第一章 流體流動化

1、1第一章第一章 流體流動流體流動化工原理化工原理2概述概述化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動物質(zhì)的三種常規(guī)聚集狀態(tài)物質(zhì)的三種常規(guī)聚集狀態(tài)：固體、液體和氣體：固體、液體和氣體分子的隨機熱運動分子的隨機熱運動給分子以動能使給分子以動能使之趨于飛散之趨于飛散 分子間相互作用力分子間相互作用力以勢能的作用使以勢能的作用使之趨于團聚之趨于團聚 3概述概述化工原理化工原理 第一章第一章 流體流動流體流動一、一、流體流體氣體及液體氣體及液體二、二、流體特性流體特性1.1.流動性：抗剪抗張能力都很小流動性：抗剪抗張能力都很小 3.3.連續(xù)性：由無數(shù)流體質(zhì)點組成的連續(xù)介質(zhì)，只研連續(xù)性：由無數(shù)流體質(zhì)點

2、組成的連續(xù)介質(zhì)，只研究流體的宏觀運動規(guī)律究流體的宏觀運動規(guī)律 2.2.粘性粘性: :在外力作用下發(fā)生相對運動，在外力作用下發(fā)生相對運動，產(chǎn)生內(nèi)摩擦力產(chǎn)生內(nèi)摩擦力 4概述概述l 流體輸送流體輸送l測量壓強、流速、測量壓強、流速、 流量流量l 為強化設備提供適宜為強化設備提供適宜 的流動條件的流動條件化工原理化工原理 第一章第一章 流體流動流體流動流體流動的基本規(guī)律是化工原理的重要基礎流體流動的基本規(guī)律是化工原理的重要基礎 化工生產(chǎn)中的傳熱、傳質(zhì)過程都是化工生產(chǎn)中的傳熱、傳質(zhì)過程都是在流體流動的情況下進行的，設備在流體流動的情況下進行的，設備的操作效率與流體流動狀況有密切的操作效率與流體流動狀況有

3、密切的聯(lián)系。的聯(lián)系。 管路的設計、輸送機械的選擇及所管路的設計、輸送機械的選擇及所需功率的計算。需功率的計算。 這些測量儀表的操作原理又多以流這些測量儀表的操作原理又多以流體的靜止或流動規(guī)律為依據(jù)的。體的靜止或流動規(guī)律為依據(jù)的。 三、三、本章應用：本章應用：5)f(T 1. 1.流體的密度：流體的密度：Vm單位：單位：42333mskgf0.102g/cm10kg/m1 液體液體不可壓縮流體不可壓縮流體 氣體氣體可壓縮流體可壓縮流體),f(Tp 第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程1-1 1-1 流體的密度流體的密度一、基本概念一、基本概念流體流體化工原理化工原理 第一章第一章

4、流體流動流體流動6第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動|密度數(shù)據(jù)的獲取密度數(shù)據(jù)的獲取(1)查手冊：化學工程手冊查手冊：化學工程手冊(2)實測：比重瓶、比重計、密度儀（液體）實測：比重瓶、比重計、密度儀（液體）(3)計算：氣體計算：氣體7第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動技術參數(shù)技術參數(shù) 1.1.測試范圍測試范圍 動力粘度動力粘度 0.2-10000mPa.s 0.2-10000mPa.s 密度密度 0.65-2g/cm3 0.65-2g/cm3 溫度：溫度：40401001

5、00C C 2.2.再現(xiàn)性：再現(xiàn)性： 粘度：測量結果的粘度：測量結果的0.35% 0.35% 密度：密度：0.0005 g/cm3 0.0005 g/cm3 溫度：溫度：0.020.02C C 3.3.操作壓力：大氣壓操作壓力：大氣壓 4.4.最少樣品量：兩個樣品池約最少樣品量：兩個樣品池約 3 ml 3 ml 5.5.樣品測量速度樣品測量速度: 20: 20個個/ /小時小時 自動粘度密度儀自動粘度密度儀SVM3000SVM3000（奧地利安東帕公司）（奧地利安東帕公司）8 理想氣體狀態(tài)方程：理想氣體狀態(tài)方程：RTMmnRTpVRTpMVm化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動K)k

6、mol(kJ.R 3148第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程KTkmolkgMkPap-a.氣體氣體( (標準狀態(tài)標準狀態(tài)) )kmolmVTp/4 .22K,15.273kPa,3 .1013000 0004 .22RTMpMVm （理想氣體在標準狀態(tài)下的密度）（理想氣體在標準狀態(tài)下的密度）RTpMVm TTpp000 TTppM004 .229化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動ixw niiinnmxxxx1ww22w11w1 組分的質(zhì)量分率。組分的質(zhì)量分率。iixw niiinnmxxxx1VV2V21V1)( 化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流

7、體流動 組分的體積分率。組分的體積分率。iixV第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程b. 混合流體的密度混合流體的密度 混合液體：已知各組份的質(zhì)量分率混合液體：已知各組份的質(zhì)量分率 混合氣體：已知各組份的體積分率混合氣體：已知各組份的體積分率 ixV102. 靜壓強：垂直作用于單位面積上的靜壓力靜壓強：垂直作用于單位面積上的靜壓力APp (1)(1)單位：單位：SISI制：制： 習慣使用單位：習慣使用單位：OmH33.10at033. 1kgf/cm033. 1bar013. 1Pa10013. 1mmHg760atm1225 化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)

8、第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程(Pa)mN2/mmHg6 .735Pa10807. 9OmH10kgf/cm1at1422 11(2) (2) 計量基準：計量基準：絕對真空絕對真空( (零壓零壓) )化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程絕對壓強絕對壓強大氣壓大氣壓相對壓強相對壓強表壓強表壓強=絕對壓強絕對壓強大氣壓強大氣壓強真空度真空度=大氣壓強大氣壓強絕對壓強絕對壓強app 壓強表壓強表app 真空表真空表表示方法：表示方法：)kPa( 1023表表壓壓 )Pa( 1043真真空空度度 真空度真空度= -表壓表壓12化

9、工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程(3)(3)絕壓、表壓和真空度絕壓、表壓和真空度三者之間的關系三者之間的關系大氣壓線大氣壓線絕對零壓線絕對零壓線A大氣壓大氣壓表壓強表壓強絕對壓強絕對壓強絕對壓強絕對壓強 真空度真空度B13壓力表真空表14化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動例例1:1:將南京操作真空度為將南京操作真空度為740 mmHg740 mmHg的真空蒸餾塔搬的真空蒸餾塔搬至蘭州操作時至蘭州操作時, ,若要求塔內(nèi)維持相同的絕對壓強若要求塔內(nèi)維持相同的絕對壓強, ,其其真空表讀數(shù)應控制多少？南京的大氣壓強為真空

10、表讀數(shù)應控制多少？南京的大氣壓強為761mmHg,761mmHg,蘭州地區(qū)的大氣壓強為蘭州地區(qū)的大氣壓強為640mmHg.640mmHg.例例2:2:海平面處測得的密封容器內(nèi)表壓為海平面處測得的密封容器內(nèi)表壓為5Pa,5Pa,另一容另一容器的真空度為器的真空度為5Pa5Pa。若將二容器連同壓力表和真空表。若將二容器連同壓力表和真空表一起移至高山一起移至高山, ,其測出的表壓強和真空度會變化嗎？其測出的表壓強和真空度會變化嗎？化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程 大氣壓 真空度 絕壓南京 761mmHg 740mmHg 蘭州 640mm

11、Hg解：21mmHg21mmHg619mmHg15第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動二、流體靜力學基本方程的推導二、流體靜力學基本方程的推導 流體靜力學：流體靜力學： 研究的實質(zhì)研究的實質(zhì): 流體靜力學基本方程：流體靜力學基本方程： 研究流體在研究流體在外力外力作用下處于平作用下處于平衡的規(guī)律。衡的規(guī)律。描述靜止流體內(nèi)部壓強的變描述靜止流體內(nèi)部壓強的變化規(guī)律化規(guī)律 描述在重力作用下，靜止流體內(nèi)部壓描述在重力作用下，靜止流體內(nèi)部壓強的變化規(guī)律的數(shù)學表達式。強的變化規(guī)律的數(shù)學表達式。16化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體

12、流動1) 重力重力G:)( 2112ZZgpp 即：即：化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程1. 推導過程推導過程:受力受力分析分析)Z-gA(ZG 21 2) 作用于上表面積的壓力作用于上表面積的壓力P1 3) 作用于下底面積的壓力作用于下底面積的壓力P2 )ZZ(A2112gPP )( g/2112ZZAPAP ghpp 0流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程 17化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動分析：分析：2) 壓強具有可傳遞性壓強具有可傳遞性 （巴斯噶定理）巴斯噶定理）化工原理化工原理第一章第一章 流體流

13、動流體流動 pph)h,f(pp， 0靜止的靜止的* *連續(xù)的同一種流體連續(xù)的同一種流體* *同一水平面同一水平面 壓強處處相等壓強處處相等 1)一定時一定時hgpp0 3)(液柱高度液柱高度)第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程4) 氣體：若高度差不大，壓強相等氣體：若高度差不大，壓強相等5) 適用條件：適用條件：靜止的、連續(xù)的同一種流體靜止的、連續(xù)的同一種流體不連續(xù)的流體，分段使用不連續(xù)的流體，分段使用18化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動例：如圖例：如圖, ,敞口容器內(nèi)盛有油和水敞口容器內(nèi)盛有油和水, ,試判斷試判斷 , , 及及 、 是否成立？是否成立

14、？答：答：AApp (1)(1)BBpp (2)(2)CCpp (3)(3)AAppBBppCCpp化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動( (非同一種流體非同一種流體) )( (同一種流體同一種流體) )( (同一種流體同一種流體) )第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程19化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動油油又又OH 2AApp 解：解：AApp、CCpp BCOHBCghpp2 )(2同同種種液液體體CAOHACghpp ABOHAABAghpghp2 油油化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動例：試比較上例中例：試比較上例中 的大小。

15、的大小。第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程BCOHgh2 BCOHABOHAghghp22 ABAghp油油 20化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動aa1. 壓強和壓強差的測量：壓強和壓強差的測量：(1) (1) 普通普通U U型管壓差計型管壓差計aapp )(1RmgpB ( ( 等壓面等壓面) )gZgRppBBA)(21化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程三、流體靜力學基本方程的應用三、流體靜力學基本方程的應用R)Z(A2gmgpB sin)(gLgRppBBA21即即：21化工原理化工原理課

16、件課件第一章第一章 流體流動流體流動當管道水平當管道水平( (=0o) )時時: :gRppBA)(21當管道垂直時：當管道垂直時：gLgRppBBA)(21gLgRppBBA)(21（=90o）（=-90o）化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 2 2 1 1 2 222 分析：分析：1)1)2) 2) 被測流體為氣體，被測流體為氣體，3) 3) 測表壓及真空度測表壓及真空度化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程gRppBA)(21 跟

17、跟U型管的直徑無關型管的直徑無關; gRA21 pp 表表示示表表壓壓強強的的大大小小時時，當當表表示示真真空空度度的的大大小小時時，當當大大氣氣大大氣氣RppRpp11跟連接管長度無關跟連接管長度無關23化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程24例例1:1:常溫水在管道流過。為測常溫水在管道流過。為測a a、b b兩點壓力差兩點壓力差, ,安裝安裝U U型壓差計型壓差計,R=0.1m,R=0.1m,試計算試計算a a、b b兩點壓力差為若干？兩點壓力差為若干？已知水與汞的密度分別為已知水與汞的密度分別為1000kg/m1000kg/m

18、3 3及及13600kg/m13600kg/m3 3。解：解：( 和和 等壓面等壓面) )1111pp gxppOHa21 2222pp 化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程gRppHg 21)(22xRgppOHb (Pa)1024. 11 . 081. 9)100013600(42 gRgRppOHHgba 方方法法一一2511pp gxppOHa21 22pp 化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程gxOH2 gxgROHHg2 Pa1024. 11 . 081. 9)1

19、00013600(42 gRgRppOHHgba gxpOH21 gRpHg 2)(2xRgpOHb 方方法法二二26化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動1) 1) 倒倒U U管壓差計：管壓差計：結構結構: :AA空氣空氣,B,B被測液被測液; ;計算計算: :)(1mRgppBa gmppBa 2gRppB 21化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程(2).(2).測小壓差差壓計：測小壓差差壓計：aa pp等等壓壓面面）(aa 待側流體密度待側流體密度27化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動例例:

20、:常溫水在水平等徑管內(nèi)以一定的流量流過常溫水在水平等徑管內(nèi)以一定的流量流過1-11-1 和和2-22-2 截面的壓差為截面的壓差為2.472kPa,2.472kPa,問采用普通問采用普通U U管水銀壓差管水銀壓差計和倒計和倒U U管壓差計測量管壓差計測量, ,讀數(shù)讀數(shù)R R分別為多少？已知水與分別為多少？已知水與汞密度為汞密度為1000kg/m1000kg/m3 3及及13600kg/m13600kg/m3 3。解：解：m020. 081. 9)100013600(10472. 2)(3212 gppROHHg化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜

21、力學基本方程U U管壓差計管壓差計 ( (水銀水銀- -水水) )倒倒U U管壓差計管壓差計 ( (水水- -空氣空氣) )m252. 081. 9100010472. 23212 gppROH282) 2) 微差壓差計：微差壓差計：計算計算: :測量測量: :擴張室液位均不變擴張室液位均不變gRppCA)(21化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動結構結構: :兩端均有擴張室兩端均有擴張室, ,且且 ; ;CA 注意：注意：CA 是兩種指示液的密度差，不是指示液與被測流體是兩種指示液的密度差，不是指示液與被測流體的密度差。適于更小壓差的密度差。適于更小壓差( (氣流氣流) )的測量；

22、的測量；第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程Zmaa29化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程bapp )()(212RRgOHHg (3)(3)測大壓差差壓計：測大壓差差壓計：P10:P10:例例1-41-4302.2.液位的測量：液位的測量：化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動1)普通玻璃管液位計普通玻璃管液位計 h=h2)壓差法測量液位壓差法測量液位第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程31化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程32化工原

23、理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程3)3)遠距離液位測量。遠距離液位測量。33化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動解：解：bapp gRppHgb 0例：自管口通入壓縮氮氣例：自管口通入壓縮氮氣, ,用閥用閥1 1控制氣速很小控制氣速很小( (通過通過吹氣管吹氣管4 4的流阻可忽略的流阻可忽略) )。U U管壓差計管壓差計3 3的讀數(shù)的讀數(shù)R,R,可反可反映貯罐映貯罐5 5內(nèi)液位。已知指示液為水銀內(nèi)液位。已知指示液為水銀,R=lOOmm,R=lOOmm,罐內(nèi)罐內(nèi)液體密度液體密度125Okg/m125Okg/m3 3, ,

24、貯罐上方與大氣相通貯罐上方與大氣相通, ,求求h h為若為若干。干?；ぴ砘ぴ淼谝徽碌谝徽?流體流動流體流動ghppa 0m09. 112501 . 013600 RhHg第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程34化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動3.3.液封高度的計算液封高度的計算化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程(1)(1)防爆防爆g-hamaxpp計算35化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程(2)(2)防泄漏防泄漏gp-pha混合

25、冷凝器混合冷凝器36化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動生產(chǎn)過程中流體的輸送都是在密閉的管生產(chǎn)過程中流體的輸送都是在密閉的管道中進行的，因此研究流體在管內(nèi)的流動規(guī)律道中進行的，因此研究流體在管內(nèi)的流動規(guī)律是非常必要的。無論是在化工廠、制藥廠、生是非常必要的。無論是在化工廠、制藥廠、生物發(fā)酵工廠，管道是隨處可見。要實現(xiàn)流體的物發(fā)酵工廠，管道是隨處可見。要實現(xiàn)流體的輸送這一單元操作，必須了解流體在管道內(nèi)流輸送這一單元操作，必須了解流體在管道內(nèi)流動的相應規(guī)律。反映這一規(guī)律的基本關系有動的相應規(guī)律。反映這一規(guī)律的基本關系有連連續(xù)性方程式續(xù)性方程式

26、和和 Bernoullis Bernoullis 方程式方程式。37化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動38一、流量和流速一、流量和流速時時間間流流體體量量流流量量 VWss 2.2.流速流速1.1.流量流量截面積截面積時間時間流體量流體量流速流速 截截面面積積體體積積流流量量 uAVs 1)1)平均流速平均流速2)2)質(zhì)量流速質(zhì)量流速uAWs 截截面面積積質(zhì)質(zhì)量量流流量量 G AGAuVWss 體積流量體積流量質(zhì)量流量質(zhì)量流量/sm ,3sVkg/s ,sW單位時間內(nèi)流體流過的距離單位時間內(nèi)流體流過的距離化工原理化工原理第一章第一章 流

27、體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動，m/sm/s，kg/s.mkg/s.m2 239化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動40化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動例例: :以內(nèi)徑以內(nèi)徑105mm105mm鋼管輸送壓力鋼管輸送壓力2atm2atm、溫度、溫度120120的空的空氣。已知空氣在標態(tài)下的體積流量為氣。已知空氣在標態(tài)下的體積流量為630m630m3 3/h/h，求此，求此空氣在管內(nèi)的流速和質(zhì)量流速?？諝庠诠軆?nèi)的流速和質(zhì)量流速。解：解：sm54.14105.0126.042 由由PVTPVT

28、方程方程: :uG sm126. 021273)120273(3600630 3 化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動s)kg/(m15.2654.14)120273(273124 .22292 ppTTVVs000 24isdVu uTTppM 004 .2241化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動3.3.管徑的估算：管徑的估算：化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動uAVs muVdsi,4)( 計計4.4.流速的選擇：流速的選擇：u u大大, ,則則d di i

29、小小, ,投資費小投資費小, ,操作費用大；操作費用大； 液體流速可取液體流速可取0.5-3m/s0.5-3m/s， 氣體流速可取氣體流速可取10-30m/s10-30m/s。dVsud24 u投資費投資費操作費操作費總費用總費用$42化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動例例: :某精餾塔進料量為某精餾塔進料量為50000kg/h50000kg/h，料液性質(zhì)和水相，料液性質(zhì)和水相近近, ,密度為密度為960kg/m960kg/m3 3，試選擇進料管徑。，試選擇進料管徑。解：解：uVdsi 4 /sm0145. 09603600500003 m 0.101 8 . 114. 3

30、0145. 04 id查附錄查附錄19,19,選用選用 1O81O8 4mm4mm的無縫鋼管的無縫鋼管, ,其內(nèi)徑為其內(nèi)徑為: : 選取選取u=l.8m/s,u=l.8m/s,可得可得: :m 0.1mm 100 24108 id核算流速核算流速, 即：即：m/s85. 11 . 014. 30145. 042 u化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動 ssWV 其中其中43化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動0u )z,y,x(f)p(u等等或或1.1.穩(wěn)態(tài)流動穩(wěn)態(tài)流動任一點上流速、壓強等物理量均任一點上流速、壓強等物理

31、量均不不隨時間而變隨時間而變,僅隨位置而變僅隨位置而變化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動二、穩(wěn)態(tài)流動與非穩(wěn)態(tài)流動二、穩(wěn)態(tài)流動與非穩(wěn)態(tài)流動44化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動2.2.非穩(wěn)態(tài)流動：非穩(wěn)態(tài)流動： ),z ,y,x(f)p(u 等等或或化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動45第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動對于非穩(wěn)態(tài)流動：對于非穩(wěn)態(tài)流動： 1 1 u uA1A1uuB1B1 2 2 u uA2A2uuB2B2 3 3 u uA3A3uuu

32、A2A2uuA3A3，u uB1B1uuB2B2uuB3B3化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動46化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動constAuAu 2211三、連續(xù)性方程三、連續(xù)性方程物料衡算物料衡算 對于穩(wěn)態(tài)流動：輸入量對于穩(wěn)態(tài)流動：輸入量= =輸出量輸出量 constWWss 21化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動constAuAu 222111 s1W222111 AuAu 推廣到任一截面推廣到任一截面: 不可壓縮流體不可壓縮流體 在穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)中，在穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)中，流量一定時，管路各流量一定時，管路各截面上截面上流速流速的變化規(guī)律的變化規(guī)

33、律 圓形管道圓形管道2121221ddAAuu第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動s2W 47化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動m/s 51. 0)1010(410422322 AVusm/s 15. 8)105 . 2(410422311 AVus例例: :輸水管道內(nèi)徑為輸水管道內(nèi)徑為:d:d1 1=2.5cm;d=2.5cm;d2 2=10cm; d=10cm; d3 3=5cm=5cm。 (1)(1)當流量為當流量為4L/s4L/s時，各管段的平均流速為若干？時，各管段的平均流速為若干？(2)(2)當流量增至當流量增至8L/s8L/s時，平均流速如何變化？時

34、，平均流速如何變化？解：解：（1 1）同理：同理：m/s 04. 23 u（2 2）流量增為原來的流量增為原來的2 2倍，則各段流速亦增加至倍，則各段流速亦增加至2 2倍，即倍，即u u1 116.3m/s16.3m/s，u u2 2=1.02m/s=1.02m/s，u u3 3=4.08m/s=4.08m/s化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動48化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動例例: :某壓縮機的吸入管路直徑為某壓縮機的吸入管路直徑為200mm200mm，壓出管路直，壓出管路

35、直徑為徑為80mm80mm，吸入管內(nèi)氣體壓強為，吸入管內(nèi)氣體壓強為9.739.7310104 4PaPa，溫度，溫度為為3030，壓出管路內(nèi)氣體壓強為，壓出管路內(nèi)氣體壓強為5.8865.88610105 5PaPa（表（表壓），溫度為壓），溫度為8080，已測得吸入管內(nèi)氣體平均，已測得吸入管內(nèi)氣體平均流速流速為為20m/s20m/s，試求壓出管的流速、質(zhì)量流速和壓縮機的，試求壓出管的流速、質(zhì)量流速和壓縮機的排氣量（以質(zhì)量流量表示）排氣量（以質(zhì)量流量表示） 3541m/kg12. 110013. 11073. 9302732734 .2229 s .m/kg4 .222012. 1u G2111

36、解：吸入管解：吸入管49化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動35552m/kg81. 610013. 110886. 510013. 1802732734 .2229 s .m/kg14008. 02 . 04 .22ddG G222222112m/s6 .2081. 6/140/G u222 s/kg704. 042 . 04 .22AGw211s 壓出管壓出管壓縮機的排氣量壓縮機的排氣量50化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動 柏努利，柏努利，.（Daniel Bernouli,

37、17001782）瑞士物理學家、數(shù)學）瑞士物理學家、數(shù)學家、醫(yī)學家。他是先后獲得過哲學碩士學位、醫(yī)學碩士學位，并成為家、醫(yī)學家。他是先后獲得過哲學碩士學位、醫(yī)學碩士學位，并成為外科名醫(yī)并擔任過解剖學教授。但在父兄熏陶下最后仍轉(zhuǎn)到數(shù)理科學。外科名醫(yī)并擔任過解剖學教授。但在父兄熏陶下最后仍轉(zhuǎn)到數(shù)理科學。柏努利成功的領域很廣，除流體動力學這一主要領域外，還有天文測柏努利成功的領域很廣，除流體動力學這一主要領域外，還有天文測量、引力、行星的不規(guī)則量、引力、行星的不規(guī)則. 柏努利開辟并命名了流體動力學這一學科，區(qū)分了流體靜力學與柏努利開辟并命名了流體動力學這一學科，區(qū)分了流體靜力學與動力學的不同概念。動

38、力學的不同概念。1738年，他發(fā)表了十年寒窗寫成的年，他發(fā)表了十年寒窗寫成的流體動力學流體動力學一書。他用流體的壓強、密度和流速等作為描寫流體運動的基本概念，一書。他用流體的壓強、密度和流速等作為描寫流體運動的基本概念，引人了引人了“勢函數(shù)勢函數(shù)”“”“勢能勢能”（“位勢提高位勢提高”）來代替單純用）來代替單純用“活力活力討論，從而表述了關于理想流體穩(wěn)定流動的伯努利方程，這實質(zhì)上是討論，從而表述了關于理想流體穩(wěn)定流動的伯努利方程，這實質(zhì)上是機械能守恒定律的另一形式。他還用分子與器壁的碰撞來解釋氣體壓機械能守恒定律的另一形式。他還用分子與器壁的碰撞來解釋氣體壓強，并指出，只要溫度不變，氣體的壓強

39、總與密度成正，與體積成反強，并指出，只要溫度不變，氣體的壓強總與密度成正，與體積成反比，用此解釋了玻意耳定律。比，用此解釋了玻意耳定律。51第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動四、四、柏努利方程柏努利方程能量衡算能量衡算 衡算范圍：衡算范圍：1-11-1 至至2-22-2 截面截面 衡算基準：衡算基準：1kg1kg不可壓縮流體不可壓縮流體 基準水平面：基準水平面：0-00-0 平面平面依據(jù)依據(jù): : 輸入總能量輸入總能量= =輸出總能量輸出總能量 1. 流動系統(tǒng)的總能量衡算流動系統(tǒng)的總能量衡算 11222100Z1Z252 內(nèi)能內(nèi)能 U:

40、 J/kgU: J/kg； 位能位能: : 動能動能: :化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動(1) 流體在流動過程中所具有的能量流體在流動過程中所具有的能量(對于對于1kg流體流體):m kg： 位能位能 = mgZ， Jm kg： 動能動能 = mu2/2， J 靜壓能靜壓能( (壓強能壓強能) )m kg-V m3： , J pV 靜靜壓壓能能 pmpV mV1 kg： 位能位能 = gZ， J/kg1 kg： 動能動能 = u2/2 ， J/kg1 kg- m3 ：靜壓能：靜壓能 ,J/kg53化工原理化工原理第一章第一章 流體流

41、動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動 在右圖所示的管道上開孔，裝在右圖所示的管道上開孔，裝上一垂直于管軸的細玻璃管，管內(nèi)上一垂直于管軸的細玻璃管，管內(nèi)流動的液體便會在玻璃管內(nèi)升起，流動的液體便會在玻璃管內(nèi)升起，這就是流動著的液體具有靜壓強的這就是流動著的液體具有靜壓強的表現(xiàn)。表現(xiàn)。 在管道內(nèi)取一任意截面在管道內(nèi)取一任意截面 n ，該處的靜壓強為該處的靜壓強為 p ，流體要流過該，流體要流過該截面所受的總阻力即為：截面所受的總阻力即為：流動系統(tǒng)中流體靜壓能的測定流動系統(tǒng)中流體靜壓能的測定hLnnpAP 設設 1kg 流體被壓過流體被壓過 n 截面所經(jīng)過的距離為截面所經(jīng)過的距離

42、為 L（ L=v/A，v為流體為流體的比容的比容 ），則對這），則對這 1kg 流體作功為流體作功為pvAvpApALPL)/(此即為此處流體的靜壓能此即為此處流體的靜壓能流動流體的靜壓能流動流體的靜壓能54化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動(2) 外部環(huán)境對流體提供的能量外部環(huán)境對流體提供的能量(對于對于1kg流體流體): 外功外功( )( )凈功或凈功或有效功有效功，J/kgJ/kg；eW熱量熱量( )( )獲得的熱量獲得的熱量，J/kgJ/kg；eQeeQWpugzU 1211

43、121 2222221pugzU seeWWN peNN / 總能量衡算式總能量衡算式55化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動56化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動2.機械能衡算式機械能衡算式熱力學第一定律熱力學第一定律: : 流體受熱而引起體積膨脹所作的流體受熱而引起體積膨脹所作的 功功,J/kg ,J/kg 21vvpdv 式中式中 因流阻而損失的能量，因流阻而損失的能量，J/kgJ/kg fh2121vvfvv12pdv-pdv- -hQQUUUe57222222112111

44、22vpugZUQWvpugZUeeeeQWpvuZgU)(22v2v112pdv- -QUUUfhQQev2v1fpdv-hQUep2p1v2v121vdppdv)d(pv)(pvp2p1fvdp)(hQpvUefp2p12vdp2hWuZge58化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動fehpugZWpugZ2222121122化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動機械能衡算式機械能衡算式機械能機械能(E)(E) pugz 221E不可壓縮流體：不可壓縮流體： 比容比容或密度或密度為常數(shù)為常數(shù)pp2p1vdp59化工原理化

45、工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動 理想流體理想流體( (即即 ),),若若 , ,則：則：0fh0eWpugZpugZ22221211223. 柏努利方程式柏努利方程式60化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動4. 柏努利方程式的討論柏努利方程式的討論 (1) (1)理想流體理想流體( (即即 ),),若若 , ,則則：0fh0eWpugZpugZ222212112221EE 能量之間相互轉(zhuǎn)換能量之間相互轉(zhuǎn)換 各項不一定相等各項不一定相等 總機械能守恒總機械能守恒61例例: :理想流體穩(wěn)態(tài)流

46、經(jīng)異徑的水平管從理想流體穩(wěn)態(tài)流經(jīng)異徑的水平管從1-11-1 截面流至截面流至2-22-2 截面。截面。 21gZgZ pupu2221212222 2221uu 21pp 即部分靜壓能轉(zhuǎn)化為動能即部分靜壓能轉(zhuǎn)化為動能化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動pugZpugZ222212112262化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動例例: :理想流體在如圖所示的等徑管中作穩(wěn)定流動時理想流體在如圖所示的等徑管中作穩(wěn)定流動時, ,機械能將如何轉(zhuǎn)換？機械能將如何轉(zhuǎn)換？解：解：21ZZ 因此，部分位能轉(zhuǎn)化為動能因此，部分位能轉(zhuǎn)化為動能

47、 化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動21pp 22222211ugzugz pugZpugZ222212112221uu 63第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動(2)(2)實際流體實際流體 ( (黏性損耗）黏性損耗）21EE fhpugZpugZ222212112221ZZ 21uu 0 fh21pp 0 fh0eW，若無外功加入，即，若無外功加入，即 ，則，則 f1hEE2上游截面的總機械上游截面的總機械能大于下游截面的能大于下游截面的總機械能總機械能64第二節(jié)第二節(jié) 流體在管

48、內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動 無外功：無外功： fhEE2121EE 輸送條件：輸送條件：(3)(3)輸送流體的方法輸送流體的方法 用壓縮空氣壓送液體，即提高用壓縮空氣壓送液體，即提高p p1 1(1) P(1) P1 1 壓縮空氣壓縮空氣(2) Z(2) Z1 1 利用高位槽輸送液體，即提高利用高位槽輸送液體，即提高Z Z1 165第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動(3) P(3) P2 2(4) W(4) We e00通過泵、風機等輸送設備向流體提供能量通過泵、風機等輸送設備向流體提供能量W

49、 We e。抽送液體，即降低抽送液體，即降低p266第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動(4)(4)靜止時靜止時, ,021 uu0fh0eWpgZpgZ2211 ( (靜力學方程）靜力學方程）(5)(5)對于可壓縮流體：對于可壓縮流體：%20)(121 ppp2)(21m 若若 , ,則則能量表達方式能量表達方式 )-(-2112zzgpp 壓強表達方式壓強表達方式 若若(6) gz， ， P，22u為某一截面上流體所具有的機械能，為某一截面上流體所具有的機械能，We，hf為流體在兩截面間獲得或損失的能量。為流體在兩截面間獲得或損失的能

50、量。67(7)(7)不同基準的柏努利方程：不同基準的柏努利方程：以單位重量為基準以單位重量為基準ghgpguZgWgpguZfe 2222121122位位壓壓頭頭；Z動動壓壓頭頭；gu22靜靜壓壓頭頭；gp外外加加壓壓頭頭；gWHee 壓壓頭頭損損失失ghHff mNmNNJ 單單位位：化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動1N流體流體68化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動以單位體積為基準以單位體積為基準 ；力力外外加加壓壓強強)(eeWp 損損失失。力力降降或或壓壓強強力力壓壓強強)()(ffhpfehpugZWpug

51、Z2222121122流流體體即即kgPamNmmNmJ233 單單位位：化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動1m3流體流體69化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動五、柏努利方程式的應用五、柏努利方程式的應用fehpugZWpugZ2222121122 測定管道中流體的流量（流速）測定管道中流體的流量（流速） 確定設備之間的相對位置確定設備之間的相對位置 確定輸送設備的有效功率確定輸送設備的有效功率 確定管路中流體的壓強確定管路中

52、流體的壓強70化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動 1. 1.計算步驟計算步驟（1 1）繪制流程圖，標出流向）繪制流程圖，標出流向（2 2）確定上下游截面）確定上下游截面（3 3）選擇基準水平面）選擇基準水平面（4 4）列柏努利方程求解）列柏努利方程求解71化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動 2. 2.注意事項：注意事項：(1) (1) 截面的選取截面的選取 垂直于流動方向垂直于流動方向(2) (2) 基準水平面選取基準水平面選

53、取 v 與地面平行與地面平行 注意對應注意對應fh 連續(xù)流體連續(xù)流體v Z Z值為垂直距離值為垂直距離v 宜取低水平面宜取低水平面 已知量較多已知量較多72化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動(3)(3)物理量大小及單位：物理量大小及單位：l 大截面處的流速視為大截面處的流速視為0 0；出口管道的截面宜取管內(nèi)側出口管道的截面宜取管內(nèi)側o u u平均流速平均流速pugZpugZ2222121122o Z,P Z,P以管中心線為基準以管中心線為基準 注意計算單位注意計算單位(1kg,1m(

54、1kg,1m3 3,1N),1N)o 可用絕壓或表壓可用絕壓或表壓, ,但兩截面須一致但兩截面須一致73化工原理化工原理課件課件第一章第一章 流體流動流體流動化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動例例: :求求WeWe 1200kg/m 1200kg/m3 3 P=101325Pa P=101325Pa。蒸發(fā)室壓強蒸發(fā)室壓強2OOmmHg(2OOmmHg(真空度真空度) )。15m, 15m, 6868 4mm,2Om4mm,2Om3 3/h, /h, 全部能損為全部能損為12OJ/kg12OJ/kg。求泵的有效功率求泵的有效功率 分析：分

55、析： 上游截面：上游截面： 下游截面：下游截面： 1-11-1，3-33-3，4-44-45-55-5，2-22-2，6-66-674化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動解：由柏努利方程：解：由柏努利方程： fehpugZWpugZ2222121122其中其中),Pa(266661013307602002表表壓壓 p)(0, 0,0111表壓表壓 puZm,152 Z3/1200mkg kgJhf/120 m/s97. 1100060436002022 AVuskgJWe/9 .246 skgVWss/67. 63600)120020( W1647 seeWWN75化工原理化工原理第

56、一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動 例例:求求Z Z 小區(qū)輸水系統(tǒng)小區(qū)輸水系統(tǒng)水管管徑水管管徑 6868 4mm,4.0m4mm,4.0m3 3/h, /h, 全部能損為全部能損為2OJ/kg(2OJ/kg(不含出口不含出口) )。求液面距管出口的垂直距離。求液面距管出口的垂直距離。分析：分析： 上游截面：上游截面：1-1 1-1 下游截面：選擇管道出口的內(nèi)側為下游截面：選擇管道出口的內(nèi)側為2-22-2截面截面 11 22 基準水平面：出口管軸線所在水平面基準水平面：出口管軸線所在水平面 76解：柏努利方程解：柏努利方程: :其中其中s /m382. 1

57、032. 0414. 336000 . 4d43600Vu22h2202382. 1Z81. 921Z1=2.14m d=0.068-20.004=0.032m fehpugZWpugZ2222121122)(0, )(0,0212表壓表壓ppZkg/J20hf0u10eW1122化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動77化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動例：例：求求p。某車間用壓縮空氣。某車間用壓縮空氣壓送稀硫酸壓送稀硫酸(密度密度1240kg/m3)，流量為流量為2m3/h，37373.5mm3.5mm的的無縫鋼管，總能量損

58、失為無縫鋼管，總能量損失為10J/kg(10J/kg(不包括出口損失不包括出口損失) )，貯，貯槽液位恒定，輸送管路出口高槽液位恒定，輸送管路出口高于貯槽內(nèi)液面于貯槽內(nèi)液面10M10M，求所需壓，求所需壓縮空氣的壓力?？s空氣的壓力。78化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動smu/786. 003. 043600/222 fhugZp22221 kgJ /4 .108102786. 01081. 92 Pap511034. 112404 .108 (表壓表壓)解：取貯槽液面為解：取貯槽液面為1-1截面，管路出口內(nèi)側為截面，管路出口內(nèi)側為2-

59、2， 在在1-1和和2-2兩截面之間列柏努利方程兩截面之間列柏努利方程 fhpugzpugz 222212112121mZZ10, 021 0u1 0p2 (表壓表壓)79第二節(jié)第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動理想流體 0真實流體 0靜止流體 0 fh小小 結結穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動（與時間的關系）物料衡算連續(xù)性方程（Ws=常數(shù)）能量衡算伯努利方程輸入的能量=輸出的能量形式：能量：機械能E、外功we和能量損失 fh應用：u Ws Z, We, P流量、流速、管徑估算流體在管內(nèi)流動 fehEWE21 fehWpuZg 22化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動80第三節(jié)第三節(jié) 流體

60、在管內(nèi)流動現(xiàn)象流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象化工原理化工原理第一章第一章 流體流動流體流動* * 本節(jié)內(nèi)容提要本節(jié)內(nèi)容提要 簡要分析在微觀尺度上流體流動的內(nèi)部結構，為流動阻簡要分析在微觀尺度上流體流動的內(nèi)部結構，為流動阻力的計算奠定理論基礎。以滯流和湍流兩種基本流型的本質(zhì)力的計算奠定理論基礎。以滯流和湍流兩種基本流型的本質(zhì)區(qū)別為主線展開討論。區(qū)別為主線展開討論。 * * 本節(jié)重點本節(jié)重點 （1 1） 牛頓粘性定律的表達式、適用條件；粘度的物理牛頓粘性定律的表達式、適用條件；粘度的物理 意義及不同單位之間的換算。意義及不同單位之間的換算。 （2 2） 兩種流型的判據(jù)及本質(zhì)區(qū)別；兩種流型的判據(jù)及本質(zhì)區(qū)別；Re