化工基礎-流體流動

1、第二章第二章 流體流動與輸送流體流動與輸送 內(nèi)容提要：主要討論化工生產(chǎn)過程中的流體流 動的基本原理及流體流動的基本規(guī)律，并運用這 些原理與規(guī)律去分析和解決化工生產(chǎn)中的物料輸 送問題。 基本要求： 1.了解化工生產(chǎn)過程中流體流動的基本規(guī)律； 2.掌握柏努利方程及其在化工生產(chǎn)中的應用； 3.掌握流體在管內(nèi)流動阻力的計算； 4.了解流體輸送機械的工作原理和相關計算。 第一節(jié) 流體靜力學 1-1 流體的物理性質 密度單位體積流體所具有的質量，稱為流 體的密度。 相對密度物料密度與純水（4時）密度 之比，用符號d表示。如H2SO4的d420=1.84 3 mkg V m 1-2 壓強 壓強單位面積上所受

2、流體垂直方向的作用 力，稱為流體的壓強 。 絕對壓強壓強的實際數(shù)值。 表壓強某體系之絕對壓強高出當?shù)卮髿鈮?之差值，稱為該體系的表壓。 真空度某體系之絕對壓強低于當?shù)卮髿鈮?之差值，稱為該體系的真空度。 Pa A F P 表壓強和真空度示意圖 1-3 流體靜力學方程 受力分析： 1）向上作用于薄層底面的總壓力 p A 2）向下作用于薄層頂面的總壓力（p+dp）A 3）薄層向下作用的重力gdz A 平衡時：所有力相等 p A= （p+dp）A + gdz A 積分得：p2=p1+g（z1-z2） 流體靜力學基本方程 1-4 流體靜力學的應用 U形管壓強計 液位計 液封 第二節(jié) 流體流動 13 s

3、m 1 skg 2-1 流體的流量和流速 體積流量（qV）單位時間流過導管任一橫 截面的流體體積， 質量流量（qm）單位時間流過導管任一橫 截面的流體質量， 質量流量=體積流量流體密度 流速（u） 在單位時間內(nèi)流體在導管中流 過的距離， 管道直徑（d） 1 sm A q u V 導管截面積 體積流量 流速 2-2 定常態(tài)流動與非定常態(tài)流動 在流體流動系統(tǒng)內(nèi)，任一空間位置上的流量、 流速、壓力和密度等物理參數(shù)，只隨空間位置 的改變而改變而不隨時間變化的流動稱為定 常態(tài)流動或穩(wěn)定流動。 否則，為非定常態(tài)流動或不穩(wěn)定流動。 2-3 流動形態(tài) 1883年，雷諾通過大量實驗觀察到，流 體流動分為層流（滯

4、流）、過渡流、湍流，且 流動型態(tài)除了與流速u有關外，還與管徑d、流 體的粘度 、流體的密度 有關。 )()( 雷諾實驗 = 此數(shù)群被稱之為雷諾準數(shù)。 雷諾準數(shù)值的大小，可以用來判斷流動類型。 Re4000 ，湍流， Re=2000-4000，過渡流。 du Re 000 11 31 TML TML MLTLL 2-4 牛頓粘性定律 選相鄰兩薄圓筒流體（1，2）進行分析。設兩 薄層之間垂直距離為dy，兩薄層速度差為du， 即（u2-u1），兩薄層之間接觸的圓筒表面積為 A，兩薄層之間的內(nèi)摩擦力為F。 實驗證明，對于一定流體，內(nèi)摩擦力F與接觸 面積A成正比，與速度梯度du/dy成正比，此即 牛頓粘

5、度定律。 )(A dy du A F dy du AF dy du AF 用一句話表述牛頓粘度定律： 流體內(nèi)部所受的剪應力與速度梯度成正比。 服從牛頓粘度定律的流體，我們稱為牛頓型流 體。不服從牛頓粘度定律的流體，我們稱為非 牛頓型流體。 塑性流體 dy du y 假塑性流體 1 n dy du K n 漲塑性流體 1 n dy du K n 粘度 - 牛頓粘度定律中的比例系數(shù)。 粘度的物理意義為：在單位接觸面積上，速度 梯度為1時，由流體的粘度引起的內(nèi)摩擦力的 大小。 11 11 22 smkg msm msmkg dy du 2-5 流動邊界層 在距離內(nèi)流體層呈現(xiàn)速度梯度，這個速度梯 度區(qū)

6、稱為流動邊界層。 穩(wěn)定段的長度 L0：流體流動從管道入口開始形 成邊界層起直到發(fā)展到邊界層在管道中心匯合 為止的長度。 L0/d=0.0575Re 2-6 動量傳遞 層流： 時間面積 動量 時間面積 速度質量 22 LTLM A F dy du 湍流： dy du )( / 2-7 流速分布 層流速度分布式的推導 內(nèi)摩擦力 推動力 內(nèi)摩擦力=推動力 積分得 r=0時，流速最大 層流平均流速u與最大流速umax 第三節(jié) 流體流動的質量衡算 定常流動 流入系統(tǒng)的液體質量流量=流出系統(tǒng)的液體質量流量 流體流動連續(xù)性方程 第四節(jié) 流體流動系統(tǒng)的能量衡算 柏努利方程的導出 設有質量流量為qm，流體由1-

7、1截面流至 2-2截面，流體流速分別為u1和u2；流體具有的 壓強分別為p1和p2。我們對1-1和2-2范圍的流體 作能量衡算。 位能： qmgz1 和qmgz1 動能：qmu12/2和qmu22/2 壓力能： 理想柏努利方程式 實際流體的柏努利方程式 柏努利方程的應用，要注意以下幾點： 1.選取截面，實際是確定衡算范圍。截面可以有許多， 選取已知條件最多的截面，是選取截面的原則。從數(shù) 學角度講，選取截面就是選邊界條件。 2.確定基準面。主要是計算截面處的相對位能。一般 是選位能較底的那個截面為基準面。此時這個截面的 位能為零。 3.壓強的單位要統(tǒng)一。要么都用表壓，要么都用絕壓 等。如有通大氣

8、的截面，以表壓為單位時，該處截面 表壓為零。 4大口截面的流速為零。 5上游截面與下游截面的確定。柏努利方程更確切的表 達式為： 上游截面的三項能量+從輸送機械獲得的能量 =下游截面的三項能量+管道中的摩擦損失能量 6 水平管截面確定基準面時，一般是取通過管中心的水 平面為基準面。 第五節(jié) 管內(nèi)流動阻力 流體流動的總阻力損失 =沿直管流動產(chǎn)生的摩擦阻力損失 +遇到變徑、變向的障礙產(chǎn)生的局部阻力損失 5-1 沿程阻力損失計算和量綱分析方法 范寧公式 定常流動時：壓力降=剪切力 剪切力與剪應力的關系 令 則有 令 則有 為摩擦系數(shù)，f 為范寧因子 gu d l H f 2/ / 2 的物理意義 物

9、理意義為：1牛頓流體在管道中流經(jīng)一段與 管道直徑相等的距離所造成的壓頭損失與其所 具有的動壓頭之比。 層流流動的阻力損失計算 流體薄層體積流量 將 代入，有 積分，得 哈根-泊謖葉方程 由 和 得 流體層流運動時的摩擦阻力系數(shù)的關聯(lián)式： 湍流摩擦阻力計算 流體在管內(nèi)作湍流時， 與許多因數(shù)有關。如 等。即 用實驗方法來求與上列因數(shù)的關系，則十分困 難。因次分析法是化學工程實驗研究中經(jīng)常使 用的方法之一。 因次分析法的基礎是因次的一致性原則，即每 一個物理方程式的兩邊，不僅數(shù)值相等，而且 因次也必須相同。 )(、ud 因次分析法 因次分析法的基本原理是白金漢（Buckingham） 定理：設影響該

10、現(xiàn)象的物理量為n個，這些物理 量的基本因次為m個，則該物理現(xiàn)象可用N=n-m 個獨立的無因次數(shù)群關系式表示，即定理。此 類無因次數(shù)群稱為準數(shù)。 因次分析法只能歸納出數(shù)群，至于數(shù)群之 間的確切定量關系，還必須依靠實驗才能得到。 必須注意，在確定有關物理量時，須作較 詳細的分析，若漏了必要的物理量，則得到的 數(shù)群無法通過實驗建立確定的關系，若引進無 關的物理量，則可能得到?jīng)]有意義的數(shù)群。 冪指數(shù)關系 已知 有 等式兩邊每個基本量綱的量綱指數(shù)相等 所以 湍流時 的計算 湍流時 不僅與Re有關，而且與管內(nèi)壁的相對 粗糙程度 有關，常用查圖的方法查取。 )/(d 5-2 局部阻力損失計算 局部阻力損失計

11、算有兩種方法，即當量長 度法與阻力系數(shù)法。 當量長度le 將流體通過管件或閥門的局 部阻力損失折算成與其相當?shù)闹惫荛L度的摩擦 阻力損失。 阻力系數(shù)由實驗測定局部阻力系數(shù) 。 第六節(jié) 流量測量 6-1 孔板流量計原理 孔板流量計是在流體管道中安裝一個帶有 圓孔的孔板構成的。通過測量孔板前后壓力差， 即可定出管道中流體的流量。流體通過孔板時， 流速增大，靜壓頭減少，由靜壓頭的減少值， 可以測出流速。 6-2 轉子流量計原理 轉子流量計由一 個倒錐形的玻璃管和 一個能上下移動并且 比流體密度大的轉子 所構成。轉子的上浮 高度，可以表示流體 的流量。 轉子所受上推力=轉子重力-流體對轉子的浮力 一般用

12、293K的水 標定轉子流量計 轉子處于平衡狀態(tài)時： 第七節(jié) 流體輸送設備 輸送液體的機械稱為泵， 輸送氣體的機械稱為風機（通風機、鼓風 機等）、壓縮機和真空泵等 7-1 離心泵的構造及工作原理 離心泵主要由葉輪和泵殼所組成 先將液體注滿泵殼，葉輪反時針高速旋轉，將 液體甩向葉輪外緣，產(chǎn)生高的動壓頭u2/2g 由于泵殼液體通道設計成截面逐漸擴大的形狀， 高速流體逐漸減速，由動壓頭轉變?yōu)殪o壓頭 即流體出泵殼時，表現(xiàn)為具有高壓的液體。 g P 名為離心泵，是因為葉輪旋轉過程中，產(chǎn)生離 心力，液體在離心力作用下產(chǎn)生高速度。 離心泵產(chǎn)生的離心力的大小，除與葉輪的轉速、 和葉輪的直徑有關外，也與流體的密度

13、有關。 密度越大、離心力也就越大。如果有氣體，密 度越小、離心力也就越小。產(chǎn)生氣縛而不能輸 送流體，所以應盡量避免。方法有：吸入管不 漏入空氣；在吸入管底口安裝低底閥；不用于 輸送因抽吸而沸騰的氣化的低沸點的液體或高 溫液體。 離心泵的性能參數(shù)與特性曲線 泵的流量、揚程、功率、效率，統(tǒng)稱為離心泵 的性能參數(shù)。 將實驗所得數(shù)據(jù) 繪成曲線 、曲線 、曲 線 ，統(tǒng)稱為離心泵的特性曲線。 、PHq eV / ve qH / V qP V q 揚程 揚程又稱為泵的壓頭，指泵對每牛頓重量液體 的供的能量。用He表示，單位為m 流量：泵的流量指泵在單位時間內(nèi)輸送液體的 體積，又稱送液能力。用qv表示，單位為

14、： m3s-1或m3h-1，由實驗測定。 泵的功率有軸功率和有效功率兩種表示方法。 軸功率是：電動機或其他原動機直接傳遞給泵 軸的效率。用P表示，單位：Js-1 或 W。 有效功率：是指流體實際獲得的功率。用Pe表 示。 離心泵的安裝高度 離心泵的類型 離心泵的選擇原則： 1.確定輸送系統(tǒng)的流量與壓頭。 2.選擇泵的類型與型號 3.核算泵的軸功率 （1）水泵 用來輸送水或與水類似的（化學性質類似 于水的）液體的泵。分為三類。 B（單級）：泵體與泵蓋都是鑄鐵 D（多級）：一般2-9級，最多可有12級。 SH（雙吸式）：若輸送的液體流量大而壓頭并 不高時，可才用雙吸泵。由于其有二個輸口， 流量大。 （2）耐腐蝕泵（用F表示） 輸送酸、堿等。 特點是：與液體接觸的部位用耐腐蝕材料制成。 （3）油泵（用Y表示） 輸送石油產(chǎn)品的泵。 特點是：易燃、易爆，要求密封完整。 當輸送熱油時，如2