1第一章流體流動和輸送解析

1、第一章流體流動和輸送總課時：18 學(xué)時第一節(jié)流體的物理性質(zhì)【考核知識點和考核要求】了解：流體的壓縮性理解：連續(xù)性假定、流體密度；流體的黏度掌握：牛頓粘性定律【本節(jié)課時分配】1節(jié)【具體講授內(nèi)容】一、連續(xù)介質(zhì)假定（理解）流體：可以自由流動，無固定形態(tài)的物體。（氣體、液體、超臨界液體）超臨界液（流）體 （SCFSCF）技術(shù)中的 SCFSCF 是指溫度和壓力均高于臨界點的流體，如二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水等。高于臨界溫度和臨界壓力而接近臨界點的狀態(tài)稱為超臨界狀態(tài)。處于 超臨界狀態(tài)時，氣液兩相性質(zhì)非常相近，以至無法分別，所以稱之為流體是由大量的彼此間無間隙的流體質(zhì)點組成，流體質(zhì)點連續(xù)布滿整個流體

2、空間，從而流體的物理性質(zhì)和運動參數(shù)在空間上也是連續(xù)分布的，這就是連續(xù)介質(zhì)假定。連續(xù)介質(zhì)假定對絕大多數(shù)數(shù)流體都適用。二、流體密度（理解）流體的密度是單位體積流體所具有的質(zhì)量。p的單位為kg/m3。密度的倒數(shù)稱為比體積或比容，單位為m3/kg。mV流體的密度是壓強和溫度的函數(shù)。此液體的密度可僅視為溫度的函數(shù)。 氣體的密度隨壓強和溫度而改變,低而壓強也不太高的情況下，可用理想氣體狀態(tài)方程計算:mz PMpV = nRT RT i二MRT混合氣體用加成法則：三、流體的壓縮性和溫度膨脹性（了解）將溫度一定時，由壓強變化引起體積發(fā)生相對變化的性質(zhì)稱為流體的可壓縮性；而壓強SCFSCF但壓強對液體的密度影響

3、很小，通常可忽略不計， 因（不可壓縮性）其值可用氣體狀態(tài)方程進(jìn)行計算。在氣體的溫度不太定時，由溫度變化引起體積發(fā)生相對變化的性質(zhì)稱為流體的溫度膨脹性。液體和氣體的區(qū)別液體在受壓時體積基本不變，稱為不可壓縮流體。受熱時體積略膨脹。 氣體的可壓縮性很大，在受熱時體積急劇膨脹。（解釋：氣體的分子平均動能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子間相互作用勢能，因此表現(xiàn)出易流動、可壓縮和易膨脹的宏觀性質(zhì)。液體的分子熱運動動能與分子間相互作用勢能基本勢均力敵，分子間距離僅比固體稍大，分子 排列類似于非晶體，但分子熱振蕩的振幅比固體大且平衡位置頻繁改變，宏觀上即表現(xiàn)為易流動但壓強和 溫度對其體積影響?。┧?、流體的粘性（一）牛頓粘性定律

4、（掌握）流體流動時存在內(nèi)摩擦力， 流體流動時必須克服內(nèi)摩擦做功。 這種內(nèi)摩擦力是一種平行 于流體微元表面的表面力， 通常把這種力稱作剪切力或剪力。 又稱為流體的內(nèi)摩擦力或粘性 力，流體所具有的這一特性稱為流體的粘性。剪應(yīng)力（切應(yīng)力）：單位面積上所受的剪切力。一一重要設(shè)想兩塊平行平板， 一塊靜止，另一塊以均勻速度運動， 兩板間為流體，則流體內(nèi)速度 分布如下圖：（ 把 流 體 假 象 為 連 續(xù) 的 薄 層 。 由 于 各 流 體 層 速 度 不 同 ， 層 與 層 之 間 發(fā) 生 了 相 對 運 動 ， 運 動 較 快 的 流 體 層 拖動運動較慢的流體層，而運動較慢的流體層則制動運動較快的流體

5、層。）運動平板與第一層流體間的摩擦T外摩擦相鄰兩層流體間的摩擦內(nèi)摩擦 產(chǎn)生內(nèi)摩擦的原因T流體之間有粘性 內(nèi)摩擦的結(jié)果T機械能轉(zhuǎn)化為熱能對大多數(shù)流體，任意兩緊鄰流體層之間作用的剪切力F與法向速度梯度以及作用面積成正比，即:F_ AdU=F= _dudy或Ady（牛頓粘性定律）（剪切力和剪應(yīng)力的關(guān)系，后面會多次接觸，不要混淆）.剪應(yīng)力，Padudy法向速度梯度，i/s；A剪切力的作用面積，m2；（比例系數(shù)，稱為流體的動力粘度或簡稱粘度，Pa.s;（1）理想流體；卩=0（2） 液體：溫度上升，卩下降（3） 氣體：溫度上升，卩上升負(fù)號可理解為流體所受的剪切力與其流速方向相反。服從牛頓粘性定律的流體稱為

6、牛頓型流體，所有 的氣體和大多數(shù)低分子量的液體為牛頓型流體，如空氣、水、食用油等。而剪應(yīng)力與法向速度梯度的關(guān)系 不服從牛頓粘性定律的流體則統(tǒng)稱為非牛頓型流體，如分子量很大的高分子溶液，以及蛋白質(zhì)或多糖類的 溶液或懸浮液等，都是非牛頓流體。1.液體的粘度隨溫度升高而，氣體的粘度隨溫度的升高而。（二）流體的粘度（理解）粘度的單位為Pa?s表示流體在速度梯度為1單位時所產(chǎn)生的剪切力。流體的粘度是壓強和溫度的函數(shù)。 壓強對流體影響很小，一般只考慮溫度對黏度的影響。 氣體的粘度隨溫度升高而增加，液體的粘度隨溫度升高而降低。（主要是由于其分子運動和分子引力的特點不同所致）第二節(jié)流體靜力學(xué)【考核知識點和考核

7、要求】了解：體積力；表面力 理解：流體壓強的度量掌握：壓強的靜力學(xué)測量熟練掌握：流體靜力學(xué)基本方程【本節(jié)課時分配】1.5節(jié)【具體講授內(nèi)容】一、流體的受力（一）體積力（了解）體積力：即場力或質(zhì)量力，其大小與質(zhì)量成正比。（二）表面力（了解）與流體表面接觸的物質(zhì)（包括相鄰流體）施加給流體的力，其大小與作用面積成正比。表面力可分為壓力、剪應(yīng)力和表面張力等。作用于流體上的表面力可分為垂直于表面的力和平行于表面的力。壓力是垂直作用于表面的力， 作用在流體單位面積上的壓力稱為壓強。剪切力是平行作用于表面的力，作用在流體單位面積上的剪切力稱為剪應(yīng)力。壓強和剪應(yīng)力的單位均為N/mN/m2或 PaPa。在液體與不

8、同流體的相鄰界面上還存在著一種特殊的作用力，稱為表面張力，其方向指向作用面的外法向，使液體表面具有收縮的趨勢。二、流體壓強的度量（理解）定義：在靜止流體內(nèi)直作用于單位面積上的壓力FP=ASI制單位：N/m2即Pa換算：1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）=760mmHg=10.33mH可直接用壓力計測量流體在某點或某截面的壓強， 作用下，因此按測量原理，其測量值往往是流體真實壓強 界大氣壓之差。當(dāng)被測流體的絕對壓強大于外界大氣壓時，壓力計所測得的壓強值稱為表壓，即： 絕對壓強=大氣壓強+表壓當(dāng)被測流體的絕對壓強小于外界大氣壓時，壓力計所測得的壓強值稱為真空度，即: 絕對壓強=大氣壓強-真空度例1-2-1（5

9、分鐘自學(xué)）一一主要了解SI制單位換算三、流體靜力學(xué)基本方程（熟練掌握）條件：流體在重力場中只受到重力和壓力作用；水平方向：各力保持平衡。z4a/iZ,4乙n垂直方向：向下力RA G二RA（乙-Z2）ATg向上力P2A20=101.33kPa=1.033at（工程大氣壓）但壓力計的測量元件通常處于大氣壓（也稱絕對壓強） 與被測點處的外RA+0 Z2)APg = F2AP2二R 呵（Z1-Z2）流體靜力學(xué)方程如果Pi=Po；乙-Z2=h,P2=P則P=Po+hpg流體靜力學(xué)方程表明：（1）靜止流體中，同一水平面各點壓強相等，稱此水平面為等壓面。 等壓面條件：靜止、連續(xù)、同一流體、同一水面（缺一不可

10、）（2）靜止液體內(nèi)任意點處的壓強與該點距液面的距離呈線性關(guān)系；（3） 當(dāng)液面上方的壓強發(fā)生變化時，液體內(nèi)部各點的壓強P也發(fā)生同樣大小的變化。 注：流體靜力學(xué)方程只能用于同一種連續(xù)的液體。1.用 U 形管壓差計測壓是基于原理，當(dāng) U 形管壓差計-端與大氣相通時，讀數(shù) R 表示的是或。2、處于同一水平面咼的流體， 維持等壓面的條件必須是（),（),()0四、壓強的靜力學(xué)測量（掌握）1、U型壓差計Pi- P2二R（0-）g2、單管壓差計Pa-Pb= RC ）g優(yōu)點：減少讀數(shù)誤差3、傾斜U型管壓差計Pi-P2=Risi na（ro-r）g優(yōu)點：使讀數(shù)放大4、微差壓差計（雙液體U型管壓差計）Pa F二R

11、gCU優(yōu)點：由于PA和pC相差較小，故R增大，增加了準(zhǔn)確性。1、雙液體U形差壓計要求指示液的密度差（）A）大B）中等C）小D）越大越好5、倒U型壓差計RP2=R(PPjg優(yōu)點：以被測流體為指示液?？偨Y(jié)：以上均先利用同一流體、連續(xù)性、靜止、同一平面壓強相等，選取一個等壓面， 從而利用等壓面壓強相等來進(jìn)行計算。1、如圖所示，當(dāng)閥門關(guān)閉時，E、F、G點處的壓強的關(guān)系為：PE(當(dāng)閥門打開，液體流動以后：PE()PF()PGA.等于B.小于C.大于【例題】1、兩容器水平間距為2m,用一U形壓差計相連。指示液為汞，讀數(shù)0.65m。求：(1)兩容器的壓差；(2)如該為圖b放置，R讀數(shù)有何改變？解: (1)P

12、A(R h)勺=PBTgh，HggR(2)PA(R h)= PB(2 h) -g：ggR3、如圖，要測量A、B兩盛水容器之間的壓差。 壓差計管頂有空氣。已知水：p=1000kg/m,空氣pa=1.293kg/m3，h=0.45m,hi=0.6m，h2=1.8m，求A、B之間的壓差。（作業(yè)）第三節(jié)流體流動的基本概念【考核知識點和考核要求】 了解：邊界層和邊界層的分離 理解：穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流動；流量與流速；流動的形態(tài)與雷諾數(shù)。 掌握：層流與湍流的特性：Hg=13600Kg/mEng.【本節(jié)課時分配】1節(jié)【具體講授內(nèi)容】、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動（理解）穩(wěn)定流動：描述流動的物理量與時間無關(guān)的流動。1.在穩(wěn)定流

13、動過程中，流體流經(jīng)各截面處的質(zhì)量流量相等。（）二、流量與平均流速（理解）（一）流量單位時間內(nèi)流過管道某截面的流體量，又稱流率。有質(zhì)量流量qm（kg/s或kg/h）；體積流量qv（m3/s或m3/h）（二）流速流速：單位時間內(nèi)流體在流動方向上流過的距離，即流動通量。u（m/s）流體在管內(nèi)流動時， 流體與管壁、流體與流體層間都存在著相互作用的粘性力，因此管道截面上各點的流速是有差異的， 管中心處流速最大， 越靠近管壁流速越小， 至管壁處流速 降為零。圓管內(nèi)流動時的速度分布：三、流動的型態(tài)與雷諾數(shù)（理解）（一）流動的型態(tài)（雷諾實驗）判斷是層流還是湍流用雷諾數(shù)來判斷。（二）雷諾數(shù)層流與湍流是截然不同的

14、兩種流動型態(tài)，在一定的條件下可相互轉(zhuǎn)化。實驗現(xiàn)象表明：除流速u對流型的轉(zhuǎn)變有最直接的影響外，流道幾何尺寸（如管徑d）和流體物性（密度p粘度卩）也都有影響。通過大量的研究，雷諾發(fā)現(xiàn)可將這幾個主要影響因素組合成一 個無因次特征數(shù)來判斷流型，此特征數(shù)稱為雷諾數(shù)，以符號Re表示，即：u指平均流速其判據(jù)為：Re4000時，流動屬湍流；2000Re而qvqm（3）壓力能流動系統(tǒng)中在不改變流體體積情況下，引導(dǎo)流體經(jīng)控制面進(jìn)入或流出所必須作的功，其值等于mpv（v是流體的體積）流體功=FL = pA v = pvA設(shè)流動截面積為A，壓強為p，流體體積為V，則 壓力為pA，前進(jìn)距離為V/A。功=力距離流動功為p

15、A = pvA（4）外功如果整個體系中有壓縮機或泵等機械，則這些機械會對體系做功W根據(jù)能量守恒定律對上圖進(jìn)行分析（假設(shè)流體為單位流體即質(zhì)量=1kg）2 2丄十gzi+ piw十W = U2十十gz2 +P2V2能量平衡方程2 2（三）不可壓縮理想流體的能量平衡方程（柏努利方程）（熟練掌握）對于不可壓縮流體則v1=v2；J = 2則上述能量平衡方程可以簡化為：（每1kg質(zhì)量流體所含能量）因為單位質(zhì)量流體：體積和密度成反比故上式可寫為(1)勢能mgzgz2P2v(J/Kg)柏努利方程2(2)動能mU22 2UiPiU2P22gzi：. =2gz2:(J/Kg)柏努利方程(每1kg質(zhì)量流體所含能量)

16、上式除以g則：1十Z! +十Z2+ -P2(m) 柏努利方程2g-g 2g-g以上各式稱為壓頭。應(yīng)用柏努利方程時須注意：(1 1 )應(yīng)根據(jù)具體問題確定衡算范圍，即流體流入和流岀系統(tǒng)的兩截面位置。截面應(yīng)與流動方向垂直，應(yīng)選在均勻管段且與管軸線垂直，應(yīng)是已知條件最多的截面，待求參數(shù)應(yīng)在兩截面上或在兩截面之間。(2 2 )計算位能的基準(zhǔn)水平面可任取。取兩計算截面之一為基準(zhǔn)面，可使方程簡化。(3 3)應(yīng)注意各項單位的一致性。1、 體在水平管內(nèi)作穩(wěn)定連續(xù)流動，管路直徑變小的地方，流速會()，靜壓強會)。2、 ( 1)如圖所示，若液面恒定，忽略流動阻力損失，則放水管的出口速度u 與有關(guān):(A) H (B)

17、 H、d (C) d (D) Pa(E)H、d、Pa(2)用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量管中的流量，采用如圖A、B、C 三種裝置，兩測壓孔距離 h 相等，其讀數(shù)分別為 R1, R, F3。則_o(d1=d2=da，流速相等)(A) RVR1VR3(B) RIVR=R3(C) R1VRVR3(D) R=R (E)RIR=R3例題:1、如附圖所示，用抽真空的方法使容器B內(nèi)保持一定真空度，使溶液從敞口容器A經(jīng)導(dǎo)管自動流入容器B中。導(dǎo)管內(nèi)徑30mm容器A的液面距導(dǎo)管出口的高度為1.5m，管路阻 力損失可按Shf=5.5u2計算(不包括導(dǎo)管出口的局部阻力) ，溶液密度為1100kg/m3。試計算 送液量每小時為3

18、n?時，容器B內(nèi)應(yīng)保持的真空度。Pa2、某輸水管網(wǎng)中有一漸縮管如附圖所示，其大端直徑di=500mm小端直徑d2=250mm長度l=1.5m。用一U型管壓差計測量大、小兩端的壓差，指示液為水銀。當(dāng)輸水量qv=0.194m3/s時，測得R值為70mmH。試求：（1）漸縮管大、小兩端的壓差；（2）水流過漸縮管的阻力損失。3、用泵將貯槽（通大氣）中的稀堿液送到蒸發(fā)器中進(jìn)行濃縮，如圖所示。泵的進(jìn)口管為89 3.5mm的鋼管，堿液在進(jìn)口管的流速為1.5m/s，泵的出口管為76 2.5mm的鋼管。貯槽中堿液的液面距蒸發(fā)器入口處的垂直距離為7m,堿液經(jīng)管路系統(tǒng)的能量損失為40J/Kg，蒸發(fā)器內(nèi)堿液蒸發(fā)壓力保

19、持在0.2kgf/cm2（表壓），堿液的密度為1100kg/m3。試計算所需的外加能量。解：根據(jù)柏努利方程:P真抽真空1.5m2 2丄P1丄U1丄w丄P2丄U2丄寸匚zgW = Z2ghj1222j式中，zi=o，Z2=7;pi=大氣壓=10133pa；P2=0.2 kgf/cm2x9.8X104=i9600pa；ui=0(1kgf/cm2=9.8x104N/m2=9.8x104pa)U2=u(d2)2=1.5 (892 3.5)2=2.0m/s d/76 -2 2.5、hj=40J/Kg代入得W=128.41J/Kg第五節(jié)流體流動的阻力【考核知識點和考核要求】 了解：直管阻力損失的實驗研究；

20、 理解：直管阻力；局部阻力；當(dāng)量直徑掌握：層流時的速度分布；湍流的速度分布；局部阻力損失的計算 熟練掌握：直管阻力損失的計算【本節(jié)課時分配】2節(jié)【具體講授內(nèi)容】一、直管阻力和局部阻力（理解）完整的管路系統(tǒng)主要由兩部分組成， 一是直管段，二是管路上所安裝的閥門、彎頭、變 徑、三通等各種閥件與管件。了解兩個概念：直管阻力和局部阻力。直管阻力：流體流經(jīng)直管段的阻力局部阻力：流體流經(jīng)各種閥件、管件時的阻力。、hf單位質(zhì)量流體的總流動阻力損失=直管阻力+局部阻力如圖所示的等徑穩(wěn)態(tài)流動管路，因1-1與2-2兩截面處uU2，由柏努利方程:z hf=（gz“+詈）_（gz2+罟）阻力損失表現(xiàn)為總勢能的降低（即

21、：如果沒有阻力損失，流體將會上升的更加高）習(xí)慣上常用具有壓強單位的：pf表示管路流動的阻力損失。Pf表示單位體積流體的阻力損失即：-Pf = hf =（-gzipj -（Jgz2P2）二、直管阻力損失的計算流體在如圖所示的圓直管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動。在流體中取一半徑為r，長度為L的流體柱作受力分析，則該流體柱受力為:兩截面上的壓力pr2和p2r：r2摩擦力2二rL -重力二r2L;g sin :P2二r2二r2L gsin二2二rL二p/r2因為sin?2LT所以(pi P2) (zi-Z2)巾=rr)Pf2L在管中心處，r=0，則.=0，管壁處，.最大。1、層流底層越薄（A）近壁面速度梯度越?。˙）

22、流動阻力越小 （C）流動阻力越大（D）流體湍動程度越?。ㄒ唬﹫A管內(nèi)流體速度的分布（掌握）1、層流時的速度分布平均流速U/Umax=1/2-rr211一丄1所以速度分布呈拋物線（如上圖） -5 丿一1.流體在圓形直管中作滯流流動時，其速度分布是拋物線型曲線,其管中心最大 流速為平均流速的_咅。2、湍流時的速度分布湍流波動加劇了管內(nèi)流體的混合與傳遞，使時均速度在截面上、 尤其是在管中心部位分布更趨平坦，湍流速度分布難于象層流一樣用解析方法表達(dá)，通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)了如下的1/n次方規(guī)律：UmaxI R /式中n的取值范圍與Re有關(guān):管中心處r=0,流速為最大u流速分布表達(dá)式Ur= Umaxmax上一

23、（記住，推導(dǎo)不要求掌握）4兒0.00150.010.010.03管道類別無縫黃銅管、 銅管及鉛管 新的無縫鋼管、鍍鋅鐵管s/mm0.010.050.10.2管道類別干凈玻璃管 橡皮軟管；/mm454X10 Re1.1M0時，n=61.1XO Re3.2XO6時，n =10在上述Re范圍內(nèi)，平均流速與最大流速的比值約為: 可見湍流時的速度分布比之層流時要均勻得多。（二）直管阻力計算式（熟練掌握）2 L E 4 LT直管阻力損失.巾f前面已經(jīng)推導(dǎo)：.ipf二汽hf-r d由于流體在直管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動時，直管阻力損失正比于壁面的切應(yīng)力,因此直管阻力損失又稱摩擦阻力損失。在流體阻力研究中，有下式成立-；

24、-u21、流體在圓形管道中作層流流動，如果只將流速增加一倍，則阻力損失為原來的（）倍；如果只將管徑增加一倍，流速不變，則阻力損失為原來的（2、米糠油在管中作層流流動，若流速u,管內(nèi)徑d不變，管長 損失：若流速u,管長I不變，管內(nèi)徑損失_ ;若管內(nèi)徑d,管長l不變，油溫升高，粘度為原來的1/2，則摩擦阻力損失。（三）直管阻力損失的實驗研究（了解）工業(yè)上使用的管子按照光滑程度分為兩大類：1、光滑管：玻璃管、塑料管、黃銅管2、粗糙管：鋼管、鑄鐵管將壁面凸出部分的平均高度；稱為絕對粗糙度；將絕對粗糙度與管內(nèi)直徑的比稱為相對粗糙度。管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響方式隨流型和雷諾數(shù)的不同而異。層流時，粗糙度對

25、沒有影響。湍流時，壁面處仍存在一層很薄的層流內(nèi)層。如果 E E 小于內(nèi)層厚度，則凹凸不平處仍然處在層流中， 粗糙度對摩擦因素仍沒有影響， 此時的管子 可視為水力光滑管。如果 E E 大于內(nèi)層厚度，則有影響， ReRe 越大，層流層越薄，影響越顯著。常見的工業(yè)管道的絕對粗糙度見下表：（P29）U/Umax=0.79-0.87習(xí)慣稱為摩擦力,Fanning（范寧）摩擦因子:-U2層流時，摩擦系數(shù)人=獸（層流時，摩擦系數(shù)Re入與Re成反比）倍。l增加一倍，則摩擦阻力d增加一倍，則摩擦阻力整理就得到:式中=4f稱為摩擦系數(shù)新的鑄鐵管0.3木管道0.25-1.25具有輕度腐蝕的無縫鋼管0.20.3陶土排

26、水管0.457 6.0具有顯著腐蝕的無縫鋼管0.5以上很好整平的水泥管0.33舊的鑄鐵管0.85以上石棉水泥管0.037.8的直管，在不同的Re下測定摩擦系數(shù)，可查下圖d(P31)二、局部阻力損失的計算（掌握）在流道截面和流動方向突變的閥件或管件處極易發(fā)生邊界層分離而產(chǎn)生渦流。如下圖邊界層分離也將產(chǎn)生額外的阻力損失。 阻力因數(shù)法對一系列具有不同相對粗糙度U.|0.090.08OO.C700.06U.U50.040.03|臨0.0200150.01負(fù)期0.00Bif itiiainiBlllllllillll亍woooooij 2 3 4 56 8 I 234 5 召 El 2 3 4 568-

27、 M | (?- -N10- 4-1-xl QReffig1 I - ,11fctH-Ri-i；1;0M20.001&勰O.K)40.00020.000!0.00005O.WMXJl2 3 4 6 3 2 356 8 1-x|護-*4 -x 0?-j訖申嫦滋Fy盎lllf完全誼亂粗曲骨D.050.040.030.020.0T500060.004rlTimiE?S3lll!*10-3Pas）。Z0 33取鋼管的絕對粗糙度；=0.3mm，則相對粗糙度=0.3=5.66 10d 53查圖可得摩擦系數(shù)彊-0.032由書33頁可查得局部阻力系數(shù)如下：管進(jìn)口突然縮小=0.5,90的標(biāo)準(zhǔn)彎頭2=0.

28、75，球心閥（全開）；=6.4以1-1和2-2之間為截面，列柏努利方程解：溶劑在U型管中的流速為123600二（6-3.5）22 1000=1.51m/ smdu P Re=0.053 1.51 9000.00065-1.2 10（湍流）H = z1- z2=（2U2）+（匹）+如2g;g g均壓管+溢疣B式中：5=0,U2= U,PT= p23.5+ (6-H). u2= -+三2u2Zhfi-29.5-H1.512= Vy =(1+ 0.032+ 0.5 + 0.756.4)F =85H=1.73m二hf,i-20.07H第六節(jié)流體輸送管路的計算【考核知識點和考核要求】了解：分支管路計算理

29、解：管路特征曲線掌握：管徑的確定；并聯(lián)管路計算 熟練掌握：簡單管路計算；管路特性方程【本節(jié)課時分配】2節(jié)【具體講授內(nèi)容】一、管徑確定（掌握）對一定的流體輸送任務(wù)（體積流量一定），管徑d和管內(nèi)流速u關(guān)系為:解釋：管徑d與.u成反比，流速越高，所需管徑越小。管徑越小，所需成本越低。但 是完全湍流時阻力損失正比于流速的平方，所以管徑減小流速提高會導(dǎo)致流動阻力大大增 加，即動力消耗增加，運轉(zhuǎn)費用增加。所以要根據(jù)流體的性質(zhì)及具體的情況通過經(jīng)濟核算來確定適宜流速，使管路造價費用與操作費用之和為最低。計算步驟1、根據(jù)流體的性質(zhì)選擇一流速（參見下表）。確定流速的原則：密度小的流體，流速取高些；易沉淀的流體，流

30、速不宜太低；粘度小的流體，流速取高 些；大流量、長距離的輸送，應(yīng)考慮年操作費+年折舊費之和為最小流體種類常用流速m/s流體種類常用流速m/s水及一般液體13壓強較高的氣體1525粘度較大的液體0.51飽和水蒸汽：低壓氣體8150.8 Mpa以下4060易燃、易爆的低壓氣體（如乙炔等）80.3 Mpa以下2040過熱水蒸汽30502、由鶯得到一計算管徑，并查閱管道標(biāo)準(zhǔn)對其計算值進(jìn)行圓整。例：用泵將牛奶送至一常壓高位槽，輸送量為 已知牛奶的密度為1040kg/m3。14500kg/h，試確定適宜的輸送管規(guī)格。解：管內(nèi)徑qm14500-3 3.式中qv-3.87x10 m/sP （3600X040）

31、因所輸送牛奶的性質(zhì)與水相近，參考相關(guān)表，選取u=2.0m/s，所以:根據(jù)附錄的管子規(guī)格，選用57 3.0的不銹鋼管。32管內(nèi)的實際流速為U=3.87x10-/（0.785X0.051 ）=1.9/s注意：最后必須核準(zhǔn)實際流速。二、管路計算管路分為：簡單管路（串聯(lián)）、并聯(lián)管路、分支管路（一）簡單管路（熟練掌握）簡單管路即無分支的管路，既可以是等徑、也可以由不同管徑或截面形狀的管道串聯(lián)組 成?；咎攸c是：（1）通過各段管路的質(zhì)量流量不變，即服從連續(xù)性方程：qm =qv1卩1 =qv2卩2二=常數(shù)對于不可壓縮流體，體積流量也不變qv=qv1=qv2=常數(shù) 或qv=6人=U2A2二=常數(shù)（2）全管路的

32、流動阻力損失為各段直管阻力損失及所有局部阻力之和hf二hf1hf2二hf（二）并聯(lián)管路（掌握）并聯(lián)管路即流體由主管分流后又匯合于一主管的管路，如圖所示。其特點是:（1）主管中的質(zhì)量流量等于并聯(lián)各支管內(nèi)質(zhì)量流量之和；qm=qm1+qm2+qm3或：qvp=qv1p1+qv2p2+qv3p3對不可壓縮流體：qv=qv什qv2+qv3（2）A-B阻力損耗等于各分支阻力損耗之和，即：hfA-B= hf1+ hf2+ hf3（3）并聯(lián)各支管流量分配具有自協(xié)調(diào)性。1、并聯(lián)管路的特點是：并聯(lián)各管段壓強降（）;主管流量等于并聯(lián)的各管段（） ;并聯(lián)各管段中是管子長、直徑小的管段通過的流量（）。（三）分支管路（了

33、解）4X3.87 X1033.14X2=0-0497-qv1:qv2：qv3 分支管路設(shè)計時，必須滿足能量需求最大的支管的輸送要求，其他支管可以通過改變管 路阻力的方法調(diào)節(jié)流體機械能大小。三、管路特征曲線（一）管路特征方程（熟練掌握）對任一個包含流體輸送機械在內(nèi)的管路系統(tǒng)，柏努利方程表達(dá)了從輸送起點截面 到目標(biāo)點截面2-2之間流體的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。用g通除該式得：2 2U-P1- z * HL= z2 Hf（以單位重量流體計）2g Jg2g?gHL泵壓頭（揚程）Hf阻力損失壓頭速度頭2g丄靜壓頭Z位壓頭對同樣的流體輸送任務(wù)而言，不同的管路系統(tǒng)其流動阻力損失a Hf不同，因而要求的壓頭不同；同一管

34、路系統(tǒng)輸送不同的流量時流動阻力不同，因此要求的壓頭也不同。上式可以簡化為:H十斜一管路特征方程上管路特征方程表述了一定管路系統(tǒng)輸送流體的流量與所需提供的機械能的關(guān)系。例題：擬用泵將20C水由敞口貯池打入一常壓洗滌塔內(nèi)。貯池液面距塔內(nèi)水噴淋器出口有10m位差，管路為叮57mM3.5mm鋼管，絕對粗糙度為0.2mm。出口管路上有一調(diào)節(jié)閥，管路總長40m（包括除調(diào)節(jié)閥以外的所有局部阻力的當(dāng)量長度）。試求：（1）閥全開時管路特性方程（設(shè)流動處于阻力平方區(qū)）；（2）輸送流量為20m3/h時，管路所需的壓頭及消耗的功率。解：（1）水20C時，查得，=998.2kg/m3, =0.001Pas。因流動處于阻

35、力平方區(qū)，由HLP2一Pl2g（Z2- 乙）Hf式中K為一系數(shù)。1 162g（n2d；L .16L16（d+）2.4）+ 2 ,4n d,n2d4代表了管路系統(tǒng)的阻力特征。/d=0.2/50=0.004查圖1-5-5得=0.028。查表1-5-3，全開調(diào)節(jié)閥=0.17。在貯池液面與塔內(nèi)水噴淋器出口兩截面間列柏努利方程即得管路特性方程:HLL尸.16(，d+ )K= 2d2g一n2d4100.028+ 0.170.052 X9.81X0.7852X0.054式中.：p=0；-：z=10m，=2.99 X105故HL=10+2.99X05qv2r3-33r(2)當(dāng)qv=20 m /h=5.56Xm

36、 /s時 管路所需壓頭HL=10+2.99X05X(5.56X-3)2=19.24m3管路所消耗的功率Pe=HLqvTg=19.24X.56X0-X998.2X.81=1047.5W(P55, 1-9-1)（二）管路特征曲線（理解）代表管路特性方程的曲線稱為管路特性曲線，如圖P42圖所示。對一定管路系統(tǒng)，K越大，曲線越陡峭，表明輸送相同的流量需輸送機械提供的揚程更大。2?UiPA-PB+g（ZA-ZB）第七節(jié)流速和流量的測定【考核知識點和考核要求】了解：文丘里流量計理解：皮托管、孔板流量計和轉(zhuǎn)子流量計的原理掌握：皮托管、孔板流量計和轉(zhuǎn)子流量計的計算方法【本節(jié)課時分配】1節(jié)【具體講授內(nèi)容】、測速

37、管（皮托管）（一）原理（理解）測速管的主要結(jié)構(gòu)為一同心套管，內(nèi)管前端開口，外管前端封閉，距端頭一定距離在外管壁上沿周向開有幾個小孔。測量時，由充滿內(nèi)管、外管的被測流體將測口處的壓強分別傳 遞到壓差測量裝置如u型差壓計的兩個端口。內(nèi)管前端開口A正對來流方向，迎面而來的流體必在A點處停滯，該點稱為駐點。（二）計算方法（掌握）根據(jù)柏努力方程：來流與A點之間的柏努力方程（來流的沖壓能（動能與勢能之和）在駐點處全部轉(zhuǎn)化 為勢能）即：gzPAgzA（1）來流與B點之間的柏努力方程。2U1pBgzB（2）由（1）和（2）整理就可得R由于AB兩點相距很近，故g（ZA- ZB）=0注意：皮托管測得的是點速度，若

38、以流量為目的，還必須在同一截面上進(jìn)行多點測量，得到速度分布 后積分求算或由多點測量值求岀平均流速進(jìn)而求得流量。1.皮托管測速計所測定的點速度Ur計算式為Ur=二、孔板流量計（一）原理（理解）孔板流量計是通過改變流體在管道中的流通截面積而引起動能和靜壓能改變來檢測流量的裝置。如圖：主要元件是在管道中插入的一塊中心開圓孔的板，流體流經(jīng)孔板時因流道縮小、 流速增加，即動能增加，且由于慣性作用從孔口流出后繼續(xù)收縮形成一最小截面（圖中22截面），稱為縮脈。（縮脈處流速最大因而靜壓相應(yīng)最低）（二）計算方法（掌握）由于縮脈處準(zhǔn)確軸向位置及截面積均難于確定，因此U2及P2也難以確定。加上實際流體通過孔板的阻力

39、損失等尚未計及的因素。一般工程上采用孔板兩側(cè)測壓口位置。用孔口流速Uo代替U2并相應(yīng)乘上一個校正系數(shù)C的辦法對式上式進(jìn)行修正，即：在孔板前上游截面11與縮脈截面22之間列柏努利方程:2 2UlPlU2+ = + 2匸2P2整理后得到2 2.U2-Ui2( Pi- P2)p而PA_PB=RC，o EgPa、Pb為孔板兩側(cè)測壓口處的流體壓強。根據(jù)連續(xù)性方程，對不可壓縮流體:do2U1 =Uo()2代入上式di2(Pa- Pb),i-(do/di)4i Uo=Co.2(PaPb)則上式變?yōu)槎鳳a一Pb= R(G - OgUo=Co2R()gqoAo環(huán)色玉故體積流量：其中Co為孔板流量系數(shù)，簡稱孔流系

40、數(shù)，通過實驗測定。一般Co取值在0.6-0.7之間。三、轉(zhuǎn)子流量計（一）原理（理解）UoCo令仁(do/di)4構(gòu)成：一微帶錐形的垂直玻管（錐度約4度，上大下?。?轉(zhuǎn)子（密度大于被測流體的密度）原理：當(dāng)流體自下而上流過錐形管，在流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐形玻管壁之間的環(huán)隙通道時，由于流道截面減小、流速增大，流體靜壓隨之降低，這樣在轉(zhuǎn)子上、下截面形成了壓差（p1-p2），該壓差施加于轉(zhuǎn)子一垂直向上的推力。對一定的流量計，其轉(zhuǎn)子的重量一定，當(dāng)壓差產(chǎn)生的推力大于轉(zhuǎn)子的重量時，轉(zhuǎn)子將上浮。隨著轉(zhuǎn)子上浮，環(huán)隙截面積增大，流速隨之下降，因 而轉(zhuǎn)子上、下截面的壓差又減小。當(dāng)轉(zhuǎn)子上浮到某一高度其向上推力恰等于轉(zhuǎn)子的重量時，

41、 轉(zhuǎn)子將懸浮于此高度上。（二）計算方法（掌握）設(shè)轉(zhuǎn)子密度為 J，體積為Vf，最大截面積Af，被測流體的密度為r，轉(zhuǎn)子上下壓差為Pl- P2，則當(dāng)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定時（Pi- P2）Af=Vf（f -（1）在轉(zhuǎn)子上、下截面（圖中1-1、2-2截面）間列柏努利方程，用流體通過環(huán)隙的流速U0表示2-2截面的流速U2，且不計阻力損失2 2則:（pi- P2）二億-乙）g（業(yè) 皿）（2）2 2根據(jù)連續(xù)性方程：uU1=A10（A為轉(zhuǎn)子穩(wěn)定高度處的環(huán)隙流通截面積）（3）由（1）（2）（3）整理得流體出口將上述推導(dǎo)中尚未計的轉(zhuǎn)子形狀與流動阻力等因素的影響一并考慮，上式改寫為:2Vf （6 - 0Uo= CR（FAf其中

42、CR為轉(zhuǎn)子流量計校正系數(shù)（也稱為流量系數(shù)），由實驗測定。流量1.一轉(zhuǎn)子流量計，當(dāng)流量為50mf/h時，測定流量計轉(zhuǎn)子上下壓差為250pa，現(xiàn)流量為loomi/h，則流量計轉(zhuǎn)子上下壓差為 _Pa。A）250B）500C）25四、文丘里流量計（了解）原理：也是通過改變流體流通截面積引起動能與靜壓能改變來進(jìn)行測量的，其原理與孔板流量計相同，但結(jié)構(gòu)上采取漸縮后漸擴的流道。第八節(jié)非牛頓流體的流動【考核知識點和考核要求】 了解：非牛頓流體及其流動特點【本節(jié)課時分配】0節(jié)【具體講授內(nèi)容】非牛頓流體可分為兩個大類， 一類是剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系不隨剪應(yīng)力的作用時間而 改變的流體，另一類其關(guān)系隨剪應(yīng)力作用時間而

43、改變的流體，具有此特性的流體又稱為觸變性流體。本節(jié)僅介紹第一類第一類分為：塑性流體、假塑性流體和脹塑性流體（一）塑性流體許多濃縮的懸浮液或乳濁液，如泥漿、油墨、油漆以及食品中的干酪、巧克力漿等會表 現(xiàn)出一種力學(xué)上的塑性行為，即流體承受的剪應(yīng)力超過一定值后才開始發(fā)生流動變形，理想塑性流體稱為賓漢姆流體。第九節(jié)液體輸送機械【考核知識點和考核要求】了解：離心泵的類型；往復(fù)泵、隔膜泵、齒輪泵、螺桿泵、旋渦泵的工作原理和特點理解：離心泵的氣縛與氣蝕現(xiàn)象；往復(fù)泵的正位移特性和流量調(diào)節(jié)掌握：離心泵的主要部件和工作原理；離心泵的主要性能參數(shù)和特征曲線；流量調(diào)節(jié)和組合操作熟練掌握：離心泵的選用和安裝高度的計算U

44、o=2V坐-_P)1-(Ao/Ai)Aqv= AoUo= AOCR2Vf(-；-)g【本節(jié)課時分配】4節(jié)【具體講授內(nèi)容】一、離心泵（一）離心泵的主要部件及工作原理（掌握）1、主要部件（1）葉輪葉輪是離心泵直接對液體做功的部件。 葉輪可分為開式、半開式和閉式。開式半開式閉式閉式葉輪內(nèi)流道易堵塞，只適用于輸送清潔液體；開式葉輪不易堵塞，可用于輸送含有固體顆粒的懸浮液，但效率較低； 半開式介于兩者之間。1.用離心泵輸送漿料或含有固體懸浮液時， 應(yīng)采用（）葉輪。A.閉式B.開式或半開式（2）泵殼泵殼通常為蝸殼形，這樣可在葉輪與泵殼間形成逐漸擴大的流道，使得由葉輪外緣拋出的液體的流速可逐漸減小，即有效地

45、將液體的大部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能。1.離心泵的下列部件是用來將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗埽ǎˋ）泵殼和葉輪（B）葉輪（C）泵殼（D）葉輪和導(dǎo)輪（3）軸封裝置1.離心泵的主要結(jié)構(gòu)有：_、_和_。2、工作原理由于離心力的作用，泵的進(jìn)出口產(chǎn)生壓力差，從而使流體流動。（二）離心泵的氣縛和氣蝕現(xiàn)象（理解）1、氣縛現(xiàn)象開啟離心泵前必須在泵殼內(nèi)灌滿被輸送的液體。若泵內(nèi)未充滿液體或離心泵在運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生漏氣，均會使泵殼內(nèi)積存空氣。因空氣的密度小，旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的離心力也小，葉輪中心區(qū)形成的低壓不足以將密度遠(yuǎn)大于氣體的液體吸入泵內(nèi)，此時離心泵雖在運轉(zhuǎn)卻不能正常輸送液體，此現(xiàn)象稱為“氣縛”?？梢姡x心泵啟動前的灌液排氣和運轉(zhuǎn)時防

46、止空氣的漏入 對泵的正常工作十分重要。1當(dāng)離心泵內(nèi)充滿空氣時，將發(fā)生氣縛現(xiàn)象，這是因為（）。（A）氣體的粘度太小（B）氣體的密度太?。–）氣體比液體更容易起漩渦（D）氣體破壞了液體的連續(xù)性2、氣蝕現(xiàn)象由離心泵的工作原理可知，從整個吸入管路到泵的吸入口直至葉輪內(nèi)緣，液體的壓強是不斷降低的。研究表明，葉輪內(nèi)緣處的葉片背側(cè)是泵內(nèi)壓強最低點。當(dāng)該點處的壓強低至輸送液體的飽和蒸汽壓時部分液體將汽化，產(chǎn)生的汽泡隨即被液流帶入葉輪的高壓區(qū)，在此汽泡因受壓縮而凝聚。 由于凝聚點處產(chǎn)生瞬間真空，造成周圍液體高速沖擊該點，產(chǎn)生劇烈的水擊，這種現(xiàn)象稱為汽蝕。汽蝕所發(fā)生的局部水擊力非常大，并且會產(chǎn)生瞬間高溫，會使葉輪

47、表面產(chǎn)生損壞，而且會使泵產(chǎn)生大的噪音、泵體振動，流量、壓頭、效率都明顯下降。（三）泵的性能參數(shù)（掌握）主要有：流量qv、壓頭（揚程）H、轉(zhuǎn)速n、功率P、效率（1）流量qv輸送能力。L/S或va/h（2）壓頭（揚程）H（米液柱）離心泵對單位質(zhì)量的液體所提供的能量。（3）功率P電機輸送到泵軸的功率。Pe二Hqv:?g（4）效率液體在泵內(nèi)流動的過程中，由于泵內(nèi)有各種能量損失，泵軸從電機得到的軸功率，沒有 全部為液體所獲得。泵的效率就是反映這種能量損失的。這種損失主要有三種形式：容積損失、水力損失和機械損失（損失定義自學(xué)）上述三類損失的大小通常又用與之對應(yīng)的效率來表示，即容積效率v、水力效率h和機械效

48、率m。離心泵的總能量損失為上述各項損失之和，其效率（也稱總效率）也由上述 三項效率構(gòu)成，即：n n nv h m與泵的結(jié)構(gòu)、尺寸、制造精度、流量以及液體性質(zhì)等多種因素有關(guān)，一般為50%70%，大型泵可達(dá)90%。1.離心泵主要性能參數(shù)為（）、）2._若被輸送的流體粘度增高，則離心泵的壓頭 _ ，流量_ ，效率_軸功率_。（增高，下降,不變）3離心泵銘牌上標(biāo)明的揚程是指（）A功率最大時的揚程B最大流量時的揚程C泵的最大揚程D效率最高時的揚程（四）離心泵的特征曲線（掌握）離心泵的壓頭H,軸功率P和效率均隨流量而變。描述壓頭、軸功率、效率與流量關(guān) 系的曲線稱為離心泵的特性曲線。三種特征曲線：Hqv、P

49、qv、耳一qv曲線。離心泵的特性曲線反映了泵的基本性能。（1）H- qv最重要，是表征離心泵所獲得的能量與流量之間的關(guān)系。隨著流量的增加，壓頭下降。如果曲線較為平坦，適合壓頭變化不大而流量變化較大的場合。而較陡峭的曲線，適合于壓頭變化范圍大而不允許流量變化太大的場合。1.離心泵的性能曲線中的H Q線是在（）情況下測定的。A）效率一定；B）功率一定；C）轉(zhuǎn)速一定；D）管路（I+Ie）定。（2）Pqv隨流量的增加而增大。 當(dāng)流量為0時，功率最小，所以離心泵啟動時，通常關(guān)閉出口閥， 使啟動電流最小，保護電機。（3）耳qv存在高效率區(qū)域離心泵應(yīng)該在該區(qū)域所對應(yīng)的壓頭和流量下操作。該區(qū)域也應(yīng)為離心泵的設(shè)計點。（注:高效率區(qū)域的效