第一章流體流動-化工原理

1、化工原理化工原理電子教案電子教案/目錄目錄1目錄目錄v第一章第一章 流體流動流體流動 第一節(jié)第一節(jié) 流體靜止的基本方程流體靜止的基本方程一、幾個概念二、流體靜力學(xué)方程三、流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用 第二節(jié)第二節(jié) 流體流動的基本方程流體流動的基本方程一、基本概念 二、質(zhì)量衡算連續(xù)性方程三、機械能衡算方程習(xí)題課 化工原理化工原理電子教案電子教案/目錄目錄2目錄目錄第三節(jié)第三節(jié) 流體流動現(xiàn)象流體流動現(xiàn)象一、 流動型態(tài)二、湍流的概念 三、管內(nèi)速度分布四、邊界層與邊界層分離第四節(jié)第四節(jié) 管內(nèi)流動的阻力損失管內(nèi)流動的阻力損失一、沿程損失的計算通式1、層流的摩擦系數(shù)2、湍流的摩擦系數(shù)二、非圓形管內(nèi)的沿程損失三、局

2、部損失四、管內(nèi)流動總阻力損失的計算化工原理化工原理電子教案電子教案/目錄目錄3目錄目錄第五節(jié)第五節(jié) 管路計算管路計算 一、簡單管路習(xí)題課 二、復(fù)雜管路習(xí)題課 三、可壓縮流體的管路計算 第六節(jié)第六節(jié) 流量測量流量測量 一、變壓頭流量計 二、變截面流量計第一章小結(jié)第一章小結(jié)化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章4/111第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 流體靜止的基本方程流體靜止的基本方程1、密度、密度用用 表示，屬于物性，表示，屬于物性，kg/m3影響因素：影響因素：氣體氣體-種類、壓力、溫度、濃度種類、壓力、溫度、濃度 液體液體- 種類、溫度、濃度種類、溫度、濃度一、幾個

3、概念一、幾個概念化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章5/111一、幾個概念一、幾個概念獲得方法：獲得方法：（1）查物性數(shù)據(jù)手冊）查物性數(shù)據(jù)手冊（2）公式計算：）公式計算：nnmaaa 22111液體混合物：RTPM RTPMmm 氣體：-理想氣體狀態(tài)方程化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章6/111一、幾個概念一、幾個概念2靜壓力靜壓力 垂直作用在單位面積上的力稱為垂直作用在單位面積上的力稱為壓強壓強，習(xí)慣上稱之，習(xí)慣上稱之為壓力，用符號為壓力，用符號p表示。表示。靜壓力各向同性 atm1（標標準準大大氣氣壓壓）OmHmmHgPa2533.1076010013. 1

4、 （1）壓力單位）壓力單位SI制中，制中， N/m2 =Pa，稱為帕斯卡，稱為帕斯卡約定：本教案中出現(xiàn)紅線框之處為需讀者記憶的化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章7/111一、幾個概念一、幾個概念 表壓表壓絕壓絕壓當(dāng)當(dāng)?shù)氐卮蟠髿鈿鈮簤航^絕壓壓表表壓壓 絕壓絕壓當(dāng)?shù)卮髿鈮寒?dāng)?shù)卮髿鈮赫婵斩日婵斩?（2）壓力大小的兩種表征方法）壓力大小的兩種表征方法-以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞室援?dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?思考：思考： 1 1、表壓與真空度是何關(guān)系？、表壓與真空度是何關(guān)系？ 2 2、真空度越大，意味著什么？、真空度越大，意味著什么？化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章8/111一、幾個概念

5、一、幾個概念 不可壓縮流體不可壓縮流體可壓縮流體可壓縮流體3壓縮性壓縮性-壓力或溫度改變時，密度隨之顯著改變 -壓力或溫度改變時，密度改變很小 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章9/111二、流體靜力學(xué)方程二、流體靜力學(xué)方程 圖 1-1 靜止流體的力平衡 z z1 z2 dz p1 p+dp p p2 gAdz A 因為流體靜止，故因為流體靜止，故 微元段微元段dz 流體所受合力流體所受合力 00)( gAdzAdpppA 0 gdzdp 積分得積分得化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章10/111二、流體靜力學(xué)方程二、流體靜力學(xué)方程常常數(shù)數(shù) pgz 1212zz

6、gpgp 2112zzgpp 2211pgzpgz 1 2 Z1 Z2流體靜力學(xué)方程流體靜力學(xué)方程靜壓頭靜壓頭位頭位頭化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章11/111二、流體靜力學(xué)方程二、流體靜力學(xué)方程v適用場合：絕對靜止、連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮；適用場合：絕對靜止、連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮；v等壓面為水平面；等壓面為水平面；v壓力可傳遞壓力可傳遞-巴斯噶原理。巴斯噶原理。靜力學(xué)方程的討論：靜力學(xué)方程的討論：化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章12/111三、流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用三、流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用 z2 z1 R 3 3 指示劑指示劑 0 1 2 gRgzpRzgp

7、p022113 gRgzpgzp 022111U形形壓差計（壓差計（manometer） 等壓面等壓面思考：思考：對指示劑有何要求？對指示劑有何要求？ U U形壓差計適用場合？形壓差計適用場合？化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章13/111 2 三、流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用三、流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用 gRpp1221 2、雙液柱壓差計雙液柱壓差計 1 2 1略小于略小于 2 p1 p2 z1 1 z1 R 22211思考：思考：面面1-1、2-2哪個是等壓面，哪哪個是等壓面，哪 個不是？個不是？返回目錄作業(yè)：作業(yè)： U形壓差計適用于被測壓差不太小的場合。若所測壓力形壓差計適用于被測壓

8、差不太小的場合。若所測壓力差很小，用差很小，用U形壓差計難以讀準，可改用如圖所示的雙液體形壓差計難以讀準，可改用如圖所示的雙液體壓差計，將讀數(shù)放大。壓差計，將讀數(shù)放大。 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章14/111第二節(jié)第二節(jié) 流體流動的基本方程流體流動的基本方程一、基本概念一、基本概念 主要研究流體在主要研究流體在管路管路中的流動，中的流動， 遵循著三大守恒定律遵循著三大守恒定律 能量守恒能量守恒動量守恒動量守恒質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒1 1、穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動、穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動 穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動-流動參數(shù)都不隨時間而變化流動參數(shù)都不隨時間而變化不穩(wěn)定流動不穩(wěn)定流動-至少有一

9、個流動參數(shù)隨時間而變化至少有一個流動參數(shù)隨時間而變化講講講講不講不講化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章15/111一、基本概念一、基本概念 smVskgmss3表表示示，體體積積流流量量，用用表表示示，質(zhì)質(zhì)量量流流量量，用用流流量量ssVm AmGs 又又稱稱質(zhì)質(zhì)量量通通量量，單單位位為為 kg/m2 suG uAGAms 點速度點速度 v，單位，單位m/s 體體積積流流速速質(zhì)質(zhì)量量流流速速流流速速2、流量和流速、流量和流速AVus 平平均均流流速速，單位，單位m/s-AvdAA 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章16/111二、質(zhì)量衡算二、質(zhì)量衡算連續(xù)性方程連

10、續(xù)性方程0 隨時間的變化率隨時間的變化率控制體內(nèi)的質(zhì)量控制體內(nèi)的質(zhì)量的質(zhì)量流量的質(zhì)量流量輸入控制體輸入控制體的質(zhì)量流量的質(zhì)量流量輸出控制體輸出控制體質(zhì)量衡算方程質(zhì)量衡算方程-開放體系，質(zhì)量守恒定律內(nèi)容改為如下：開放體系，質(zhì)量守恒定律內(nèi)容改為如下：21mm 222111AuAu 輸輸入入流流量量輸輸出出流流量量 質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律-封閉體系中物質(zhì)質(zhì)量不變封閉體系中物質(zhì)質(zhì)量不變 對于如圖所示的管道內(nèi)對于如圖所示的管道內(nèi)穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動，上式第三項為上式第三項為0，于是，于是 1 控制體 2 1 2 能量守恒能量守恒動量守恒動量守恒質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第

11、一章17/111二、質(zhì)量衡算二、質(zhì)量衡算連續(xù)性方程連續(xù)性方程2211AuAu 對圓管對圓管222211dudu -管內(nèi)流動的連續(xù)性方程管內(nèi)流動的連續(xù)性方程21mmm 2211AuAuuA m1 m m2思考：思考： 如果管道有分支，則穩(wěn)定流動時的連續(xù)性方程又如何？如果管道有分支，則穩(wěn)定流動時的連續(xù)性方程又如何？作業(yè)：作業(yè)：化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章18/111三、機械能衡算方程三、機械能衡算方程dydx -牛頓粘性定律1、黏性和黏度、黏性和黏度牛頓粘性定律發(fā)牛頓粘性定律發(fā)表在表在 1687年年 在動畫所示的流體分層流動情形下，有在動畫所示的流體分層流動情形下，有 v大大

12、 v小小 分子 氣體內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的原因還可以從動量傳遞角度加以理解: 液體的內(nèi)摩擦力則是由分子間的吸引力所產(chǎn)生。 流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦力或粘滯力，請點擊流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦力或粘滯力，請點擊 看動畫?？磩赢?。單位面積上的的內(nèi)摩擦力，N/m2 速度梯度 動力黏度簡稱黏度黏度 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章19/111三、機械能衡算方程三、機械能衡算方程 sPamsNmsmmNdydv 22 主主要要有有體體系系、溫溫度度、濃濃度度 GLT ,物理意義：物理意義：衡量流體黏性大小的一個物理量衡量流體黏性大小的一個物理量單位：單位：獲取方法：獲取方法：屬物性之一，屬物性之一， 由實驗

13、測定、查有關(guān)手冊或資料、用經(jīng)驗公式計算。由實驗測定、查有關(guān)手冊或資料、用經(jīng)驗公式計算。影響因素：影響因素：黏度黏度 ：思考：思考：為什么？為什么？化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章20/1112 2、牛頓型和非牛頓型流體、牛頓型和非牛頓型流體非牛頓型流體：非牛頓型流體：如人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液以及像細胞如人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液以及像細胞質(zhì)那樣的質(zhì)那樣的“半流體半流體”都屬于非牛頓流體。如聚乙烯，聚都屬于非牛頓流體。如聚乙烯，聚丙烯酰氨，聚氯乙烯，尼龍丙烯酰氨，聚氯乙烯，尼龍6，PVS，滌綸，橡膠溶液，滌綸，橡膠溶液，各種工程塑料，化纖的熔體等。各種工

14、程塑料，化纖的熔體等。-體系粘度隨剪切速率的增加而降低。體系粘度隨剪切速率的增加而降低。 流動形式表現(xiàn)為剪切稀化現(xiàn)象流動形式表現(xiàn)為剪切稀化現(xiàn)象. .-體系粘度隨剪切速率的增加而增大。體系粘度隨剪切速率的增加而增大。-受到外力作用時并不立即流動而要待外力增大受到外力作用時并不立即流動而要待外力增大到某一程度時才開始流動到某一程度時才開始流動不符合牛頓粘性定律的流體，如絕大多數(shù)高分子量的不符合牛頓粘性定律的流體，如絕大多數(shù)高分子量的牛頓型流體：牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體符合牛頓粘性定律的流體 賓漢塑性流體 漲塑性流體 牛頓流體 假塑性流體 d/dy 圖 1-6 剪應(yīng)力與速度梯度關(guān)系 化工原

15、理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章21/1113 3、機械能衡算方程、機械能衡算方程 能量守恒能量守恒動量守恒動量守恒質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒 Q 2流體出流體出 換熱器換熱器 2 z2 流體入流體入 1 1 泵泵 z1 1 Ws 運動著的流體涉及的能量形式有運動著的流體涉及的能量形式有內(nèi)能內(nèi)能、 動能、動能、 位能、壓力能、位能、壓力能、 外功、熱外功、熱U，J/kg取決于溫度 輸輸出出的的能能量量速速率率輸輸入入的的能能量量速速率率 對于如圖所示的穩(wěn)定流動的流動系統(tǒng)，能量衡算式為：對于如圖所示的穩(wěn)定流動的流動系統(tǒng)，能量衡算式為：u2/2J/kggzJ/kgp/J/kgwe，J/kg外界對

16、流體外功為正，外界對流體外功為正，流體向外作功為負流體向外作功為負 以面1-1為例，說明壓力能的表達式：面1-1上所受到的總壓力為P1=p1/A1，將1 kg的流體（其體積即為比容1=1/1，m3kg-1）壓過該截面的所做功便為 P1u1=（p1A1）（1/A1）=p11= p1 /1吸熱為正吸熱為正放熱為負放熱為負 機械能機械能- 可直接用于輸送流體可直接用于輸送流體在流體流動過程中可相互轉(zhuǎn)變在流體流動過程中可相互轉(zhuǎn)變可轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄騼?nèi)能?？赊D(zhuǎn)變?yōu)闊峄騼?nèi)能。 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章22/1113 3、機械能衡算方程、機械能衡算方程黏度黏度 0 （1）理想流體的伯努利方

17、程）理想流體的伯努利方程 Q 2流體出流體出 換熱器換熱器 2 z2 流體入流體入 1 1 泵泵 z1 1 Ws 如果撇開內(nèi)能和熱而只考慮機械能，對下圖所示的如果撇開內(nèi)能和熱而只考慮機械能，對下圖所示的截面截面1與與2之間理想流體的穩(wěn)定流動，存在下述機械能之間理想流體的穩(wěn)定流動，存在下述機械能衡算關(guān)系：衡算關(guān)系： 222221121122 pugzwpugze 12we=0 2222121122pugzpugz -伯努利伯努利（Bernoulli）方程方程 含義：對沒有黏性的流體，流動系統(tǒng)上游的機械能等于下游的機械能?；ぴ砘ぴ黼娮咏贪鸽娮咏贪? /第一章第一章23/1113 3、機械能

18、衡算方程、機械能衡算方程（2）實際流體的機械能衡算式）實際流體的機械能衡算式 Q 2流體出流體出 換熱器換熱器 2 z2 流體入流體入 1 1 泵泵 z1 1 Ws fewpugzwpugz 2222121122-機械能衡算方程機械能衡算方程wf稱為阻力損失，永稱為阻力損失，永遠為正，單位遠為正，單位J/kg 對實際流體，由于有黏性，在管內(nèi)流動時要消耗機械能以克服阻對實際流體，由于有黏性，在管內(nèi)流動時要消耗機械能以克服阻力。消耗了的機械能轉(zhuǎn)化為熱，散失到流動系統(tǒng)以外去了。因此，此力。消耗了的機械能轉(zhuǎn)化為熱，散失到流動系統(tǒng)以外去了。因此，此項機械能損耗應(yīng)列入伯努利方程右邊作為輸出項，記做項機械能

19、損耗應(yīng)列入伯努利方程右邊作為輸出項，記做wf： 每一項單位均為每一項單位均為J/kg化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章24/1113 3、機械能衡算方程、機械能衡算方程外加壓頭靜壓頭動壓頭位頭壓頭損失fehgpguzhgpguz 2222121122或?qū)懗苫驅(qū)懗擅恳豁梿蚊恳豁梿挝痪鶠槲痪鶠閙-機械能衡算方程機械能衡算方程feppugzppugz 2222121122 -機械能衡算方程機械能衡算方程每一項單位每一項單位均為均為Jm-3壓力損失化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章25/111（3 3）機械能衡算方程討論：）機械能衡算方程討論：fewpugzwpugz

20、2222121122fwEtEt 21由由于于 wf0，故故 Et1 Et2（1）適用條件：不可壓縮、連續(xù)、均質(zhì)流體、等溫、非等溫流動）適用條件：不可壓縮、連續(xù)、均質(zhì)流體、等溫、非等溫流動 2211pgzpgz -靜力學(xué)方程。可見流體靜止?fàn)顟B(tài)是流體流動的一種特殊形式。 Q 2 換換熱熱器器 2 z2 1 泵泵 z1 1 Ws（2）對流體靜止，可化簡得：）對流體靜止，可化簡得： （3）若流動系統(tǒng)無外加功，即）若流動系統(tǒng)無外加功，即we=0，則，則 這說明流體能自動從高（機械能）這說明流體能自動從高（機械能）能位流向低（機械能）能位。能位流向低（機械能）能位?；ぴ砘ぴ黼娮咏贪鸽娮咏贪? /

21、第一章第一章26/111習(xí)題課習(xí)題課 Q 2 換換熱熱器器 2 z2 1 泵泵 z1 1 Ws使用機械能衡算方程時，應(yīng)注意以下幾點（使用機械能衡算方程時，應(yīng)注意以下幾點（結(jié)合例結(jié)合例1說明說明）：）：包含待求變量。包含待求變量。控制體內(nèi)的流體必須連續(xù)、均質(zhì)；控制體內(nèi)的流體必須連續(xù)、均質(zhì)；有流體進出的那些控制面（流通截面）應(yīng)與有流體進出的那些控制面（流通截面）應(yīng)與流動方向相垂直，且已知條件最多；流動方向相垂直，且已知條件最多；v 控制體的選取：控制體的選?。簐 基準水平面的選取基準水平面的選取 v 壓力壓力用絕壓或表壓均可，但兩邊必須統(tǒng)一。用絕壓或表壓均可，但兩邊必須統(tǒng)一。fswpugzwpug

22、z 2222121122一般將基準面定在某一流通截面的中心上一般將基準面定在某一流通截面的中心上 （下轉(zhuǎn)第28頁）化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章27/111【例例】 軸功的計算軸功的計算 2 2 氣氣 體體 洗洗 滌滌 塔塔 5m 泵泵 氣氣 體體 3 3 1m 1m 4 4 貯貯 槽槽 廢廢 水水 池池 1 1 0.2m 如圖所示，已知管道尺寸為如圖所示，已知管道尺寸為 114 4 mm，流量為流量為85 m3/h，水在管路中（噴頭前）流，水在管路中（噴頭前）流動的總阻力損失為動的總阻力損失為10 J/kg ，噴頭前壓力較，噴頭前壓力較塔內(nèi)壓力高塔內(nèi)壓力高100 kPa，

23、水從塔中流入下水道，水從塔中流入下水道的阻力損失為的阻力損失為12 J/kg。求泵供給的外加功率。求泵供給的外加功率。 解：解： 按照控制體按照控制體選取原則選取原則，應(yīng)取面應(yīng)取面1-1至面至面2-2，而不，而不能取面能取面1-1至面至面3-3或面或面1-1至面至面4-4。mmd10642114 由已知條件可知管內(nèi)徑由已知條件可知管內(nèi)徑化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章28/111【例例】 軸功的計算軸功的計算212222121122 fewpugzwpugz 在面在面1-1和面和面2-2間有間有 2 2 氣體氣體 洗滌塔洗滌塔 5m 泵泵 氣體氣體 3 3 1m 1m 4 4

24、 貯槽貯槽 廢水池廢水池 1 1 0.2m 422dVu sm68. 24106. 03600852 z2=7 mp2=？wf1-2=10 J kg-122226.8210268. 281. 97ppwe 22226.8210268. 281. 97ppwe 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章29/111【例例】 軸功的計算軸功的計算 2 2 氣體氣體 洗滌塔洗滌塔 5m 泵泵 氣體氣體 3 3 1m 1m 4 4 貯槽貯槽 廢水池廢水池 1 1 0.2mp3可通過面可通過面3-3與與4-4間的機械能衡算求得：間的機械能衡算求得： 434244323322 fwpugzpugz

25、 z3=1.2 m，wf3-4=12 J kg-1 23. 081. 92 . 1123 pJ kg-1 22226.8210268. 281. 97ppwe 由已知條件可知：由已知條件可知： 33210100 pp2 .100 J kg-1 5 .182 J kg-1 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章30/111【例例】 軸功的計算軸功的計算故泵的外加功率為：故泵的外加功率為：36005 .182851000 eseswVwm =4310 W 或或4.31 kW 返回目錄作業(yè)：作業(yè)：化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章31/111第三節(jié)第三節(jié) 流體流動現(xiàn)象流體

26、流動現(xiàn)象二、二、 流動型態(tài)流動型態(tài)層流或滯流層流或滯流 laminar flow湍流或紊流湍流或紊流 turbulent flow兩種流動型態(tài)兩種流動型態(tài)那么，如何定量判斷流動型態(tài)呢？那么，如何定量判斷流動型態(tài)呢？一、一、 流動的黏度流動的黏度實際流體具有黏性，黏度是衡量流體黏性大小的物理量，與溫度和壓實際流體具有黏性，黏度是衡量流體黏性大小的物理量，與溫度和壓力相關(guān)。力相關(guān)。 溫度：溫度：T ，黏度變化？（液體，氣體），黏度變化？（液體，氣體）壓力：液體忽略不計。壓力：液體忽略不計。 氣體氣體(極高或極低極高或極低)1Pa.s=1N.s/m2=10P泊泊=103cp化工原理化工原理電子教案電

27、子教案/ /第一章第一章32/111一、一、 流動型態(tài)流動型態(tài) du Re 00023ReskgmmsNmkgsmmdu 無無因因次次雷諾數(shù)雷諾數(shù)如：直管內(nèi)流動時，如：直管內(nèi)流動時，Re 2000 層流層流 Re=2000 4000 過渡區(qū)過渡區(qū) Re4000 湍流湍流-根據(jù)其值的大小，可以判斷流動型態(tài)根據(jù)其值的大小，可以判斷流動型態(tài) 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章33/111流體在管內(nèi)的速度分布流體在管內(nèi)的速度分布管內(nèi)流動，管截面上的各點的速度均隨該點與管中心的距離變化。管內(nèi)流動，管截面上的各點的速度均隨該點與管中心的距離變化。一般管中心的流速最大，離管壁越近，流速越小。

28、一般管中心的流速最大，離管壁越近，流速越小。對于層流運動，速度沿管徑呈拋物線分布，對于層流運動，速度沿管徑呈拋物線分布，u平均平均=0.5umax。湍流運動，湍流運動，流體質(zhì)點在旋渦運動的影響下，其運動速度不論在大小流體質(zhì)點在旋渦運動的影響下，其運動速度不論在大小或方向上都隨時間變化。但又都圍繞某一平均值（圖中虛線所示）而或方向上都隨時間變化。但又都圍繞某一平均值（圖中虛線所示）而上下波動，這種現(xiàn)象稱為速度的上下波動，這種現(xiàn)象稱為速度的脈動，脈動，經(jīng)驗式：經(jīng)驗式： x x 0 t 圖 1-18 湍流中速度的脈動 圖 1-20 管內(nèi)層流時的速度分布 max 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /

29、第一章第一章34/111第四節(jié)第四節(jié) 管內(nèi)流動的阻力損失管內(nèi)流動的阻力損失fewpugzwpugz 2222121122機械能衡算方程機械能衡算方程-由于流速大小或方向突然改變，從而產(chǎn)生邊界層分離，出現(xiàn)大量旋渦，導(dǎo)致很大的機械能損失。 管件或閥門管件或閥門等徑直管等徑直管管路輸送系統(tǒng)管路輸送系統(tǒng) wf 分為兩類（見圖）：分為兩類（見圖）： 2 2 氣氣體體 洗洗滌滌塔塔 5m 泵泵 氣氣體體 3 3 1m 1m 4 4 貯貯槽槽 廢廢水水池池 1 1 0.2m沿程損失（直管損失）局部損失化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章一、沿程損失的計算通式一、沿程損失的計算通式1、層流的摩擦

30、系數(shù)、層流的摩擦系數(shù)Re64 22udlwf長徑比無量綱動能摩擦系數(shù) 無量綱與流體Re及管壁相關(guān)-沿程損失計算通式2、湍流的摩擦系數(shù)、湍流的摩擦系數(shù)d，eRf摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)及管壁粗糙度的關(guān)系有實驗測定。摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)及管壁粗糙度的關(guān)系有實驗測定。化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章36/111返回上頁返回上頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章37/111 0.10 0.09 0.08 0.07 0.05 0.04 0.06 0.03 0.05 0.02 0.015 0.04 0.01 0.008 0.006 0.03 0.004 0.025 d 0.002

31、 0.02 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.015 0.0002 0.0001 0.00005 0.01 0.009 0.00001 0.008 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 103 104 105 106 107 108 0.000005 0.000001 雷諾數(shù) du Re莫莫狄狄（Moody）圖圖層層流流區(qū)區(qū)Re64 過渡區(qū)湍湍流流區(qū)區(qū) d Re,阻力平方區(qū) d Re 22udlwf 水力光滑管水力光滑管思考：思考：由圖可見，由圖可見，Re ，這與，這與阻力損失隨阻力損失隨Re增大而增大是否矛增大而增大是否矛盾？

32、盾？化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章二、非圓形管內(nèi)的沿程損失二、非圓形管內(nèi)的沿程損失22udlwef dRRRde 2242 水水力力半半徑徑潤潤濕濕周周邊邊流流通通截截面面積積 44ed dDdDdDde 4422Dd? edu仍可按圓管的公式計算或用莫狄圖查取，但仍可按圓管的公式計算或用莫狄圖查取，但需引入當(dāng)量直徑。需引入當(dāng)量直徑。當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章三、局部損失三、局部損失 R d A1 A2u 當(dāng)流體流經(jīng)彎頭、管進出口、閥門等處時，由于流體當(dāng)流體流經(jīng)彎頭、管進出口、閥門等處時，由于流體的的流速流速或或流動方向流動方向突然

33、發(fā)生變化，產(chǎn)生邊界層分離和渦流，突然發(fā)生變化，產(chǎn)生邊界層分離和渦流，從而導(dǎo)致形體阻力損失。從而導(dǎo)致形體阻力損失。 由于引起局部損失機理的復(fù)雜性，目前只有少數(shù)情況可由于引起局部損失機理的復(fù)雜性，目前只有少數(shù)情況可進行理論分析，多數(shù)情況需要實驗方法確定。進行理論分析，多數(shù)情況需要實驗方法確定。請點擊請點擊 觀看動觀看動畫畫化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章40/111三、局部損失三、局部損失22,udlwef 局局22,uwf 局局小管的小管的局部損失的計算有兩種方法：局部損失的計算有兩種方法： u當(dāng)量長度法當(dāng)量長度法 u阻力系數(shù)法阻力系數(shù)法le-當(dāng)量長度，可查有關(guān)圖表 -局部阻力

34、系數(shù)，可查有關(guān)圖表注意：注意：u以上兩種方法均為近似估算。以上兩種方法均為近似估算。u兩種計算方法所得結(jié)果不完全一致兩種計算方法所得結(jié)果不完全一致 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章41/111三、局部損失三、局部損失表表1-2 管件和閥件的阻力系數(shù)及當(dāng)量長度數(shù)據(jù)（湍流）管件和閥件的阻力系數(shù)及當(dāng)量長度數(shù)據(jù)（湍流）名 稱阻力系數(shù)當(dāng)量長度與管徑之比le/d名 稱阻力系數(shù)當(dāng)量長度與管徑之比le/d彎頭，45彎頭，90180回彎頭管接頭活管接頭標準三通管閘閥全開半開0.350.751.50.040.0410.174.517357522509225標準閥 全開 半開單向閥（止逆閥） 搖板

35、式 球形式角閥（全開）水表（盤形）6.09.52.070.02.07.03004751003500100350返回上頁返回上頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章三、局部損失三、局部損失 2 2 0 1 1 1 0 1 2 2 a. 突突然然擴擴大大 b. 突突然然縮縮小小 22uwf 出出口口 u 管出口：管出口： A2A1，阻力系數(shù)，阻力系數(shù) o=125 . 02uwf 入入口口 u u 管入口：管入口： A2A1，阻力系數(shù)，阻力系數(shù) i=0.5化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章2-2面取在出口外側(cè)時，wf中應(yīng)包括出口阻力損失（其大小為 ），但2-2面的動能為

36、零。 四、管內(nèi)流動總阻力損失的計算四、管內(nèi)流動總阻力損失的計算總阻力損失總阻力損失管出口彎管閥門管入口fswpugzwpugz 2222121122機械能衡算方程：機械能衡算方程：2222udludllwef 2-2面取在出口內(nèi)側(cè)時，wf中應(yīng)不包括出口阻力損失，但出口截面處的動能222u22u2特別注意：特別注意：管出口截面的選取位置不同，管出口截面的選取位置不同，總阻力損失大小略有不同，但機械能衡算總阻力損失大小略有不同，但機械能衡算方程結(jié)果相同。見下圖：方程結(jié)果相同。見下圖：請思考：請思考：如下圖所示的管路系統(tǒng)，其總阻力損失應(yīng)計入哪幾項？如下圖所示的管路系統(tǒng)，其總阻力損失應(yīng)計入哪幾項？試分

37、別列出來。試分別列出來。0222 u22u2化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章44/111 pa pB z？ B A 【例例】 總阻力損失的計算總阻力損失的計算如圖所示，將敞口高位槽如圖所示，將敞口高位槽A中密度中密度870 kg m-3、黏度、黏度0.8 mPa s的溶液自的溶液自流送入設(shè)備流送入設(shè)備B中。中。pB=10 kPa，閥門前、后的輸送管道分別為，閥門前、后的輸送管道分別為 38 2.5 mm和和 32 2.5 mm的無縫鋼管，閥門前、后直管段部分總長分別為的無縫鋼管，閥門前、后直管段部分總長分別為10 m和和8 m，管路上有一個，管路上有一個90 彎頭、一個標準閥

38、（全開）。為使溶液能以彎頭、一個標準閥（全開）。為使溶液能以4 m3 h-1的的流量流入設(shè)備流量流入設(shè)備B中，問中，問 z 為多少米？為多少米？解：解：1 11 12 22 2在面在面1-11-1與與2-22-2間列機械能衡算式：間列機械能衡算式： 閥閥后后閥閥前前ffwwpugzpugz 2222121122注：注：面面2-22-2取在取在管出口內(nèi)側(cè)、外管出口內(nèi)側(cè)、外測均可，這里取測均可，這里取在內(nèi)側(cè)。在內(nèi)側(cè)?；ぴ砘ぴ黼娮咏贪鸽娮咏贪? /第一章第一章45/111 pa pB z？ B A 密度密度870 kg m-3、黏度、黏度0.8 mPa s。pB=10 kPa，閥門前、后的輸

39、送管道，閥門前、后的輸送管道分別為分別為 38 2.5 mm和和 32 2.5 mm的無縫鋼管，閥門前、后直管段部分總的無縫鋼管，閥門前、后直管段部分總長分別為長分別為10 m和和8 m，管路上有一個，管路上有一個90 彎頭、一個標準閥（全開）。流彎頭、一個標準閥（全開）。流量量4 m3 h-11 11 12 22 222870101022222113221udludlugz 30. 14033. 03600442211 dVus431111067. 4108 . 087030. 1033. 0Re ud4000 m s-1查表查表1-1取管壁絕對糙度取管壁絕對糙度 =0.2 mm /d1=0

40、.00606查圖查圖1-27 1=0.0322230. 1033. 010032. 02222udl 閥閥前前化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章46/111 pa pB z？ B A 密度密度870 kg m-3、黏度、黏度0.8 mPa s。pB=10 kPa，閥門前、后的輸送管道，閥門前、后的輸送管道分別為分別為 38 2.5 mm和和 32 2.5 mm的無縫鋼管，閥門前、后直管段部分的無縫鋼管，閥門前、后直管段部分總長分別為總長分別為10 m和和8 m，管路上有一個，管路上有一個90 彎頭、一個標準閥（全開）。彎頭、一個標準閥（全開）。流量流量4 m3 h-11 11

41、12 22 24000 m s-1 /d2=0.2/27=0.0074查圖查圖1-27 2=0.033突然縮小突然縮小 1=0.5，查表查表1-2知知 90 彎頭彎頭 2=0.75 94. 14027. 03600442222 dVus432221070. 5108 . 087094. 1027. 0Re ud22870101022222113221udludlugz 2230. 1033. 010032. 02222udl 閥閥前前+0.5+0.75294. 1027. 08033. 02 閥閥后后 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章47/111294. 1027. 0803

42、3. 02 閥閥后后 pa pB z？ B A 密度密度870 kg m-3、黏度、黏度0.8 mPa s。pB=10 kPa，閥門前、后的輸送管道，閥門前、后的輸送管道分別為分別為 38 2.5 mm和和 32 2.5 mm的無縫鋼管，閥門前、后直管段部分總的無縫鋼管，閥門前、后直管段部分總長分別為長分別為10 m和和8 m，管路上有一個，管路上有一個90 彎頭、一個標準閥（全開）。流彎頭、一個標準閥（全開）。流量量4 m3 h-11 11 12 22 28701010294. 1321 gz查表查表1-2知知標準閥（全開）標準閥（全開） =6.40.5+0.75230. 1033. 010

43、032. 02 mz41. 51 6.4作業(yè)：作業(yè)：返回目錄返回目錄化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章48/1111 11 1221110m2 22 2解：以水槽液面為上游截面1-1，高位槽液面為下游截面2-2，并以截面1-1為基準水平面。如圖如圖1所示，用泵將所示，用泵將20的水以每小時的水以每小時20m3的輸送量從低位敞口水槽的輸送量從低位敞口水槽輸送至高位槽內(nèi)，高位槽上方的氣體壓強為輸送至高位槽內(nèi)，高位槽上方的氣體壓強為0.2103Pa(表壓表壓)，兩槽液面，兩槽液面均維持恒定，期間的垂直距離為均維持恒定，期間的垂直距離為10m。輸送管路直徑為。輸送管路直徑為83mm3.

44、5mm，直管部分的總長度為直管部分的總長度為100m，管壁絕對粗糙度，管壁絕對粗糙度 ， 管路中有管路中有3個標準直角彎頭、個標準直角彎頭、1個全開的閘閥、個全開的閘閥、2個三通及個三通及1個搖板式止回閥。個搖板式止回閥。20水的密度為水的密度為998.2kg/m3，黏度為，黏度為1.00410-3Pa.s，試計算：若泵的效率為，試計算：若泵的效率為70%，計算泵的軸功率。，計算泵的軸功率。=0.3mm化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章49/111在截面在截面1-11-1與與2-22-2之間列伯努利方程：之間列伯努利方程：2211221222efupupgZWgZh式中式中Z1

45、=0，Z2=10，p1=0(表壓表壓)，p2=0.2103Pa(表壓表壓)，水槽和高位槽的截面遠大于管道截面，水槽和高位槽的截面遠大于管道截面，故故u10，u20，列伯努利方程簡化為：，列伯努利方程簡化為：2230.210=9.8110+35.35=133.65J/kg998.2efpWgZh化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章50/111泵的有效功率：泵的有效功率：所以泵的軸功率：所以泵的軸功率：20133.65998.2741.23600eese sNW WWVW741.21140.30.65epNNW化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章51/111第五節(jié)第五節(jié)

46、流量測量流量測量一、變壓頭流量計一、變壓頭流量計下面介紹根據(jù)流體力學(xué)原理而制作的測量流量的儀器下面介紹根據(jù)流體力學(xué)原理而制作的測量流量的儀器變壓頭流量計變壓頭流量計變截面流量計變截面流量計測速管測速管孔板流量計孔板流量計文丘里流量計文丘里流量計 gRppA 01、測速管：又稱皮托（、測速管：又稱皮托（Pitot）管）管 u A R p結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：如圖所示如圖所示。測速原理：測速原理：ggpgpA22A 02Rg2A 02gRA化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章52/1111 1、測速管、測速管 u A R 測速管加工及使用注意事項：測速管加工及使用注意事項：u測速管的尺寸不可過

47、大，一般測速管直徑不應(yīng)超過管道直徑的測速管的尺寸不可過大，一般測速管直徑不應(yīng)超過管道直徑的1/15。u測速管安裝時，必須保證安裝點位于充分發(fā)展流段，一般測量點的測速管安裝時，必須保證安裝點位于充分發(fā)展流段，一般測量點的上、下游最好各有上、下游最好各有50d 以上的直管段作為穩(wěn)定段。以上的直管段作為穩(wěn)定段。u測速管管口截面要嚴格垂直于流動方向。測速管管口截面要嚴格垂直于流動方向。優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、阻力小、使用方便，尤其適用結(jié)構(gòu)簡單、阻力小、使用方便，尤其適用于測量氣體管道內(nèi)的流速。于測量氣體管道內(nèi)的流速。缺點：缺點：不能直接測出平均速度；不能直接測出平均速度；壓差計讀數(shù)小，常須放大才能讀得準

48、確。壓差計讀數(shù)小，常須放大才能讀得準確。問：問：若不垂直會怎樣？若不垂直會怎樣？化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章53/111 p2 2(縮脈縮脈) 2 p0 0 0 1 1 p1 R 一、變壓頭流量計一、變壓頭流量計測速管測速管孔板流量計孔板流量計文丘里流量計文丘里流量計2孔板流量計孔板流量計結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：如圖所示如圖所示。測量原理：測量原理：孔板孔板 測出孔板上、下游兩個固定測出孔板上、下游兩個固定位置之間的壓差，便可計量出位置之間的壓差，便可計量出流量的大小。流量的大小。 取壓方法：取壓方法： 采用角接法（取壓口在法蘭上）采用角接法（取壓口在法蘭上） 思考：思考： 1 1、

49、2 2間的壓力分布為何呈現(xiàn)間的壓力分布為何呈現(xiàn)上圖所示的形狀？上圖所示的形狀？化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章54/1112孔板流量計孔板流量計優(yōu)點：優(yōu)點：構(gòu)造簡單，制造和安裝都很方便構(gòu)造簡單，制造和安裝都很方便缺點：缺點：機械能損失（稱之為機械能損失（稱之為永久損失永久損失）大，）大， 當(dāng)當(dāng)d0/d1=0.2時，永久損失約為測得時，永久損失約為測得 壓差的壓差的90%， 常用的常用的d0/d1=0.5情形下，永久損失情形下，永久損失 也有也有75%。u安裝時應(yīng)在其上、下游各有一段直管段作為穩(wěn)定段，安裝時應(yīng)在其上、下游各有一段直管段作為穩(wěn)定段，上上游長度至少應(yīng)為游長度至少應(yīng)為10d1，下游為，下游為5d1 使用時的注意事項使用時的注意事項： p2 2(縮脈縮脈) 2 p0 0 0 1 1 p1 R 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第一章第一章55/111一、變壓頭流量計一、變壓頭流量計 000002gRACAuVs3文丘里（文丘里（Venturi）流量計）流量計收縮段錐角通常取收縮段錐角通常取15 25 ，擴大段錐角要取得小些，一般為擴大段錐角要取得小些，一般為5 7 測速管測速管孔板流量計孔板流量計文丘里流量計文丘里流量計請點擊看動畫請點擊看動畫優(yōu)點：優(yōu)點：其永久損失小，故尤其適