化工基礎(chǔ)流體流動(dòng)

1、第二章第二章 流體流動(dòng)與輸送流體流動(dòng)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(dòng)的基本原理及流體流動(dòng)的基本規(guī)律，并運(yùn)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(dòng)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(yīng)用；3.掌握流體在管內(nèi)流動(dòng)阻力的計(jì)算；4.了解流體輸送機(jī)械的工作原理和相關(guān)計(jì)算。第一節(jié) 流體靜力學(xué) 1-1 流體的物理性質(zhì) 密度單位體積流體所具有的質(zhì)量，稱為流體的密度。 相對密度物料密度與純水（4時(shí)）密度之比，用符號d表示。如H2SO4的d420=1.84 3mkgVm1-2 壓強(qiáng) 壓強(qiáng)單位面積上所受流體垂直方向的作用力，稱為流體的

2、壓強(qiáng) 。 絕對壓強(qiáng)壓強(qiáng)的實(shí)際數(shù)值。 表壓強(qiáng)某體系之絕對壓強(qiáng)高出當(dāng)?shù)卮髿鈮褐钪?，稱為該體系的表壓。 真空度某體系之絕對壓強(qiáng)低于當(dāng)?shù)卮髿鈮褐钪?，稱為該體系的真空度。 PaAFP 表壓強(qiáng)和真空度示意圖 1-3 流體靜力學(xué)方程 受力分析：1）向上作用于薄層底面的總壓力 p A2）向下作用于薄層頂面的總壓力（p+dp）A3）薄層向下作用的重力gdz A平衡時(shí)：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(xué)基本方程1-4 流體靜力學(xué)的應(yīng)用 U形管壓強(qiáng)計(jì) 液位計(jì) 液封 第二節(jié) 流體流動(dòng) 13sm1skg2-1 流體的流量和流速 體積流量（qV）單位時(shí)

3、間流過導(dǎo)管任一橫截面的流體體積， 質(zhì)量流量（qm）單位時(shí)間流過導(dǎo)管任一橫截面的流體質(zhì)量， 質(zhì)量流量=體積流量流體密度 流速（u） 在單位時(shí)間內(nèi)流體在導(dǎo)管中流過的距離， 管道直徑（d） 1sm AquV導(dǎo)管截面積體積流量流速2-2 定常態(tài)流動(dòng)與非定常態(tài)流動(dòng) 在流體流動(dòng)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(shí)間變化的流動(dòng)稱為定常態(tài)流動(dòng)或穩(wěn)定流動(dòng)。 否則，為非定常態(tài)流動(dòng)或不穩(wěn)定流動(dòng)。 2-3 流動(dòng)形態(tài) 1883年，雷諾通過大量實(shí)驗(yàn)觀察到，流體流動(dòng)分為層流（滯流）、過渡流、湍流，且流動(dòng)型態(tài)除了與流速u有關(guān)外，還與管徑d、流體的粘度 、流體的密度 有關(guān)。

4、)()( 雷諾實(shí)驗(yàn) = 此數(shù)群被稱之為雷諾準(zhǔn)數(shù)。 雷諾準(zhǔn)數(shù)值的大小，可以用來判斷流動(dòng)類型。 Re4000 ，湍流， Re=2000-4000，過渡流。duRe0001131TMLTMLMLTLL 2-4 牛頓粘性定律 選相鄰兩薄圓筒流體（1，2）進(jìn)行分析。設(shè)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(shí)驗(yàn)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，此即牛頓粘度定律。)(AdyduAFdyduAFdyduAF用一句話表述牛頓粘度定律： 流體內(nèi)部所受的剪應(yīng)力與速度梯度成正比。 服從牛頓

5、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 dyduy假塑性流體 1ndyduKn 漲塑性流體 1ndyduKn 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(shí)，由流體的粘度引起的內(nèi)摩擦力的大小。 111122smkgmsmmsmkgdydu2-5 流動(dòng)邊界層 在距離內(nèi)流體層呈現(xiàn)速度梯度，這個(gè)速度梯度區(qū)稱為流動(dòng)邊界層。 穩(wěn)定段的長度 L0：流體流動(dòng)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(dòng)量傳遞層流：時(shí)間面積動(dòng)量時(shí)間面積速度質(zhì)量22LTL

6、MAFdydu湍流： dydu)(/2-7 流速分布 層流速度分布式的推導(dǎo)內(nèi)摩擦力推動(dòng)力 內(nèi)摩擦力=推動(dòng)力 積分得 r=0時(shí)，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(dòng)的質(zhì)量衡算 定常流動(dòng)流入系統(tǒng)的液體質(zhì)量流量=流出系統(tǒng)的液體質(zhì)量流量 流體流動(dòng)連續(xù)性方程第四節(jié) 流體流動(dòng)系統(tǒng)的能量衡算柏努利方程的導(dǎo)出 設(shè)有質(zhì)量流量為qm，流體由1-1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(qiáng)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(dòng)能：qmu12/2和qmu22/2 壓力能：理想柏努利方程式實(shí)際流體的柏努利方程式柏努利方程

7、的應(yīng)用，要注意以下幾點(diǎn)： 1.選取截面，實(shí)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(xué)角度講，選取截面就是選邊界條件。 2.確定基準(zhǔn)面。主要是計(jì)算截面處的相對位能。一般是選位能較底的那個(gè)截面為基準(zhǔn)面。此時(shí)這個(gè)截面的位能為零。 3.壓強(qiáng)的單位要統(tǒng)一。要么都用表壓，要么都用絕壓等。如有通大氣的截面，以表壓為單位時(shí)，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(dá)式為： 上游截面的三項(xiàng)能量+從輸送機(jī)械獲得的能量 =下游截面的三項(xiàng)能量+管道中的摩擦損失能量 6 水平管截面確定基準(zhǔn)面時(shí)，一般是取通過管中心的水平面為基準(zhǔn)面。第

8、五節(jié) 管內(nèi)流動(dòng)阻力 流體流動(dòng)的總阻力損失=沿直管流動(dòng)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(jì)算和量綱分析方法 范寧公式定常流動(dòng)時(shí)：壓力降=剪切力剪切力與剪應(yīng)力的關(guān)系 令 則有令 則有 為摩擦系數(shù)，f 為范寧因子gudlHf2/2的物理意義物理意義為：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(dòng)壓頭之比。 層流流動(dòng)的阻力損失計(jì)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(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力系數(shù)的關(guān)聯(lián)式：湍流摩擦阻力計(jì)算 流體在管內(nèi)作湍流時(shí)， 與許多因數(shù)有關(guān)。如 等。即 用實(shí)驗(yàn)方法來求與上列因數(shù)的

9、關(guān)系，則十分困難。因次分析法是化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)研究中經(jīng)常使用的方法之一。 因次分析法的基礎(chǔ)是因次的一致性原則，即每一個(gè)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(shè)影響該現(xiàn)象的物理量為n個(gè)，這些物理量的基本因次為m個(gè)，則該物理現(xiàn)象可用N=n-m個(gè)獨(dú)立的無因次數(shù)群關(guān)系式表示，即定理。此類無因次數(shù)群稱為準(zhǔn)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(guān)系，還必須依靠實(shí)驗(yàn)才能得到。 必須注意，在確定有關(guān)物理量時(shí)，須作較詳細(xì)的分析，若漏了必要的物理量，則得到的數(shù)群無法通過實(shí)驗(yàn)建立確定的關(guān)系，若引進(jìn)無關(guān)的物理量，

10、則可能得到?jīng)]有意義的數(shù)群。 冪指數(shù)關(guān)系已知 有等式兩邊每個(gè)基本量綱的量綱指數(shù)相等所以湍流時(shí) 的計(jì)算 湍流時(shí) 不僅與Re有關(guān)，而且與管內(nèi)壁的相對粗糙程度 有關(guān)，常用查圖的方法查取。)/(d5-2 局部阻力損失計(jì)算 局部阻力損失計(jì)算有兩種方法，即當(dāng)量長度法與阻力系數(shù)法。 當(dāng)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(dāng)?shù)闹惫荛L度的摩擦阻力損失。 阻力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)測定局部阻力系數(shù) 。第六節(jié) 流量測量 6-1 孔板流量計(jì)原理 孔板流量計(jì)是在流體管道中安裝一個(gè)帶有圓孔的孔板構(gòu)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(shí)，流速增大，靜壓頭減少，由靜壓頭的減少值，可以測

11、出流速。 6-2 轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理 轉(zhuǎn)子流量計(jì)由一個(gè)倒錐形的玻璃管和一個(gè)能上下移動(dòng)并且比流體密度大的轉(zhuǎn)子所構(gòu)成。轉(zhuǎn)子的上浮高度，可以表示流體的流量。 轉(zhuǎn)子所受上推力=轉(zhuǎn)子重力-流體對轉(zhuǎn)子的浮力一般用293K的水標(biāo)定轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)時(shí)：第七節(jié) 流體輸送設(shè)備 輸送液體的機(jī)械稱為泵， 輸送氣體的機(jī)械稱為風(fēng)機(jī)（通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等）、壓縮機(jī)和真空泵等 7-1 離心泵的構(gòu)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(shí)針高速旋轉(zhuǎn)，將液體甩向葉輪外緣，產(chǎn)生高的動(dòng)壓頭u2/2g 由于泵殼液體通道設(shè)計(jì)成截面逐漸擴(kuò)大的形狀，高速流體逐漸減速，由動(dòng)壓頭轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓頭 即流體出泵殼時(shí)，表現(xiàn)為

12、具有高壓的液體。 gP 名為離心泵，是因?yàn)槿~輪旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速、和葉輪的直徑有關(guān)外，也與流體的密度有關(guān)。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(yīng)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(diǎn)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(yáng)程、功率、效率，統(tǒng)稱為離心泵的性能參數(shù)。 將實(shí)驗(yàn)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。、PHqeV/veqH/VqP Vq揚(yáng)程 揚(yáng)程又稱為泵的

13、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(shí)間內(nèi)輸送液體的體積，又稱送液能力。用qv表示，單位為：m3s-1或m3h-1，由實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)或其他原動(dòng)機(jī)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(shí)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(xué)性質(zhì)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(shí)，可才用雙吸泵。由于其有二個(gè)輸口，流量大。（2）耐腐蝕泵（用F表示） 輸送酸、堿等。 特點(diǎn)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(diǎn)是：易燃、易爆，要求密封完整。 當(dāng)輸送熱油時(shí)，如200