静止流体规律与应用.docx

静止流体规律与应用.docx

《静止流体规律与应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《静止流体规律与应用.docx（5页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

静止流体规律与应用

静止流体规律与应用

从式（5—19）可以看出，静止是流动的特殊形式，常把式（5—19）称为流体静力学基本方程，它反映了静止流体内部能量转化与守恒的规律。

进一步分析可以看出，静力学规律实际上就是静止流体内部压力与位置之间的关系。

利用这种规律在工程上可以测定与控制液位、测量压差或压力、确定液封高度、设计分液器等。

（1）式（5—19）表明，在静止流体内部，任一截面上的位能与静压能之和均相等。

利用这一规律可以判定流体是否流动以及流动的方向和限度。

比如，用管路将设备1与设备2连接起来，是否会发生流体在1与2之间的流动呢?

只要计算一下1与2两截面的能量并加以比较就可以了。

　　如果（位能+静压能）l＝（位能+静压能）2，则流体处在静止状态；

　　如果（位能+静压能）l>（位能+静压能）：

，则流体从1向2流动；

　　如果（位能+静压能）l　　

（2）式（5—19）变形可得：

　　p2＝Pl＝pg（Z1一Z2）（5—20）

　　此式也称为流体静力学基本方程，它反映了静止流体内部任意两个截面压力之间的关系。

它表明在静止、连续、均质的流体内部，如果一点的压力发生变化，则其他各点的压力将发生同样大小和方向的变化，这正是液压传动的理论依据。

　　（3）如果截面1刚好与自由液面重合，则（Z1一Z2）就等于截面2距自由液面的深度，用九表示，于是，式（5—20）可变为

　　p2＝P1＝pgh（5—20a）

　　一般地，液面上方的压力》1是定值，因此，式（5—20a）表明，在静止、连续均质的流体内部，任一截面的压力仅与其所处的深度有关，而与底面积无关。

显然，液体越深的地方压力越大，这就是拦河堤坝越靠底部越宽的原因。

　　不难看出，在静止、连续均质的流体中，处在同一水平面上的各点的压力均相等，压力相等的截面称为等压面，等压面对解决静止流体的问题相当重要。

　　图5—12中，1与2处在同一水平面上，3与4处在同一水平面上，但1与2处的压力相等，而3与4处的压力不相等。

　　（4）式（5—19）也可以变化如下：

　　此式表明，静压头的变化可以用位压头的变化来显示，或者说压力的变化可以通过液位的变化来反映或相反，所以可以用液柱高度表示压力大小，但必须带流体种类（如760mmHg）。

　　这就是连通器原理，利用这一原理可以设计制作压力计、液位计、分液器、出料管等。

　　如图5—13所示，为了测量某容器内的液位，可以在容器上部与底部各开一个小孔并用玻璃管连接。

显然，玻璃管内的液位高度就是容器内部的液位高度。

这种液位计构造简单，易于破碎，且不适宜集中控制及远距测量。

　　图5—14是用U形压力计的示意图，测量是将U形管压力计的两端分别连接在要测量的两侧压点上，则根据U形管内指示液的液位变化（压力计的读数），可以算出两侧压点之间的压力差，见式（5—21）。

如果是测量某点的压力，只要将压力计的一端通大气即可。

　　工业生产中经常需要将工艺过程中的两种密度不同的流体分离，如图5—15所示，通过该分离器可以实现水与有机液体的分离。

　　化工生产中广泛使用气流接触设备，为了使气液两相接触后能及时分开，常常采用Ⅱ装置从塔底采出液体，如图5—16所示。

这样做的目的是既能保证液体的采出，又能有效阻止气体从液体通道流出来。

　　（5）在以上分析中，都没有考虑到密度的变化，但对于气体，其密度是随压力因而也随高度变化而变化的，因此，严格来说以上结论只适用于难以压缩的液体，而不适用于气体。

然而，在工程上，考虑到在化工容器的高度范围内，气体的密度是变化不大的，因此，允许适用于气体。

　　如图5—17所示，某气柜内径为9m、钟罩及附件的质量为10t。

（1）气柜内气体压强为多大时,才能将钟罩顶起来?

（2）当气柜内气量增加时，柜内气体的压强是否变化?

（3）若水的密度为1000kg／m，，水对钟罩的浮力可以忽略不计，则钟罩内外的水位差是多少?

　　解设气柜内气体的压力为户，气柜外的大气压为户。

。

（1）要将钟罩顶起来，罩内气体给予钟罩的向上推力必须大于或等于钟罩本身重量与外界大气给予钟罩的向下的压力之和。

超长到这两种力的作用面积相等，因此，必有罩内气体的表压力

罩内气体的表压力至少要达到夕＝1542．8Pa时才能把钟罩顶起来。

（2）当罩内气体量增加时，钟罩就会上升，并平衡在新的位置，由于钟罩的质量没有变化，外界压力也没有变化，因此，罩内气体的压力也不改变。

　　（3）设钟罩内外的水位差为h，m，则

　　为了控制乙炔发生炉内的压力不超过80mmHg（表压），在炉外装有安全液封（水封），如图5—18所示，当炉内压力超过规定值时，气体能从水封管排出，从而达到安全稳定的目的。

求水封管必须插入水下的深度。

　　解设水封管必须插入水下的深度为h，m，才能维持乙炔发生炉内的压力不超过规定值。

则水封管口所在水平面处的表压力为80mmHg。

于是

　　一、流体阻力

　　流体阻力成为化工生产管路堵塞、管系和罐（器）壁结垢积淀、甚至影响传热系数的主要原因之一。

　　实际流体流动时，会因为流体自身不同质点之间以及流体与管壁之间的相互摩擦而产生阻力，造成能量损失，这种在流体流动过程中因为克服阻力而消耗的能量叫流体阻力。

从柏努利方程可以看出，只有在流体阻力大小已知的情况下，才能进行有关应用计算，不仅如此，流体阻力的大小关系到流体输送的安全性。

因此，了解流体阻力产生的原因及影响因素是十分重要的。

　　二、流体阻力产生的原因

　　理想流体在流动时不会产生流体阻力，因为理想流体是没有黏性的，实际流体流动时会产生流体阻力，因为实际流体具有黏性，因此，黏性是流体阻力产生的根本原因。

黏度作为表征黏性大小的物理量，其值越大，说明在同样的流动条件下，流体阻力就会越大，这已经被理论研究及实验结果所证实。

于是，不同流体在同一条管路中流动时，流体阻力的大小是不同的；但研究也发现，同一种液体在同一条管路中流动时，也能产生大小不同的流体阻力。

因此，决定液体阻力大小的因素除了内因（黏性）和外因（流动的边界条件）外，还取决于液体的流动状况（流动形态）。

流体的流动是不是存在不同的形态呢?

1883年，雷诺用实验回答了这个问题。

　　三、流体的流动形态

（1）雷诺实验图5—19为雷诺实验装置示意图，设图中贮槽水位通过溢流保持恒定，高位槽内为有色液体，与高位槽相接的细管喷嘴保持水平，并与水平透明水管的中心线重合，实验时，两管内的流速可以通过阀门调节。

　　打开水管上的控制阀，使水进行稳定流动，将细管上的阀门也打开，使高位槽内的有色液体从喷嘴水平喷入水管中，改变水管内水的流速，可以发现三种不同的实验结果，如图5—20所示。

当流速较低时，实验结果如图5—20（a）所示，有色液体呈一条直线在水管内流动；随着水管内水的流速的增加，这条线开始变曲并抖动起来，像正弦曲线一样，如图5—20（b）所示；继续增加水管内水的流速，当增加到某一流速时，有色墨水一离开喷嘴就立即与水混合均匀并充满整个管截面，如图5—20（c）所示。

这说明，流体的流动形态是各不相同的，通常认为流体的流动形态有两种（注意不是三种），即层流与湍流。

　　层流如图5—20（a）所示，流体是分层流动的，层与层之间是互不于扰的，或者说,流体质点是做直线运动的，不具有径向的速度。

由于该种情况主要发生在流速较小的时候，因此也称滞流。

流体在层流流动时，主要靠分子的热运动传递动量、热量和质量。

在化工生产中，流体在毛细管内的流动、在多孑L介质中的流动、高黏度流体的流动等多属于层流。

　　湍流也叫紊流，如图5—20（c）所示，流体不再是分层流动的，其内部存在很多大小不同的旋涡，流体质点除具有整体向前的流速外，还具有径向的速度，因此流体质点的运动是杂乱无章的，运动速度的大小与方向时刻都在发生变化。

液体在湍流流动时，除靠分子的热运动传递动量，热量和质量外，还靠质点的随机运动来传递动量、热量和质量，而且后者的传递能力更强、更快。

因此，化工生产中的多数流动均属于湍流流动。

　　而图5—20（b）所示的流动则可以看作是不完全的湍流，或不稳定的层流，或者看作是两者的共同贡献，而不是一种独立的运动形态。

　　燃烧理论以及燃烧导致爆炸事故的基本理论中，层流和湍流概念是十分重要的，层流燃烧和湍流燃烧是区分可燃气体预混系燃烧形态的重要标志。

（2）流动形态的判定为了确定液体的流动形态，雷诺通过改变实验介质、管材及管径、流速等实验条件，做了大量的实验，并对实验结果进行了归纳总结，称为雷诺实验。

终于发现，流体的流动形态主要与流体的密度ρ、黏度µ、流速µ和管内径d等4个因素有关，并可以用这4个因素组合而成的复合变量的值，即雷诺数Re的数值来判定流动形态。

雷诺数的定义如下：

　　雷诺数是一个无因次的量，称为特征数。

对于特征数来说，要采用同一单位制下的单位来计算，但无论采用哪种单位制，特征数的数值都是一样的。

　　根据大量实验的结果，当Re4000时，流动为稳定的湍流；当Re＝2000～4000时，不能肯定流动是层流还是湍流，即可能是层流也可能是湍流，但如果是层流，也是很不稳定的，流动条件的微小变化都可能使其转化为湍流，通常称为过渡流。

另外，就湍流而言，Re越大，湍动程度越高，或者说流体质点运动的杂乱无章的程度越高。

　　流动形态的判定不仅关系流体流动的状态，而且关系着流体在事故状态下的燃烧、泄漏、扩散等问题。

　　（3）层流内层与流动主体化工生产中流体的流动多为湍流，但无论流体的湍动程度多高，由于流体与壁面间的摩擦作用，在靠近壁面的地方，总有一层流体在做层流流动。

湍流流动的液体中，做层流流动的流体层称为层流内层或层流底层或层流边界层；而层流边界层外的流体称为流动主体或湍动主体。

　　必须指出，层流边界层的存在，对流体的传热与传质均有明显的影响。

　　四、流体阻力的计算原则

　　如前所述，影响流体阻力大小的因素有流体物性、流体的流动形态和流动的边界条件等。

根据流动边界条件的不同可以将流体阻力分为直管阻力和局部阻力，总流体阻力等于所有直管阻力与所有局部阻力之和。

（1）直管阻力是流体在直径不变的管路中流动时，因为克服摩擦而消耗的能量，也叫沿程阻力。

直管阻力由范宁公式计算，表达式为

式中Ef／——直管阻力，J／kg；

　　λ——摩擦系数，也称摩擦因数，无因次，其值主要与雷诺数和管子的粗糙程度有关，可由实验测定或由经验公式计算或查图获得；

　　l——直管的长度，m；

　　d——直管的内径，m；

　　u——流体在管内的流速，m／s。

（2）局部阻力是流体流过管件、阀件、变径、出人口等局部元件时，因为流通截面积突然变化而引起的能量损失。

由于各元件结构不同，因此造成阻力的状况也不完全相同，目前只能通过经验方法计算局部阻力，主要局部阻力系数和当量长度法两种。

　　1）局部阻力系数法此法把局部阻力正／看成是流体动能的某一倍数，即

式中正／——局部阻力，J／kg；

　　L—局部阻力系数，无因次，可实验测定或从图表中查取；

　　u——流体在局部元件内的流速，m／s。

　　2）当量长度法此法把局部阻力视作为一定长度直管的直管阻力，再按直管阻力的计算方法计算，即：

式中le——局部元件的当量长度，m，它是与局部元件阻力相等的直管长度，通常由实验测定或由图表查取；

　　其他符号同前。

　　（3）总阻力在化工管路上，可能会有若干个不同管径的直管，也会有多个局部元件，在计算总阻力时，可以分别计算各部分的直管阻力或局部阻力，再相加。

　　五、减少流体阻力的措施

　　流体阻力越大，输送流体的动力消耗也越大，介质有可能在敝压的危险状态下输送流体。

另一方面，流体阻力的增加还可能造成系统压力的下降，严重时将影响工艺的过程的正常进行，破坏系统的压力平衡，因此，化工生产中为了保证流体的安全，平稳运行应