单元操作报告20130701

流量ssVw流体动力学单位时间内流过管道任一截面的流体数量称为流量.常用的流量表示方法有:体积流量和质量流量.(1)体积流量:单位时间内流过管道任一截面的流体体积.用Vs表示,单位m3/s.(2)质量流量:单位时间内流过管道任一截面的流体质量.用ws表示,单位kg/s.质量流量与体积流量的关系为:AVusAwGs式中:A-与流动方向相垂直的管道截面积,m2.(2)质量流速：单位面积上的质量流量.常用G表示,单位kg/m2·s.流速单位时间内流体在流动方向上流过的距离.实际上流体在管道任一截面沿径向各点上的速度都不同,管道中心处速度最大,越接近管壁处流速越小,管壁处流速为零.为了计算方便常采用平均流速和质量流速表示.(1)平均流速：单位面积上的体积流量.常用u表示,单位m/s。uG2244dVdVussuVds4上式是确定输送流体的管道直径的最基本公式.流体的体积流量一般由生产任务所决定，平均流速则需要综合考虑各种因素后进行合理地选择。流速选择的过高,管径可以减小,但流体流经管道的阻力增大,动力消耗大,操作费用随之增加.反之,流速选择的过低,操作费用可相应的减少,但管径增大,管路的投资费用随之增加.因此,适宜的流速需根据经济权衡决定.化工管道以圆形截面居多,若以d表示管道内径,则:质量流速与平均流速的关系为或.uquqdVV78504流体静力学基本方程式右图所示,设作用在上表面上的压力为P1（N）作用在下表面上的压力为P2（N）,液柱的重力为W,则得:上式称为流体静力学基本方程式,表示静止流体内部压强的变化规律.)(2112zzgpp备注：1.当液体内任一点z1上的压强p1有任何大小改变时,液体内部z2上的压强p2也有同样的改变.因此说当作用于液面上方的压强有任何大小改变时，液体内部各点上的压强也有同样的改变.2.若z1=z2,则有p1=p2.因此,在静止的同一种连续液体内,处于同一水平面上各点的压强都相等.当流体在密闭管路中作稳定流动时,既不向管中添加流体,也不发生漏损,则根据质量守恒定律,通过管路任一截面的流体质量流量应相等.备注:连续流体中,流速与截面积成反比连续性方程对于圆形截面的管子:即流速与管径的平方成反比.若管路中有支管存在,则流体仍有连续性现象,总管内流体的质量流量应该是各支管内质量流量之和.当理想流体在一密闭管路中作稳定流动时,由能量守恒定律可知,进入管路系统的总能量应等于从管路系统带出的总能量.流体稳定流动时的能量衡算——柏努利方程柏努利方程式,它是以单位质量为基准的.损功hpugzWpugz2222121122损功HgpguzHgpguz2222121122按照能量守恒及转化定律,输入系统的总机械能必须等于由系统中输出的总能量.流体流动时流层之间产生内摩擦力的这种特性,称为黏性.黏性大的流体不易流动.流动时内摩擦力较大,而流体阻力较大,流速较小.流体的黏度随温度而变化.液体的黏度随温度的升高而降低,气体则相反,黏度随温度的升高而增大.压力对液体黏度的影响可忽略不计;气体的黏度只有在极高或极低的压力下才有变化,一般情况下可以忽略.流体的黏度流体流动的类型在流体阻力产生的原因及其影响因素的讨论中,流体的阻力与流体流动的状况有关.雷诺实验的结果表明:1.当玻璃管内水的流速较小时,红墨水在管中心呈明显的细直线,沿玻璃管的轴线通过全管,如图（a）所示.2.随着逐渐增大水的流速,作直线流动的红色细线开始抖动、弯曲,呈波浪形,如图（b）所示.3.速度再增大,红色细线断裂,冲散,全管内水的颜色均匀一致,如图（c）所示.雷诺实验揭示了重要的流体流动机理:1.当流速较小时,流体质点沿管轴做规则的平行直线运动,与其周围的流体质点间互不干扰及相混,即分层流动.这种流动型态称作层流或滞流.2.流体流速增大到某一值时,流体质点除流动方向上的运动之外,还向其他方向做随机运动,即存在流体质点的不规则脉动,彼此混合.这种流动型态称作湍流或紊流.流动类型及其判定duRe雷诺进行的实验研究还表明:流体的流动状况不仅与流体的流速有关,而且与流体的密度,黏度和管径有关.雷诺将这些因素组合成一个数群,用以判断流体的流动类型.这一数群就称作雷诺数,用表示：雷诺数即是反映了上述四个因素对流体流动类型的影响，因此Re数值的大小,可以作为判别流体流动类型的标准.实验证明：1.当Re＜2000时,流体的流动类型属于层流,称为层流区；2.Re＞4000时,流体的流动类型属于湍流,称为湍流区；3.数值在2000Re4000之间时,称为过渡区.圆管内流体的速度分布由于流体流动时，流体质点之间和流体与管壁之间都有摩擦阻力。靠近管壁附近处的流层流速较小，附在管壁上的流层流速为零，离管壁越远流速越大，在管中心线上流速最大。在流量方程式中流体的流速是指平均流速.流体的平均流速与最大流速的关系也不相同:1.层流时的速度分;2.湍流时的速度分布max21uumax820uu流量的测量与调节如图所示，中央开有锐角圆孔的一薄圆片（孔板）插入水平直管中，当管内流动的流体通过孔口时，因流通截面积突然减小，流速骤增，随着流体动能的增加，势必造成静压能的下降，由于静压能下降的程度随流量的大小而变化，所以测定压力差则可以知道流量。根据此原理测定流量的装置称为孔板流量计。因流体惯性的作用，流道截面积最小处是比孔板稍微偏下的下游位置，该处的流道截面积比圆孔的截面积更小，这个最小的流道截面积称为缩脉。缩脉处位置随Re而变化。22222211upup2121222ppuu若不考虑通过孔板的阻力损失，在水平管截面1-1和截面2-2之间列出柏努利方程，则整理得转子流量计孔板流量计是利用截面积一定的孔口产生节流，由孔板前后的压力差测定流量的流量计。转子流量计是流体流经节流部分的前后压力差保持恒定，通过变动节流部分的截面积来测定流量的流量计。转子流量计是在自下而上逐渐扩大的垂直玻璃管内装有转子或称浮子，当流体自下而上流过时，转子向上浮动直到作用于转子的重力与浮力之差正好与转子上下的压力差相等时，转子处于平衡状态，即停留在一定的位置上。这时读取转子停留位置玻璃管上的刻度，则可得知流量。当流体自下而上流入锥管时，被转子截流，这样在转子上、下游之间产生压力差，转子在压力差的作用下上升，这时作用在转子上的力有三个：流体对转子的动压力（向上）、转子在流体中的浮力（向上）和转子自身的重力（向下）。流量计垂直安装时，转子重心与锥管管轴会相重合，作用在转子上的三个力都平行于管轴。当这三个力达到平衡时，转子就平稳地浮在锥管内某一位置上。当来流流速变大或变小时，转子将作向上或向下的移动，相应位置的流动截面积也发生变化，直到流速变成平衡时对应的速度，转子就在新的位置上稳定。对于一台给定的转子流量计，转子在锥管中的位置与流体流经锥管的流量的大小成一一对应关系。雷诺在实验中观察到下列现象：①雷诺称图1-13(a)所示这种流动状态为滞流或层流。②雷诺称图1-13(b)所示这种流动状态为过渡流。③雷诺称图1-13(c)所示这种流动状态为湍流或紊流。图1-13流动类型（2）流动类型的判定——雷诺准数雷诺通过对大量实验数据的研究发现，除了流速影响运动情况外，管子的直径、流体的黏度和密度也都对流动状态有影响。把这四个物理量组成一个无因次数群即（1-40）式中d——管道的内径，m；ρ——流体的密度，kg/m3；u——流体的平均流速，m/s；μ——流体的动力黏度，Pa·s；ν——流体的运动黏度，m2/s。duduRep0p2p1z1z2G