第一章流体流动与输送设备

第一章流体流动与输送设备第一节流体静力学流体静力学主要研究流体处于静止时各种物理量的变化规律。1-1-1密度单位体积流体的质量，称为流体的密度。液体密度一般液体可视为不可压缩性流体，其密度基本上不随压力变化，但随温度变化，变化关系可从手册中查得。液体混合物的密度由下式计算：式中，为液体混合物中i组分的质量分数；气体密度气体为可压缩性流体，当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算一般在手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下的数值，若条件不同，则此值需进行换算。气体混合物的密度由下式计算：式中，为气体混合物中i组分的体积分数。或其中式中，为气体混合物中各组分的摩尔分率。对于理想气体，其摩尔分率y与体积分数φ相同。1-1-2压力流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，又称为压力。在静止流体中，作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。压力的单位（1）按压力的定义，其单位为N/m2，或Pa；（2）以流体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。标准大气压的换算关系：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O压力的表示方法表压=绝对压力－大气压力真空度=大气压力－绝对压力1-1-3流体静力学基本方程静力学基本方程：压力形式能量形式适用条件：在重力场中静止、连续的同种不可压缩流体。（1）在重力场中，静止流体内部任一点的静压力与该点所在的垂直位置及流体的密度有关，而与该点所在的水平位置及容器的形状无关。（2）在静止的、连续的同种液体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。（3）物理意义：静力学基本方程反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系，在同一静止流体中，处在不同位置的位能和静压能各不相同二者可以相互转换，但两项能量总和恒为常量。应用：1.压力及压差的测量（1）U形压差计若被测流体是气体，可简化为U形压差计也可测量流体的压力，测量时将U形管一端与被测点连接，另一端与大气相通，此时测得的是流体的表压或真空度。（2）倒U形压差计（3）双液体U管压差计2.液位测量3.液封高度的计算第二节流体动力学1-2-1流体的流量与流速一、流量体积流量VS单位时间内流经管道任意截面的流体体积，m3/s或m3/h。质量流量mS单位时间内流经管道任意截面的流体质量，kg/s或kg/h。二、流速平均流速u单位时间内流体在流动方向上所流经的距离，m/s。质量流速G单位时间内流经管道单位截面积的流体质量，kg/（m2·s）。相互关系：质量流量mSkg/smS=VSρ体积流量VSm3/s质量流速Gkg/（m2·s）(平均)流速um/sG=uρ1-2-2定态流动与非定态流动流体流动系统中，若各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化，这种流动称之为定态流动；若流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化，则称为非定态流动。1-2-3定态流动系统的质量守恒——连续性方程1-2-4定态流动系统的机械能守恒——柏努利方程一、实际流体的柏努利方程以单位质量流体为基准：J/kg以单位重量流体为基准：J/N=m适用条件：（1）两截面间流体连续稳定流动；（2）适于不可压缩流体，如液体；对于气体，当，可用两截面的平均密度ρm计算。二、理想流体的柏努利方程理想流体是指没有黏性（即流动中没有摩擦阻力）的不可压缩流体。表明理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，三、柏努利方程的讨论（1）当系统中的流体处于静止时，柏努利方程变为上式即为流体静力学基本方程式。（2）在柏努利方程式中，zg、、分别表示单位质量流体在某截面上所具有的位能、动能和静压能；而We、ΣWf是指单位质量流体在两截面间获得或消耗的能量。输送机械的有效功率：输送机械的轴功率：四、柏努利方程的应用应用柏努利方程时需注意的问题：（1）截面的选取所选取的截面应与流体的流动方向相垂直，并且两截面间流体应是定态连续流动。截面宜选在已知量多、计算方便处。截面的物理量均取该截面上的平均值。（2）基准水平面的选取基准水平面可以任意选取，但必须与地面平行。为计算方便，宜于选取两截面中位置较低的截面为基准水平面。若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选管中心线的水平面。（3）计算中要注意各物理量的单位保持一致，对于压力还应注意表示方法一致。第三节管内流体流动现象1-3-1流体的黏度一、牛顿黏性定律牛顿黏性定律表明流体在流动中流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度之间的关系，其表达式为或牛顿黏性定律适用于层流。黏度是度量流体黏性大小的物理量，一般由实验测定。物理意义：促使流体在与流动相垂直方向上产生单位速度梯度时的剪应力。单位：Pa·s，cP1cP=10-3Pa·s影响因素：温度与压力液体：T↑，μ↓；不考虑p的影响。气体：T↑，μ↑；一般在工程计算中也不考虑p的影响。剪应力与速度梯度的关系符合牛顿黏性定律的流体，称为牛顿型流体；不符合牛顿黏性定律的流体称为非牛顿型流体。运动黏度为黏度μ与密度ρ的比值，单位为m2/s，也是流体的物理性质。1-3-2流体的流动型态一、流体流动类型层流（或滞流）流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，流体分为若干层平行向前流动，质点之间互不混合；湍流（或紊流）流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时发生变化，质点互相碰撞和混合。二、流型判据——雷诺准数（1-28）Re为无因次准数，是流体流动类型的判据。（1）当Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区；（2）当Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；（3）当2000Re4000时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。根据Re准数的大小将流动分为三个区域：层流区、过渡区、湍流区，但流动类型只有两种：层流与湍流。雷诺准数物理意义：表示流体流动中惯性力与黏性力的对比关系，反映流体流动的湍动程度。1-3-3流体在圆管内的速度分布一、层流时的速度分布由实验和理论已证明，层流时的速度分布为抛物线形状，管中心处速度为最大，管壁处速度为零。管截面上的平均速度与中心最大流速之间的关系为二、湍流时的速度分布湍流时速度分布由实验测定，管中心区速度最大，管壁处速度为零。管截面上的平均速度与中心区最大流速之间的关系为三、层流内层的概念当流体在管内处于湍流流动时，由于流体具有黏性和壁面的约束作用，紧靠壁面处仍有一薄层流体作层流流动，该薄层称为层流内层（或层流底层），层流内层为传递过程的主要阻力。其厚度与流体的湍动程度有关，流体的湍动程度越高，层流内层越薄。层流内层只能减薄，但不能消失。第四节流体流动阻力1-4-1流体在直管中的流动阻力一、直管阻力的通式范宁公式的几种形式：能量损失压头损失压力损失二、层流时的摩擦系数层流时摩擦系数λ是雷诺数Re的函数流体在直管内层流流动时能量损失的计算式为或——哈根-泊谡叶方程表明层流时阻力与速度的一次方成正比。三、湍流时的摩擦系数因次分析法主要步骤（1）通过初步的实验和较系统的分析，找出影响过程的主要因素；（2）通过无因次化处理，将影响因素组合成几个无因次数群，减少变量数和实验工作量；（3）建立过程的无因次数群关联式（通常采用幂函数形式），通过实验确定出关联式中各待定系数。因次分析法的基础：因次一致性，即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次。因次分析法的基本定理：设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本因次数为m个，则该物理现象可用N＝（n－m）个独立的无因次数群表示。湍流时摩擦系数λ是Re和相对粗糙度的函数：λ-Re-图：（1）层流区Re2000λ=64/Re，与无关Wf,hf∝u1（2）过渡区2000Re4000λ=f（Re，）（3）湍流区Re4000λ=f（Re，）Wf,hf∝u1~2（4）完全湍流区ReRecλ=f（）与Re无关Wf,hf∝u2(阻力平方区)(虚线以上)四、非圆形管内的流动阻力此时仍可用圆管内流动阻力的计算式，但需用非圆形管道的当量直径代替圆管直径。当量直径1-4-2局部阻力一、阻力系数法将局部阻力表示为动能的某一倍数，或式中，ζ称为局部阻力系数，一般由实验测定。注意，计算突然扩大与突然缩小局部阻力时，u为小管中的大速度。进口阻力系数，出口阻力系数。二、当量长度法将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为的直管所产生的阻力即或式中称为管件或阀门的当量长度，也是由实验测定。1-4-3流体在管路中的总阻力当管路直径相同时，总阻力：或注意：计算局部阻力时，可用局部阻力系数法，亦可用当量长度法，但不能用两种方法重复计算。第五节管路计算1-5-1简单管路在定态流动时,其基本特点为：（1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变，即(2)整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和，即计算可分为两类：设计型和操作型。计算中注意试差法的应用。1-5-2复杂管路一、并联管路特点：（1）主管中的流量为并联的各支管流量之和，对于不可压缩性流体，则有（2）并联管路中各支管的能量损失均相等，即注意：计算并联管路阻力时，可任选一根支管计算，而绝不能将各支管阻力加和在一起作为并联管路的阻力。二、分支管路与汇合管路特点：（1）总管流量等于各支管流量之和，对于不可压缩性流体，有（2）虽然各支管的流量不等，但在分支处O点的总机械能为一定值，表明流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和必相等。第六节流速与流量的测量1-6-1测速管测速管测得的是流体在管截面某点处的速度，点速度与压力差的关系为：用U形压差计测量压差时注意测速管安装时的若干问题。1-6-2孔板流量计孔板流量计是利用流体流经孔板前后产生的压力差来实现流量测量。孔速体积流量质量流量式中C0为流量系数或孔流系数，，常用值为C0＝0.6～0.7。孔板流量计的特点：恒截面、变压差，为差压式流量计。1-6-3文丘里（Venturi）流量计文丘里流量计也属差压式流量计，其流量方程也与孔板流量计相似，即式中CV为文丘里流量计的流量系数（约为0.98～0.99）。文丘里流量计的能量损失远小于孔板流量计。1-6-4转子流量计转子流量计是通过转子悬浮位置处环隙面积不同来反映流量的大小。环隙流速体积流量式中CR为流量系数，AR为转子上端面处环隙面积。转子流量计的特点：恒压差、恒环隙流速而变流通面积，属截面式流量计。转子流量计的刻度，是用20℃的水（密度为1000kg/m3）或20℃和101.3kPa下的空气（密度为1.2kg/m3）进行标定。当被测流体与上述条件不符时，应进行刻度换算。在同一刻度下，两种流体的流量为式中下标1表示标定流体的参数，下标2表示实际被测流体的参数。注意：转子流量计必须垂直安装；为便于检修，转子流量计应安装支路。第七节流体输送设备1-7-1离心泵一、离心泵的工作原理与构造1.工作原理离心泵启动前，应先将泵壳和吸入管路充满被输送液体。启动后，泵轴带动叶轮高速旋转，在离心力的作用下，液体从叶轮中心甩向外缘。流体在此过程中获得能量，使静压能和动能均有所提高。液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的静压能进一步提高，最后以高压沿切线方向排出。液体从叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成低压，在贮槽液面和泵吸入口之间压力差的作用下，将液体吸入叶轮。可见，只要叶轮不停地转动，液体便会连续不断地吸入和排出，达到输送的目的。气缚现象：离心泵启动前泵壳和吸入管路中没有充满液体，则泵壳内存有空气，而空气的密度又远小于液体的密度，故产生的离心力很小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内液体吸入泵内，此时虽启动离心泵，也不能输送液体，此种现象称为气缚现象，表明离心泵无自吸能力。因此，离心泵在启动前必须灌泵。2.离心泵的主要部件叶轮其作用为将原动机的能量直接传给液体，以提高液体的静压能与动能（主要为静压能）。泵壳具有汇集液体和能量转化双重功能。