项目一流体输送任务一认识流体及流体流动课件.ppt

1、1.掌握流体的基本概念、流动现象、流动形态及其判定依据；2.掌握流体的流量、流速的测量方法及并熟悉其设备；3.掌握管路的基本组成，并能对其进行设计安装；4.熟悉典型的流体流动机械，理解其内部结构及工作原理，会对其进行操作使用；5.掌握不同的流体输送方式，能根据不同输送对象进行合理选择；6.能对实训过程中的故障进行处理，对流体流动阻力、输送机械的主要参数进行计算。知识与技能目标知识与技能目标任务一任务一 认识流体及流体流动认识流体及流体流动 1.1.特性：特性：（1 1）流动性）流动性（2 2）压缩性）压缩性2.2.分类分类:(1)(1)不可压缩流体：液体；（若不可压缩流体：液体；（若P,tP,

2、t变化小，气体）变化小，气体）(2)(2)可压缩流体：实际流体可压缩流体：实际流体 ，气体，气体知识链接知识链接（一）流体（一）流体气体和液体气体和液体一、概述一、概述1.1.密度密度kg/mkg/m3 3 重度重度kgf/mkgf/m3,3,其数值其数值同同密度。密度。比容比容m m3 3/kg,/kg,密度的倒数。密度的倒数。2.2.流量流量有两种有两种 a.a.体积流量体积流量 q qv v m m3 3/s,m/s,m3 3/h/h；b.b.质量流量质量流量 q qm mkg/skg/s，kg/hkg/h；q qm m=q=qv v3.3.流速流速(u)(u)m/sm/s（二）几个物理

3、名词（二）几个物理名词1.体积力体积力(质量力质量力)重力重力:G=mg=gV 离心力离心力:muT2/r =V uT2/r 2.表面力表面力 压力压力:表面的力表面的力 压强压强:剪力剪力:/表面的力表面的力 剪应力剪应力:（三）（三）流体流动中的作用力流体流动中的作用力 实验性定律，是通过实验得出的实验性定律，是通过实验得出的 江面流速分布示意图江面流速分布示意图（四）（四）牛顿粘性定律牛顿粘性定律选相邻两薄圆筒流体（选相邻两薄圆筒流体（1 1，2 2）进行分析）进行分析在圆管中流动的流体在圆管中流动的流体实验证明，对于一定流体，实验证明，对于一定流体，内摩擦力内摩擦力F F dyduAF

4、dyduAFdyduAF)(A 剪应力剪应力,N/m2；速度梯度；速度梯度；粘度或动力粘度。粘度或动力粘度。式（式（A A）-牛顿粘性定律牛顿粘性定律一句话，即流体内部所受的剪应力与速度梯一句话，即流体内部所受的剪应力与速度梯度成正比。度成正比。AFdydu非牛顿型流体有三种：非牛顿型流体有三种：塑性流体塑性流体 假塑性流体假塑性流体 涨塑性流体涨塑性流体 许多高分子溶液、涂料、泥浆等属于许多高分子溶液、涂料、泥浆等属于非牛顿型流体。非牛顿型流体。1.1.流体分类流体分类牛顿型流体牛顿型流体 非牛顿型流体非牛顿型流体 a.粘性流体（粘性流体（0）实际流体实际流体 b.理想流体（理想流体（=0）

5、2.2.流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布3.3.影响粘性的因素影响粘性的因素 a.温度温度 实验表明实验表明:t,g,l 原因：气体粘性原因：气体粘性 分子热运动分子热运动 液体粘性液体粘性 分子引力分子引力 b.压强压强 影响很小影响很小4.粘度粘度 衡量流体粘性大小的物理量衡量流体粘性大小的物理量 单位？单位？据牛顿粘性定律：据牛顿粘性定律：1Pa.S=1000 mPaS112msmdydumNSPa物理单位制中：物理单位制中：1P（泊）（泊）=100 cP（厘泊）（厘泊）1cP=10-3 Pa.S=1mPa.S另：另：/=运动粘度运动粘度（五）流体流动中的机械能五）流体流动中

6、的机械能位能：位能：mg z ,Jmg z ,J；g z ,J/kgg z ,J/kg动能：动能：mumu2 2/2,J/2,J；u u2 2/2,J/kg/2,J/kg 压强能：压强能：mPmP/,J ,J；P/P/,J/kg ,J/kg实际流体实际流体粘性粘性内摩擦力内摩擦力机械能损失机械能损失 输送机械做功输送机械做功二、二、流体静力学流体静力学弯一下？弯一下？等问题等问题 研究研究静止静止或或相对静止相对静止状态的流体状态的流体（一）（一）流体静力学基本方程流体静力学基本方程A任取任取1.1.受力分析受力分析水平方向：水平方向：相互抵消相互抵消垂直方向：垂直方向：上端面的总压力上端面的

7、总压力:P1=p1A下端面的总压力下端面的总压力:P2=p2A重力：重力：G=Vg=g(Z1-Z2)A Z1Z2GP1P2P0 液柱静止液柱静止P1+G-P2=0 p1A+g(Z1-Z2)A-p2A=0 p1+g(Z1-Z2)-p2 =0移项：移项：p2=p1+g(Z1-Z2)（1）若液柱的上端面取在容器的液面，若液柱的上端面取在容器的液面，P0,液柱高液柱高 h,则：则：p2=p0+gh将式（将式（1）移项：）移项：p2+g Z2=p1+g Z1 （2）式（式（2）/：静力学基本方程静力学基本方程)3.(.2211gzpgzp 液柱是任取的：液柱是任取的：对任意两点对任意两点1和和2：)3.

8、(.2211gzpgzp常数 gZp2211gzpgzp12z2z1(1)等压面等压面由式由式(3)(静力学基本方程静力学基本方程):当当 Z1=Z2,1=2 p1=p2 即即(相对相对)静止的静止的,连续连通的同一种流体连续连通的同一种流体(1=2)。同一。同一水平面上的压强相等水平面上的压强相等。这样的水平面称为等压面。这样的水平面称为等压面。2.2.几个概念几个概念.CBABC换句话说，即换句话说，即 静压强仅与垂直位置有关，静压强仅与垂直位置有关，而与水平位置无关而与水平位置无关。(2)压强能与位能压强能与位能 P/的单位的单位:故称故称 P/为为 压强能压强能 g Z的单位的单位:故

9、称故称 gZ 为位能为位能 kgJkgmNmkgmN./32kgJkgmNgZMM.这说明：静止的流体具有位能和压强能，这说明：静止的流体具有位能和压强能，两项能量总和恒为常量。若位能小，则两项能量总和恒为常量。若位能小，则P/大；反之若大；反之若gZ大，则大，则P/小。说明位能小。说明位能和压强能可以相互转换，但总能量守恒。和压强能可以相互转换，但总能量守恒。压强的表示方法:A.以 Pa B.工程上以液柱高度 mH2O柱,mmHg柱(3)压强1atm(标准大气压）标准大气压）=1.013105 Pa =760 mmHg =10.33mH2O1at(工程大气压）工程大气压）=1kgf/cm2

10、=9.807 104 Pa =10 mH2O 换算关系：A.绝对真空绝对真空 绝对压强绝对压强 B.大气压大气压 表压表压（正压）（正压）压力表压力表 真空度真空度（负压，吸力）（负压，吸力）真空表真空表 0Pa大气压大气压PP1P2绝绝表表真真绝绝压强的基准压强的基准 0Pa大气压大气压PP1P2绝绝表表真真绝绝 P表表=P绝绝-Pa ；P真真=Pa-P绝绝；则则 P表表=-P真；真；注意：注意：P要同一基准。要同一基准。(1)压强测量压强测量U形管压差计形管压差计:指示液：水银；甘油；指示液：水银；甘油；水；水；CCl4等等指示液指示液 i 被测流体被测流体 3.3.流体静力学的应用流体静

11、力学的应用取等压面取等压面ab (兼基准面兼基准面)即即 Pa=Pb据静力学基本方程据静力学基本方程:Pa=P1+gZ1Pb=P2+g(Z2-R)+igRPa=P1+gZ1Pb=P2+g(Z2-R)+igR整理整理:(P1+gZ1)-(P2+gZ2)=(i-)gR(P1+gZ1)-(P2+gZ2)=(i-)gR“P1”-”P2”=(i-)gR 虚拟压强差虚拟压强差 “P1”-”P2”=(i-)gR结论结论:U形压差计测得的读数形压差计测得的读数R是两点的虚是两点的虚拟压强差拟压强差.注意注意:当管道水平当管道水平,Z1=Z2,则则 P1-P2=(i-)gR 压差压差 (i-)越小越小 指示液指

12、示液 测液体测液体:用用 Hg 或或 CCl4 测气体测气体:水水+染料染料 且且 g i(水）水）故故(i-)i P1-P2=igR测任一处的压强测任一处的压强 一端通大气一端通大气,P2=Pa P1-Pa=(i-)gR P1表表=(i-)gR其它其它 微差微差/倒倒U形形/斜管斜管.玻璃管液面计玻璃管液面计(2)(2)液位测量液位测量1稳定流动系统稳定流动系统若流动系统中各物理量的大小仅随位置变化、不随时间变化，则称为稳定流动。若流动系统中各物理量的大小不仅随位置变化、而且随时间变化，则称为不稳定流动。工业生产中的连续操作过程，如生产条件控制正常，则流体流动多属于稳定流动。连续操作的开车、

13、停车过程及间歇操作过程属于不稳定流动。本项目所讨论的流体流动为稳定流动过程（一）连续性方程（一）连续性方程三、三、流体动力学流体动力学2连续性方程连续性方程 稳定流动系统，流体充满管道，连续不断地从截面1流入，从截面2流出,以单位时间为衡算基准，依质量守恒定律，进入截面1的流体质量流量与流出截面2的流体质量流量相等。qm1=qm 2 （1）式中 qm流体的质量流量，指单位时间内流经管道有效截 面积的流体质量，kg/s；u流体在管道任一截面的平均流速，m/s；A管道的有效截面积，m2；流体的密度，kg/m3。因为 qm=uA 故 qm=u1A1 1=u2A2 2 （2）若将上式推广到管路上任何一

14、个截面，即 qm=uA =常数 （3）上式表示在稳定流动系统中，流体流经管道各截面的质量流量恒为常量，但各截面的流体流速则随管道截面积和流体密度的不同而变化。若流体为不可压缩流体，即=常数，则 qv=uA=常数 （4）式中 qv流体的体积流量，指单位时间内流经管道有效截面积的流体体积，m3/s；上式说明不可压缩流体不仅流经各截面的质量流量相等，而且它们的体积流量也相等。而且管道截面积A与流体流速u成反比，截面积越小，流速越大。若不可压缩流体在圆管内流动，因 ，则 （5）上式说明不可压缩流体在管道内的流速u与管道内径的平方d2成反比。式（1）至式（5）称为流体在管道中作稳定流动的连续性方程。连续

15、性方程反映了在稳定流动系统中，流量一定时管路各截面上流速的变化规律。24dA2121221ddAAuu（二）柏努利方程（二）柏努利方程 在化工生产中，解决流体输送问题的基本依据是柏努力方程，因此柏努力方程及其应用极为重要。根据对稳定流动系统能量衡算，即可得到柏努力方程。1.1.流动系统的能量流动系统的能量（1）流体所具有的能量机械能 a.位能 位能是流体处于重力场中而具有的能量。单位质量流体的位能则为gz（J/kg）。位能是相对值，计算须规定一个基准水平面。b.动能 动能是流体具有一定速度流动而具有的能量。单位质量流体的动能为 （J/kg）。c.静压能 静压能是由于流体具有一定的压力而具有的能

16、量。单位质量流体的静压能为 （J/kg）221up（2 2）压力的表示方法）压力的表示方法 不同的基准流体压力的大小不同。绝对压力：以绝对真空为基准测得的压力。它是流体的真实压力。表压力或真空度：以大气压力为基准测得的压力。表压力：当被测流体的绝对压力大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。压力表上的读数表示被测流体的绝对压力比大气压力高出的数值。真空度：当被测流体的绝对压力小于外界大气压力时，所用的测压仪表称为真空表。真空表上的读数表示被测流体的绝对压力低于大气压力的数值。显然，真空度为表压的负值，并且设备内流体的真空度愈高，它的绝对压力就愈低。大绝表ppp绝大真ppp注意：注意：大气

17、压力的数值不是固定不变的，它随大气的温度、湿度和所在地海拔高度而定，计算时应以当时、当地大气压为准。为了避免绝对压力、表压力和真空度三者之间相互混淆，当压力以表压或真空度表示时，应用括号注明，如未加注明，则视为绝对压力。压力计算时基准要一致。（3 3）系统与外界交换的能量）系统与外界交换的能量 a.外加功 单位质量流体从输送机械中所获得的能量称为外加功，用We表示，其单位为J/kg。外加功We是选择流体输送设备的重要数据，可用来确定输送设备的有效功率Pe Pe=We qmb.损失能量 单位质量流体流动时为克服阻力而损失的能量，用hf表示，其单位为J/kg。2.2.柏努利方程柏努利方程（1）实际

18、流体的柏努利方程 衡算范围：1-1面、2-2面与壁面所围成的封闭区域，设流体为不可压缩流体，不变 衡算基准：1kg质量的流体，0-0面为基准面 若以0-0面为基准水平面，两个截面距基准水平面的垂直距离分别为z1、z2，两截面处的流速分别为u1、u2，两截面处的压力分别为p1、p2，流体在两截面处的密度为，单位质量流体从泵所获得的外加功为We，从截面1-1流到截面2-2的全部能量损失为hf。根据稳定流动系统的能量守恒，输入系统的能量应等于输出系统的能量能量衡算：fhupgzWeupgz222221112121式中 gz1、分别为流体在截面1上的位能、动能、静压能，J/kg；gz2、分别为流体在截

19、面2上的位能、动能、静压能，J/kg；实际流体的柏努利方程反映了流体流动过程中各种能量的转化和守恒规律，在流体输送中具有重要意义。2121u1p2221u2p注意：gz、是指在某截面上1kg流体本身所具有的能量，而We、hf是指流体在两截面之间所获得和所消耗的能量。柏努利方程的得出是对流体进行能量衡算,必须确定衡算范围。选截面：a.垂直；b.沿流动方向上游为1截面，下游为2截面。选基准面：水平、可任选。221up（2）柏努利方程的讨论 a.理想流体的柏努利方程 理想流体：无粘性、无压缩性，流动时无阻力，hf=0。当流动系统中无外功加入时（即We=0）则 说明：理想流体稳定流动时，总机械能为一常

20、数。理想流体在流动系统的各截面上所具有的总机械能相等，而每一种形式的机械能不一定相等，但各种形式的机械能可以相互转换。222212112121pugzpugzb.可压缩流体 对于可压缩流体，若流动系统两截面间的绝对压力变化较小时（常规定为%），仍可用柏式进行计算，但流体密度应以两截面间流体的平均密度m来代替。c.以单位重量（1N）流体为计算基准的柏努利方程将以1kg流体为基准的柏式中的各项除以g，则可得 令 则 20121pppghgugpzgWegugpzf2222222111gWeHe ghHff fHgugpzHegugpz2222222111z、与Hf分别称为位压头、动压头、静压头与压

21、头损失，而He则被称为输送设备对流体所提供的有效压头。（3）柏努利方程使用条件a.稳定、连续、不可压缩系统。b.两截面间流量不变，满足连续性方程。（4）柏努利方程的应用 a.确定高位槽供液系统的槽面高度b.确定输送设备的有效功率c.确定送液气体的压力d.流量测量 gu22gp（5）解题要点A.作图与确定衡算范围 根据题意画出流动系统的示意图，并指明流体的流动方向，以明确流动系统的衡算范围。B.截面的选取 截面应与流向垂直；定出上（1-1）、下游（2-2）截面；两截面间的流体必须是连续的，所求的未知量应在截面上或在两截面之间反映出来，且截面上有关物理量，除了所需求取的未知量外，都应该是已知的或能

22、通过其它关系计算出来。求有效功率，截面选在泵的两侧。C.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。为了计算方便，通常取基准水平面通过所选两个截面中的任一个截面，一般选低位，如截面与基准面垂直，则取基准水平面通过截面的中心，z值是指截面中心点与基准水平面间的垂直距离。D.单位必须统一 两截面的压力除要求单位一致外，还要求表示方法一致，应为绝对压力，但由于式中所反映的是压力差，因此压力也可以同时用表压力。（6）解题步骤a.作图与选截面；b.选取基准水平面；c.列方程，寻找已知条件，求解。（三）流体流动的型态（三）流体流动的型态 1.流动类型的划分流动类型的划分 （1）雷诺实验雷诺

23、实验装置雷诺实验现象层流：流体质点沿管轴方向作直线运动，分层流动，又称滞流 湍流：流体质点除沿轴线方向作主体流动外，还在各个方向有剧烈的随机运动，又称紊流 说明：过渡状态不是一种独立的流动型态，介于层流与湍流之间。可以看成是不完全的湍流，或不稳定的层流，或者是两者交替出现，随外界条件而定，受流体流动干扰的控制。（2）两种流动型态）两种流动型态层流与湍流在圆管内的速度分布层流与湍流在圆管内的速度分布层流时其速度分布曲线呈抛物线形。如图1-15所示。管壁处速度为零，管中心处速度最大。平均流速u0.5umax 湍流时其速度分布曲线呈不严格抛物线形。管中心附近速度分布较均匀，如图1-16所示，平均流速

24、u0.82umax 层流速度分布层流速度分布（1 1）雷诺准数）雷诺准数ReReduRe2.流体流动型态的判定流体流动型态的判定 雷诺准数，无单位。Re大小反映了流体的湍动程度，Re越大，流体流动湍动性越强。计算时只要采用同一单位制下的单位，计算结果都相同。（2 2）判据）判据Re2000 层流（滞流）Re=20004000 过渡状态Re4000 湍流应该指出，在2000 Re 2000可作湍流处理。3.湍流流体中的层流内层湍流流体中的层流内层 层流内层：当管内流体做湍流流动时，管壁处的流速也为零，靠近管壁处的流体薄层速度很低，仍然保持层流流动，这个薄层称为层流内层。层流内层的厚度随雷诺准数R

25、e的增大而减薄，但不会消失。层流内层的存在，对传热与传质过程都有很大的影响。流体在管内作湍流流动时，横截面上沿径向分为层流内层、过渡层和湍流主体三部分。层流内层 1.1.流体的粘度流体的粘度（1）粘性流体流动时产生内摩擦的性质称为流体的粘性。粘性大的流体流动性差，粘性小的流体流动性好。粘性是流体的固有属性，流体无论是静止还是流动，都具有粘性。牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律，即流体层间的剪应力与速度梯度成正比。式中比例系数，称为动力粘度或绝对粘度，简称粘度。服从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这一类。不服从牛顿粘性定律的流体，称为非牛顿型流体。流体相邻层间的内

26、摩擦力即为F AdyduF若单位流层面积上的内摩擦力称为剪应力，则 dyduAF（2 2）粘度）粘度粘度是表征流体粘性大小的物理量，是流体的重要物理性质之一，流体的粘性越大，粘度值越大，其值由实验测定。影响因素：流体的粘度是流体的种类及状态（温度、压力）的函数，液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度升高而增大。压力变化时，液体的粘度基本不变，气体的粘度随压力增加而增加得很少，一般工程计算中可以忽略。查取：某些常用流体的粘度，可以从有关手册和本书附录中查得。单位及换算：在SI制中，粘度的单位是Pas，在工程上或文献中粘度的单位常用cgs制，泊（P）或厘泊（cP）表示 1Pas=10P=10

27、00cP在工业生产中常遇到各种流体的混合物。混合物的粘度，如缺乏实验数据时，可参阅有关资料，选用适当的经验公式进行估算。流体在管路中流动时的阻力分为直管阻力和局部阻力两种。直管阻力：流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力。局部阻力：流体流经管路中的管件、阀门及截面的突然扩大和突然缩小等局部地方所引起的阻力。总阻力：直管阻力和局部阻力的总和。fffhhh2.流动阻力流动阻力（1）直管阻力）直管阻力22udlhfa.范宁公式直管阻力，也叫沿程阻力，指流体在直管内流动时所受到的阻力。直管阻力通常由范宁公式计算，其表达式为：式中：hf直管阻力，J/kg；摩擦系数，也称摩擦因数，无量纲；

28、l直管的长度，m；d直管的内径，m；u流体在管内的流速，m/s。（1）直管阻力）直管阻力Re64232dulhfb.摩擦系数层流：层流：流体作层流流动时，管壁上凹凸不平的地方都被有规则的流体层所覆盖，与/d无关，摩擦系数只是雷诺准数的函数。代入范宁公式，则 湍流：湍流：使用经验公式计算：各种经验公式，均有一定的适用范围，可参阅有关资料。查莫狄（Moody）图：可以方便地根据Re与/d值从图中查得各种情况下的值。根据雷诺准数的不同，可在图中分出四个不同的区域：a层流区 当Re4000且在图中虚线以下区域时，=f（Re，/d）。对于一定的/d，随Re数值的增大而减小。d完全湍流区 即图中虚线以上的

29、区域，只取决于/d。当/d一定时，为定值。此区域内，阻力损失与u2成正比，故又称为阻力平方区。/d值越大，达到阻力平方区的Re值越低。莫狄图某些工业管道的绝对粗糙度某些工业管道的绝对粗糙度 管道类别绝对粗糙度/mm无缝黄铜管、铜管及铝管新的无缝钢管或镀锌铁管新的铸铁管具有轻度腐蚀的无缝钢管具有重度腐蚀的无缝钢管旧的铸铁管干净玻璃管很好整平的水泥管0.010.050.10.20.30.2 0.30.5以上0.85以上0.00150.010.33（1）直管）直管阻力阻力c.表面粗糙度表面粗糙度（2 2）局部阻力）局部阻力 局部阻力一般有两种计算方法，即阻力系数法和当量长度法。a.当量长度法当量长度

30、法是将流体通过局部障碍时的局部阻力计算转化为直管阻力损失的计算方法。当量长度是与某局部障碍具有相同能量损失的同直径直管长度。22udlehf式中 u管内流体的平均流速，m/s。le当量长度，m，由实验测定，某些管件与阀门的当量长度也可以从图1-21查得。当局部流通截面发生变化时，u应该采用较小截面处的流体流速。b.阻力系数法将局部阻力表示为动能的一个倍数，则 22uhf式中 局部阻力系数，无单位，其值由实验测定。（3 3）总阻力）总阻力 a.当量长度法 当用当量长度法计算局部阻力时，其总阻力计算式为 式中 le管路全部管件与阀门等的当量长度之和，m。b.阻力系数法当用阻力系数法计算局部阻力时，

31、其总阻力计算式为 式中 管路全部的局部阻力系数之和。2 2udlelhf2)(2udlhf注意：当管路由若干直径不同的管段组成时，管路的总能量损失应分段计算，然后再求和。总阻力的表示方法除了以能量形式表示外，还可以用压头损失Hf（1N流体的流动阻力，m）及压力降pf（1m3流体流动时的流动阻力，m）表示。它们之间的关系为hf =Hf gpf =hf =Hf g 任务计划与实施任务计划与实施工作任务计划与实施表工作任务计划与实施表专业班级姓名学号组别任务名称认识液体输送参考学时10任务描述任务计划与实施过程任务评价任务评价工作任务评价单工作任务评价单班级姓名学号成绩组别任务名称认识流体与流体输送参考学时10序号评价内容分数自评互评组长或教师评分1课前准备（课前预习情况）52知识链接*（完成情况）253任务计划与实施354实训效果305遵守课堂纪律5总分100综合评价（自评分20%+互评分40%+组长或教师评分40%）小组长签字：教师签字：