流體流動第一頁，共81頁。流體流動第二頁，共81頁。①選擇輸送流體所需管徑尺寸;②確定輸送流體所需能量和設備;③流體性能參數的測量、控制;④研究流體的流動形態(tài)，為強化設備和操作提供理論依據;⑤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:第三頁，共81頁。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第四頁，共81頁。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：ρ—流體密度，kɡ·m-3;m—流體質量，kg；V—流體體積，m3。ρ=m／V除極高壓力外，壓力對液體的密度影響很小，常將液體稱為不可壓縮流體。(3-1)第五頁，共81頁。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：

ρ=pM/RT

p—氣體壓力kN·m-2或kPa；T—氣體溫度K；M—氣體摩爾質量g·mol-1；R—氣體常數8.314Jmo1-1·K-1。(3-2)第六頁，共81頁?；どa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表示。若以1kg混合物為基準，設各組分在混合前后其體積不變，則1kg混合物的體積等于各組分單獨存在時的體積和：ρi—液體混合物中各純組分液體的密度，kg·m-3；wi—液體混合物中各組分液體的質量分數；ρm

—液體混合物的密度。(3-3)第七頁，共81頁。對于氣體混合物，各組分的濃度常用體積分數表示。若以1m3混合氣體為基準，設各組分在混合前后的質量不變，則1m3混合氣體的質量等于各組分的質量之和:ρI—氣體混合物各純組分的密度，kg·m-3；

φI—氣體ρ混合物中各組分的體積分數；ρm—氣體混合物的密度。

(3-4)第八頁，共81頁。2．比體積

單位質量流體所具有的體積稱為流體的比體積，以ν表示，它與流體的密度互為倒數:υ一流體的比體積，m3·kg-1；ρ—流體的密度，kg·m-3。

υ=1/ρ(3-5)第九頁，共81頁。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N·m-2。latm＝760mmHg＝1.01325×105Pa＝10.33mH2O＝1.033kgf·cm-2常用壓力單位與Pa之間的換算關系如下：p=F／A(3-6)第十頁，共81頁。壓力有兩種表達方式:①絕對壓力;②大氣壓力.當被測容器的壓力高于大氣壓時，所測壓力稱為表壓，當被測容器的壓力低于大氣壓時，所測壓力稱為真空度。

大氣壓力隨溫度、濕度及所在地區(qū)的海拔高度而變化。第十一頁，共81頁。4．流量和流速單位時間內流體流經管道任一截面的流體量，稱為流體的流量。體積流量，以符號qv表示，單位為m3·s-1；質量流量，以符號qm表示，其單位為kg·s-1。摩爾流量，以符號qn表示，其單位為mol·s-1。qm=ρqV

質量流量與摩爾流量的關系為

qm＝Mqn

體積流量和質量流量的關系為：(3-7)(3-8)第十二頁，共81頁。流體的流速：單位時間內，流體在管道內沿流動方向所流過的距離，以u表示，單位為m·s-1。u=qV/S

S—與流體流動方向相垂直的管道截面積，m2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：氣體的體積流速隨溫度、壓力而變化。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。(3-9)第十三頁，共81頁。質量流速的定義是單位時間內流體流經管路單位截面積的質量，以w表示，單位為kg·s-1·m-2，表達式為：

w=qm／S

體積流速和質量流速兩者之間的關系：液體1.5~3.0m·s-1，高粘度液體0.5～1.0m·s-1；氣體10～20m·s-1，高壓氣體15～25m·s-1；飽和水蒸汽20~40m·s-1，過熱水蒸汽30~50m·s-1。

w=ρu工業(yè)上用的流速范圍大致為：(3-10)(3-11)第十四頁，共81頁。5．粘度

粘性是流體內部摩擦力的表現，粘度是衡量流體粘性大小的物理量，是流體的重要參數之一。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，形成流速分布。第十五頁，共81頁。圖3一3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。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。

F∝(Δu/Δy)A

第十六頁，共81頁。引入比例系數μ

，則：

F＝μ（Δu/Δy）A

單位面積上的內摩擦力稱為內摩擦應力或剪應力（動量通量），以τ表示，則有：τ＝F／A＝μ（Δu/Δy）

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：τ＝μ（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；μ—比例系數，亦稱為粘性系數，簡稱粘度。牛頓粘性定律(3-12)(3-13)(3-14)第十七頁，共81頁。凡符合牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體，所有氣體和大多數液體都屬于牛頓型流體。非牛頓型流體：某些高分子溶液、膠體溶液及泥漿等。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,但增加得不多。[μ]=[τ/(du/dy)]=(N·m-2)/(m·s-1·m-1)＝N·s·m-2＝Pa·s第十八頁，共81頁。1P＝100cP（厘泊）=10-1Pa·s=10-1-2

=10-1kg.m-1.s-1流體的粘度值由實驗測定。手冊中查得的數據常以厘米克秒(CGS)制表示。在CGS制中，粘度的單位為g.cm-1.s-1，稱為“泊”，以P表示。運動粘度：流體的粘度μ與密度ρ的比值，以ν表示之：ν=μ/ρ單位為m2·s-1，在CGS制中單位為cm2.s-1，稱為“沲”1st—100cst(厘沲)＝10-4m2·s-1(3-15)第十九頁，共81頁。

在工業(yè)上常常遇到各種流體的混合物。對于低壓氣體混合物的粘度，可采用下式進行計算。μm—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；μm=（∑yiμiMi1/2)／(∑yiMi1/2)μi—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。(3-16)第二十頁，共81頁。

μm——液體混合物的粘度；

xi——液體混合物中某一組分的摩爾分數；

μi——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：(3-17)第二十一頁，共81頁。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。

第二十二頁，共81頁。2．定態(tài)流動過程物料衡算—連續(xù)性方程

當流體在流動系統中作定態(tài)流動時，根據質量作用定律，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任一截面的流體的質量應相等。

對上圖所示截面1—1’和2—2’之間作物料衡算：

第二十三頁，共81頁。因為qm=ρuS，所以：在任何一個截面上，則：

qm=ρ1u1S1＝ρ2u2S2＝…＝ρnunSn=常數

對于不可壓縮流體，ρ=常數，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(3-18)(3-19)(3-20)第二十四頁，共81頁。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。

①動能流體以一定的流速流動時，便具有一定的動能。動能為mu2/2，單位為kJ。

②位能流體因受重力的作用，在不同高度處具有不同的位能，其值相當于把質量為m的流體由基準水平面垂直舉至某一高度Z處所做的功，即mgZ，單位為kJ。

③靜壓能流體內部任一處都存在一定的靜壓力。

在流體體積不變的情況下，把流體引入壓力系統所做的功，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。第二十五頁，共81頁。⒊靜壓能：

設流體m、V→i-i截面(P、A)，則：截面處的壓力F=P·A，流體通過A前進的距離

l=V/A流體進入該截面所需功

=F·l=P·V即：流體所具有的靜壓能=PV=Pm/ρ，單位為J，又稱流動功。單位質量流體所具有的靜壓能稱比靜壓能：比靜壓能=PV/m=P/(m/V)=P/ρ，單位為J/kg。

第二十六頁，共81頁。④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。

內能和什么有關？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。第二十七頁，共81頁。（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內摩擦力存在的流體，即粘度為零。若過程中沒有熱量輸入，其溫度和內能沒有變化，則理想流體流動時的能量恒算只考慮機械能之間的相互轉換。

設在單位時間內有質量為m(kg)、密度為ρ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。

第二十八頁，共81頁。令流體在截面2－2’處的流速為u2，即根據能量守恒定律，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：第二十九頁，共81頁。對于單位質量流體，則：對于單位重力（重力單位為N）流體，有：工程上，將單位重力的流體所具有的能量單位J·N-1，即m，稱為“壓頭”，則Z、u2/(2g)和p/(ρg)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。(3-21b)第三十頁，共81頁。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（Bernoulliequation）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項能量之和相等，即總能量（或總壓頭）是一個常數。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。第三十一頁，共81頁。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J·N-1或m。則實際流體在流動時的柏努利方程為：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。單位重力的流體的阻力損失：∑hf

(J.N-1或m).（2）實際流體流動過程的能量衡算

第三十二頁，共81頁。對于靜止狀態(tài)的流體，u=0，沒有外加能量，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：或實際流體在流動時的柏努利方程為：(3-23b)(3-23a)第三十三頁，共81頁。連續(xù)性方程和柏努利方程可用來計算化工生產中流體的流速或流量、流體輸送所需的壓頭和功率等流體流動方面的實際問題。

①作圖根據題意作出流動系統的示意圖以助分析題意。④單位務必統一最好均采用國際單位制。

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：②截面的選取確定出上下游截面以明確對流動系統的衡算范圍。③基準水平面的選取為了簡化計算，通常將所選兩個截面中位置較低的一個作為基準水平面。第三十四頁，共81頁。例3—l今有一離心水泵，其吸入管規(guī)格為88.5mm×4mm，壓出管為75.5mm×3.75mm，吸入管中水的流速為1.4m·s-1，試求壓出管中水的流速為多少？（1）管道流速的確定第三十五頁，共81頁。解：吸入管內徑dl=88.5－2×4＝80.5mm

壓出管內徑d2＝75.5－2×3.75=68mm根據連續(xù)性方程u1S1=u2S2

圓管的截面積S=πd2/4，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)2×1.4m·s-1＝1.96m·s-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。第三十六頁，共81頁。（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1.05m·s-1的速度流動。若料液在管內流動時的能量損失為2.25J·N-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。第三十七頁，共81頁。式中Z1=h，u1=0p1=0(表壓)，He=0；

Z2＝0，u2=1.05m·s-1，p2=0（表壓），hf＝2.25J·N-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＝1.052m2·s-2/2×9.81m·s-2＋2.25m＝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。第三十八頁，共81頁。（3）送料用壓縮空氣的壓力的確定例3—3某生產車間用壓縮空氣壓送20℃，wH2SO4=98.3%的濃硫酸。若每批壓送量為0.36m3，要求在10min內壓送完畢。管子為ф38×3mm鋼管，管子出口在硫酸罐液面上垂直距離為15m。設硫酸流經全部管路的能量損失為-1(不包括出口的能量損失)，試求開始送壓時，壓縮空氣的表壓為多少？第三十九頁，共81頁。解：繪示意圖。取硫酸罐內液面為截面1-1’,硫酸出口管管口內側為截面2-2’，并以截面1-1’為基準水平面。在兩截面間列出柏努利方程式：

第四十頁，共81頁。式中ZI=0，ul≈0，Z2＝15m，u2=qv/S,p2=0,

∑ｈf-1因為qv＝0.36m3/(10×60s)＝6.0×10-4m3·s-1

S＝π

(0.038-2×0.003)2m2/4＝8.04×10-4m2故u2＝qv/S＝6.0×10-4m3·s-1/(8.04×10-4m2)=0.746m·s-1由手冊查得，20℃濃硫酸的密度ρ=1.831kg.m-3將上列數據代入柏努利方程式：解得：p1=2.92×105N.m-2(表壓）第四十一頁，共81頁。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恒定。已知料液的密度為1200kg·m-3，蒸發(fā)器上部的蒸發(fā)室內操作壓力為200mmHg(真空度)，蒸發(fā)器進料口高于貯槽內的液面15m，輸送管道的直徑為ф68mm×4mm，送液量為20m3·h-1。設溶液流經全部管路的能量損失為12.23J·N-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第四十二頁，共81頁。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1一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：第四十三頁，共81頁。式中ZI=0，ul≈0，p1＝0（表壓）；Z2＝15m，因為qv＝20/3600＝15.56×10-3m3·s-1

S＝(0.0682×0.004)2m2/4＝2.83×10-3m2故u2＝qv/S＝5.56×10-3m3·s-1/2.83×10-3m2=1.97m·s-1又p2＝200×1.013×105/760=2.67×104Pa（真空度）=-2.67×104Pa（表壓）

第四十四頁，共81頁。Ne＝qmgHe＝ρqvgHe=1200kg·m-3×5.56×10-3m3·s-1×9.81m/s2×25.16m＝1.65×103W＝1.65kw∑ｈf＝12.23J·N-1將上列各數值代入拍努利方程式得：He＝15m＋1.9722m2·s-2/(2×9.81m·s-1)-2.67×104kg·s-2·m-1/(1200×9.81kg·s-2·m-2)+12.23m＝25.16m液柱泵的理論功率：實際功率：Na=Ne/η=1.65kw/0.60=2.75kw第四十五頁，共81頁。3.3流體壓力和流量的測量1.流體壓力的測量對處于靜止態(tài)的流體，柏努利方程簡化為：即靜止流體內部某兩點壓力差p2-p1與該兩點垂直距離差Z1-Z2呈正比。第四十六頁，共81頁。（1）U形管壓力計

管中底部盛有與測量液體不互溶、密度為ρA的指示劑。U形管的兩側臂上部及連接管內均充滿待測流體B，其密度為ρB。圖中a,a’兩點都在連通著的同一靜止流體內，且在同一平面上，故這兩點的壓強相等：第四十七頁，共81頁。于是有：整理上式，得壓強差當被測管段水平放置時，Z=0，上式簡化為：(3-24)若被測量的流體是氣體，上式可簡化為：第四十八頁，共81頁。（2）倒置U形管壓力計倒置U形管壓力計結構如上圖所示。

(3-25)第四十九頁，共81頁。取等壓面AB（水平、靜止、連續(xù)、同一流體），可以得到：PA=PB整理后得：（ρ>>ρg）

第五十頁，共81頁。（3）微差壓力計為測量微小壓力差，常采用微差壓力計。結構如下圖所示。主要用于氣體的測量。若兩種指示液的密度分別為ρl和ρ2，兩測壓點之間的壓力差為：ρl和ρ2差值越小，精度越高

第五十一頁，共81頁。2．流體流量的測定利用流體機械能相互轉換原理設計的流體流量測量儀表有孔板流量計，文丘里流量計和轉子流量計等。

（1）孔板流量計設流體的密度不變，在孔板前導管上取一截面1－1’，孔板后取另一截面2—2’，列出兩截面之間能量衡算式：

第五十二頁，共81頁。

u1S1=u2S2

u1<u2；p1>p2

Z1處形成湍流，能量損失嚴重式中：u1——流體通過孔板前的流速，即流體在管道中的流速，m·s-1；

u2——流體通過孔板時的流速，m·s-1；

p1——流體在管道中的靜壓力，Pa；

p2——流體通過孔板時的壓力Pa

第五十三頁，共81頁。因是水平管道，Z1=Z2，則有==(3-27)第五十四頁，共81頁。對于不可壓縮流體或過程中密度變化不大的體系，根據連續(xù)性方程可得：式中：S2，S1分別為孔板的銳孔和管道的橫截面積，m2.將上式代入(3-27)得：第五十五頁，共81頁。實際流體因阻力會引起壓頭損失，孔板處并有收縮造成的騷擾，再考慮到孔板與導管間的裝配可能有誤差，歸納為校正系數c0，并以u0代替u2得 的值由實驗或經驗確定，0.61～0.63。

若液柱壓力計的讀數為ΔR，指示液的密度為ρi，則流量計算公式為特點是結構簡單，制造方便，應用廣泛，缺點是能量損耗較大。

(3-30)(3-29)(3-28)第五十六頁，共81頁。(2)文丘里流量計

針對孔板流量計能量損耗較大的缺點，設計文丘里流量計如圖所示。式中：為文丘里流量計的流量系數，其值約為0.98，S0為喉管處的截面積。

(3-31)第五十七頁，共81頁。(3)轉子流量計

如圖所示，轉子流量計的主要部件為帶刻度線的錐形玻璃管，管內裝可上下浮動的轉子。

第五十八頁，共81頁。轉子的上升力等于轉子的凈重力時，轉子在流體中處于平衡狀態(tài)式中Δp—轉子上下間的壓差,VR—轉子體積，AR—轉子頂端面的橫截面積,ρR—轉子密度ρ—流體密度。第五十九頁，共81頁。Z1≈

Z2，則有==(3-27)壓力差歸因于流體通過環(huán)隙時流速的增大第六十頁，共81頁。若流體通過環(huán)隙的流速為uR（=u2），式中

cR—校正因子，與流體的流形、轉子形狀等有關。qV=uRSR=cRSR式中SR—轉子與玻璃管環(huán)隙的面積，m2

qV—流體的體積流量，m3·s－1轉子采用不銹鋼、銅及塑料等各種抗腐蝕材料制成，適用于中小流量的測定，常用于2‘以下管道系統中，耐壓在300～400kPa范圍。

流量公式為(3-32)第六十一頁，共81頁。渦輪流量傳感器耐腐蝕流量計金屬管浮子流量計電磁流量計液體腰輪流量計第六十二頁，共81頁。3.4管內流體流動的阻力流體本身具有粘性，流體流動時因產生內摩擦力而消耗能量，是流體阻力損失產生的根本原因。管道大小、內壁形狀、粗糙度等影響著流體流動狀況，是流體產生阻力的外部條件。本節(jié)介紹管路與系統的管、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。第六十三頁，共81頁。常把玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等稱為光滑管；舊鋼管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。

1.管、管件及閥門簡介

鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬管、塑料管及橡膠管等。(1)管第六十四頁，共81頁。管壁粗糙面凸出部分的平均高度，稱為絕對粗糙度，以ε表示。絕對粗糙度ε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。第六十五頁，共81頁。（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。

第六十六頁，共81頁。（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。

第六十七頁，共81頁?？ㄌ资浇刂归y第六十八頁，共81頁。明桿彈性座封閘閥第六十九頁，共81頁。煙道止逆閥第七十頁，共81頁。

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)。（1）兩種流動形態(tài)第七十一頁，共81頁。流速不大時墨水呈一條直線，平穩(wěn)流過管，質點彼此平行地沿著管軸的方