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1、流体输送与传热技术第1页，本讲稿共31页2第一部分第一部分 流体输送技术流体输送技术第2页，本讲稿共31页引言流体输送的应用引言流体输送的应用 油品输送、化工过程中，流体物料需要从一个设备送到另一个设备（设备间移动），或从一个工序送往另一个工序（工序间转移），逐步完成各物理过程和化学过程。常见输送方式包括：高位槽送料、真空抽料、压缩空气送料和流体输送机械送料等。必然会涉及到流体输送、流量测量、压力测量、输送设备所需功率的计算及其选型等问题。要解决这些问题必须先掌握流体力学中流体流动的有关基本原理、基本规律和相关的实验知识和应用技能。第3页，本讲稿共31页4知识目标：知识目标：理解流体流动的基本
2、概念、流动阻力产生的原因；理解流体流动的基本概念、流动阻力产生的原因；掌握连续性方程式、伯努利程式和管内流动阻力的计掌握连续性方程式、伯努利程式和管内流动阻力的计算；算；了解流体输送管路设计原则；了解流体输送机械的结构、了解流体输送管路设计原则；了解流体输送机械的结构、原理及应用；原理及应用；第4页，本讲稿共31页51-1 1-1 流体的特性、连续性假设流体的特性、连续性假设第一章第一章 流体及其物理性质流体及其物理性质一、易变形性和流动一、易变形性和流动流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势，这是流体与固体在宏观力流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势，这是流体与固体在宏观力学行为方
3、面的主要差异；微观上，流体分子间吸引力小。学行为方面的主要差异；微观上，流体分子间吸引力小。气体与液体的区别气体与液体的区别第5页，本讲稿共31页6(1)(1)流体质点流体质点无线尺度，无热运动，只在外力作用下作宏观平无线尺度，无热运动，只在外力作用下作宏观平 移运动移运动;(2)(2)具有宏观物理特性具有宏观物理特性-温度、压强、密度。温度、压强、密度。1mm3 体积 水:3.41019 个分子 空气:2.7 1016个分子 10-10mm3 体积 (相当于一粒灰尘体积)空气:2.7 106个分子二、流体作为连续介质的假设二、流体作为连续介质的假设流体质点流体质点:流体中宏观尺寸非常小，微观
4、尺寸又足够大的任意物理实体。流体中宏观尺寸非常小，微观尺寸又足够大的任意物理实体。第6页，本讲稿共31页7连续介质连续介质模型：假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。模型：假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。(1)(1)可用连续性可用连续性函数函数u(x,y,z,t)u(x,y,z,t)描述流体质点物理量的空间分布和时描述流体质点物理量的空间分布和时间变化；间变化；(2)(2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连续函数理论求解方程。连续函数理论求解方程。*除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题，均可用连续介质除了稀薄气体与激
5、波的绝大多数工程问题，均可用连续介质模型作理论分析。模型作理论分析。第7页，本讲稿共31页81、密度、密度常温下取常温下取 水水 =1000 kg/m3 空气空气=1.2 kg/m3 混合液：混合液：一一 流体的密度（流体的密度（densitydensity）均匀流体：均匀流体：一般流体：一般流体：(kg/m3)1-2 1-2 流体的主要物理性质流体的主要物理性质理想混合气体：理想混合气体：xi组分i的质量分率yi组分i的摩尔分率第8页，本讲稿共31页94 4、重度：、重度：3 3、相对密度：、相对密度：2 2、比容、比容 液体的密度与1个大气压4纯水密度之比第9页，本讲稿共31页10温度/0
6、5101520水0.99981.00000.99970.99910.9982原油0.86930.86620.86310.86000.8569空气1.2931.2731.2481.2261.205温度/2530405060水0.99700.99570.99220.98800.9832原油0.85380.85070.84450.83830.8321空气1.1851.1651.1281.0981.060温度/708090100水0.97780.97180.96530.9584原油0.82590.81960.81360.8074空气1.0291.0000.9730.946P=101325P=10132
7、5原油、空气相原油、空气相对对密度随温度的密度随温度的变变化化第10页，本讲稿共31页11（1 1）流体的体积压缩系数：）流体的体积压缩系数：二、二、压缩性（压缩性（compressibilitycompressibility）和膨胀性）和膨胀性（expansibilityexpansibility）例题1在容器中压缩液体，压强为106Pa时，体积1L；压强2 106Pa时，体积995cm3。求压缩系数。第11页，本讲稿共31页12二、二、压缩性（压缩性（compressibilitycompressibility）和膨胀性）和膨胀性（expansibilityexpansibility）（2
8、 2）流体的体积膨胀系数：）流体的体积膨胀系数：12（3 3）不可压缩流体）不可压缩流体液体-一般可当作不可压缩流体气体-低速（标准状态，一般v68m/s）气流可按不可压缩流体处理，v=102m/s 时，不考虑压缩性引起误差2.3%。第12页，本讲稿共31页理想气体理想气体(完全气体完全气体)状态方程状态方程R气体常数空气R=8312/29=287J/kgK道尔顿分压定律道尔顿分压定律例题21kg氢气，温度-40，V=0.1m3，求p=?第13页，本讲稿共31页141.1.流体内摩擦概念流体内摩擦概念 牛顿在牛顿在自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理(1687)(1687)中指出：中指出：相邻
9、两层流体作相对运动时存在相邻两层流体作相对运动时存在内摩擦内摩擦作用作用,称为粘性力。称为粘性力。库仑实验库仑实验(1784)(1784)三、三、流体的粘性流体的粘性 (viscosity)(viscosity)第14页，本讲稿共31页15 流体粘性形成原因流体粘性形成原因:(1)(1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成(2)(2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成第15页，本讲稿共31页16牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律/粘性定律粘性定律:它表明：它表明：粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与速度
10、梯度成正比；牛顿流体概念牛顿流体概念第16页，本讲稿共31页17(2)(2)运动粘度运动粘度(kinematic viscosity)(kinematic viscosity)(1)(1)动力粘度动力粘度(viscosity)(viscosity)(Pa(Pas)s)第17页，本讲稿共31页18【例题例题3】在两块相距20mm的平板间充满动力粘度为0.065Ns/m2的油，如果以1m/s的速度匀速拉动距上平板5mm处，面积为0.5 m2的薄板，求所需要的拉力。N/m2 N/m2 N 第18页，本讲稿共31页19恩氏粘度和粘度测定恩氏粘度和粘度测定 第19页，本讲稿共31页20温度（）（kpas
11、）（106m2/s）温度（）（kpas）（106m2/s）01.7811.785400.6530.65851.5181.519450.5890.595101.3001.306500.5470.553151.1391.139600.4660.474201.0021.003700.4040.413250.8900.893800.3540.364300.7980.800900.3150.326350.6930.6981000.2820.294表表1 水的粘滞系数（一个大气压下）水的粘滞系数（一个大气压下）粘度与温度的关系粘度与温度的关系 第20页，本讲稿共31页21温度（）（kpas）（106m2/
12、s）温度（）（kpas）（106m2/s）00.017213.7900.021622.9100.017814.71000.021823.6200.018315.71200.022826.2300.018716.61400.023628.5400.019217.61600.024230.6500.019618.61800.025133.2600.020119.62000.025935.8700.020420.52500.028042.8800.021021.73000.029849.9表表2 空气的黏性系数（一个大气压下）空气的黏性系数（一个大气压下）第21页，本讲稿共31页22粘度与温度的关系
13、粘度与温度的关系 第22页，本讲稿共31页23四、四、流体的表面张力流体的表面张力(surface tension)液体具有附着力和粘附力，两者都是分子的吸引力，附着力使液体能够附着到另一个物体上，而粘附力使液体抵抗切向应力。在液体和气体的交界面处和在两种互不相容液体的界面处，分子间附着力和粘附力产生的向外的平衡吸引力使液体形成了一个明显的表面液膜并在液膜表面内产生了张力，液体的这个特性称为表面张力，用符号表示，其单位是N/m。水的表面张力在结冰点和沸点之间的变化范围为0.00750.0589 N/m。表面张力与毛细现象表面张力与毛细现象 第23页，本讲稿共31页24表面张力和接触角PP0R液
14、体气体表面张力表面张力:-单位长度所受拉力(N/m)接触角概念接触角概念:当液体与固体壁面接触时,在液体,固体壁面作液体表面的切面,此切面与固体壁在液体内部所夹部分的角度 称为接触角,当 为锐角时,液体润湿固体,当 为钝角时,液体不润湿固体水与玻璃的 =8090 水银的 =1380第24页，本讲稿共31页25毛细现象 h水在玻璃管中上升高度 h=29.8/d(mm)水银在玻璃管中下降高度 h=10.5/d(mm)第25页，本讲稿共31页26所有液体都会蒸发或沸腾，将它们的分子释放到表面外的所有液体都会蒸发或沸腾，将它们的分子释放到表面外的空间中。这样宏观上，在液体的自由表面就会存在一种向空间中
15、。这样宏观上，在液体的自由表面就会存在一种向外扩张的压强（压力），即使液体沸腾或汽化的压强，这外扩张的压强（压力），即使液体沸腾或汽化的压强，这种压强就称为汽化压强（或汽化压力）。因为液体在某一种压强就称为汽化压强（或汽化压力）。因为液体在某一温度下的汽化压强与液体在该温度下的饱和蒸汽压所具有温度下的汽化压强与液体在该温度下的饱和蒸汽压所具有的压强对应相等，所以液体的汽化压强又称为液体的饱和的压强对应相等，所以液体的汽化压强又称为液体的饱和蒸汽压强。蒸汽压强。分子的活动能力随温度升高而升高，随压力升高而减小，分子的活动能力随温度升高而升高，随压力升高而减小，汽化压强也随温度升高而增大。水的汽化
16、压强与温度的关汽化压强也随温度升高而增大。水的汽化压强与温度的关系见表系见表3五、五、汽化压强汽化压强第26页，本讲稿共31页27温度（）汽化压强（kpa）温度（）汽化压强（kpa）温度（）汽化压强（kpa）00.61304.247031.1650.87407.388047.34101.235012.339070.10202.346019.92100101.33表表3 水在不同温度下的汽化压强水在不同温度下的汽化压强 1.5 汽化压强汽化压强第27页，本讲稿共31页28在任意给定的温度下，如果液面的压力降低到低于饱和在任意给定的温度下，如果液面的压力降低到低于饱和蒸汽压时，蒸发速率迅速增加，称
17、为沸腾。因此，在给蒸汽压时，蒸发速率迅速增加，称为沸腾。因此，在给定温度下，饱和蒸汽压力又称为沸腾压力，在涉及到液定温度下，饱和蒸汽压力又称为沸腾压力，在涉及到液体的工程中非常重要。体的工程中非常重要。液体在流动过程中，当液体与固体的接触面处于低压区，液体在流动过程中，当液体与固体的接触面处于低压区，并低于汽化压强时，液体产生汽化，在固体的表面产生很并低于汽化压强时，液体产生汽化，在固体的表面产生很多气泡；若气泡随液体的流动进入高压区，气泡中的气体多气泡；若气泡随液体的流动进入高压区，气泡中的气体便液化，这时，液化过程产生的液体将冲击固体表面。如便液化，这时，液化过程产生的液体将冲击固体表面。
18、如这种运动是周期性的，将对固体表面造成疲劳并使其剥落，这种运动是周期性的，将对固体表面造成疲劳并使其剥落，这种现象称为汽蚀。汽蚀是非常有害的，在工程应用时必这种现象称为汽蚀。汽蚀是非常有害的，在工程应用时必须避免汽蚀。须避免汽蚀。第28页，本讲稿共31页29【本章小结本章小结】本章主要介绍了流体的基本特征（流动性），阐述了与流体运动相关的几个物理性质，如密度、压缩性、热胀性、黏性等。学习中应该充分理解各物理量的定义及外界因素对其的影响，熟悉各物理量的表示方法和相关参数的计算，尤其要切实掌握应用牛顿内摩擦定律的解题方法。第29页，本讲稿共31页30小测验习题：1、牛顿粘性定律表达式为_，它只适用于_型流体。2、牛顿内摩擦力是流体_的表现，所以又称为_力或者_力。粘性，粘滞，粘性摩擦第30页，本讲稿共31页31本章作业 习题4,压力表校正器，器内充满压缩系数为 的油液。器内压强为 0.1MPa 时，油液的体积为200ml。现用手轮丝杆和活塞加压，活塞直径为1cm，丝杆螺距为2mm。当压强升高至20MPa 时，问需将手轮摇多少转。解,第31页，本讲稿共31页