化工基础课件

第二章流体流动与输送第一节概述一、流体的特性1、流动性；2、没有固定形状，形状随容器而变；3、流体流动—外力作用的结果；4、连续性（除高度真空情况）。二、流体的宏观参数能宏观测定的平均参数—研究流体质点（微团）三、可压缩性流体与不可压缩性流体可压缩性流体—气体不可压缩性流体—液体四、研究内容（1）流体流动的规律（2）设备提供的能量（3）压力、流速、流量的测定流体流动的典型流程计算内容：流速、流量、压强、管径、扬程、功率转子流量计阀门贮槽离心泵贮槽第二节流体静力学基本方程式研究外力作用下的平衡规律1-1密度一、密度1.定义：单位体积流体所具有的质量。ρ=m/V[kg/m3]2、影响因素：温度和压力（1）液体—为不可压缩的流体，与压力无关，温度升高，密度降低。（2）气体—为可压缩性的流体，通常（压力不太高，温度不太低）时可按理想气体处理，否则按真实气体状态方程处理。RTMP000TPPT3、混合物密度（1）气体RTPMmmmmmMyMyMyM2211（2）液体混合物密度nnmaaa22111a—质量分率应用条件：**混合物的体积应等于各组分单独存在时的体积之和。二、比容单位质量的流体所具有的体积。]/[13kgmmV三、相对密度与比重1.相对密度d2.重度1000204OHCd]/[3mkgfVG重度值=密度值(值相同但意义不同)1—2压力一、定义：流体垂直作用于单位面积上的力。AFP][][2PamN二.压力的单位1.SI单位[N/m2][Pa]2.工程单位[kg/m2]—[at]—[mmHg]—[mmH20]—[mH20]3.换算1atm=1.0133×105[N/m2]=101.3[kPa]=10330[kgf/m2]=10.33[mH20]=760[mmHg]1at=1[kgf/cm2]=10[mH20]=735.5[mmHg]=98.1[kPa]三.压力的基准及表示形式1.以绝对真空为基准2.以当时当地压力为基准绝对压表压真空度绝压（余压）表压＝绝对压-大气压真空度＝大气压-绝对压绝对零压大气压实测压力实测压力例题：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80kPa，在天津操作时，真空表读数应为多少？已知兰州地区的平均大气压85.3kPa，天津地区为101.33kPa。解：维持操作的正常进行，应保持相同的绝对压，根据兰州地区的压强条件，可求得操作时的绝对压。解:绝压=大气压-真空度=85300–80000=5300[Pa]真空度=大气压-绝压=101330-5300=96030[Pa]1-3流体静力学基本方程一.相对静止状态流体受力情况上表面作用力：F1=P1A下表面作用力：F2=P2A重力：G=gA(Z1-Z2)1PG2P1Z2ZF1+G=F2P1A+gA(Z1-Z2)=P2AP2=P1+g(Z1-Z2)或P2=P0+g(Z1-Z2)=P0+gh或1PG2P1Z2ZgPZgPZ22112211PgZPgZF1＝P1AF2＝P2AG＝gA(Z1-Z2)二.静力学方程及巴斯葛定律三.讨论1.流体某一深处的压力与深度和密度有关。2.液面上方流体压力改变，液体内部压力随着改变且变化值相同（巴斯葛定律）。3.静止的、连续的同一流体内、同一水平面处各点压力相等。(等压面)4.压力或压差可用液柱高度表示。H=（P2-P0）/ggPZgPZ2211P2=P0+gh5.可用不同液柱高度表示压力，换算关系为：H’=H/’6.静压头与位压头之和为常数。Z—表示把单位重量流体由基准面移至Z高度后具有的位能。gP—静压头。例:•P0P1P2•P1=?P2=?2P0P1Ph1h例题:1.判断下面各式是否成立PA=PA’PB=PB’PC=PC’2.细管液面高度。1=800kg/m32=1000kg/m3H1=0.7mH2=0.6m3.当细管水位下降多高时,槽内水将放净?油水1H'AA2H'CC'BB解:利用等压面原理求解1.PA=PA’PB=PB’油水'AA'CC1H2H'BB2.2gh+p0=1gH1+2gH2+p03.2gh’=1gH11-4流体静力学基本方程的应用一.压力测定1.U型管压差计A-A’为等压面PA=PA’PA=P1+g(H+R)PA’=P2+’gR+gHP1-P2=Rg(’-)如测量气体0P1-P2=Rg’一臂通大气?H'R'AAP1P22.微差压差计—放大读数P1P2aRb特点：（1）内装两种密度相近且不互溶的指示剂；（2）U型管两臂各装扩大室（水库）。P1-P2=（a-b）RgR3.倾斜液柱压差计1RR1=R/sinR=R1sin例题：用普通U型管压差计测量气体管路上两点压差，指示液为水，读数R为1.2cm，为扩大读数改为微差计，一指示液密度为920kg/m3，另一指示液密度为850kg/m3，读数可放大多少倍？解：（水-气）gR=（1-2）gR’21'水RRmm171850920100012新读数为原读数的171/12＝14.3倍例题：常温水在管道中流动，用双U型管测两点压差，指示液为汞，其高度差为100mmHg，计算两处压力差如图：P1=P1’P2=P2’Pa=P1’+水gxP1’=汞gR+P2Pb=水gx+水gR+P2’Pa-Pb=Rg(汞-水)=0.19.81(13600-1000)=1.24103Pa'22R'''111bax二.液位的测量三.液封气体R真空表气气水RRpp已知：抽真空装置的真空表读数为80kPa，求气压管中水上升的高度。P0=P+gRP为装置内的绝对压P0RgPPR0mR15.881.910008000P=P0-真空度第三节：管内流体流动的基本方程1-5流量与流速一.流量1.体积流量qv[m3/s]2.质量流量qm=qv[kg/s]二.流速1.平均流速u=V/A[m/s]2.质量流速qw=qm/A=u[kg/m2.s]3.管径uVdS4液体:0.5—3m/s气体：10—30m/s例:安装一根输水量为30m3/h的管道,试选择合适的管道。选择普通无缝钢管①外径=89mm壁厚=4mm即φ89×4的管子内径为d=81mm=0.081m实际流速为:uVdS48.14/14.33600/30mmm77077.0解：选择管内水的经验流速u=1.8m/ss/m62.1)081.0(785.03600/30u21-6稳定流动与不稳定流动一.稳定流动—流体流动过程中，在任意截面，流体的参数不随时间改变（定常态流动）。二.不稳定流动—流体流动过程中，在任意截面,流体的任一参数随时间而改变（非定常态流动）。AB121’2’qm1=qm2qm=V=uAu1A11=u2A22=常数对于不可压缩性流体,密度可视为不变u1A1=u2A2u1/u2=(d2/d1)21-7连续性方程123D1=2.5cmD2=10cmD3=5cm(1)当流量为4升/秒时,各段流速?(2)当流量为8升/秒时,各段流速?22112)(dduu2)1005.2(785.0004.0AquV1sm/15.82)105.2(15.8sm/51.0例题:如下图的变径管路123D1=2.5cmD2=10cmD3=5cm(1)当流量为4升/秒时,各段流速?(2)当流量为8升/秒时,各段流速?＝2.04m/sV’=2Vu’=2uu1=2uu1’=16.3m/s23113)(dduu例题:如下图的变径管路例题:1-8柏努力方程#稳定流动，单位时间，质量为M的流体截面1——截面2位能：流体因处于地球重力场中而具有能量，其值等于把质量为M的流体由基准水平面升举到某高度Z所做的功。位能=力距离=mgZ单位质量流体的位能：mgZ/m=gZ[J/kg]1Z2Z12一.柏努力方程一公斤流体的静压能为PA.qm/(.A)=P/[J/kg]当流体为理想流体时，两界面上的上述三种能量之和相等。即：•2222222111uPgZuPgZ各截面上的三种能量之和为常数——柏努力方程二.柏努利方程讨论1.柏努利方程表示理想流体在管道内作稳定流动,无外加能量,在任一截面上单位质量流体所具有的位能、动能、静压能（称为机械能）之和为常数，称为总机械能，各种形式的机械能可互相转换。2.各项机械能的单位皆为J/kg。3.当（P1-P2）/P220%,密度用平均值,不稳定系统的瞬间亦可用。4.流体静止,此方程即为静力学方程;各项单位为m：表示单位重量流体具有的机械能,相当把单位重量流体升举的高度。各项称为压头。gPguZgPguZ22221211222uPgZ2uPgZ222221115.亦可用单位重量和单位体积流体为基准:1-9实际流体的机械能衡算失EuqPqgZqWuqPqgZqmmmmmm2222222111fehuPgZHuPgZ2222222111feHgugPZHgugPZ222222'2111压头损失压头，称为扬程为流体输送机械的有效feHH'能量的转换连通变径管h2h1h3h4二.柏努利方程的应用解题要点1.作图并确定能量衡算范围;2.截面的选取；(1)截面应与流体的流动方向垂直；(2)两截面之间的流体是连续的；所求未知量应在截面上或截面之间；12m5.1m16例题：如图，碱液(d=1.1)，塔内压力为0.3atm,管径603.5,送液量25T/h,能量损失为29.43J/kg,求外界输送的能量。Z1=1.5m,Z2=16mP1(表)=0P2=0.3atm=0.3101330pau1=0∑hf=29.43J/kg16m1.5mqv=qm/ρ=25000/3600/1100=0.0063m3/su2=qv/A=0.0063/(0.785×0.0532)=0.86m/sgZ1+He=gZ2+P2/ρ+u22/2+∑hf=203J/kg例题:泵进口管φ89×3.5，出口管径φ76×2.5流速1.5m/s，压力0.2kgf/cm2(表),能量损失40J/kg，密度1100kg/m3,求外加的能量。Z1=0Z2=7mP1=0P2=0.2×98100Pau1=0∑hf=40J/kgu2=u0(d0/d2)2=1.5×(82/71)2=2m/sm712fhuPgZHe22222kgJ/128例:管内流体流速为0.5m/s,压头损失1.2m,求高位槽的液面应比塔入口高出多少米?1Z2P1=P2=0(表)u1=0u2=0.5m/sZ1=ZZ2=0Z1=u22/2g+Hf=0.52/(2×9.81)+1.2=1.21m1.A阀不开,求A处的表压强;2.阀开,求A处的流速,(阻力不计);3.A阀开,流量为零,压力计读数?解:1.PA=P+ρgHP=ρHggR=13600×9.81×76/1000=10133Pa(真空度)PA=-10133+1000×9.81×2=9487Pa(表压)P1m76mmHg1mA2.根据柏努力方程Z1=1+1=2mZ2=0P1=-10133PaP0=0u1=0hf=02×9.81-10133/1000=u22/2u2=4.35m/s3.u2=02×9.81–Px/1000=0Px=19620Pa19620/101330×760=147mmHg第四节管内流体流动现象一.牛顿粘性定律1.粘性:流体在流动中产生阻碍流体流动的内摩擦力的性质,粘性是能量损失的原因。实验：内摩擦力F剪应力：单位面积上的内摩擦力（τ）。τ=F/Adu/dy（du/dr）—速度梯度速度沿法线上的变化率。duuuduuu1—10粘度剪切力：单位面积上的内摩擦力.μ：粘度系数——动力粘度——粘度。粘度的物理意义：当速度梯度为1时，单位面积上产生的内摩擦力的大小。粘度的单位dyduA