化工原理課件流體流動操作單元

1、一、流體的基本性質(zhì)及計算一、流體的基本性質(zhì)及計算流體：具有流動性的物體，包括氣體和液體。流體質(zhì)點（流體微團）：大量分子的集團。 （省略分子運動對流體宏觀運動規(guī)律的影響。）可壓縮流體與不可壓縮流體可壓縮流體不可壓縮流體流體氣體液體（一）密度與相對密度1、密度 = 單位： kg/m3 2、氣體的密度 = = 單位： kg/m3 注：其中P的單位是KPa, R=8.314kJ/kmolKVmVmRTPM3、混合物的密度（1）液體混合物 (i=1、2、3. .n) （2）氣體混合物a、 (i=1、2、3. .n)n1iiimlw1n1iiimgy b 、其中：例題：略；RTpMmmgn1iiimyMM

2、4、相對密度（比重）基準值：1個大氣壓，4（277K）下水的密度。5、比體積 單位：m3 / kg；10002OHd1mV（二）粘度1、牛頓粘性定律和粘度流體的粘性：流體在流動過程中由于流體內(nèi)摩擦力而影響流體向前流動的性質(zhì)。 ：速度梯度，1/s ； ：比例系數(shù)，稱粘度，N.s/m2 dyduAFdydu2、說明1、物理意義：當 =1時，=；2、單位：1pa.s=10p(泊)=1000cp（厘泊）3、混合物的粘度（略）4、影響因素：流體種類、溫度、壓力。dydu 5、牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體， 大多數(shù)流體。 非牛頓型流體： 不符合牛頓粘性定律的流體，如： 高分子溶液，膠體溶液、泥漿等。

3、 流體力學流體靜力學流體動力學研究流體平衡及運動規(guī)律研究流體靜止時內(nèi)部壓力的變化規(guī)律。研究流體流動的基本規(guī)律。一、流體的壓力1、定義： 單位: Pa 2、絕對壓力、表壓力和真空度（1）例： P PA（絕壓）=1.5atm A設備 PA（表壓）=0.5atm 大氣壓：1atm B設備 PB（絕壓）=0.5atm 0 PB（表壓）=-0.5atm PB（真空度）=0.5atmAPp （2）結論表壓強=絕對壓強大氣壓真空度=大氣壓絕對壓強例：當某設備內(nèi)絕對壓強為1.9atm 時，問其表壓為多少？當某設備內(nèi)絕對壓強為0.9atm 時，問其表壓又為多少？如用真空度表示是多少?(單位均為大氣壓)3、單位1

4、atm=1.013105Pa=101.3kPa=760mmHg =1.033kgf/cm2=10.33mH2O例題：某設備內(nèi)壓強為780mmHg,用Pa表示為多少？二、流體靜力學基本方程及應用1、公式推導：受力分析 P=P0+gh2、說明：（1）液體內(nèi)部壓力與密度和高度有關；（2）靜止的、連通的同一種液體,處在同一水 平面上兩點的壓強相等； 等壓面：壓強相等；（3）巴斯噶原理：液面上方壓強具有傳遞性。（4） 壓強大小可以用高度來衡量。hgpp123、靜力學基本方程的應用（1）測量壓強及壓強差；（2）測量液位；（3）測量液封高度；一、流量與流速 質(zhì)量流量：Ws kg/h1、流量 Ws= Vs 體

5、積流量:Vs m3/h2、流速：（1）平均流速 m/s Ws= Vs=uA（2）質(zhì)量流速： kg/(m2.s) AVuSuAVAWGSS3、圓形管道直徑的選取根據(jù)：選擇一常用流速，進行計算：后進行圓整。例題： 22785. 04dVdVAVuSSSuVdS785. 0二、定態(tài)流動與非定態(tài)流動 流體在管道內(nèi)流動時，任一截面（與流體流動方向相垂直的）上的流速、密度、壓強等物理參數(shù)均不不隨時間而變隨時間而變的叫定態(tài)流動。 反之，為非定態(tài)流動。三、定態(tài)流動系統(tǒng)的物料衡算連續(xù)性方程 據(jù)質(zhì)量守恒定律： 1 221ssww -流體連續(xù)性方程對于液體（不可壓縮流體）： -液體連續(xù)性方程也可變?yōu)椋阂饬x：流體在定

6、常流動時，流速與管道截面積成反比，與管道直徑的平方成反比。常數(shù)222111AuAu2211AuAu21221221ddAAuu四、流動流體能量衡算-柏努利方程（一）流動系統(tǒng)的能量類型1、流體所具有的機械能：（1）位能： 在重力場中，液體高于某基準面所具有的能量稱為液體的位能。液體在距離基準面高度為z時的位能相當于流體從基準面提升高度為z時重力對液體所作的功。 mkg流體所具有的位能：mgzmgz ,單位是：J; 單位質(zhì)量流體所具有的位能：gzgz ,單位是J/Kg; 22mmmN mm=Kg=J/KgssKgKggz（2）動能液體因運動而具有的能量，稱為動能。 mkg流體所具有的動能： ,單位

7、是：J;單位質(zhì)量流體所具有的動能： ，單位是J/Kg; 222mKg mmN m() =J/Kg2ssKgKgu22u221mu（3）靜壓能流體自低壓向高壓對抗壓力流動時，流體由此獲得的能量稱為靜壓能。 mkg流體所具有的靜壓能： 單位是：J; 單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能： v流體的比容（比體積）， 23N/mN m=J/KgKg/mKgp111111VpAVAp距離力功111111ppmVp2、與環(huán)境交換的能量（1）外加能量（外加功）， We ，單位是J/Kg ；（2）熱量Q：換熱器與單位質(zhì)量流體交換的熱量，單位 為 J/Kg ；（3）損失能量（流動阻力），hf ，單位是J/Kg；（二）流動

8、系統(tǒng)的能量衡算-流體柏努利方程實際流體：（1）有流動阻力，hf ，單位是J/Kg；（2）有外加功， We ，單位是J/Kg ； -實際流體的柏努利方程 （擴展了的柏努利方程）fehpugzwpugz222212112121換熱器泵22112、理想流體的柏努利方程理想流體，無摩擦力，據(jù)機械能守恒定律： 機械能位能動能壓強能常數(shù)單位質(zhì)量流體所具有的機械能 -理想流體的柏努利方程常數(shù)22upgz222212112121pugzpugz3、討論：機械能守恒與轉(zhuǎn)換方程意義：流體的各種機械能形式之間在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)換的，但總和不變。如圖所示管道：系統(tǒng)處在靜止狀態(tài)， 021 uu2211pgzpgz

9、)(2112zzgpp對于可壓縮流體如果： ，可用 ，近似按不可壓縮流體處理。公式中的p既可以用表壓，也可用絕壓，但須前后保持一致。%20%100121ppp221m 以單位重量流體為衡算基準，有：位壓頭 靜壓頭 動壓頭 有效壓頭 壓頭損失以單位體積位衡算基準,有： 2211221e2f22pupuzHzHgg2211221t2f22pupugzPgzPgg 5、實際流體的柏努利方程的應用計算兩容器間的相對位置；計算輸送機械的有效功率；計算流體的輸送量；計算輸送壓強。 例題：見課本。五、流動流體現(xiàn)象分析（一）雷諾準數(shù)與流動類型1、雷諾實驗 2 、實驗結果： 層流:流體質(zhì)點規(guī)則平行運動;流體流動

10、型態(tài) 湍流:流體質(zhì)點無規(guī)則的雜亂運動;3、流型的判斷（1）影響流型的因素： 流速：u； 密度：； 粘度：； 直徑：d；（2）流動型態(tài)的判斷：雷諾數(shù)（無量綱準數(shù)） （3）判斷：當Re2000, 層流； 當2000 4000，湍流； 例：見P23（略）duRe（二）流體在圓管內(nèi)的流速分布1、層流時的速度分布特點：管中心處流速最大2、湍流時的速度分布3、層流內(nèi)層：max21uummax82. 0uum第六節(jié) 化工管路的構成與布置一、化工管路的構成與標準化化工管路：管子、管件、閥件；1、化工管路的標準化 制訂化工管路主要構件的結構、尺寸、連接、壓力等的標準并實施的過程。如壓力標準和直徑標準。 （見附表

11、）2、管子規(guī)格：外徑 壁厚mm，長度為3、4、6、9；（1）鑄鐵管：強度差，價格低，用作污水管； 內(nèi)徑 焊接鋼管（水煤氣管）：輸送水、煤氣等低壓（2）鋼管 無腐蝕性介質(zhì)，分為鍍鋅管和黑管。 無縫鋼管：輸送高壓、高溫無腐蝕性流體。 合金鋼管：輸送高溫且有腐蝕性介質(zhì)。（3）有色金屬管 紫銅管銅管 特點：重量輕，導熱性好， 黃銅管 延展性好，用作換熱管。鉛管：耐酸，機械強度差；鋁管：耐酸不耐堿，輸送濃硝酸等；（4）非金屬管陶瓷管和玻璃管：不耐壓，耐腐蝕；塑料管：種類多，抗腐蝕，易加工；橡膠管：耐酸、堿腐蝕，有彈性，但易老化；3、管件（1）用于改變流向的：彎頭（90、45 、180 ）（2）用于連接支

12、管的：三通、四通等； （3）用于堵塞管路的：管帽、絲堵等；（4）其它：改變管徑、延長管路等。4、閥件種類：閘閥、截止閥、止回閥、球閥、 旋塞、隔膜閥等、蝶閥；截止閥截止閥閘閥閘閥止回閥旋塞閥球閥 蝶蝶閥閥閘閥旋塞閥球閥 二、管子的選用（見流量與流速）三、化工管路的布置與安裝1、布置原則（1）管路短、構件少、阻力小；（2）合理安排：間距適宜，便于安裝、操作檢修等；（3）管路排列（4）采用標準件（5）熱補償、氣體排放、凝液排出；（6）高度、位置等；2、化工管路的安裝（1）化工管路的連接 螺紋連接 焊接 承插式連接 法蘭連接（2）化工管路的熱補償（3）化工管路的試壓與吹掃（4）化工管路的保溫與涂色（

13、5）化工管路的防靜電措施第七節(jié) 流動系統(tǒng)阻力計算種類:直管阻力(hf) 局部阻力(hf)流動阻力:hf一、直管內(nèi)的流動阻力1、計算公式：通過對流體進行能量衡算和受力分析，得出： 范寧公式 其中： 摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)） 阻力壓降： 壓頭損失：22udlhf28uw22udlhfgudlHf222、層流時的摩擦因數(shù)影響摩擦因數(shù)大小的原因：(1)流動型態(tài)（Re） 絕對粗糙度mm(2)管壁粗糙程度 相對粗糙度/d3、湍流時的摩擦因數(shù) 其中：/d 相對粗糙度通過實驗，得到計算的經(jīng)驗公式或摩擦因數(shù)圖：Re64)(Re,df圖* 摩擦因數(shù)與雷諾數(shù)、相對粗糙度的關系匯總摩擦因數(shù)與雷諾數(shù)、相對粗糙度的關系匯總

14、層流區(qū)： 湍流區(qū)： 完全湍流區(qū)： 過渡區(qū)：既可以按層流計算，也可以按湍流查 圖。Re64)(Re,df)(df補充:非圓形直管的阻力損失當量直徑：同心套管：此時， （C值可查表）潤濕周邊長流通截面積 4ed12122122)()(44dddddddeReC二、局部阻力計算1、局部阻力：流體流經(jīng)局部位置所產(chǎn)生的阻力。 形體阻力：由于流體流速、流動方 局部阻力 向改變產(chǎn)生的阻力 摩擦阻力 當量長度法2、計算方法 阻力系數(shù)法局部位置阻力1、當量長度法 J/Kg2、阻力系數(shù)法 J/Kg （各局部位置的阻力系數(shù)見附表）（1）突然擴大與突然縮小 計算： 查取阻力系數(shù)。22uhf22udlhef)()(21

15、大小AA（2）進口與出口 出口損失的計算：如果出口截面選在管出口內(nèi)側內(nèi)側，則不計出口損失，出口處流速不為零；如果出口截面選在管出口外側外側，則計算出口損失，出口流速為零；5 . 0進0 . 1出（3）管件與閥門 阻力系數(shù)、當量長度可查表。四、流體在管內(nèi)流動總阻力的計算1、阻力計算公式（1） J/Kg（2） J/Kg2)(2udlhf22udllhef注：對于不等徑管路，由于管內(nèi)流速不 同，阻力應分段計算。 2、減小阻力的方法（1）減少管長，減少管件、閥門的布置；（2）適當加大直徑，或選用光滑管；（3）降低流動速度；（4）降低流體粘度；（5）加入減阻劑； 例題：見P35。（略）補充內(nèi)容 管路計算

16、一、簡單管路與復雜管路 等徑管路 1、簡單管路 串聯(lián)管路特點：（1）、 （2）、332211AuAuAu 321ffffhhhh2、復雜管路 并聯(lián)管路復雜管路 分支管路 匯合管路并聯(lián)管路特點：（1）（2）分支管路特點：（1）（2）分支點處單位質(zhì)量流體的機械能總和為一定值。321SSSSVVVVffffhhhh321321SSSSVVVV第八節(jié) 流量的測定一、皮托測速管1、結構及原理2、流速計算A點壓強能： B點壓強能：A、B兩點壓強能差值：聯(lián)立： 注：實際計算時加校正系數(shù)C。 22uppApgRppAA)(gRuA)(2 二、孔板流量計1、結構與原理: 2、流量計算：考慮通過孔子口的阻力損失,用c1校正,22222211upup21020212221122AAuuupp212100211ppAAu212101021ppAAcu 考慮到測壓口的位置與實際縮脈處的位置有差別,引入一校正系數(shù)c2。令：4102121021011ddccAAcccbappAAccu21210210gRcuA200gRdcgRAcAuVAAs2422000000三、文丘里流量計1、結構及原理：2、流量計算： CV：文丘里流量計的流量