化工原理(第二版)第一章流體流動(dòng)

1、1化工原理Principles of Chemical Engineeringor Unit Operations of Chem. Eng.趙明舉 化工系副教授電話：186 2426 1526Email：2Contents (outline) 第一章 流體流動(dòng)與輸送設(shè)備 第三章 傳熱 第五章 氣體吸收 第六章 蒸餾 以上為全部授課與考試內(nèi)容3平時(shí)成績(jī) 學(xué)院平臺(tái)課，6個(gè)專業(yè)的授課、考試內(nèi)容都一樣，授課教師統(tǒng)一出題，考試周，閉卷。 平時(shí)成績(jī)占30%（出勤、作業(yè)）4Preface 化工歷史回顧化工歷史回顧 化工工藝；單元操作；傳遞過(guò)程 化工研究的基本問(wèn)題？化工研究的基本問(wèn)題？ 過(guò)程的平衡和限度 化

2、工熱力學(xué) 過(guò)程的速率和實(shí)現(xiàn)過(guò)程所需要的設(shè)備 化學(xué)反應(yīng)速率和設(shè)備化學(xué)反應(yīng)速率和設(shè)備化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和和化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 物理過(guò)程速率和設(shè)備物理過(guò)程速率和設(shè)備 化工傳遞過(guò)程化工傳遞過(guò)程和和化工單元操作化工單元操作5 1 Introduction 1 Definitions and Principles Section 2 Fluid Mechanics 2 Fluid Statics and Its Applications 3 Fluid Flow Phenomena 4 Basic Equations of Fluid Flow 5 Incompressible Flow

3、in Pipes and Channels 6 Flow of Compressible Fluids 7 Flow past Immersed Objects 8 Transportation and Metering of Fluids 9 Agitation and Mixing of Liquids Section 3 Heat Transfer and Its Applications 10 Heat Transfer by Conduction 11 Principles of Heat Flow in Fluids 12 Heat Transfer to Fluids witho

4、ut Phase Change 13 Heat Transfer to Fluids with Phase Change 14 Radiation Heat Transfer 15 Heat-Exchange Equipment 16 Evaporation Section 4 Mass Transfer and Its Applications 17 Principles of Diffusion and Mass Transfer between Phases 18 Gas Absorption 19 Humidification Operations 20 Equilibrium-Sta

5、ge Operations 21 Distillation 22 Introduction to Multicomponent Distillation 23 Leaching and Extraction 24 Drying of Solids 25 Fixed-Bed Separatons 26 Membrane Separation Processes 27 Crystallization Section 5 Operations Involving Particulate Solids 28 Properties and Handling of Particulate Solids 2

6、9 Mechanical Separations6第一章 流體流動(dòng)與輸送機(jī)械質(zhì)質(zhì)量量傳傳遞遞熱熱量量傳傳遞遞動(dòng)動(dòng)量量傳傳遞遞三三傳傳液體液體氣體氣體流體流體71.1 流體的基本性質(zhì) 1連續(xù)介質(zhì)假定（continuum model）：把流體視為由無(wú)數(shù)個(gè)流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）所組成，這些流體微團(tuán)緊密接觸，彼此沒(méi)有間隙。Vs quantum 2.易流動(dòng)性，無(wú)固定形狀 3. 壓縮性（compressibility）不不可可壓壓縮縮流流體體可可壓壓縮縮流流體體81.1 流體的基本性質(zhì) 4 密度（density） 5. 比容 （specific volume）單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。Vmkg

7、/m3 1mVvm3/kg 9混合液體的密度計(jì)算 假設(shè)各組分在混合前后體積不變，則有 nnmaaa22111naaa21,液體混合物中各組分的質(zhì)量分率。例如，酒、牛奶10例題+作業(yè)1 Page 75. 1-2 已知20時(shí)苯和甲苯的密度分別為879kg/m3和867kg/m3，試計(jì)算含苯40 %（質(zhì)量）【作業(yè)：(40+學(xué)號(hào)后兩位)%】及甲苯60%【 (60-學(xué)號(hào)后兩位)%】 的混合密度。871.88790.68670.4867879m8678798790.68670.48676 . 08794 . 01m11混合氣體的密度計(jì)算 各組分在混合前后質(zhì)量不變，則有 nnm2211氣體混合物中各組分的體

8、積分率。 n21,RTpMmm12例題+作業(yè)2 Page 75. 1-1 某煙道氣的組成為CO213%，N276%，H2O11%（體積%），試求此混合氣體在500 【作業(yè)：500-學(xué)號(hào)后兩位10】、101.3kPa時(shí)的密度。 解：平均摩爾質(zhì)量： Mm=440.13+280.76+180.11 =28.98g/mol33457kg/m. 0 88/10009 .2810101.3）（m131.1.5 壓力 流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，習(xí)慣上又稱為壓力。 SI制單位：N/m2或Pa；標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、工程大氣壓的換算關(guān)系：1atm = 1.013105Pa

9、=760mmHg =10.33m H2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar1at = 9.807104Pa =735.6mmHg =10. m H2O=1. kgf/cm2=0.9807bar14或以流體柱高度表示 ：ghp注意注意：用液柱高度表示壓力時(shí)，必須指明流體的種類， 如600mmHg，10mH2O等。 壓力的表示方法壓力的表示方法 絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力absolute pressureabsolute pressure以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力。 表壓表壓gauge pressure或真空度或真空度vacuum 以大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力。15表 壓 = 絕對(duì)壓力 大氣壓力at

10、mosphere真空度 = 大氣壓力 絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力 絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力 絕對(duì)真空絕對(duì)真空 表壓表壓 真空度真空度 1p2p大氣壓大氣壓 16 某地區(qū)大氣壓力為101.3kPa，一操作中的吸收塔塔內(nèi)表壓為130kPa。若在大氣壓為75kPa【作業(yè)：75+學(xué)號(hào)后兩位/2】kPa的高原地區(qū)操作該吸收塔，且保持塔內(nèi)絕對(duì)壓力相同，則此時(shí)的表壓為多少？ 解：A地區(qū)塔內(nèi)的絕對(duì)壓力=101.3+130=231.3kPa，為維持塔內(nèi)的絕對(duì)壓力為231.3，在高原B地區(qū)的表壓=231.3-75=156.3kPa例題+作業(yè)3 Page 75. 1-317例例1-3某臺(tái)離心泵進(jìn)、出口壓力表讀數(shù)分別為220m

11、mHg(真空度)及1.7kgf/cm2(表壓)。若當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?60mmHg，試求它們的絕對(duì)壓力各為若干（以法定單位表示）？ 1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O=1.033kgf/cm218解: 泵進(jìn)口絕對(duì)壓力P1=760-220=540mmHg=540/7601.013105 Pa=71796 Pa泵出口絕對(duì)壓力P2=1.7+1.033 = 2.733 kgf/cm2=2.733/1.033*1.013105 Pa=2.680105 Pa 1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O=1.033kgf/cm219例1

12、-4:已知甲地平均大氣壓為750mmHg,乙地平均大氣壓為756mmHg,某真空蒸餾塔在甲地操作時(shí),塔頂真空表讀數(shù)為650mmHg,若把該蒸餾塔移到乙地操作時(shí),若要維持與甲地操作時(shí)具有相同的絕壓,真空表的讀數(shù)應(yīng)是多少帕?201.21.2、流體靜力學(xué)、流體靜力學(xué)重力場(chǎng)中對(duì)液柱進(jìn)行受力分析：Ap11F （1）上端面所受總壓力 Ap22F （2）下端面所受總壓力 （3）液柱的重力)(21zzgAG設(shè)流體不可壓縮，.Constp0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下21液柱處于靜止時(shí)，上述三項(xiàng)力的合力為零:0)(2112zzgAApAp)(2112zzgppgzpgzp2211靜力學(xué)基本方程靜力

13、學(xué)基本方程 壓力形式能量形式22討論：討論：（1）適用于重力場(chǎng)中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性流體；（2）物理意義：物理意義：zg單位質(zhì)量流體所具有的位能potential energy，J/kg；p單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能hydrostatic energy，J/kg。 在同一靜止流體中，處在不同位置流體的位能和靜壓能各不相同，但二者可以轉(zhuǎn)換，其總和保持不變 。23（3）在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓等壓面面。（4）壓力具有傳遞性壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。 24二、二、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用靜力

14、學(xué)基本方程的應(yīng)用 1. 壓力及壓力差的測(cè)量壓力及壓力差的測(cè)量 （1）U形壓差計(jì)形壓差計(jì) U-tube manometer設(shè)指示液的密度為 ，被測(cè)流體的密度為 。 0A與A面 為等壓面，即AApp)(1RmgppAgRgmppA02而p1p2mRAA25所以gRgmpRmgp021)(整理得gRpp)(021若被測(cè)流體是氣體， ，則有0021Rgpp26討論：討論：（1）U形壓差計(jì)可測(cè)系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差，當(dāng)將U形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也可測(cè)得流體的表壓或真空度； 表壓真空度p1pap1pa27（2）指示液的選?。?指示液與被測(cè)流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 其密度要大于被測(cè)流體密

15、度。 應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體的種類及壓差的大小選擇指示液。 28思考：思考：若U形壓差計(jì)安裝在傾斜管路中，此時(shí)讀數(shù) R反映了什么？gzzgRpp)()(12021p1p2z2RAAz129（2）雙液體雙液體U管壓差計(jì)管壓差計(jì) 擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10 。)(CA 密度接近但不互溶的兩種指示 液A和C ；適用于壓差較小的場(chǎng)合。)(21CARgpp30（3） 倒倒U形壓差計(jì)形壓差計(jì) inverted U-Tube manometerRgRgpp)(021 指示劑密度小于被測(cè)流體密度，如空氣作為指示劑 （5） 復(fù)式壓差計(jì)復(fù)式壓差計(jì) （4） 傾斜式傾斜式壓差計(jì)壓差計(jì) inclined適用于壓差較小的

16、情況。適用于壓差較大的情況。31 p1 R p2 R 0 傾傾斜斜式式壓壓差差計(jì)計(jì)3233例例1-2 如附圖所示，水在水平管道內(nèi)流動(dòng)。為測(cè)量流體在某截面處的壓力，直接在該處連接一U形壓差計(jì)， 指示液為水銀，讀數(shù) R250mm，m900mm。已知當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3kPa，水的密度1000kg/m3，水銀的密度13600kg/m3。試計(jì)算該截面處的壓力。 34解: pA= pA pA=p+mg + 0 RgpA = p0p0 =p+mg + 0 Rgp = p0 -mg -0 Rg =101.3*1000 1000*0.9*9.81 13600*9.81*0.2535例例1-4 如附圖所示，蒸

17、汽鍋爐上裝一復(fù)式壓力計(jì)，指示液為水銀，兩U形壓差計(jì)間充滿水。相對(duì)于某一基準(zhǔn)面，各指示液界面高度分別為 Z0=2.1m, Z2=0.9m, Z4=2.0m, Z6=0.7m, Z7=2.5m。 試計(jì)算鍋爐內(nèi)水面上方的蒸汽壓力。362. 液位測(cè)量液位測(cè)量 （1 1）近距離液位測(cè)量裝置）近距離液位測(cè)量裝置 壓差計(jì)讀數(shù)R反映出容器內(nèi)的液面高度。 Rh0 液面越高，h越小，壓差計(jì)讀數(shù)R越??；當(dāng)液面達(dá)到最高時(shí)，h為零，R亦為零。37（2 2）遠(yuǎn)距離液位測(cè)量裝置）遠(yuǎn)距離液位測(cè)量裝置 BApp 管道中充滿氮?dú)?，其密度較小，近似認(rèn)為 ghppaAgRppaB0Rh0而所以 AB383. 液封高度的計(jì)算液封高度的

18、計(jì)算 液封作用： 確保設(shè)備安全：當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，氣體從液封管排出； 防止氣柜內(nèi)氣體泄漏。gph)(表液封高度：391.2 流體在流體在管內(nèi)的流動(dòng)管內(nèi)的流動(dòng)1.2.1 流體的流量與流速流體的流量與流速 1.2.2 定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)1.2.3 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 1.2.4 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒 柏努利方程柏努利方程 401.3 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 1. 體積流量體積流量volumetric flow rate 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積。 VSm3/s或m3/h2.2.質(zhì)量流量質(zhì)

19、量流量massmass flow rate 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量。 mSkg/s或kg/h。 ssVm 二者關(guān)系：一、流量一、流量flow rate1.3.1 流體的流量與流速流體的流量與流速41二、流速二、流速2. 2. 質(zhì)量流速質(zhì)量流速 mass velocity單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。 流速流速velocityvelocity （平均平均流速）流速）average velocity單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離。 AVuskg/（m2s）uAVAmGss流量與流速的關(guān)系： GAuAVmssm/s42uVds4對(duì)于圓形管道：流量VS一般由生產(chǎn)任務(wù)

20、決定。流速選擇：三、管徑的估算管徑的估算 d 設(shè)備費(fèi)用 u 流動(dòng)阻力 動(dòng)力消耗 操作費(fèi)均衡考慮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)43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 13 m/s粘度較大的液體 0.51 m/s低壓氣體 815 m/s壓力較高的氣體 1525 m/s 44【例1-7】 某廠要求安裝一根輸水量為30m3/h的管路，試選擇合適的管徑。 45解：根據(jù)式1-20計(jì)算管徑 d= 式中 Vs= m3/s參考表1-1選取水的流速u=1.8m/s 查附錄二十二中管子規(guī)格，確定選用894（外徑89mm，壁厚4mm）的管子，其內(nèi)徑為： d=89（42

21、）=81mm=0.081m因此，水在輸送管內(nèi)的實(shí)際流速為： uVs4360030mm77m077.08 .1785.0360030dm/s621081078503600302.u46 1.2.2 定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)steady flowsteady flow：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量?jī)H隨位置變化，而不隨時(shí)間變化； 非定態(tài)流動(dòng)非定態(tài)流動(dòng)unsteady flowunsteady flow：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時(shí)間變化。),(,zyxfupT),(,zyxfupT471.2.3 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒連續(xù)

22、性方程連續(xù)性方程 對(duì)于定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)，在管路中流體沒(méi)有增加和漏失的情況下： 21ssmm222111AuAu推廣至任意截面 常數(shù)uAAuAums222111連續(xù)性方程連續(xù)性方程equation of continuity11 2 248常數(shù)uAAuAuVs2211不可壓縮性流體，.Const圓形管道 ：2121221ddAAuu 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 。49【例1-8】 在穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，水連續(xù)從粗管流入細(xì)管。粗管內(nèi)徑d1=10cm，細(xì)管內(nèi)徑d2=5cm，當(dāng)流量為4103m3/s時(shí)，求粗管內(nèi)和細(xì)管內(nèi)水的流速？ 50解：根據(jù)式1-20 根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性方

23、程 u1A1=u2A2由此 u2=4u1=40.51=2.04m/s m/s51.01.041042311AVuS倍4510222112dduu511.2.4 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒柏努利方程柏努利方程bernoullibernoullis equations equation 一、總能量衡算一、總能量衡算qeWep2,u2,2p1,u1,1221100z2z152（1）內(nèi)能inner energy 貯存于物質(zhì)內(nèi)部的能量。 1kg流體具有的內(nèi)能為U（J/kg）。衡算范圍：1-1、2-2截面以及管內(nèi)壁所圍成 的空間衡算基準(zhǔn)：1kg流體基準(zhǔn)面：0-0水平面（2）位能poten

24、tial energy 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zg（J/kg）。 53（3）動(dòng)能kinetic energy 1kg的流體所具有的動(dòng)能為 (J/kg) 221u（ 4 ） 靜 壓 能 hgdrostatic energy靜壓能= pVAVpAFl1kg的流體所具有的靜壓能為 pmpV(J/kg)（5）熱heat 設(shè)換熱器向1kg流體提供的熱量為 (J/kg)。 eqlAV54（6）外功(有效功)external work 1kg流體從流體輸送機(jī)械所獲得的能量為We (J/kg)。2222221121112121pugzUqWpugzUeepuzgUq

25、Wee221以上能量形式可分為兩類： 機(jī)械能mechanical energy ：位能、動(dòng)能、靜壓能 及外功，可用于輸送流體； 內(nèi)能與熱：不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔土黧w的能量。552實(shí)際流體實(shí)際流體real fluidreal fluid的機(jī)械能衡的機(jī)械能衡算算 假設(shè) 流體不可壓縮， 則 流動(dòng)系統(tǒng)無(wú)熱交換，則 流體溫度不變， 則 21 0eq21UU (1) 以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn) 設(shè)1kg流體損失的能量為Wf（J/kg），有： feWpugzWpugz222212112121(1)式中各項(xiàng)單位為J/kg。并且實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)有能量損失。56（2）以單位重量流體為基準(zhǔn) 將(1)式各項(xiàng)同除重力加速度g :g

26、WgpugzgWgpugzfe222212112121令 gWHeegWhff則 fehgpugzHgpugz222212112121（2）式中各項(xiàng)單位為mNJkgNkgJ/57z 位壓頭gu22動(dòng)壓頭He外加壓頭或有效壓頭。gp靜壓頭總壓頭hf壓頭損失58（3）以單位體積流體為基準(zhǔn) 將(1)式各項(xiàng)同乘以 :feWpugzWpugz222212112121式中各項(xiàng)單位為PamJmkgkgJ33（3）feppugzWpugz222212112121fp壓力損失593理想流體理想流體ideal or perfect fluidideal or perfect fluid的機(jī)械能的機(jī)械能衡算衡算 理

27、想流體是指流動(dòng)中沒(méi)有摩擦阻力的流體。 gpugzgpugz222212112121222212112121pugzpugz（4）（5）柏努利方程式柏努利方程式 604. 4. 柏努利方程的討論柏努利方程的討論 （1）若流體處于靜止，u=0，Wf=0，We=0，則柏努利方程變?yōu)?說(shuō)明柏努利方程即表示流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律 。2211pgzpgz（2）理想流體在流動(dòng)過(guò)程中任意截面上總機(jī)械能、總壓頭為常數(shù)，即.212Constpuzg.212Constgpugz6162 We、Wf 在兩截面間單位質(zhì)量流體獲得或消耗的能量。（3）zg、 、 某截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動(dòng)能和靜

28、壓能 ；p221u有效功率 ：eseWmN 軸功率 ：eNN 63（4）柏努利方程式適用于不可壓縮性流體。 對(duì)于可壓縮性流體，當(dāng) 時(shí)，仍可用該方程計(jì)算，但式中的密度應(yīng)以兩截面的平均密度m代替。%20121 ppp644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； 輸送設(shè)備的功率； 管路中流體的壓力； 容器間的相對(duì)位置等。利用柏努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：65（1）根據(jù)題意畫出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流動(dòng)方向，定出上、下游截面，明確流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍 ；（2）位能基準(zhǔn)面的選取 必須與地面平行； 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)面應(yīng)選過(guò)管中心

29、線的水平面。 步驟：66（4）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。 （3）截面的選取 與流體的流動(dòng)方向相垂直； 兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動(dòng)； 截面宜選在已知量多、計(jì)算方便處。 67 例例1-8 如附圖所示，從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液hpa管為452.5mm的鋼管，要求送液量為4.2m3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為1.4m（不包括出口能量損失），試問(wèn)高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？68解：取管出口高度的00為基準(zhǔn)面，高位槽的液面為11截面，因要求計(jì)算高位槽的液面比塔入口處高出多少米，所以把11截面選在此就可以直接

30、算出所求的高度x，同時(shí)在此液面處的u1及p1均為已知值。22截面選在管出口處。在11及22截面間列柏努利方程： fhupgZupgZ2222222111式中p1=0（表壓），u10，Z1=h；p2=0（表壓），u2=V/(d2/4)=4.2/(3.140.042)3600=0.9289m/s，Z2=0， =1.4g將上述各項(xiàng)數(shù)值代入，則h=0.0440+1.4=1.44 動(dòng)能項(xiàng)很小fh9.811.429289. 09.81h2691.4 流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4.1 流體的流動(dòng)型態(tài)流體的流動(dòng)型態(tài) 1.4.2 流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布701.4.1 流體的流

31、動(dòng)型態(tài)流體的流動(dòng)型態(tài) 一、一、雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn) Reynolds experiment（1883，德國(guó)，德國(guó)，18421912）71 層流層流（或滯流滯流）laminar flow or viscous flow：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無(wú)徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合； 湍流湍流（或紊流紊流）turbulent flow ：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。二、二、流型判據(jù)流型判據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)Reynolds numberReynolds number udReL0M00無(wú)因次數(shù)群72判斷流型判斷流

32、型Re2000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000 Re 4000故管中為湍流. (2)因?qū)恿髯畲罄字Z數(shù)為2000,即 Re=dumax/=2000故管中水保持層流的最大流速. umax=(20000.001005)/(0.025998.2)=0.080m/s761.4.2 流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布 速度分布：流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí),管截面上 質(zhì)點(diǎn)的速度隨半徑的變化關(guān)系。 一、層流時(shí)的速度分布一、層流時(shí)的速度分布 X0=0.05dRe77由壓力差產(chǎn)生的推力 221)(rpp流體層間內(nèi)摩擦力page8 drudrldrudAF.)

33、2(drudrlrpp.221)2()(rlppdrud2)(21.)(4)(2221.rRlppu管壁處rR時(shí)，0，可得速度分布方程 .u78管中心流速為最大，即r0時(shí)， umax .u221max4)(Rlppu2max.1Rruu管截面上的平均速度 :max.uRrdruAVuRS21220即層流流動(dòng)時(shí)的平均速度為管中心最大速度的1/2。 即流體在圓形直管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)，其速度呈拋物線分布。79二、湍流時(shí)的速度分布二、湍流時(shí)的速度分布 剪應(yīng)力 ：dyude.)(e為湍流粘度，與流體的流動(dòng)狀況有關(guān)。 nRruu1max.湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式：80)2)(1(212212max02max20m

34、ax20nnurdrRrRuRrdrRruRrdruAVuRn.RnR.SnRruu1max.81101102 . 3Re71,102 . 3Re101 . 161,101 . 1Re10466554nnnn與Re有關(guān)，取值如下： 71n當(dāng) 時(shí)，流體的平均速度 :max.uAVuS8208 流體流動(dòng)邊界層流體流動(dòng)邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展一、邊界層的形成與發(fā)展 流動(dòng)邊界層：存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域， 即流速降為主體流速的99以內(nèi)的區(qū)域。 邊界層厚度：邊界層外緣與壁面間的垂直距離。%uuxy99083流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層：流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層： Re=ux/X

35、指離平壁前沿的距離%uuxy9984 邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）boundary layerboundary layer：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮粘度的影響，剪應(yīng)力不可忽略。 主流區(qū)（邊界層外）主流區(qū)（邊界層外）main flow areamain flow area：速度梯度很小，剪應(yīng)力可以忽略，可視為理想流體 。85邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層：在平板的前段，邊界層內(nèi)的流型為層流。湍流邊界層：離平板前沿一段距離后，邊界層內(nèi)的流型轉(zhuǎn)為湍流。 86流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層 87進(jìn)口段長(zhǎng)度：層流：湍流：Re05. 00dx504

36、00dx88湍流流動(dòng)時(shí)：89 湍流主體湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化； 過(guò)渡層過(guò)渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)； 層流內(nèi)層層流內(nèi)層：速度脈動(dòng)較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)。層流內(nèi)層為傳遞過(guò)程的主要阻力層流內(nèi)層為傳遞過(guò)程的主要阻力Re越大，湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層厚度越薄。902. 邊界層的分離ABS 91A C：流道截面積逐漸減小，流速逐漸增加，壓力逐漸減小（順壓梯度）；C S：流道截面積逐漸增加，流速逐漸減小，壓力逐漸增加（逆壓梯度）；S點(diǎn)：物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)在逆壓梯度和粘性剪應(yīng)力的作用下，速度降為0。SS以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流

37、回來(lái)，形成渦流，出現(xiàn)邊界層分離。92邊界層分離的后果：邊界層分離的后果： 產(chǎn)生大量旋渦； 造成較大的能量損失。邊界層分離的必要條件：邊界層分離的必要條件： 流體具有粘性； 流動(dòng)過(guò)程中存在逆壓梯度。931.5 流體流動(dòng)阻力流體流動(dòng)阻力1.5.1 直管阻力直管阻力1.5.2 局部阻力局部阻力 941.5 1.5 流體流動(dòng)阻力流體流動(dòng)阻力直管阻力：直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于內(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、閥門等局部地方由于流速 大小及方向的改變而引起的阻力。 1.5.1 直管阻力直管阻力一、阻力的表現(xiàn)形式一、阻力的表現(xiàn)形式 95流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。fW

38、pugzpugz2222121121219621uu 21zz 21ppWf若管道為傾斜管，則 )()(2211gzpgzpWf 流體的流動(dòng)阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少； 水平安裝時(shí)，流動(dòng)阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。 97二、二、直管阻力的通式直管阻力的通式 由于壓力差而產(chǎn)生的推動(dòng)力：4221dpp流體的摩擦力：dlAFdldpp4)(221dlWf42822udluWf令 28u定態(tài)流動(dòng)時(shí)21ppWf98直管阻力通式（范寧Fanning公式） 其它形式：摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)） friction factor 則 22udlWfJ/kg壓頭損失gudlhf22m壓力損失22udlpfPa 該公式層

39、流與湍流均適用； 注意 與 的區(qū)別。pfp99三、三、層流時(shí)的摩擦系數(shù)層流時(shí)的摩擦系數(shù) max21uu 221max4)(Rlppu速度分布方程page25 1-282dR 22132)(dlupp232dlupf又哈根哈根-泊謖葉泊謖葉 （Hagen-Poiseuille）方程方程 221)2(4)(2dlppu100232dluWf能量損失 層流時(shí)阻力與速度的一次方成正比 。2Re6426432222udludluddluWfRe64變形：比較得ReC正方形 C57套管環(huán)隙 C96 101四、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)四、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)1. 因次分析法因次分析法 目的目的：（1）減少實(shí)驗(yàn)工作量；

40、（2）結(jié)果具有普遍性，便于推廣?；A(chǔ)基礎(chǔ)：因次一致性 即每一個(gè)物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等， 而且每一項(xiàng)都應(yīng)具有相同的因次。102基本定理基本定理：白金漢（Buckinghan）定理定理 設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨(dú)立變量數(shù)為n個(gè)，這些變量的基本因次數(shù)（量綱數(shù)）為m個(gè)，則該物理現(xiàn)象可用N（nm）個(gè)獨(dú)立的無(wú)因次數(shù)群表示。 湍流時(shí)壓力損失的影響因素：（1）流體性質(zhì)：，（2）流動(dòng)的幾何尺寸：d，l，（管壁粗糙度）（3）流動(dòng)條件：u103,ldufpf物理變量 n 7量綱數(shù) m3無(wú)因次數(shù)群 Nnm4 ddludupf,2無(wú)因次化處理式中：2upEuf歐拉（Euler）準(zhǔn)數(shù)即該過(guò)程可用4個(gè)無(wú)因次數(shù)群表示。10

41、4d相對(duì)粗糙度dl管道的幾何尺寸udRe雷諾數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，流體流動(dòng)阻力與管長(zhǎng)成正比，即 ddlupfRe,22Re,uddlpWff或)(Re,d105莫狄（Moody）摩擦因數(shù)圖：106（1）層流區(qū)（Re 2000） 與 無(wú)關(guān)，與Re為直線關(guān)系，即 ,即 與u的一次方成正比。dRe64uWffW（2）過(guò)渡區(qū)（2000Re4000) 將湍流時(shí)的曲線延伸查取值 。（3）湍流區(qū)（Re4000以及虛線以下的區(qū)域） )(Re,df107（4）完全湍流區(qū) （虛線以上的區(qū)域） 與Re無(wú)關(guān)，只與 有關(guān) 。d該區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。2uWfd一定時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式 ：（1）柏拉修斯（Blasius）式：25. 0R

42、e3164. 0適用光滑管Re5103105（2）考萊布魯克（Colebrook）式Re7 .182log274. 11d1082.2.管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響 光滑管：玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等；粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。絕對(duì)粗糙度絕對(duì)粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。相對(duì)粗糙度相對(duì)粗糙度 ： 絕對(duì)粗糙度與管內(nèi)徑的比值。d 層流流動(dòng)時(shí)： 流速較慢，與管壁無(wú)碰撞，阻力與 無(wú)關(guān)，只與Re有關(guān)。d109 湍流流動(dòng)時(shí)： 水力光滑管只與Re有關(guān)，與 無(wú)關(guān)。d 完全湍流粗糙管只與 有關(guān)，與Re無(wú)關(guān)。dd110說(shuō)明：（1）Re與Wf中的直徑用de計(jì)算；（2）層流時(shí)：ReC正

43、方形 C57套管環(huán)隙 C96 （3）流速用實(shí)際流通面積計(jì)算 。2785. 0esdVu 111例1-13: page 33例1-14: page 341121.5.2 局部阻力局部阻力 local resistence一、阻力系數(shù)法一、阻力系數(shù)法 將局部阻力表示為動(dòng)能的某一倍數(shù)。 22uWf或 guhf22局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù) J/kgJ/N=m113小管中的大速度121221u210)1 (uWAAf1. 突然擴(kuò)大1142.突然縮小7427.021)1(5.0AA突然縮小時(shí)， 注意：計(jì)算突然擴(kuò)大或突然縮小的局部阻力損失時(shí)，流速u均為小管中的流速1153. 管進(jìn)口及出口進(jìn)口：流體自容器進(jìn)入

44、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 空間。 出口出口 = 1 出口阻力系數(shù)出口阻力系數(shù)4 . 管件與閥門116 管管 管子的種類很多，目前已在化工廠中廣泛應(yīng)用的有鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬、塑料管及橡膠管等。鋼管又有有縫與無(wú)縫之分；有色金屬管又可分為紫鋼管、黃銅管、鉛管及鋁管等。有縫鋼管多用低碳鋼制成；無(wú)縫鋼管的材料有普通碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼以及不銹鋼等。不銹鋼管價(jià)格昂貴選用時(shí)應(yīng)慎重，但是在輸送強(qiáng)腐蝕性的液體或某些特殊要求的情況下，應(yīng)用也不少，如稀硝酸用管、混酸用管等。鑄鐵管常用于埋在地下的給水總管、煤氣管及污水管等。輸送濃硝酸、稀

45、硫酸則應(yīng)分別使用鋁管及鉛管。管徑常以AB表示，其中A指管外徑，B指管壁厚度，如108 4即管外徑為108mm，管壁厚為4mm。 117118119蝶閥蝶閥120121122閥門 閥門裝于管道中用以調(diào)節(jié)流量。常用的閥門有以下幾種。1.截止閥 截止閥，它是依靠閥盤的上升或下降，以改變閥盤與閥座的距離，以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。截止閥構(gòu)造比較復(fù)雜，在閥體部分流體流動(dòng)方向經(jīng)數(shù)次改變，流動(dòng)阻力較大。但這種閥門嚴(yán)密可靠，而且可較精確地調(diào)節(jié)流量，所以常用于蒸汽、壓縮空氣及液體輸送管道。若流體中含有懸浮顆粒時(shí)應(yīng)避免使用。2.閘閥 閘閥又稱為閘板閥。閘閥是利用閘板的上升或下降，以調(diào)節(jié)管路中流體的流量。閘閥構(gòu)造簡(jiǎn)單，

46、液體阻力小，且不易為懸浮物所堵塞，故常用于大直徑管道。其缺點(diǎn)是閘閥閥體高；制造、檢修比較困難。3.止逆閥 止逆閥又稱為單向閥。其功用在于只允許流體沿單方向流動(dòng)。當(dāng)流體自左向右流動(dòng)時(shí)，閥自動(dòng)開(kāi)啟；如遇到有反向流動(dòng)時(shí)，閥自動(dòng)關(guān)閉。止逆閥只能在單向開(kāi)關(guān)的特殊情況下使用。 123gudlhudlwefef2222或二、當(dāng)量長(zhǎng)度法二、當(dāng)量長(zhǎng)度法 將流體流過(guò)管件或閥門的局部阻力，折合成直徑相同、長(zhǎng)度為L(zhǎng)e的直管所產(chǎn)生的阻力 。Le 管件或閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度，m。124總阻力：2)(222udludllWef減少流動(dòng)阻力的途徑： 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； 管徑適當(dāng)大些

47、。125【例1-16】 page 39 1261.6 管路計(jì)算管路計(jì)算 1.6.1 簡(jiǎn)單管路簡(jiǎn)單管路 1.6.2 復(fù)雜管路復(fù)雜管路 1271.6 管路計(jì)算管路計(jì)算 1.6.1 簡(jiǎn)單管路簡(jiǎn)單管路 一、特點(diǎn)一、特點(diǎn) （1）流體通過(guò)各管段的質(zhì)量流量不變，對(duì)于不可壓縮流體，則體積流量也不變。 (2) 整個(gè)管路的總能量損失等于各段能量損失之和 。321ffffWWWWVs1,d1Vs3,d3Vs2,d2321SSSVVV不可壓縮流體321SSSmmm128二、管路計(jì)算二、管路計(jì)算基本方程：連續(xù)性方程：udVs24柏努利方程：2)(22211udlgzpWgzpe阻力計(jì)算（摩擦系數(shù)）：dud, 物性、一定

48、時(shí)，需給定獨(dú)立的9個(gè)參數(shù)，方可求解其它3個(gè)未知量。129（1）設(shè)計(jì)型計(jì)算 設(shè)計(jì)要求：規(guī)定輸液量Vs，確定一經(jīng)濟(jì)的管徑及供液點(diǎn)提供的位能z1(或靜壓能p1)。 給定條件： （1）供液與需液點(diǎn)的距離，即管長(zhǎng)l； （2）管道材料與管件的配置，即及 ； （3）需液點(diǎn)的位置z2及壓力p2； （4）輸送機(jī)械 We。選擇適宜流速確定經(jīng)濟(jì)管徑130（2）操作型計(jì)算 已知：管子d 、l，管件和閥門 ，供液點(diǎn)z1、p1， 需液點(diǎn)的z2、p2，輸送機(jī)械 We； 求：流體的流速u及供液量VS。 已知：管子d、 l、管件和閥門 、流量Vs等， 求：供液點(diǎn)的位置z1 ； 或供液點(diǎn)的壓力p1； 或輸送機(jī)械有效功We 。13

49、1 試差法計(jì)算流速的步驟：（1）根據(jù)柏努利方程列出試差等式；（2）試差：查假設(shè)duRe符合？可初設(shè)阻力平方區(qū)之值注意：若已知流動(dòng)處于阻力平方區(qū)或?qū)恿鳎瑒t無(wú)需 試差，可直接解析求解。132三、阻力對(duì)管內(nèi)流動(dòng)的影響pApBpaF11 22 AB 閥門F開(kāi)度減小時(shí)：（1）閥關(guān)小，閥門局部阻力系數(shù) Wf,A-B 流速u 即流量； 133 例題1-17 page42134（2）在1-A之間，由于流速u Wf,1-A pA ； （3）在B-2之間，由于流速u Wf,B-2 pB 。 結(jié)論結(jié)論：（1）當(dāng)閥門關(guān)小時(shí)，其局部阻力增大，將使管路中流量下降；（2）下游阻力的增大使上游壓力上升；（3）上游阻力的增大使下游壓力下降。 可見(jiàn)，管路中任一處的變化，必將帶來(lái)總體的變化，因此必須將管路系統(tǒng)當(dāng)作整體考慮。1351.5.2 復(fù)雜管路