1、第三章流体流动过程及流体输送设备l流体的基本性质l流体流动的基本规律l流体压力和流量的测量l管内流体流动的阻力l流体输送设备研究流体的流动与输送要解决以下问题l流体输送所需管径尺寸的选择l输送流体所需能量和设备的确定l流体性能参数的测量和控制l研究流体的流动形态l了解流体输送设备的工作原理和操作性能3.1 流体的基本性质l1.密度:单位体积流体所具有的质量称为流体的密度.l2.比体积: 单位质量流体所具有的体积l3.压力: 流体垂直作用于单位面积上的力 (1)绝对压力：以绝对零压为起点而计量（2）表压：以大气压力为基准而计量的压力。大气压 为表压 大气压 为真空度l表压=绝对压力-大气压力l真
2、空度=大气压力-绝对压力l4.流量和流速l（1）流量：单位时间内流体经过管道任一截面的流体的量。若用流体的体积量来表示，称为体积流量。（2）流速：单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离 。用u表示l u =qv/SlS：与流体流动方向相垂直的管道截面积l 5.粘度：衡量流体粘性大小的物理量。l 牛顿粘性定律 式中：流体的粘度，Pa.s（N.s/m2）; 法向速度梯度，1/s。牛顿粘性定律l （3）牛顿粘性定律 式中：流体的粘度，Pa.s（N.s/m2）; 法向速度梯度，1/s。3.2流体流动的基本规律l1、定态流动和非定态流动l2、流体定态流动过程的物料衡算（连续性方程）l3、流体定态
3、流动过程的能量衡算（柏努力方程）l4、流体流动规律的应用举例1、定态流动和非定态流动l定态流动：流速、压力、密度等物理量不随时间而改变l非定态流动：流速、压力、密度等物理量中任意一项随时间而改变2、流体定态流动过程的物料衡算l 当流体在流动系统中作定态流动时，根据质量作用定律，在没有物料累积和泄漏的情况下，单位时间内通过流动系统任一截面的流体的质量应相等。 qm,1= qm,2 3、流体定态流动过程的能量衡算l一、柏努利方程式的建立一、柏努利方程式的建立l流体作稳定流动时，有四种能量可能发生流体作稳定流动时，有四种能量可能发生变化。即变化。即 位能位能l 动能动能 机械能机械能l 静压能静压能
4、l 内能内能l能量之间是可以互相转化的，内能与机械能量之间是可以互相转化的，内能与机械能之间也是如此。能之间也是如此。 l为了使问题简化，我们首先建立理想液体的柏式。l理想液体的特点理想液体的特点 ：l （1）绝对不可压缩）绝对不可压缩（比容不随压强P而变） l （2）完全没有粘性）完全没有粘性（无内摩擦力，即没有机械能向内能的转化，即T不变）l（3）流动时无阻力）流动时无阻力。l理想流体流动时，只有机械能之间的转化，而无内能的增减。1122p1p2A1A2OOv1v2H1H2l对于稳定流动，每m kg流体经截面11进入系统内，必有m kg流体经截面22离开这个系统。，以m kg流体作为衡算的
5、基准。l1、位能、位能l流体受重力的作用，在不同的高度具有不同的位能。它是个相对值。l位能= mgZl单位：mgZ= kgm/s2m = Nm =Jl，mgZ流体在截面11 ，22所具有的位能分别为：mgZ1 , mgZ2l 2、动能、动能l 流体流动时所具有的能量。l 动能=l 这一能量相当于将mkg流体从速度为零加速到速度为所做的功。l 单位：= kgm2/s2= Nm = Jl mkg流体在截面11，22处所具有的动能分别为：，221mul mkg流体在截面11，22处所具有的l 动能分别为： mu12 ， mu22 21213、静压能（流动功）、静压能（流动功）l在静止或流动的流体内部
6、任一处都有一定的静压强。液体vl如mkg流体，体积为Vm3，通过截面11，把该流体推进此截面所需的作用力=P1S1。l流体通过此截面所走的距离= ，l流体带入系统的静压能=l单位： 11SV11AV11AV11AV111111VPSVSP111111VPAVAPJNmmmNVP3211同理：22截面处流体所具有的静压能为P2V2。l根据能量守恒与转化定律，两截面所具有的总机械能相等， 222221121122VPmumgZVPmumgZl 两边除以m ， V=V1=V2 l J/kg （1）l 两边除以g， l 米液柱（2）VmVm2222121122PugZPugZgpguZgpguZ222
7、2121122二、柏式的引申二、柏式的引申l实际流体有粘性，所以在流动时有摩擦阻力产生，其数值的大小视 l 流体的性质 l 流动的状况l 管壁的粗糙程度 而定。有外加流体输送机械对流体作功。所以，实际流体的柏努利方程式变为：l m (3) feHgpguZHgpguZ2222121122流体输送所需功率是指：单位时间耗用的能量，l实际功率 emeveagHqgHqNNl式中：Ne理论功率l 输送设备的效率l工程上将每kg流体所具有的各种形式的能量统称为压头压头，如lZ：位压头位压头（简称位头）l ：动压头，动压头，又称速度头速度头。l ：静压头静压头gu22gPlHe：输送设备对流体所提供的能
8、量，又称有效压头。有效压头。lHf：因阻力所消耗的能量，又称压头损失压头损失。l压头压头可以互相转化，是某一截面的能量。l压头损失压头损失为沿程的压头损失，不是某一截面的。压头一经损失掉，就不能变回系统里任何一种形式的压头。三、柏努利的讨论三、柏努利的讨论l1、方程使用条件：连续系统，稳定流动，不可压缩性流体。l2、对于气体，当压强变化l时，公式仍适用，其结果是足够准确的。计算时只需将气体的密度 用平均密度 代替，即 。%20121PPPm221ml3、对于静止流体，u=0，He=0，Hf=0，则（3）式变为gPZgPZ22112112ZZgPPl4、对于实际流体的流动， ，它有压头损失。l5
9、、对于不稳定流动，在任一瞬间柏式方程仍能成立。0fH四、应用柏式解题要点四、应用柏式解题要点l（一）、画示意图（一）、画示意图，标明流动方向标明流动方向OO1122H1H2l（二）、选截面（二）、选截面l取截面是为了确定能量的衡算范围。l1、需求取的未知量必须在截面上或两截面间。l2、流动方向与截面相垂直。l3、以上游为11，下游为22，把所选截面标在图上。l4、截面不要选在转弯处或直径突变处。（三）选水平基准面（三）选水平基准面l1、水平基准面的的高度可以任意选取，但必须与地面平行。l2、截面位置在水平基准面的上方，其位压头为正，反之为负。l3、把所选基准面标在图上。l（四）单位要统一（四）
10、单位要统一（SI制）五、柏式应用举例五、柏式应用举例l1、确定容器间的相对位置、确定容器间的相对位置l已知：高位槽和反应器均为敞口容器。l管内流速=2m/s，Hf =2m ，求 hatmatmhO112O2l解：在11，22间列柏式，以00为基准面。lz1=h，z2=0，P1=P2=0（表压）lu1= 0，u2 = 2m/s ，Hf = 2m，He = 02 . 22222222gHguhf2、确定管路中流体的压强、确定管路中流体的压强p1p2u3mO12O21ggppl已知， kg/m3 ，u1=2m/S ，u2=8m/slP1=117.72kPa（表压），Hf =0 （忽略），求 P2 l
11、解：在11，22 间列柏式，以00为基准面。lZ1=0，He=0，Hf =01000gugPZgugP222222211aPgguZgugPP5831181. 91000)26. 33204. 012(1000)81. 928381. 92281. 91000117720()22(2222221123、确定输送设备的有效功率、确定输送设备的有效功率蒸发室atm15m12o1o2l已知料液 =1200kg/m3 ，蒸发室真空度=200mmHg，输送管道 684，体积流量=20m3/h ， ，求泵的理论功率。l解：在11，22间列柏式，以00为基准面。lZ1=0 ， Z2=15m ，P1=1atm
12、 ，u1=0feHgpguZHgP222212lP2= （真空度）lP2=101325-26665=74660Pa（绝对压）Pa2666510132576020097. 1360006. 0785. 02022umHgPPguZHfe9 .24123 . 22 . 0151281. 912001013257466081. 9297. 1152212222l理论功率：kWWgHqNeve6285.15.16289.2481.91200360020l 实际功率：l Na=Ne/l Na=1.6285kW/0.60l =2.75kW3.3流体压力和流量的测量l一、孔板流量计一、孔板流量计12o1o2
13、ul在11,22间列柏式，基准面取管中心线。 Hf = 0（暂时看作）l hguugPP2212221ghuu22122U2-缩脉处流速上式中：l 1、未考虑Hf（它不等于0）l 2、缩脉处的截面积S2是随流动条件而改变的未知（缩脉直径的大小、位置 随流况而变）。，u2无法知道。l 3、孔口截面积S0为已知，孔口流速U0也已知，用U0代替u2用校正系数C来校正： l1、不可忽略的Hf 。l 2、缩脉截面积与孔口截面积之差。l3、上、下游测压口的位置。ghCu200U测压计公式测压计公式： l 两边除以 g，l 体积流量 l C0校正系数，由实验确定，一般在0.610.62之间。l 对于标准的孔
14、板，有图表可查。)(21ARgpp00AuqvhRgPPA)(21)(200AgRCul孔板流量计的优点孔板流量计的优点：易于制造；适合大流量的测量。l缺点缺点：流体流经孔板的能量损失大；孔板的锐边容易腐蚀、易磨损，流量计应定期进行校正。二、文丘里流量计二、文丘里流量计l为了减少流体流经孔板的能量损失，用一支渐缩渐扩管代替孔板。这样构成的流量计称为文丘里流量计。l文丘里流量计的计算公式与孔板流量计相类似。)(20AvgRCu00Suqv12 R1OO2du三、转子流量计三、转子流量计1212ul1、工作原理、工作原理l当流体通过转子与玻璃管形成的环隙时，流道截面积S,流速u，流体静压强p ，在
15、转子上产生一个压力差，即向上的推力,转子 。l当转子停留在某一位置时，转子与管间的环形截面积一定。流体通过此环形时，流速与静压强的变化关系与通过孔板流量计孔口的情况相似。因此，转子流量计的计算公式可仿照孔板流量计的公式写出。RRRRSgVCu)(200Auqv转子流量计的优点转子流量计的优点：l1、能直接观察到流量计内流体的流动状况。l 2、压头损失小，测量范围宽。l 3、流量计前后不需要有一定长度的直管段。l注意：注意：安装时必须保持垂直。孔板流量计与转子流量计的区别孔板流量计与转子流量计的区别区别点孔板流量计转子流量计流通截面形状圆孔 大小不变环形 大小改变通过流通截面的流速U随流量qv改
16、变U不随qv改变通过流通截面的压强差 改变 不变3.4管内流体流动的阻力l一、流体阻力的表现及来源一、流体阻力的表现及来源l1、表现、表现压强降压强降Oh1212Op2p1pgpgl水平管道，管径均一。l阀门关闭时，l开启时， hgPgP21gPgPh21在11,22间列柏式，00为基准。 l 为压强降。为压强降。 的习惯写法为l （终态-始态）。fHgPgP21gPgPPgPPHf1221PPP12PPP2、来源、来源内摩擦内摩擦l流体阻力大小的决定因素：l 流体自身的性质（粘度） 主要l 流体的流动状况（流型）l l 管壁的粗糙度。 次要二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数l1、雷
17、诺实验、雷诺实验lReynolds 英国学者，他在1883年做了如下实验。最后归纳为雷诺准数 l不论采用什么单位制，Re均无因次，凡是由几个有内在联系的物理量按无因次这个条件组合起来的数群，称为准数准数。duRe2、流动类型、流动类型l Re 4000 湍流l 2000Re输送液体的饱和蒸气压。否则，吸入液体就会在泵中心处气化，体积突然膨胀。当含有大量气泡的液体由低压区进入高压区时，气泡受压而迅速凝结，因而形成局部真空，周围的液体便以极大的速度冲向原来气泡所在的空间，在冲击点上产生几百大气压的局部压强，使叶轮遭到破坏，这种现象称为“气蚀气蚀”。气蚀发生后，泵体震动，产生明显噪音，泵的流量、扬程、效率显著降低。必须避免。l 泵的允许吸上真空高度Hs由制造厂实验测定。其测定条件是在1大气压下用20清水。如果输送时的条件与上述条件不同，则对Hs进行换算，其换算公式如下：l Hs=Hs10+HaHtl 式中 Hs输送条件下的允许吸上真空高度，ml Hs说明书上查得的数值， ml Ha泵工作地点大气压 ，m水柱l Ht输送温度下水的饱和蒸气压，m水柱
