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;b5E2RGbCAP
③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;p1EanqFDPw
④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RTCrpUDGiT
1/m=w1/1+w2/2+…+wn/n
2.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。Zzz6ZB2Ltk
4.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:rqyn14ZNXI
F ∝ (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·s
1 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。6ewMyirQFL
2.流体定态流动过程的物料衡算——连续性方程