流体的流动过程及流体输送设备
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第3章流体的流动过程及流体输送设备3.1 基本的基本性质1．教案目的和要求：掌握流体的基本性质；推导牛顿粘性定律。
2．本知识点的重点：流体的基本性质3．本知识点的难点：粘度及牛顿粘性定律4.教案时数：2学时研究流体的流动和输送主要解决以下问题:①确定输送流体所需管径。
管径由生产任务及被输送流体在流动过程的物料和能量衡算决定；②确定输送流体所需能量和设备。
根据流体的性质、输送的距离和管路阻力等，计算所需的能量，选择合适的输送设备；b5E2RGbCAP③流体性能参数的测量和控制。
监控生产过程，准确而及时地测量流体流动时的各参数，选用可靠而准确的测量和控制仪表；p1EanqFDPw④研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供依据。
观察流动形态，选用合适设备；⑤了解输送设备的工作原理和性能，正确使用输送设备。
1．密度单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，表达式为：ρ=m/V流体的密度随温度和压力的变化而变化。
压力对液体的密度影响很小，故常将液体称为不可压缩流体。
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。
在温度不太低和压力不太高时，气体密度近似用理想气体状态方程计算，即：DXDiTa9E3d=pM/RT在生产中遇到的流体，往往是混合物。
对液体混合物，各组分的浓度用质量分数表示。
设各组分在混合前后其体积不变，则混合物的体积应等于各组分单独存在时的体积之和，即RTCrpUDGiT1/m＝w1／1＋w2／2＋…＋wn／n2.压力流体垂直作用于单位面积上的力称为压力，又称为流体的压力或压强，表达式为：P =F／A 压力的单位Pa(Pascal，帕>，即N·m-2，kg·m-1·S-2。
单位换算：l atm＝760mmHg＝1.01325×105Pa＝10.33mH2O＝1.033kgf·㎝-25PCzVD7HxA压力有两种不同的表达方式。
一是绝对压力：以绝对零压为起点而计量的压力；另一是表压或真空度：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，所测压力称为表压，当测容器的压力低于大气压时(工程上称为负压>，所测压力称为真空度。
jLBHrnAILg压力的换算关系：表压=绝对压力-大气压力真空度＝大气压力-绝对压力3．流量和流速流量：单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量。
若流体量用体积来计量，称为体积流量，以符号qv表示，单位为m3·s-1；xHAQX74J0X若流体量用质量来计量，则称为质量流量，以符号qm表示，其单位为kg·s-1。
若流体量用物质的量表示，称为摩尔流量，以符号qn表示，其单位为mol·s-1。
体积流量和质量流量的关系为：qm=qV 质量流量与摩尔流量的关系为：qm＝Mqn流速：单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，称为流体的流速，以u表示，单位为m·s-1。
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表示：u=qV／S流速的分布：由于流体本身的粘滞性以及流体与管壁之间存在摩擦力，所以流体在管道内同一截面上各点的流速是不相同的。
管道中心流速最大，离管中心越远，流速越小，在紧靠管壁处，流速为零。
LDAYtRyKfE工业上流速范围大致为：液体 1.5—3.0m·s-1，高粘度液体0.5～1.0 m·s-1；气体10～20 m·s-1，高压气体15～25 m·s-1；饱和水蒸气20—40 m·s-1，过热水蒸气30—50 m·s-1。
Zzz6ZB2Ltk4．粘度粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要参数之一。
流体的粘度越大，其流动性就越小。
dvzfvkwMI1实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层间的速度差u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y呈反比，即：rqyn14ZNXIF ∝ (u/y>A引入比例系数，则：F＝(u/y>A内摩擦力F的方向与作用面平行。
单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以τ表示，则有：＝F／A＝(u/y>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：＝(du/dy> du/dy——与流动方向相垂直的y方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。
上式称为牛顿粘性定律。
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。
反之，为非牛顿型流体，如某些高分子溶液、胶体溶液及泥浆等。
EmxvxOtOco 液体的粘度随着温度的升高而减小，气体的粘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，气体的粘度随压力的增加而增加得很少。
SixE2yXPq5粘度的单位为：[]=[/(du/dy>]=(N·m-2>/(m·s-1·m-1>＝N·s·m-2＝Pa·s1 P＝100cP(厘泊>=10-1Pa·s。
流体的粘度还用粘度与密度的比值来表示，称为运动粘度，以表示之，即：=/运动粘度的单位为m2·s-1。
1 st＝100 cst(厘沲>＝10-4m2·s-1工业上各种混合物粘度用实验的方法测定，缺乏数值时，可参考有关资料以选用适当的经验公式进行估算。
对气体混合物的粘度，可采用下式进行计算：m=(i iMi1/2／对分子不发生缔合的液体混合物的粘度，可采用下式进行计算：lg m=3.2 流体流动的基本规律1．教案目的和要求：掌握流体流动的基本规律；掌握流体流动过程中的物料衡算和能量衡算。
2．本知识点的重点：流体流动过程中的物料衡算和能量衡算3．本知识点的难点：流体流动过程中的物料衡算和能量衡算4.教案时数：2学时1．定态流动和非定态流动流体在管道或设备中流动时，若在任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但不随时间而改变，称为定态流动；只要有一项随时间而变化，则称为非定态流动。
如图。
6ewMyirQFL2．流体定态流动过程的物料衡算——连续性方程当流体作定态流动时，根据质量作用定律，在没有物料累积和泄漏情况下，单位时间内通过流动系统任一截面的流体的质量应相等。
kavU42VRUs如图所示,对截面1—1’和2—2’之间作衡算，单位时间流入截面1—l’的流体质量应等于流出截面2—2’的流体的质量，即：y6v3ALoS89qm,1=qm,2推广到任何一个截面，则：qm=1u1S1＝2u2S2＝…＝nunSn=常数对于不可压缩流体，即上式=常数，则：qV=u1S1=u2S2=…=unSn=常数不可压缩流体不仅流经各截面的质量流量相等，它们的体积流量也相等。
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。
M2ub6vSTnP3．流体定态流动过程的能量衡算——柏努利方程流动体系的能量形式主要有：流体的动能、位能、静压能以及流体本身的内能。
前三种又称为流体的机械能。
(1>理想流体流动过程的能量衡算所谓理想流体是指在流动时内部没有内摩擦力存在的流体，即粘度为零。
若过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则理想流体流动时的能量恒算可以只考虑机械能之间的相互转换。
0YujCfmUCw (1>理想流体流动过程的能量衡算所谓理想流体是指在流动时内部没有内摩擦力存在的流体，即粘度为零。
若过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则理想流体流动时的能量恒算可以只考虑机械能之间的相互转换。
eUts8ZQVRd如图，根据能量守恒定律，没有外界能量输入，在截面1—1”和截面2—2”之间应符合：入=出即 mgZ1+m u12/2+p1m/ =mgZ2+m u22/2+p2m/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，则有：Z1+ u12/(2 g>+p1/(g> =Z2+u22/(2g>+p2/(g> 上式称为：理想流体在定态流动时的能量衡算方程式，又称为柏努利方程(Bernoulli equation>。
工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位为J·N-1，即m，称为“压头”，sQsAEJkW5T则Z、u2/(2g>和p/(g>分别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称为位压头、动压头和静压头。
GMsIasNXkA 理想流体在管道各截面上的每种能量并不一定相等，在流动时可相互转化，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>是常数。
TIrRGchYzg(2>实际流体流动过程的能量衡算实际流体在流动时，由于流体粘性的存在，必然造成阻力损失。
单位重力的流体在定态流动时因摩擦阻力而损失的能量(压头>记为f；，单位J·N-1或m。
7EqZcWLZNX为克服流动阻力使流体流动，往往需要安装流体输送机械。
设单位重力的流体从流体输送机械所获得的外加压头为He，单位J·N-1域m。
lzq7IGf02E则实际流体在流动时的柏努利方程为：Z1+ u12/(2 g>+p1/(g> +He=Z2+u22/(2g>+p2/(g>+ f (3－22>zvpgeqJ1hk以上得到的各种形式柏努利方程仅适用于不可压缩的液体。
对静止状态的流体，u=0，没有外加能量，He =0，而且也没有因摩擦而造成的阻力损失f=0，则柏努利方程简化为：NrpoJac3v1Z1+ p1/(g> =Z2+p2/(g>或 p1- p2=g(Z1 -Z2>4．流体流动规律的应用举例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流体流动方面的实际问题。
在应用柏努利方程时，注意以下几点。
1nowfTG4KI①作图：根据题意作出流动系统的示意图，注明流体的流动方向。
②截面的选取：确定出上下游截面以明确对流动系统的衡算范围。
③基准水平面的选取：为了简化计算，通常将所选两个截面中位置较低的一个作为基准水平面。
如果截面与基准水平面不平行，则Z 值是指截面中心点与基准水平面的垂直距离。
fjnFLDa5Zo④单位统一：方程式两侧的各个物理量单位必须一致，最好均采用国际单位制。
(1>管道流速的确定例 3—l 今有一离心水泵，其吸入管规格为88.5 mm × 4 m m，压出管为75.5 mm × 3.75 mm，吸入管中水的流速为 1.4 m·s-1，试求压出管中水的流速为多少？tfnNhnE6e5解：吸入管内径dl=88.5－2 × 4＝80.5 mm压出管内径 d2＝75.5－2 × 3.75=68 mm根据不可压缩流体的连续性方程u1S1= u2S2圆管的截面积S=d2/4，于是上式写成：u2／ul=(dl／d2>2故压出管中水的流速为：u2=(dl／d2>2 ul=(80.5／68>2 × 1.4m·s-1＝1.96 m·s-1当流量一定时，圆管中流体的流速与管径的平方呈反比。
