化工基础第3章流体流动过程及流体输送设备课件.ppt

1、3.1 3.1 流体的基本性质流体的基本性质3.2 3.2 流体流动的基本规律流体流动的基本规律3.3 3.3 流体压力和流量的测量流体压力和流量的测量 3.5 3.5 流体输送设备流体输送设备3.4 3.4 管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力 化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大多数是多数是流体流体，涉及的过程大部分在流动条件下进行。，涉及的过程大部分在流动条件下进行。流体的流动和输送是必不可少的过程操作。流体的流动和输送是必不可少的过程操作。 选择输送流体所需管径尺寸。选择输送流体所需管径尺寸。确定输送流体所需能量和设备。确定输送流体所需能量和

2、设备。流体性能参数的测量流体性能参数的测量, 控制。控制。研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供理论依据。理论依据。了解输送设备的工作原理和操作性能，正确地了解输送设备的工作原理和操作性能，正确地使用流体输送设备。使用流体输送设备。研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。3.1 3.1 流体的基本性质流体的基本性质 1 1密度密度 单位体积流体所具有的质量称为单位体积流体所具有的质量称为流体的密度流体的密度，其表达式为：其表达式为：流体密度，流体密度，km-3 ; m流体质量，流体质量，kg；V流体体积，流体体积

3、，m3。 气体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力气体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气体状态方程进行计算：体状态方程进行计算： =pM/RT p气体压力气体压力 kNm-2或或kPa；T气体温度气体温度 K；M气体摩尔质量气体摩尔质量 gmol-1；R气体常数气体常数Jmo1-1K-1。= mV 化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组分的混合物。对于分的混合物。对于液体混合物液体混合物，各组分的浓度常用，各组分的浓度常用质量分数表示。质量分数表示。 i液体混合物

4、中各纯组分液体的密度，液体混合物中各纯组分液体的密度，kgm-3；wi液体混合物中各组分液体的质量分数。液体混合物中各组分液体的质量分数。i气体混合物各纯组分的密度，气体混合物各纯组分的密度，kgm-3； i气体气体混合物中各组分的体积分数。混合物中各组分的体积分数。 iinnMwWWW22111对于对于气体混合物气体混合物: :iiiim22112 2比体积比体积 单位质量流体所具有的体积称为流体的单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积比体积，以以表示，它与流体的密度互为倒数表示，它与流体的密度互为倒数: : 一流体的比体积，一流体的比体积，m3kg-1；流体的密度，流体的密度，kgm-3

5、。 =1/3 3压力压力 流体垂直作用于单位面积上的力称为流体垂直作用于单位面积上的力称为压力压力：p流体的压力，流体的压力，Pa；F流体垂直作用于面积流体垂直作用于面积A上的力，上的力，N；A作用面积，作用面积，m2。压力的单位压力的单位Pa（Pascal，帕），即帕），即Nm-2。Latm=760mmHg=1.01325105Pa=10.33mH2O=1.033kgf-2常用压力单位与常用压力单位与Pa之间的换算关系如下：之间的换算关系如下：P = FA 压力有两种表达方式。一是以绝对零压为起点压力有两种表达方式。一是以绝对零压为起点而计量的压力；另一是以大气压力为基准而计量的而计量的压力

6、；另一是以大气压力为基准而计量的压力，当被测容器的压力高于大气压时，所测压力压力，当被测容器的压力高于大气压时，所测压力称为称为表压表压，当测容器的压力低于大气压时，所测压，当测容器的压力低于大气压时，所测压力称为力称为真空度真空度。 两种表达压力间的换两种表达压力间的换算关系为算关系为 表压表压= =绝对压力绝对压力- -大气压力大气压力真空度大气压力真空度大气压力- -绝对压力绝对压力用图用图3 31 1来表示其关系来表示其关系流体压力的重要特性流体压力的重要特性: 流体压力处处与它的作用面垂直流体压力处处与它的作用面垂直,并且总是并且总是指向流体的作用面指向流体的作用面 流体中任一点压力

7、的大小与所选定的作用面流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关在空间的方位无关4 4流量和流速流量和流速 单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为称为流体的流量流体的流量。若流体量用体积来计量，称为。若流体量用体积来计量，称为体体积流量积流量，以符号，以符号qv表示，单位为表示，单位为m3s-1；若流体量用若流体量用质量来计量，则称为质量来计量，则称为质量流量质量流量，以符号，以符号qm表示，其表示，其单位为单位为kgs-1。若流体量用物质的量表示，称为若流体量用物质的量表示，称为摩摩尔流量尔流量，以符号，以符号qn表示，其单位为表示，

8、其单位为mols-1。qm=qV 质量流量与摩尔流量的关系为质量流量与摩尔流量的关系为 qmMqn 体积流量和质量流量的关系为：体积流量和质量流量的关系为： 单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，称为的距离，称为流体的流速流体的流速，以，以u表示，单位为表示，单位为 ms-1。u = qV/S S S 与流体流动方向相垂直的管道截面积，与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2 管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。 通常所说的通常所说的流

9、速流速是指流道整个截面上的平均流速，是指流道整个截面上的平均流速，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表示：示： 质量流速质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单的定义是单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，以位截面积的质量，以w表示，单位为表示，单位为 kgs-1m-2，表表达式为：达式为： w = qmS 流速和质量流速两者之间的关系：流速和质量流速两者之间的关系：液体液体1.5 3.0ms-1，高粘度液体高粘度液体0.5 1.0 ms-1；气体气体102 0 ms-1，高压气体高压气体15 25 ms-1；饱和水蒸气饱和水蒸气204 0

10、 ms-1，过热水蒸气过热水蒸气30 50 ms-1。 w =u工业上用的流速范围大致为：工业上用的流速范围大致为：5 5粘度粘度 粘性是流体内部摩擦力的表现，粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度粘度是衡量流是衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要参数之一。流体粘性大小的物理量，是流体的重要参数之一。流体的粘度越大，其流动性就越小。体的粘度越大，其流动性就越小。 流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速度向前流动，如图度向前流动，如图3-2所示。所示。图图3-3所示，将下

11、板固定，而对上板施加一个恒定的所示，将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力，上板就以某一恒定速度外力，上板就以某一恒定速度u沿着沿着x方向运动。方向运动。 实验证明，实验证明，对于一定的液体，内摩擦力对于一定的液体，内摩擦力F与两与两流体层间的速度差流体层间的速度差u呈正比，与两层间的接触面积呈正比，与两层间的接触面积A呈正比，而与两层间的垂直距离呈正比，而与两层间的垂直距离y呈反比，呈反比，即：即： F(u/y)A 引入比例系数引入比例系数 ，则：，则： F=(u/y)A 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以以表示，则有：表示，则有： =

12、FA=(u/y) 当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系，则有：直线关系，而是曲线关系，则有： =(du/dy) du/dy速度梯度，即在与流动方向相垂直的速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方方向上流体速度的变化率向上流体速度的变化率 比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。 凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，所有气体和大多数液体都属于牛顿型流体。所有气体和大多数液体都属于牛顿型流体。 液体的粘度随着温度的升高而减小，气体的粘液体的粘度随着温度的升高而减

13、小，气体的粘度随着温度的升高而增加。度随着温度的升高而增加。 压力变化时，液体的粘度基本上不变，气体的压力变化时，液体的粘度基本上不变，气体的粘度随压力的增加而增加得很少。粘度随压力的增加而增加得很少。意义：意义：剪应力的大小与速度梯度成正比。剪应力的大小与速度梯度成正比。 描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。物理意义物理意义:dydu 动力粘度，简称粘度动力粘度，简称粘度平板间的流体剪应力与速度梯度平板间的流体剪应力与速度梯度=/(du/dy)=(Nm-2)/(ms-1m-1)=Nsm-2=Pas流体的粘度还用粘度流体的粘度还用粘度与密度与密度的比值来

14、表示，称为的比值来表示，称为运动粘度运动粘度，以，以v表示之：表示之： 对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进行计对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进行计算算1 P=100cP（厘泊）厘泊）=10-1Pas单位为单位为m2s-1 1st100 cst(厘沲厘沲)=10-4m2s-1在工业上常常遇到各种流体的混合物。在工业上常常遇到各种流体的混合物。m常压下混合气体的粘度；常压下混合气体的粘度； yi气体混合物中某一组分的摩尔分数；气体混合物中某一组分的摩尔分数；m=（yiiMi1/2)（yiMi1/2)v =/i与气体混合物相同温度下某一组分的粘度；与气体混合物相同温度下某一组分的粘度； M

15、i气体混合物中某一组分的相对分子质量。气体混合物中某一组分的相对分子质量。iixlg m液体混合物的粘度；液体混合物的粘度； x i液体混合物中某一组分的摩尔分数；液体混合物中某一组分的摩尔分数； i与液体混合物相同温度下某一组分的粘度与液体混合物相同温度下某一组分的粘度 对于分子不发生缔合的液体混合物的粘度，采用下对于分子不发生缔合的液体混合物的粘度，采用下式计算：式计算：lgm=dydu dydua6. 流体类型流体类型牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。 气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。 非牛顿型流体非牛顿型

16、流体 a表观粘度，非纯物性表观粘度，非纯物性, 是剪应力的函数。是剪应力的函数。 假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。 几乎所有高分子溶液或溶体属于假塑性流体。几乎所有高分子溶液或溶体属于假塑性流体。 胀塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。胀塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。 粘塑性流体：当应力低于粘塑性流体：当应力低于0 0 时，不流动；当应力高于时，不流动；当应力高于0 0时，时，流动与牛顿型流体一样。流动与牛顿型流体一样。 0 0 称为屈服应力。称为

17、屈服应力。 如纸浆、牙膏、污水泥浆等。如纸浆、牙膏、污水泥浆等。 触变性流体：表观粘度随时间的延长而减小，触变性流体：表观粘度随时间的延长而减小，如油漆等。如油漆等。 粘弹性流体：既有粘性，又有弹性。当从大容器口挤出时，粘弹性流体：既有粘性，又有弹性。当从大容器口挤出时，挤出物会自动胀大。挤出物会自动胀大。 如塑料和纤维生产中都存在这种现象。如塑料和纤维生产中都存在这种现象。0du/d y粘塑料流体粘塑料流体假塑料流体假塑料流体胀塑料流体胀塑料流体CBADA -牛顿流体；牛顿流体；B -假塑性流体；假塑性流体；C -宾汉塑性流体；宾汉塑性流体；D -胀塑性流体；胀塑性流体；牛顿流体与非牛顿流体

18、剪应力与速度梯度的关系牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系3.2 流体流动的基本规律流体流动的基本规律1定态流动和非定态流动定态流动和非定态流动 流体在管道或设备中流动流体在管道或设备中流动时，若在任一截面上流体的时，若在任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但不理量仅随位置而改变，但不随时间而改变，称为随时间而改变，称为定态流定态流动动；反之，若流体在各截面；反之，若流体在各截面上的有关物理量中，只要有上的有关物理量中，只要有一项随时间而变化，则一项随时间而变化，则称为称为非定态流动非定态流动。 2定态流动过程物料衡算定态流动过程物料衡算连

19、续性方程连续性方程 当流体在流动系统中作定态流动时，根据质量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。时间内通过流动系统任一截面的流体的质量应相等。 对上图所示截面对上图所示截面11和和22之间作物料衡算：之间作物料衡算： qm,1=qm,2因为因为qm=uS，所以：所以：1u1S1 =2u2S 在任何一个截面上，则：在任何一个截面上，则： qm=1u1S12u2S2nunSn= 常数常数 对于不可压缩流体，对于不可压缩流体，=常数，则：常数，则： 它反映在定态流

20、动体系中，流量一定时，管路各截面它反映在定态流动体系中，流量一定时，管路各截面上流体流速的变化规律。上流体流速的变化规律。 qV = u1S1 = u2S2 = = unSn = 常数常数3流体定态流动过程的能量衡算流体定态流动过程的能量衡算柏努利柏努利方程方程 流动体系的能量形式主要有：流动体系的能量形式主要有：流体的动能、位能、流体的动能、位能、静压能以及流体本身的内能。静压能以及流体本身的内能。 动能动能 流体以一定的流速流动时，便具有一定的动流体以一定的流速流动时，便具有一定的动能。动能为能。动能为mu2/2，单位为单位为kJ。 位能位能 流体因受重力的作用，在不同高度处具有不流体因受

21、重力的作用，在不同高度处具有不同的位能，相当在高度同的位能，相当在高度Z处所做的功，即处所做的功，即mgZ，单位为单位为kJ。 静压能静压能 静止流体内部任一处都存在一定的静压力。静止流体内部任一处都存在一定的静压力。 把流体引入压力系统把流体引入压力系统所做的功，称为所做的功，称为流动功流动功。流体由于外界对它作流动流体由于外界对它作流动功而具有的能量，称为功而具有的能量，称为静静压能压能。 内能内能 内能（又称热力学能）是流体内部大量分内能（又称热力学能）是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的内位能的总和。以内位能的总和

22、。以U表示单位质量的流体所具有的内表示单位质量的流体所具有的内能，则质量为能，则质量为m（kg）的流体的内能为的流体的内能为mU，单位单位kJ。 流体的流动过程实质上是流动体系中各种形式能流体的流动过程实质上是流动体系中各种形式能量之间的转化过程。量之间的转化过程。（1）理想流体流动过程的能量衡算）理想流体流动过程的能量衡算 理想流体是指在流理想流体是指在流动时没有内摩擦力存在动时没有内摩擦力存在的流体，即粘度为零。的流体，即粘度为零。 如上图，设在单位时间内有质量为如上图，设在单位时间内有质量为m(kg)、密度为密度为的的理想流体在导管中做定态流动，在与流体流动的垂直方向理想流体在导管中做定

23、态流动，在与流体流动的垂直方向上选取截面上选取截面1-l和截面和截面2-2，在两截面之间进行能量衡算。，在两截面之间进行能量衡算。 入E 今流体在截面今流体在截面 2-2处的流速为处的流速为u2， 即即出E= mgZ1+m u12/2+p1m/= mgZ2+m u22/2+p2m/ 根据能量守恒定律，若在两截面之间没有外界能根据能量守恒定律，若在两截面之间没有外界能量输入，流体也没有对外界作功，则流体在截面量输入，流体也没有对外界作功，则流体在截面1-1”和截面和截面2-2”之间应符合：之间应符合： =入E出E 即 mgZ1+m u12/2+p1m/=mgZ2+m u22/2+p2m/ 对于单

24、位质量流体，则：对于单位质量流体，则： gZ1+ u12/2+p1/=gZ2+u22/2+p2/ 对于单位重力（重力单位为牛顿）流体，有：对于单位重力（重力单位为牛顿）流体，有： Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g) 工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位为工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位为JN-1，即即m，称为称为“压头压头”，则，则Z、u2/(2g)和和p/(g)分分别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称为为位压头、动压头和静压头位压头、动压头和静压头。 使用压头形式表示能量时，应注

25、明是哪一种流体，使用压头形式表示能量时，应注明是哪一种流体，如流体是水，应说它的压头是多少米水柱。如流体是水，应说它的压头是多少米水柱。 以上各式都是理想流体在定态流动时的能量衡以上各式都是理想流体在定态流动时的能量衡算方程式，又称为算方程式，又称为柏努利方程柏努利方程（Bernoulli equation）由柏努利方程可知，由柏努利方程可知，理想流体在管道各个截面上的理想流体在管道各个截面上的每种能量并不一定相等，它们在流动时可以相互转每种能量并不一定相等，它们在流动时可以相互转化，但其在管道任一截面上各项能量之和相等，即化，但其在管道任一截面上各项能量之和相等，即总能量（或总压头）是一个常

26、数。总能量（或总压头）是一个常数。2211pgzpgz 注意注意Bernoulli 方程的适用条件；方程的适用条件； 重力场中，连续稳定流动的不可压缩流体。重力场中，连续稳定流动的不可压缩流体。 对可压缩流体，若开始和终了的压力变化不超过对可压缩流体，若开始和终了的压力变化不超过20%，密密度取平均压力下的数值，也可应用上式度取平均压力下的数值，也可应用上式。0u流体静止，流体静止，几点说明：几点说明： 注意式中各项的意义及单位；注意式中各项的意义及单位； 三种形式机械能的相互转换；三种形式机械能的相互转换； Bernoulli 方程与静力学方程关系；方程与静力学方程关系；1132244535

27、p1p2p 等压面等压面定义定义: : 静止、连续的均质流体，处于同一水平面上的各点压力相等静止、连续的均质流体，处于同一水平面上的各点压力相等关于静力学方程的讨论关于静力学方程的讨论实例：实例：等压面概念 p0变化某一数值，则变化某一数值，则 p改变同样大小数值改变同样大小数值压力的可传递性压力的可传递性ghpp02211pgzpgz或常数pgzpozoh112p1p2z2z1重力场中的压力分布重力场中的压力分布有关、仅和一定，hpp0 静止流体内部，各不同截面上的压力能和势能两者之和为常数。静止流体内部，各不同截面上的压力能和势能两者之和为常数。 静力学方程的几种不同形式静力学方程的几种不

28、同形式 2211gZpgZpaPgzpgzp2211kgJ /2211zgpzgpNJ /应用应用 单位统一；单位统一； 基准统一；基准统一； 选择界面，条件充分，垂直流动方向；选择界面，条件充分，垂直流动方向； 原则上沿流动方向上任意两截面均可。原则上沿流动方向上任意两截面均可。200021112121upgzupgz0001010ppuza) 虹吸管虹吸管在在0-0 和和1-1面间列柏努利方程面间列柏努利方程gHu20可得：可得：位能位能 动能动能 虹吸管Apah110BpaH0 b) 文氏管和喷射泵文氏管和喷射泵222221112121upgzupgz)(21212221uupp压力能压

29、力能 动能动能 1122p1 文氏管u1p2u2理想流体能量分布0理想流体的能量分布11341250 为克服流动阻力使流体流动，往往需要安装流体为克服流动阻力使流体流动，往往需要安装流体输送机械（如泵或风机）。设单位重力的流体从流体输送机械（如泵或风机）。设单位重力的流体从流体输送机械所获得的外加压头为输送机械所获得的外加压头为He，单位单位JN-1域域m。 则实际流体在流动时的柏努利方程为：则实际流体在流动时的柏努利方程为： 对于静止状态的流体，对于静止状态的流体，u=0，没有外加能量，没有外加能量，He =0，而且也没有因摩擦而造成的阻力损失而且也没有因摩擦而造成的阻力损失hf=0，则柏则

30、柏努利方程简化为：努利方程简化为： Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hfp1- p2= g(Z1 -Z2) Z1+ p1/(g) =Z2+p2/(g)或或 实际流体在流动时，由于流体粘性的存在，必然实际流体在流动时，由于流体粘性的存在，必然造成阻力损失。造成阻力损失。 （2）实际流体流动过程的能量衡算）实际流体流动过程的能量衡算 实际流体的能量分布OO23451fhgu22gpkgJ /Rupgzwupgze2222222111fepupgzwupgz22222222211111mNJ/3/mJf2222e2111hg2ugpzHg2ug

31、pz 压力头损失 损失的机械能Rpf式中 压力降压力降 实际流体柏努利方程几种表达形式及意义实际流体柏努利方程几种表达形式及意义位能静压能 动能有效功位头压力头 动压头 有效压头（速度头） 连续性方程和柏努利方程可用来计算化工生产连续性方程和柏努利方程可用来计算化工生产中流体的流速或流量、流体输送所需的压头和功率等中流体的流速或流量、流体输送所需的压头和功率等流体流动方面的实际问题。流体流动方面的实际问题。 4流体流动规律的应用举例流体流动规律的应用举例 在应用柏努利方程时，应该注意以下几点。在应用柏努利方程时，应该注意以下几点。 依题意画出流程示意图，标明流动方向；依题意画出流程示意图，标明

32、流动方向； 选取适当截面，与流向垂直；选取适当截面，与流向垂直； 截面的选取应包含待求的未截面的选取应包含待求的未 知量和尽可能多的已知量，如大截面、敞开截面；知量和尽可能多的已知量，如大截面、敞开截面； 式中各项的单位相同；式中各项的单位相同； 基准一致，压力基准，位头基准；基准一致，压力基准，位头基准； 流速使用所选截面上平均速度；流速使用所选截面上平均速度； 有效功率有效功率 Pe：meeqWP 或gHqPVe 效率效率PPe/P P 输送机械的轴功率输送机械的轴功率例例 3-l 今有一离心水泵，其吸入管规格为今有一离心水泵，其吸入管规格为88.5mm4 mm，压出管为压出管为75.5m

33、m3.75mm，吸入管中水的流速吸入管中水的流速为为 1.4 ms-1，试求压出管中水的流速为多少？试求压出管中水的流速为多少？ （1）管道流速的确定）管道流速的确定解解：吸入管内径吸入管内径dl=88.5-2 480.5 mm 压出管内径压出管内径 d2=75.5-2 3.75=68 mm根据连续性方程根据连续性方程 u1S1= u2S2 圆管的截面积圆管的截面积S=d2/4，上式写成：上式写成： u2/ul=(dl/d2)2压出管中水的流速为：压出管中水的流速为： u2=(dl/d2)2 ul=(80.5/68)21.4ms-1=1.96 ms-1表明：当流量一定时，圆管中流体的流速与管径

34、的表明：当流量一定时，圆管中流体的流速与管径的平方呈反比。平方呈反比。（2）容器相对位置的确定）容器相对位置的确定 例例3-2 采用虹吸管从高位槽向反应釜中加料。高位采用虹吸管从高位槽向反应釜中加料。高位槽和反应釜均与大气相通。要求物料在管内以槽和反应釜均与大气相通。要求物料在管内以 1.05 ms-1的速度流动。若料液在管内流动时的能量损失的速度流动。若料液在管内流动时的能量损失为为 2.25 JN-1，试求高位槽的液面应比虹吸管的出口，试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少米才能满足加料要求？高出多少米才能满足加料要求？解解：作示意图，：作示意图，取高位槽的液面为截面取高位槽的液面为截面

35、1-1，虹吸管的出口内侧为截面虹吸管的出口内侧为截面2-2，并取截面并取截面2-2为基准水平面。为基准水平面。Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hf 式中式中Z1=h，u1 =0 p1=0(表压表压)，He =0； Z20，u2=1.05 ms-1，p2=0（表压），表压），h f2.25 JN-1在两截面间列出柏努利方程式：在两截面间列出柏努利方程式：代入柏努利方程式，并简化得：代入柏努利方程式，并简化得：h =1.052 m2s-2/29.81 ms-22.25m=2.31m即高位槽液面应比虹吸管的出口高即高位槽液面应比虹吸管的出口高2

36、.31m，才能满才能满足加料的要求。足加料的要求。（3）送料用压缩空气的压力的确定）送料用压缩空气的压力的确定 例例3-4 用离心泵将贮槽中的料液输送到蒸发器内，用离心泵将贮槽中的料液输送到蒸发器内，敞口贮槽内液面维持恒定。已知料液的密度为敞口贮槽内液面维持恒定。已知料液的密度为 1200 kgm-3，蒸发器上部的蒸发室内操作压力为蒸发器上部的蒸发室内操作压力为 200 mm Hg(真空度真空度)，蒸发器进料口高于贮槽内的液面，蒸发器进料口高于贮槽内的液面 15 m，输送管道的直径为输送管道的直径为 68 min 4mm，送液量为送液量为 20 m3h-1。设溶液流经全部管路的能量损失为设溶液

37、流经全部管路的能量损失为12.23 JN-1(不包括出口的能量损失不包括出口的能量损失)，若泵的效率为，若泵的效率为60，试求，试求泵的功率。泵的功率。 （4）流体输送设备所需功率的确定）流体输送设备所需功率的确定 式中式中 ZI=0，ul0，p 1=0（表压）；表压）；Z2=15 m，因为因为 qv=20/3600=5.5610-3m3s-1 S=（0.06820.004）2m2/4 =2.83 10-3 m2故故 u2=qv/S=5.56 10-3m3S-1/2.83 103m2 =1.97 ms-1又又 p2=200 .013 105/760 = 2.67 104Pa（真空度）真空度）

38、= -2.67 104Pa（表压）表压） 解：解：取贮槽液面为截面取贮槽液面为截面1-1，管路出口内侧为截面，管路出口内侧为截面2-2，并以截面，并以截面1-l为基准水平面。在截面为基准水平面。在截面1-1和截和截面面2-2之间进行能量衡算，有：之间进行能量衡算，有：Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hfNe=qmgHe=qvgHe=1200 kgm-35.56103 m3s-19.81m/s225.16m=1.65103W=1.65kwf12.23 JN-1将上列各数值代入拍努利方程式得：将上列各数值代入拍努利方程式得：He=15 m1.

39、9722m2s-2/(29.81ms-1)-2.67104kgs -2m-1/(12009.81 kgs-2m-2) + 12.23 m =25.16 m液柱液柱泵的理论功率：泵的理论功率：实际功率实际功率：Na=Ne/=1.65kw/0.60=2.75 kw截面选择原则截面选择原则用泵将水槽中水打到高位槽。用泵将水槽中水打到高位槽。真空表读数真空表读数31925Pa，管路管路阻力阻力Rf0-2=23u2，管路阻力管路阻力Rf0-1=4u2 。问题问题 （1）管内流速？）管内流速？ （2）泵所做的功？）泵所做的功？10211120002121RuPgZuPgZ102111210RuPgZ212

40、142110003192581. 90uu smu/2 . 2120222220002121RuPgZwuPgZekgJwuRgZwee/2212381. 91121202基准一致，压力基准，位头基准。基准一致，压力基准，位头基准。通大气的面，压力为大气压。通大气的面，压力为大气压。P(g)=0大截面的流速可忽略不计。大截面的流速可忽略不计。u=0选取适当截面，与流向垂直，条件充分。选取适当截面，与流向垂直，条件充分。例例3-5001m1110m22R2R1解：解：3.3 流体压力和流量的测量流体压力和流量的测量 化工生产中，为了监视和控制工艺过程，实时化工生产中，为了监视和控制工艺过程，实时

41、测量流体性能参数测量流体性能参数, 所用测量仪表有不同的类型。所用测量仪表有不同的类型。 测压管php0ghp0 测压管测压管: : 绝压:气压计气压计:ghp0pghp 气压计p = 0p0h测压管和气压计测压管和气压计表压: 1.流体压力的测量流体压力的测量 U形管压差计形管压差计 选基准面列静力学方程选基准面列静力学方程110gzppgRgzpp220Rzz21gRpp)(21R则）（若gRpp21则若1122p1p2z1z2RU 形管压差计00110gzpp11p1paz1R00若若U形管压差计一端与大气相通，则可测得表压（或绝压）。形管压差计一端与大气相通，则可测得表压（或绝压）。

42、11gzgRp（表）apgzgRp11（绝）gRppa0gRpp)(21 倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计sin1RR R1Rp1p2倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计 微差压差计微差压差计)(10略小且形管直径扩张室直径ACU)(21CAgRppp2RcA微差压差计p1gRpp)(21 倒倒U U形管压差计形管压差计gRpp21倒U形管压差计1122p1p2z1z2R00目的：目的： 恒定设备内的压力，恒定设备内的压力， 防止超压；防止超压；(2) 液封高度液封高度安全液封h0p溢流水00气液气gph0液封高度计算：液封高度计算：p00水气体h0. 煤气柜 防止气体外泄；防止气体外泄； 水封水封 （3

43、）浮力浮力物体所受浮力：静止流体施加于该物体各表面上的总压力在垂直物体所受浮力：静止流体施加于该物体各表面上的总压力在垂直 方向上的代数和。方向上的代数和。 液体内物体的受力分析液体内物体的受力分析bah(a)mgF(b)(c)p0p1p2 以机械能衡算方程为基础的测定方法，应用公式：以机械能衡算方程为基础的测定方法，应用公式：2 流速和流量测定流速和流量测定RugzpWugzpe2222222111222111susu 流体的速度和流量测定是一个重要的测量参数流体的速度和流量测定是一个重要的测量参数； 测量用的方法和流量计的种类很多。测量用的方法和流量计的种类很多。 1 测速管（毕托管测速管

44、（毕托管 Pitot ） (1) (1) 结构结构 同心套管、压差计同心套管、压差计 。 RAB实际应用的毕托管示意图实际应用的毕托管示意图(2) 测量原理测量原理 未放测速管时，截面各点均为静压能。未放测速管时，截面各点均为静压能。 放入测速管后，放入测速管后， 外管：开口平行于流向外管：开口平行于流向 pB静压能；静压能； 内管：开口垂直于流向内管：开口垂直于流向 pA滞点压力。滞点压力。 滞点压力滞点压力(冲压能冲压能) =静压能静压能+动能动能22rBAuppABR 毕托管构造原理示意图毕托管构造原理示意图 CP：校正系数，一般取校正系数，一般取0.980.981.00 (1.00 (

45、实测实测) ) 流量计标定：校正流量计的过程。流量计标定：校正流量计的过程。 (3) 使用方法使用方法 ABrpu2因此，gRCuPr)(2使用时需校正：1) 测量点速度测量点速度 问题：如何测平均流速、流量、速度分布问题：如何测平均流速、流量、速度分布 平均流速：放于管中心处，测出平均流速：放于管中心处，测出 umax， 层流：层流： 湍流：湍流： max5 . 0 uu max8 . 0 uu gR)(2 a）管口截面管口截面： 严格垂直于流体的流动方向；b）测量点选择测量点选择： 在稳定流动段（直管段）， 且前后直管各50d , 至少 8-12d； c）毕托管直径毕托管直径： 外径不超过

46、管径的1/50； d）测量气体时测量气体时： 压力变化不超过15%； 要求气体流速 5 m/s； e）压差较小时：压差较小时： 可配合微差压差计使用。3) 适用条件适用条件 大直径管路，流体含固体杂质时不宜采用。2) 安装安装4）毕托管的优点：）毕托管的优点：结构简单；使用方便；流体的机械能损失很少。5）毕托管的局限性：）毕托管的局限性：测速管较多地用于测量气体流场中某点的速度；测压孔易堵塞。2 孔板流量计孔板流量计 (1) 结构及特点结构及特点 1) 结构结构 孔板孔板：测量元件； 缩脉缩脉：孔板后1/32/3 d 处。 R121002d1S1u1d0S0u0d2S2u2 孔板流量计 压差计

47、两种取压方式：压差计两种取压方式： 缩脉取压缩脉取压：孔板前1d 孔板后0.5d处。 角接取压角接取压：孔板前后，并尽量靠近孔板。 工业上，常用角接取压。 2) 特点：特点：节流式流量计 (恒截面，变压差)(2) 测量原理测量原理在上图所示的在上图所示的1-1、2-2面间列机械能衡算方程：面间列机械能衡算方程：22222211upup若不考虑阻力损失，有：若不考虑阻力损失，有：或 )(gR2)pp(2uu212122，考虑阻力损失，并以孔口流速考虑阻力损失，并以孔口流速u0代替缩脉处速度代替缩脉处速度u2，则有：则有： )(gR2Cuu2120，又0011uSuS)(200gRCu孔口流速：0

48、101uSSu 1001SSCC 流量系数或孔流系数流量系数或孔流系数式中：式中：),(1010加工取压方式孔流系数：ddRfCepSCgRSCqV2)(20000流量：0.820.800.780.760.740.720.700.680.660.640.620.601041051065550.600.550.450.200.650.700.750.8011Reud孔流系数C010dd流量系数与Re之间的关系65. 060. 010604CRe时，5 . 010dd工业标准孔板：(3) 安装要求安装要求 1) 稳定段长度：上游1540d，下游5d处； 2) 不宜安装在要求阻力很小处(如泵入口)。

49、(4) 主要优缺点主要优缺点优点：优点：结构简单，制造、使用方便，造价低；缺点：缺点：永久阻力损失大（实测压差的75%）。3 文丘里流量计文丘里流量计(1) (1) 结构及特点结构及特点 1) 1) 结构结构 喉管喉管2) 特点特点 节流式流量计节流式流量计 (恒截面，变压差恒截面，变压差)2122221122Rupupppf%10文丘里管，21211.0ppR因此，1221SSuu 代入：(2) 测量原理测量原理 列列1-1及及2-2面间的机械能方程式面间的机械能方程式： pSSu) 1 . 01 (2)(1 21222得：1212SSdd，则令：2pu2195.042因此，gRCpCuVV

50、)(222校正：)(22gRSCqVV流量：(3) 安装要求安装要求 稳定段长度：上游稳定段长度：上游50d，下游下游10d。 (4) 主要优缺点主要优缺点 优点：优点：永久阻力损失小(实测压差p1-3的10%)； 缺点：缺点：造价较高，本身尺寸较长。(5) 孔板流量计和文丘里流量计孔板流量计和文丘里流量计 1) 只能测平均流速，不能测速度分布； 2) 采用试差法求流量系数Cv 或 C0； 3) 可绘制校正曲线，直接查取压差-流量关系。4 转子流量计转子流量计 (1)(1) 结构与特点结构与特点 1）结构 锥形体（锥角约40）； 转子（密度大于流体密度）。 2) 特点： 变截面，恒压差。222