1、第二章第二章 流体的流动与输送流体的流动与输送第一节第一节 一些基本概念一些基本概念第二节第二节 流体定态流动时的衡算流体定态流动时的衡算第三节第三节 实际流体的流动实际流体的流动第四节第四节 流体在管内流动时的阻力计算流体在管内流动时的阻力计算第五节第五节 流体的输送机械流体的输送机械2023-2-2第二章 流体的流动与输送2研究目的研究目的u 确定输送量的大小和设备类型确定输送量的大小和设备类型u 确定输送管径大小确定输送管径大小u 流体流量的测定与控制流体流量的测定与控制u 强化生产设备强化生产设备2023-2-2第二章 流体的流动与输送3第一节第一节 一些基本概念一、理想流体和实际流体
2、一、理想流体和实际流体理想流体：是指不具粘度，因而流动时不产生摩理想流体：是指不具粘度，因而流动时不产生摩 擦的流体。擦的流体。理想流体理想流体 理想气体理想气体 理想液体理想液体理想流体的特点理想流体的特点 理想液体不可压缩不膨胀，无相理想液体不可压缩不膨胀，无相互作用。互作用。理想气体流动时没有摩擦阻力理想气体流动时没有摩擦阻力2023-2-2第二章 流体的流动与输送4当温度等条件改变时可用理想气体方程确定当温度等条件改变时可用理想气体方程确定以当时条件和标准条件对比时：以当时条件和标准条件对比时：mPVnRTRTM000PVP VTTV 该条件下气体的体积，单位为该条件下气体的体积，单位
3、为m3P 该条件下系统的压力，该条件下系统的压力，单位为单位为Pa；T该条件下系统的温度，单位为该条件下系统的温度，单位为KM气体的摩尔质量，单位为气体的摩尔质量，单位为kg.mol-1R摩尔气体常数，摩尔气体常数，8.314J.K-1.mol-1 或或0.08206m3.atm.k-1.kmol-12023-2-2第二章 流体的流动与输送5实际流体：是指具有粘度，流动时会产生摩实际流体：是指具有粘度，流动时会产生摩 擦阻力的流体。擦阻力的流体。实际气体：分子间有相互作用，分子有一定体积。实际气体：分子间有相互作用，分子有一定体积。实际液体：分子间有相互作用，可压缩，有热膨胀。实际液体：分子间
4、有相互作用，可压缩，有热膨胀。流动时会产生阻力流动时会产生阻力 不是可以无限压缩不是可以无限压缩 高高T T低低p p时可按理想气体处理。时可按理想气体处理。流动产生阻力较气体的大流动产生阻力较气体的大 可可压缩性小：压缩性小：100atm,100atm,减小减小1/2001/200。2023-2-2第二章 流体的流动与输送6二、流体的密度、相对密度和比容二、流体的密度、相对密度和比容 1、密度：密度：密度密度 是指单位体积物料所具有的质量。是指单位体积物料所具有的质量。kg.mkg.m-3-3 2、相对密度相对密度：相对密度相对密度d d是指给定条件下某一物质的密度是指给定条件下某一物质的密
5、度 1 1 与另一参考物质的密度与另一参考物质的密度 2 2之比。之比。mV1d常用的是与常用的是与277K277K的纯水之比，用的纯水之比，用d dT T277277或或d dT T4 4表示：表示：277277Td水2772772771000TTdd水kg/mkg/m3 32023-2-2第二章 流体的流动与输送7比容比容v数值上是密度的倒数。数值上是密度的倒数。1Vvm单位：单位：m3.kg-1关系：关系：27711000TmdV2023-2-2第二章 流体的流动与输送8 纯液体密度一般可从手册查得。如本书附表三纯液体密度一般可从手册查得。如本书附表三 纯气体在纯气体在T较大，较大，p较
6、低时，可按理想气体处理：较低时，可按理想气体处理：mpMVRTmpVnRTRTM 混合气体：高混合气体：高T低低p时：时：pMRT均均其中其中1 122.nniiMM xM xM xM x均2023-2-2第二章 流体的流动与输送9三、流体的压力及其测量三、流体的压力及其测量1、压力、压力：物体单位面积上所受到得流体的垂直作用的力称物体单位面积上所受到得流体的垂直作用的力称 为压力强度，简称压力或压强。为压力强度，简称压力或压强。p=F/A帕斯卡，Pa=N/m2公斤(力)/厘米2，kg(f)/cm2标准大气压，atm工程大气压，at千克/厘米2，kg/cm2毫米汞柱，mm Hg米水柱，m H2
7、O毫米水柱，mm H2O单位单位换算：1atm=760 mm Hg=10.33 m H2O=1.033 kg(f)/cm2=1.033 at=101.25 kPaSI单位：帕斯卡，Pa1MPa=103kPa=106Pa=109mPa2023-2-2第二章 流体的流动与输送10换算时，可选一常用的单位为中间单位，比如atm:600 mmHg=(600 760)101.25=79.9 kPa =(600 760)1.033=0.816 kgf/cm2100 kPa?kgf/cm2?mmHg例：600 mmHg?kPa?kgf/cm2例：100kPa=(100 101.25)1.033=1.02 a
8、t =(100 101.25)760=750.9 mmHg2023-2-2第二章 流体的流动与输送113、压力的计量基准、压力的计量基准 绝对压力：以绝对真空绝对压力：以绝对真空(即零压力即零压力)为基准。为基准。表压表压：以当地大气压为起点的压力称为表压以当地大气压为起点的压力称为表压真空度：真空度：对低于当时当地大气压的系统测压时，低于对低于当时当地大气压的系统测压时，低于 当时大气压的这部分称为真空度当时大气压的这部分称为真空度.2023-2-2第二章 流体的流动与输送12绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力绝对压力测定压力测定压力表压表压大气压大气压当时当地
9、大气压当时当地大气压（表压为零）（表压为零）绝对压力为零绝对压力为零真空度真空度绝对压力绝对压力测定压力测定压力（a）测定压力测定压力大气压大气压（b）测定压力测定压力大气压大气压表压表压=绝对压力绝对压力 当地大气压当地大气压真空度真空度=当地大气压当地大气压 绝对压力绝对压力2023-2-2第二章 流体的流动与输送13（1）流体静力学基本方程式）流体静力学基本方程式下底面所受之向上总压力为下底面所受之向上总压力为p2A上底面所受之向下总压力为上底面所受之向下总压力为p1A整个液柱之重力整个液柱之重力GgA(H1-H2)向下向下向上向上所选液柱为静止流体的一部分，受力应平衡：所选液柱为静止流
10、体的一部分，受力应平衡：2112()0p Ap AgA HH2112()ppg HH（1）1122pgHpgH（2）上端面为液面时：上端面为液面时：20ppgh（3）p0p1p2GH2H1hAA2023-2-2第二章 流体的流动与输送14当液面压强有变化时，液体内部各点当液面压强有变化时，液体内部各点压强压强也发生相同大小的变化。也发生相同大小的变化。连通着的同一流体同一水平面各点的压强相等。连通着的同一流体同一水平面各点的压强相等。20ppgh（3）静止流体内任一点的压强与流体性质静止流体内任一点的压强与流体性质()和位置和位置(h)有关。有关。p=f(,h)2023-2-2第二章 流体的流
11、动与输送15(2)以液柱表示的压力以液柱表示的压力20ppghp0为当地大气压时：为当地大气压时：p=gh(表压表压)h=p/g因此可以用液柱高度因此可以用液柱高度h来表示压力大小。来表示压力大小。要指明液体的种类，必要时，指明温度。要指明液体的种类，必要时，指明温度。同种流体，不同高度表示不同的压力：同种流体，不同高度表示不同的压力：不同流体相同高度表示不同压力：不同流体相同高度表示不同压力：1122phph1122pp不同流体表示同一压力：不同流体表示同一压力：1gh1=2gh21221hh2023-2-2第二章 流体的流动与输送16弹簧管压力表5、测压仪表（1）、弹簧管压力表压力表结构图
12、1.表壳 2.弹簧管 3.指针 4.机芯 5.连杆 6.刻度盘 7.接头2023-2-2第二章 流体的流动与输送17根据流体静力学基本方程式则有根据流体静力学基本方程式则有U型管左侧型管左侧 pbp2+mg+R0g papbU型管右侧型管右侧 pap1+(m+R)g得得 p1-p2R(0)gU型压力计型压力计管内盛有与测量流体互不相溶的、密度为管内盛有与测量流体互不相溶的、密度为0的指示液，的指示液，U型管的两侧分别联结到被测系统的两点，随测量的型管的两侧分别联结到被测系统的两点，随测量的压力差不同，压力差不同，U型管中指示液显示不同的高度差型管中指示液显示不同的高度差 结构：结构：原理：原理
13、：2023-2-2第二章 流体的流动与输送18 当测量气体时当测量气体时 0-0，可简化为可简化为 p=p1-p2R0g 当压力计的一端通大气时，测得的是表压或真空度。当压力计的一端通大气时，测得的是表压或真空度。R在通大气一测，在通大气一测，p为表压；为表压；R在被测流体一测，在被测流体一测，p为真空度；为真空度；当当p 一定时，一定时，R读数大小与指示液密度有关。读数大小与指示液密度有关。（0）大）大，R小；小；（0）小）小，R大；大；2023-2-2第二章 流体的流动与输送19 质量流量质量流量qm：单位时间内流体流经管道任一截面的质量。：单位时间内流体流经管道任一截面的质量。1、流量：
14、单位时间内通过任一截面的流体的量。、流量：单位时间内通过任一截面的流体的量。体积流量体积流量qV：单位时间内流体流经管道任一截面的体积。：单位时间内流体流经管道任一截面的体积。VtVq m3/s 或或 m3/hmmqtkg/s，t/h qV与与qm关系：关系：mVmVqqtt即：即：mVqq2023-2-2第二章 流体的流动与输送202、流速、流速v定义：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离定义：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离,m/s。或或与流量的关系：与流量的关系：36003600VmqqvAAVmqqvAA流速通常是指流体在整个流道截面上的平均流速。流速通常是指流体在整个
15、流道截面上的平均流速。工业上流体的流速一般：工业上流体的流速一般：v v液液vv气气vh2h4h32023-2-2第二章 流体的流动与输送38（3）计算外加能量。计算外加能量。2221212122efvvppHHHHgggg22fvpHHgg 计算输送流体所需功率可按下式进行：计算输送流体所需功率可按下式进行：eVemeaPqgHq gHP其中其中Pa为实际功率，为实际功率，Pe为理论功率，为理论功率，为效率。为效率。emeVePq gHqgH2023-2-2第二章 流体的流动与输送39（4）对于静止流体：对于静止流体：v1=v2=0，He=0，Hf=0，则有：则有：1212ppHHgg或或1
16、122pgHpgH这就是我们前面导出的流体静力学方程。因此，静止这就是我们前面导出的流体静力学方程。因此，静止流体是流体流动的一种特殊形式。流体是流体流动的一种特殊形式。2023-2-2第二章 流体的流动与输送401 1、利用柏努利方程进行计算应注意的问题：、利用柏努利方程进行计算应注意的问题：、根据题意画出流动示意图，将主要数据列于图上。、根据题意画出流动示意图，将主要数据列于图上。、确定物料能量衡算的范围，合理选择截面。、确定物料能量衡算的范围，合理选择截面。截面与流动方向垂直，两截面间流体应连续。截面与流动方向垂直，两截面间流体应连续。、基准面的选择：、基准面的选择：一般可选择两截面中的
17、一个为基准面，一个一般可选择两截面中的一个为基准面，一个H H为为0 0。、计算时，各物理量单位一致，基准一致。、计算时，各物理量单位一致，基准一致。如压力，可选表压，也可选绝压，应注明并前后一致。如压力，可选表压，也可选绝压，应注明并前后一致。截面上的量已知或可求，不选急变流动处作截面。截面上的量已知或可求，不选急变流动处作截面。上游为上游为1-11-1截面，下游为截面，下游为2-22-2截面。截面。若截面与基准面不平行，则选截面中心与基准面的距离。若截面与基准面不平行，则选截面中心与基准面的距离。2023-2-2第二章 流体的流动与输送41例例 ：高位水槽水面距出水管净垂直距离为：高位水槽
18、水面距出水管净垂直距离为6m(6m(如图如图)，出，出 水管为水管为D Dg g7070水管，管道较长，流动过程的压头损失水管，管道较长，流动过程的压头损失 为为5.75.7米水柱，求每小时可输送的水量（单位米水柱，求每小时可输送的水量（单位m m3 3.h.h-1-1）2、计算流体流动的流速和流量、计算流体流动的流速和流量解：解：作图作图 选截面：选截面：1-11-1，2-22-2 选出水管口为基准面选出水管口为基准面 H H1 1=6m=6m，H H2 2=0=0 以表压计算：以表压计算：p p1 1=p=p2 2=0=0高位槽宽液面：高位槽宽液面：v1 0He=0，Hf=5.7m2023
19、-2-2第二章 流体的流动与输送422211221222efvpvpHHHHgggg2212fvHHg212fvg HH代入数据得：代入数据得：22 9.81 65.72.426/vm sDg 70Dg 70管内径为：管内径为：d=75.5-2d=75.5-23.75=68mm=0.068m3.75=68mm=0.068m则每小时送水量为：则每小时送水量为：qv=Av=0.785d2 v =0.7850.06822.426 =8.80610-3 m3/s =31.7 m3/h若无阻力：若无阻力：22 9.81 610.85/vm s30.785/Vqmh 2023-2-2第二章 流体的流动与输
20、送433、求泵的外加功率、求泵的外加功率用用2023-2-2第二章 流体的流动与输送442221212122efvvppHHHHgggg如取碱液槽液面为如取碱液槽液面为1-1面，喷头口为面，喷头口为2-2面，面，池底为基准面：池底为基准面：H1=1.5m，H2=16m，以表压计算：以表压计算：p1=0，p2=30 kPa碱液面是宽液面：碱液面是宽液面：v1=0Hf=3m解：解：求外加能量的柏努利方程为：求外加能量的柏努利方程为：2252.863/mqvm sA 压出管压出管Dg 50的内径的内径d=60-23.5=53mm=0.053m22.8633000016 1.5320.721100eH
21、m则：则：25emePq gHW 1410.225642.560.55eaPPWkW2023-2-2第二章 流体的流动与输送454、计算有规律的非定态流动、计算有规律的非定态流动例例：水从敞口容器底的小孔中流出（如图），试计算水面：水从敞口容器底的小孔中流出（如图），试计算水面从从H1降到降到H2所需的时间。所需的时间。解：选取容器内液面为解：选取容器内液面为1-1截面，小截面，小孔为孔为2-2截面，容器底为基准面，以截面，容器底为基准面，以表压计算，柏努利方程简化为：表压计算，柏努利方程简化为：22vHg或或2vgH考虑小孔阻力系数：考虑小孔阻力系数：2vcgH若经过时间若经过时间d液面下降
22、液面下降dH，则：，则：()AdHa v d 2acgHd2023-2-2第二章 流体的流动与输送462AdHdcagH积分：2102HHAdHdcagH1222AHHcag这就是液面从这就是液面从H1下降到下降到H2所需的时间。所需的时间。若液体全部流完，则若液体全部流完，则H2=0，这时所需时间为：，这时所需时间为：122AHcag2023-2-2第二章 流体的流动与输送47 1 1、孔板流量计、孔板流量计 （Orifice Plate Flowmeter）原理：原理：通过改变流体在管道中的流通通过改变流体在管道中的流通截面积而引起动能与静压能改变来检截面积而引起动能与静压能改变来检测流量
23、。测流量。孔板流量计孔板流量计结构结构：其主要元件是在管道中插入的：其主要元件是在管道中插入的一块中心开圆孔的板。用一块中心开圆孔的板。用U U型管测量孔型管测量孔板前后的压力变化，即可算出流体在板前后的压力变化，即可算出流体在管路中的流速。管路中的流速。利用流体流动力学原理测量流体流量的仪表：利用流体流动力学原理测量流体流量的仪表：孔板流量计；文氏流量计；转子流量计孔板流量计；文氏流量计；转子流量计2023-2-2第二章 流体的流动与输送482200022vpvpHHgggg H=H0220022vpvppHggggg 22022gppvvg 00AvvAU U形管压差计：形管压差计：p p
24、=g=gR(R(i-)220002ig RAvvA020211ig RvAA2023-2-2第二章 流体的流动与输送490020221iig Rg RcvcAA00002ivg RqvAAcR R是对应的。是对应的。2023-2-2第二章 流体的流动与输送502、文丘里流量计（、文丘里流量计（Venturi Meter）原理：通过改变流体流通截原理：通过改变流体流通截 面积引起动能与静压面积引起动能与静压 能改变来进行测量，能改变来进行测量，其原理与孔板流量计其原理与孔板流量计 相同。相同。结构：采取渐缩后渐扩的流道，避免使流体出现边界层结构：采取渐缩后渐扩的流道，避免使流体出现边界层 分离而
25、产生旋涡，因此阻力损失较小。分离而产生旋涡，因此阻力损失较小。ABR2023-2-2第二章 流体的流动与输送51文丘里流量计的计算公式仍可采用孔板流量计的形式，文丘里流量计的计算公式仍可采用孔板流量计的形式，所不同的是用文丘里流量系数所不同的是用文丘里流量系数 CV 代替其中的孔流系数代替其中的孔流系数 C0，即，即 式中式中 CV 也随也随 Re和文丘里管的结构而变，由实验标定。和文丘里管的结构而变，由实验标定。在湍流情况下，喉径与管径比在在湍流情况下，喉径与管径比在 0.25-0.5 的范围内，的范围内，CV 的值一般为的值一般为 0.98 0.99。002iVg Rvc A2023-2-
26、2第二章 流体的流动与输送52转子流量计.exe2023-2-2第二章 流体的流动与输送53结构：在上大下小的垂直锥形管结构：在上大下小的垂直锥形管内放置一个可以上下浮动的内放置一个可以上下浮动的转子，转子材料的密度大于转子，转子材料的密度大于被测流体被测流体流体出口锥形硬玻璃管刻度转子流体入口11220u原理：锥形管中流体在可以上下原理：锥形管中流体在可以上下浮动的转子上下截面由于压浮动的转子上下截面由于压差（差（p1p2）所形成的向上推）所形成的向上推力与转子的重力相平衡。稳力与转子的重力相平衡。稳定位置与流体通过环隙的流定位置与流体通过环隙的流速速 v0 有关。有关。2023-2-2第二章 流体的流动与输送54当向上推力浮力与转子的重力相平衡时：当向上推力浮力与转子的重力相平衡时：式中式中A AR R、V VR R 和和R分别为转子截面积分别为转子截面积(最大部份最大部份)、体积和密度。、体积和密度。流体出口锥形硬玻璃管刻度转子流体入口11220uRRRRpggVVA2RRpvc2RRVRRRgVqa cAVRqaRRRgVpA2RRRRgVcA（R 为环隙面积）
