流體的流動(dòng)過(guò)程及流體輸送設(shè)備教案

第3章流體的流動(dòng)過(guò)程及流體輸送設(shè)備化工生產(chǎn)中處理的物料，大多數(shù)是流體，其過(guò)程大部分是在流動(dòng)條件下進(jìn)行。流體的流動(dòng)和輸送是必不可少的單元操作。研究流體的流動(dòng)和輸送主要解決以下問(wèn)題:①確定輸送流體所需管徑。管徑由生產(chǎn)任務(wù)及被輸送流體在流動(dòng)過(guò)程的物料和能量衡算決定；②確定輸送流體所需能量和設(shè)備。根據(jù)流體的性質(zhì)、輸送的距離和管路阻力等，計(jì)算所需的能量，選擇合適的輸送設(shè)備；③流體性能參數(shù)的測(cè)量和控制。監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，準(zhǔn)確而及時(shí)地測(cè)量流體流動(dòng)時(shí)的各參數(shù)，選用可靠而準(zhǔn)確的測(cè)量和控制儀表；④研究流體的流動(dòng)形態(tài)，為強(qiáng)化設(shè)備和操作提供依據(jù)。觀察流動(dòng)形態(tài)，選用合適設(shè)備；⑤了解輸送設(shè)備的工作原理和性能，正確使用輸送設(shè)備。3.1基本概念流體在輸送過(guò)程中，受管徑大小、粗糙度等的影響，又要考慮輸送設(shè)備的功率，需要的能量等，要研究流體流動(dòng)過(guò)程的基本規(guī)律，了解流體的一些基本性質(zhì)。1．密度單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度，表達(dá)式為：ρ=m/V流體的密度隨溫度和壓力的變化而變化。壓力對(duì)液體的密度影響很小，故常將液體稱為不可壓縮流體。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。在溫度不太低和壓力不太高時(shí)，氣體密度近似用理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即：=pM/RT(3—2)在生產(chǎn)中遇到的流體，往往是混合物。對(duì)液體混合物，各組分的濃度用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。設(shè)各組分在混合前后其體積不變，則混合物的體積應(yīng)等于各組分單獨(dú)存在時(shí)的體積之和，即1/m＝w1／1＋w2／2＋…＋wn／n(3－3)式中1，2，…，n——各純組分液體的密度，kg·m-3；w1，w2，…，wn——各組分液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)氣體混合物，各組分的濃度常用體積分?jǐn)?shù)表示。設(shè)各組分在混合前后的質(zhì)量不變，則混合氣體的質(zhì)量等于各組分的質(zhì)量之和，即m=11+22+··+nn(3—4)式中1，2，…，n——各純組分的密度，kg·m-3；1,2,…n——各組分的體積分?jǐn)?shù)。2．比體積單位質(zhì)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)，即υ=1/(3－5)3．壓力流體垂直作用于單位面積上的力稱為壓力，又稱為流體的壓力或壓強(qiáng)，表達(dá)式為：P=F／A(3一6)壓力的單位Pa(Pascal，帕)，即N·m-2，kg·m-1·S-2。習(xí)慣使用的壓力單位，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)、工程大氣壓(kgfcm-2記為at)、毫米汞柱(mmHg)和米水柱(mH2O)等，換算關(guān)系：latm＝760mmHg＝1.01325×105Pa＝10.33mH2O＝1.033kgf·㎝-2壓力有兩種不同的表達(dá)方式。一是絕對(duì)壓力，即以絕對(duì)零壓為起點(diǎn)而計(jì)量的壓力；另一是表壓或真空度，即以大氣壓力為基準(zhǔn)而計(jì)量的壓力，當(dāng)被測(cè)容器的壓力高于大氣壓時(shí)，所測(cè)壓力稱為表壓，當(dāng)測(cè)容器的壓力低于大氣壓時(shí)(工程上稱為負(fù)壓)，所測(cè)壓力稱為真空度。壓力的換算關(guān)系表壓=絕對(duì)壓力-大氣壓力真空度＝大氣壓力-絕對(duì)壓力

大氣壓力不是固定不變的，隨著大氣溫度、濕度以及所在地區(qū)的海拔高度的變化而變化。為了避免絕對(duì)表壓力和真空度混淆，對(duì)表壓力和真空度均應(yīng)加以標(biāo)注。4．流量和流速單位時(shí)間內(nèi)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(lái)計(jì)量，稱為體積流量，以符號(hào)qv表示，單位為m3·s-1；若流體量用質(zhì)量來(lái)計(jì)量，則稱為質(zhì)量流量，以符號(hào)qm表示，其單位為kg·s-1。若流體量用物質(zhì)的量表示，稱為摩爾流量，以符號(hào)qn表示，其單位為mol·s-1。體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為：qm=qV質(zhì)量流量與摩爾流量的關(guān)系為qm＝Mqn單位時(shí)間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動(dòng)方向所流過(guò)的距離，稱為流體的流速，以u(píng)表示，單位為m·s-1。由于流體本身的粘滯性以及流體與管壁之間存在摩擦力，所以流體在管道內(nèi)同一截面上各點(diǎn)的流速是不相同的。管道中心流速最大，離管中心越遠(yuǎn)，流速越小，在緊靠管壁處，流速為零。流速是指流道整個(gè)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表示：u=qV／S氣體的體積流量隨溫度和壓力而變化，氣體的流速亦隨之而變，但質(zhì)量并不變化。質(zhì)量流速的定義是單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量，以w表示，單位為kg·s-1·m-2，表達(dá)式為：w=qm／S流速和質(zhì)量流速兩者之間的關(guān)系：w=u工業(yè)上流速范圍大致為：液體1.5—3.0m·s-1，高粘度液體0.5～1.0m·s-1；氣體10～20m·s-1，高壓氣體15～25m·s-1；飽和水蒸氣20—40m·s-1，過(guò)熱水蒸氣30—50m·s-1。5．粘度粘性是流體內(nèi)部摩擦力的表現(xiàn)，粘度是衡量流體粘性大小的物理量，是流體的重要參數(shù)之一。流體的粘度越大，其流動(dòng)性就越小。由于流體本身粘性及其與管壁間存在摩擦力，使流體在管道截面上形成流速分布。流體在圓管內(nèi)的流動(dòng)，可以看成分割成無(wú)數(shù)極薄的圓筒層，其中一層套著一層，各層以不同的速度向前流動(dòng)，如圖，運(yùn)動(dòng)的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用，便是流體的內(nèi)摩擦力。牛頓通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究了影響流體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力大小的因素。如圖，設(shè)有上下兩塊平行放置且面積很大而相距很近的平板，板間充滿某種液體。將下板固定，對(duì)上板施加一個(gè)恒定的外力，上板以某一恒定速度u沿著×方向運(yùn)動(dòng)。兩板間的液體會(huì)分為無(wú)數(shù)平行的薄層而運(yùn)動(dòng)，粘附在上板底面的一薄層液體也以速度u隨著上板而運(yùn)動(dòng)，其下各層液體的流速依次降低，而粘附在下板上表面的液層流速為零。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于一定的液體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層間的速度差u呈正比，與兩層間的接觸面積A呈正比，而與兩層間的垂直距離y呈反比，即：F∝(u/y)A引入比例系數(shù)，則：F＝(u/y)A內(nèi)摩擦力F的方向與作用面平行。單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力，以τ表示，則有：＝F／A＝(u/y)式只適用于u與y呈直線關(guān)系的場(chǎng)合。當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，徑向速度的變化并不是直線關(guān)系，而是曲線關(guān)系，則有：＝(du/dy)du/dy——與流動(dòng)方向相垂直的y方向上流體速度的變化率——比例系數(shù)，亦稱為粘性系數(shù)，簡(jiǎn)稱粘度。式(14)稱為牛頓粘性定律。凡符合牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體，所有氣體和大多數(shù)液體都屬于牛頓型流體。反之，為非牛頓型流體，如某些高分子溶液、膠體溶液及泥漿等。液體的粘度隨著溫度的升高而減小，氣體的粘度隨著溫度的升高而增加。壓力變化時(shí)，液體的粘度基本上不變，氣體的粘度隨壓力的增加而增加得很少。粘度的單位為：[]=[/(du/dy)]=(N·m-2)/(m·s-1·m-1)＝N·s·m-2＝Pa·s1P＝100cP(厘泊)=10-1Pa·s。流體的粘度還用粘度與密度的比值來(lái)表示，稱為運(yùn)動(dòng)粘度，以表示之，即：=/運(yùn)動(dòng)粘度的單位為m2·s-1。1st＝100cst(厘沲)＝10-4m2·工業(yè)上各種混合物粘度用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定，缺乏數(shù)值時(shí)，可參考有關(guān)資料以選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。對(duì)氣體混合物的粘度，可采用下式進(jìn)行計(jì)算：m=(iiMi1/2／式中m——常壓下混合氣體的粘度；yi——?dú)怏w混合物中某一組分的摩爾分?jǐn)?shù)；i——與氣體混合物相同溫度下某一組分的粘度；Mi——?dú)怏w混合物中某一組分的相對(duì)分子質(zhì)量。對(duì)分子不發(fā)生締合的液體混合物的粘度，可采用下式進(jìn)行計(jì)算：lgm=式中m——液體混合物的粘度；×i——液體混合物中某一組分的摩爾分?jǐn)?shù)； i——與液體混合物相同溫度下某一組分的粘度。3.2流體流動(dòng)的基本規(guī)律研究流體流動(dòng)的基本規(guī)律是為了解決流體的輸送問(wèn)題。表征流體流動(dòng)規(guī)律有連續(xù)性方程和柏努利方程。1．定態(tài)流動(dòng)和非定態(tài)流動(dòng)流體在管道或設(shè)備中流動(dòng)時(shí)，若在任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改變，但不隨時(shí)間而改變，稱為定態(tài)流動(dòng)；只要有一項(xiàng)隨時(shí)間而變化，則稱為非定態(tài)流動(dòng)。如圖。2．流體定態(tài)流動(dòng)過(guò)程的物料衡算——連續(xù)性方程當(dāng)流體作定態(tài)流動(dòng)時(shí)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，在沒有物料累積和泄漏情況下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)流動(dòng)系統(tǒng)任一截面的流體的質(zhì)量應(yīng)相等。如圖所示,對(duì)截面1—1’和2—2’之間作衡算，單位時(shí)間流入截面1—l’的流體質(zhì)量應(yīng)等于流出截面2—qm,1=qm,2因?yàn)閝m=uS，故上式可改為：1u1S1=2u2S2推廣到任何一個(gè)截面，則：qm=1u1S1＝2u2S2＝…＝nunSn=常數(shù)對(duì)于不可壓縮流體，即上式=常數(shù)，則：qV=u1S1=u2S2=…=unSn=常數(shù)不可壓縮流體不僅流經(jīng)各截面的質(zhì)量流量相等，它們的體積流量也相等。它反映在定態(tài)流動(dòng)體系中，流量一定時(shí)，管路各截面上流體流速的變化規(guī)律。3．流體定態(tài)流動(dòng)過(guò)程的能量衡算——柏努利方程流動(dòng)體系的能量形式主要有：流體的動(dòng)能、位能、靜壓能以及流體本身的內(nèi)能。前三種又稱為流體的機(jī)械能。①動(dòng)能流體以一定的流速流動(dòng)時(shí)，便有一定的動(dòng)能。質(zhì)量為m,流速為u的流體所具有的動(dòng)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，其值相當(dāng)于把質(zhì)量為m的流體由基準(zhǔn)水平面垂直舉至某高度Z處所做的功，即mgZ，單位為kJ。③靜壓能靜止流體內(nèi)部任一處都存在一定的靜壓力，同樣在流動(dòng)著的流體內(nèi)部任何位置也都一定的靜壓力。如圖，在流體流動(dòng)的管壁上開一個(gè)小孔，并垂直連接一根玻璃管，可以觀察到液體在玻璃管內(nèi)上升到一定高度。液柱的高度是運(yùn)動(dòng)著的流體在該截面處的靜壓力的大小。在流體體積不變的情況下，把流體引入壓力系統(tǒng)所做的功，稱為流動(dòng)功。流體由于外界對(duì)它作流動(dòng)功而具有的能量，稱為靜壓能。靜壓能為：ps·V／S=pV=pm／，單位為kJ。④內(nèi)能內(nèi)能(又稱熱力學(xué)能)是流體內(nèi)部大量分子運(yùn)動(dòng)所具有的內(nèi)動(dòng)能和分子間相互作用力而形成的內(nèi)位能的總和。其數(shù)值的大小隨流體的溫度和比容的變化而變化。以U表示單位質(zhì)量的流體所具有的內(nèi)能，則質(zhì)量為m(kg)的流體的內(nèi)能為mU，單位kJ。流體的流動(dòng)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是流動(dòng)體系中各種形式能量之間的轉(zhuǎn)化過(guò)程。(1)理想流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算所謂理想流體是指在流動(dòng)時(shí)內(nèi)部沒有內(nèi)摩擦力存在的流體，即粘度為零。若過(guò)程中沒有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒有變化，則理想流體流動(dòng)時(shí)的能量恒算可以只考慮機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。

如圖，設(shè)在單位時(shí)間內(nèi)有質(zhì)量為m(kg)、密度為的理想流體在導(dǎo)管中做定態(tài)流動(dòng)，今在與流體流動(dòng)的垂直方向上選取截面1—l’和截面2—2’，在兩截面間進(jìn)行能量衡算。流體在截面1—1’處的流速為u1、高度為Z1、壓力為pl，則截面1—1’的流體所具有的總機(jī)械能為該截面處流體的位能、動(dòng)能及靜壓能之和，即入=mgZ1+mu12/2+p1m/流體在截面2－2’處的流速為u2、離基準(zhǔn)面的高度為Z2、壓力為p2，則輸出截面2—2’的流體所具有的總機(jī)械能為該截面處流體的位能、動(dòng)能及靜壓能之和，即出=mgZ2+mu22/2+p2m/根據(jù)能量守恒定律，沒有外界能量輸入，在截面1—1”和截面2—2入=出即mgZ1+mu12/2+p1m/=mgZ2+mu22/2+p2m/(3－2la)單位質(zhì)量流體，則：gZ1+u12/2+p1/=gZ2+u22/2+p2/(3－21b)對(duì)于單位重力(重力單位為牛頓)流體，則有：Z1+u12/(2g)+p1/(g)=Z2+u22/(2g)+p2/(g)(3－21C)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/(g)分別是以壓頭形式表示的位能、動(dòng)能和靜壓能，分別稱為位壓頭、動(dòng)壓頭和靜壓頭。式(3—21a)、(3—21b)及(3—21c)都是理想流體在定態(tài)流動(dòng)時(shí)的能量衡算方程式，又稱為柏努利方程(Bernoulliequation)。理想流體在管道各截面上的每種能量并不一定相等，在流動(dòng)時(shí)可相互轉(zhuǎn)化，但其在管道任一截面上各項(xiàng)能量之和相等，即總能量(或總壓頭)是常數(shù)。(2)實(shí)際流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算實(shí)際流體在流動(dòng)時(shí)，由于流體粘性的存在，必然造成阻力損失。單位重力的流體在定態(tài)流動(dòng)時(shí)因摩擦阻力而損失的能量(壓頭)記為f；，單位J·N-1或m。為克服流動(dòng)阻力使流體流動(dòng)，往往需要安裝流體輸送機(jī)械。設(shè)單位重力的流體從流體輸送機(jī)械所獲得的外加壓頭為He，單位J·N-1域m。則實(shí)際流體在流動(dòng)時(shí)的柏努利方程為：Z1+u12/(2g)+p1/(g)+He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+f(3－22)以上得到的各種形式柏努利方程僅適用于不可壓縮的液體。對(duì)靜止?fàn)顟B(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f=0，則柏努利方程簡(jiǎn)化為：Z1+p1/(g)=Z2+p2/(g)(3－23a)或p1-p2=g(Z1-Z2)式(3—23a)或(3—23b)即為流體的靜力學(xué)方程式。4．流體流動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用舉例連續(xù)性方程和柏努利方程可用來(lái)計(jì)算化工生產(chǎn)中流體的流速或流量、流體輸送所需的壓頭和功率等流體流動(dòng)方面的實(shí)際問(wèn)題。在應(yīng)用柏努利方程時(shí)，注意以下幾點(diǎn)。①作圖根據(jù)題意作出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，注明流體的流動(dòng)方向。②截面的選取確定出上下游截面以明確對(duì)流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍。③基準(zhǔn)水平面的選取為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常將所選兩個(gè)截面中位置較低的一個(gè)作為基準(zhǔn)水平面。如果截面與基準(zhǔn)水平面不平行，則Z值是指截面中心點(diǎn)與基準(zhǔn)水平面的垂直距離。④單位統(tǒng)一方程式兩側(cè)的各個(gè)物理量單位必須一致，最好均采用國(guó)際單位制。(1)管道流速的確定例3—l今有一離心水泵，其吸入管規(guī)格為88.5mm×4mm，壓出管為75.5mm×3.75mm，吸入管中水的流速為1.4m·s-1，試求壓出管中水的流速為多少？解：吸入管內(nèi)徑dl=88.5－2×4＝80.5mm壓出管內(nèi)徑d2＝75.5－2×3.75=68mm根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性方程u1S1=u2S2圓管的截面積S=d2/4，于是上式寫成：u2／ul=(dl／d2)2故壓出管中水的流速為：u2=(dl／d2)2ul=(80.5／68)2×1.4m·s-1＝1.96m·s-1當(dāng)流量一定時(shí)，圓管中流體的流速與管徑的平方呈反比。(2)容器相對(duì)位置的確定例3－2采用虹吸管從高位槽向反應(yīng)釜中加料。高位槽和反應(yīng)釜均與大氣相通。要求物料在管內(nèi)以1.05m·s-1的速度流動(dòng)。若料液在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的能量損失為2.25J·N-1(不包括出口的能量損失)，試求高位槽的液面應(yīng)比虹吸管的出口高出多少米才能滿足加料要求？解：作示意圖，取高位槽的液面為截面1—1’，虹吸管的出口內(nèi)側(cè)為截面2—2’，并取截面2—在兩截面間列出柏努利方程式：Z1+u12/(2g)+p1/(g)+He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+f式中Z1=h，u1=0p1=0(表壓)，He=0；Z2＝0，u2=1.05m·s-1，p2=0(表壓)，f＝2.25J·N-1代入柏努利方程式，并簡(jiǎn)化得：h＝1.052m2·s-2/2×9.81m·＝2.31即高位槽液面應(yīng)比虹吸管的出口高2.31m(3)送料用壓縮空氣的壓力的確定例3—3某生產(chǎn)車間用壓縮空氣壓送20℃，H2SO4＝98.3％的濃硫酸。若每批壓送量為0.36m3，要求在10min內(nèi)壓送完畢。管子為38mm×3mm鋼管，管子出口在硫酸罐液面上垂直距離為15m。設(shè)硫酸流經(jīng)全部管路的能量損失為1.22J·N-1(不包括出口的能量損失)解：繪示意圖。取硫酸罐內(nèi)液面為截面1—1’，硫酸出口管管口內(nèi)側(cè)為截面2—2’，并以截面1—在兩截面間列出拍努利方程式：Z1+u12/(2g)+p1/(g)+He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+f式中Z1=0，ul≈0，Z2＝15m，u2=qV／S，P2＝0(表壓)，f＝1.22J·N-1因?yàn)閝V=0.36m3／(10×60S)＝6.0×10－4·SS=×(0.038－2×0.003)2m2=8.04×10－4故u2＝qV／S＝6.0×10－4m3·S-1／(8.04×10＝0.746m·s由手冊(cè)查得，20℃濃硫酸的密度=1831kg·m-3將上列數(shù)據(jù)代入拍努利方程式：pl／(1831kg·m－3×9.81m·s－2)＝15m＋0.7462m·s－2／(2×9.81m·s解得：pl＝2.92×105N·m-2(表壓)即開始?jí)核蜁r(shí)，壓縮空氣的表壓力至少為2.92×105N·m-2。(4)流體輸送設(shè)備所需功率的確定例3—4用離心泵將貯槽中的料液輸送到蒸發(fā)器內(nèi)，敞口貯槽內(nèi)液面維持恒定。已知料液的密度為1200kg·m-3，蒸發(fā)器上部的蒸發(fā)室內(nèi)操作壓力為200mmHg(真空度)，蒸發(fā)器進(jìn)料口高于貯槽內(nèi)的液面15m，輸送管道的直徑為ф68min×4mm，送液量為20m3·h-1。設(shè)溶液流經(jīng)全部管路的能量損失為12.23J·N-1(不包括出口的能量損失)

解：取貯槽液面為截面1—1’，管路出口內(nèi)側(cè)為截面2—2’，以截面1一l’為基準(zhǔn)水平面。在截面1—1’和截面2—Z1+u12/(2g)+p1/(g)+He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+f式中ZI=0，ul≈0，p1＝0(表壓)；Z2＝15m，因?yàn)閝v＝20／3600＝15.56×10-3m3·S＝×(0.0682×0.004)2m2＝2.83×10-故u2＝qV／S＝5.56×10-3m3·S-1/2.83×10=1.97m·又p2＝200×I.013×105/760=2.67×104Pa(真空度)=-2.67×104Pa(表壓)f＝12.23J·N-1將上列各數(shù)值代入拍努利方程式得：He＝15m＋1.9722m2·s－2／(2×9.81m·s-1)kg·s-2·m-1／(1200×9.81kg·s-2·m-2)+12.23m＝25.16m液柱泵理論功率：Ne＝qmgHe＝qvgHe=1200kg·m-3×5.56×10－3m3·s×9.81m/s2×＝1.65×103W＝1.65kw實(shí)際功率：Na=Ne/=1.65kw/0.60=2.75kw3.3流體壓力和流量的測(cè)量為了監(jiān)視和控制工藝過(guò)程，壓力和流量是最基本的流體性能參數(shù)，測(cè)定方法很多，現(xiàn)在介紹幾種常用的流體壓力和流量測(cè)量?jī)x表。1.流體壓力的測(cè)量對(duì)處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體，柏努利方程簡(jiǎn)化為：p2-p1=g(Z1-Z2)(3一23c)此式可理解為靜止流體內(nèi)部某兩點(diǎn)壓力差p2-p1與該兩點(diǎn)之間距離差Z1-Z2呈正比。流體壓力的測(cè)定便是基于這一公式。U形管壓力計(jì)U形管壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖3—8所示。管中盛有與測(cè)量液體不互溶、密度為i的指示劑。U形管的兩個(gè)側(cè)管分別連接到被測(cè)系統(tǒng)的兩點(diǎn)。隨測(cè)量的壓力差的不同U形管中指示液所顯示的高度差亦不相同，根據(jù)(3—23b)式，可推得：p=p2-p1=(i-)g(Z1-Z2)=(i-)gR(3－24)式中：R為壓力計(jì)的讀數(shù)，即指示液的液面差；i和分別為指示液及被測(cè)液體的密度。當(dāng)i和已知時(shí)，即可從壓力計(jì)的讀數(shù)R求出流動(dòng)系統(tǒng)中兩測(cè)壓點(diǎn)的壓力差。測(cè)系統(tǒng)中某點(diǎn)壓力時(shí)，若U形管壓力計(jì)的一側(cè)與大氣相通，測(cè)量的是表壓或真空度。若被測(cè)量的流體是氣體，一般情況下，氣體的密度較指示液的密度小得多，上式簡(jiǎn)化為：p=p2-p1=Ig(Z1-Z2)=IgR(3－25)(2)倒置U形管壓力計(jì)倒置U形管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)如圖示。以被測(cè)液體為指示液，液體的上方充滿空氣，空氣通過(guò)頂端的旋塞調(diào)節(jié)。(3)微差壓力計(jì)為提高壓力計(jì)的靈敏度以便測(cè)量微小的壓力差，用微差壓力計(jì)。主要用于氣體系統(tǒng)的測(cè)量。如圖所示。當(dāng)管內(nèi)指示液柱高度差顯示為R時(shí)，頂部容器中液面幾乎不發(fā)生變化。若兩種指示液的密度分別為l和2，則兩測(cè)壓點(diǎn)之間的壓力差為：p＝p2－pl=(1-2)gR(3－26)在被測(cè)系統(tǒng)的壓力差p也一定時(shí)，若所選用的兩種指示液的密度差(1-2)越小，則顯示值R就越大，即提高了測(cè)量的靈敏度。上述各種壓力計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，測(cè)壓準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)室有廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)是不耐高壓，測(cè)量范圍受到限制。當(dāng)測(cè)量較高壓力時(shí)，可采用彈簧管壓力計(jì)，即通常所說(shuō)的壓力表。2．流體流量的測(cè)定利用流體的機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)的流體流量測(cè)量?jī)x表有孔板流量計(jì)，文丘里流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)等?？装辶髁坑?jì)孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，圖3—11所示。一塊中央開有圓孔的金屬薄板(稱為孔板)，固定于導(dǎo)管中，在孔板兩側(cè)裝有測(cè)壓管，分別與U形管壓差計(jì)的兩端相連接。流體通過(guò)銳孔時(shí)，流道截面積驟然縮小，流體流速隨之增大，動(dòng)壓頭增大，其靜壓頭減小。設(shè)流體的密度不變，在孔板前導(dǎo)管上取一截面1－1’，孔板后取另一截面2—2’Z1+u12/(2g)+p1/(g)=Z2+u22/(2g)+p2/(g)水平管道，Z1=Z2，則有==(3－27)對(duì)不可壓縮流體或過(guò)程中密度變化不大的體系，根據(jù)連續(xù)性方程得u1=u2S2/S1式中：S2，S1分別為孔板的銳孔和管道的截面積，m2。得u2=實(shí)際流體因阻力會(huì)引起壓頭損失，孔板處并有收縮造成的騷擾，考慮到孔板與導(dǎo)管間的裝配可能有誤差，將這些影響歸納為校正系數(shù)，并以代替u2得 = 的值由實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定，一般情況下，其值為0.61～0.63。若液柱壓力計(jì)的讀數(shù)為R，指示液的密度為i，則 =將上式換算為流量計(jì)算公式為qv=So=So孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，應(yīng)用較廣泛，缺點(diǎn)是能量損耗較大。文丘里流量計(jì)文氏流量計(jì)針對(duì)孔板流量計(jì)能量損耗較大的缺點(diǎn)，參照孔板流量計(jì)孔板前后的流體流線形狀設(shè)計(jì)而成的，圖3—12所示。主要部件為收縮管和擴(kuò)大管，兩者的中心角度依次為15°～20°和5°～7°，結(jié)合處的截面積最小，稱為“喉管”。文氏流量計(jì)的流量與測(cè)壓仿照孔板流量計(jì)推導(dǎo)出：qv=So=So式中：為文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)，同樣需要由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在湍流情況下，其值約為0.98，S0為喉管處的截面積。文丘里流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)能量損耗比孔板流量計(jì)要小得多，加工制造比孔板流量計(jì)復(fù)雜。轉(zhuǎn)子流量計(jì)圖3—13所示，轉(zhuǎn)子流量計(jì)：帶刻度線、垂直安裝的錐形玻璃管，上下浮動(dòng)的轉(zhuǎn)子(或浮子)。根據(jù)機(jī)械能守衡原理，流體通過(guò)轉(zhuǎn)子與外管的環(huán)隙時(shí)，由于流體流過(guò)的通道截面積減小，流速增大，流體的靜壓力降低，使轉(zhuǎn)子上下產(chǎn)生壓力差，當(dāng)作用于轉(zhuǎn)子的上升力(包括由壓力差產(chǎn)生的向上靜凈壓力和流體對(duì)轉(zhuǎn)子的浮力)等于轉(zhuǎn)子的凈重力時(shí)，轉(zhuǎn)子在流體中處于平衡狀態(tài)，即pAR＝VRRg-VRg轉(zhuǎn)子上下間所產(chǎn)生的壓力差是流體通過(guò)環(huán)隙時(shí)流速的增大。若流體通過(guò)環(huán)隙的流速為，根據(jù)柏努利方程同樣可導(dǎo)出：uR=cR式中cR——校正因子，與流體的流動(dòng)形態(tài)、轉(zhuǎn)子形狀等因素有關(guān)。綜合以上兩式，并求出流量得qV=uRSR=cRSR式中SR——轉(zhuǎn)子與玻璃管環(huán)隙的面積，m2qV——流體的體積流量，m3·s－1由于環(huán)隙的面積SR隨著流體的流量而改變，其大小則決定于轉(zhuǎn)子位置的高低，因此流體的流量與轉(zhuǎn)子的高度保持一定的關(guān)系。轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子可以采用不銹鋼、銅及塑料等各種抗腐蝕材料制成，使用維護(hù)也很方便，使用廣泛，適用于中小流量的測(cè)定，常用于2”3.4管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力流體本身具有粘性，流體流動(dòng)時(shí)因產(chǎn)生內(nèi)摩擦力而消耗能量，是流體阻力損失產(chǎn)生的根本原因。而管道的大小、內(nèi)壁的形狀、粗糙度等又影響著流體流動(dòng)的狀況，是流體阻力產(chǎn)生的外部條件。關(guān)于粘性、流速等流體的物理性質(zhì)，前面已討論，本節(jié)介紹管路與系統(tǒng)的管、管件、閥門開始，進(jìn)而討論流體的流動(dòng)形態(tài)和管內(nèi)流體流動(dòng)阻力的定量計(jì)算。1.管、管件及閥門簡(jiǎn)介管管子的種類繁多?；どa(chǎn)中廣泛使用的有鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬管、塑料管及橡膠管等。鋼管又分有縫鋼管和無(wú)縫鋼管，前者多用低碳鋼制成；后者的材料有普通碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼以及不銹鋼等。鑄鐵管常用于埋在地下的給水總管、煤氣管及污水管等?；ぶ械墓茏影凑展懿牡男再|(zhì)和加工情況，分為光滑管和粗糙管。通常把玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等稱為光滑管；把舊鋼管和鑄鐵管稱為粗糙管。實(shí)際上，即使是同樣材料制造的管道，由于使用時(shí)間的長(zhǎng)短、腐蝕及沾污程度的不同，管壁的粗糙度會(huì)產(chǎn)生很大的差異。管壁粗糙面凸出部分的平均高度，稱為絕對(duì)粗糙度，以ε表示。絕對(duì)粗糙度ε與管內(nèi)徑d的比值／d，稱為相對(duì)粗糙度。表3—1列出了某些工業(yè)管道的絕對(duì)粗糙度。(2)管件管件為管與管的連接部分，它主要是用來(lái)改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。圖3—14所示為管道中常用的幾種管件。(3)閥門閥門安裝于管道中用以切斷流動(dòng)或調(diào)節(jié)流量。常用的閥門有截止閥、閘閥和止逆閥等。截止閥截止閥構(gòu)造如圖3—15所示，它是依靠閥桿的上升或下降，以改變閥盤與閥座的距離，從而達(dá)到切斷流動(dòng)或調(diào)節(jié)流量的目的。截止閥構(gòu)造比較復(fù)雜，在閥體部分流體的流動(dòng)方向經(jīng)數(shù)次改變，流動(dòng)阻力較大。但這種閥門嚴(yán)密可靠，且可較精密地調(diào)節(jié)流量，故常用于水蒸氣、壓縮空氣及液體輸送管道。若流體中含有懸浮顆粒時(shí)應(yīng)避免使用。②閘閥閘閥又稱為閘板閥。如圖3—16所示。閘閥是利用間板的上升或下降來(lái)調(diào)節(jié)管路中流體的流量。閘閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流體阻力小，且不易為懸浮物所堵塞，所以常用于大直徑管道。其缺點(diǎn)是閘閥閥體高，制造和檢修較困難。③止逆閥止逆閥又稱為單向閥。它只允許流體單向流動(dòng)。如圖3—17所示。當(dāng)流體自左向右流動(dòng)時(shí)，閥自動(dòng)開啟；如流體反向流動(dòng)時(shí)，閥自動(dòng)關(guān)閉。止逆閥只在單向開關(guān)的特殊情況下使用。2.流動(dòng)的形態(tài)(1)兩種流動(dòng)形態(tài)為了解流體在管內(nèi)流動(dòng)狀況及其影響因素，雷諾設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)可直接觀察到兩種不同的流動(dòng)形態(tài)。雷諾實(shí)驗(yàn)裝置如圖3—18，水箱2內(nèi)有溢流裝置，以維持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液面的恒定。在水箱的底部安裝一段入口呈喇叭狀等徑的水平玻璃管4，管出口處裝有調(diào)節(jié)閥門5調(diào)節(jié)出水流量。水箱正上方裝有帶閥門的盛有紅色墨水的玻璃瓶1，紅墨水由導(dǎo)管經(jīng)過(guò)安置在水平玻璃管中心位置的細(xì)針頭3流入管內(nèi)。當(dāng)閥門5稍開，水在玻璃管中的流速不大時(shí)，從針頭引到水流中心的紅色墨水呈一條直線，平穩(wěn)地流過(guò)整根玻璃管，，這表明水的質(zhì)點(diǎn)是彼此平行的沿著管軸的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)之間互不混合。充滿玻璃管內(nèi)的水流如同一層層平行于管壁的圓筒形薄層，各層以不同的流速向前運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)形態(tài)稱為滯流或?qū)恿?。?dāng)開大閥門5使水的流速逐漸加大到一定數(shù)值時(shí)，會(huì)觀察到紅色墨水的細(xì)線開始出現(xiàn)波動(dòng)，若使流速繼續(xù)增大，當(dāng)達(dá)到某一臨界值時(shí)，細(xì)線便完全消失，紅墨水流出針頭后隨即散開，與水完全混合，使整根玻璃管中水流呈現(xiàn)均勻的紅色，表明水的質(zhì)點(diǎn)除了沿著管道向前流動(dòng)以外，各質(zhì)點(diǎn)還作不規(guī)則的紊亂運(yùn)動(dòng)，且彼此相互碰撞，互相混合，水流質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向流動(dòng)外，還有徑向的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)形態(tài)稱為湍流或紊流。(2)流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)通過(guò)不同流體和不同管徑進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)表明，影響流體流動(dòng)的因素除了流速u外，還有流體流過(guò)的通道管徑d的大小，以及流體的物理性質(zhì)如粘度和密度。雷諾將上述四個(gè)因素歸納為一個(gè)特征數(shù)，稱為雷諾數(shù)，以符號(hào)Re表示：Re＝du／(3—33)若將各物理量的量綱代入，則有：[Re]=L·LT-1·ML-3/ML-1·T-1式中L,M,T分別是長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間的量綱符號(hào)?？梢?，雷諾數(shù)是量綱為一的數(shù)群，是一個(gè)特征數(shù)，計(jì)算時(shí)注意式中各個(gè)物理量必須采用統(tǒng)一的單位制。雷諾數(shù)可以作為流體流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流體在直管中流動(dòng)時(shí)，當(dāng)Re＜2000，流體流動(dòng)形態(tài)為滯流；當(dāng)Re≥4000時(shí)，流體流動(dòng)形態(tài)為湍流；而當(dāng)2000＜Re＜4000時(shí)，流體的流動(dòng)則認(rèn)為處于一種過(guò)渡狀態(tài)，可以是滯流，也可以是湍流，取決于流動(dòng)的外部條件。如在管道的入口處、管道直徑或方向改變或外來(lái)的輕微擾動(dòng)，都易促成湍流的產(chǎn)生，這種情況下在相關(guān)問(wèn)題的處理時(shí)為留有余量，往往將過(guò)渡狀態(tài)當(dāng)湍流對(duì)待。滯流和湍流是兩種本質(zhì)不同的流動(dòng)形態(tài)，兩者在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。流體流動(dòng)阻力的大小與雷諾數(shù)有直接聯(lián)系，流體流動(dòng)的雷諾數(shù)越大，流體的湍動(dòng)程度越大，流動(dòng)阻力也愈大。(3)滯流和湍流的特征流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)處于不同的流動(dòng)形態(tài)，在管截面徑向上呈現(xiàn)的徑向速度分布不一樣。如圖3—20所示，滯流時(shí)流速沿管徑呈拋物線分布，管中心處流速最大，管截面各點(diǎn)速度的平均值為管中心處最大速度的0.5倍；湍流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈湍動(dòng)有利于交換能量，使得管截面靠中心部分速度分布比較均勻流速分布曲線前沿平坦，而近壁部分的質(zhì)點(diǎn)受壁面阻滯，流速分布較為陡峭，顯然，湍流的流速分布曲線與雷諾數(shù)大小有關(guān)，湍流的平均速度約為最大速度的0.8倍。湍流流動(dòng)還有一個(gè)特征，無(wú)論流體主體的湍動(dòng)程度如何劇烈，在靠近管壁處總有一層作滯流流動(dòng)的流體薄層，稱之為滯流底層。其厚度隨雷諾數(shù)的增大而減小，但永遠(yuǎn)不會(huì)消失。滯流內(nèi)層的存在對(duì)傳熱過(guò)程和傳質(zhì)過(guò)程有很大的影響。工業(yè)生產(chǎn)中的流體流動(dòng)大多數(shù)是以湍流形態(tài)進(jìn)行的。例3—5在168mm×5mm的無(wú)縫隙鋼管中輸送原料油，已知油的運(yùn)動(dòng)粘度為90cst，密度為910kg·m-3，試求燃料油在管中作滯流時(shí)的臨界速度。解：因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)粘度v=，又在滯流時(shí)Re的臨界值為2000，代入Re＝du/得：Re＝du/＝du／＝2000其中d＝168-2×5=158mm=0.158m＝90cst＝90×10-2×10-4m2·s-1＝9×10-5m2·故臨界速度為u＝2000×9×10-5m2·s-1/0.158m＝1.14m計(jì)算非圓形管的Re值時(shí)，要以當(dāng)量直徑de代替d。,當(dāng)量直徑de定義為：de=4×流體流動(dòng)截面積/流道潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度例如邊長(zhǎng)為a的方形管道的當(dāng)量直徑為：de=4(a2／4a)＝a(4)流動(dòng)邊界層在討論流體的粘性時(shí)，我們?cè)?jīng)作過(guò)平板實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于壁面的阻滯，使緊貼于壁面的流體層流速為零。實(shí)際上，由于流體粘性作用，近壁面處的流體將相繼受阻而降速。隨著流體沿壁面向前運(yùn)動(dòng)，流速受影響的區(qū)域逐漸擴(kuò)大。將流體受壁面影響而存在速度梯度的區(qū)域稱為流體流動(dòng)的邊界層。一般把邊界層厚度定義為自壁面到流速達(dá)到流體主體流速99％處的區(qū)域。在邊界層內(nèi)，由于速度梯度較明顯，即使流體的粘性很小，粘滯力的作用也不容忽略；在邊界層以外，速度梯度小到可以忽略，無(wú)需考慮流體的粘滯力。當(dāng)流體流入圓管時(shí)，只在進(jìn)口附近一段距離內(nèi)(入口段)有邊界層內(nèi)外之分。經(jīng)此段距離后，邊界層擴(kuò)大到管中心，如圖3—21所示。在會(huì)合時(shí)，若邊界層內(nèi)流動(dòng)是滯流，則以后管路中的流動(dòng)為滯流。若在會(huì)合點(diǎn)之前邊界層內(nèi)流動(dòng)已發(fā)展為湍流，則以后管路中的流動(dòng)為湍流。在入口段L0內(nèi)，速度分布沿管長(zhǎng)不斷變化，至?xí)咸幩俣确植疾虐l(fā)展為定態(tài)流動(dòng)時(shí)管流的速度分布。L0的大小與管的形狀、粗糙度、流動(dòng)形態(tài)等因素有關(guān)。例如，當(dāng)管流雷諾數(shù)等于9×105時(shí)，入口管長(zhǎng)度約為40倍管直徑。入口段中因未形成確定的速度分布，若進(jìn)行傳質(zhì)。傳熱等傳遞過(guò)程，其規(guī)律與一般定態(tài)管流有所不同。流體流過(guò)較大曲率的物體時(shí)，還會(huì)發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象。如圖3—22，流體流過(guò)圓柱體時(shí)，在圓柱表面ABC處逐步形成邊界層，并因流動(dòng)截面受阻而在B處流速最大。B點(diǎn)以后，流道擴(kuò)大，流速下降，靜壓力也升高，以致在C點(diǎn)處局部流體產(chǎn)生逆向流動(dòng)或旋渦，使邊界層從壁面分離。流體流經(jīng)管件、閥門、管束或異形壁面時(shí)，產(chǎn)生邊界層分離，會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)阻力的增大。3．管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算管內(nèi)流動(dòng)阻力可分為直管阻力和局部阻力。直管阻力是當(dāng)流體在直管中流動(dòng)時(shí)因內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力；局部阻力是流體在流動(dòng)中，由于管道的局部阻力障礙(管件、閥門、流量計(jì)及管徑的突然擴(kuò)大或收縮等)所引起的阻力。柏努利方程式中的hf是指流體在管路系統(tǒng)中的總阻力損失，即直管阻力損失hf和局部阻力損失hl之和hf=hf＋hl(3—34)流體在管路中流動(dòng)阻力與流速有關(guān)。流速愈快，能量損失就愈大，即阻力損失與流體的動(dòng)壓頭呈正比(3—35)式中是一比例系數(shù)，稱為阻力系數(shù)。對(duì)于不同的阻力應(yīng)做具體的分析以確定阻力系數(shù)的大小，以下將對(duì)直管阻力和局部阻力的計(jì)算分別進(jìn)行討論。直管阻力的計(jì)算如圖3—23所示，流體在長(zhǎng)為l，內(nèi)徑為d的管內(nèi)以流速u作定態(tài)流動(dòng)，選取衡算截面1—l’和2—2’，設(shè)其靜壓力分別為p1和P2，且p1＞P2，若此段直管中因流動(dòng)阻力而損失的能量為hfZ1+u12/(2g)+p1/(ρg)=Z2+u22/(2g)+p2/(ρg)+h因?yàn)槭窃诘葟剿焦軆?nèi)流動(dòng)，故Z1=Z2，u1=u2=u，上式變?yōu)椋簆1-p2=ρghf(3—36)現(xiàn)在我們來(lái)分析流體在長(zhǎng)為l，內(nèi)徑為d的管內(nèi)的受力情況。垂直作用于流體柱兩端截面1—1’和2—2F1=p1A1=p1πd12F2=p2A2=p2πd22因?yàn)閐1=d2=d，故推動(dòng)流體流動(dòng)的推動(dòng)力F1-F2=(p1-p2)πd2/4而平行作用于管內(nèi)表面上的摩擦力F為F＝τπdl式中為管壁處的剪應(yīng)力。由于流體在管內(nèi)作定態(tài)和等速流動(dòng)，因此作用于流體上的推動(dòng)力和摩擦阻力必然大小相等，方向相反，因此有：(p1-p2)d22=dlp1-p2=將上式代入(3—36)式得hf=代入(3—35)得=(3—38)令=(3—39)將(3—38)及(3—39)代入(3—35)得hf=(3—40)或pf=ghf=(3—40a)式(3—40)與(3—40a)稱為范寧(Fanning)公式，是直管阻力的計(jì)算通式。由該公式可知，流體在直管內(nèi)流動(dòng)的阻力及壓力損失與流體流速和管道幾何尺寸呈正比，比例系數(shù)稱為摩擦阻力系數(shù)，量綱為一，它主要與流體的流動(dòng)形態(tài)有關(guān)。滯流時(shí)的摩擦阻力系數(shù)滯流時(shí)，流體呈一層層平行管壁的圓筒形薄層，以不同速度平滑地向前流動(dòng)，其阻力主要是流體層間的內(nèi)摩擦力，遵從牛頓粘性定律，所以可以通過(guò)理論分析，推導(dǎo)出滯流時(shí)的.如圖3—24所示，選管中心至管壁的任一r處的流體圓筒，若管長(zhǎng)為l，則該圓筒的截面積為r2，滑動(dòng)的表面積為2rl。取微分距離dr，滑動(dòng)的摩擦阻力為：F=A=2rl要克服F而使流體流動(dòng)，流體必須接受與其大小相等、方向相反的推動(dòng)力-(p1-p2)r2，即有-(p1-p2)r2=2rl整理并積分，r：0～R，u：uma×～0，得：p·R2／2＝2luma×以d=2R，u=uma×/2代入，并整理p=32ul／d2或hf==(3----41)式(3—41)為流體在圓直管內(nèi)滯流流動(dòng)阻力計(jì)算公式，與式(3—40)比較有：=64/Re(3—42)②湍流時(shí)的摩擦阻力系數(shù)湍流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)是不規(guī)則的紊亂運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)間互相碰撞激烈，瞬間改變方向和大小，流動(dòng)狀況比滯流要激烈得多。滯流時(shí)，流體層掩蓋了管道的粗糙面，管壁的粗糙度并未改變其速度分布和內(nèi)摩擦力的規(guī)律，因此對(duì)滯流的流體阻力或摩擦阻力系數(shù)沒有影響。強(qiáng)烈湍流時(shí)，由于滯流底層很薄，不足以掩蓋壁面的凹凸表面，凹凸部分露出在湍流主體與流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞，使流體阻力或摩擦阻力系數(shù)增大。Re越大，滯流底層越薄，管壁粗糙度。對(duì)湍流阻力的影響越大。因而，湍流的流體阻力或摩擦阻力系數(shù)還與管壁粗糙度有關(guān)。由于對(duì)湍流認(rèn)識(shí)的局限性，目前還不能用理論分析方法得到湍流時(shí)摩擦阻力系數(shù)的公式。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，可獲得經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)式，這種實(shí)驗(yàn)研究方法在工程中經(jīng)常遇到。這里結(jié)合湍流時(shí)摩擦阻力系數(shù)的求取，對(duì)此法作一介紹。實(shí)驗(yàn)研究的步驟和方法如下。a．析因?qū)嶒?yàn)對(duì)所研究的過(guò)程作理論分析和探索實(shí)驗(yàn)，尋找影響過(guò)程的主要因素。對(duì)于湍流的直管阻力損失，經(jīng)分析和初步實(shí)驗(yàn)，影響的諸因素為：流體本身的物理性質(zhì)：密度，粘度；流體流動(dòng)的外部條件：流速u、管徑d、管長(zhǎng)l和管壁的粗糙度等。待求關(guān)系式為：p=f(d,l,u,,,)(3－43)b規(guī)劃實(shí)驗(yàn)要確定所研究的物理量與各影響因素的具體關(guān)系，需要在其它變量不變下，多次改變一個(gè)變量的數(shù)值，著自變量個(gè)數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)工作量將很大，同時(shí)要把過(guò)程結(jié)果關(guān)聯(lián)成一個(gè)形式簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用的公式往往是困難的。因此，在實(shí)驗(yàn)前，要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)規(guī)劃。采用正交實(shí)驗(yàn)法、量綱分析法等可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)。量綱分析法是通過(guò)把變量組合成量綱為一數(shù)群，減少了實(shí)驗(yàn)變量個(gè)數(shù)，從而相應(yīng)減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù)。該方法在工程上被廣泛應(yīng)用。量綱分析法的基礎(chǔ)是量綱一致性原則。即任何物理方程的等式兩邊不僅數(shù)值相等，而且應(yīng)具有相同的量綱?；谠撛瓌t，任何物理方程都可以轉(zhuǎn)化為量綱為一形式。就式(3—43)而言，可假設(shè)為下列冪函數(shù)形式：P＝Kdalbucdef(3－44)式中的常數(shù)K和指數(shù)a，b，c，d，e,f待定。式中7個(gè)變量的量綱如下：[p]=ML-1T-2[]=ML-3［d］=L[］=ML-1T-1[u]=LT-1[]=L式中，M、L,T分別表示質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間的量綱。代入式(3—44)，并整理得：ML-1T-2＝Md+eLa+b+c-3d-e+fT-c-e根據(jù)量綱一致性原則，得對(duì)于Md＋e=1對(duì)于La＋b＋c-3d-e＋f=-1對(duì)于T-c-e=-2上面3個(gè)方程式不能解出6個(gè)未知數(shù)，設(shè)b,e,f為已知，求得a，c，d：a＝-b-e-fc＝2-ed＝1-e代入式(3—44)得p=Kd-b-e-flbu2-e1-eef將指數(shù)相同的變量合并，得=K(l/d)b(du/)-e(/d)f(3－45)式中du/為雷諾數(shù)Re；稱為歐拉數(shù)，以Eu表示；／d稱為相對(duì)粗糙度。將式(3—45)與(3—44)比較可看出，經(jīng)變量組合和量綱為一后，自變量6個(gè)減少到3個(gè)。所以實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要考察l／d、Re、/d估對(duì)Eu的影響便可，減少了實(shí)驗(yàn)工作量。更重要的是，按照(3－44)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為改變和，實(shí)驗(yàn)必須換多種流體；為改變d，還得更換實(shí)驗(yàn)設(shè)備。而對(duì)式(3—45)，要改變雷諾數(shù)Re，只需改變流體的流速u；要改變l/d，只需改變測(cè)量段的距離l。這樣可以將水、空氣等實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣應(yīng)用到其它流體，將小尺寸模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于大型裝置?？梢姡沽烤V為一是一種規(guī)劃實(shí)驗(yàn)的有效方法。c.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理獲得量綱為一數(shù)群后，它們之間的具體關(guān)系還需通過(guò)實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用適當(dāng)方式表達(dá)出來(lái)。對(duì)式(3—45)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，p與l呈正比，故b=l。則p／=2K(Re，／d)(l／d)(u2／2)(3－46)或hf=φ(Re，／d)(l／d)(u2／2)與式(3—40)比較，對(duì)于湍流摩擦阻力系數(shù)為=(Re，／d)(3—47)湍流的摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式，由不同的研究者在各自的實(shí)驗(yàn)條件下得出，有各種不同的形式，這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式都有具體的使用條件，選用時(shí)要注意其適用性。對(duì)于光滑管(=0)，常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式有柏拉修斯(Blasius)公式=0.3164Re－0.25(3－48)適用于流體在光滑管中,3000＜Re＜105范圍內(nèi)的計(jì)算。對(duì)于粗糙管，常見的有加考萊布魯克公式-1/2=1.74－2lg［2／d＋18.7／(Re1/2)］(3－49)適用于湍流區(qū)的整個(gè)范圍。經(jīng)驗(yàn)公式都比較復(fù)雜，使用不方便。工程上，經(jīng)常用共線圖將與Re和／d的關(guān)系形象化，即將經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式轉(zhuǎn)換成圖線，如圖3—25所示。該圖為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)，為統(tǒng)一起見，將滯流時(shí)的關(guān)系式＝64／Re亦繪于圖上。圖中依Re的范圍可分為四個(gè)區(qū)域。a．滯流區(qū)Re≤2000，＝64／Re,與／d無(wú)關(guān)。b．過(guò)渡區(qū)2000＜Re＜4000，流形為非定態(tài)易波動(dòng)。工程上為留有余量，常作湍流處理。c.湍流區(qū)Re＞4000以及虛線以下區(qū)域，與Re和／d均有關(guān)。該區(qū)域內(nèi)對(duì)于不同／d標(biāo)出一系列曲線，其中最下面的一條曲線為光滑管與Re的關(guān)系，與式(3－48)表示的關(guān)系一致，hf∝u1.75，但將Re范圍擴(kuò)寬至107。其余曲線與式(3—49)表示的關(guān)系一致，此區(qū)域隨Re數(shù)的增大而減小，隨／d增加而增大。d.完全湍流區(qū)Re足夠大(虛線以上區(qū)域)時(shí)，與Re無(wú)關(guān)，僅與／d有關(guān)。此區(qū)域，／d一定，為常數(shù)，當(dāng)l／d一定時(shí)，由hf=(l／d)[u2/2g]]知，hf∝u2，所以又稱阻力平方區(qū)。該區(qū)域的曲線與式(3－49)表示的關(guān)系也是一致的，此時(shí)式(3—49)中括號(hào)內(nèi)的第二項(xiàng)可以略去。例3—620℃的水在直徑為60mm×3.5mm的鍍鋅鐵管中以1m·s-1的流速流動(dòng)，試求水通過(guò)100m長(zhǎng)度管子的壓力降及壓頭損失為多少。解：查手冊(cè)得水在20℃時(shí)，=998．2kg·s-3，=1.005×10－3Pa·s又已知d＝60－3.5×2＝53mm，l=100m，u＝1m·s-1所以Re=du／=0.053×1×998.2／1.005×10-3=5.26×104取鍍鋅鐵管的管壁絕對(duì)粗糙度為＝0.2mm則／d＝0.2／53＝0.004在圖3—25中的橫坐標(biāo)上找到Re＝5．26×104位置，垂直向上，再在右邊縱坐標(biāo)上找到／d＝0．004的線條，由兩者的交點(diǎn)在左邊的縱坐標(biāo)上讀出入的值為=0.031。將上述數(shù)據(jù)代入(3—40a)式，得壓力降：Pf=λ(l／d)(2／2)＝0.031×(100m／0.053m)×(998.2kg·m－3×12m2·s-2／2)=2.92×104N故其壓頭損失為：hf=(l／d)［2／(2g)］=0.031(100m／0.053m)×(12m2·s-2／2×9.807m·s-2)=2．98m(2)局部阻力的計(jì)算當(dāng)流體在管路的進(jìn)口、出口、彎頭、閥門、突然擴(kuò)大及收縮等局部位置流動(dòng)時(shí)，流速大小和方向發(fā)生改變，且流體受到阻礙和沖擊，出現(xiàn)渦流，產(chǎn)生局部阻力。湍流流動(dòng)下，局部阻力的計(jì)算方法有阻力系數(shù)法和當(dāng)量長(zhǎng)度法兩種。①阻力系數(shù)法類似(3—35)式，將局部阻力所引起的能量損失，表示為動(dòng)壓頭的一個(gè)倍數(shù)，即hl=[u2/(2g)](3－50)式中為局部阻力系數(shù)，用來(lái)表示局部阻礙的幾何形狀對(duì)局部阻力的影響，其值由實(shí)驗(yàn)確定。下面介紹幾種常見的局部阻力系數(shù)。a．突然擴(kuò)大與突然收縮流體流過(guò)的管道直徑突然擴(kuò)大或突然收縮時(shí)，局部阻力系數(shù)可根據(jù)小管與大管的截面積之比S1/S2。從圖3—26中的曲線上查得。應(yīng)注意的是，按(3一50)計(jì)算時(shí)，u均取小管中的流速值。b．進(jìn)口和出口當(dāng)流體從容器進(jìn)入管內(nèi)時(shí)，可看作從很大截面S1突然流入很小截面S2，即S1／S2≈0，從圖3－26b的曲線可查得=0.5。若進(jìn)管口圓滑或呈喇叭狀，則局部阻力損失減少，=0．25～0.05。當(dāng)流體從管子進(jìn)入容器或從管子直接排放時(shí)，管出口內(nèi)側(cè)截面上的壓力可取與管外相同。必須注意，出口截面上的動(dòng)能應(yīng)與出口阻力損失項(xiàng)一致，若截面處在管出口的內(nèi)側(cè)，則表示此時(shí)流體仍未離開管路，截面上仍具有動(dòng)能，此時(shí)出口損失不應(yīng)計(jì)入系統(tǒng)的總能量損失(f)內(nèi)，即=0。若截面取在管子出口的外側(cè)，則表示流體已離開管路，截面上的動(dòng)能為零，此時(shí)出口損失應(yīng)計(jì)入系統(tǒng)的總能量損失內(nèi)．即＝1.②當(dāng)量長(zhǎng)度法將局部阻力損失折算成相當(dāng)長(zhǎng)度的直管的阻力損失，此相當(dāng)?shù)墓荛L(zhǎng)度稱為當(dāng)量長(zhǎng)度le，其值由實(shí)驗(yàn)確定。在湍流條件下，當(dāng)量長(zhǎng)度折算關(guān)系如圖3—27所示。采用當(dāng)量長(zhǎng)度法計(jì)算管路的局部阻力，可仿照(3—40)式寫成如下形式：hl=()[u2/(2g)](3－51)例3—7要求向精餾塔中以均勻的流速進(jìn)料，現(xiàn)裝設(shè)一高位糟，使得料液自動(dòng)流入精餾塔中，如附圖所示。若高位槽的液面保持1.5m的高度不變，塔內(nèi)操作壓力為0.4kgf·cm-2(表壓)，塔的進(jìn)料量需維持在50m3·h-1，則高位槽的液面應(yīng)該高出塔的進(jìn)－料口多少米才能達(dá)到要求？若已知料液的粘度為1.5×10-3Pa·s，密度為900kg·m-3，連接管的尺寸為108mm×4mm的鋼管，其長(zhǎng)度為h+1.5m，管道上的管件有180°的回彎頭、截止問(wèn)及90°解：取高位槽內(nèi)液面為截面1一1’，精餾塔的加料口內(nèi)側(cè)為截面2—2Z1+u12/(2g)+p1/(g)=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+f式中Z1=h，Z2=0,u1≈0u2＝(50／3600)／(0.100／2)2＝1.77m·s-1(p2-p1)／(g)=0.4×9.807×104／(900×9.807)＝4.44m液柱f＝hf＋hl＝[(l+)/d][u2/(2g)]Re＝du／＝0.10077×900／0.001＝1.06×105?。?.3mm，／d＝0.3／100=0.003，由圖3—25查得＝0.0275由hf＝[(l+)/d][u2/(2g)]＝0.0275×(h＋1.5)／0.100×(1.772／2×9.807)＝0.044(h＋1.5)(物料由貯槽流入管子，取le1＝2.1；180”回彎頭le2＝10；截止閥(按1／2開度計(jì))le13=28；90”彎頭lhf＝[(l+)/d][u2/(2g)]＝hf＝[le1+le2+le3+le4/d][u2/(2g)]＝0.0275［(2.l＋10＋28＋4.5)/0.100］×l.772／(2×9.807)=1.96m液柱將以上數(shù)據(jù)代入拍努利方程式：h＝4.44＋1.772／(2×9.807)＋0.044(h＋1.5)＋1.96解得：h＝6.93m即高位槽的液面至少須高出塔內(nèi)進(jìn)料口6.93m，才能滿足精餾塔的進(jìn)料要求。3.5流體輸送設(shè)備流體流動(dòng)需要一定的推動(dòng)力來(lái)克服管路和設(shè)備的阻力，把流體從低處送到高處，或從低壓系統(tǒng)輸送到高壓系統(tǒng)。這種動(dòng)力是由流體輸送機(jī)械設(shè)備提供。一般把輸送液體的機(jī)械通稱為泵，輸送氣體的機(jī)械稱為風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)。流體輸送設(shè)備，按其工作原理均可分為三類。①離心式利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪給流體提供動(dòng)能，然后流體的動(dòng)能再轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，如離心泵及離心壓縮機(jī)等。②正位移式利用活塞、齒輪、螺桿等直接擠壓流體，以增加流體的靜壓頭，例如往復(fù)泵、齒輪泵、螺桿泵、往復(fù)壓縮機(jī)等。③不屬于上述類型的其它形式的泵，如噴射泵，利用高速流體射流時(shí)的能量轉(zhuǎn)換來(lái)輸送流體。以離心泵和往復(fù)壓縮機(jī)為例，介紹它們的基本構(gòu)造、原理及其相關(guān)特性。1.離心泵離心泵的構(gòu)造和工作原理離心泵是化工生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的一種液體輸送設(shè)備。泵的主要部件有：葉輪、泵軸、蝸狀泵殼、吸入管、壓出管及底間等。壓出管上裝有閥門，用來(lái)調(diào)節(jié)泵的流量。泵啟動(dòng)前，先使泵內(nèi)充滿被輸送的流體，啟動(dòng)后，泵的葉輪高速旋轉(zhuǎn)，流體在離心力的作用下，從葉輪中心被甩向葉輪邊沿，獲得動(dòng)能；葉輪直徑越大，流體在葉輪外端所得到的切線速度越大，當(dāng)甩出的液體進(jìn)入泵殼后，由于泵殼中的流道逐漸變寬，流體的流速逐漸下降，大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，于是具有較高靜壓能的液體即從排出口排出。另一方面，當(dāng)液體從葉輪中心被拋出時(shí)，葉輪中心(進(jìn)液口的周圍)就形成了低壓，在吸入管外部壓力作用即在壓差的推動(dòng)下，液體就源源不斷地被吸入泵內(nèi)，以補(bǔ)充被排出的液體。離心泵啟動(dòng)時(shí)，如果泵內(nèi)沒有灌滿液體而存有空氣，由于空氣的密度較液體的密度小得多，因此產(chǎn)生的離心力也很小，此時(shí)在葉輪中心造成的真空度很低，不足以把液體吸到葉輪中心，這樣泵雖能啟動(dòng)，但卻不能輸送液體，這種現(xiàn)象稱為“氣縛”。(2)離心泵的主要性能參數(shù)離心泵的主要性能參數(shù)包括：揚(yáng)程、流量、功率和效率。①揚(yáng)程泵對(duì)單位重力的流體所做的功稱為揚(yáng)程(或壓頭)，亦即液體進(jìn)出泵前后的壓頭差，用符號(hào)He表示，單位為米液柱。泵的揚(yáng)程由泵本身的結(jié)構(gòu)。尺寸和轉(zhuǎn)速所決定，不同型號(hào)的泵具有不同的揚(yáng)程。泵的揚(yáng)程通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。②流量離心泵的流量又稱排液量或輸送能力，它是指在單位時(shí)間內(nèi)泵所排送的液體數(shù)量，用符號(hào)qv表示，單位為m3·s-1或m3·h-1。泵的流量決定于泵的結(jié)構(gòu)、尺寸和轉(zhuǎn)速。③功率在單位時(shí)間內(nèi)，液體自泵實(shí)際得到的功稱為泵的有效功率。用符號(hào)Ne表示，單位為W。有效功率與流量和揚(yáng)程的關(guān)系式為：Ne＝qvgHe(352)式中He——泵的揚(yáng)程，m；一流體的密度，kg·m-3qv——泵的流量，m3·s-1g——重力加速度，m·s-2。④效率泵在輸送流體過(guò)程中，不可避免地有能量損失，因此泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)所做的功不能全部為液體所獲得，通常用效率來(lái)表示能量的損失，用符號(hào)η表示。離心泵的效率與泵的大小、類型、制造精密程度和所輸送液體的性質(zhì)有關(guān)。泵的有效功率Ne、軸功率Na和效率三者之間的關(guān)系如下：η=Ne／Na(3－53)(3)離心泵的特性曲線離心泵的主要性能參數(shù)之間的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)確定，測(cè)出的流量與揚(yáng)程、功率,效率之間的關(guān)系曲線稱為離心泵的特性曲線或工作性能曲線。圖3—29是一臺(tái)國(guó)產(chǎn)4B20型離心水泵的特性曲線(轉(zhuǎn)速為2900r·min-1)。它們由qv－He,qv－Ne及qv一三條曲線所組成。其特性曲線都遵循下面的規(guī)律：①qv－He曲線離心泵的揚(yáng)程隨著流量的增大而下降(在流量極小時(shí)可能有例外)。②qv－Ne曲線離心泵的功率隨著流量的增大而升高。流量為零時(shí)，消耗的功率最小，因此，離心泵在啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉泵的出口閥門，以降低啟動(dòng)功率，保護(hù)電機(jī)不因超負(fù)荷損壞。③qv－曲線離心泵的效率開始時(shí)隨流量的增大而增加，達(dá)到最大值后，如繼續(xù)增大流量，則泵的效率反而下降。這說(shuō)明離心泵在一定的轉(zhuǎn)速下存在一最高效率點(diǎn)，該點(diǎn)稱為泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)。泵在與最高效率點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的流量及揚(yáng)程下工作時(shí)最為經(jīng)濟(jì)，因此把與最高效率相對(duì)應(yīng)的流量、揚(yáng)程及功率稱為最佳工況參數(shù)。離心泵的銘牌上所標(biāo)記的性能參數(shù)就是指其最佳工況參數(shù)。在選用離心泵時(shí)，應(yīng)使它的實(shí)際工作情況與最高效率點(diǎn)相等或相近，如圖中波折號(hào)所示的范圍，稱為泵的高效率區(qū)。離心泵的特性曲線是在固定轉(zhuǎn)速下，由輸送清水實(shí)驗(yàn)所測(cè)定的，若輸送液體與水的物理性質(zhì)差別較大時(shí)，泵的特性曲線必須進(jìn)行校正。離心泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，泵的特性曲線也將隨之改變。離心泵的轉(zhuǎn)速與He,Ne及qV的關(guān)系式如下：qv，l／qv，2=nl／n2(3—54a)He,l／He,2=(nl／n2)2(3－54b)Ne,1／Ne,2=(nl／n2)3(3－54c)式中：nl、n2是離心泵的轉(zhuǎn)速，單位為r．min-1。例3-8為了核定一臺(tái)已使用過(guò)的離心泵的性能，在轉(zhuǎn)速為2900r·min-1時(shí)，以20℃清水為介質(zhì)測(cè)得以下數(shù)據(jù)：孔板流量計(jì)壓差計(jì)的讀數(shù)為900mmHg，泵出口處壓力表讀數(shù)為2.6kgf·cm-2，泵入口處真空計(jì)的讀數(shù)為200mmHg，功率表測(cè)得電動(dòng)機(jī)所消耗的功率為6.2kw。由實(shí)驗(yàn)提供的流量曲線查得，當(dāng)流量計(jì)讀數(shù)為900mmHg時(shí)，對(duì)應(yīng)的流量為0.0125m3·s-1。兩測(cè)壓口間的垂直距離為解：①泵的揚(yáng)程計(jì)算選取真空計(jì)和壓力表所處的位置分別為截面1一l’及2—2”Z1+u12/(2g)+p1/(ρg)+He=Z2+u22/(2g)+p2/(ρg)+∑式中Z2—Z1＝051p1＝200×9.807×102/735.6N·m-2=-2.67×104N·m-2(表壓)p2＝2.6×9.807×104N·m-2=2.55×105N·m-2(表壓)又u1=u2因兩測(cè)壓口間的管路很短，其間的流動(dòng)阻力可忽略不計(jì)，即∑hf,l~2＝0。故He＝0.5m＋(2.55×105＋2.67×104kg·s－2·m-1)/1000kg·m-3×9.807m泵的軸功率的計(jì)算電動(dòng)機(jī)的輸出功率Na=6.2×103×0.93＝5.77×103W＝5.77kw因此，泵的軸功率為：Na=5.77kw③泵的效率的計(jì)算有效功率：Ne=qvgHe＝0.0125m3·s-1×I000kg·m-3×9.807m·s－2×29.2m＝3.58×泵的效率為：η=(Ne／Na)×100％＝(3.58/5.77)×100％＝62％(4)離心泵的安裝高度和氣蝕現(xiàn)象離心泵的安裝高度有一定的限度，超過(guò)這一限度，泵就不能吸入液體，這個(gè)限度取決于泵的吸上真空高度。兩者的關(guān)系可以通過(guò)能量衡算求得。如圖3—30所示，設(shè)泵的入口處的壓力為pl，貯槽液面上的壓力為p0，液體的密度為，液體在吸入管路的摩擦損失(包括局部阻力)為∑hf液體在入口處的流速為u1，而貯槽內(nèi)液體流速在一般情況下很小，可認(rèn)為等于零。以貯槽液面0一0’為基準(zhǔn)水平面，則在0一0’與1—1”兩截面之間液體流動(dòng)的能量衡算式為：P0／(g)＝Hg＋P1／(g)＋u12／(2g)＋hf(3－55)或Hg=(P0－P1)／(g)－u12／(2g)－h(huán)f(3－55a)(P0－P1)／g稱為離心泵吸上真空高度，記作Hs，表示泵吸入口處壓力P1可達(dá)到的真空度,P1越小，Hs越大，Hg便越大。但P1等于或小于在當(dāng)時(shí)溫度下的飽和蒸氣壓時(shí)，液體將生成大量氣泡，這些氣泡隨液體流到葉輪壓力較高的區(qū)域后，隨即被壓縮、破裂又突然凝結(jié)，在凝結(jié)的一瞬間，周圍的液體便以很大的速度沖向氣泡占據(jù)的空間，從而產(chǎn)生很大的沖擊力沖擊葉輪和泵殼內(nèi)表面，其頻率達(dá)到每秒鐘2～3萬(wàn)次，使葉輪和泵殼內(nèi)表面造成嚴(yán)重的剝蝕現(xiàn)象。此外，在所產(chǎn)生的氣泡中還夾雜有一些活潑的氣體(如氧等)，借助氣泡凝結(jié)時(shí)放出的熱量，對(duì)葉輪和泵殼內(nèi)表面起化學(xué)腐蝕作用。兩者共同作用的結(jié)果，更加快了葉輪和泵殼損壞速度，這種現(xiàn)象稱為“氣蝕”。此時(shí)，泵的揚(yáng)程顯著下降，同時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)和噪音，葉輪和泵殼將受到嚴(yán)重的損壞。因