化工基礎-第2講-流體流動過程及流體輸送設備馮啟

第二章流體流動過程及輸送機械2.1流體的靜力學基本方程式2.2流體流動的基本規(guī)律化工生產(chǎn)中處理的原料、中間產(chǎn)物，產(chǎn)品，大多數(shù)是流體，涉及的過程大部分在流動條件下進行。流體的流動和輸送是必不可少的過程操作。

①選擇輸送流體所需管徑尺寸，確定輸送流體所需能量和設備。②流體性能參數(shù)的測量,控制。③研究流體的流動形態(tài)，為強化設備和操作提供理論依據(jù)。④了解輸送設備的工作原理和操作性能，正確地使用流體輸送設備。研究流體的流動和輸送主要是解決以下問題。2.1流體靜力學基本方程式

1．密度（p10)

單位體積流體所具有的質量稱為流體的密度，其表達式為：ρ——流體密度，kɡ·m-3;m——流體質量，kg；V——流體體積，m3。氣體具有可壓縮性及熱膨脹性，其密度隨壓力和溫度有較大的變化。氣體密度可近似地用理想氣體狀態(tài)方程進行計算：

ρ=pM/RT

p—氣體絕對壓強kN·m-2或kPa；T—氣體溫度K；M—氣體摩爾質量kg·mol-1；R—氣體常數(shù)，8.314J·mo1-1·K-1。ρ=m／V化工生產(chǎn)中所遇到的流體，往往是含有多個組分的混合物。對于液體混合物，各組分的濃度常用質量分數(shù)表示。ρn—液體混合物中各純組分液體的密度，kg·m-3；xmn—液體混合物中各組分液體的質量分數(shù)。ρm—氣體混合物平均密度，kg·m-3；

Mm—氣體混合物的平均摩爾質量對于氣體混合物:

比體積

單位質量流體所具有的體積稱為流體的比體積，以υ表示，它與流體的密度互為倒數(shù):υ一流體的比體積，m3·kg-1；ρ—流體的密度，kg·m-3。

υ=1/ρ2．壓強

流體垂直作用于單位面積上的力稱為壓強：p—流體的壓力，Pa；P—流體垂直作用于面積A上的力，N；A—作用面積，m2。壓力的單位Pa（Pascal，帕），即N·m-2。1atm=760mmHg=1.01325×105Pa=10.33mH2O=1.033kgf·㎝-2常用壓力單位與Pa之間的換算關系如下：p=P／A壓強有兩種表達方式。一是以絕對真空為起點而計量的壓強；另一是以大氣壓強為基準而計量的壓強，當被測容器的壓強高于大氣壓時，所測壓強稱為表壓，當測容器的壓強低于大氣壓時，所測壓強稱為真空度。

兩種表達壓強間的換算關系為

表壓=絕對壓強-大氣壓強真空度＝大氣壓強-絕對壓強流體壓強的重要特性:流體壓強處處與它的作用面垂直,并且總是指向流體的作用面流體中任一點壓強的大小與所選定的作用面在空間的方位無關3．流體靜力學基本方程式

流體處于靜止狀態(tài)下所受的壓力和重力的平衡關系

受力分析（圖2-2）或

1132244535p1p2p①等壓面定義:

靜止、連續(xù)的均質流體，處于同一水平面上的各點壓強相等關于靜力學方程的討論實例：等壓面概念③

p0變化某一數(shù)值，則p改變同樣大小數(shù)值—壓力的可傳遞性或pozoh112p1p2z2z1重力場中的壓力分布④靜止流體內部，各不同截面上的壓力能和勢能兩者之和為常數(shù)。⑤靜力學方程的幾種不同形式

測壓管php0

測壓管:

絕壓:氣壓計:氣壓計p=0p0h

①測壓管和氣壓計表壓:

4.流體靜力學基本方程式的應用4.1壓強的測定

②U形管壓差計

選基準面列靜力學方程1122p1p2z1z2RU形管壓差計0011p1paz1R00若U形管壓差計一端與大氣相通，則可測得表壓（或絕壓）。③傾斜液柱壓差計R1Rp1p2傾斜液柱壓差計α④微差壓差計p2RρcρA微差壓差計p1⑤倒U形管壓差計倒U形管壓差計1122p1p2z1z2R00目的：①恒定設備內的壓力，防止超壓；(2)液封高度安全液封h0p溢流水00氣液氣液封高度計算：p00水氣體h0.煤氣柜②防止氣體外泄；水封練習習題p54,1,22.2流體流動的基本規(guī)律物料衡算式：連續(xù)性方程能量衡算式：伯努利方程1．流量和流速

單位時間內流體流經(jīng)管道任一截面的流體量，稱為流體的流量。若流體量用體積來計量，稱為體積流量，以符號qv表示，單位為m3·s-1

或m3·h-1；若流體量用質量來計量，則稱為質量流量，以符號qm表示，其單位為kg·s-1

或kg·h-1。若流體量用物質的量表示，稱為摩爾流量，以符號qn表示，其單位為mol·s-1。qm=ρqV

質量流量與摩爾流量的關系為

qm＝Mqn

體積流量和質量流量的關系為：

單位時間內，流體在管道內沿流動方向所流過的距離，稱為流體的流速，以u表示，單位為m·s-1。u=qV/A

A——

與流體流動方向相垂直的管道截面積，m2管道中心的流速最大，離管中心距離越遠，流速越小，而在緊靠管壁處，流速為零。通常所說的流速是指管道整個截面上的平均流速，以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值來表示：

質量流速的定義是單位時間內流體流經(jīng)管路單位截面積的質量，以G表示，單位為kg·s-1·m-2，表達式為：

G=qm／A

流速和質量流速兩者之間的關系：液體1.5～

3.0m·s-1，高粘度液體0.5～

1.0m·s-1；氣體102～

0m·s-1，高壓氣體15～

25m·s-1；飽和水蒸氣204～

0m·s-1，過熱水蒸氣30～

50m·s-1。

G=ρu工業(yè)上用的流速范圍大致為：練習：習題32．定態(tài)流動和非定態(tài)流動流體在管道或設備中流動時，若在任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關物理量僅隨位置而改變，但不隨時間而改變，稱為定態(tài)流動；反之，若流體在各截面上的有關物理量中，只要有一項隨時間而變化，則稱為非定態(tài)流動。

3．定態(tài)流動過程物料衡算——連續(xù)性方程

當流體在流動系統(tǒng)中作定態(tài)流動時，根據(jù)質量守恒定律，在沒有物料累積和泄漏的情況下，單位時間內通過流動系統(tǒng)任一截面的流體的質量應相等。

對上圖所示截面1—1’和2—2’之間作物料衡算：

qm,1=qm,2又因為qm=ρuA，所以：ρ1u1A1=ρ2u2A2

在任何一個截面上，則：

qm=ρ1u1A1＝ρ2u2A2＝…＝ρnunAn=常數(shù)

對于不可壓縮流體，ρ=常數(shù)，則：它反映在定態(tài)流動體系中，流量一定時，管路各截面上流體流速的變化規(guī)律。

qV=u1A1=u2A2=…=unAn=常數(shù)qm,1=qm,24．流體定態(tài)流動過程的能量衡算——伯努利方程流動體系的能量形式主要有：流體的動能、位能、靜壓能以及流體本身的內能。

①動能流體以一定的流速流動時，便具有一定的動能。動能為mu2/2，單位為kJ。

②位能流體因受重力的作用，在不同高度處具有不同的位能，相當在高度z處所做的功，即mgz，單位為kJ。

③靜壓能靜止流體內部任一處都存在一定的靜壓力。

把流體引入壓力系統(tǒng)所做的功，稱為流動功。流體由于外界對它作流動功而具有的能量，稱為靜壓能。

④內能內能（又稱熱力學能）是流體內部大量分子運動所具有的內動能和分子間相互作用力而形成的內能的總和。以U表示單位質量的流體所具有的內能，則質量為m（kg）的流體的內能為mU，單位kJ。流體的流動過程實質上是流動體系中各種形式能量之間的轉化過程。管道內的不可壓縮流體，不考慮熱力學能，僅對總機械能進行衡算。（1）理想流體流動過程的能量衡算

如上圖，設在單位時間內有質量為m(kg)、密度為ρ的理想流體在導管中做定態(tài)流動，在與流體流動的垂直方向上選取截面1-l’和截面2-2’，在兩截面之間進行能量衡算。

今流體在截面2-2’處的流速為u2，即=mgz1+mu12/2+p1m/ρ=mgz2+mu22/2+p2m/ρ根據(jù)能量守恒定律，若在兩截面之間沒有外界能量輸入，流體也沒有對外界作功，則流體在截面1-1”和截面2-2”之間應符合：

=

即mgz1+mu12/2+p1m/ρ=mgz2+mu22/2+p2m/ρ

對于單位質量流體，則：gz1+u12/2+p1/ρ=gz2+u22/2+p2/ρ

對于單位重力（重力單位為牛頓）流體，有：

z1+u12/(2g)+p1/(ρg)=z2+u22/(2g)+p2/(ρg)

工程上，將單位重力的流體所具有的能量單位為J·N-1，即m，稱為“壓頭”，則z、u2/(2g)和p/(ρg)分別是以壓頭形式表示的位能、動能和靜壓能，分別稱為位壓頭、動壓頭和靜壓頭。使用壓頭形式表示能量時，應注明是哪一種流體，如流體是水，應說它的壓頭是多少米水柱。以上各式都是理想流體在定態(tài)流動時的能量衡算方程式，又稱為伯努利方程（Bernoulliequation）由伯努利方程可知，理想流體在管道各個截面上的每種能量并不一定相等，它們在流動時可以相互轉化，但其在管道任一截面上各項能量之和相等，即總能量（或總壓頭）是一個常數(shù)。④注意Bernoulli方程的適用條件；重力場中，連續(xù)穩(wěn)定流動的不可壓縮流體。對可壓縮流體，若開始和終了的壓力變化不超過20%，密度取平均壓力下的數(shù)值，也可應用上式。流體靜止，幾點說明：

①注意式中各項的意義及單位；②三種形式機械能的相互轉換；③Bernoulli方程與靜力學方程關系（p12)；應用

①單位統(tǒng)一；②基準統(tǒng)一；③選擇界面，條件充分，垂直流動方向；④原則上沿流動方向上任意兩截面均可。a)虹吸管在0-0和1-1面間列柏努利方程可得：位能→動能虹吸管Apah110BpaH0

b)文氏管和噴射泵壓力能→動能

1122p1文氏管u1p2u2為克服流動阻力使流體流動，往往需要安裝流體輸送機械（如泵或風機）。設單位重力的流體從流體輸送機械所獲得的外加壓頭為We，單位J·kg-1。

則實際流體在流動時的柏努利方程為：對于靜止狀態(tài)的流體，u=0，沒有外加能量，He=0，而且也沒有因摩擦而造成的阻力損失hf=0，則柏努利方程簡化為：

p1-p2=

ρ

g(z1-z2)

gz1+p1/g=gz2+p2/ρ或實際流體在流動時，由于流體粘性的存在，必然造成阻力損失。（2）實際流體流動過程的能量衡算(p20)

壓力頭損失損失的機械能①②③實際流體柏努利方程幾種表達形式及意義位能靜壓能動能有效功位頭壓力頭動壓頭有效壓頭（速度頭）

Pam連續(xù)性方程和柏努利方程可用來