化工原理PPT 流体流动.ppt

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1、化工原理PPT 流体流动 Four short words sum up what has lifted most successful Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more. individuals above the crowd: a little bit more. -author -author -date-date上海石油化工厂牡丹江石化青岛石化第一章第一章流体流动流体流动 流体的基本概念流体的基本概念 静力学方程及其

2、应用静力学方程及其应用 机械能衡算式及柏努机械能衡算式及柏努 利方程利方程 流体流动的现象流体流动的现象 流动阻力的计算、管路计算流动阻力的计算、管路计算 流体流体是指具有流动性的物体，包括是指具有流动性的物体，包括液体液体和和气体气体。 流体输送操作是化工生产中应用流体输送操作是化工生产中应用最普遍的最普遍的单元操作单元操作。流体流动是其它化工过程的流体流动是其它化工过程的基础基础。 在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集团所组成的团所组成的连续介质连续介质 。流体力学流体力学 ：流体静力学流体静力学和和流体动力学流体动力学 流体的分类和特性

3、流体的分类和特性流体有多种分类方法：流体有多种分类方法： （1）按）按状态状态分为分为气体、液体气体、液体和和超临界流体超临界流体等；等； （2）按）按可压缩性可压缩性分为分为不可压流体不可压流体和和可压缩流体可压缩流体； （3）按）按是否可忽略分子之间作用力是否可忽略分子之间作用力分为分为理想流体理想流体与与粘粘 性流体性流体（或（或实际流体实际流体）；）； （4）按）按流变特性流变特性可分为可分为牛顿型流体牛顿型流体和和非牛倾型流体非牛倾型流体； 流体区别于固体的主要特征是具有流体区别于固体的主要特征是具有流动性流动性，其形状随容器形状而变，其形状随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对

4、运动。流动时产生内摩擦从而构成化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一了流体力学原理研究的复杂内容之一不可压缩流体不可压缩流体：流体的体积不随压力及温度变化：流体的体积不随压力及温度变化可压缩流体可压缩流体： 流体的体积随压力及温度变化流体的体积随压力及温度变化实际流体都是可压缩的实际流体都是可压缩的一般一般，液体液体可看成是可看成是不可压缩不可压缩的流体的流体 气体气体可看成是可看成是可压缩可压缩流体流体第一节第一节 流体静力学流体静力学 流体静力学流体静力学主要研究主要研究流体流体静止静止时其时其内部内部压强变化压强变化的规律。描述这一规律

5、的的规律。描述这一规律的数学表达式，称为数学表达式，称为流体静力学基本方程流体静力学基本方程式式。先介绍有关概念。先介绍有关概念。一、流体的压力一、流体的压力压强压强流体垂直作用于单位面积上的力称为流流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的压强，工程上体的压强，工程上习惯习惯称为流体的称为流体的压力压力。在在SI中，中，压强的单位压强的单位是是帕斯卡帕斯卡（N/m2），以，以Pa表表示。但习惯上还采用其它单位，它们之间的换算示。但习惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：关系为：1atm=1.033 kgf/cm2 (at)=760mmHg=10.33mH2O =1.0133 bar =1.0

6、133105Pa =101.33kPa（1） 定义和单位定义和单位工程上常用工程上常用兆帕兆帕作压强的计量单位：作压强的计量单位：1MPa=106Pa（2） 压强的基准压强的基准 压强有不同的计量基准：压强有不同的计量基准：绝对压强绝对压强、表压强表压强、真真空度空度。 绝对压强绝对压强 以绝对真空（零压）作起点计算的以绝对真空（零压）作起点计算的压强，是流体的真实压强。压强，是流体的真实压强。 表压强表压强压强表压强表上的读数，表示被测流体的绝对上的读数，表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，即压强比大气压强高出的数值，即: 表压强绝对压强大气压强表压强绝对压强大气压强 真空度真空度

7、真空表真空表上的读数，表示被测流体的绝对上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，即压强低于大气压强的数值，即:真空度大气压强绝对压强真空度大气压强绝对压强绝对真空绝对真空大气压大气压绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力表压表压真空度真空度p1p2图图1-1 绝对压力、表压与真空度的关系绝对压力、表压与真空度的关系绝对压力、表压与真空度的关系：绝对压力、表压与真空度的关系：图图 绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系（a）测定压力测定压力大气压大气压（b）测定压力测定压力大气压大气压绝对压力绝对压力测定压力测定压力表压表压大气压大气压当时当地大气压当时当地大气压（表压为

8、零）（表压为零）绝对压力为零绝对压力为零真空度真空度绝对压力绝对压力测定压力测定压力（a）（b）例：例： 某台离心泵进、出口压力表读数分别为某台离心泵进、出口压力表读数分别为220mmHg(220mmHg(真空真空度度) )及及1.7kgf/cm1.7kgf/cm2 2( (表压表压) )。若当地大气压力为。若当地大气压力为760mmHg760mmHg，试求，试求它们的绝对压力各为若干（以法定单位表示）？它们的绝对压力各为若干（以法定单位表示）？解解 泵进口绝对压力泵进口绝对压力P P1 1=760-220=540mmHg=7.2=760-220=540mmHg=7.210104 4PaPa

9、泵出口绝对压力泵出口绝对压力P P2 2=1.7 + 1.033=2.733kgf/cm=1.7 + 1.033=2.733kgf/cm2 2 =2.68 =2.6810105 5PaPa教材教材p12 例例1-1二、流体的密度与比体积二、流体的密度与比体积 单位体积流体所具有的质量称为流体的单位体积流体所具有的质量称为流体的密度密度。以。以表示，单位为表示，单位为kg/mkg/m3 3。式中式中 -流体的密度，流体的密度，kg/m3 ； m-流体的质量，流体的质量，kg； V-流体的体积，流体的体积，m3。Vm（1-1）1、密度、密度 液体的密度液体的密度随压力的变化很小，常称液体为不随压力

10、的变化很小，常称液体为不可压缩流体，其密度随温度稍有改变。可压缩流体，其密度随温度稍有改变。气体的密度气体的密度随压力和温度的变化较大。随压力和温度的变化较大。),();(PTfTf气体液体 常用液体的密度值参见常用液体的密度值参见附录四附录四和和附录五附录五，附录五，附录五给出的是给出的是相对密度相对密度，即液体密度与，即液体密度与4水的密度之比水的密度之比值，值， 4水的密度为水的密度为1000kg/m3。RTpMVm式中式中 p 气体的压力（绝对压力），气体的压力（绝对压力），kN/m2或或kPa； T 气体的绝对温度，气体的绝对温度，K； M 气体的摩尔质量，气体的摩尔质量，kg/km

11、ol； R 通用气体常数，通用气体常数，8.314kJ/kmolK。(1-3) 当压力不太高、温度不太低时，当压力不太高、温度不太低时，气体的密度气体的密度可可近似地近似地按理按理想气体状态方程式计算：想气体状态方程式计算：理想气体理想气体标准状况标准状况下的密度为：下的密度为：4 .220M(1-4) 上式中的上式中的0 0M/22.4kg/mM/22.4kg/m3 3为为标准状态标准状态（即（即T T0 0=273K=273K及及p p0 0=101.3kPa=101.3kPa）下气体的密度。）下气体的密度。气体密度也可按下式计算气体密度也可按下式计算000TppT(1-5) 在气体压力较

12、高、温度较低时，气体的密度需要采用真实在气体压力较高、温度较低时，气体的密度需要采用真实气体状态方程式计算。气体状态方程式计算。当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用式当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用式(1-3、1-4)计算气体的密度。计算气体的密度。气体混合物的组成通常以气体混合物的组成通常以体积分率体积分率表示。表示。对于对于理想气体理想气体：体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。 Mm My1 + M2y2 + + Mnyn 式中式中 ：M、M2、 Mn 气体混合物各组分的分子量气体混合物各组分的分子量 m y1 + 2y2 +

13、+ nyn (1-6)式中式中 ： 、 2、 n 气体混合物各组分的密度；气体混合物各组分的密度； y1 、 y2 、 yn 气体混合物各组分的摩尔分率。气体混合物各组分的摩尔分率。气体混合物密度气体混合物密度计算计算:液体混合物液体混合物: 液体混合时，体积往往有所改变。若液体混合时，体积往往有所改变。若混合前混合前后体积不变后体积不变，则，则1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的体混合液的体积等于各组分单独存在时的体积之和，则可由下式求出混合液体的密度积之和，则可由下式求出混合液体的密度m。式中式中 w1、w2、，wn 液体混合物中各组分的质量分率；液体混合物中各组分的质量分率； 1、2

14、、，n 液体混合物中各组分的密度，液体混合物中各组分的密度，kg/m3； m 液体混合物的平均密度，液体混合物的平均密度，kg/m3。(1-7)2、比体积、比体积1mV(1-8)流体的比容与密度互为倒数。流体的比容与密度互为倒数。比体积（比容）：比体积（比容）：单位质量流体的体积，单位为单位质量流体的体积，单位为 m3/kg 。教材教材p13例例1-2；教材；教材p13例例1-3例例 已知硫酸与水的密度分别为已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与与998kg/m3，试求含硫酸为，试求含硫酸为60%(质量质量)的硫酸水的硫酸水溶液的密度。溶液的密度。解解：应用混合液体密度公式，则有：应用混

15、合液体密度公式，则有4221110285. 79984 . 018306 . 01wwm3/1370mkgm例例 已知干空气的组成为：已知干空气的组成为：O221%、N278%和和Ar1%(均为体积均为体积%)。试求干空气在压力为试求干空气在压力为9.81104Pa、温度为温度为100时的密度。时的密度。解解： 首先将摄氏度换算成开尔文：首先将摄氏度换算成开尔文：100273+100=373K求干空气的平均分子量：求干空气的平均分子量： Mm My1 + M2y2 + + Mnyn Mm =32 0.21+28 0.78+39.9 0.01 =28.96气体的平均密度为：气体的平均密度为：4

16、.220M 流体静力学基本方程式是用于描述流体静力学基本方程式是用于描述静止静止流体内部流体内部的压力沿着的压力沿着高度高度变化的数学表达式。对于不可压缩流变化的数学表达式。对于不可压缩流体，密度不随压力变化，其静力学基本方程可用下述体，密度不随压力变化，其静力学基本方程可用下述方法推导。方法推导。三、三、 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式在垂直方向上作用于液柱的力有在垂直方向上作用于液柱的力有：下底面所受之向上总压力为下底面所受之向上总压力为p2A；上底面所受之向下总压力为上底面所受之向下总压力为p1A；1. 整个液柱之重力整个液柱之重力GgA(Z1-Z2)。 现从静止液体中任意划出

17、一现从静止液体中任意划出一垂直液柱垂直液柱，如图，如图所示。液柱的所示。液柱的横截面积为横截面积为A，液体密度为，液体密度为，若以容器器底为基准水平面，则，若以容器器底为基准水平面，则液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为Z1和和Z2，以，以p1与与p2分别表示高度为分别表示高度为Z1及及Z2处的压力。处的压力。 p0p1p2Gz2z1上两式即为上两式即为液体静力学基本方程式液体静力学基本方程式.p2p1g(Z1-Z2) pp0gh 如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为压力为p0，液柱，液柱

18、Z1-Z2h，则上式可改写为，则上式可改写为 在静止液体中，上述三力之在静止液体中，上述三力之合力应为零合力应为零，即：，即：p2Ap1AgA(Z1-Z2)0由上式可知由上式可知： 当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，与液体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此，在静止与液体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点的压力都的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。此压力相等的水平面，称为相等。此压力相等的水平面，称为等压面等压面。 当液面的上方压力当液面的上

19、方压力p0有变化时，必将引起液体内部各点压力有变化时，必将引起液体内部各点压力发生同样大小的变化。发生同样大小的变化。hgpp0pp0gh可改写为可改写为 由上式可知，由上式可知，压力压力或压力差的大小可用或压力差的大小可用液柱高度液柱高度表示。表示。或或上式中各项的单位均为上式中各项的单位均为m。静力学基本方程式中各项的意义静力学基本方程式中各项的意义：将将 p2p1g(Z1-Z2) 两边除以两边除以g并加以整理可得：并加以整理可得：位压头位压头（potential tential head）： 静压头静压头(static head)：式中的第二项：式中的第二项 p/g 称为称为静压头静压头

20、，又，又称为流体的称为流体的静压能静压能(pressure energy)。 第一项第一项Z为流体距基准面的高度，称为为流体距基准面的高度，称为位压头位压头。若把重量。若把重量mg的流体从基准面移到高度的流体从基准面移到高度Z后，该流体所具有的位能为后，该流体所具有的位能为mgZ。单位质量流体的位能，则为。单位质量流体的位能，则为 mgz/m=zg 。上式中。上式中Z（位压头）是表示单位重量的流体从基准面算起的（位压头）是表示单位重量的流体从基准面算起的位能位能(potential energy)。如图所示：密闭容器，内盛如图所示：密闭容器，内盛有液体，液面上方压力为有液体，液面上方压力为p。

21、图图 静压能的意义静压能的意义 ，静压头的意义静压头的意义：说明说明Z1处的液体对于大气压力来说，具有上升一定高度的能力。处的液体对于大气压力来说，具有上升一定高度的能力。位压头静压头常位压头静压头常数数常数gpz常数pgz也也可将上述方程可将上述方程各项均乘以各项均乘以g，可得，可得 四、四、 流体静力学基本方程式应用流体静力学基本方程式应用（一）压力测量（一）压力测量 1 U型管液柱压差计型管液柱压差计 2 斜管压差计斜管压差计 3 微差压差计微差压差计（二）液面测定（二）液面测定（三）确定液封高度（三）确定液封高度(a)R0(b)a0(c)R10(d)0102p1p2p1p2p1p2p1

22、p2baRbabab指示剂的选择指示剂的选择 指示液密度指示液密度0，被测流体密度为，被测流体密度为，图中，图中a、b两点的压力是相等的，因为这两点都在同一两点的压力是相等的，因为这两点都在同一种静止液体（指示液）的同一水平面上。通种静止液体（指示液）的同一水平面上。通过这个关系，便可求出过这个关系，便可求出p1p2的值。的值。四、四、 流体静力学基本方程式应用流体静力学基本方程式应用在化工生产中，有些化工仪表是以静力学基本方程式为理论依据的。在化工生产中，有些化工仪表是以静力学基本方程式为理论依据的。（一）压强与压强差测量（一）压强与压强差测量 1 U型管液柱压差计型管液柱压差计 （U-tu

23、be manometerU-tube manometer） 指示液必须与被测流体不指示液必须与被测流体不互溶；互溶；不起化学反应；不起化学反应； 大于被测流体的密度。大于被测流体的密度。指示液随被测流体的指示液随被测流体的不同而不同。不同而不同。常用指示液常用指示液：汞、四：汞、四氯化碳、水、液体石氯化碳、水、液体石蜡等。蜡等。根据流体静力学基本方程式则有：根据流体静力学基本方程式则有：U型管右侧型管右侧 pap1+(m+R)gU型管左侧型管左侧 pbp2+mg+R0g papbp1 p2R（0）g 测量测量气体气体时，由于气体的时，由于气体的密度比指示液的密度密度比指示液的密度0小得多，故小

24、得多，故00，上式可简化为，上式可简化为p1p2R0g 下图所示是下图所示是倒倒U型管压差计型管压差计。该压差计是利用被测量液体本。该压差计是利用被测量液体本身作为指示液的。压力差身作为指示液的。压力差p1p2可根据液柱高度差可根据液柱高度差R进行计算。进行计算。 例例1-4 如附图所示，常温水在管道中流过。为测定如附图所示，常温水在管道中流过。为测定a、b两点的压两点的压力差，安装一力差，安装一U型压差计，指示液为汞。已知压差读数型压差计，指示液为汞。已知压差读数R100mmHg，试计算，试计算a、b两点的压力差为若干？已知水与汞的密两点的压力差为若干？已知水与汞的密度分别为度分别为1000

25、kg/m3及及13600kg/m3。解解 取管道截面取管道截面a、b处压力分别为处压力分别为pa与与pb。根据。根据连续、静止的连续、静止的同一液体内同一水平面上各点压力相等同一液体内同一水平面上各点压力相等的原理，则的原理，则 p1p1 （a）p1paxH2Ogp1=RHgg+p2=RHgg+p2=RHgg+pb（Rx）H2Og根据式（根据式（a）papbxH2OgRHgg（Rx）H2OgRHggRH2Og0.1(13600-1000) 9.81=1.24 104（Pa）倾斜倾斜 管路管路 压差压差 测量测量:baPP 根据流体静力学方程RmgPPBa1gRmzgPPABb)(2 )( 21

26、gRmzgPRmgPABB gz 21ABAgRPP当被测的流体为气体时，可忽略,则BBA两点间压差计算公式两点间压差计算公式gRPPA21若U型管的一端与被测流体相连接，另一端与大气相通，那么读数R就反映了被测流体的绝对压强与大气压之差，也就是被测流体的表压或真空度。当管子平放时：gRPPBA21,表压真空度p1pap1pa当P1-P2值较小时，R值也较小，若希望读数R清晰，可采取三种措施措施：两种指示液的密度差尽可能减小;采用倾斜U型管压差计;采用微差压差计。 当被测量的流体压力或压差不大时，读数当被测量的流体压力或压差不大时，读数R必然很小，为必然很小，为得到精确的读数，可采用如图所示的

27、斜管压差计。得到精确的读数，可采用如图所示的斜管压差计。R与与R的关系为的关系为: R RR/sinR/sin 式中式中为倾斜角，其值愈小，则为倾斜角，其值愈小，则R值放大为值放大为R的倍数愈大。的倍数愈大。 2 斜管压差计斜管压差计（inclined manometerinclined manometer ） 式中式中a、 b分别表示重、轻两种指示液分别表示重、轻两种指示液的密度，的密度，kg/m3。按静力学基本方程式可推出按静力学基本方程式可推出: : P P1 1P P2 2PPRgRg（a ab b）构造如图所示：构造如图所示：指示液指示液：两种指示液密度不同、互不相溶；：两种指示液密

28、度不同、互不相溶；扩张室扩张室：扩张室的截面积远大于：扩张室的截面积远大于U U型管截面积，当读数型管截面积，当读数R R变化时，变化时， 两扩张室中液面不致有明显的变化。两扩张室中液面不致有明显的变化。 对于一定的压差，对于一定的压差，（a ab b）愈小则读数愈小则读数R愈大，所以应该使用两种密度接近的指示液。愈大，所以应该使用两种密度接近的指示液。3 微差压差计微差压差计（two-liguid manometertwo-liguid manometer ）说明：说明：图中平衡器的小室图中平衡器的小室2中所装的液体与容器里的液体相同。中所装的液体与容器里的液体相同。平衡器里的液面高度维持在

29、容器液面容许到达的最大高度处。平衡器里的液面高度维持在容器液面容许到达的最大高度处。1. 容器里的液面高度可根据压差计的读数容器里的液面高度可根据压差计的读数R求得。液面越高，求得。液面越高，读数越小。当液面达到最大高度时，压差计的读数为零。读数越小。当液面达到最大高度时，压差计的读数为零。1容器；容器； 2平衡器的小室；平衡器的小室； 3U形管压差计形管压差计（二）、液面测定（二）、液面测定例例1-5 为了确定容器中石油产品的液面，采用如附图所示的装置。为了确定容器中石油产品的液面，采用如附图所示的装置。压缩空气用调节阀压缩空气用调节阀1调节流量，使其流量控制得很小，只要在鼓调节流量，使其流

30、量控制得很小，只要在鼓泡观察器泡观察器2内有气泡缓慢逸出即可。因此，气体通过吹气管内有气泡缓慢逸出即可。因此，气体通过吹气管4的的流动阻力可忽略不计。吹气管内压力用流动阻力可忽略不计。吹气管内压力用U管压差计管压差计3来测量。压来测量。压差计读数差计读数R的大小，反映贮罐的大小，反映贮罐5内液面高度。指示液为汞。内液面高度。指示液为汞。1、分别由分别由a管或由管或由b管输送空气时，压差计读数分别为管输送空气时，压差计读数分别为R1或或R2，试，试推导推导R1、R2分别同分别同Z1、Z2的关系。的关系。 2、当（当（Z1Z2）1.5m，R10.15m，R20.06m时，试求石时，试求石油产品的密

31、度油产品的密度P及及Z1。 解解 （1）在本例附图所示的流程中，由于空气通往石油产品时，）在本例附图所示的流程中，由于空气通往石油产品时，鼓泡速度很慢，可以当作静止流体处理。因此可以从压差计读鼓泡速度很慢，可以当作静止流体处理。因此可以从压差计读数数R1，求出液面高度，求出液面高度Z1，即，即 （a）pHgRz11（b）pHgRz22（2）将式（）将式（a）减去式（）减去式（b）并经整理得）并经整理得 32121/816136005 . 106. 015. 0mkgzzRRHgpmz5 . 28161360015. 01 为了安全起见，实际安装时管子插入液面下的深度应比上式为了安全起见，实际安

32、装时管子插入液面下的深度应比上式计算值略低。计算值略低。 作用作用：控制设备内气压不超过规定的数值，当设备内压力超过：控制设备内气压不超过规定的数值，当设备内压力超过规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备操作的安全。规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备操作的安全。gphOH21 若设备要求压力不超过若设备要求压力不超过P1（表压（表压），按静力学基本方程式，则水封），按静力学基本方程式，则水封管插入液面下的深度管插入液面下的深度h为为三、确定液封高度三、确定液封高度q工业生产中流体大多是沿密闭的管道流动。工业生产中流体大多是沿密闭的管道流动。 因此研究管内流体流动的规律是十分因此研究管内

33、流体流动的规律是十分必要必要的。的。q反映管内流体流动规律的基本方程式有：反映管内流体流动规律的基本方程式有：连续性方程连续性方程柏努利方程柏努利方程 本节主要围绕这两个方程式进行讨论。本节主要围绕这两个方程式进行讨论。 (流体动力学流体动力学)体积流量体积流量 （volumetric flow rate） m3/s 单位时间内流体流经管道任一截面的体积，单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称称为为体积流量体积流量，以，以qv或或V表示，其单位为表示，其单位为m3/s。2.2.质量流量质量流量 (mass flow rate) (mass flow rate) kg/s kg/s 单位时间内

34、流体流经管道任一截面的质量，单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称称为为质量流量质量流量，以，以qm或或G G表示，其单位为表示，其单位为kg/skg/s。 体积流量体积流量与与质量流量质量流量之间的关系为：之间的关系为： ( ( G=V=V ) ) （1-141-14）vmqq（一）流量（一）流量 实验证明实验证明：流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管：流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管道横截面上流体质点速度是道横截面上流体质点速度是沿半径变化沿半径变化的。管道的。管道中心中心流速最大，流速最大，愈靠愈靠管壁管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁速度愈小，在紧靠管壁处

35、，由于液体质点粘附在管壁上，其速度等于上，其速度等于零零。流速流速：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。 1.平均流速平均流速 （二）流速（二）流速 平均流速平均流速: : 一般以管道截面积除体积流量所得的一般以管道截面积除体积流量所得的值来表示流体在管道中的速度。此种速度值来表示流体在管道中的速度。此种速度称为称为平均流平均流速速，简称简称流速流速。 (1-15)(1-15)Aquv流量与流速关系流量与流速关系为：为： (1-16)(1-16) 式中式中 A A 管道的截面积，管道的截面积，m m2 2Auqqmv 单位时间内流体流经管道单

36、位截面积的质量单位时间内流体流经管道单位截面积的质量称为称为质量流速，单位质量流速，单位：kg/(m2s)。它与流速及流量的关系。它与流速及流量的关系为：为： （1-17） 由于由于气体气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、的体积与温度、压力有关，显然，当温度、压力发生变化时，气体的体积流量与其相应的流速也压力发生变化时，气体的体积流量与其相应的流速也将之改变，但其质量流量不变。此时，将之改变，但其质量流量不变。此时，采用采用质量流速质量流速比较方便比较方便。 2.质量流速质量流速 ( (mass velocitymass velocity) )w wuAAuAqmw22785. 04dq

37、dquvvu.qd7850v 流量流量一般为一般为生产任务生产任务所决定，而合理的所决定，而合理的流速流速则应则应根据根据经济经济权衡决定，一般权衡决定，一般液体流速液体流速为为0.50.53m/s3m/s。气气体流速体流速为为101030m/s30m/s。某些流体在管道中的常用流速。某些流体在管道中的常用流速范围，可参阅范围，可参阅p46p46表表1-31-3或有关手册。或有关手册。若以若以d表示管内径，则式表示管内径，则式uqv /A 可写成可写成 3.管道直径的估算管道直径的估算 适宜流速的确定某些流体在管道中常用流速范围某些流体在管道中常用流速范围流体种类及情况流体种类及情况常用流速范

38、围常用流速范围u/(m/s)水及一般液体水及一般液体粘度较大度液体粘度较大度液体低压气体低压气体易燃、易爆的低压气体易燃、易爆的低压气体130.51815A2, We=0 ，kgJhf/3024dVS2033. 0436005sm/62. 1u1P3P4 ，而P4P5P6，这是由于流体在管内流动时，位能和静压能相互转换的结果。 5）流向的判断）流向的判断 在453mm的管路上装一文丘里管，文丘里管上游接一压强表，其读数为137.5kPa，管内水的流速u1=1.3m/s，文丘里管的喉径为10mm，文丘里管喉部一内径为15mm的玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池内水面到管中心线的垂直距离为3m，若将

39、水视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管中？若能吸入，再求每小时吸入的水量为多少m3/h？分析：判断流向比较总势能求P？柏努利方程 解：在管路上选1-1和2-2截面，并取3-3截面为基准水平面设支管中水为静止状态。在1-1截面和2-2截面间列柏努利方程： 2222121122PugZPugZ式中： mZZ321smu/3 . 11smdduu/77.19)1039(3 . 1)(222112表压）(105 .13751PaP22222112uuPP277.1923 . 11000105 .137223kgJ /08.572-2截面的总势能为 22gZP381. 908.57kgJ /65.27

40、3-3截面的总势能为 00gZP 3-3截面的总势能大于2-2截面的总势能，水能被吸入管路中。 求每小时从池中吸入的水量 求管中流速u柏努利方程在池面与玻璃管出口内侧间列柏努利方程式： 0222 2223213uPgZPugZ式中： ，mZ03mZ3200u表压）(00PkgJP/08.572代入柏努利方程中 ：2381. 908.572 2usmu/436. 7 22015. 04436. 73600hVhm /728. 43 6）不稳定流动系统的计算）不稳定流动系统的计算 例：例：附图所示的开口贮槽内液面与排液管出口间的垂直距离hi为9m,贮槽内径D为3m，排液管的内径d0为0.04m，液

41、体流过该系统时的能量损失可按 240uhf 公式计算，式中u为流体在管内的流速，试求经4小时后贮槽内液面下降的高度。 分析：分析：不稳定流动系统瞬间柏努利方程微分物料衡算解：解： 在d时间内对系统作物料衡算，设F为瞬间进料率，D为瞬时出料率，dA为在d时间内的积累量， FdDddA d时间内，槽内液面下降dh，液体在管内瞬间流速为u，0FudD204dhDAd24上式变为： dhDudd22044(1) 20udhdDd 在瞬时液面1-1与管子出口内侧截面2-2间列柏努利方程式，并以截面2-2为基准水平面，得： hfPugZPugZ2222121122式中： ，hmZ 1mZ0201uuu 2

42、21PP 240uhf25 .4081. 9uh (2) 492. 0hu 将（2）式代入（1）式得： hdhdDd492. 020hdh492. 004. 032hdh11433两边积分： ；，mh9011hmhs2236004，hhdhd936004011433hhh912211433360049211433h h=5.62m 经四小时后贮槽内液面下降高度为： 95.62=3.38m 本节将讨论产生本节将讨论产生能量损失能量损失的原因的原因及及管内速度分布管内速度分布等，以便为讨论等，以便为讨论能量损失的计算能量损失的计算提供基础。提供基础。Whzzgfuupp221221212)(（一）

43、牛顿粘性定律（一）牛顿粘性定律运动着的流体内运动着的流体内部相邻两流体层间部相邻两流体层间的作用力，的作用力，称为称为流流体的体的内摩擦力内摩擦力，是，是流体粘性的表现，流体粘性的表现，又称为又称为粘滞力粘滞力或或粘性摩擦力粘性摩擦力。流体流动时的流体流动时的内摩擦内摩擦是流体是流体阻力产生的依据阻力产生的依据。 设想有设想有两块面积很大而相距很近的平板，其间充满液两块面积很大而相距很近的平板，其间充满液体，如图所示：体，如图所示：uFu=0 令下块板保持不动，上板以令下块板保持不动，上板以F力向右推动。此平行于平力向右推动。此平行于平板的切向力使平板以速度板的切向力使平板以速度u做匀速运动，

44、做匀速运动，两板间的液体于是两板间的液体于是分成无数薄层而运动。分成无数薄层而运动。紧贴于上板的流体层以同一速度紧贴于上板的流体层以同一速度u流流动，而以下各层速度逐渐降低，紧贴于下板表面的一薄层速动，而以下各层速度逐渐降低，紧贴于下板表面的一薄层速度为零。度为零。dydu牛顿粘性定律牛顿粘性定律式中：dydu速度梯度：比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为性愈大，其值愈大，称为粘性系数粘性系数或或动力粘度动力粘度，简简称称粘度粘度。 （二）（二）流体的粘度流体的粘度 1、物理意义物理意义 由牛顿粘性定律得由牛顿粘性定律得

45、：dydu物理意义物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是 与速度梯度相联系，只有在与速度梯度相联系，只有在运动运动时时才显现出来。才显现出来。物理本质：物理本质：是分子间的引力和分子的运动与碰撞。是分子间的引力和分子的运动与碰撞。2、粘度与温度、压强的关系粘度与温度、压强的关系a)液体的粘度液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度基本不随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度基本不变。变。b)气体的粘度气体的粘度随温度升高而增大，随压强增加而增随温度升高而增大，随压强增加而增加得很少，在一般的工程计算中可以忽略，只有在加

46、得很少，在一般的工程计算中可以忽略，只有在极低的压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。极低的压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。3、粘度的单位、粘度的单位在SI制中： dydu/msmmN)/(/22.N sm.Pa s在物理单位制中：(P 泊）SI单位制和物理单位制粘度单位的单位制和物理单位制粘度单位的换算关系换算关系为：为：1100010Pa scPP4、运动粘度、运动粘度v单位：单位：SI制：制：m2/s；物理单位制物理单位制：cm2/s，称为，称为斯托克斯斯托克斯，用，用St表示。表示。smcStSt/10100124（三）（三）（1）牛顿型流体牛顿型流体： 服从牛顿粘性定律的流体服

47、从牛顿粘性定律的流体称为称为牛顿型流体。牛顿型流体。实验表明实验表明：对气体及大多数低摩尔质量液体，：对气体及大多数低摩尔质量液体， 属于牛顿型流体。属于牛顿型流体。（2）非牛顿型流体非牛顿型流体 凡不遵循牛顿粘性定律的流体，称凡不遵循牛顿粘性定律的流体，称为非牛顿型流体。如血液、牙膏。为非牛顿型流体。如血液、牙膏。1.1.流体流动型态流体流动型态（1 1）雷诺实验）雷诺实验水水水平玻璃管水平玻璃管水箱水箱细管细管水水溢流堰溢流堰小瓶（密度与水相近）小瓶（密度与水相近）阀阀雷诺实验雷诺实验图（图（a a）层流）层流图（图（b b）湍流）湍流q流速小时流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线

48、。，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。表明表明：水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直：水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动，各层之间没有质点的迁移。线运动，各层之间没有质点的迁移。q当开大阀门使水当开大阀门使水流速逐渐增大流速逐渐增大到一定数值时，有色细到一定数值时，有色细流便出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；流便出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动； q速度再增速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著的变化。的变化。 流体

49、流动状态类型流体流动状态类型过渡流过渡流： 流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。过渡流不是一种过渡流不是一种流型流型。q湍流湍流(turbulent flow)或或紊流紊流: 当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流或紊流。流动状态称为湍流或紊

50、流。q层流层流(laminar flow)或或滞流滞流(viscous flow): 当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。筒在平行地流动。影响流体流动类型的因素影响流体流动类型的因素：流体的流体的流速流速u ；管径管径d；流体流体密度密度；流体的流体的粘度粘度。 u u、d d、越大，越大，越小，就越容易从层流转变为湍越小，就越容易从层流转变为湍流。流。上述中四个因素所