第1章 流体流动与输送

（2）泵壳 离心泵的外壳大多制成蜗壳形，使泵 壳与叶轮之间所形成的通道截面沿叶轮 旋转方向逐渐扩大。 泵壳的主要作用是将叶轮封闭在一定 的空间中，汇集叶轮甩出的液体，并将 其导向排出管路。同时由于蜗壳通道截 面积逐渐扩大，叶轮甩出的液体流速逐 渐降低，部分动能转化为静压能。
管内层流流速分布
（2）湍流（紊流） 速度、压强等流动要素随时间和空间 作随机变化，质点轨迹曲折杂乱、互相 混掺的流体运动。 湍流流动中，液体质点在管中不仅有 轴向运动，还有径向运动，各质点之间 彼此相互碰撞且相互混合，质点速度和 方向随时发生变化。
管内湍流流速分布
3.影响流型变化的因素 （1）流速 u（m/s） （2）管径 d（m） （3）流体的黏度 µ （Pa•s） （4）流体的密度 （kg/m3） 4.雷诺数Re
第1章 流体流动与输送
冯艳芳 2013年8月
目录
1.1流体流动、流量和流速 1.2流体的流动阻力
1.3流体的输送设备
1.1 流体的流动、流量和流速
1.1.1流体流动
1.流体：液体和气体的总称。 2.基本特征：具有流动性。 所谓流动性就是在静止时不能承受剪 切力的作用，当有剪切力作用于流体时， 流体质点间就会产生相对的运动。
le u h d 2
/ f
2
练习
密度为800kg/m3的油由一个贮槽流入 另一个贮槽，管路由长30m，直径为 Ø 38mm×2.5mm的钢管和一个全开的阀 门，两个90o标准弯头组成。油在管道内 的流速为0.46m/s，黏度为0.008Pa•s，求 总的能量损失。
1.2.5 减小流动阻力的途径 由于流动阻力的存在，必然要造成能 量的损失。因此在液体输送的过程中减 小流体流动阻力对于节能，提高经济效 益显得尤为重要。 不同的阻力影响因素也不同，所以减 小直管阻力和局部阻力的方法也不同。
qv u A
（2）质量流量与平均流速的关系
qm qv uA
3.质量流速（w） 单位时间内流经管道单位面积的流体质 量，称为流体的质量流量。 用符号w表示，单位kg/（m2 •s） （1）质量流速与质量流量的关系
qm w A
（2）质量流量与体积流量的关系
w u
气体的体积流量随压强和温度变化， 其流速将随之变化，但其质量流量是不 会改变的，当横截面积不变时，气体的 质量流速不会变化。 对于气体流速常用质量流速来表示。
剪切力：两个距离很近，大小相等， 反的横向外力（垂直于作用面的力） 3.流体的特性 气体是可以压缩的，而液体的可压缩 性很小，工程上近似认为是不可压缩的。 所以研究流体时既要考虑其共性又要考 虑其特性。
1.1.2 流量
1.流量： 单位时间内流经设备或管道任一截面的 流体数量。 2.体积流量（ qv ） 单位时间内流经管道任一截面上的流 体体积量，称为体积流量。 用符号qv表示，单位为m3/s或m3/h
例1-1 某油的黏度为70mPa•s，密度为 1050kg/m3，在管径Ø mm×4mm 114 的管路中流动，若油的流量为30m3/h 试确定管内油的流动形态。
练习
空气中内径为50mm的钢管中流动， 流速为20m/s，绝对压强为2atm （1atm=101325Pa），密度为1.0kg/m3， 黏度为2.11×10-5Pa•s，试求空气的流动 形态。若管道中流过的是水，其密度是 996kg/m3，黏度为0.8cP，流速为1m/s， 则水流的形态是？
与此同时，叶轮中心处由于液体被甩 出而形成一定的真空，而液面处的压强 Pa比叶轮中心处要高，因此，吸入管路 的液体在压差作用下进入泵内。叶轮不 停旋转，液体也连续不断的被吸入和压 出。由于离心泵之所以能够输送液体， 主要靠离心力的作用，故称为离心泵
3.离心泵的主要部件 （1）叶轮 ★根据结构叶轮可以分为： 开式、半闭式、闭式 ★根据吸液方式的不同可以分为： 单吸式、双吸式
Re
du
雷诺数是将影响流型的各个因素组合 起来的数群，可以用来判断流体流型。

Re ≤2000时，是层流流动 Re ≥4000时，是湍流流动 2000 ＜ Re ＜4000时，过渡区 在过渡区，有时候出现层流，有时候出 现湍流，为不稳定区。 在一般的工程计算中， Re ＞2000时可 以按湍流处理。
对于气体其体积随温度、压力的变化 而变化，所以表示气体的体积流量时， 需要注明气体的压力和温度。 3.质量流量（ qm） 单位时间内流经任一截面上的流体质量。 质量流量用符号qm来表示 单位为： kg/s或kg/h 4.体积流量和质量流量之间的关系 qm qv（ 表示液体的密度）
1.1.3 流速
当玻璃管内的水的流速较小时，细管 流出的颜色水是一条界线明显的直线， 与周围的清水不相混。 当玻璃管内的水的流速调大时，细管 流出的颜色水开始出现波动，与周围的 清水混在一起；如果水流再调大，则有 颜色水彻底断裂，与周围清水彻底混在 一起。
2.流体的两种流动形态----层流和湍流
（1）层流（滞流） 层流是流体的一种流动状态。 流体在管内流动时，其质点沿着与 管轴平行的方向作平滑直线运动，此种 流动称为层流或滞流，有时也称为直线 流动。 流体的流速在管中心处最大，其近 壁处最小。
1.离心泵的构造
离心泵的主要部件： ★泵壳（蜗壳形） ★叶轮（固定在泵轴上） 叶轮上有6-12片向后弯曲的叶片 ★底阀 ★吸入导管 ★压出导管 ★泵轴
2.离心泵的工作原理
离心泵一般由电动机带动，在启动泵前 泵体及吸入管路内充满液体。当叶轮高速 旋转时，叶轮带动叶片间的液体一道旋转， 由于离心力的作用，液体从叶轮中心被甩 向叶轮外缘（流速可增大至15～25m/s）， 动能也随之增加。当液体进入泵壳后，由 于蜗壳形泵壳中的流道逐渐扩大，液体流 速逐渐降低，一部分动能转变为静压能， 于是液体以较高的压强沿排出口流出。
（3）减小管壁的绝对粗糙度 对于铸造管道内壁应该清砂和清除毛 刺；对焊接钢管应清除内壁的焊瘤。 （4）用软管代替硬管 这样可以减小流动阻力，流体的黏度 越大，软管的壁面越薄，减小阻力的效 果越好。
2.减小局部阻力的途径 （1）在管路系统的允许下，尽量减少弯 头，阀门等局部管件，以减小系统的局 部阻力。 （2）对于管路系统中必须装置的管件， 可以改善管件的外壁形状来减小阻力。 如可以采取流行线的进口；对于弯管可 以在弯道处安装呈流线型月牙形的导流 叶片。
1.2.4 局部阻力的计算 工业管道上往往设有阀门、弯头、 三通等管部件。
流体经过阀门、弯头、三通等管部件 时，不仅有流体内部的摩擦，而且还有 部件形体的改变引起的流速的大小、方 向、分布的改变。由此产生的摩擦阻力 与流体阻力之和为局部阻力。所引起的 能量损失为局部损失。 局部阻力=摩擦阻力+流体阻力 即使流体在管内做滞流流动，经过管 件或阀门时也容易变为湍流。
1.减小直管阻力的途径
hf
l u d 2
2
f (Re, ) d
（1）减小管长 满足工程需要的前提下，管路尽可能 短一些，尽可能走直线，少拐弯。 （2）适当增加管径 加大管径可以减小流动阻力，使消耗 的能量少一些，操作费用低。但管子的 价格随之增加，设备费用高了。 所以选择时要综合考虑操作费用和设 备费用的矛盾。
f (Re, )
因为做湍流流动时，不仅有流体质点 间的内摩擦，还有质点间的碰撞。此种 流动的能量损失最大； 所以流体在管内做湍流流动时，其摩 擦系数不仅与u、d、 和 有关，还与 管内的粗糙程度有关。管径越小影响越 大。

d
绝对粗糙度 相对粗糙度
/d
绝对粗糙度指加工表面上具有的 较小间距和峰谷所组成的微观几何 形状特性粗糙突出的平均高度 相对粗糙度是专指管壁粗糙凸起 高度(绝对粗糙度) 与管子内径d的 比值
1.流速： 流速是指流体质点在单位时间内，在 流动方向所流经的距离。 实验证明，由于流体黏性的存在，流 体流经管道截面上各点速度不同，沿着 管道半径发生变化，管中心的流速最快， 离中心越远，流速越慢，靠近管壁处流 速为零。 工程上常用平均流速来表示。
管道内流体流速
2.平均流速（u） 流体的体积流量qv除以管道的流通截面 积A。单位为m/s （1）体积流量与平均流速的关系
1.3 流体的输送机械
为了将流体从低处输送到高处，并保 证一定的流量和流速，提供克服流体阻 力所需要的机械能，就需要一定的机械 设备。供给流体一定的外加能量或压头， 根据流体性质的不同，流体输送的机械 分为液体输送的---泵和输送气体用的--风机和压缩机。
1.3.1液体输送机械---泵 根据工作原理不同泵可以分为： ★离心泵 ★往复式泵 ★旋转式泵 ★流体作用式泵 化工生产中最为常见的是离心泵，离心 泵是利用高速旋转的叶轮产生的离心力 来输送液体的机械。
1.2.2 流体的两种流动形态---层流和湍流 1.雷诺实验
如图所示为雷诺实验的实验装置，首 先将水箱加满水，利用水箱的溢流装置 保持水箱内水面的恒定。 实验时先徐徐开启管路上的阀门，让 水从玻璃管中流出，然后开启细管上的 阀门，使得有颜色的水流入玻璃管。 调整管路上的阀门，改变玻璃管内水 的流速，观察有颜色水液体的流动。
三通
截止阀
角阀就是角式截止阀角阀与球形阀 类似，其结构和特性是由球型阀修正而 来。与球形阀的区别在于角阀的出口与 进口成90度直角。
单向阀(流体只能沿进水口流动，出水口 介质却无法回流的装置)
蝶阀又叫翻板阀，是一种结构简单的 调节阀，同时也可用于低压管道介质的 开关控制。蝶阀是指关闭件（阀瓣或蝶 板）为圆盘，围绕阀轴旋转来达到开启 与关闭的一种阀，在管道上主要起切断 和节流作用。蝶阀启闭件是一个圆盘形 的蝶板，在阀体内绕其自身的轴线旋转， 从而达到启闭或调节的目的。
1.2.3 直管阻力的计算 大量实验研究发现，流体通过直管的 阻力与其流动的动能u2/2、管长l成正比， 与其管径成反比。 直管阻力计算通式：
hf
l u d 2
2
称为范宁公式
hf
l u d 2
2
h f -----为直管阻力（J/kg） -----为摩擦系数 l -----为直管长度（m） d -----为管内径（m） u -----为流体在管内的平均流速（m/s）
局部阻力的计算方法有两种： 阻力系数法和当量长度法 1.阻力系数法 克服局部阻力所引起的能量损失，与 管路中流体的动能成正比。
为阻力系数，一般由实验测得。
其数值与管件和阀门的开启度有关。
u h 2
/ f
2
不同类型的管件和阀门以及阀门的开 启度不同，得到的局部阻力系数 不同。 对于突然扩大，如管口 =1.0 对于突然缩小，如进口 =0.5 其他管件和阀门的局部阻力系数见P9
1.2 流体的流动阻力
1.2.1 流体在管内流动阻力的计算 流体在管内的流动阻力分为两类，为 直管阻力和局部阻力 1.直管阻力 又称为摩擦阻力、沿程阻力。 直管阻力是流体在一定的管道中流动 时，为克服流体黏性阻力而消耗的机械 能。用hf表示。通常实验测定。
2.局部阻力 又称形体阻力 局部阻力主要是由于流体流经管路中 的管件、阀门以及管道截面的突然扩大 或缩小等局部部位所引起的阻力。 用hf ¹ 表示 流体在管道内流动时的总阻力为 Σh= hf + hf ¹
蝶阀
吸入阀
盘形阀
盘式流量计
文氏流量计
转子流量计
转子流量计,通过量测设在直流管道内的转 动部件的 （位置 )来推算流量的装置
由容器入管口
2.当量长度法 为了便于管路计算，常将流体流过管 件或阀门时的局部阻力折算成同样流体 流过具有相同直径、长度为le的直管阻力， 这个直管长度le称为该管件或阀门的当量 长度。此时的局部阻力造成的能量损失 公式可仿照直管阻力的计算公式。
范宁公式的另外两种表达方式:
l u p fБайду номын сангаас d 2
l u Hf d 2g
2
2
范宁公式不仅适用于层流还适用于湍流 的阻力计算，但式中的处理方式不一样。
当流体在圆形直管内做层流流动时：
64 Re
当流体在圆形直管内做湍流流动时：
f (Re, )
d

练习
某油的黏度为70mPa•s，密度为1050kg/m3 在管长30m管径Ø mm×4mm的管路 114 中流动，若油的流量为30m3/h，试计算 管内的直管阻力。