流體流動及輸送機械

流體流動及輸送機械第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章流體流動及輸送機械(1)主講：曹淼第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月●教學基本內(nèi)容和要求●

主要討論有關(guān)流體在管內(nèi)流動的基本原理及流動規(guī)律。了解流體平衡（靜止）和運動的基本規(guī)律，熟練掌握靜力學方程式、連續(xù)性方程式、伯努利方程式的內(nèi)容和應用，在此基礎上解決管路計算、輸送設備功率計算等問題。主要內(nèi)容見圖1-1。第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-1主要內(nèi)容管路計算流速與流量測定流體動力學的基本方程式物料衡算能量衡算流體流動阻力計算靜力學基本方程式應用u＝0第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月目錄1.1流體靜力學1.2流體動力學1.3管內(nèi)流體流動現(xiàn)象1.4流體流動阻力1.5管路計算第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.研究流體流動的意義

流體:是指在剪應力作用下能產(chǎn)生連續(xù)變形的物體；主要包括液體和氣體兩大類；流體流動是最普遍的食品（化學、生物）工程單元操作之一；研究流體流動問題也是研究其它食品單元操作的重要基礎。概述第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2.流體的特征

具有流動性；形狀隨容器形狀而變化；

受外力作用時內(nèi)部產(chǎn)生相對運動;密度和壓力有關(guān)。不可壓縮流體：流體的體積不隨壓力變化而變化，如液體；可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化，如氣體。第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.流體的性質(zhì)（假設）連續(xù)性：流體是由無數(shù)內(nèi)部緊密相連、彼此間沒有間隙的流體質(zhì)點所組成的連續(xù)介質(zhì)；均勻性：流體內(nèi)部任意位置的流體其性能相同；各向同性：在流體內(nèi)部任意位置沿各個方向的性能相同。第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1流體靜力學

流體靜力學是研究流體在重力場中處于特殊的運動狀態(tài)（靜止）的時候所受的外力滿足的關(guān)系——平衡條件。1.1.1密度一、定義單位體積流體的質(zhì)量，稱為流體的密度。kg/m3

二、單組分密度

液體密度僅隨溫度變化（極高壓力除外），其變化關(guān)系可從手冊中查得。p、T－狀態(tài)參數(shù)第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月氣體當壓力不太高、溫度不太低時，可按理想氣體狀態(tài)方程計算：注意：手冊中查得的氣體密度都是在一定壓力與溫度下的數(shù)值，若條件不同，則密度需進行換算。式中：標準狀態(tài)下氣體的密度Kg/m3第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、混合流體的密度混合氣體各組分在混合前后質(zhì)量不變(無化學反應)，則有——氣體混合物中各組分的體積分率。

1m3混合氣體為基準，混合前后質(zhì)量不變;即：1m3混合物的質(zhì)量等于各組分單獨存在時的質(zhì)量之和。第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月混合液體假設各組分在混合前后體積不變，則有—液體混合物中各組分的質(zhì)量分率。

1kg混合液體為基準，混合前后體積不變;即：1kg混合物的體積等于各組分單獨存在時的體積之和。第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2、比體積（質(zhì)量體積）單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。m3/kg1.1.3、相對密度某物質(zhì)的密度和4℃純水的密度之比，純數(shù)，沒有單位。第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.4、理想氣態(tài)方程P-壓強，Pa；V-氣體的體積，m3；n-物質(zhì)的量，mol；R-理想氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K)；T-開爾文溫度，單位K。M-摩爾分子質(zhì)量，kg/mol。ρ-密度，單位kg/m3。第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.1.5壓強流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的壓強，用符號P表示，單位Pa。流體壓強與作用面垂直，并指向該作用面，亦即沿作用面的內(nèi)法線方向；任意界面兩側(cè)所受壓強，大小相等、方向相反；作用于流體內(nèi)部某點不同方向上的壓強在數(shù)值上均相同。一、壓強的特性第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月實踐中以流體柱高度表示：注意：用液柱高度表示壓強時，必須指明流體的種類，如600mmHg，10mH2O等，此時的壓強為。標準大氣壓的換算關(guān)系：二、壓強的單位SI制：Pa或N/m2；1bar=105Pa=100kPa=0.1MPa1atm=760mmHg=10.33mH2O=1.0133×105Pa=101.3kPa=0.1013MPa（物理大氣壓）1at=1.033kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.81×104Pa=98.1kPa（工程大氣壓）第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、壓力的表示方法

絕對壓強單位面積上所受垂直壓力的絕對數(shù)值，Pab。相對壓力（以大氣壓度量）

①表壓Pg用于被測流體的絕對壓強大于外界大氣壓Pa的情況。壓力表上的讀數(shù)表示被測流體的絕對壓強高出大氣壓的數(shù)值。

Pg=Pab－Pa②真空度Pvm用于被測流體的絕對壓強小于外界大氣壓的情況。此時，真空表上的讀數(shù)表示被測流體的絕對壓強低于大氣壓的數(shù)值。

Pvm=Pa－Pab第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月絕對壓力

絕對壓力

絕對真空表壓真空度大氣壓Pa第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月例：1.蒸汽加熱器的蒸汽壓力表上讀數(shù)為81.9×103Pa，當時當?shù)貧鈮河嬌献x數(shù)為98.1×103Pa。則設備內(nèi)蒸汽的絕對壓力為

Pa。某設備上真空表的讀數(shù)為13.3×103Pa，已知該地區(qū)大氣壓強為98.7×103Pa。則設備內(nèi)的絕對壓力為

Pa。比較下列壓力大小：P1=0.4atm,P2=0.4atm(表壓),P3=0.4atm(真空度)。A．P1>P2>P3;B．P2>P3>P1;C．P2>P1>P3;D．P1=P2=P3

1.8×10585.4×103B．P2>P3>P1第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.6流體靜力學基本方程式（歐拉平衡微分方程）一、靜力學基本方程

（1）上端面所受總壓力（2）下端面所受總壓力（3）液柱的重力設流體不可壓縮（），重力場中對液柱進行受力分析：pap2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下←正向第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月液柱處于靜止時，上述三項力的合力為零:——靜力學基本方程式Pa壓力表達式（N/m2）/（Kg/m3）＝J/kg能量表達式（J/Kg）/（N/Kg）=J/N=m壓頭表達式Pa＝N/m2=J/m3

壓力表達式和壓強p+第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：（1）適用于重力場中靜止、連續(xù)、均勻的同種不可壓縮性流體；（2）物理意義：靜力學基本方程式的本質(zhì)：在同一靜止連續(xù)不可壓縮的靜止流體中，流體的壓強能和勢能之和在不同位置守恒，也就是和壓強處處相等。P+

——和壓強P

——單位體積的壓強能；ρgz

——代表單位體積的勢能。第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）在靜止的、連續(xù)、均勻的同種流體內(nèi)（），處于同一水平面上各點（Z=C）的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓（勢）面。（4）壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時，液體內(nèi)部各點的壓力也將發(fā)生相應的變化。液面上方的大氣壓pa也傳遞到距離液面任意h深度:p＝pa＋ρgh。第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、靜力學基本方程的應用1.壓（力）差及壓力的測量（1）U形管壓差計

設指示液A（黑色）的密度為，被測流體B（藍色）的密度為，a與a′面為等壓面，即而p1p2mRaa’第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月所以整理得若被測流體是氣體，，則有（2）指示液的選取：指示液與被測流體不互溶，不發(fā)生化學反應；其密度要大于被測流體密度。應根據(jù)被測流體的種類及壓差的大小選擇指示液。1Ω第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月P11課本例1-1Ap1p2A'mRaaBz2

z1（ρ指水）

（ρi指水銀等）

解:第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月Ap1p2A'mRaaBz2

z1第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：（1）U形壓差計可測系統(tǒng)內(nèi)兩點的壓力差，當將真空度U形管一端與被測點連接、另一端與大氣相通時，也可測得流體的表壓或真空度。表壓真空度p1pap1pa第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）雙液體U管壓差計（3）倒U形壓差計指示劑密度小于被測流體密度，如空氣作為指示劑:（5）復式壓差計（4）傾斜式壓差計2.液位測量

第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-2如右圖所示，M與N設備內(nèi)均充滿水，兩設備之間設有U形管壓差計，以水銀為指示液，試說明：1、2、3、4各點的壓力關(guān)系：

；(2)5、6、7、8各點的壓力關(guān)系：

；(3)9、10、11、12各點的壓力關(guān)系：

。

P9=P10=P11>P12

P1=P2>P3=P4P5=P6>P7>P8第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)P63-651,2,3,9,11題習題1.最好參見教材p11的解法，采用和壓強相等遞推。習題2.本題的氣泡產(chǎn)生的條件剛好是靜止的極限點，故按照靜止問題來解此題。習題3.本題是流體靜力學方程的一種工程實際應用。習題9.最好參見教材p11的解法，采用和壓強相等遞推。第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2流體動力學1.體積流量

單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意橫截面的流體體積。

2.質(zhì)量流量

單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意橫截面的流體質(zhì)量。

3.二者關(guān)系一、流量1.2.1流量與流速m3/s或m3/hkg/s或kg/h。第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、流速2.質(zhì)量流速

體積流速（平均流速）的定義

單位時間內(nèi)流體質(zhì)點在流動方向上所流經(jīng)的距離；或單位時間單位截面上流過的流體體積。

m/skg/（m2·s）單位時間單位截面上流過的流體質(zhì)量。

第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月對于圓形管道：流量一般由生產(chǎn)任務決定。流速選擇：三、管徑的估算

↑→d↓→設備費用↓流動阻力↑→動力消耗↑→操作費↑綜合考慮uu適宜費用總費用設備費操作費第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月常用流速（適宜、經(jīng)濟流速）范圍水及一般液體1～3m/s粘度較大的液體0.5～1m/s低壓氣體8～15m/s壓力較高的氣體15～25m/s飽和水蒸氣20～40m/s過熱水蒸氣30～50m/s第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2穩(wěn)定流動與非穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動：各截面上的壓力、流速等物理量僅隨位置變化，但不隨時間變化；非穩(wěn)定流動：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時間變化。第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3穩(wěn)定流動系統(tǒng)的質(zhì)量守恒（物料衡算）－連續(xù)性方程

對于穩(wěn)定流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失的情況下：推廣至任意截面:

——連續(xù)性方程11

2

2第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月若為不可壓縮性流體，圓形管道：即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比。連續(xù)性方程第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.4管內(nèi)穩(wěn)定流動的能量衡算（流體動力學）—柏努利方程一、總能量衡算1.柏努利方程第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月衡算范圍：截面1-1′、2-2′間基準面：0-0′水平面衡算依據(jù)：能量守恒假設：流體不可壓縮，則連續(xù)性方程：m1＝m2＝m

第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

1-1截面輸入能量=2-2輸出能量（1）位能

mgz1mgz2（2）動能（3）靜壓能（流動功）

（4）內(nèi)能mU1mU2

（5）輸入功mwe0（5）輸入能量mqe0——柏努利方程（J）（J/kg）第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月柏努利方程的其他形式：（1）以單位質(zhì)量流體為基準的能量表達式（2）以單位重量流體為基準的壓頭表達式

（3）以單位體積流體為基準第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月注意幾個表示字母單位質(zhì)量流體衡算，泵的能量we，總機械能損失Σhf1-2

，單位J/Kg；單位重量流體衡算，泵的能量He，總機械能損失ΣHf1-2，單位J/N=m；單位體積流體衡算，泵的能量Pe，總機械能損失ΔPf，單位J/m3。第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2.柏努利方程的討論（1）對于靜止流體，流速u=0，且無能量輸入，則：靜力學基本方程（2）zg、、——某截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、靜壓能和動能；z、、某截面上單位重量流體所具有的位壓頭、靜壓頭和動壓頭；靜壓頭和位壓頭z之和成為沖壓頭。第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）Σhf（ΣHf）

—兩截面間單位質(zhì)量（重量）流體消耗的機械能或內(nèi)能的改變量；（4）we（He）—兩截面間單位質(zhì)量（重量）流體從泵獲得的能量,J/Kg(J/N)。泵的有效功率：J/s=w泵的（軸）功率：J/s=w第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）柏努利方程式適用于不可壓縮性流體。

對于可壓縮性流體，當時，仍可用該方程計算，但式中的密度ρ應以兩截面的平均密度ρm代替。第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4．柏努利方程的應用管內(nèi)流體的流量；輸送設備的功率；管路中流體的壓力；容器間的相對位置等。a.解決的問題繪制流體流動系統(tǒng)示意圖；確定流動系統(tǒng)的截面及衡算范圍；選取基準水平面；列方程，計算。b.步驟第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）各物理量的單位應保持