制药化工原理第一章流体流动ppt课件.ppt

第一章流体流动,制药化工原理,南京师范大学生命科学学院,孟娜,第一章流 体 流 动,1.什么是流体？,2.流体和固体有什么区别？,思考,流体及其特点,（一）流体：气体和液体几乎没有抵抗变形的能力,不但整体会 产生运动，其内部质点也会产生相对运动，具有流动性，故把气体和液体统称为流体。 （二）特点： 1、流动性 2、无固定形状 （三）分类： 1、液体：不可压缩性流体 2、气体：可压缩性流体,流体的体积随压力温度发生变化， 如气体,第一节 流体静力学,一、流体的密度,单位体积的流体所具有的质量，称为流体的密度，即,流体的密度,在不同单位制中密度的单位之间的关系：,流体的比容,单位质量的流体所具有的体积，称为流体的比容，即,相对密度,某液体的密度与标准大气压下4的纯水的密度之比，称为该液体的相对密度，即,式中 流体的比容， 。,式中 液体的相对密度； 标准大气压下4水的密度，其值为 。,第一节 流体静力学,1.气体的密度,理想气体的方程,式中 气体的压力， ； 气体的体积， ； 气体的温度， ； 气体物质的量， ； 气体的摩尔质量， ； 通用气体常数， 。,第一节 流体静力学,在标准状态( , )下，气体的密度为,式中 气体在标准状态下的密度， 。,故,第一节 流体静力学,气体混合物的质量为混合前各组分的质量之和，即,式中 气体混合物的质量，kg; 气体混合物中组分的质量，kg;,混合气体,现以 气体混合物为基准，如各组分在混合前后的质量保持不变，则,第一节 流体静力学,则,式中 气体混合物的密度， ； 同温同压下组分i单独存在时的密度， ； 气体混合物中组分i的体积分率，显然 。,二、流体的压强,定义：流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的压强，也称为流体的压强。,在静止流体中产生的压强称为静压力或静压强，从各个方向作用于某一点的压力大小均相等。,单位换算（在SI制中，压强单位为Pa）：,第一节 流体静力学,1、 定义和单位,真空度 = 大气压强绝对压强 = （绝对压强大气压强） = 表压,图1-1 绝压、表压和真空度之间的关系,第一节 流体静力学,2、 压强的基准,1.绝对压强 以绝对零压作起点计算的压强，是流体的 真实压强。,2.表压强 压强表上的读数，表示被测流体的绝对压强 比大气压强高出的数值，即:,表压强绝对压强大气压强,3.真空度 真空表上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，即:,当地气压计上读得,习题,1.当地大气压为745mmHg测得一容器内的绝对压强为350mmHg，则真空度为 。测得另一容器内的表压强为1360 mmHg，则其绝对压强为 。,三、流体静力学基本方程式,化简,图1-2 流体静力学基本方程式的推导,第一节 流体静力学,在静止液体中，液柱所受的向上和向下的力达到平衡，即：,推导：,图1-3 以液面为基准的流体静力学方程式的推导,如图1-3所示，若液柱的上底面为液面，则 。又 ,故可写为,由流体静力学基本方程式可知：（1）静止液体内部任一点的压强与液体密度及该点距液面的深度有关。密度越大或所处的位置越深，则该点的压力越大。 （2）当 不变，且 时， 。 （3）对于静止的非同一种液体可分段使用静力学基本方程式，但每一段内应为同一种连续的液体。,第一节 流体静力学,（4）压力具有传递性：当液面上方的压强 p0 发生改变时，液体内部各点的压强p 将发生同样大小的改变，即作用于容器内液面上方的压力以同样的大小传递至液体内部任一点的各个方向上。（5） 也可改写为 。 （6）由于气体的密度很小，故高度差不大的容器中，可以近似认为容器中静止气体内部各点的压强均相等。,第一节 流体静力学,（7）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。,【例1 】本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.7m、密度1=800kg/m3，水层高度h2=0.6m、密度2=1000kg/m3。（1）判断下列两关系是否成立，即pA=pApB=pB（2）计算水在玻璃管内的高度h。,A=pA的关系成立。因A 与A两点在静止的连通着的同一流体 的关系成立。因A 与A两点在静止的连通着的同一流体内，并在同一水平面上。所以截面A-A称为等压面。 pB=pB 的关系不能成立。因B 及B两点虽在静止流体的同一水平面上，但不是连通着的同一种流体，即截面B-B不是等压面。,（2）计算玻璃管内水的高度h 由上面讨论知，pA=pA，而pA=pA 都可以用流体静力学基本方程式计算，即pA=pa+1gh1+2gh2pA =pa+2gh于是pa+1gh1+2gh2=pa+2gh简化上式并将已知值代入，得8000.7+10000.6=1000h解得h=1.16m,四、流体静力学基本方程式的应用,（一）压强与压强差的测量,第一节 流体静力学,普通 U 型管压差计倒 U 型管压差计倾斜 U 型管压差计微差压差计,常见液柱压差计,(P9)1.普通U形管液柱压差计, 指示液的选取： 指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于被测流体密度。 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,(P9)1.普通U形管液柱压差计,U 型管内位于同一水平面上的 A、 A 两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强P A,P A相等。,当U 型管两端压力不同p1 p2时，U型管两端便出现指示液面的高度差R，R称为压差计的读数，其大小反应了（ p1 p2）的大小。,若被测流体为气体，其密度较指示液密度小得多，上式可简化为,第一节 流体静力学,B,A,1. 从流体静力学基本方程可知，U型管压力计测量其压强差是 。 A. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关； B. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细有关； C. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细无关。,流体静力学基本方程式的应用,结论：U形压差计所测压差（压力）的大小只与被测流体及指示剂的密度、读数R有关，而与U形压差计的粗细及放置的位置无关,第一节 流体静力学,对于垂直管道，当流体自下而上流动 式子简化为,当流体自上而下 式子简化为,对于倾斜管道，若两截面见的距离为L，倾斜角度为：,2、测微小压力或压差的U形管压差计,（1）倒U形管压差计,（2）微差压差计,扩张室的内径远大于U形管的内径，因此，扩张室内的液位可近似认为不变。但U型管内却可得到一个较大的 R 读数。由流体静力学基本方程式可得：显然 愈小，读数R愈大。,图1-8 倒U形管压差计,图1-9 微差压差计,第一节 流体静力学,指示剂密度小于被测流体密度，如空气作为指示剂,（二）液封高度的计算,在化工制药生产中，为防止设备内的气体压力超过规定的数值，常采用图1-12所示的安全液封，即水封。,图1-12 安全液封1设备；2封液管；3水槽,第一节 流体静力学,若设备内的最高允许操作压力为 （表压），则液封管插入液面下的深度h为：,如本题附图所示，某厂为了控制乙炔发生炉,如本题附图所示，某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过 10.7103 Pa（表压），需在炉外装有安全液封（又称水封）装置，其作用是当炉内压强超过规定值时，气体就从液封管2中排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h 。,在炉外装有安液封（又称水封）装置，其作用是当炉内压强超过规定值时，气体就从液封管2中排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h 。 解：当炉内压强超过规定值时，气体将由液封管排出，故先按炉内允许的最高压强计算液封管插入槽内水面下的深度。 过液封管口作等压面o-o ，在其上取1、两点。其中：,小 结, 密度具有点特性，液体的密度基本上不随压强而变化，随温度略有改变；气体的密度随温度和压强而变。混合液体和混合液体的密度可由公式估算。 与位能基准一样，静压强也有基准。工程上常用绝对压强和表压两种基准。在计算中，应注意用统一的压强基准。,第一节 流体静力学, 压强具有点特性。流体静力学就是研究重力场中，静止流体内部静压强的分布规律。 对流体元(或柱)运用受力平衡原理，可以得到流体静力学方程。流体静力学方程表明静止流体内部的压强分布规律或机械能守恒原理。 U形测压管或U形压差计的依据是流体静力学原理。应用静力学的要点是正确选择等压面。,第一节 流体静力学,一、流量与流速,（一）流量,定义：单位时间内流过管道任一截面的流体量称为流量。,1.体积流量：单位时间内流过管道任一截面的流体体积称为体积流量，以 表示，单位为 。 2.质量流量：单位时间内流过管道任一截面的流体质量称为质量流量，以 表示，单位为 。 其中 。,第二节 流体在管内的流动,管流射流绕流自由流,流体的流动形式：,* 在制药化工生产中，流体通常是在密闭的管道内流动的，其流动形式为管流。,A与流动方向相垂直的管道截面积， 。,（二）流速,1.平均流速：单位时间内流体在流动方向上流 过的距离称为平均流速，以u表 示，单位为 。,第二节 流体在管内的流动,流速沿径向变化的，管中心的流速是最大的，靠近壁面处最小，所以通常取整个管截面的平均流速作为流体在管内的流速,2.质量流速：单位时间内流体流过管道单位截 面积的质量称为质量流速G，单 位： 。,质量流量,体积流量,图1-13 适宜流速的选择1总费用；2操作费用；3投资费用,（三）管道直径的估算,对于圆形管道，由 得,d为管道内径，m。,第二节 流体在管内的流动,体积流量,流速,二、稳态流动与非稳态流动,（一）稳态流动,（二）非稳态流动,流体在管内作稳态流动时，任一点处的流速、压力等与流动有关的物理量都不随时间而改变，仅随位置而变化。,非稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。,第二节 流体在管内的流动,2 非定态流动,在流动过程中，流体在任一截面上的物理量既随位置变化又随时间而变化的流动。,21.5 定态流动和非定态流动,第二节 流体定态流动时的衡算,22.1 流体定态流动时的物料衡算,连续性方程式,连续性方程是质量守恒定律的一种表现形式，本节通过物料衡算进行推导。,流体流动过程中 涉及三大守恒定律：,质量守恒,质量衡算,动量守恒,能量守恒,三、连续性方程式-质量守恒定律,第二节 流体在管内的流动,三、连续性方程式,对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：,推广至任意截面,连续性方程式,不可压缩性流体，,圆形管道 ：,即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比 。,常数,适用条件 流体流动的连续性方程式仅适用于稳定流动时的连续性流体。,思考： 如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？,例1如附图所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和两段573.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以9103m3/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。,附图1,1,2,3a,3b,解： 管1的内径为,1,2,3b,3a,附图13,则水在管1中的流速为,管2的内径为,由连续性方程，则水在管2中的流速为,管3a及3b的内径为,又水在分支管路3a、3b中的流量相等，则有,即水在管3a和3b中的流速为,四、伯努利方程式,1. 流体在流动过程中所涉及的能量,（1） 内能 物质内部能量的总和称为内能，以U表示，它是原子和分子运动及其相互作用的结果。,（2） 位能是指流体因距所选的基准面有一定距离，由于重力作用而具有的能量。,（3） 动能 流体以一定的速度流动时，便具有一定的动能。若以1kg流体为基准，则动能为 ，单位为 。,第二节 流体在管内的流动,静压能： 是流体处于当时压力p下所具有的能量，即指流体因被压缩而能向外膨胀作功的能力。,（4） 静压能 若以1kg流体为基准，则其静压能为 ，单位为 。 流体的位能、动能和静压能统称为流体的机械能。,（5） 热量 若管路系统中存在换热设备，则流体经过换热设备时将获得或失去相应的热量。1kg流体经过换热设备后所获得或失去的热量用 表示，单位为 。,（6） 外功（净功） 1kg流体经过流体输送设备所获得的机械能用 表示，称为外功或净功，有时也称为有效功，单位为 。,第二节 流体在管内的流动,在图1-18所示的系统中，流体从截面1-1流入，从截面2-2流出。管路上装有对流体作功的泵及向流体输入或从流体取出热量的换热器。 并假设： （a） 连续稳定流体； （b） 两截面间无旁路 流体输入、输出； （c） 系统热损失QL=0。,2.稳态流动系统的总能量衡算式,图1-18 伯努利方程式的推导1泵；2换热器,第二节 流体在管内的流动,（1） 理想流体伯努利方程式：,设在1、2截面间没有外界能量输入，液体也没有向外界作功，则mkg理想液体所具有的机械能为定值。,2. 流体流动的能量衡算伯努利（方程式,两边除以m，得：,两边除以mg，得：,表示每千克流体所具有得能量，单位,表示每重力单位（牛顿）流体所具有的能量，单位,工程上将每牛顿流体所具有的各种形式的能量统称为压头，H称为位压头等,伯努利方程,（二）伯努利方程式的物理意义,单位质量流体所具有的位能，J/kg；,单位质量流体所具有的静压能，J/kg ；,单位质量流体所具有的动能，J/kg。,各项意义：,(2）实际流体的机械能衡算式,（一）实际流体机械能衡算式,（2） 实际流体伯努利方程式：,当在1、2截面间的系统中有外界能量He输入，且为实际流体时，则有摩擦阻力Hf,则伯努利方程为：,(1kg),(1N),（1）适用条件 在衡算范围内是不可压缩、连续稳态流体，同时要注意是实际流体还是理想流体，有无外功加入。 （2）衡算基准,3. 伯努利方程的讨论及应用注意事项,1kg,1N,J/kg,实际流体,m液柱,4. 伯努利方程式的讨论,理想流体在管内做稳定流动且无外功加入时，任意截面上单位质量流体的总机械能均相等，且不同形式的机械能之间可以相互转换，此增彼减，但总机械能保持不变。,第二节 流体在管内的流动,用伯努利方程的条件。,由伯努利方程式推知，实际生产中，输送流体的方法。,可以根据单位重量或单位体积的流体为衡算基准导出相应的伯努利方程式。,柏努利方程的不同形式,a.以单位质量流体为基准，单位：J/Kg,(1kg),b.以单位重量的流体为衡算基准。,令 ， ，则,单位：m液柱,分别称为位压头，动压头，静压头，且三者之和称为总压头， 称为有效压头， 称为压头损失。,第二节 流体在管内的流动,b .以单位体积流体为衡算基准,pa,是由流动阻力引起而引起的压力降，简称压力降。,第二节 流体在管内的流动,1.截面的正确选择对于顺利进行计算至关重要，选取截面应使： （a）两截面间流体必须连续、均质； （b）两截面与流动方向相垂直（平行流处，不要选取阀门、弯 头等部位）； （c）所求的未知量应在截面上或在两截面之间出现； （d）截面上已知量较多（除所求取的未知量外，都应是已知的或能计算出来，且两截面上的u、p、H与两截面间的Hf都应相互对应一致)。,2.选取基准水平面 原则上基准水平面可以任意选取，但为了计算方便，常取确定系统的两个截面中的一个作为基准水平面。如衡算系统为水平管道，则基准水平面通过管道的中心线 若所选计算截面平行于基准面，以两面间的垂直距离为位压头H值；若所选计算截面不平行于基准面，则以截面中心位置到基准面的距离为H值。 H1，H2可正可负，但要注意正负。,应用伯努利方程式解题时应注意以下几点：,3.计算时方程两边的单位必须统一。4.两截面的压强可以同时用表压或者绝压，不能用真空度。,（二）伯努利方程的讨论,（1）若流体处于静止，u=0，hf=0，W=0，则柏努利方程变为,说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律 。,有关泵功率的计算,一、牛顿粘性定律与流体的粘度,流体的粘性 流体在运动的状态下,有一种抗拒内在的向前运动的特性。粘性是流动性的反面。 流体的内摩擦力 运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。是流体粘性的表现, 又称为粘滞力或粘性摩擦力。,图1-22 流体在圆管内分层流动示意图,第三节 牛顿粘性定律,1. 牛顿粘性定律,粘性内摩擦力流动阻力,图23平板间液体速度分布图,对于特定流体，两相邻流体层之间产生的内摩擦力与两流体层之间的速度差成正比，与两流体层间的垂直距离成反比，与两流体层间的接触面积成正比。,第三节 流体在管内的流动现象,第三节 流体在管内的流动现象,F两相邻流体之间的内摩擦力，其方向与作用面平行，N； S两相邻流体之间的接触面积， ； 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力， 或Pa； 速度梯度，即与流体流动方向相垂直的y方向上流 体速度的变化率， ； 比例系数，即流体的粘度，Pas。,2. 流体的粘度,（1）粘度是衡量流体粘性大小的物理量，是流体重要的物理 性质。流体的粘性越大其值越大。（2）当 =1时，粘度在数值上等于单位面积上的内摩擦力 或剪应力。（3）单位：=Pas=10P（泊）=10000cP(厘泊)（4）运动粘度 流体的粘度与密度之比称为运动粘度，以 表示，即 在法定单位制中，运动粘度的单位为 。 1 = 10000St =10cSt,第三节 流体在管内的流动现象,二、流动类型与雷诺准数,图1-24 雷诺实验装置1溢流装置；2小瓶；3小阀；4玻璃细管；5玻璃水箱；6水平玻璃管；7调节阀,第三节 流体在管内的流动现象,1、 流体流动类型 层流与湍流 (Laminar and Turbulent Flow),流体流动形态有两种截然不同的类型，一种是层流（或滞流）；另一种为湍流（或紊流）。两种流型在内部质点的运动方式，流动速度分布规律和流动阻力产生的原因都有所不同，但其根本的区别还在于质点运动方式的不同。,流体流动型态有两种截然不同的类型，一种是滞流（或层流）；另一种为湍流（或紊流）。两种流型在内部质点的运动方式，流动速度分布规律和流动阻力产生的原因都有所不同，但其根本的区别还在于质点运动方式的不同。,流体流动的型态,（1）雷诺实验 为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响,可安排如图所示的实验。这个实验称为雷诺实验。,层流：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流动，不产生流体质点的宏观混合。,湍流：流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。,第三节 流体在管内的流动现象,实验证明，流体的流动状况是由多方面因素决定的，流速u能引起流动状况改变,而且管径d、流体的粘度和密度也可以。通过进一步的分析研究，可以把这些影响因素组合成为一个复合数群，此类数群称为特征数。,（2）雷诺准数,Re准数是一个无因次数群。组成此数群的各物理量,必须用一致的单位表示。因此,无论采用何种单位制,只要数群中各物理量的单位一致,所算出的Re值必相等。,此数群称为雷诺数，以Re表示，可判别流体的流动形态,第三节 流体在管内的流动现象,流型判别的依据雷诺准数 (Reynolds number),流型的判别：,根据Re雷诺准数数值来分析判断流型。对直管内的流动而言：,* Re的大小不仅是作为层流与湍流的判据，而且在很多地方都要用到它。不过使用时要注意单位统一。另外，还要注意d，有时是直径，有时是别的特征长度。,三、流体在圆管内的速度分析,当流体在圆管内做稳态层流时，平均流速为最大流速的一半，且速度沿管径按抛物线规律分布。 湍流时速度分布曲线已不再是抛物线型。,图1-26 圆管内的速度分布,第三节 流体在管内的流动现象,四、层流内层,紧靠管壁处总存在一流体层，其内的流动状态为层流，该流体层称为层流内层。层流内层的厚度与Re值有关，Re值越大，层流内层就越薄，越有利于传热。为提高传热或传质过程的速率，必须设法减小过程的阻力，即设法减薄层流内层的厚度。,图1-27 湍流流动,第三节 流体在管内的流动现象, 牛顿粘性定律是牛顿流体在作层流流动时的过程特征方程。它虽然是一个简单的实验定律，但在流体流动尤其是层流解析中具有重要作用。 流体按其流动状态有层流与湍流两种流型，这是有本质区别的流动现象。在流体流动、传热及传质过程等工程计算中，往往必须先确定之。流型判断依据是Re的数值。,第 三 节 小 结,第 三 节 小 结, 层流速度分布的描述采用一般物理定律十过程特征定则的方法，得到完全解析的结果。湍流时，由于过程特征规律不确定(涡流粘度e为流动状态的函数，难以关联)，而使问题无法解析，只有采用实验测定的方法。 流动边界层尤其是湍流边界层中的层流底层，是分析流体流动、传热及传质现象的重要概念，应对边界层的形成、发展及分离现象有较清楚的了解。,实验证明，流体的流动状况是由多方面因素决定的，流速u能引起流动状况改变,而且管径d、流体的粘度和密度也可以。通过进一步的分析研究，可以把这些影响因素组合成为一个复合数群，此类数群称为特征数。,雷诺准数,柏努利方程的不同形式,a.以单位质量流体为基准，单位：J/Kg,(1kg),b.以单位重量的流体为衡算基准。,令 ， ，则,单位：m液柱,分别称为位压头，动压头，静压头，且三者之和称为总压头， 称为有效压头， 称为压头损失。,第二节 流体在管内的流动,直管阻力：,第四节 流体在管内的流动阻力,局部阻力:,总阻力,由于流体内部摩擦产生的阻力,流体经过管件，阀门等局部地方产生的阻力,1 流体流动1.4 流体在管内的阻力损失,范宁公式计算圆形直管阻力损失的通式,因摩擦力引起的压力降,流体的比能损失,流体的压头损失,1 流体流动1.4 流体在管内的阻力损失,层流时的直管阻力损失(1)哈根泊谡叶（Poiseuille）方程层流时的直管阻力计算式,上式不管对水平、倾斜、垂直放置的直管均适用。,(2) 层流时摩擦因数,范宁公式：,比较以上两式得,1 流体流动1.4 流体在管内的阻力损失,（3）摩擦系数（Friction factor ）,应用范宁公式计算圆形直管的阻力损失，关键是要求出的值。要求的值首先应弄清楚哪些因素对有影响。 流型对的影响 管壁粗糙度对的影响 流体输送用的管道，按其材料的性质和加工情况分： 光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管 粗糙管：钢管、铸铁管、水泥管 绝对粗糙度 相对粗糙度/d= f (Re,/d),（一）几个重要概念,1.光滑管和粗糙管2.绝对粗糙度 和相对粗糙度/d：绝对粗糙度值见下表。,3.摩擦系数 : 摩擦系数不仅与流体的流动类型有关，而且与管壁单位粗糙程度有关，应用范宁公式计算直管阻力的关键是确定摩擦系数的具体数值。,第四节 流体在管内的流动阻力,第四节 流体在管内的流动阻力,图1-29 摩擦系数与雷诺准数及相应的粗糙度之间的关系（穆迪图）,88,89,1）摩擦因数图,a)层流区：Re2000，与Re成直线关系，=64/Re。b)过渡区：2000Re4000，管内流动随外界条件的影响而 出现不同的流型，摩擦系数也因之出现波动。,c)湍流区： Re4000且在图中虚线以下处时，值随Re数的 增大而减小。 d)完全湍流区： 图中虚线以上的区域，摩擦系数基本上不随Re的变化而变化，接近为一常数，其值只随相对粗糙度的变化而变化。 根据范宁公式，若l/d一定，则阻力损失与流速的平方成正比，称作阻力平方区,2) 值的经验关系式,柏拉修斯(Blasius)光滑管公式,适用范围为Re=31031105,e/d 管的粗糙度/圆管内径,1. 层流区（ ）,第四节 流体在管内的流动阻力,按照雷诺准数的范围，可将图1-29划分成四个不同的区域：,2. 湍流区（ ）及虚线以下的区域）,3. 完全湍流区（图中虚线以上的区域） 在该区域， 与Re的关系曲线几乎呈水平线，即 仅取决于 /d 的值，而与Re无关。,4. 过渡区（ ）,第四节 流体在管内的流动阻力,第四节 流体在管内的流动阻力,1 流体流动1.4 流体在管内的阻力损失,（2）阻力计算 范宁公式仍可用，但式中及Re中的d必须以非圆形管道的当量直径de代替。即,N/m2 或 J/m3,J/kg,J/N或m,94,当流体在管道系统中流经各种管件时，其流速大小和方向都发生了变化，流体质点发生扰动而形成涡流，导致产生摩擦阻力，这类阻力称为局部阻力。,为了便于管路计算，把局部阻力折算成一定长度直管的阻力，此相应的管子长度称为当量长度le。,管路计算主要是利用连续性方程、伯努利方程和阻力计算式确定外加能量（He）、流量（qv）、位置（H）及操作压强（P）。,24.2 局部阻力,24.4 管路计算,工程上，湍流流动下局部阻力的估算方法有阻力系数法和当量长度法。,1. 阻力系数法,（1）,：局部阻力系数，无因次，一般由实验测定，见下表。,二、局部阻力,第四节 流体在管内的流动阻力,表1-3 某些管件和阀门的局部阻力系数,（2）几种常见的局部阻力系数,出口损失 近似等于 1,进口损失 近似等于0.5,* 其中 为小管的截面， 为大管的截面，单位 。,第四节 流体在管内的流动阻力,三、管路系统的总能量损失,四、降低管路系统流动阻力的途径,（1）由于 ，故在不影响管路布置的情况下，应尽可能缩短管路长度，并减少不必要的管件和阀门。（2）适当增大管径可显著降低管路系统的流动阻力，当然观景增大后，管路消耗量及管路投资均会相应的增加。（3）根据温度对流动阻力的影响，适当改变流体温度也可能降低管路系统的流动阻力。,第四节 流体在管内的流动阻力,根据铺设和连接情况，制药化工生产中的管路可分为简单管路和复杂管路。简单管路一般是指直径相同的管路或由直径不同的管路连 接而成的串联管路。复杂管路则是由若干条简单管路连接而成的并联管路或分支管路。,第五节 管路计算,1 流体流动流体输送管路的计算,流体输送管路的计算简单管路的计算 简单管路：没有分支或汇合的单一管路，包括：等径管路、不等径管路、循环管路。,简单管路特点：管径相同，无分支的管路， 稳态时，流速恒定、流量恒定。,简单管路系统特性分析：,阻力损失：,质量流量：,体积流量：(不可压缩流体),1 流体流动流体输送管路的计算,简单管路的特点： 通过各管段的质量流量不变，对不可压缩流体则体积流量不变； 整个管路的阻力损失为各管段的阻力损失之和。简单管路计算所用方程式有以下三个：,连续性方程式,机械能衡算式,摩擦系数计算式(或图),1 流体流动流体输送管路的计算,复杂管路的计算,具有分支或汇合的管路叫复杂管路，常见的复杂管路有分支管路、汇合管路和并联管路三种。,1 流体流动流体输送管路的计算,(1) 分支与汇合管路特点: 流量 不管是分支管路还是汇合管路，对于稳定流动，总管流量等于各支管流量的和，即, 分支点或汇合点O处的总机械能EO 工程上对较长的管路（l/d 1000）常认为三通局部阻力相对于直管沿程阻力而言很小可以忽略，跨过O点进行计算。,1 流体流动流体输送管路的计算,(2) 并联管路, 各支管的阻力损失相等。,特点： 主管的流量等于并联的各支管流量之和,注意：计算并联管路阻力时，仅取其中一支路即可，不能重复计算。,问题：RA-B用一个分支，还是各分支加和。结论：并联管路，各支路阻力相等。并联段，只能计入一个支路的阻力损失。,2. 并联管路的流量分配,而,支管越长、管径越小、阻力系数越大流量越小；反之 流量越大。,管路计算类型：,1、已知d，l， ，Vs，求 , 等。,2、已知d，l， ， ，求u 或Vs 。,3、已知l， ，Vs 及 ，求 d 。,后两种类型的问题，工程上常采用试差法进行求解。,第五节 管路计算,管路计算主要是利用连续性方程、伯努利方程和阻力计算式确定外加能量（He）、流量（qv）、位置（H）及操作压强（P）。,2022/11/8,107,管路计算计算步骤,确定基准面与衡算面列已知条件（H、p、u）（* ） 计算Hf 列伯努利方程，求未知量*功率计算,108, 2.6 流体流量的测量,1. 孔板流量计 是利用孔板对流体的节流作用，使流体的流速增大，压力减小，以产生的压力差作为测量的依据。,109,如图所示，在管道内与流动垂直的方向插入一片中央开圆孔的板，孔的中心位于管道的中心线上，孔板前后管壁上有测压孔，用以连接压力计即构成孔板流量计。,二、孔板流量计,孔板流量计的结构如图所示， 用法兰将孔板盒固定在管道中。,孔板流量计的测量原理：,流体流过孔板后，由于惯性，实际流边将继续缩小到截面2（缩脉）。然后流边扩大，这样，由于逆压强梯度的存在，引起边界分离，造成能量损失。 利用流体能量的相互转化，通过测量压差、开孔直径求得流量。,当流体通过孔板时，因流边缩小使流速增加，静压能降低。,缩脉：孔板后1/32/3 d 处。,式中Ao孔板小孔的截面积， ； Co流量系数或孔流系数， 无因次。其Co值一般为0.60.7，且处于定值区域内。,通常要求孔板前有4050倍管径的直管长度，孔板后有1020倍管径的直管长度。,第六节 流速与流量的测量,孔板流量计制造简单，安装与更换方便，其主要缺点是流体的能量损失大，A0/A1越小，能量损失越大,112,2. 文丘里流量计,为减少流体节流造成的能量损失，可用一段渐缩渐扩的短管代替孔板，这就构成了文丘里（Venturi）流量计。,113,如图所示，当流体在渐缩渐扩段内流动时，流速变化平缓，涡流较少，于喉颈处（即最小流通截面处）流体的动能达最高。此后，在渐扩的过程中，流体的速度又平缓降低，相应的流体压力逐渐恢复。如此过程避免了涡流的形成，从而大大降低了能量的损失,cv值与众多因素有关，当孔径与管径之比在（1/2) （1/3)的范围内时，其值为0.98 1。,114,3. 转子流量计,前述各流量计的共同特点是收缩口的截面积保持不变，而压力随流率的改变而变化，这类流量计统称为变压力流量计。另一类流量计是压力差几乎保持不变，而收缩的截面积变化，这类流量计称为变截面流量计，其中最为常见的是转子流量计。,它系由一个截面自下而上逐渐扩大的锥形垂直玻璃管和一个能够旋转自如的金属或其它材质的转子所构成。被测流体由底端进入，由顶端流出.,115,当流体自下而上流过垂直的锥形管时，转子受到两个力的作用：一是垂直向上的推动力，它等于流体流经转子与锥管间的环形截面所产生的压力差；另一是垂直向下的净重力，它等于转子所受的重力减去流体对转子的浮力。当流量加大使压力差大于转子的净重力时，转子就上升。当压力差与转子的净重力相等时，转子处于平衡状态，即停留在一定位置上。在玻璃管外表面上刻有读数，根据转子的停留位置，即可读出被测流体的流量。,四、转子流量计,式中 转子与玻璃管的环形截面积， ； 流量系数，无因次，其值可由实验测定或 从仪表手册中查得； Vf转子的体积， ； Af转子最大部分的截面积， ； 转子材料的密度， ； 被测流体的密度， 。,第六节 流速与流量的测量,117,优点： 读取流量方便，流体阻力小，测量精确度较高，能用于腐蚀性流体的测量；流量计前后无须保留稳定段。缺点： 玻璃管易碎，且不耐高温、高压。,转子流量计必须垂直安装，且应安装旁路以便于检修,转子密度须大于被测流体的密度。其材料可以是不锈钢、塑料、玻璃、铝等,安装,本章小节,流体静力学方程,压力形式,能量形式,流体动力学- 管内流体流动基本方程,连续性方程：,连续性方程主要用途：,柏努利方程：,能量形式。单位：J/kg,压头形式。单位：m液柱,(1kg),管内流体流动形态,雷诺准数：,（1） 当Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；,（2） 当Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；,（3） 当2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，与外界干扰有关，该区称为不稳定的过渡区。,管内流体静压降与流速的关系-哈根-泊谡叶方程,流体的流动阻力,直管阻力hf,局部阻力hf,2. 直管阻力的通式-范宁公式,范宁公式对层流和湍流均适用，只是两种情况下摩擦系数不同。以下对层流与湍流时摩擦系数分别讨论。,层流形态下：,湍流形态下：莫狄（Moody）摩擦系数图,非圆形管道的流动阻力,当量直径定义：,局部阻力两种计算方法：阻力系数法和当量长度法。,习题,1.有一并联管路，两段管路的流量，流速、管径、管长及流动阻力损失分别为V1，1，d1，1，f1及V2，2，2，2，f2。若12，12，则： f1f2（ ） （A） （B） （C）； （D） （E）,2、在完全湍流（阻力平方区）时，粗糙管的摩擦系数数值 。 A.只取决于Re；B.只取决于/d；C.与无关；D.只与有关,3.在稳定流动系统中，水连续从粗管流入细管。粗管内径d1=10cm，细管内径d2=5cm，当流量为4103m3/s 时，求粗管内和细管内水的流速。,4.将高位槽内料液向塔内加料。高位槽和塔内的压力均为大气压。要求料液在管内以0.5m/s 的速度流动。设料液在管内压头损失为1.2m（不包括出口压头损失）,试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米？,流体输送设备,制药化工原理,2 流体输送机械,流体输送机械根据其作用的对象不同主要分为二大类： （1）对液体做功的输送机械泵 （2）对气体做功的输送机械风机、压缩机（通风机、鼓风机、压缩机、真空泵） 由于不同的物料（腐蚀性酸碱、粘度高润滑油）不同的输送要求（高压、大流量）等对输送机械具有不同的性能要求，所以泵、风机、压缩机的种类繁多。本章主要以离心泵为研究对象。,129,一、 离心泵的工作原理,叶轮,泵壳,吸入管路,排出管路,泵轴,底阀,第一节 离心泵,1-叶轮；2-泵壳，3-泵轴；4-吸入管；5-底阀；6-压出管离心泵装置简图,一、离心泵的操作原理：,1、操作原理： A 获能（叶轮） B 转能排液（泵壳） C 吸液（入口）,启动后, 泵轴带动叶轮和液体一起转动, 液体随叶轮旋转在离心力作用下沿叶片间通道向外缘运动，速度增加、机械能提高。液体离开叶轮进入泵壳，泵壳流道逐渐扩大、 流体速度减慢，液体动能转换为静压能，压强不断升高，最后沿切向流出泵壳通过排出导管输入管路系统。,131,二、离心泵的主要部件,（1） 叶轮 作用 ：将原动机的能量传给液体，使液体静压能 及动能都有所提高给能装置,按结构分为：,132,（2） 泵壳 截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道 作用：汇集叶轮甩出的液体； 实现动能到静压能的转换转能装置； 减少能量损失。,泵壳 沿叶轮旋转方向，泵壳与叶轮之间形成一个截面逐渐扩大的通道，高速的液体在泵壳中将大部份的动能转化为静压能，从而避免高速流体在泵体及管路内巨大的流动阻力损失。因此泵壳不仅是液体的汇集器，而且还是一个能量转换装置。,（3） 轴封装置作用：防止高压液体沿轴漏出； 防止外界气体进入泵壳内。,（三）离心泵的主要性能参数与特性曲线,1.离心泵的主要性能参数,流量,扬程,注意：扬程H是指泵能够提供给液体的能量，包括了升举 高度，而伯努利方程中的He是指输送液体时要求泵 提供的能量。,即：,第一节 流体输送设备,单位时间内泵所输送液体的体积，m3/s或 m3/h。,单位重量的液体经泵后所获得的能量，J/N或m液柱。,有效功率,效率,即：,第一节 流体输送设备,离心泵在输送液体过程中，当外界能量通过叶轮传给液体时，会有能量损失，即由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得，通常用效率（以表示）来反映能量损失。,2 流体输送机械,离心泵的轴功率N可直接用效率来计算：,一般小型离心泵的效率5070%，大型离心泵效率可达90%。,离心泵的轴功率是指泵轴所需的功率。当泵直接由电动机驱动时，它就是电动机传给泵轴的功率，用N表示，单位为W或kW。离心泵的有效功率是指液体从叶轮获得的能量Ne表示。由于存在上述三种能量损失，故轴功率必大于有效功率,N=Ne/,137,四、离心泵的特性曲线,HQ 、NQ 、Q：厂家实验测定,一定转速、常压、20清水,（一）离心泵的特性曲线,2 流体输送机械2.1.4离心泵特性曲线,2.1.4 离心泵特性曲线（Characteristic curves）,由于离心泵的各种损失难以定量计算，使得离心泵的特性曲线HQ、NQ、Q的关系只能靠实验测定，在泵出厂时列于产品样本中以供参考。右图所示为4B20型离心泵在转速n2900r/min时的特性曲线。若泵的型号或转速不