武漢大學(xué)-《化學(xué)工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)課件

第二章流體流動(dòng)與輸送內(nèi)容提要：本章主要討論化工生產(chǎn)過(guò)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(wèn)題?；疽螅?.了解化工生產(chǎn)過(guò)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。第二章流體流動(dòng)與輸送內(nèi)容提要：本章主要討論化工生產(chǎn)過(guò)程中1武漢大學(xué)-《化學(xué)工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件2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(duì)密度——物料密度與純水（4℃時(shí)）密度之比，用符號(hào)d表示。如H2SO4的d420=1.84第一節(jié)流體靜力學(xué)1-1流體的物理性質(zhì)31-2壓強(qiáng)壓強(qiáng)——單位面積上所受流體垂直方向的作用力，稱為流體的壓強(qiáng)。絕對(duì)壓強(qiáng)——壓強(qiáng)的實(shí)際數(shù)值。表壓強(qiáng)——某體系之絕對(duì)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(duì)壓強(qiáng)低于當(dāng)?shù)卮髿鈮褐钪?，稱為該體系的真空度。

1-2壓強(qiáng)4表壓強(qiáng)和真空度示意圖

表壓強(qiáng)和真空度示意圖51-3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pA2）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ρgdzA平衡時(shí)：所有力相等pA=（p+dp）A+ρgdzA積分得：p2=p1+ρg（z1-z2）——流體靜力學(xué)基本方程1-3流體靜力學(xué)方程61-4流體靜力學(xué)的應(yīng)用U形管壓強(qiáng)計(jì)液位計(jì)液封1-4流體靜力學(xué)的應(yīng)用7

第二節(jié)流體流動(dòng)

2-1流體的流量和流速體積流量（qV）——單位時(shí)間流過(guò)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(guò)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

第二節(jié)流體流動(dòng)2-1流體的流量和流速8流速（u）——在單位時(shí)間內(nèi)流體在導(dǎo)管中流過(guò)的距離，

管道直徑（d）

流速（u）——在單位時(shí)間內(nèi)流體在導(dǎo)管中流過(guò)的距離，92-2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)。

2-2定常態(tài)流動(dòng)與非定常態(tài)流動(dòng)102-3流動(dòng)形態(tài)

1883年，雷諾通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)觀察到，流體流動(dòng)分為層流（滯流）、過(guò)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)。2-3流動(dòng)形態(tài)11

雷諾實(shí)驗(yàn)

雷諾實(shí)驗(yàn)12=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(lái)判斷流動(dòng)類型。

Re<2000，層流；Re>4000，湍流，Re=2000-4000，過(guò)渡流。=13

2-4牛頓粘性定律

2-4牛頓粘性定律14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(duì)于一定流體，內(nèi)摩擦力F與接觸面積A成正比，與速度差du成反比，此即牛頓粘度定律。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15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。用一句話表述牛頓粘度定律：16服從牛頓粘度定律的流體，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。①塑性流體

②假塑性流體

③漲塑性流體

服從牛頓粘度定律的流體，我們稱為牛頓型流體。不服從牛頓粘度定17武漢大學(xué)-《化學(xué)工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件18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。

粘度-牛頓粘度定律中的比例系數(shù)。192-5流動(dòng)邊界層

2-5流動(dòng)邊界層20在δ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(zhǎng)度L0：流體流動(dòng)從管道入口開(kāi)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(zhǎng)度。L0/d=0.0575Re

在δ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。212-6動(dòng)量傳遞層流：湍流：

2-6動(dòng)量傳遞層流：湍流：222-7流速分布

層流速度分布式的推導(dǎo)內(nèi)摩擦力推動(dòng)力2-7流速分布層流速度分布式的推導(dǎo)23內(nèi)摩擦力=推動(dòng)力積分得r=0時(shí)，流速最大內(nèi)摩擦力=推動(dòng)力24層流平均流速u與最大流速umax

層流平均流速u與最大流速umax25武漢大學(xué)-《化學(xué)工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件26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)性方程第三節(jié)流體流動(dòng)的質(zhì)量衡算定常流動(dòng)27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

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28

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(duì)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：設(shè)有質(zhì)量流量為qm，流體由1-1截面流至229——理想柏努利方程式——理想柏努利方程式30——實(shí)際流體的柏努利方程式——實(shí)際流體的柏努利方程式31柏努利方程的應(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(duì)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。柏努利方程的應(yīng)用，要注意以下幾點(diǎn)：1.選取截面，324．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(guò)管中心的水平面為基準(zhǔn)面。4．大口截面的流速為零。33第五節(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)生的局部阻力損失第五節(jié)管內(nèi)流動(dòng)阻力流體流動(dòng)的總阻力損失345-1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5-1沿程阻力損失計(jì)算和量綱分析方法范寧公式35令則有

λ為摩擦系數(shù)，f為范寧因子λ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。令則有

36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

層流流動(dòng)的阻力損失計(jì)算37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：由和38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(lái)求與上列因數(shù)的關(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。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39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(wú)因次數(shù)群關(guān)系式表示，即π定理。此類無(wú)因次數(shù)群稱為準(zhǔn)數(shù)。

因次分析法因次分析法的基本原理是白金漢（Buckingha40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(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立確定的關(guān)系，若引進(jìn)無(wú)關(guān)的物理量，則可能得到?jīng)]有意義的數(shù)群。

因次分析法只能歸納出數(shù)群，至于數(shù)群之41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)相等所以冪指數(shù)關(guān)系42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(duì)粗糙程度有關(guān)，常用查圖的方法查取。湍流時(shí)的計(jì)算43武漢大學(xué)-《化學(xué)工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件445-2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(zhǎng)度法與阻力系數(shù)法。當(dāng)量長(zhǎng)度le——將流體通過(guò)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(zhǎng)度的摩擦阻力損失。阻力系數(shù)——由實(shí)驗(yàn)測(cè)定局部阻力系數(shù)。5-2局部阻力損失計(jì)算局部阻力45武漢大學(xué)-《化學(xué)工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件46第六節(jié)流量測(cè)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(guò)測(cè)量孔板前后壓力差，即可定出管道中流體的流量。流體通過(guò)孔板時(shí)，流速增大，靜壓頭減少，由靜壓頭的減少值，可以測(cè)出流速。

第六節(jié)流量測(cè)量6-1孔板流量計(jì)原理47武漢大學(xué)-《化學(xué)工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件48武漢大學(xué)-《化學(xué)工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件496-2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。6-2轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理50轉(zhuǎn)子所受上推力=轉(zhuǎn)子重力-流體對(duì)轉(zhuǎn)子的浮力轉(zhuǎn)子所受上推力=轉(zhuǎn)子重力-流體對(duì)轉(zhuǎn)子的浮力51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

第七節(jié)流體輸送設(shè)備輸送液體的機(jī)械527-1離心泵的構(gòu)造及工作原理

7-1離心泵的構(gòu)造及工作原理53離心泵主要由葉輪和泵殼所組成

離心泵主要由葉輪和泵殼所組成54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)為具有高壓的液體。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)55名為離心泵，是因?yàn)槿~輪旋轉(zhuǎn)過(guò)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。

名為離心泵，是因?yàn)槿~輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生離心力，液體在離心力作56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。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57武漢大學(xué)-《化學(xué)工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件58揚(yáng)程

揚(yáng)程又稱為泵的壓頭，指泵對(duì)每牛頓重量液體的供的能量。用He’表示，單位為m揚(yáng)程揚(yáng)程又稱為泵的壓頭，指泵對(duì)每牛頓重量液體的供的能量。用59武漢大學(xué)-《化學(xué)工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)ppt課件60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(cè)定。

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。61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：J·s-1或W。有效功率：是指流體實(shí)際獲得的功率。用Pe表示。泵的功率有軸功率和有效功率兩種表示方法。62離心泵的安裝高度

離心泵的安裝高度63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(hào)3.核算泵的軸功率

離心泵的類型離心泵的選擇原則：64武漢大學(xué)-《化學(xué)工程基礎(chǔ)》第2章傳質(zhì)pp