流体流动及输送机械.ppt

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1、食品工程（食品工程（Food Engineering)食品工程原理（食品工程原理（Principles of Food Engineering)化工原理（化工原理（Principles of Chemical Engineering)单元操作（单元操作（Unit Operation）食品单元操作（食品单元操作（Food Operating Unit）第一章第一章 流体流动及输送机械流体流动及输送机械(1)主讲：曹主讲：曹 淼淼教学基本内容和要求教学基本内容和要求 主要讨论有关流体在主要讨论有关流体在管内流动管内流动的的基本原理基本原理及及流动规律流动规律。了了解解流流体体平平衡衡（静静止止）和

2、和运运动动的的基基本本规规律律，熟熟练练掌掌握握静静力力学学方方程程式式、连连续续性性方方程程式式、伯伯努努利利方方程程式式的的内内容容和和应应用用，在在此此基基础础上上解解决决管管路路计计算算、输送设备功率输送设备功率计算等问题。计算等问题。主要内容见图主要内容见图1-11-1。图图1-1 1-1 主要内容主要内容管路计算管路计算流速与流量测定流速与流量测定流体动力学流体动力学的基本方程式的基本方程式物料衡算物料衡算 能量衡算能量衡算流体流体流动阻力流动阻力计算计算静力学静力学基本方程式基本方程式应用应用u u0 0目目 录录1.1 流体静力学流体静力学1.2 流体动力学流体动力学1.3 管

3、内流体流动现象管内流体流动现象1.4 流体流动阻力流体流动阻力1.5 管路计算管路计算1.1.研究流体流动的意义研究流体流动的意义 流体流体:是指在剪应力作用下能产生连续变形的物体是指在剪应力作用下能产生连续变形的物体；主要包括主要包括液体液体和和气体气体两大类；两大类；流体流动是流体流动是最普遍最普遍的食品（化学、生物）工程的食品（化学、生物）工程单元操作单元操作之一；之一；研究流体流动问题也是研究其它食品单元操作的研究流体流动问题也是研究其它食品单元操作的重要基础重要基础。概概 述述2.2.流体的特征流体的特征 具有流动性；具有流动性；形状随容器形状而变化；形状随容器形状而变化；受外力作用

4、时内部产生相对运动受外力作用时内部产生相对运动;密度和压力有关。密度和压力有关。不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。3.3.流体的性质流体的性质（假设）（假设）连连 续续 性性：流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙：流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙 的流体质点所组成的连续介质；的流体质点所组成的连续介质；均均 匀匀 性性：流体内部任意位置的流体其性能相同；：流体内部任意位置的流体其性能相同；各向同性各向同性：在流体内部任

5、意位置沿各个方向的性能相同。：在流体内部任意位置沿各个方向的性能相同。1.1 1.1 流体静力学流体静力学 流流体体静静力力学学是是研研究究流流体体在在重重力力场场中中处处于于特特殊殊的的运运动动状状态态（静静止）的时候所受的外力满足的关系止）的时候所受的外力满足的关系平衡条件。平衡条件。1.1.1 1.1.1 密度密度一、定义一、定义 单位体积流体的质量，称为流体的密度。单位体积流体的质量，称为流体的密度。kg/mkg/m3 3 二、单组分密度二、单组分密度 液液体体密密度度仅仅随随温温度度变变化化（极极高高压压力力除除外外），其其变变化化关关系系可可从从手册中查得手册中查得。p p、T T

6、状态参数状态参数 气气体体 当当压压力力不不太太高高、温温度度不不太太低低时时，可可按按理理想想气气体体状状态方程计算：态方程计算：注意注意：手册中查得的气体密度都是在一定：手册中查得的气体密度都是在一定压力压力与与温度温度 下的数值，若条件不同，则密度需进行换算。下的数值，若条件不同，则密度需进行换算。式中：式中：标准状态下气体的密度标准状态下气体的密度 Kg/mKg/m3 3三、混合流体的密度三、混合流体的密度 混合气体混合气体 各组分在混合前后各组分在混合前后质量不变质量不变(无化学反无化学反应应)，则有，则有气体混合物中各组分的气体混合物中各组分的体积分率体积分率。1m1m3 3混混合

7、合气气体体为为基基准准，混混合合前前后后质质量量不不变变;即即：1m1m3 3混混合合物物的质量等于各组分单独存在时的质量之和。的质量等于各组分单独存在时的质量之和。混混合合液液体体 假假设设各各组组分分在在混混合合前前后后体体积积不不变变，则有则有 液体混合物中各组分的液体混合物中各组分的质量分率质量分率。1kg1kg混混合合液液体体为为基基准准，混混合合前前后后体体积积不不变变;即即：1kg1kg混混合合物物的的体体积积等等于于各各组组分分单单独独存存在在时时的的体体积积之和。之和。、比体积（质量体积）、比体积（质量体积）单位质量流体具有的体积，是单位质量流体具有的体积，是密度的倒数密度的

8、倒数。m m3 3/kg/kg、相对密度、相对密度 某物质的密度和某物质的密度和44纯水纯水的密度之比，纯数，没有单位。的密度之比，纯数，没有单位。、理想气态方程、理想气态方程P-P-压强，压强，PaPa；V-V-气体的体积，气体的体积，m m3 3；n-n-物质的量，物质的量，molmol；R-R-理想气体常数，理想气体常数，8.314J/(molK)8.314J/(molK)；T-T-开尔文温度，单位开尔文温度，单位K K。M-M-摩尔分子质量，摩尔分子质量，kg/molkg/mol。-密度，单位密度，单位kg/mkg/m3 3。1.1.5 1.1.5 压强压强 流流体体垂垂直直作作用用于

9、于单单位位面面积积上上的的力力，称称为为流流体体的的压压强强，用用符符号号P P表示，单位表示，单位PaPa。流流体体压压强强与与作作用用面面垂垂直直，并并指指向向该该作作用用面面，亦亦即即沿沿作作用用面面的的内法线方向；内法线方向；任意界面两侧所受压强，大小相等、方向相反；任意界面两侧所受压强，大小相等、方向相反；作用于流体内部某点不同方向上的压强在数值上均相同。作用于流体内部某点不同方向上的压强在数值上均相同。一、压强的特性一、压强的特性实践中以实践中以流体柱高度流体柱高度表示：表示：注注意意：用用液液柱柱高高度度表表示示压压强强时时，必必须须指指明明流流体体的的种种类类，如如600mmH

10、g600mmHg，10mH10mH2 2O O等，此时的压强为等，此时的压强为 。标准大气压标准大气压的换算关系：的换算关系：二、压强的单位二、压强的单位 SISI制：制：PaPa或或N/mN/m2 2；1bar=105Pa=100kPa=0.1MPa1atm=760mmHg=10.33mH2O=1.0133105Pa=101.3kPa=0.1013MPa（物理大气压）（物理大气压）1at=1.033kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.81104Pa=98.1kPa（工程大气压）（工程大气压）三、三、压力的表示方法压力的表示方法 绝对压强绝对压强 单位面积上所受垂直压力的绝对

11、数值，单位面积上所受垂直压力的绝对数值，PabPab。相对压力（以大气压度量）相对压力（以大气压度量）表表压压Pg Pg 用用于于被被测测流流体体的的绝绝对对压压强强大大于于外外界界大大气气压压PaPa的的情情况况。压力表上的读数表示被测流体的绝对压强高出大气压的数值。压力表上的读数表示被测流体的绝对压强高出大气压的数值。Pg=Pg=PabPabPaPa 真真空空度度PvmPvm 用用于于被被测测流流体体的的绝绝对对压压强强小小于于外外界界大大气气压压的的情情况况。此时，真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于大气压的数值。此时，真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于大气压的数值。PvmPv

12、m=Pa=PaPabPab绝对压力绝对压力 绝对压力绝对压力 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 大气压大气压 Pa Pa例：例：1.1.蒸汽加热器的蒸汽压力表上读数为蒸汽加热器的蒸汽压力表上读数为81.91081.9103 3PaPa，当时当地气压计上读数，当时当地气压计上读数为为98.11098.1103 3PaPa。则设备内蒸汽的绝对压力为。则设备内蒸汽的绝对压力为 PaPa。2.2.某设备上真空表的读数为某设备上真空表的读数为13.31013.3103 3PaPa，已知该地区大气压强为已知该地区大气压强为98.71098.7103 3PaPa。则设备内的绝对压力为则设备内的绝对压

13、力为 PaPa。3.3.比较下列压力大小：比较下列压力大小：P P1 1=0.4atm,P=0.4atm,P2 2=0.4atm(=0.4atm(表压表压),P),P3 3=0.4atm(=0.4atm(真空度真空度)。A AP P1 1PP2 2PP3 3;B;BP P2 2PP3 3PP1;1;C CP P2 2PP1 1PP3;3;D DP P1 1=P=P2 2=P=P3 3 1.810585.4103BP2P3P11.1.6 1.1.6 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式（欧拉平衡微分方程）（欧拉平衡微分方程）一、静力学基本方程一、静力学基本方程 （1 1）上端面所受总压力）上

14、端面所受总压力 （2 2）下端面所受总压力）下端面所受总压力 （3 3）液柱的重力）液柱的重力设流体不可压缩（设流体不可压缩（），重力场中对液柱进行受力分析：），重力场中对液柱进行受力分析：p pa ap p2 2p p1 1z z1 1z z2 2G G方向向下方向向下方向向上方向向上方向向下方向向下正正向向液柱处于静止时，上述三项力的合力为零液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:静力学基本方程式静力学基本方程式Pa Pa 压力表达式压力表达式（N/mN/m2 2）/（Kg/mKg/m3 3）J/kg J/kg 能量表达式能量表达式（J/KgJ/Kg）/（N/KgN/Kg）=J/N=m =J

15、/N=m 压头表达式压头表达式PaPaN/mN/m2 2=J/mJ/m3 3 压力表达式压力表达式和压强和压强p+讨论：讨论：（1 1）适用于适用于重力场中静止、连续、均匀的同种不可压缩性流体；重力场中静止、连续、均匀的同种不可压缩性流体；（2 2）物理意义：）物理意义：静力学基本方程式的本质：静力学基本方程式的本质：在同一静止连续不可压缩的在同一静止连续不可压缩的静止流体中，流体的静止流体中，流体的压强能和势能压强能和势能之和在不同位置守恒，也之和在不同位置守恒，也就是就是和压强和压强处处相等。处处相等。P P+和压强和压强P P 单位体积的压强能；单位体积的压强能；gzgz 代表单位体积的

16、势能。代表单位体积的势能。（3 3）在在静静止止的的、连连续续、均均匀匀的的同同种种流流体体内内（），处处于于同同一一水水平平面面上上各各点点（Z=CZ=C）的的压压力力处处处处相相等等。压压力力相相等等的的面面称称为为等压（势）面等压（势）面。（4 4）压压力力具具有有传传递递性性：液液面面上上方方压压力力变变化化时时，液液体体内内部部各各点点的压力也将发生相应的变化。的压力也将发生相应的变化。液面上方的大气压液面上方的大气压p pa a也传递到距离液面任意也传递到距离液面任意h h深度深度:p pp pa aghgh。二、静力学基本方程的应用二、静力学基本方程的应用 1.1.压（力）差及压

17、力的测量压（力）差及压力的测量 （1 1）U U形管压差计形管压差计 设指示液设指示液A A（黑色）的密度为，（黑色）的密度为，被测流体被测流体B B（蓝色）的密度为，（蓝色）的密度为，a a与与aa面面 为为等压面等压面，即，即而而p p1 1p p2 2m mR Ra aa a所以所以整理得整理得若被测流体是气体，若被测流体是气体，则有，则有（2 2）指示液的选取：）指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；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。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。应根据被测流体的种类及压差的大小选择

18、指示液。11P11P11课本例课本例1-11-1Ap1p2AmRaaBz2 z1（指水）指水）（i指水银等）指水银等）解解:Ap1p2AmRaaBz2 z1讨论：讨论：（1 1）U U形形压压差差计计可可测测系系统统内内两两点点的的压压力力差差，当当将将真真空空度度U U形形管管一一端端与与被被测测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压表压或或真空度真空度。表压表压真空度真空度p p1 1p pa ap p1 1p pa a（2 2）双液体）双液体U U管压差计管压差计 （3 3）倒倒U U形压差计形压差计 指指示示剂剂密密度度小小于于被被测测

19、流流体体密密度度，如如空空气作为指示剂气作为指示剂:（5 5）复式压差计复式压差计 （4 4）倾斜式压差计倾斜式压差计 2.2.液位测量液位测量 例例1-2 1-2 如如右右图图所所示示，M M与与N N设设备备内内均均充充满满水水，两两设设备备之之间间设设有有U U形形管管压压差差计计，以水银为指示液，试说明：以水银为指示液，试说明：(1)(1)1 1、2 2、3 3、4 4各点的压力关系：各点的压力关系：(2)(2)；(3)(3)(2)5(2)5、6 6、7 7、8 8各点的压力关系：各点的压力关系：(4)(4)；(5)(5)(3)(3)9 9、1010、1111、1212各各点点的的压压

20、力力关关系：系：(6)(6)。P9=P10=P11 P12 P1=P2 P3=P4P5=P6 P7 P8作业作业P63-65 1,2,3,9,11P63-65 1,2,3,9,11题题习题习题1.1.最好参见教材最好参见教材p11p11的解法，采用和压强相等递推。的解法，采用和压强相等递推。习题习题2.2.本题的气泡产生的条件刚好是静止的极限点，本题的气泡产生的条件刚好是静止的极限点，故按照静止问题来解此题。故按照静止问题来解此题。习题习题3.3.本题是流体静力学方程的一种工程实际应用。本题是流体静力学方程的一种工程实际应用。习题习题9.9.最好参见教材最好参见教材p11p11的解法，采用和压

21、强相等递推。的解法，采用和压强相等递推。1.2 1.2 流体动力学流体动力学 1.1.体积流量体积流量 单位时间内单位时间内流经管道任意横截面的流体流经管道任意横截面的流体体积体积。2.2.质量流量质量流量 单位时间内单位时间内流经管道任意横截面的流体流经管道任意横截面的流体质量质量。3.3.二者关系二者关系一、流量一、流量1.2.1 1.2.1 流量与流速流量与流速m m3 3/s/s 或或 m m3 3/h/hkg/s kg/s 或或 kg/h kg/h。二、流速二、流速2.2.质量流速质量流速 1.1.体积流速（体积流速（平均流速平均流速）的定义）的定义 2.2.单位时间内单位时间内流体

22、质点在流动方向上所流体质点在流动方向上所流经的距离流经的距离；3.3.或或 单位时间单位截面单位时间单位截面上流过的上流过的流体体积。流体体积。m/sm/skg/kg/（m m2 2s s）单位时间单位截面上流过的流体质量。单位时间单位截面上流过的流体质量。对于对于圆形管道圆形管道：流量流量 一般由一般由生产任务生产任务决定。决定。流速选择：流速选择：三、管径的三、管径的估算估算 dd设备费用设备费用 流动阻力流动阻力动力消耗动力消耗操作费操作费综合考虑综合考虑u uu u适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费常用流速（适宜、经济流速）常用流速（适宜、经济流速）范围范围水及一般液

23、体水及一般液体 1 13 m/s3 m/s粘度较大的液体粘度较大的液体 0.5 0.51 m/s1 m/s低压气体低压气体 8 815 m/s15 m/s压力较高的气体压力较高的气体 15 1525 m/s 25 m/s 饱和水蒸气饱和水蒸气 20 2040 m/s40 m/s过热水蒸气过热水蒸气 30 3050 m/s50 m/s 1.2.2 1.2.2 稳定流动与非稳定流动稳定流动与非稳定流动稳定流动：各截面上的压力、流速等物理量仅随位置变化，但稳定流动：各截面上的压力、流速等物理量仅随位置变化，但不随时间变化不随时间变化；非稳定流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，非稳定流动：流

24、体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化也随时间变化。1.2.3 1.2.3 稳定流动系统的质量守恒稳定流动系统的质量守恒（物料衡算）连续性方程（物料衡算）连续性方程 对于对于稳定流动稳定流动系统，在管路中流体没有系统，在管路中流体没有增加增加和和漏失漏失的情况下：的情况下：推广至任意截面推广至任意截面:连续性方程连续性方程1 11 1 2 2 2 2若为不可压缩性流体若为不可压缩性流体 ，圆形管道圆形管道 ：即不可压缩流体在管路中任意截面的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。流速与管内径的平方成反比。连续性方程连续性方程1.2.4 1.2.4 管内管内稳定流动

25、的稳定流动的能量衡算能量衡算（流体动力学）（流体动力学）柏努利方程柏努利方程一、总能量衡算一、总能量衡算1.1.柏努利方程柏努利方程衡算范围：截面衡算范围：截面 1-1 1-1、2-22-2间间基基 准准 面：面：0-00-0水平面水平面衡算依据：能量守恒衡算依据：能量守恒假假 设：流体不可压缩，设：流体不可压缩，则则 连续性方程：连续性方程：m m1 1m m2 2m m 1-11-1截面截面输入能量输入能量 =2-2 =2-2 输出能量输出能量（1 1）位能）位能 mgz1 mgz2（2 2）动能）动能 （3 3）静压能（流动功）静压能（流动功）（4 4）内能）内能 mU mU1 1 mU

26、 mU2 2 （5 5）输入功）输入功 mwe 0（5 5）输入能量）输入能量 mqe 0柏努利方程柏努利方程（J）（J/kg）柏努利方程的其他形式：柏努利方程的其他形式：（1 1）以）以单位质量单位质量流体为基准的流体为基准的能量表达式能量表达式（2 2）以）以单位重量单位重量流体为基准的流体为基准的压头表达式压头表达式 （3 3）以）以单位体积单位体积流体为基准流体为基准 注意几个表示字母注意几个表示字母单位质量流体衡算单位质量流体衡算，泵的能量，泵的能量we，总机械能损失，总机械能损失hf1-2，单位，单位 J/Kg；单位重量流体衡算单位重量流体衡算，泵的能量，泵的能量He，总机械能损失

27、，总机械能损失Hf1-2，单位，单位J/N=m；单位体积流体衡算单位体积流体衡算，泵的能量，泵的能量Pe，总机械能损失，总机械能损失Pf，单位，单位J/m3。2.2.柏努利方程的讨论柏努利方程的讨论 （1 1）对于静止流体，流速）对于静止流体，流速u=0u=0，且无能量输入，则：，且无能量输入，则：静力学基本方程静力学基本方程（2 2）zg、某某截截面面上上单单位位质质量量流流体体所所具具有有的的位位能能、静静压压能能和和动动能能；z、某某截截面面上上单单位位重重量量流流体体所所具具有有的的位位压压头头、静压头静压头和和动压头动压头；静压头；静压头 和位压头和位压头 z 之和成为冲压头。之和成

28、为冲压头。（3）hf（Hf）两两截截面面间间单单位位质质量量（重重量量）流流体体消消耗耗的的机机械械能能或或内内能的改变量；能的改变量；（4）we（He）两两截截面面间间单单位位质质量量（重重量量）流流体体从从泵泵获获得得的的能能量量,J/Kg(J/N)。泵的有效功率泵的有效功率 ：J/s=wJ/s=w泵的（轴）功率泵的（轴）功率 ：J/s=wJ/s=w（5 5）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。对对于于可可压压缩缩性性流流体体，当当 时时，仍仍可可用用该该方方程程计计算算，但但式中的密度式中的密度应以两截面的应以两截面的平均密度平均密度m代替。代替。4 4

29、柏努利方程的应用柏努利方程的应用 管内流体的流量；管内流体的流量；输送设备的功率；输送设备的功率；管路中流体的压力；管路中流体的压力；容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。a.a.解决的问题解决的问题绘制流体流动系统示意图；绘制流体流动系统示意图；确定流动系统的确定流动系统的截面及衡算范围截面及衡算范围；选取选取基准水平面基准水平面；列方程，计算。列方程，计算。b.b.步骤步骤（3 3）各各物物理理量量的的单单位位应应保保持持一一致致，特特别别注注意意压压力力表表示示方方法也应一致，即同为法也应一致，即同为绝压绝压或同为或同为相对压力相对压力。（1 1）截面截面的选取的选取 与流体的流动方向

30、相垂直，即与管子中心线垂直；与流体的流动方向相垂直，即与管子中心线垂直；两截面间流体应是稳定连续流动；两截面间流体应是稳定连续流动；截面宜选在已知量多、计算方便处。截面宜选在已知量多、计算方便处。（2 2）基准水平面基准水平面的选取；的选取；地面；地面；两截面中位置较低的截面（或过管道中心的水平面）。两截面中位置较低的截面（或过管道中心的水平面）。c.c.注意事项注意事项例例1-2：用泵将贮池中的常温下的：用泵将贮池中的常温下的水送至吸收塔顶部，贮液池水面维水送至吸收塔顶部，贮液池水面维持恒定，各部分的相对位置如图所持恒定，各部分的相对位置如图所示。输水管的直径为示。输水管的直径为763mm，

31、排出管出口的喷头连接处的压强为排出管出口的喷头连接处的压强为6.15104Pa（表压），送水量为（表压），送水量为34.5 m3/h，水流经全部管道（不包，水流经全部管道（不包括喷头）的能量损失为括喷头）的能量损失为160 J/kg。n试求泵的轴功率（效率试求泵的轴功率（效率取取0.65）2m2m1.2.5 管内管内稳定流动的稳定流动的动量衡算（流体动力学）动量衡算（流体动力学）由动量守恒定律得：由动量守恒定律得：作业作业P65 12,13,14,15P65 12,13,14,15题题(选做选做3 3个个)习题习题12.12.本题管子的直径标注单位应该为本题管子的直径标注单位应该为mmmm，工程合理为，工程合理为3m/s3m/s以下以下，动力消耗和管径大小的选择才相对合理。，动力消耗和管径大小的选择才相对合理。习题习题13.13.根据流动过程的根据流动过程的质量衡算质量衡算进行计算，还要注意气流进行计算，还要注意气流流速的合理工程选择范围。流速的合理工程选择范围。习题习题14.14.列出列出BEBE即可求解，注意已知条件的数值怎样才能符即可求解，注意已知条件的数值怎样才能符合合BEBE方程。方程。习题习题15.15.选好选好上下游截面上下游截面（可以重叠，但要注意按流体流动（可以重叠，但要注意按流体流动的方向）即可列出的方向）即可列出BEBE。