第一章流量計(jì)ppt課件

1、 第一章第一章流體流動(dòng)與輸送流體流動(dòng)與輸送第一章 流體流動(dòng)與輸送n 流體輸送是研究單元操作的基礎(chǔ)n 什么是流體？具有流動(dòng)性，氣體液體統(tǒng)稱(chēng)流體n研究的內(nèi)容n1、流體靜力學(xué)n2、動(dòng)力學(xué)n3、流體輸送機(jī)械第一章流體流動(dòng)與輸送主要解決的問(wèn)題1、流體輸送，速度？管徑？外加能量？2、壓強(qiáng)、流量的測(cè)量？3、設(shè)備的強(qiáng)化？傳熱、傳質(zhì)的好壞與流體的流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)1.1 流體流動(dòng)基本概念n連續(xù)介質(zhì)假定流體由無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成，質(zhì)點(diǎn)的大小比分子間距離大得多，比設(shè)備尺寸小得多。n系統(tǒng)與控制體n系統(tǒng)-包含眾多質(zhì)點(diǎn)的集合。n控制體-考察問(wèn)題的對(duì)象。n定態(tài)流動(dòng)連續(xù)穩(wěn)定過(guò)程與非定態(tài)流動(dòng)流量與流速n流量體積流量Vs，m3/sn 質(zhì)量

2、流量ws ,kg/sn 摩爾流量, kmol/sn流速u(mài) m/s , u=VS/An質(zhì)量流速Gkg/m2sn G=ws/A=VS/A1.2 流體的性質(zhì)一、 流體的密度一般地：純物質(zhì)的密度可查相關(guān)資料混合物的密度需計(jì)算牛頓黏性定律黏性的物理本質(zhì)：分子間引力和分子熱運(yùn)動(dòng)、黏性的物理本質(zhì)：分子間引力和分子熱運(yùn)動(dòng)、碰撞。碰撞。牛頓黏性定律牛頓黏性定律說(shuō)明流體受剪切力必運(yùn)動(dòng)。說(shuō)明流體受剪切力必運(yùn)動(dòng)。 牛頓型流體與非牛頓型流體的區(qū)別。牛頓型流體與非牛頓型流體的區(qū)別。 流體的黏度n 黏度 物理意義：促使流體產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力大小n =fP,T)n 氣體，溫度升高，黏度增大分子運(yùn)動(dòng)碰撞起決定作用）；n

3、液體，溫度升高黏度減小分子間力決定作用）。 流體的黏度n黏性與黏度定性與定量的關(guān)系n 理想流體=0 n 靜止流體=？0 均無(wú)粘性n 實(shí)際流體0n黏度的單位 SI制：Pa S 物理制 P泊）n 習(xí)慣用厘泊cP)百分之一泊表示n 1 Pa S =1000 cP 1 P =100 cPn黏度的測(cè)量方法：旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)、毛細(xì)管黏度計(jì)、落球式黏度計(jì)。1.3 非牛頓型流體n分類(lèi)n | 假塑性流體n | 無(wú)屈服應(yīng)力 |n |與時(shí)間無(wú)關(guān)| | 漲塑性流體n | | 有屈服應(yīng)力 賓漢塑性流體n | 黏性流體 |n | | | 觸變性流體n | |與時(shí)間有關(guān)|n非牛頓性流體| | 流凝性負(fù)觸變性流體n | 黏彈性流

4、體n非牛頓流體的性質(zhì)視頻)1.4 流體靜力學(xué)n流體靜力學(xué)研究什么內(nèi)容？n 研究流體在外力的作用下處于平衡時(shí)規(guī)律及應(yīng)用。n采用什么研究方法？n得出什么結(jié)論？n如何應(yīng)用結(jié)論解決實(shí)際問(wèn)題？靜力學(xué)應(yīng)用一）n 壓強(qiáng)、壓差的測(cè)量U型壓差計(jì)，測(cè)壓差時(shí)，兩端分別與測(cè)壓點(diǎn)相連；測(cè)壓強(qiáng)時(shí)，一端接測(cè)壓點(diǎn)，一端通大氣。n應(yīng)用舉例n 1、U型壓差計(jì)n 2、微差壓差計(jì)流體靜力學(xué)應(yīng)用二）n液位測(cè)量n 液位測(cè)量舉例n 遠(yuǎn)距離液位測(cè)量流體靜力學(xué)應(yīng)用三）n液封用液體密封氣體的裝置。n設(shè)備中壓力要保持，液體要排出，須用液封。流體靜力學(xué)應(yīng)用三）n 如何取出負(fù)壓下物 料？n “工程大氣腿”n 如何計(jì)算液封高度？1.5 流體動(dòng)力學(xué)n流量

5、體積流量Vs，m3/sn 質(zhì)量流量ws ,kg/sn 摩爾流量, kmol/sn流速u(mài) m/s , u=VS/An質(zhì)量流速Gkg/m2s; n G=ws/A=VS/An管內(nèi)適宜流速范圍：液體 0.53 m/sn 氣體 1030m/s1.5 流體動(dòng)力學(xué)n穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)n連續(xù)性方程n柏努力Bernoulli方程n柏努力方程的應(yīng)用穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)n穩(wěn)態(tài)流動(dòng)流動(dòng)系統(tǒng)中，描述過(guò)程的各物理量只隨位置變化，不隨時(shí)間變化。n非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)各物理量不僅隨位置變化也隨時(shí)間變化。n 連續(xù)性方程 在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)中，假設(shè)流體流過(guò)一均勻管，流速因摩擦降低嗎？流體由粗管流入細(xì)管，流速如何變化？ 變化多少？連續(xù)性方程n流體

6、在流動(dòng)過(guò)程中，n1、流體不會(huì)因摩擦的崔在而降速n2、不可壓縮流體，流速與流通截面積成反比，與管徑的平方成反比。柏努力Bernoulli)方程能量守恒2222222111upgzupgz 2211gzpgzp fhupgzupgz 2222222111 柏式方程應(yīng)用條件n穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，不可壓縮流體n可壓縮流體，壓力變化不大于20%，以平均密度代入n非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的某一瞬間B-eq.仍然成立B-eq.討論n1、we=0,理想流體機(jī)械能守恒。n u2/2+gz+p/=constn2、若u1=u2=0,那么 gz+p/=const 流體靜力學(xué)方程。n3、 u2/2，gz，p/為各截面上的物理量，而we,hf

7、為過(guò)程物理量。n4、衡算基準(zhǔn)不同，方程形式不同。n 1kg流體：u2/2，gz，p/，we, ,hf n 1N流體： u2/（2g），z，p/（g），He, ,Hf n 1m3流體：u 2/2， gz，p，HT, , hf 1.6 流體流動(dòng)現(xiàn)象n流動(dòng)類(lèi)型與雷諾實(shí)驗(yàn)n1、雷諾Reynolds)實(shí)驗(yàn)與雷諾準(zhǔn)數(shù)(Re)n 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象n2、Re的物理意義：反映慣性力與黏滯力的比值(Re=ud/)n3、Re 2000 層流Laminar flow) n Re 4000 湍流Turbluent flow）層流與湍流的區(qū)別層流與湍流的根本區(qū)別湍流產(chǎn)生速度脈動(dòng)velocity fluctuation)無(wú)因次數(shù)群

8、凡是幾個(gè)有內(nèi)在聯(lián)系的物理量按無(wú)量綱條件組成的數(shù)群，稱(chēng)為準(zhǔn)數(shù)或無(wú)因次數(shù)群。不論采用何單位制，其數(shù)值相等。層流與湍流的區(qū)別層流湍流質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式沿軸向作有規(guī)則的平行運(yùn)動(dòng)除軸向運(yùn)動(dòng)外，產(chǎn)生徑向位移，質(zhì)點(diǎn)碰撞速度分布管內(nèi)分布呈拋物線狀拋物線頂部變得平坦流動(dòng)阻力黏性摩擦力為主，符合牛頓黏性定律因漩渦、質(zhì)點(diǎn)碰撞產(chǎn)生的阻力為主流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力n流體有黏性，流動(dòng)是產(chǎn)生內(nèi)摩擦，是流動(dòng)阻力產(chǎn)生的根本原因。n流動(dòng)阻力包括直管阻力和局部阻力，采用不同的計(jì)算方法。流動(dòng)阻力也稱(chēng)為總阻力損失n1kg流體hf ,J/kgn 1N流體hf /=Hf mn 1m3流體hf =Pf ,Pa 稱(chēng)為壓降 流體在直管中的流動(dòng)阻力n1直

9、管阻力計(jì)算通式n管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)、粗糙度n1層流區(qū)， Re 2000 ，摩擦系數(shù)與粗糙度無(wú)關(guān)，與Re呈直線關(guān)系n2過(guò)渡區(qū)，Re=2000-4000,一般以湍流去延伸求得 n3湍流區(qū)，Re 4000，相對(duì)粗糙度一定，摩擦系數(shù)隨Re增大而減小，但Re增至一定程度后，摩擦系數(shù)下降緩慢n4 完全湍流區(qū)，摩擦系數(shù)與Re呈直線關(guān)系，稱(chēng)為阻力平方區(qū)。查查Re=3105, /d=0.0005時(shí)的時(shí)的=0.018查查Re=104, /d=0.0001時(shí)的時(shí)的=0.03。管路上的局部阻力計(jì)算法n阻力系數(shù)法n當(dāng)量長(zhǎng)度法22ufh22l ufdh局部阻力損失局部阻力損失管件閥件處流道變化大，

10、多發(fā)生邊界層脫管件閥件處流道變化大，多發(fā)生邊界層脫體體,產(chǎn)生大量旋渦，消耗了機(jī)械能。產(chǎn)生大量旋渦，消耗了機(jī)械能。查截止閥全開(kāi)查截止閥全開(kāi), 接管內(nèi)徑接管內(nèi)徑d=100mm時(shí)時(shí)的當(dāng)量長(zhǎng)度的當(dāng)量長(zhǎng)度le1.7簡(jiǎn)單管路計(jì)算n簡(jiǎn)單管路的數(shù)學(xué)方程:柏努力方程、連續(xù)性方程、能量損失計(jì)算式，分別為 22112212212122222epupuefududllufdgzwgzhh復(fù)雜管路的特點(diǎn)n并聯(lián)管路n1、總流量等于分流量之和n2、單位質(zhì)量流體流過(guò)各支路的阻力損失相等n分支管路的特點(diǎn)n1、總流量等于分流量之和n2、在流動(dòng)終了時(shí)，單位質(zhì)量流體的總機(jī)械能與阻力損失之和相等。流量測(cè)量n皮托管n孔板流量計(jì)n文丘里流

11、量計(jì)n轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量計(jì)原理流速是流體運(yùn)動(dòng)最為基本的參數(shù)。精確測(cè)量各種流場(chǎng)中的流速分布是現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的重點(diǎn)研究與發(fā)展方向之一。采用激光多普勒測(cè)速、熱絲測(cè)速、高速攝影等技術(shù)配以計(jì)算機(jī)自動(dòng)采樣和圖像分析可以提供流場(chǎng)內(nèi)部非常詳盡的流速分布信息。本節(jié)重點(diǎn)介紹工業(yè)上常見(jiàn)的以流體運(yùn)動(dòng)的守恒原理為基礎(chǔ)的流速、流量測(cè)量裝置及其測(cè)量原理。 測(cè)速管Pitot tube）原理：由流體沖壓能動(dòng)壓能與靜壓能之和與靜壓能之差檢測(cè)流速。AB21Ru1構(gòu)造：為一同心套管，內(nèi)管前端開(kāi)口，外管前端封閉，距端頭一定距離在外管壁上沿周向開(kāi)有幾個(gè)小孔。測(cè)速管Pitot tube）由于內(nèi)管前端開(kāi)口 A 正對(duì)來(lái)流方向，來(lái)流必在 A 點(diǎn)駐點(diǎn)處

12、停滯。來(lái)流的動(dòng)能在駐點(diǎn)處將全部轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。由柏努利方程AB21Ru1211A1A2ppuggzz22111B1B22ppuuggzz1B1BppggzzABAB12ppguzz012gRu忽略測(cè)速管本身對(duì)流速的干擾以及 A、B 兩點(diǎn)間流體的阻力損失，則在來(lái)流與 B 點(diǎn)之間的柏努利方程為 對(duì)指示液密度為 0 的U型管差壓計(jì)：由于 A、B 相距很近，其垂直位差可忽略不計(jì)。孔板流量計(jì)測(cè)速管Pitot tube）為了盡可能滿足測(cè)速管的測(cè)量原理，應(yīng)注意：(1) 保證內(nèi)管開(kāi)口截面嚴(yán)格垂直于來(lái)流方向；(2) 測(cè)點(diǎn)應(yīng)位于均勻流速段。通常上、下游應(yīng)有 50 倍管徑的直管長(zhǎng)度，大管徑的倍數(shù)可適當(dāng)減少。(3) 盡量

13、減少測(cè)速管對(duì)流動(dòng)的干擾，一般選取測(cè)速管直徑應(yīng)小于管徑的 1/50。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)被測(cè)流體的阻力小，尤其適用于低壓、大管道氣體流速的測(cè)量。缺點(diǎn)：輸出的壓差信號(hào)較小，一般需要放大后才能較為精確地顯示其讀數(shù)。測(cè)速管測(cè)得的是點(diǎn)速度，若以流量為測(cè)量目的，還必須在同一截面上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量積分求算或求其平均流速進(jìn)而求得流量。在已知流速分布規(guī)律的情況下，例如圓管內(nèi)層流或湍流，就可以通過(guò)一個(gè)點(diǎn)或若干點(diǎn)的測(cè)量值進(jìn)行推算。 孔板流量計(jì) （Orifice Meter）原理：通過(guò)改變流體在管道中的流通截面積而引起動(dòng)能與靜壓能改變來(lái)檢測(cè)流量。R1122d1,u1 d0,u0 d2,u2 構(gòu)造：其主要元件是在管道中插入的

14、一塊中心開(kāi)圓孔的板。用U型管測(cè)量孔板前后的壓力變化。流體流經(jīng)孔板時(shí)因流道縮小，動(dòng)能增加，且由于慣性作用從孔口流出后繼續(xù)收縮形成一最小截面縮脈2-2。該截面處流速最大因而靜壓相應(yīng)最低。在孔板前上游截面1-1與2-2截面之間列柏努利方程 2212121222ppuuggzz221212212ppguuzz孔板流量計(jì) （Orifice Meter）R1122d1,u1 d0,u0 d2,u2 由于縮脈截面的準(zhǔn)確位置及截面積難于確定，無(wú)法確定u2、p2 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。加上未計(jì)實(shí)際流體通過(guò)孔板的阻力損失等因素，一般工程上采用規(guī)定孔板兩側(cè)測(cè)壓口位置，用孔口流速 u0 替代 u2 并相應(yīng)乘上一個(gè)校正系數(shù) C

15、的辦法進(jìn)行修正，即 根據(jù)連續(xù)性方程，對(duì)不可壓縮流體221212012ppCguuzz20101duud1212121200401221CppppgguCzzzzdd孔板流量計(jì) （Orifice Meter）R1122d1,u1 d0,u0 d2,u2 假設(shè) U 形管指示液密度為 0，那么 C0 孔板流量系數(shù)孔流系數(shù)）與管內(nèi)的 Re 和孔板開(kāi)孔直徑比 d0/d1 以及取壓方式、孔板加工與安裝情況等多方面因素有關(guān)，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。12012Rggppzz0002gRuC20000024gRdVuC A按照規(guī)定方式加工、安裝的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，孔流系數(shù) C0 可以表示為 001,dfCRe dd孔板流

16、量計(jì) （Orifice Meter）實(shí)驗(yàn)測(cè)得一系列條件下的 C0 值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Red 增加到某個(gè)值以后，C0 值即不再隨其改變而僅由孔板加工參數(shù) d0/d1 決定。因此設(shè)計(jì)或選用孔板流量計(jì)應(yīng)盡量使其工作在該范圍內(nèi)，C0值為常數(shù)，一般在0.6-0.7之間。 優(yōu)點(diǎn)：是構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作、安裝都方便因而應(yīng)用十分廣泛。缺點(diǎn)：被測(cè)介質(zhì)阻力損失大，原因在于孔板的銳孔結(jié)構(gòu)使流體流過(guò)時(shí)產(chǎn)生突然縮小和突然擴(kuò)大的局部阻力損失。 m = (d0/d1)2文丘里流量計(jì)文丘里流量計(jì)Venturi Meter）原理：通過(guò)改變流體流通截面積引起動(dòng)能與靜壓能改變來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其原理與孔板流量計(jì)相同。構(gòu)造：采取漸縮后漸擴(kuò)的流道，避免使

17、流體出現(xiàn)邊界層分離而產(chǎn)生旋渦，因此阻力損失較小。 文丘里流量計(jì)的計(jì)算公式仍可采用孔板流量計(jì)的形式，所不同的是用文丘里流量系數(shù) CV 代替其中的孔流系數(shù) C0，即 ABR002gRACVV式中 CV 也隨 Red 和文丘里管的結(jié)構(gòu)而變，由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。在湍流情況下，喉徑與管徑比在 0.25-0.5 的范圍內(nèi)，CV 的值一般為 0.98 0.99。 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì) （Rotameter）原理：錐形管中流體在可以上下浮動(dòng)的轉(zhuǎn)子上下截面由于壓差p1p2所形成的向上推力與轉(zhuǎn)子的重力相平衡。穩(wěn)定位置與流體通過(guò)環(huán)隙的流速 u0 有關(guān)。式中 Af 與 Vf 分別為轉(zhuǎn)子截面積最大部份和體積流體出口錐形硬玻璃管

18、刻度轉(zhuǎn)子流體入口11220u12fffppgVA構(gòu)造：在上大下小的垂直錐形管內(nèi)放置一個(gè)可以上下浮動(dòng)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子材料的密度大于被測(cè)流體。當(dāng)向上推力與轉(zhuǎn)子的重力相平衡時(shí)：轉(zhuǎn)子流量計(jì) （Rotameter）由柏努利方程將p1p2表達(dá)為 流體出口錐形硬玻璃管刻度轉(zhuǎn)子流體入口11220u2201211222uuppgzz表明流體在轉(zhuǎn)子上、下兩端面處產(chǎn)生壓差的是流體在兩截面的位能差和動(dòng)能差。壓差作用于轉(zhuǎn)子上的力即稱(chēng)為浮力。 由連續(xù)性方程，轉(zhuǎn)子上、下兩端面處流體的速度應(yīng)有如下關(guān)系 0101AuuA其中 A1、A0 分別為錐形管面積和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定高度 z2 處的環(huán)隙流通截面積。 轉(zhuǎn)子流量計(jì) （Rotameter）流體出口錐形硬玻璃管刻度轉(zhuǎn)子流體入口11220u將其代入并用轉(zhuǎn)子截面積 Af 通乘各項(xiàng)，得 將轉(zhuǎn)子受力平衡式代入上式，并用轉(zhuǎn)子體積 Vf 代替式中的z2-z1Af，推得轉(zhuǎn)子流量計(jì)中流體的流速為 22002112112fffuAppgAzzAAA02012211ffffRff