第三章 流体的流动和输送 3.1 一些基本概念 3.2 流体定态流动时的衡算 3.3 实际流体的流动 3.4 流体在圆管内流动时的阻力计算 3.5 液体输送机械 3.6 气体输送机械西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程本章学习目的要求 研究流体的流动和输送主要是解决以下问题： 1. 输送流体所需管径尺寸的选择； 2. 输送流体所需能量和设备的确定； 3. 流体性能参数的测量和控制； 4. 研究流体的流动形态； 5. 了解流体输送设备的工作原理和操作性能。西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程本章重点及难点 重点：流体流动的基本规律 1. 流体流动的物料衡算连续性方程； 2. 流体流动的能量衡算伯努利方程； 3. 流体流动的形态，实际流体流动时的阻力计算。 难点：实际流体流动时的阻力计算，管路计算，流体输 送机械所需功率的计算和选择。西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程化工生产中与流体流动直接有关的操作操作操作实质实质应应用实质实质 流体输输送流体经过圆经过圆 管的流动动流体输输送，孔板流量计计的应应用， 泵泵的选选用过滤过滤流体经过经过 固体颗颗粒床层层的毛细细 管流动动悬悬浮液的回转转吸滤滤，板框压滤压滤重力沉降固体颗颗粒在流体中的相对对运动动悬悬浮液的重力沉降，矿矿石的沉降 分级级离心分离离心力作用下物体颗颗粒在流体 中的相对对运动动炉气的旋风风除尘尘，悬悬浮液的离心 分离，搅搅拌搅搅拌桨桨形成的流体的整体运动动 和湍动动反应应釜中的搅搅拌流态态化密相流化硫铁矿铁矿 的沸腾腾焙烧烧稀相流化固体粉末的气流输输送3-1.一些基本概念3-1.1 理想流体和实际流体3-1.2 流体的密度、相对密度、和比容3-1.3 流体的压力及其测量3-1.4 流量和流速3-1.5 粘度西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程3-1. 一些基本概念流体输送所需的能量和管径大小 取决于流体的输送量和流体流动所引 起的阻力,而后者与流体的物性和流动 参数有关。西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程3-1.1.理想流体和实际流体理想流体： 不具有粘性，流动时不产生摩 擦阻力的流体。实际流体： 有粘性，流动时有摩擦阻力。理想液体：不可压缩，受热不膨胀。理想气体：可压缩，受热膨胀。理想流体流动时没有摩擦阻力。西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程3-1.2 流体的密度、相对密度和比容v 密度 单位体积物料所具有的质量。关系式：单位 ：v比容（比体积） 单位质量物料所具有 的 体积。关系式：单位 ：西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程3-1.2 流体的密度、相对密度和比容v 相对密度 给定条件下某一物质的 密度与另一参考物质的密度之比。 参考物一般指的是水关系式:西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程压强不高时（低压），实际气体理想气体。 基本符合理想气体状态方程：西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程气体混合物的密度可从其平均摩尔质量求算：注意:在运算中要注意单位和数值的统一,尤其是气体常数RR=8.314JK-1mol-1,R=8.314KJK-1Kmol-1,R=0.08205m3atmK-1Kmol-1西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程例2-1 试求 x(H2) =0.75 和 x(N2)=0.25 的混合气 在40和绝对大气压（111.5 KPa a)下的密度。 解：气体混合物的密度可从其平均摩尔质量求算。其 平均摩尔质量M按下式计算：M = M 1x1 + M 2x2 +式中：M1,M2 气体混合物中各组分的 摩尔质量 ，单位为Kg.mol-1 x 1 ,x2 气体混合物中的各组分的摩尔 分数。西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程H2的摩尔质量为 2kg.kmol-1，N2的摩尔质量为28kg.kmol-1， 得：M=20.75+280.25=8.5kg.kmol-1 以1 kg 混合物为基准，它在当时条件下所占的体积V为：求得其比容为：求得其密度为：西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程3-1.3 流体的压强及其测量1.压强(压力)：物体单位面积上所受到的流体 垂直作用的力。2.单位及换算：pFAh西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程2. 压强的单位3. 以液柱表示的压强若力F由单位面积A上的流体的重力所产生： h 表示该流体在压力 p 作用下能上升的高度。同一p值，因不同流体的值不同，其h值也不同。所以, 用h表示流体压强时，须注明流体。西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程(2) 用同一流体柱高表示不同压力（1，2）时:西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程4. 压强的基准绝对压强：以真空为起点的压强。表压：以当时当地的大气压为起点的压强。 真空度：低于当时大气压的这部分压强。关系：表压 = 绝对压强 - 大气压真空度（负压）= 大气压 - 绝对压强西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程真空度绝对压强绝 对 压 强表压当时大气压绝对零压线绝对压强，表压强和真空度的关系高于大气压：绝对压强 = 表压 + 大气压低于大气压：绝对压强 = 大气压 - 真空度注意加标注：0.1MPa(表压)，68Pa（真空度） AB当时大气压绝对零压线西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程5.测压仪表弹簧管压强表 压力表,测表压。nU型管压强计测表压，真空度压差。微差压强计 气体系统的测量.液封装置 利用流体静力学基本原理,防止容器 内的气体泄露.西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程拨 杆扇形齿轮指针轴 齿 轮金属弹簧管刻度盘接测压口原理： 金属弹簧管受压变形而伸长 ，变形程度与管内所受压强成正比 ，从而带动拨杆拨动齿轮，使指针 转动。p2 p1基准H1H2液柱压力计工作原理原理：指示液（i)与测量液（ ）不互溶。iABp2 p1基准H1H2液柱压力计工作原理p1: 大气压，p2-p1 = 表压R:压力计读数，指示液的 液面差 若被测的系统是气体时，4000 湍流实验证明:流体的流动形态与流速v.流体的粘度.密 度和管径d有关.将四个物理量归纳为一个量纲为一 的数群,称其为特征数-雷诺数Re,由Re可判断流体 的流动形态.西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程对于非圆形管道，计算Re数值时，应以当量 直径de代替特征数中的直径d。对于环形管道d1d2西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程例：若将20 硫酸用48mm3.5mm的冷拔无缝钢 管输送，试求其达到湍流时的最低流速和最低流 量，并与水作比较。解：20的硫酸的粘度为25.410-3Pa S（ 25.4cP），密度为1840kgm-3；湍流条件为：计算时各物理量单位都统一为国际制单位：西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程由此求得要达到湍流时的最低流速 u=1.35ms-1, 最低流量为：按同样条件输送水时，可求得相应的流速为 0.098ms-1，最低流量为0.00013m3s-1。 由此可见，流体的密度越大而粘度越小， 同样流速下更易形成湍流状态。西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程3.边界层的概念边界层的形成：当流体流过平板的固体壁面时，由于 流体润湿壁面并具有粘性，在流体层间产 生内摩擦而使相邻流体层的流速减慢，因 而在垂直于流体流动方向上产生速度梯度 。越靠近壁面，流体的流速越低。西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程滞流内层湍流边界层平板上的流动边界层v0v西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程2.边界层的概念：边界层 流体的流速低于未受壁面影响的流速(v0) 的99% (v99%v0)的区域.或存在速度梯度的区域.主流区 在边界层以外，速度梯度接近为零的区 域。边界层内流体的流动形态可以是滞流、也可以是 湍流。滞流时,整个边界层都由滞流边界层组成;湍流时,边界层由滞流内层.湍流边界层组成.西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程3.圆管内的边界层 流体流入圆管时，边界层并不是一 进管口就形成，而是进入管内后逐步形 成的。管口的流体流速分布是均匀的， 进入管内后受粘度的作用而产生速度梯 度，形成边界层。整个圆管都是边界层 。 从管进口到形成边界层所经历的管 长称为稳定段长度,它与管的形状.管壁粗 糙程度及雷诺数等因素有关。西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程对光滑管，滞流时的稳定段长度为：对圆管而言，湍流边界层滞流内层的厚度：西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程 2-4.1 滞流时的摩擦阻力 2-4.2 湍流时的流动阻力 2-4.3 局部阻力 2-4.4 管路计算 2-4 流体在圆管内流动时的阻力计算西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程2-4 流体在圆管内流动时的阻力计算实际流体流动时，因摩擦阻力消耗了流体所具有 的一部分机械能，并且往往损失的量很大，以致需要 由外界输入能量 来补充。实际流体输送时，输送所应 选用的管径、输送所需的压头或功率以至输送设备的 类型等，都与输送时的阻力有关。管内流动阻力可分为直管阻力和局部阻力，直管 阻力是流体在直管中流动时因内摩擦力产生的阻力， 局部阻力是流体流动时由于管道的局部阻力障碍引起 的阻力。由摩擦阻力产生的直管阻力与其流动形态有 密切的关系。西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程2-4 流体在圆管内流动时的阻力计算流体在管路中的总阻力损失hf等于直管 阻力损失hf和局部阻力损失hl之和。总阻力损 失与流体的动压头成正比。：比例系数，阻力系数。西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程2-4.1直管流动阻力（湍流）湍流时，流体的质点不规则地紊乱扰动并相互碰撞 。根据多方面实验并进行适当数据处理后，得到公式：范宁公式摩擦阻力系数（）是Re数的函数。摩擦阻力系数几何相似数西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程2-4.2 直管摩擦阻力（滞流）由摩擦阻力产生的直管阻力与其流动形态有密切的关 系。滞流是流体作一层滑过一层的流动，流动阻力主要是 流体的内部摩擦力。服从牛顿粘性定律.泊肃叶公式西安文理学院化学与化工系西安文理学院化学与化工系化工基础课程化工基础课程1.滞流区：Re2000时， =64/Re2.过渡区：2000Re4000时,将湍流的曲线延伸来查 值。3.湍流区：Re4000时， 与Re，粗糙度有关， 管壁越粗糙，越