化工1流體流動

1、1第一章、流體流動第一章、流體流動流體及其相關(guān)概念流體及其相關(guān)概念1 1、流體：、流體：氣體氣體+ +液體液體2 2、流體流動：、流體流動：無數(shù)流體質(zhì)點無數(shù)流體質(zhì)點 微團(tuán)微團(tuán) 組成的連續(xù)介質(zhì)在組成的連續(xù)介質(zhì)在空間的位移?？臻g的位移。3 3、可壓縮流體與不可壓縮流體、可壓縮流體與不可壓縮流體 流體的體積不隨壓力和溫度變（不可壓縮）。流體的體積不隨壓力和溫度變（不可壓縮）。 流體的體積隨壓力和溫度變（可壓縮）。流體的體積隨壓力和溫度變（可壓縮）。2 垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的靜壓強(qiáng)垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的靜壓強(qiáng), ,簡稱壓強(qiáng)。工程上習(xí)慣上將壓強(qiáng)稱之為壓力。簡稱壓強(qiáng)。工程上

2、習(xí)慣上將壓強(qiáng)稱之為壓力。 在在SISI中，壓強(qiáng)的單位是帕斯卡，以中，壓強(qiáng)的單位是帕斯卡，以PaPa表示。但習(xí)慣表示。但習(xí)慣上還采用其它單位，它們之間的換算關(guān)系為：上還采用其它單位，它們之間的換算關(guān)系為：（2 2） 壓強(qiáng)的基準(zhǔn)壓強(qiáng)的基準(zhǔn) 壓強(qiáng)有不同的計量基準(zhǔn)：絕對壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)、真空壓強(qiáng)有不同的計量基準(zhǔn)：絕對壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)、真空度。度。 一一、流體的壓強(qiáng)、流體的壓強(qiáng)1atm=1.033 kgf/cm1atm=1.033 kgf/cm2 2 =760mmHg=10.33mH =760mmHg=10.33mH2 2O O =1.0133 bar =1.0133=1.0133 bar =1.0133101

3、05 5PaPa 第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式3一、一、 流體的壓強(qiáng)流體的壓強(qiáng) 絕對壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng) 以絕對以絕對零壓零壓作起點計算的壓強(qiáng)，是作起點計算的壓強(qiáng)，是流體的真實壓強(qiáng)。流體的真實壓強(qiáng)。 表壓強(qiáng)表壓強(qiáng)壓強(qiáng)表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對壓壓強(qiáng)表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值，即強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值，即: : 表壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng)表壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng) 真空度真空度 真空表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對真空表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的數(shù)值，即壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的數(shù)值，即: :真空度大氣壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)真空度大氣壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng) 絕對壓

4、強(qiáng)，表壓強(qiáng)，絕對壓強(qiáng)，表壓強(qiáng)，真空度之間的關(guān)系真空度之間的關(guān)系見圖見圖1-21-2。 圖壓強(qiáng)的基準(zhǔn)和量度絕對壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng) 絕對壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng) 絕對真空絕對真空 0表壓表壓 真空度真空度 1p2p大氣壓大氣壓 4二、流體的主要力學(xué)性質(zhì)二、流體的主要力學(xué)性質(zhì)（1 1）、密度：單位體積流體的質(zhì)量。）、密度：單位體積流體的質(zhì)量。 Kg/mKg/m3 3 液體液體 Kg/mKg/m3 3 氣體氣體理想氣體：分子本身沒有體積、分子間沒有任何作理想氣體：分子本身沒有體積、分子間沒有任何作 用力。（低壓氣體）用力。（低壓氣體）Vm RTPMVm 5 理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度：理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度： 已知已知0求任意

5、求任意P、T下的該氣體密度：下的該氣體密度： 混合氣體的密度：混合氣體的密度： 混合液體的密度：混合液體的密度：（2）比容（比體積）：）比容（比體積）：000TPPT 4 .220M nnmyyy2111 nnm www12211 單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。 1mVvm3/kg 6例例1 1 某地區(qū)大氣壓力為某地區(qū)大氣壓力為101.3kPa101.3kPa，一操作中的吸收塔塔，一操作中的吸收塔塔內(nèi)表壓為內(nèi)表壓為130kPa130kPa。若在大氣壓力為。若在大氣壓力為75 kPa75 kPa的高原地區(qū)的高原地區(qū)操作該吸收塔，且保持塔內(nèi)絕壓相同，則

6、此時表壓應(yīng)操作該吸收塔，且保持塔內(nèi)絕壓相同，則此時表壓應(yīng)為多少？為多少？例例2 2 某煙道氣的組成為某煙道氣的組成為COCO2 2 13 13，N N2 2 76 76，H H2 2O 11O 11（體積），試求此混合氣體在溫度（體積），試求此混合氣體在溫度500500、壓力、壓力101.3kPa101.3kPa時的密度。時的密度。 例例3 3 已知已知2020時苯和甲苯的密度分別為時苯和甲苯的密度分別為879 kg/m879 kg/m3 3和和867 867 kg/mkg/m3 3, ,試計算含苯試計算含苯4040及甲苯及甲苯6060（質(zhì)量）的混合（質(zhì)量）的混合液密度。液密度。 7例例1 1

7、 解：解：例例2 2 解：解：n混合氣體平均摩爾質(zhì)量混合氣體平均摩爾質(zhì)量n 混合密度混合密度例例3 3 解：解： kPa3 .15675)1303 .101p)pp(paa （真真表表kg/mol33iim1098.2810)1811. 02876. 04413. 0(MyM 3kg/m457. 0)500273(31. 81098.28103 .101RTpM33mm 8676 . 08794 . 012211 wwm3m8 .871kg/m 混合液密度混合液密度 8三、流體靜力學(xué)基本方程式三、流體靜力學(xué)基本方程式重力場重力場中對液柱進(jìn)行受力分析：中對液柱進(jìn)行受力分析：ApP11 （1 1）

8、上端面所受總壓力）上端面所受總壓力 ApP22 （2 2）下端面所受總壓力）下端面所受總壓力 （3 3）液柱的重力）液柱的重力)(21zzgAG 設(shè)設(shè)流體不可壓縮流體不可壓縮，p p0 0p 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9液柱處于靜止時，上述三項力的合力為零液柱處于靜止時，上述三項力的合力為零:0)(2112zzgAApAp )(2112zzgpp 靜力學(xué)基本方程靜力學(xué)基本方程 壓力形式壓力形式ghpp010注意：注意： 1 1、適用于、適用于重力場中靜止流體重力場中靜止流體； 2 2、適用于、適用于不可壓縮的流體不可壓縮的

9、流體。置于容器中的氣體，可視為不可壓縮流體。置于容器中的氣體，可視為不可壓縮流體。3 3、液體上方的壓力一定時，靜止液體內(nèi)某一點的、液體上方的壓力一定時，靜止液體內(nèi)某一點的靜壓強(qiáng)的大小與液體本身的靜壓強(qiáng)的大小與液體本身的密度密度與該點的與該點的位置位置有關(guān)。有關(guān)。4 4、在、在靜止靜止的、的、連續(xù)連續(xù)的的同種流體同種流體內(nèi)，處于內(nèi)，處于同一水平同一水平面面上各點的壓強(qiáng)處處相等。壓強(qiáng)相等的面稱為上各點的壓強(qiáng)處處相等。壓強(qiáng)相等的面稱為等壓等壓面面。5 5、壓力具有傳遞性（巴斯加定律）：液面上方壓、壓力具有傳遞性（巴斯加定律）：液面上方壓力變化時，液體內(nèi)部各點的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變力變化時，液體內(nèi)部

10、各點的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化?；?。ghpp0113 3、壓強(qiáng)用柱高表示：、壓強(qiáng)用柱高表示： hgpp0第一章、流體流動第一章、流體流動12三、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用三、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用1、靜壓強(qiáng)的計算、靜壓強(qiáng)的計算(舉例舉例）：例題例題 流力（周謨?nèi)剩┝髁Γㄖ苤內(nèi)剩﹑19 2-2例例4、容重為、容重為a和和b的兩種液體，裝在如圖所示的容的兩種液體，裝在如圖所示的容器中。已知：器中。已知：b=9.807KN/m2、大氣壓強(qiáng)、大氣壓強(qiáng)Pa=98.07 KN/m2，其它尺寸如圖，求，其它尺寸如圖，求a和和PA。13b=9.807KN/m2Pa=98.07 KN/m214解：解：1）先求

11、）先求a由自由面上的壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)可知由自由面上的壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)可知: P1= P3 = Pa=98.07 KN/m2根據(jù)靜止、同種、連續(xù)流體的水平面為等壓面的規(guī)律：根據(jù)靜止、同種、連續(xù)流體的水平面為等壓面的規(guī)律： P2= P43baba4aa2m/kN865. 67 . 0)5 . 085. 0(pp5 . 0pp 2）再求）再求A點的壓強(qiáng)點的壓強(qiáng)PA = a*0.5 +b*0.5 + 98.07= 106.407kPa1516第一章、流體流動第一章、流體流動17第一章、流體流動第一章、流體流動183 3、壓力測定、壓力測定U U形管形管 傾斜壓差計傾斜壓差計微壓計微壓計例例5、求如圖所

12、示的壓差。、求如圖所示的壓差。1920倒倒U U形管壓差計、傾斜壓差計、微壓計形管壓差計、傾斜壓差計、微壓計0p1p2aRb214 4、液面測定、液面測定2L1Lx225 5、確定液封高度、確定液封高度hgpH 02 23例例7 7如附圖所示，水在管道中流動。為測得如附圖所示，水在管道中流動。為測得A A- -A A、B B- -B B截面的壓力差，在管路上方安裝一截面的壓力差，在管路上方安裝一U U形壓差計，指形壓差計，指示液為水銀。已知壓差計的讀數(shù)示液為水銀。已知壓差計的讀數(shù)R R100mm100mm，試計算，試計算A A- -A A、B B- -B B截面的壓力差。已知水與水銀的密度分別

13、截面的壓力差。已知水與水銀的密度分別為為1000kg/m31000kg/m3和和13600 kg/m313600 kg/m3。題題7 附圖附圖24n解：解：圖中，圖中，1-11-1面與面與2-22-2面間為靜止、連續(xù)的同種面間為靜止、連續(xù)的同種流體，且處于同一水平面，因此為等壓面，即流體，且處于同一水平面，因此為等壓面，即n ， n又又 n n n所以所以 n整理得整理得 n由此可見，由此可見， U U形壓差計所測壓差的大小只與被測流體形壓差計所測壓差的大小只與被測流體及指示液的密度、讀數(shù)及指示液的密度、讀數(shù)R R有關(guān)，而與有關(guān)，而與U U形壓差計放置的形壓差計放置的位置無關(guān)。位置無關(guān)。n代入

14、數(shù)據(jù)代入數(shù)據(jù) 11pp 22pp gmppA 1 gRRmgpgRpgRppHgBHgHg )(221gRRmgpgmpHgBA )(gRppHgBA)( Pa4 .1210. 081. 9)100013600(kppBA 25第二節(jié)第二節(jié) 管道流體流動的基本方程式管道流體流動的基本方程式一、流量與流速一、流量與流速1 1、體積流量、體積流量/ /質(zhì)量流量質(zhì)量流量 2 2、平均流速、平均流速/ /質(zhì)量流速質(zhì)量流速 3 3、管道直徑的估算、管道直徑的估算 1-181-18vmqq u785. 0qdv Auqqvm uAAuAqwm Aquv 26例例1 16 6 以內(nèi)徑以內(nèi)徑105mm105m

15、m的鋼管輸送壓力為的鋼管輸送壓力為202.6kPa202.6kPa（絕對壓力）、溫度為（絕對壓力）、溫度為120120的空氣。的空氣。已知空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況（已知空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況（p p0 0101.325kPa101.325kPa，T T0 0273.15K273.15K）下的體積流量為）下的體積流量為630m630m3 3/h/h，試求此空，試求此空氣在管內(nèi)的流速和質(zhì)量流速。氣在管內(nèi)的流速和質(zhì)量流速。例例1-7 1-7 某廠要求安裝一根輸水量為某廠要求安裝一根輸水量為30 m30 m3 3/h/h的管的管路，試選擇合適的管徑。路，試選擇合適的管徑。27 二二 穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定

16、流動穩(wěn)定流動：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量穩(wěn)定流動：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量僅隨位置變化，而不隨時間變化；僅隨位置變化，而不隨時間變化； 不穩(wěn)定流動：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位不穩(wěn)定流動：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時間變化。置變化，也隨時間變化。28三三 連續(xù)性方程（連續(xù)性方程（質(zhì)量衡算質(zhì)量衡算） 對于穩(wěn)定流動系統(tǒng)，在對于穩(wěn)定流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失管路中流體沒有增加和漏失的情況下：的情況下： m2m1qq 222111AuAu 推廣至任意截面推廣至任意截面 常數(shù)常數(shù) uAAuAuq222111 m連續(xù)性方程連續(xù)性方程1 11 1 2 2 2

17、 229常常數(shù)數(shù) uAAuAuq2211v不可壓縮性流體，不可壓縮性流體，常數(shù)常數(shù)圓形管道圓形管道 ：2121221 ddAAuu 即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比管內(nèi)徑的平方成反比 。 30例例 如附圖所示，管路由一段如附圖所示，管路由一段894mm的管的管1和一和一段段101084mm的管的管2和兩段和兩段573.5mm的分支管的分支管3a及及3b連接而成。若水以連接而成。若水以9103m3/s的體積流量流的體積流量流動，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段動，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。管內(nèi)的速度。

18、 3a123b31解：u785. 0qdv 2vd785. 0qu s/m747. 1081. 0785. 0u21 -3109s/m464. 11 . 0785. 0u22 -3109s/m293. 205. 0785. 05 .uu2b3a3 -3104321 1、理想流體理想流體柏努利方程的推導(dǎo)柏努利方程的推導(dǎo)假設(shè)：假設(shè)：流體無粘性（無內(nèi)摩擦損失）流體無粘性（無內(nèi)摩擦損失）連續(xù)穩(wěn)定流動連續(xù)穩(wěn)定流動不可壓縮流體（密度為常數(shù)）不可壓縮流體（密度為常數(shù)）截面上流體速度、壓力截面上流體速度、壓力均取平均值均取平均值四、柏努利方程（機(jī)械能衡算）四、柏努利方程（機(jī)械能衡算）33兩端兩端總壓力總壓力：

19、重力重力在在x x軸上的分量：軸上的分量：力在力在x x方向之方向之合力合力：微元體微元體動量的變化率動量的變化率：由動量定律：由動量定律： AdpppA)(,AdzgdxsinAgdmsing gAdzAdpAdzgA)dpp(pA Aududuqm 0 AdzgAdpAudu 34 222212112121pugzpugz （1）柏努利方程式柏努利方程式 常常數(shù)數(shù) pu21zg2又有，又有， 式（式（1 1）為以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡）為以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式，各項單位均為算式，各項單位均為J/kgJ/kg。由上式積分得（由上式積分得（不可壓縮性流體不可壓縮性流體常數(shù)常數(shù)

20、）: : 35（1）位能）位能 流體受重力作用在不同高度所具有的能量。流體受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流體所具有的位能為的流體所具有的位能為zg（J/kg）。）。 （2）動能）動能 1kg的流體所具有的動能為的流體所具有的動能為 (J/kg) 221u（3）靜壓能）靜壓能 1kg的流體所具有的靜壓能為的流體所具有的靜壓能為 p(J/kg)36gpugzgpugz 222212112121 將將(1)(1)式各項同除重力加速度式各項同除重力加速度g g : :（2 2）式中各項單位為式中各項單位為mNJN/kgJ/kg 式（式（2 2）即為以重量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式。）即為以

21、重量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式。z z 位壓頭位壓頭gu22動壓頭動壓頭gp 靜壓頭靜壓頭總壓頭總壓頭37Wep2,u2p1,u1221100z2z1五五 實際流體實際流體機(jī)械能衡算式機(jī)械能衡算式38（2）外功）外功(有效功有效功) 1kg流體從流體輸送機(jī)械獲得的能量為流體從流體輸送機(jī)械獲得的能量為W (J/kg)。（1）能量損失）能量損失設(shè)設(shè)1kg流體損失的能量為流體損失的能量為hf（J/kg）。）。 fhpu21gzWpu21gz22221211 fHgpug21zHgpug21z22221211 （3）（4）或或39gWH ghHff 其中其中 H外加壓頭或有效壓頭，外加壓頭或有效壓頭，m

22、;Hf壓頭損失，壓頭損失，m。40柏努利方程的討論柏努利方程的討論 （1）若流體處于靜止，）若流體處于靜止，u=0，Wf=0，We=0，則柏，則柏努利方程變?yōu)榕匠套優(yōu)?說明柏努利方程既表示流體的運(yùn)動規(guī)律，也表說明柏努利方程既表示流體的運(yùn)動規(guī)律，也表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律 。 2211pgzpgz （2）理想流體理想流體在流動過程中任意截面上總機(jī)械能、在流動過程中任意截面上總機(jī)械能、總壓頭為常數(shù)，即總壓頭為常數(shù)，即常數(shù)常數(shù) pu21zg2.常常數(shù)數(shù) gpug21z2 41 W、hf 在兩截面間單位質(zhì)量流體獲得或在兩截面間單位質(zhì)量流體獲得或消耗的能量。消耗的能量。（3）zg、

23、 、 某截面上單位質(zhì)量流體所某截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動能和靜壓能具有的位能、動能和靜壓能 ； p221u42柏努利方程的應(yīng)用柏努利方程的應(yīng)用 管內(nèi)流體的流量；管內(nèi)流體的流量； 輸送設(shè)備的功率；輸送設(shè)備的功率； 管路中流體的壓力；管路中流體的壓力； 容器間的相對位置等。容器間的相對位置等。利用柏努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：利用柏努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：43（1 1）根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的）根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流動方向，定出上、下游截面，明確流動系統(tǒng)的衡流動方向，定出上、下游截面，明確流動系統(tǒng)的衡算范圍算范圍 ；（2 2）位能基準(zhǔn)面的選取

24、）位能基準(zhǔn)面的選取 必須與地面平行；必須與地面平行； 宜于選取兩截面中位置較低的截面；宜于選取兩截面中位置較低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面應(yīng)選過管中心線的水平面。應(yīng)選過管中心線的水平面。 44（4 4）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示方法也）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示方法也應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。 （3 3）截面的選取）截面的選取 與流體的流動方向相垂直；與流體的流動方向相垂直； 兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動；兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動； 截面宜選在已知量多、計算方便處。截面宜選在

25、已知量多、計算方便處。 45例例8 如附圖所示，用虹吸管從高位槽如附圖所示，用虹吸管從高位槽向反應(yīng)器加料，高位槽與反應(yīng)器均與向反應(yīng)器加料，高位槽與反應(yīng)器均與 hpa大氣相通，且高位槽中液面恒大氣相通，且高位槽中液面恒定。現(xiàn)要求料液以定?，F(xiàn)要求料液以1m/s的流速的流速在管內(nèi)流動，設(shè)料液在管內(nèi)流在管內(nèi)流動，設(shè)料液在管內(nèi)流動時的能量損失為動時的能量損失為20J/kg，試確，試確定高位槽中的液面應(yīng)比虹吸管定高位槽中的液面應(yīng)比虹吸管的出口高出的距離？的出口高出的距離？1246fhupgzupgz 222221112121 ghuhf/ )21(22 m09. 281. 9)20121( 解解: 以高位

26、槽液面為以高位槽液面為1面面,管出口內(nèi)側(cè)為管出口內(nèi)側(cè)為2面面,在在1 2間列柏努力方程間列柏努力方程: 簡化簡化: fhuhg 222100004748fhupgzupgz 222221112121空空氣氣空空氣氣 smu/6 .6225. 08008 . 92 suAqv/m97. 13 解解: 在同一流線在同一流線A B間列柏努力方程間列柏努力方程: 由于由于 ，得，得: 2210000up 空空氣氣 由測壓管讀數(shù)由測壓管讀數(shù)h=250mm計算計算p: 0 ghp水水 25. 08 . 9103 ghp水水 800 空氣空氣水水 49例例9附圖所示的是丙烯精餾塔的回流系統(tǒng)，丙烯由貯槽附圖所

27、示的是丙烯精餾塔的回流系統(tǒng)，丙烯由貯槽回流至塔頂。丙烯貯槽液面恒定，其液面上方的壓力回流至塔頂。丙烯貯槽液面恒定，其液面上方的壓力為為2.0MPa（表壓），精餾塔內(nèi)操作壓力為（表壓），精餾塔內(nèi)操作壓力為1.3MPa（表（表壓）。塔內(nèi)丙烯管出口處高出貯槽內(nèi)液面壓）。塔內(nèi)丙烯管出口處高出貯槽內(nèi)液面30m，管內(nèi)，管內(nèi)徑為徑為140mm，丙烯密度為，丙烯密度為600kg/m3?，F(xiàn)要求輸送量為?，F(xiàn)要求輸送量為40103kg/h，管，管路的全部能量損路的全部能量損失為失為150J/kg（不（不包括出口能量損包括出口能量損失），試核算該失），試核算該過程是否需要泵。過程是否需要泵。1250f22222111

28、hu21pgzWu21pgz f22221hu21pgzWp f22212hgzu21ppW m/s2 . 114. 0785. 060036001040d785. 0qu232m2 15081. 9302 . 12160010)0 . 23 . 1(26 WJ/kg6 .721 解解:在貯槽液面在貯槽液面1-1與回流管出口外側(cè)與回流管出口外側(cè)2-2間間列柏努利方程列柏努利方程:簡化簡化: 不需要泵不需要泵,液體在壓力差的作用下可自動回流至塔中液體在壓力差的作用下可自動回流至塔中51（一）（一） 牛頓粘性定律牛頓粘性定律 yuAFdd 或或yudd Fuududy式中：式中：F內(nèi)摩擦力，內(nèi)摩擦

29、力，N； 剪應(yīng)力，剪應(yīng)力，Pa； 法向速度梯度，法向速度梯度，1/s； 比例系數(shù)，稱為流體的粘性，比例系數(shù)，稱為流體的粘性，Pas 。 yudd 一、粘性一、粘性第三節(jié)第三節(jié) 管內(nèi)流體流動現(xiàn)象管內(nèi)流體流動現(xiàn)象yU52 粘性的單位粘性的單位SI制：制：Pas 或或 kg/(ms)運(yùn)動粘性運(yùn)動粘性 粘性粘性與密度與密度之比。之比。 m2/s粘性的物理意義：粘性的物理意義： 當(dāng)速度梯度為一時，表示單位面積上的內(nèi)摩擦力。當(dāng)速度梯度為一時，表示單位面積上的內(nèi)摩擦力。流體流動時在與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速流體流動時在與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。度梯度所需的剪應(yīng)力。53牛頓流體

30、和非牛頓流體牛頓流體和非牛頓流體 牛頓流體牛頓流體: : 的流體。剪應(yīng)的流體。剪應(yīng)力和速度梯度滿足線性關(guān)系。力和速度梯度滿足線性關(guān)系。 非牛頓流體非牛頓流體： 的流體。剪的流體。剪切應(yīng)力和速度梯度不滿足線性關(guān)系。切應(yīng)力和速度梯度不滿足線性關(guān)系。 ()du dyconstABC牛頓流體和非牛頓流體Odudy理想流體與粘性流體理想流體與粘性流體 理想流體理想流體： 的流體（無粘性流體）的流體（無粘性流體） 粘性流體粘性流體： 的流體（真實流體）的流體（真實流體）0 0注：注：本書主要以牛頓型流體為研究對象。本書主要以牛頓型流體為研究對象。54特性特性牛頓內(nèi)摩擦定律的應(yīng)用（牛頓內(nèi)摩擦定律的應(yīng)用（舉例

31、舉例）（例題：化工原理（例題：化工原理p29）),(Tpf 液體液體 :)(Tf T 氣體氣體 : 一般一般)(Tf T 超高壓超高壓),(Tpf p 粘性的本質(zhì)：分子間的引力和分子的運(yùn)動與碰撞。粘性的本質(zhì)：分子間的引力和分子的運(yùn)動與碰撞。55n（二）流體中的動量傳遞（二）流體中的動量傳遞yud)d(Kgm-1S-2動量傳遞形式動量傳遞形式56二、流體類型與雷諾數(shù)二、流體類型與雷諾數(shù)1、雷偌實驗：、雷偌實驗：探討流體的流動狀態(tài)及其影響因素。探討流體的流動狀態(tài)及其影響因素。探討流動狀態(tài)與與流動阻力之探討流動狀態(tài)與與流動阻力之 間的關(guān)系。間的關(guān)系。572 2、兩種流態(tài)及流態(tài)分析、兩種流態(tài)及流態(tài)分析

32、層流層流( (滯流滯流) )：流場內(nèi)流體一層一層的平行流動。：流場內(nèi)流體一層一層的平行流動。紊流紊流( (湍流湍流) )：流場內(nèi)流體質(zhì)點的運(yùn)動速度在大：流場內(nèi)流體質(zhì)點的運(yùn)動速度在大小和方向上都隨時發(fā)生變化，質(zhì)點間彼此碰撞并小和方向上都隨時發(fā)生變化，質(zhì)點間彼此碰撞并相互混合，這種流動狀態(tài)稱相互混合，這種流動狀態(tài)稱上臨界速度上臨界速度：層流轉(zhuǎn)變成紊流的臨界速度：層流轉(zhuǎn)變成紊流的臨界速度u ukk。下臨界速度下臨界速度：紊流轉(zhuǎn)變成層流的臨界速度：紊流轉(zhuǎn)變成層流的臨界速度u uk k 。583、雷偌準(zhǔn)數(shù)，流態(tài)判別準(zhǔn)則、雷偌準(zhǔn)數(shù)，流態(tài)判別準(zhǔn)則雷偌數(shù)：雷偌數(shù)：Re= d:管徑、管徑、u:流速、流速、:密度

33、、密度、:粘度粘度 量綱：量綱：Re du1TML)T)(L(M)LM)(TL)(L(Re0003 dududu流態(tài)判別準(zhǔn)則：流態(tài)判別準(zhǔn)則： 層流：層流： Re= 2000 紊流：紊流： Re= 4000 過渡區(qū)：過渡區(qū)： 2000Re= 400059例例1025水以水以35m3/h的流量在的流量在763mm的管道中流動，試判斷水在管內(nèi)的流動類型。的管道中流動，試判斷水在管內(nèi)的流動類型。查附錄查附錄25水物性水物性: 例例11運(yùn)動黏度為運(yùn)動黏度為3.2105m2/s的有機(jī)液的有機(jī)液體在體在763.5mm的管內(nèi)流動，試確定保持管的管內(nèi)流動，試確定保持管內(nèi)層流流動的最大流量。內(nèi)層流流動的最大流量。

34、sPakg/m 3310903. 0,95.99660m/s53. 207. 0785. 0360035d785. 0qu22v 400010955. 110903. 053. 295.99607. 0duRe53 例例10 10 解解: :為湍流為湍流2000duduRe m/s927. 0069. 0102 . 32000d2000u5max /sm332max2maxv1046. 3927. 0069. 0785. 0ud4q /hm346.12 例例11 11 解解: :61三、流體在圓管內(nèi)的流速分布三、流體在圓管內(nèi)的流速分布1 1、流體在圓管內(nèi)層流時的流速分布、流體在圓管內(nèi)層流時的流

35、速分布6263由壓力差產(chǎn)生的推力由壓力差產(chǎn)生的推力 221)(rpp 流體層間內(nèi)摩擦力流體層間內(nèi)摩擦力 rurlruAFdd)2(dd rurlrppdd)2()(221 rlppru 2)(dd21 管壁處管壁處rR時，時，0，可得速度分布方程，可得速度分布方程 u)(422rRlpu 即流體在圓形直管內(nèi)即流體在圓形直管內(nèi)層流流動層流流動時，時，其速度呈其速度呈拋物線分布拋物線分布。64管中心流速為最大，即管中心流速為最大，即r0時，時， umax u221max4)(Rlppu 管截面上的平均速度管截面上的平均速度 :管截面上的最大流度管截面上的最大流度 : 流量流量 dqdqV V= (

36、2rdr)= (2rdr) 2maxRl4pu )rR(l4p22 l8pRq4V 65max224u21l8pRRl8pRAqu v即即層流流動時的平均速度為管中心最大速度的層流流動時的平均速度為管中心最大速度的1/2。 哈根哈根- -泊素葉方程式泊素葉方程式 2dlu32p 662 2、流體在圓管內(nèi)紊流時的流速分布、流體在圓管內(nèi)紊流時的流速分布管截面的平均速度約為管中心的最大流速的管截面的平均速度約為管中心的最大流速的0.820.82流體在流體在光滑管流動光滑管流動， 40004000 Re10Re105 571maxRr1uu 湍流速度分布的經(jīng)驗式湍流速度分布的經(jīng)驗式(1/7(1/7次方

37、定律次方定律) )6768層流底層、過渡層、紊流核心、層流底層厚度：層流底層、過渡層、紊流核心、層流底層厚度：層流底層厚度：層流底層厚度： dRe2 .648/7 69管、管件及閥門管、管件及閥門第四節(jié)第四節(jié) 流體流動的阻力流體流動的阻力直管阻力直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時由：流體流經(jīng)一定直徑的直管時由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；局部阻力局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。力。70Wep2,u2p1,u1221100z2z13 34 47172737475流體在水平等徑

38、直管中作定態(tài)流動。流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動。fhpu21gzpu21gz22221211 一、一、 直管阻力直管阻力的表現(xiàn)形式的表現(xiàn)形式 7621uu 21zz ppph21 f若管道為傾斜管，則若管道為傾斜管，則 )gzp()gzp(h2211 f 流體的流動阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少；流體的流動阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少； 水平安裝時，流動阻力恰好等于兩截面的靜壓水平安裝時，流動阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。能之差。 ppph21 f77二、層流直管阻力的計算二、層流直管阻力的計算 2dlu32p 哈根哈根-泊謖葉泊謖葉 （Hagen-Poiseuille）方程）方程 層流時能量損失的計算

39、式層流時能量損失的計算式 221dlu32ppph f 層流時阻力與速度的一次方成正比層流時阻力與速度的一次方成正比 。2udlRe642udlud64dlu32h222 fRe64 變形：變形：比較得比較得層流阻力系數(shù)層流阻力系數(shù)(摩擦系數(shù)摩擦系數(shù))78直管阻力通式（范寧直管阻力通式（范寧Fanning公式）公式） 其他形式：其他形式： 摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)）摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)） 則則 2udlh2 fJ/kg壓頭損失壓頭損失g2udlH2 fm壓力損失壓力損失22fudlp Pa 該公式層流與湍流均適用；該公式層流與湍流均適用； 注意注意 與與 的區(qū)別。的區(qū)別。p fp 791.1.管壁粗糙

40、度對摩擦系數(shù)的影響管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響 光滑管：玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等；光滑管：玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等；粗糙管粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。：鋼管、鑄鐵管等。絕對粗糙度絕對粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。：管道壁面凸出部分的平均高度。相對粗糙度相對粗糙度 ：絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值。：絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值。 d 層流流動層流流動時：時：流速較慢，與管壁無碰撞，流速較慢，與管壁無碰撞，阻力與阻力與 無關(guān)，無關(guān)，只與只與ReRe有關(guān)有關(guān)。d 三、湍流時的摩擦系數(shù)三、湍流時的摩擦系數(shù)80 湍流流動湍流流動時時（1） （2） 水力光滑管水力光滑管 只與只與Re有關(guān)，與有關(guān)，與 無

41、關(guān)無關(guān)d 湍流區(qū)湍流區(qū) 與與 有關(guān)，與有關(guān)，與Re也有關(guān)也有關(guān)d 81完全湍流粗糙管（完全湍流區(qū)、阻力平方區(qū)）完全湍流粗糙管（完全湍流區(qū)、阻力平方區(qū)） 與與 有關(guān)，與有關(guān)，與Re無關(guān)無關(guān)d )3(822、量綱分析法、量綱分析法基本定理基本定理：白金漢（：白金漢（Buckinghan）定理定理 設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的物理量數(shù)為設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的物理量數(shù)為n個，這些個，這些變量的基本量綱數(shù)為變量的基本量綱數(shù)為m個，則該物理現(xiàn)象可用個，則該物理現(xiàn)象可用N（nm）個獨立的量綱為一的量之間的表達(dá)）個獨立的量綱為一的量之間的表達(dá)式表示。式表示。 湍流時壓力損失的影響因素：湍流時壓力損失的影響因素：（1）流

42、體性質(zhì)：）流體性質(zhì)： ， （2）流動的幾何尺寸：）流動的幾何尺寸：d，l， （管壁粗糙度）（管壁粗糙度）（3）流動條件：）流動條件：u83 , l ,d,u,fp 物理量物理量 n 7基本量綱基本量綱 m3量綱為一的量量綱為一的量 Nnm4 d,dl,udup2 無因次化處理無因次化處理式中：式中：2upEu 歐拉（歐拉（Euler）準(zhǔn)數(shù)）準(zhǔn)數(shù)即該過程可用即該過程可用4個量綱為一的量之間的表達(dá)個量綱為一的量之間的表達(dá)式表示。式表示。84d 相對粗糙度相對粗糙度dl管道的幾何尺寸管道的幾何尺寸 udRe 雷諾數(shù)雷諾數(shù)根據(jù)實驗可知，流體流動阻力與管長成正比，即根據(jù)實驗可知，流體流動阻力與管長成正比

43、，即 2udld,Reph2f )d,Re( 8586莫狄（莫狄（Moody）摩擦因數(shù)圖：）摩擦因數(shù)圖：87（1）層流區(qū)（）層流區(qū)（Re 2000） 與與 無關(guān)，與無關(guān)，與Re為直線關(guān)系，即為直線關(guān)系，即 ,即即 與與u的一次方成正比。的一次方成正比。d Re64 uh ffh（2）過渡區(qū)（）過渡區(qū)（2000Re4000) 將湍流時的曲線延伸查取將湍流時的曲線延伸查取值值 。（3）湍流光滑管區(qū)（）湍流光滑管區(qū)（Re4000以及虛線以下區(qū)域）以及虛線以下區(qū)域） )(Ref （4）湍流區(qū)（）湍流區(qū)（Re4000以及虛線以下的區(qū)域）以及虛線以下的區(qū)域） ),(dRef 88（5）完全湍流區(qū)）完全湍流

44、區(qū) （虛線以上的區(qū)域）（虛線以上的區(qū)域） 與與Re無關(guān)，只與無關(guān)，只與 有關(guān)有關(guān) 。d 該區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。該區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。2uh fd 一定時，一定時，經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式 ：（1）柏拉修斯（）柏拉修斯（Blasius）式：）式：25. 03164. 0Re 適用光滑管適用光滑管Re51035105（2）考萊布魯克（）考萊布魯克（Colebrook）式）式 Red7 .182lg274. 1189 例例12 計算計算10水以水以2.710-3m3/s的流量流過的流量流過573.5mm、長、長20m水平鋼管的能量損失、壓頭水平鋼管的能量損失、壓頭損失。（設(shè)管壁的粗糙度為損失。（設(shè)管壁的粗糙

45、度為0.5mm） 。10水物性水物性: spkg/ma 3310305. 1,7 .99990解：解：m/s376. 105. 0785. 0107 . 2d785. 0qu232v spkg/ma 3310305. 1,7 .999431027. 510305. 1376. 17 .99905. 0duRe 01. 0505 . 0d 038. 0 J/kg39.142376. 105. 020038. 02udlh22f m468. 1g/hHff 10水物性水物性: 查得查得 湍流湍流91四、四、 非圓形管內(nèi)的流動阻力非圓形管內(nèi)的流動阻力 當(dāng)量直徑：當(dāng)量直徑： Ad44e潤濕周邊潤濕周邊

46、流通截面積流通截面積 套管環(huán)隙，內(nèi)管的外徑為套管環(huán)隙，內(nèi)管的外徑為d1，外管的內(nèi)徑為，外管的內(nèi)徑為d2 : 12122122e44ddddddd 邊長分別為邊長分別為a、b的矩形管的矩形管 :baabbaabd 2)(24e92說明：說明：（1）Re與與hf中的直徑用中的直徑用de計算；計算；（2）層流時：）層流時：ReC 正方形正方形 C57套管環(huán)隙套管環(huán)隙 C96 （3）流速用實際流通面積計算）流速用實際流通面積計算 。2d785. 0queV 93五五 局部阻力損失局部阻力損失 （一）、阻力系數(shù)法（一）、阻力系數(shù)法 將局部阻力表示為動能的某一倍數(shù)。將局部阻力表示為動能的某一倍數(shù)。 2uh

47、2 f或或 g2uH2 f局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù) J/kgJ/N=m94小管中的大速度小管中的大速度u u2 2u uh h0101) )A AA A(1(11 12 21 1 f f2 22 21 1 1. 1. 突然擴(kuò)大突然擴(kuò)大95小管中的大速度小管中的大速度u u2 2u uh h00.500.5) )A AA A0.5(10.5(12 22 22 2 f f2 21 12 2 2.2.突然縮小突然縮小963. 管進(jìn)口及出口管進(jìn)口及出口進(jìn)口：流體自容器進(jìn)入管內(nèi)。進(jìn)口：流體自容器進(jìn)入管內(nèi)。 進(jìn)口進(jìn)口 = 0.5 進(jìn)口阻力系數(shù)進(jìn)口阻力系數(shù)出口：流體自管子進(jìn)入容器或從管子排放到管外出口：流體

48、自管子進(jìn)入容器或從管子排放到管外 空間。空間。 出口出口 = 1 出口阻力系數(shù)出口阻力系數(shù)97g2udlH2udlh22efef 或或（二）、當(dāng)量長度法（二）、當(dāng)量長度法 將流體流過管件或閥門的局部阻力，折合成直將流體流過管件或閥門的局部阻力，折合成直徑相同、長度為徑相同、長度為le的直管所產(chǎn)生的阻力的直管所產(chǎn)生的阻力 。le 管件或閥門的當(dāng)量長度，管件或閥門的當(dāng)量長度，m。98（三）、流體在管路中的總阻力（三）、流體在管路中的總阻力減少流動阻力的途徑：減少流動阻力的途徑： 管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎；管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎； 盡量不安裝不必要的管件和閥門等；盡量不安裝不必要的

49、管件和閥門等； 管徑適當(dāng)大些。管徑適當(dāng)大些。2u)dl(2udllh22 ef99 100101102103第五節(jié)第五節(jié) 管路計算管路計算 一、簡單管路一、簡單管路 1、特點、特點 （1）流體通過各管段的質(zhì)量流量不變，對于不可）流體通過各管段的質(zhì)量流量不變，對于不可壓縮流體，則體積流量也不變。壓縮流體，則體積流量也不變。 (2) 整個管路的總能量損失等于各段能量損失之和整個管路的總能量損失等于各段能量損失之和 。f3f2f1fhhhhVs1,d1Vs3,d3Vs2,d2m3m2m1qqqv3v2v1qqq104基本方程：基本方程：連續(xù)性方程：連續(xù)性方程：ud4q2v 柏努利方程：柏努利方程：2

50、u)dl1(gzpW2ugzp222211 阻力計算阻力計算（摩擦系數(shù)）：（摩擦系數(shù)）： dud , 2、管路計算、管路計算105（1）設(shè)計型計算）設(shè)計型計算 設(shè)計要求：規(guī)定輸液量設(shè)計要求：規(guī)定輸液量 qv，確定一經(jīng)濟(jì)的管徑及供液，確定一經(jīng)濟(jì)的管徑及供液點提供的位能點提供的位能z1(或靜壓能或靜壓能p1)。 給定條件：給定條件： 供液點壓力供液點壓力p1或位置或位置z1； 供液與需液點的距離，即管長供液與需液點的距離，即管長l； 管道材料與管件的配置，即管道材料與管件的配置，即 及及 ； 需液點的位置需液點的位置z2及壓力及壓力p2； 輸送機(jī)械輸送機(jī)械 W。106（2）操作型計算）操作型計算

51、給定條件：管子給定條件：管子d 、 、l，管件和閥門，管件和閥門 ，供液點，供液點 z1、p1，需液點的，需液點的z2、p2，輸送機(jī)械，輸送機(jī)械W； 計算目的：流體的流速計算目的：流體的流速u及供液量及供液量qv。 給定條件：管子給定條件：管子d、 、l、管件和閥門、管件和閥門 、流量、流量qv等，等， 計算目的：供液點的位置計算目的：供液點的位置z1 ； 或供液點的壓力或供液點的壓力p1； 或輸送機(jī)械有效功或輸送機(jī)械有效功W 。107 試差法計算流速的步驟：試差法計算流速的步驟：根據(jù)柏努利方程列出試差等式；根據(jù)柏努利方程列出試差等式；試差：試差： 查查假設(shè)假設(shè)dReu符合？符合？可初設(shè)阻力平

52、方區(qū)之值可初設(shè)阻力平方區(qū)之值注意：若已知流動處于阻力平方區(qū)或?qū)恿?，則無需注意：若已知流動處于阻力平方區(qū)或?qū)恿鳎瑒t無需 試差，可直接解析求解。試差，可直接解析求解。108uqdv43.最適宜管徑最適宜管徑流量流量Vs一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇：流速選擇： d 設(shè)備費(fèi)用設(shè)備費(fèi)用 u 流動阻力流動阻力動力消耗動力消耗 操作費(fèi)操作費(fèi)均衡均衡考慮考慮uu適宜適宜費(fèi)費(fèi)用用總費(fèi)用總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)操作費(fèi)選擇適宜流速選擇適宜流速確定經(jīng)濟(jì)管徑確定經(jīng)濟(jì)管徑對于圓形管道：對于圓形管道：109常用流體適宜流速范圍：常用流體適宜流速范圍： 水及一般液體水及一般液體 13 m/s黏度較大的液體

53、黏度較大的液體 0.51 m/s低壓氣體低壓氣體 815 m/s壓力較高的氣體壓力較高的氣體 1525 m/s 110二、復(fù)雜管路二、復(fù)雜管路 1、并聯(lián)管路、并聯(lián)管路 Aqvqv 1qv 2qv 3B1). 特點：特點：（1）主管中的流量為并聯(lián)的各支路流量之和；）主管中的流量為并聯(lián)的各支路流量之和；321mmmmqqqqv3v1qqqqvv2不可壓縮流體不可壓縮流體111（2）并聯(lián)管路中各支路的能量損失均相等。）并聯(lián)管路中各支路的能量損失均相等。 fABf3f2f1hhhh注意：計算并聯(lián)管路阻力時，僅取其中一支路即注意：計算并聯(lián)管路阻力時，僅取其中一支路即 可，不能重復(fù)計算?？桑荒苤貜?fù)計算。

54、1122). 并聯(lián)管路的流量分配并聯(lián)管路的流量分配2)(2iiieifudllhi24iviidqu 5iievii2iviiieifidllqdqdllh222)(8421)(而而3353225211513)(:)(:)(:eeevv2v1lldlldlldqqq 支管越長、管徑越小、阻力系數(shù)越大支管越長、管徑越小、阻力系數(shù)越大流量越??；流量越?。?反之反之 流量越大。流量越大。 113COAB分支管路分支管路COAB匯合管路匯合管路2、分支管路與匯合管路、分支管路與匯合管路 1141). 特點：特點：（1）主管中的流量為各支路流量之和；）主管中的流量為各支路流量之和； 不可壓縮性流體不可壓

55、縮性流體（2）流體在各支管流動終了時的總機(jī)械能與能量損）流體在各支管流動終了時的總機(jī)械能與能量損失之和相等。失之和相等。 fOBBBBfOAAAAhugzphugzp22212121mmmqqq2vvqqqv1115第六節(jié)第六節(jié) 流速與流量的測量流速與流量的測量 一、測速管（皮托管）一、測速管（皮托管）1 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)2 2、原理、原理 內(nèi)管內(nèi)管A A處處 2B21up 外管外管B B處處 Ap116點速度：點速度： pu 2 )(20 Rgu即即討論：討論：（1）皮托管測量流體的點速度，可測速度分布）皮托管測量流體的點速度，可測速度分布曲線；曲線； 2BA21uppp 1173、安裝、安裝 （1）測量點位于均勻流段，上、下游各有）測量點位于均勻流段，上、下游各有50