第一章-流體流動(dòng)與輸送機(jī)械復(fù)習(xí) 化工原理

第一章流體流動(dòng)與輸送機(jī)械壓力定義：垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的靜壓強(qiáng),簡稱壓強(qiáng)。流體的壓強(qiáng)具有點(diǎn)特性。工程上習(xí)慣上將壓強(qiáng)稱之為壓力。表達(dá)式單位：1.1流體基本性質(zhì)表壓、絕壓、真空度絕對壓強(qiáng)以絕對零壓為基準(zhǔn)測得的壓強(qiáng)，是流體的真實(shí)壓強(qiáng)。表壓強(qiáng)以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)測得的壓強(qiáng)

表壓強(qiáng)＝絕對壓強(qiáng)－大氣壓強(qiáng)

真空度以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)測得的負(fù)壓

真空度＝大氣壓強(qiáng)－絕對壓強(qiáng)注意:1)由于各地大氣壓不同，故會有總壓相同，但表壓卻不同

2)有時(shí)用mmHg表示真空度

3)如用表壓，真空度表示壓強(qiáng)，必須要說明；如不特別說明一般認(rèn)為是絕對壓強(qiáng)。上兩式即為液體靜力學(xué)基本方程式。如果將液柱的上底面取在液面上，設(shè)液面上方的壓力為p0，液柱Z1-Z2＝h，則上式可改寫為1.2流體靜力學(xué)平衡方程當(dāng)P0一定時(shí)，h↑→P2↑，即：靜止流體中任一點(diǎn)的壓力與流體密度ρ和所處高度h有關(guān)，與容器形狀無關(guān)；P0變化時(shí)，會以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部─帕斯卡原理；應(yīng)用：水壓機(jī)、液壓傳動(dòng)裝置討論:

等壓面:

靜止流體中，同一水平面各點(diǎn)壓強(qiáng)相等，稱此水平面為等壓面等壓面條件：靜止、連續(xù)、同一流體、同一液面（缺一不可）例如：如圖所示a-b、b-c、c-d不是等壓面,只有a-c是等壓面。

（一）測壓1、U形管壓差計(jì)U形玻璃管標(biāo)尺指示液結(jié)構(gòu)：測壓原理：注意其選擇指示液密度ρ0，被測流體密度為ρ，圖中A、A’兩點(diǎn)的壓力是相等的，因?yàn)檫@兩點(diǎn)都在同一種靜止液體（指示液）的同一水平面上。通過這個(gè)關(guān)系，便可求出（p1－p2）的值。二、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用p1p2mRAA’根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式則有：測量氣體時(shí)，由于氣體的ρ密度比指示液的密度ρ0小得多，故ρ0－ρ≈ρ0，上式可簡化為U型管左側(cè)U型管右側(cè)p1p2mRAA’密度接近但不互溶的兩種指示液A和C；2、雙液體U管壓差計(jì)（微差壓差計(jì)）擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。1流量與流速

單位時(shí)間內(nèi)通過流道有效截面的流體的體積量，以qv表示，單位m3/s或m3/h

。生產(chǎn)中常說的流量就指體積流量。

單位時(shí)間內(nèi)通過流道有效截面的流體的質(zhì)量，用qm表示，單位kg/s或kg/h。體積流量質(zhì)量流量1.3流體動(dòng)力學(xué)兩者關(guān)系：

單位時(shí)間內(nèi)通過單位流道有效截面的流體的體積量稱為體積流速，習(xí)慣上簡稱為流速，以u表示，單位m/s

單位時(shí)間內(nèi)通過單位流道有效截面的流體的質(zhì)量稱為質(zhì)量流速，以G表示，單位kg/(m2

?s)兩者關(guān)系：質(zhì)量流速

體積流速

2定態(tài)流動(dòng)及非定態(tài)流動(dòng)（1）定態(tài)流動(dòng)（穩(wěn)態(tài)流動(dòng)）

流場中的物理量，僅和空間位置有關(guān)，而和時(shí)間無關(guān)。（2）非定態(tài)流動(dòng)（非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)）流場中的某物理量，不僅和空間位置有關(guān)，而且和時(shí)間有關(guān)。

隨著過程的進(jìn)行，h減低,u降低。

3定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒—連續(xù)性方程

連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律的一種表現(xiàn)形式，本節(jié)通過物料衡算進(jìn)行推導(dǎo)。對于連續(xù)穩(wěn)態(tài)的一維流動(dòng)，如果沒有流體的泄漏或補(bǔ)充，由物料衡算的基本關(guān)系：

輸入質(zhì)量流量=輸出質(zhì)量流量qm1=

qm2

設(shè)流體在如圖所示的管道中:作連續(xù)定態(tài)流動(dòng);從截面1-1流入，從截面2-2流出；

一、連續(xù)性方程式1122

上式可寫成:u1A1ρ1=u2A2ρ2推廣到管路上任何一個(gè)截面，即:u1A1ρ1=u2A2ρ2=…=uAρ=常數(shù)

以上兩式都稱為管內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)性方程式。它反映了在穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，流體流經(jīng)各截面的質(zhì)量流量不變時(shí)，管路各截面上流速的變化規(guī)律。此規(guī)律與管路的安排以及管路上是否裝有管件、閥門或輸送設(shè)備等無關(guān)。對于不可壓縮的流體，即:ρ＝常數(shù)，可得到u1A1=u2A2=…=uA=常數(shù)u1A1=u2A2對于在圓管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的不可壓縮流體：式中d1及d2分別為管道上截面1和截面2處的管內(nèi)徑。上式說明不可壓縮流體在管道中的流速與管道內(nèi)徑的平方成反比。（1）、機(jī)械能衡算式——柏努利方程式qewe由能量守恒定律：輸入能量＝輸出能量總能量衡算式：柏努利方程4定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒—柏努利方程－－式中各項(xiàng)單位為J/N，m。當(dāng)流動(dòng)系統(tǒng)不涉及與環(huán)境的熱量交換及溫度變化時(shí)，此時(shí)Ｑe=0，U1=U2。流體為不可壓縮流體，，則柏努利方程可化為：ρ1=ρ2=ρ

柏努利方程柏努利方程－－式中各項(xiàng)單位為J/kg。（1）作圖并在圖上標(biāo)出有關(guān)物理量；（2）取截面并確定基準(zhǔn)水平面；柏努利方程式的應(yīng)用解題要求：截面要求：與流體的流動(dòng)方向相垂直；兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動(dòng)；截面宜選在已知量多、計(jì)算方便處。計(jì)算中要注意各物理量的單位保持一致，尤其在計(jì)算截面上的靜壓能時(shí)，p1、p2不僅單位要一致，同時(shí)表示方法也應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。（３）選用柏努利方程式（５）代入方程式求解截面很大時(shí)（如儲槽，高位槽），流速可認(rèn)為是0。

位能基準(zhǔn)水平面必須與地面平行。為計(jì)算方便，宜于選取兩截面中位置較低的截面為基準(zhǔn)水平面。若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面應(yīng)選管中心線的水平面。（４）并列出已知條件（６）結(jié)果討論

泵壓頭與流體輸送機(jī)械的有效功率的關(guān)系We——在兩截面間1kg質(zhì)量流體獲得的能量，即輸送機(jī)械所做的有效功。有效功率

Pe

：單位時(shí)間輸送設(shè)備所作的有效功。η---輸送機(jī)械的效率軸功率已知u1，d1，d2，左側(cè)高度

1m，求h（忽略從1到2處的壓頭損失）柏努利方程式的應(yīng)用出水閥全關(guān)閉時(shí)，壓力表讀數(shù)為P1。閥門開啟后，壓力表讀數(shù)降至P2。設(shè)壓力表之前管路中的壓頭損失為Hf米水柱，求水的流量為多少?R=40mm300mm200mm水例如圖所示，已知：ρ=1.2kg/m3求：qv?？諝?122解：取截面如圖，以管的軸心線所在平面為基準(zhǔn)水平面。在1-2間列柏努利方程式中：Z1=Z2=0，We=0，∑Wf=0，上式簡化為？？連續(xù)性方程（1）（2）（1）、（2）在物理單位制中,粘度的單位為:在SI中,粘度的單位為:P(泊)或cP(厘泊)2、粘度的單位換算關(guān)系:

為了直接觀察流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況及各種因素對流動(dòng)狀況的影響,可安排如右圖所示的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱為雷諾實(shí)驗(yàn)。一、雷諾實(shí)驗(yàn)與流體的流動(dòng)型態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置1-小瓶；2-細(xì)管；3-水箱；4-水平玻璃管；5-閥門；6-溢流裝置1-4-2流體的流動(dòng)型態(tài)1.4管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象

根據(jù)Re雷諾準(zhǔn)數(shù)數(shù)值來分析判斷流型。對直管內(nèi)的流動(dòng)而言：

Re的大小不僅是作為層流與湍流的判據(jù)，而且在很多地方都要用到它。不過使用時(shí)要注意單位統(tǒng)一。另外，還要注意d，有時(shí)是直徑，有時(shí)是別的特征長度。當(dāng)Re≤2000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；當(dāng)Re≥4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；當(dāng)2000<Re<4000

時(shí)，流動(dòng)可能是層流，也可能是湍流，與外界干擾有關(guān)，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。2.流動(dòng)型態(tài)的判定例：套管環(huán)隙，內(nèi)管的外徑為d1，外管的內(nèi)徑為d2d2d1例：矩形截面ab

非圓形管內(nèi)的當(dāng)量直徑僅僅是用來計(jì)算非圓形管內(nèi)的雷諾準(zhǔn)數(shù)，與“直徑”這一概念要區(qū)別開來，不能用當(dāng)量直徑來計(jì)算非圓形管內(nèi)流體的流速、流量等物理量。3、非圓形管路的當(dāng)量直徑de流體在管道截面上的速度分布規(guī)律因流型而異。

層流時(shí)的速度分布理論分析和實(shí)驗(yàn)都已證明，滯流時(shí)的速度沿管徑按拋物線的規(guī)律分布，如右圖所示。管截面上的平均速度

:二、管內(nèi)速度分布湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜，目前還不能完全采用理論方法得出湍流時(shí)的速度分布規(guī)律經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，湍流時(shí)圓管內(nèi)的速度分布曲線如下圖所示。速度分布比較均勻，速度分布曲線不再是嚴(yán)格的拋物線。

湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式：湍流時(shí)的速度分布當(dāng)時(shí)，流體的平均速度

:

流體在管流系統(tǒng)中的能量損失由直管阻力損失與局部阻力損失構(gòu)成。

直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；直管阻力又稱沿程阻力，以Wf表示。局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。局部阻力又稱形體阻力，以Wf′表示。流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的總阻力為：一、表示阻力損失的物理量及其相互關(guān)系1.5流體流動(dòng)阻力二、阻力計(jì)算1.直管阻力的計(jì)算阻力損失J/kg（范寧Fanning公式）

摩擦系數(shù)壓頭損失J/N或m壓力損失pa查書30頁圖1-22莫狄（Moody）摩擦因數(shù)圖不僅與Re有關(guān)，而且和管子的粗糙度有關(guān)。（適用于圓形管路）正方形C＝57套管環(huán)隙C＝96層流時(shí)的摩擦系數(shù)湍流時(shí)的摩擦系數(shù)上圖可以分成4個(gè)不同區(qū)域：層流區(qū)：Re2000，=64/Re，與/d無關(guān)。過渡區(qū)：2000<Re<4000湍流區(qū)：Re4000,與Re和/d有關(guān)。完全湍流區(qū)(阻力平方區(qū))：與Re無關(guān)，僅與/d有關(guān)。查表舉例1.Re=103，=0.058

2.Re=104，/d=0.002=0.034

3.Re=107，/d=0.002=0.023當(dāng)量長度法

將流體流過管件或閥門的局部阻力，折合成直徑相同、長度為Le的直管所產(chǎn)生的阻力。le——

管件或閥門的當(dāng)量長度，m。

必須指明，在應(yīng)用上式計(jì)算時(shí)，若遇兩端流速u不相同時(shí)，式中的u、λ必須采用較大側(cè)的參數(shù)。

局部障礙物的當(dāng)量長度通常由實(shí)驗(yàn)測定，也可查閱文獻(xiàn)獲得。2.局部阻力損失

阻力系數(shù)法

將局部阻力表示為動(dòng)能的某一倍數(shù):

ζ—局部阻力系數(shù)，可查有關(guān)手冊得到。J/kg或

J/N=m記住：容器入管口，ξ=0.5；管子入容器，ξ=1.0兩種局部阻力的計(jì)算方法，同一管路系統(tǒng)最好采用同一種計(jì)算方法。注意：3、管路總阻力：從系統(tǒng)的1-1截面到2-2截面所有的阻力損失。4.減少流動(dòng)阻力的途徑：減小直管阻力；減小局部阻力；適當(dāng)放大管徑在物料中；加入一些添加劑；給管子穿襯衣。例：用泵把20℃的苯從地下儲罐送到高位槽，流量為300l/min。高位槽液面比儲罐液面高10m。泵吸入管路用φ89×4mm的無縫鋼管，直管長為15m，管路上裝有一個(gè)底閥（可粗略的按旋啟式止回閥全開時(shí)計(jì)）、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭；泵排出管用φ57×3.5mm的無縫鋼管，直管長度為50m，管路上裝有一個(gè)全開的閘閥、一個(gè)全開的截止閥和三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭。儲罐及高位槽液面上方均為大氣壓。設(shè)儲罐液面維持恒定。試求泵的軸功率。設(shè)泵的效率為70%。50m,1個(gè)閘閥,1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)閥,3個(gè)90O彎頭15m,1個(gè)底閥，1個(gè)90O彎頭分析：求泵的軸功率機(jī)械能衡算式△Z、△u、△P已知求∑hf管徑不同吸入管路排出管路范寧公式l、d已知求λ求Re、ε/d摩擦因數(shù)圖當(dāng)量長度阻力系數(shù)查圖解：取儲罐液面為上游截面1-1，高位槽液面為下游截面2-2，并以截面1-1為基準(zhǔn)水平面。在兩截面間列柏努利方程式。式中：式中管件、閥門的當(dāng)量長度為：底閥(按旋轉(zhuǎn)式止回閥全開時(shí)計(jì)）6.3m標(biāo)準(zhǔn)彎頭2.7m進(jìn)口阻力系數(shù)ξ=0.5（1）吸入管路上的能量損失苯的密度為880kg/m3，粘度為6.5×10-4Pa·s取管壁的絕對粗糙度ε=0.3mm，ε/d=0.3/81=0.0037，查得λ=0.029（2）排出管路上的能量損失∑wf,b式中:管件、閥門的當(dāng)量長度分別為：全開的閘閥0.33m全開的截止閥17m

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭1.6×3=4.8m出口阻力系數(shù)ξ=1仍取管壁的絕對粗糙度ε=0.3mm，ε/d=0.3/50=0.006，查得λ=0.0313（3）管路系統(tǒng)的總能量損失:苯的質(zhì)量流量為：泵的有效功率為：泵的軸功率為：由若干個(gè)彎曲的葉片組成的葉輪置于具有蝸殼通道的泵殼之內(nèi)。葉輪緊固于泵軸上泵軸與電機(jī)相連，可由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。二、離心泵1、離心泵的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.8流體輸送機(jī)械氣縛離心泵啟動(dòng)時(shí)，如果泵殼內(nèi)存在空氣，由于空氣的密度遠(yuǎn)小于液體的密度，葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力很小，葉輪中心處產(chǎn)生的低壓不足以造成吸上液體所需要的真空度，這樣，離心泵就無法工作，這種現(xiàn)象稱作“氣縛”。為了使啟動(dòng)前泵內(nèi)充滿液體，在吸入管道底部裝一止逆閥。此外，在離心泵的出口管路上也裝一調(diào)節(jié)閥，用于開停車和調(diào)節(jié)流量。

離心泵在停機(jī)前，為防止出口管路中的高壓流體向泵體內(nèi)倒灌（因葉輪中心在停機(jī)瞬間尚處在真空狀態(tài)），以至于對設(shè)備造成破壞，需先關(guān)閉出口閥后方可停機(jī)。

離心泵在啟動(dòng)前，必須先開啟出口閥進(jìn)行“灌泵排氣”，使泵體及吸入管路內(nèi)注滿被輸送的流體。注意：3、離心泵的主要性能參數(shù)與特性曲線

（1）性能參數(shù)

離心泵出廠時(shí)，泵上附有一個(gè)標(biāo)牌（銘牌），注明泵在效率最高時(shí)的主要性能，如下圖為一泵的銘牌。離心清水泵型號IS50-32-200轉(zhuǎn)速2900r/min揚(yáng)程48m效率51%流量15m3/h軸功率3.84kw氣蝕余量2.5m葉輪直徑200mm排出口徑32mm吸入口徑50mm重量*******水泵廠出廠編號*******出廠日期**年**月**日流量Q離心泵在單位時(shí)間內(nèi)輸送到管路系統(tǒng)的流體體積；[m3/h]定義：影響泵流量的因素：泵的結(jié)構(gòu)（單吸、雙吸）泵的規(guī)格（葉輪的直徑和寬度）葉輪的轉(zhuǎn)速輸送流體的黏度揚(yáng)程H

離心泵對單位重量（1N）的流體所能提供的有效機(jī)械能量，即每牛頓流體由泵實(shí)際獲得的凈機(jī)械能，單位為J/N或m（液柱）。

其值一般由實(shí)驗(yàn)測定。轉(zhuǎn)速n泵軸在單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)。轉(zhuǎn)速以每秒的轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)，單位Hz；工程上用得較多的還有r/min功率有效功率Ne：單位時(shí)間液體從泵獲得的能量，w或kw軸功率N：單位時(shí)間泵軸所需的能量，w或kw設(shè)備的尺寸流體的粘度流量N隨之增大而增大效率η

：泵軸功率的利用率，或者說泵軸功率的損失程度。

η=Ne/N能量損失的原因：容積損失:泵的液體泄露所造成的損失；機(jī)械損失:軸與軸承，軸與填料及葉輪蓋板外表面與液體摩檫。水利損失:流體流經(jīng)葉輪通道和蝸殼時(shí)摩檫阻力及局部阻力；（2）離心泵的特性曲線通常，離心泵的特性曲線由制造廠附于泵的樣本或說明書中，是指導(dǎo)正確選擇和操作離心泵的主要依據(jù)。H~Q曲線：H隨Q的增大而減小。