)律的應用舉例 在應用柏努利方程時，應該注意以下幾點。 依題意畫出流程示意圖，標明流動方向； 選取適當截面，與流向垂直； 截面的選取應包含待求的未 知量和盡可能多的已知量，如大截面、敞開截面； 式中各項的單位相同； 基準一致，壓力基準，位頭基準； 流速使用所選截面上平均速度； 有效功率 Pe：或 效率P 輸送機械的軸功率例 3-l 今有一離心水泵，其吸入管規(guī)格為88.5mm4 mm，壓出管為75.5mm3.75mm，吸入管中水的流速為 1.4 ms-1，試求壓出管中水的流速為多少？ （1）管道流速的確定解：吸入管內徑dl=88.5-2 480.5

19、mm 壓出管內徑 d2=75.5-2 3.75=68 mm根據(jù)連續(xù)性方程 u1S1= u2S2 圓管的截面積S=d2/4，上式寫成： u2/ul=(dl/d2)2壓出管中水的流速為： u2=(dl/d2)2 ul=(80.5/68)21.4ms-1=1.96 ms-1表明：當流量一定時，圓管中流體的流速與管徑的平方呈反比。（2）容器相對位置的確定 例3-2 采用虹吸管從高位槽向反應釜中加料。高位槽和反應釜均與大氣相通。要求物料在管內以 1.05 ms-1的速度流動。若料液在管內流動時的能量損失為 2.25 JN-1，試求高位槽的液面應比虹吸管的出口高出多少米才能滿足加料要求？解：作示意圖，取高

20、位槽的液面為截面1-1，虹吸管的出口內側為截面2-2，并取截面2-2為基準水平面。Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hf 式中Z1=h，u1 =0 p1=0(表壓)，He =0； Z20，u2=1.05 ms-1，p2=0（表壓），h f2.25 JN-1在兩截面間列出柏努利方程式：代入柏努利方程式，并簡化得：h =1.052 m2s-2/29.81 ms-22.25m=2.31m即高位槽液面應比虹吸管的出口高2.31m，才能滿足加料的要求。（3）送料用壓縮空氣的壓力的確定 例3-4 用離心泵將貯槽中的料液輸送到蒸發(fā)器內，敞口貯槽內液面維持

21、恒定。已知料液的密度為 1200 kgm-3，蒸發(fā)器上部的蒸發(fā)室內操作壓力為 200 mm Hg(真空度)，蒸發(fā)器進料口高于貯槽內的液面 15 m，輸送管道的直徑為 68 min 4mm，送液量為 20 m3h-1。設溶液流經(jīng)全部管路的能量損失為12.23 JN-1(不包括出口的能量損失)，若泵的效率為60，試求泵的功率。 （4）流體輸送設備所需功率的確定 式中 ZI=0，ul0，p 1=0（表壓）；Z2=15 m，因為 qv=20/3600=5.5610-3m3s-1 S=（0.06820.004）2m2/4 =2.83 10-3 m2故 u2=qv/S=5.56 10-3m3S-1/2.8

22、3 103m2 =1.97 ms-1又 p2=200 .013 105/760 = 2.67 104Pa（真空度） = -2.67 104Pa（表壓） 解：取貯槽液面為截面1-1，管路出口內側為截面2-2，并以截面1-l為基準水平面。在截面1-1和截面2-2之間進行能量衡算，有：Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hfNe=qmgHe=qvgHe=1200 kgm-35.56103 m3s-19.81m/s225.16m=1.65103W=1.65kwf12.23 JN-1將上列各數(shù)值代入拍努利方程式得：He=15 m1.9722m2s-2/

23、(29.81ms-1)-2.67104kgs -2m-1/(12009.81 kgs-2m-2) + 12.23 m =25.16 m液柱泵的理論功率：實際功率：Na=Ne/=1.65kw/0.60=2.75 kw截面選擇原則用泵將水槽中水打到高位槽。真空表讀數(shù)31925Pa，管路阻力Rf0-2=23u2，管路阻力Rf0-1=4u2 。問題 （1）管內流速？ （2）泵所做的功？基準一致，壓力基準，位頭基準。通大氣的面，壓力為大氣壓。P(g)=0大截面的流速可忽略不計。u=0選取適當截面，與流向垂直，條件充分。例3-5001m1110m22R2R1解：3.3 流體壓力和流量的測量 化工生產(chǎn)中，為

24、了監(jiān)視和控制工藝過程，實時測量流體性能參數(shù), 所用測量儀表有不同的類型。 測壓管php0 測壓管: 絕壓:氣壓計: 氣壓計p = 0p0h測壓管和氣壓計表壓: 1.流體壓力的測量 U形管壓差計 選基準面列靜力學方程1122p1p2z1z2RU 形管壓差計0011p1paz1R00若U形管壓差計一端與大氣相通，則可測得表壓（或絕壓）。 傾斜液柱壓差計R1Rp1p2傾斜液柱壓差計 微差壓差計p2RcA微差壓差計p1 倒U形管壓差計倒U形管壓差計1122p1p2z1z2R00目的： 恒定設備內的壓力， 防止超壓；(2) 液封高度安全液封h0p溢流水00氣液氣液封高度計算：p00水氣體h0. 煤氣柜

25、防止氣體外泄； 水封 （3）浮力物體所受浮力：靜止流體施加于該物體各表面上的總壓力在垂直 方向上的代數(shù)和。 液體內物體的受力分析bah(a)mgF(b)(c)p0p1p2 以機械能衡算方程為基礎的測定方法，應用公式：2 流速和流量測定 流體的速度和流量測定是一個重要的測量參數(shù)； 測量用的方法和流量計的種類很多。 1 測速管（畢托管 Pitot ） (1) 結構 同心套管、壓差計 。 RAB實際應用的畢托管示意圖(2) 測量原理 未放測速管時，截面各點均為靜壓能。 放入測速管后， 外管：開口平行于流向 pB靜壓能； 內管：開口垂直于流向 pA滯點壓力。 滯點壓力(沖壓能) =靜壓能+動能ABR

26、畢托管構造原理示意圖 CP：校正系數(shù)，一般取0.981.00 (實測) 流量計標定：校正流量計的過程。 (3) 使用方法 1) 測量點速度 問題：如何測平均流速、流量、速度分布 平均流速：放于管中心處，測出 umax， 層流： 湍流： a）管口截面： 嚴格垂直于流體的流動方向；b）測量點選擇： 在穩(wěn)定流動段（直管段）， 且前后直管各50d , 至少 8-12d； c）畢托管直徑： 外徑不超過管徑的1/50； d）測量氣體時： 壓力變化不超過15%； 要求氣體流速 5 m/s； e）壓差較小時： 可配合微差壓差計使用。3) 適用條件 大直徑管路，流體含固體雜質時不宜采用。2) 安裝4）畢托管的優(yōu)

27、點：結構簡單；使用方便；流體的機械能損失很少。5）畢托管的局限性：測速管較多地用于測量氣體流場中某點的速度；測壓孔易堵塞。2 孔板流量計 (1) 結構及特點 1) 結構 孔板：測量元件； 縮脈：孔板后1/32/3 d 處。 R121002d1S1u1d0S0u0d2S2u2 孔板流量計 壓差計兩種取壓方式： 縮脈取壓：孔板前1d 孔板后0.5d處。 角接取壓：孔板前后，并盡量靠近孔板。 工業(yè)上，常用角接取壓。 2) 特點：節(jié)流式流量計 (恒截面，變壓差)(2) 測量原理在上圖所示的1-1、2-2面間列機械能衡算方程：若不考慮阻力損失，有：或考慮阻力損失，并以孔口流速u0代替縮脈處速度u2，則有

28、：又 流量系數(shù)或孔流系數(shù)式中：0.820.800.780.760.740.720.700.680.660.640.620.601041051065550.600.550.450.200.650.700.750.80孔流系數(shù)C0流量系數(shù)與Re之間的關系(3) 安裝要求 1) 穩(wěn)定段長度：上游1540d，下游5d處； 2) 不宜安裝在要求阻力很小處(如泵入口)。(4) 主要優(yōu)缺點優(yōu)點：結構簡單，制造、使用方便，造價低；缺點：永久阻力損失大（實測壓差的75%）。3 文丘里流量計(1) 結構及特點 1) 結構 喉管2) 特點 節(jié)流式流量計 (恒截面，變壓差)(2) 測量原理 列1-1及2-2面間的機械

29、能方程式： (3) 安裝要求 穩(wěn)定段長度：上游50d，下游10d。 (4) 主要優(yōu)缺點 優(yōu)點：永久阻力損失小(實測壓差p1-3的10%)； 缺點：造價較高，本身尺寸較長。(5) 孔板流量計和文丘里流量計 1) 只能測平均流速，不能測速度分布； 2) 采用試差法求流量系數(shù)Cv 或 C0； 3) 可繪制校正曲線，直接查取壓差-流量關系。4 轉子流量計 (1) 結構與特點 1）結構 錐形體（錐角約40）； 轉子（密度大于流體密度）。 2) 特點： 變截面，恒壓差。列1-1及2-2間伯努利方程：(2) 測量原理 原理：轉子在流體中受力平衡 對控制體(含轉子的圓柱體)作力衡算：z2z121 轉子受力分析

30、(3) 流量計的校正 1) 刻度標準(廠家)：液體 20、 水； 氣體 20、101325 Pa的空氣。2) 條件變化時，校正方法： * 測不同種類流體時， a）校正密度 同一刻度下， b）實驗，重新標定刻度-流量曲線(常用方法） * 量程不符時， 改變轉子f、Vf、Sf3) 轉子流量計的量程4) 阻力損失(5) 使用 1) 用于清潔或腐蝕性流體測量； 2) 玻璃管不耐高溫、高壓，易碎； 3) 開啟時，應緩慢調節(jié)流量閥。1) 必須垂直安裝（只能測垂直管中流量）；2) 必須保證轉子位于管中心； （轉子上刻有斜槽）3) 各種流量計在管路中的安裝； 為便于檢修，各種流量計均應有旁路。(4) 安裝 1

31、) 優(yōu)點 阻力損失小，測量范圍寬， 流量計前后不需穩(wěn)定管段。(6) 轉子流量計的優(yōu)缺點2) 缺點 不耐高壓 (小于0.5 MPa)， 管道直徑有限 (小于50mm)。3.4 管內流體流動的阻力 流體本身具有粘性，流體流動時因產(chǎn)生內摩擦力而消耗能量，是流體阻力損失產(chǎn)生的根本原因。管道大小、內壁形狀、粗糙度等影響著流體流動狀況，是流體產(chǎn)生阻力的外部條件。本節(jié)介紹管路與系統(tǒng)的管、管件、閥門，并討論流體的流動形態(tài)和管內流體流動阻力的定量計算。 1. 管、管件及閥門簡介 (1) 管 管子種類繁多。有鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬管、塑料管及橡膠管等。 常把玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等稱為光滑管；舊鋼管

32、和鑄鐵管稱為粗糙管. 鋼管分有縫鋼管和無縫鋼管,管子按照管材的性質，可分為光滑管和粗糙管。 管壁粗糙面凸出部分的平均高度，稱為絕對粗糙度，以表示。絕對粗糙度與管內徑d的比值，稱為相對粗糙度。表3-1列出了部分管道的絕對粗糙度。 （ 3）閥門 閥門在管道中用以切斷流動或調節(jié)流量。常用的閥門有截止閥、閘閥和止逆閥等。 （2）管件 用來改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。 2. 流動的形態(tài) 為了解流體在管內流動狀況及影響因素，雷諾設計的實驗可直接觀察到不同的流動形態(tài)。實驗裝置如圖所示。 （1）兩種流動形態(tài)流速不大時墨水呈一條直線，平穩(wěn)流過管，質點彼此平行的沿著管軸的方向作直線運動，質點與質

33、點之間互不混合。這種流動形態(tài)稱為滯流或層流。開大閥門時，墨水線開始出現(xiàn)波動。流速繼續(xù)增大，細線消失，墨水與水完全混合。 表明水的質點除了沿著管道向前流動以外，各質點還作不規(guī)則的紊亂運動，且彼此相互碰撞，互相混合，水流質點除了沿管軸方向流動外，還有徑向的復雜運動，這種流動形態(tài)稱為湍流或紊流。 DBAC墨水流線玻璃管1883年, 英國物理學家Osbone Reynolds作了如下實驗。（2）雷諾實驗現(xiàn)象 兩種穩(wěn)定的流動狀態(tài)：層流、湍流。用紅墨水觀察管中水的流動狀態(tài)(a)層流(b)過渡流(c)湍流湍流： 主體做軸向運動，同時有徑向脈動； 特征：流體質點的脈動 。 層流： * 流體質點做直線運動； *

34、 流體分層流動，層間不相混合、不碰撞； * 流動阻力來源于層間粘性摩擦力。 過渡流： 不是獨立流型（層流+湍流）， 流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉變）。 （3）流動形態(tài)的判據(jù) 影響流體流動的因素除流速u外，還有流體流過的通道管徑d的大小，及流體的物理性質如粘度和密度。稱為雷諾數(shù)，以符號Re表示：流體在圓形直管中流動時，當Re2000，流體流動形態(tài)為滯流；當 Re4000時，流體流動形態(tài)為湍流；而當2000Re4000 時，流體的流動則認為處于一種過渡狀態(tài)，可以是滯流，也可以是湍流。Redu/若將各物理量的量綱代入，則有：Re=LLT-1ML-3/ML-1T-1實驗分析影響狀態(tài)的因素：Re是量

35、綱為一數(shù)群 圓形直管中 Re2000 穩(wěn)定的層流 Re 4000 穩(wěn)定的湍流2000 Re 4000 不穩(wěn)定的過渡流 如圖所示，滯流時流速沿管徑呈拋物線分布，管中心處流速最大，管截面各點速度的平均值為管中心處最大速度的0.5倍；湍流時，流體質點強烈湍動有利于交換能量，使得管截面靠中心部分速度分布比較均勻流速分布曲線前沿平坦，湍流的流速分布曲線與雷諾數(shù)大小有關，湍流的平均速度約為最大速度的0.8倍。 3 直圓管內流體的流動（1）剪應力分布 穩(wěn)態(tài)流動:整理得：適用于層流或湍流ldrRuy流體在圓管中速度分布曲線的推導p1p2h1h2 剪應力分布max（2） 層流的速度分布 流體在圓管內分層流動示意

36、圖可見，層流流動的速度分布為一拋物線； 壁面處速度最小，0管中心處速度最大或Re2000uumaxd層流時流體在圓管中的速度分布因此說明：圓管內層流流動時的幾個重要關系 壁面剪應力與平均流速間的關系 故：（3） 湍流時的速度分布和剪應力 湍流描述 主要特征：質點的脈動 瞬時速度= 時均速度+ 脈動速度 渦流粘度，與流動狀態(tài)有關 。湍流時uOttC點A處流體質點的速度脈動曲線示意圖較常見的情況，當Re處于1.11053.2106之間時，指數(shù)此時獲得方法：實測、經(jīng)驗公式 速度分布u/umaxReRemax1061051041031021070.90.80.70.60.510610510410310

37、2107通常可取精確計算時，利用下圖?？v坐標：橫坐標：求平均流速的方法: 速度分布未知速度分布已知 由于流體粘性作用，近壁面處的流體將相繼受阻而降速。隨著流體沿壁面向前運動，流速受影響的區(qū)域逐漸擴大。將流體受壁面影響而存在速度梯度的區(qū)域稱為流體流動的邊界層。一般把邊界層厚度定義為自壁面到流速達到流體主體流速 99處的區(qū)域。 當流體流入圓管時，只在進口附近一段距離內有邊界層內外之分。如圖3-21所示。當管流雷諾數(shù)等于9 105時，入口管長度約為40倍管直徑。4 邊界層概念流體流過較大曲率的物體時，會發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象。如圖3-22，流體流過圓柱體時，在圓柱表面ABC處逐步形成邊界層，并因流動截面

38、受阻而在B處流速最大。 （1）流動邊界層的形成邊界層的形成條件流動；實際流體；流過固體表面。 形成過程流體流經(jīng)固體表面；由于粘性，接觸固體表面流體的流速為零 ；附著在固體表面的流體對相鄰流層流動起阻礙作用，使其流速下降；對相鄰流層的影響，在離開壁的方向上傳遞，并逐漸減小。 最終影響減小至零，當流速接近或達到主流的流速時，速度梯度減少至零。uuu層流邊界層湍流邊界層層流內層Ax0平板上的流動邊界層 湍流流動時在靠近管壁處總有一層作滯流流動的流體薄層，稱之為滯流底層。滯流內層的存在對傳熱過程和傳質過程有很大的影響。生產(chǎn)中的流體流動大多數(shù)是以湍流形態(tài)進行的。uuu層流邊界層湍流邊界層層流內層Ax0平

39、板上的流動邊界層流動邊界層流體的速度梯度主要集中在邊界層內，邊界層外，向壁靠近，速度梯度增大；湍流邊界層中，速度梯度集中在層流底層。流動邊界層的發(fā)展 平板上：流體最初接觸平板時，x = 0 處，u0 = 0; = 0；隨流體流動，x增加，增加（層流段）；隨邊界層發(fā)展， x增加，增加。質點脈動，由層流向湍流過渡，轉折點距端點處為x0；充分發(fā)展：x x0 ，發(fā)展為穩(wěn)定湍流。uuu層流邊界層湍流邊界層層流內層Ax0平板上的流動邊界層uuuuux0d圓管進口處層流邊界層的發(fā)展圓形管中：測量點必須選在進口段 x0 以后，通常取 x0 =（50-100）d0 x0以后為充分發(fā)展的流動。層流時湍流時不管層流

40、還是湍流，邊界層厚度等于圓管半徑。完全發(fā)展了的流動： (a）當流速較小時 流體貼著固體壁緩慢流過 (爬流)。流動邊界層的分離 流體繞固體表面的流動。(b) 流速不斷提高，達到某一程度時，邊界層分離 。 流體流過單球體 (c)邊界層分離的條件 逆壓梯度 壁面附近的粘性摩擦 (d) 邊界層分離對流動的影響 邊界層分離大量旋渦消耗能量增大阻力。 由于邊界層分離造成的能量損失，稱為形體阻力損失。 邊界層分離使系統(tǒng)阻力增大。 (e) 減小或避免邊界層分離的措施改變表面的形狀，如汽車、飛機、橋墩都是流線型。 例 3-5 在168mm5mm的無縫隙鋼管中輸送原料油，已知油的運動粘度為 90cst，密度為 9

41、10 kgm-3，試求燃料油在管中作滯流時的臨界速度。 解：運動粘度 v=/，層流時Re的臨界值為2 000，其中 d=168-25=158mm=0.158mv=90cst=9010-2 10-4m2s-1=910-5m2s-1代入Re=du/ 得：Re=du/=du/v=2000故臨界速度為 u=2000910-5m2s-1/0.158m=1.14ms-1 計算非圓形管的Re值時，要以當量直徑de代替d。, 當量直徑de定義為：de=4流體流動截面積/流道潤濕周邊長度3管內流動阻力計算 管內流動阻力可分為直管阻力和局部阻力。直管阻力是當流體在直管中流動時因內摩擦力而產(chǎn)生的阻力；局部阻力是流體

42、在流動中，由于管道的局部阻力障礙所引起的阻力。 流體阻力的表示方法對應于機械能衡算的三種形式，流體阻力損失亦有三種表達形式：阻力損失與壓力差的區(qū)別： pf 流體流經(jīng)兩截面間的機械能損失； p 任意兩點間的壓力差。kJ/kgmPa二者之間的關系：管路中的流動阻力=直管阻力+局部阻力直管阻力：由于流體和管壁之間的摩擦而產(chǎn)生；局部阻力：由于速度的大小或方向的改變而引起。即：水平、等徑直管，無外功加入時，兩截面間的阻力損失 與兩截面間的壓力差在數(shù)值上相等。流體在管路中流動阻力與流速有關。流速愈快，能量損失就愈大，即阻力損失與流體的動壓頭呈正比 式中是一比例系數(shù)，稱為阻力系數(shù)。 (1)直管阻力的計算 在

43、柏努利方程式中, hf是指流體在管路系統(tǒng)中的總阻力損失，hf=hfhl設其靜壓力分別為p1和P2，且p1P2，在兩個截面之間的柏努利方程式為： 如圖，流體在長為l，內徑為d的管內以流速u作定態(tài)流動， 在等徑水平管內，有Z1= Z2，u1= u2=u，上式變?yōu)椋捍怪弊饔糜诹黧w柱兩端截面1-1和2-2上的力分別為： Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g)+ hfp1-p2=ghfF1=p1A1= p1d12/4F2=p2A2= p2 d22/4d1=d2=d，故推動流體流動的推動力F1- F2 =(p1-p2) d2/4而平行作用于管內表面上的摩擦力F為F

44、 =dl 流體在管內作定態(tài)等速流動，作用于流體上的推動力和摩擦阻力必然大小相等，方向相反，有： (p1-p2) d2/4=dl p1-p2=4l/dhf =4l/gd得得上式稱為范寧(Fanning)公式，是直管阻力的計算通式。流體在直管內流動的阻力及壓力損失與流體流速和管道幾何尺寸呈正比，比例系數(shù)稱為摩擦阻力系數(shù)。 J/kgmPa 范寧公式的其它表達方法 計算流體流動阻力的一般公式所以 如圖所示，選管中心至管壁的任一r處的流體圓筒，管長為l，則截面積為r2，滑動表面積為2rl。取微分距離dr, 滑動摩擦阻力為：要克服F而使流體流動，流體必須接受與其大小相等、方向相反的推動力-(p1-p2)r

45、2，即有 滯流時的摩擦阻力系數(shù) 整理并積分，得：-(p1-p2)r2= 2rlr：0R，u：umax0 pR222lumax以d=2R，u=umax/2代入，并整理 =64/Rep =32ul/d2或 Hangen-Poiseuille方程其它推導方法：湍流時的摩擦阻力系數(shù) 湍流時，流體質點是不規(guī)則的紊亂運動，質點間互相碰撞激烈，瞬間改變方向和大小。 Re越大，滯流底層越薄，管壁粗糙度對湍流阻力的影響越大。因而，湍流的流體阻力或摩擦阻力系數(shù)還與管壁粗糙度有關。 a析因實驗 對所研究的過程作理論分析和探索，尋找影響過程的主要因素。影響的諸因素為：量綱分析法是通過把變量組合成為一數(shù)群，減少了實驗變

46、量個數(shù)，相應減少了實驗次數(shù)。該法在工程上廣泛應用?？杉僭O為下列冪函數(shù)形式：實驗研究的步驟和方法p=f(d, l, u, , )b規(guī)劃實驗 確定所研究的物理量與各影響因素的具體關系，需在其它變量不變下，多次改變一個變量。采用正交實驗法、量綱分析法等簡化實驗。PK d a l b u cde f代入并整理得：du/為雷諾數(shù)Re； 稱為歐拉數(shù)，以 Eu表示； d為相對粗糙度。 c.實驗數(shù)據(jù)處理 獲得量綱為一數(shù)群后，它們間的關系還需通過實驗，并將實驗數(shù)據(jù)進行處理，用適當方式表達出來。對于湍流摩擦阻力系數(shù)為 對于光滑管（= 0），常用的關聯(lián)式有柏拉修斯（Blasius）公式PK d b-e-f l b

47、u2-e 1-ee f將指數(shù)相同的變量合并，得= (Re,/d)=0.316 4 Re0.25 上式適用于湍流區(qū)的整個范圍。 工程上，經(jīng)常用共線圖將與Re和/d的關系形象化，將經(jīng)驗關系式轉換成圖線,如圖3-25所示。上式適用于流體在光滑管中, 3000Re105范圍內的計算。對于粗糙管，常見的有加考萊布魯克公式-1/2= 1.742 lg2/d18.7(Re1/2) 粗糙度對的影響： 層流時：繞過突出物，對無影響。 湍流時： 當Re較小時，層流底層厚，形體阻力小，突出物對的 影響??； 當高度湍流時，層流底層薄，突出物充分暴露，形成 較大的形體阻力，突出物對的影響大。d. 完全湍流區(qū) Re足夠大

48、時,與 Re無關,僅與/d有關。 hfu2例3-6 20的水在直徑為460mm3.5mm的鍍鋅鐵管中以1ms-1的流速流動，試求水通過100m長度管子的壓力降及壓頭損失為多少。a滯流區(qū) Re2 000，64/Re,與/d無關。b過渡區(qū) 2 000Re4000，流形為非定態(tài)易波動, 常作湍流處理。c. 湍流區(qū) Re4 000以及虛線以下區(qū)域,與 Re和/d均有關,隨 Re的增大而減小, 隨/d增大而增大. hfu1.75在圖 3-25找到 Re=5.26104，再在右邊找到/d0.004的線，通過兩者的交點在左邊讀出值0.031。 Pf=(l/d)(u2/2)0.031(100m/0.053m)

49、(998.2kgm312m2s-2/2)=2.92104 Nm-2 壓頭損失為： hf=(l/d)u2/(2g)=0.031(100m/0.053m)(12m2s-2/29.807ms-2)=2.98 m水柱 解：查手冊得20水,=998.2kgm-3,=1.005103Pas 已知 d=60-3.52=53mm, l=100m,u=1ms-1 所以 Re=du/=0.0531998.2/1.00510-3=5.26 104取鍍鋅鐵管絕對粗糙度=0.2mm,則/d=0.2/53=0.004將上述數(shù)據(jù)代入壓力降公式，得：阻力系數(shù)法 將局部阻力所引起的能量損失，表示為動壓頭的一個倍數(shù)，即 hl=u

50、2/(2g) 為局部阻力系數(shù)。 a突然擴大與突然收縮 流體流過的管道直徑突然擴大或突然收縮時，局部阻力系數(shù)可根據(jù)小管與大管的截面積之比S1/S2。（2）局部阻力的計算局部阻力的計算方法有阻力系數(shù)法和當量長度法兩種。b進口和出口 當流體從容器進入管內時，可看作從很大截面 S1突然流入很小截面S2。當量長度法 將局部阻力損失折算成相當長度的直管的阻力損失，此相當?shù)墓荛L度稱為當量長度le。在湍流條件下，某些常見管件與閥門的當量長度折算關系如圖3-27所示。采用當量長度法計算管路的局部阻力： hl=(le/d)u2/(2g)例3-7 要求向精餾塔中以均勻的流速進料，現(xiàn)裝設一高位糟，使得料液自動流入精餾

51、塔中，如附圖所示。若高位槽的液面保持1.5m的高度不變，塔內操作壓力為0.4kgfcm-2(表壓)，塔的進料量需維持在50m3h-1，則高位槽的液面應該高出塔的進料口多少米才能達到要求？若已知料液的粘度為1.510-3Pas，密度為900 kgm-3，連接管的尺寸為108mm4 mm的鋼管，其長度為h+1.5 m，管道上的管件有 180的回彎頭、截止閥及 90的彎頭各一個。解：取高位槽內液面為截面1-1，精餾塔的加料口內側為截面2-2，并取此加料口的中心線為基準水平面。在兩截面間列柏努利方程:hfhfhl(l+le)/du2/(2g) Redu/0.1001.77900/0.0011.0610

52、5Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g)+ h f式中 Z1=h，Z2=0, u10u2=(50/3 600)/(0.100/2)2=1.77 ms-1(p2-p1)/(g)=0.49.807104/(9009.807) 4.44 m液柱取0.3 mm，/d0.3/100=0.003，查圖得 0.0275 hf (l/d) u2/(2g)0.0275(h1.5)/0.100(1.772/29.807)=0.044(h+1.5) 物料由貯槽流入管子，取le12.1；180彎頭le210；截止閥(按1/2開度計), le3=28；90 彎頭le44.5結果

53、表明高位槽液面至少高出塔內進料口6.93m，才能滿足精餾塔的進料要求。 0.0275(2.l10284.5)/0.100l.772/(29.807)=1.96m液柱hl (le/d) u2/(2g) (le1+ le2+ le3+ le4)/du2/(2g)將以上數(shù)據(jù)代入柏努利方程：h4.441.772/(29.807)0.044(h1.5)1.96解得：h6.93 m 3.5 流體輸送設備 流體流動需要一定的推動力來克服管路和設備的阻力，才能把流體從低處送到高處，或從低壓系統(tǒng)輸送到高壓系統(tǒng)。一般把輸送液體的機械通稱為泵，輸送氣體的機械稱為風機或壓縮機。離心式 利用高速旋轉的葉輪給流體提供動能

54、。正位移式 利用活塞、齒輪、螺桿等直接擠壓流體 不屬于上述類型的其它形式的泵，如噴射泵。 本節(jié)以離心泵和往復壓縮機為例，簡單介紹它們的基本構造、原理及其相關特性。作用：向系統(tǒng)輸入能量，補充所需機械能； 用于流體的輸送或加壓。 1.離心泵 離心泵的構造和工作原理 離心泵是化工生產(chǎn)上廣泛應用的一種液體輸送設備。它的主要構造如圖所示。泵的主要部件有：葉輪、泵軸、蝸狀泵殼、吸入管、壓出管及底閥等。蝸殼（外殼）；葉輪：敞式,半蔽式,蔽式 單吸式、雙吸式。 附屬裝置：底閥、濾網(wǎng)、調節(jié)閥、平衡孔(平衡管)、排氣孔、軸封。 1.1 離心泵的基本結構，工作原理 (1) 離心泵的結構 主要結構： 離心泵外形： (

55、2) 工作原理 (a) 排出階段 葉輪旋轉(產(chǎn)生離心力，使液體獲得能量）流體流入渦殼(動能靜壓能) 流向輸出管路。 (b) 吸入階段 液體自葉輪中心甩向外緣 葉輪中心形成低壓區(qū) 貯槽液面與泵入口形成壓差液體吸入泵內。氣縛現(xiàn)象：泵內未充滿液體，氣體密度低，產(chǎn)生離心力小，在葉輪中心形成的低壓不足以將液體吸上。說明：離心泵無自吸能力，啟動前必須將泵體內充滿液體。 離心泵結構示意圖(c) 主要部件作用 泵殼：動能靜壓能，提高液體壓力, 能量轉換裝置。 葉輪：把原動機(電機)的機械能，傳遞給液體，提高液體的 動能和靜壓能。 葉輪形式：葉輪由612片葉片組成。 按葉片兩側有無蓋板: 敞式、半蔽式、蔽式。葉

56、輪的類型(a)后蓋板平衡孔單吸式雙吸式按吸液方式：單吸式、雙吸式。蔽式葉輪：適用于輸送清潔液體敞式和半蔽式葉輪：流道不易堵塞，適用于輸送含有固體顆粒的液體懸浮液，效率低。單吸式：結構簡單，液體從葉輪一側被吸入。雙吸式：吸液能力大，基本上消除軸向推力。單吸式與雙吸式葉輪（2）離心泵的主要性能參數(shù) 離心泵的主要性能參數(shù)包括：揚程、流量、功率和效率。功率 在單位時間內，液體自泵實際得到的功稱為泵的有效功率。用符號Ne表示，單位為W。 揚程 泵對單位重力的流體所做的功稱為揚程(或壓頭)，亦即液體進出泵前后的壓頭差，用符號He表示，單位為米液柱。流量 離心泵的流量又稱排液量或輸送能力，指在單位時間內泵所

57、排送的液體數(shù)量，用符號qv表示，單位為m3s-1或m3h-1。效率 離心泵的效率與泵的大小、類型、制造精度和輸送液體的性質有關。泵的有效功率Ne、軸功率Na和效率三者之間的關系如下： 離心泵的主要性能參數(shù)之間的關系由實驗確定，測出的流量與揚程、功率, 效率之間的關系曲線稱為離心泵的特性曲線或工作性能曲線。NeqvgHe式中 He泵的揚程，m； 一流體的密度，kgm-3 qv泵的流量，m3s-1 g重力加速度，ms-2。=NeNa（3）離心泵的特性曲線上圖是離心水泵的特性曲線。其遵循下面的規(guī)律：qvHe曲線離心泵的揚程隨著流量的增大而下降。qvNe曲線離心泵的功率隨著流量的增大而升高。qv曲線

58、效率開始時隨流量的增大而增加，達到最大值后，如繼續(xù)增大流量，則泵效率反而下降。離心泵的轉速與He, Ne及qV的關系式如下：（4）離心泵的安裝高度和氣蝕現(xiàn)象泵在與最高效率點對應的流量,揚程下工作最為經(jīng)濟。qv,l/qv,2=nl/n2 He,lHe,2=(nln2)2 Ne,1Ne,2=(nln2)3Hg=(P0P1)/(g)u12/(2g)hf 能量衡算式為：P0/(g)HgP1/(g)u12/(2g)hf或(P0P1)/g稱為離心泵吸上真空高度，記作Hs， P1越小，Hs越大，Hg便越大。 但P1等于或小于在當時溫度下的飽和蒸氣壓時，液體將生成大量氣泡，氣泡隨液體流到葉輪壓力較高的區(qū)域后，

59、被壓縮、破裂又突然凝結，產(chǎn)生很大的沖擊力沖擊葉輪和泵殼內表面，使葉輪和泵殼內表面造成嚴重的剝蝕現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“氣蝕”。 泵的氣蝕現(xiàn)象剛發(fā)生時，所對應的吸上真空高度稱為最大吸上真空高度(Hs,max)。為了保證泵在運轉中不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，規(guī)定留有0.3米的安全量，稱為允許吸上真空高度(Hs)：Hs=Hs,max- 0.3如果輸送條件與泵樣本所給條件不相符時，用下式加以校正： 式中 Hs新條件下的允許吸上真空高度，m水柱； Hs泵樣本上的允許吸上真空高度, m水柱； Ha泵工作地方的大氣壓，其值隨海拔高度不同而異，m水柱； Hv被輸送液體的飽和蒸氣壓, m水柱； 10293 K測定時的大氣壓力，

60、m水柱； 0.24在293 K時水的飽和蒸氣壓，m水柱。 Hs Hs+(Ha-10) (Hv-0.24)2往復壓縮機壓縮機 壓縮比在4以上，終壓在300kPa(表壓)以上。分為低壓壓縮機(表壓在2-10kPa)、中壓壓縮機(表壓在10-100kPa)和高壓壓縮機(表壓在100-1000 kPa)。 通風機 壓縮比在11.15間，終壓不大于14.7kPa(表壓)按其出口壓力或壓縮比可分為以下幾類。鼓風機 壓縮比小于4，終壓在 14.7-300 kPa(表壓)。真空泵 用于減壓操作，終壓相當于當時當?shù)氐拇髿鈮毫?。吸氣過程 壓縮過程 排氣過程 如圖是單動往復壓縮機的結構及其操作原理示意圖。往復式壓縮