第二章流体流动过程PPT讲稿.ppt

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1、第二章流体流第二章流体流动过程程第1页，共81页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 概概 述述液体和气体统称为液体和气体统称为流体流体。流体的压缩性是流体的基本属性，任何流流体的压缩性是流体的基本属性，任何流体都是可以压缩的，只是可压缩的程度不体都是可以压缩的，只是可压缩的程度不同而已。同而已。液体液体不可压缩流体不可压缩流体气体气体可压缩流体可压缩流体第2页，共81页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式单位体积流体所具有的质量单位体积流体所具有的质量称为密度，用称为密度，用“”表示。表示。=m/V 单位单位kg/mkg/m3 3各种流体其密度各

2、不相同，但任何一种流体都是随压力和各种流体其密度各不相同，但任何一种流体都是随压力和强度而变化的。强度而变化的。=（p p，T T）流体的热力学属性流体的热力学属性密度（密度（）第3页，共81页，编辑于2022年，星期三流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式p对液体的对液体的影响较小，常忽略不计，影响较小，常忽略不计，=（T）这种流体称为这种流体称为不可压缩流体不可压缩流体。化工生产中，处理的流体多半是几种组合的混合物。化工生产中，处理的流体多半是几种组合的混合物。对于混合液体，其平均密度为：对于混合液体，其平均密度为：1/=w1/1+w2/2+wn/n 1，2，n-液体混合物中各组分的密度

3、，液体混合物中各组分的密度，kg/m3 w1，w2，wn-是液体混合物中各组合的质量分数是液体混合物中各组合的质量分数液液 体体第4页，共81页，编辑于2022年，星期三流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式具有具有压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性，=（p，T）-称为称为可压缩性流体可压缩性流体。对于理想气体对于理想气体 =pM/RT（M-气体的摩尔质量气体的摩尔质量kg/kmol）对于混合气体对于混合气体a）平均摩尔质量）平均摩尔质量 M=M1y1+M2y2+Mnyn M1，M2，Mn-混合物中各组分的摩尔质量。混合物中各组分的摩尔质量。y1，y2 yn-混合物中各组分的摩尔分数（或体积分数）

4、混合物中各组分的摩尔分数（或体积分数）b）平均密度）平均密度 =1y1+2y2+nyn 1，2，n-各部分的密度。各部分的密度。y1，y2 yn-各部分的摩尔分数（或体积分数）各部分的摩尔分数（或体积分数）气气 体体第5页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式单位质量流体的体积单位质量流体的体积称为流体的比体积（或比容）称为流体的比体积（或比容）=V/m=1/它是密度的倒数它是密度的倒数单位单位m m3 3/kg/kg，这个物理量在气体中应用较多。，这个物理量在气体中应用较多。比体积（比容）比体积（比容）第6页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体静

5、力学基本方程式流体静力学基本方程式流体垂直作用于单位面积上的压力流体垂直作用于单位面积上的压力-称为压强（压力）称为压强（压力）p=F/A单位：单位：SI中中“N/m2”也称为也称为帕斯卡帕斯卡，符号，符号“Pa”，其，其105倍为倍为巴巴（bar）。）。过去流体压强单位有很多种，这些单位目前仍继续使用：过去流体压强单位有很多种，这些单位目前仍继续使用：1标准大气压（标准大气压（atm）=10132 N/m2（Pa）=101.325kPa=760 mmHg 10.33 mH2O=1.033 kgf/cm2工程上为了方便，将工程上为了方便，将1kgf/cm2近似作为近似作为1大气压，称为大气压，

6、称为工程大气压工程大气压，1工程大气压（工程大气压（at）=1 kgf/cm2=98.1kPa=10 mH2O=735.6 mmHg 压压 力力第7页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式我们把用绝对零压作为起点计算的压力称为我们把用绝对零压作为起点计算的压力称为绝对压绝对压力力。相对于当地大气压力的相对值称为相对于当地大气压力的相对值称为相对压力相对压力。当被测流体的当被测流体的绝对压绝对压力力外界大气压外界大气压时，压力表上时，压力表上测得值为测得值为表压表压。表压表压=绝对压绝对压力力-大气压大气压 或或 绝对压绝对压力力=大气压大气压 +表压表压

7、当被测流体的当被测流体的绝对压力绝对压力（被测液体）（被测液体）l lp p=p p1 1 p p2 2=（0 0-）gRgRl l 若流体为气体若流体为气体若流体为气体若流体为气体 0 0-0 0，p p=0 0gRgR第15页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式“II”式压差计式压差计l l p p=p p1 1 p p2 2=gRgRl l 测量压力时，应特别注意将传测量压力时，应特别注意将传测量压力时，应特别注意将传测量压力时，应特别注意将传压管和压差计玻璃管中液柱内的压管和压差计玻璃管中液柱内的压管和压差计玻璃管中液柱内的压管和压差计玻璃管中

8、液柱内的气泡排除干净，以免影响测量精气泡排除干净，以免影响测量精气泡排除干净，以免影响测量精气泡排除干净，以免影响测量精度。度。度。度。Rp1p2空气第16页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式单管压差计单管压差计l l p p=p p1 1 p p2 2=ggh h（a a/A A+1+1）l l 如果压差计的几何参数已定，则如果压差计的几何参数已定，则如果压差计的几何参数已定，则如果压差计的几何参数已定，则1+1+a a/A A是一个常数，此常数称为是一个常数，此常数称为是一个常数，此常数称为是一个常数，此常数称为压差计校正压差计校正压差计校正压差

9、计校正常数常数常数常数。在一般情况下。在一般情况下。在一般情况下。在一般情况下a a/A A11，故，故，故，故1+1+a a/A A是一个稍大于是一个稍大于是一个稍大于是一个稍大于1 1的常数。的常数。的常数。的常数。p2p1hhO第17页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式液位测量液位测量l l 最原始的液位计是在容器底部及液面上方容器壁处各开一个小孔，最原始的液位计是在容器底部及液面上方容器壁处各开一个小孔，最原始的液位计是在容器底部及液面上方容器壁处各开一个小孔，最原始的液位计是在容器底部及液面上方容器壁处各开一个小孔，用一根玻璃管将两孔连通，

10、根据流体静力学基本方程式，玻璃管用一根玻璃管将两孔连通，根据流体静力学基本方程式，玻璃管用一根玻璃管将两孔连通，根据流体静力学基本方程式，玻璃管用一根玻璃管将两孔连通，根据流体静力学基本方程式，玻璃管内所示的液面高度即为容器内的液位高度。内所示的液面高度即为容器内的液位高度。内所示的液面高度即为容器内的液位高度。内所示的液面高度即为容器内的液位高度。第18页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式确定液封高度确定液封高度安全液封安全液封煤气柜煤气柜l l 作用：作用：作用：作用：封闭作用封闭作用封闭作用封闭作用-防止气体泄漏防止气体泄漏防止气体泄漏防止气体

11、泄漏 止逆作用止逆作用止逆作用止逆作用-防止气体倒流防止气体倒流防止气体倒流防止气体倒流l l 若工艺要求设备内压力若工艺要求设备内压力若工艺要求设备内压力若工艺要求设备内压力不超过不超过不超过不超过p p（表压），根据静（表压），根据静（表压），根据静（表压），根据静力学基本原理，液封高度力学基本原理，液封高度力学基本原理，液封高度力学基本原理，液封高度h h应符合如下条件应符合如下条件应符合如下条件应符合如下条件:l l 通常，液封中溢出的水中溶有部分气体，或气体为水所夹带，而通常，液封中溢出的水中溶有部分气体，或气体为水所夹带，而通常，液封中溢出的水中溶有部分气体，或气体为水所夹带，而通

12、常，液封中溢出的水中溶有部分气体，或气体为水所夹带，而使使使使 H2OH2O降低，故实际安装时，为安全起见，管子插入液体的降低，故实际安装时，为安全起见，管子插入液体的降低，故实际安装时，为安全起见，管子插入液体的降低，故实际安装时，为安全起见，管子插入液体的高度高度高度高度h h应应应应略大于由上式得到的计算值略大于由上式得到的计算值略大于由上式得到的计算值略大于由上式得到的计算值。h气体气体水水第19页，共81页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式单位时间内流经某一规定表面（管道截面）的流体体积，单位时间内流经某一规定表面（管道截面）的流体体积，

13、q qV V=V V/t t ，单位为单位为m m3 3/s/s或或 m m3 3/h/h。流体的流动属性流体的流动属性流流 量量体积流量体积流量质量流量质量流量单位时间内流经某一规定表面（管道截面）的流体质量，单位时间内流经某一规定表面（管道截面）的流体质量，q qm m=m/t=m/t ，单位为，单位为kg/skg/s或或 kg/h kg/h。两种流量的关系：两种流量的关系：qm=qV第20页，共81页，编辑于2022年，星期三流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式流速：流速：单位时间内，流体在导管中流动的距离，单位时间内，流体在导管中流动的距离，m/s。实际上流体流动时，在导管截面各点

14、上流体质点的流速实际上流体流动时，在导管截面各点上流体质点的流速是不一致的，为了计算方便，一般采用平均流速是不一致的，为了计算方便，一般采用平均流速u u=qV/A，qm=qV=Au流流 速速平均流速平均流速第21页，共81页，编辑于2022年，星期三流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式因为气体的体积与压力和温度有关，因为气体的体积与压力和温度有关，V=f(p,T)，当压力、温，当压力、温度变化时，气体的体积流量必将随之而变，但其质量不变。度变化时，气体的体积流量必将随之而变，但其质量不变。此时采用单位时间内流体流经管道截面积的质量表示比较方此时采用单位时间内流体流经管道截面积的质量表示比

15、较方便，即便，即质量流速质量流速，以，以W表示，单位是表示，单位是kgm-2s-1。W=qm/A=Au/A=u质量流速质量流速第22页，共81页，编辑于2022年，星期三流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式管径的估算管径的估算第23页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式流体在管道中流动时，在空间任一点上的流体在管道中流动时，在空间任一点上的流速、压力等有关物理量流速、压力等有关物理量都不随时间而改变都不随时间而改变的流动。的流动。流体的运动状态流体的运动状态定态流动定态流动若流体流动时，其在管道内部若流体流动时，其在管道内部流速的大小和方向随时间而

16、变化流速的大小和方向随时间而变化，这种流动参量随时间而变化的流动称为非定态流动。这种流动参量随时间而变化的流动称为非定态流动。非定态流动非定态流动第24页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式qm1=qm2 =qm3u1A11=u2A22上式称为流体在管道中做定态流上式称为流体在管道中做定态流动时的连续性方程式。动时的连续性方程式。对于不可压缩流体，对于不可压缩流体，为常数为常数u1/u2=A2/A1 对于圆形管道对于圆形管道u1/u2=d22/d12连续性方程式连续性方程式112233u1u2u3第25页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体流动的

17、基本方程式流体流动的基本方程式1、位能、位能流体在流体在1-1处的位能为处的位能为mgz1；流体在流体在2-2处的位能为处的位能为mgz2；2、动能、动能流体在流体在1-1处的动能为处的动能为流体在流体在2-2处的动能为处的动能为3、静压能、静压能流体在流体在1-1处的静压能为处的静压能为流体在流体在2-2处的静压能为处的静压能为伯努利方程式伯努利方程式1122u1u2P1P2z1z2基准面基准面流体流动过程的能量衡算流体流动过程的能量衡算第26页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：对于单位质量（对于单位质量（1kg

18、）流体而言：）流体而言：对于对于1N的流体：的流体：以上三式均表示流体在定态流动情况下的能量守恒与转化关系。由以上三式均表示流体在定态流动情况下的能量守恒与转化关系。由于没有考虑其他方面的影响，无摩擦、不可压缩、无其他损失，故于没有考虑其他方面的影响，无摩擦、不可压缩、无其他损失，故称为称为理想流体定态流动时的能量衡算式理想流体定态流动时的能量衡算式，也称为，也称为理想流体的伯努利理想流体的伯努利方程式方程式。J J/kgJ/N或或m第27页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式实际流体流动时，总是有一部分能量消耗在摩擦阻力上，并且有外界能量的供给，才能

19、达实际流体流动时，总是有一部分能量消耗在摩擦阻力上，并且有外界能量的供给，才能达到预期的输送目的。到预期的输送目的。4、能量消耗、能量消耗 质量为质量为m kg的流体通过控制体积时所消耗的能量为的流体通过控制体积时所消耗的能量为mWf。5、外功输入、外功输入 质量为质量为m kg的流体所接受的外功为的流体所接受的外功为mWe则实际流体通过控制体积的总能量衡算式为：则实际流体通过控制体积的总能量衡算式为：令令 ，则对于单位重量流体有：，则对于单位重量流体有：位位压压头头静静压压头头动动压压头头外加压头外加压头（或扬程）（或扬程）压压头头损损失失第28页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体流

20、动的基本方程式流体流动的基本方程式例例1：如图所示，贮水槽液面距如图所示，贮水槽液面距 水管水管出口的垂直距离为出口的垂直距离为6.5 m，且液面，且液面维持不变，输水管为维持不变，输水管为 114mm4mm的钢管。若流经全的钢管。若流经全部管路的阻力损失为部管路的阻力损失为59 Jkg-1，试，试求管中水的流量为多少求管中水的流量为多少m3h-1（水（水的密度的密度=1000 kgm-3）。）。伯努利方程式的应用伯努利方程式的应用计算管路中流体流动的流量和流速计算管路中流体流动的流量和流速11226.5 m第29页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式

21、例例2：如图所示，在直径如图所示，在直径d=40 mm的管路中接的管路中接一文丘里管，已知文丘里管上游的压力表读一文丘里管，已知文丘里管上游的压力表读数为数为1.38105Pa（忽略压力表轴心与管（忽略压力表轴心与管路中心的垂直距离），管内水的流量路中心的垂直距离），管内水的流量为为1.410-3m3s-1。管路下方有一贮水。管路下方有一贮水池，贮水池水面与管中心的垂直距离为池，贮水池水面与管中心的垂直距离为3 m，文丘里管喉部直径为，文丘里管喉部直径为10 mm，若在文丘，若在文丘里管喉部接一细管，细管另一端插入水池里管喉部接一细管，细管另一端插入水池中，忽略此管的阻力损失，问池水能否被中，

22、忽略此管的阻力损失，问池水能否被吸入管路中？吸入管路中？判断管路中流体的流向判断管路中流体的流向u2200113.0m第30页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式例例3：将密度为将密度为850 kgm-3的原料液送入的原料液送入如图所示的精馏塔中。高位槽液面如图所示的精馏塔中。高位槽液面维持恒定，塔内表压强维持恒定，塔内表压强p为为9.81103 Pa，进料量为，进料量为5m3h-1，连接管为，连接管为 38mm2.5 mm的钢管。料液在管内流动的钢管。料液在管内流动时的能量损失为时的能量损失为3.05m液柱，问高位槽的液柱，问高位槽的液面应比精馏塔的

23、进料口高出多少米方液面应比精馏塔的进料口高出多少米方可使原料液顺利输入精馏塔中？可使原料液顺利输入精馏塔中？确定容器间的相对位置确定容器间的相对位置1122pz第31页，共81页，编辑于2022年，星期三 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式实际流体伯努利方程式中，实际流体伯努利方程式中，We是输送设备对单位质量流体所做的是输送设备对单位质量流体所做的有效功。单位时间输送设备对流体所做的有效功，称为有效功有效功。单位时间输送设备对流体所做的有效功，称为有效功率，用率，用Pe表示，其计算将在本章后面介绍。表示，其计算将在本章后面介绍。确定输送设备的有效功率确定输送设备的有效功率应用注意事项应

24、用注意事项绘图绘图选取截面选取截面确定基准面确定基准面注意采用一致的单位注意采用一致的单位第32页，共81页，编辑于2022年，星期三第四节第四节 管内流体流动现象管内流体流动现象流体内部相邻两流体层之间的相互作用力，称为流体内部相邻两流体层之间的相互作用力，称为流体的流体的内摩擦力内摩擦力。流体在运动时呈现内摩擦力的特性，称为。流体在运动时呈现内摩擦力的特性，称为流流体的黏性体的黏性。牛顿黏性定律与流体的黏度牛顿黏性定律与流体的黏度流体的黏性流体的黏性第33页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动现象管内流体流动现象上式称为上式称为牛顿黏性定律牛顿黏性定律。所有气体和大部分液体在运

25、动时均服从此。所有气体和大部分液体在运动时均服从此定律，故称为定律，故称为牛顿型流体牛顿型流体。稠厚液体和悬浮液在运动过程中不符合牛顿。稠厚液体和悬浮液在运动过程中不符合牛顿黏性定律，则称其为黏性定律，则称其为非牛顿型流体非牛顿型流体。牛顿黏性定律牛顿黏性定律d du u/d/dy y 速度梯度，即在与流动方向相垂直的速度梯度，即在与流动方向相垂直的y y方向上流方向上流体速度的变化率体速度的变化率 比例系数，又称黏性系数，简称黏度比例系数，又称黏性系数，简称黏度dyu+duuyFu=0 x第34页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动现象管内流体流动现象黏度的物理意义是：促使流体流

26、动产生单位速度梯度的剪应力。黏度的物理意义是：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。黏度与压强关系不大，但受温度变化的影响较大，液体的黏度随温度升黏度与压强关系不大，但受温度变化的影响较大，液体的黏度随温度升高而减小；气体的黏度随温度升高而增大。高而减小；气体的黏度随温度升高而增大。注意注意：混合物的黏度数据不能按其组分叠加计算混合物的黏度数据不能按其组分叠加计算，而应当从化，而应当从化学工程手册中选用适当的经验公式进行估算。学工程手册中选用适当的经验公式进行估算。流体的黏度流体的黏度SISI单位：单位：PasPas第35页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动现象管内流体流动现象流

27、体流动的内部结构流体流动的内部结构流动的型态流动的型态雷诺实验雷诺实验 层流层流 (Re2000)湍湍流流 (Re4000)过渡过渡流流 (2000Re4000)雷诺数雷诺数第36页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动现象管内流体流动现象管内层流与湍流的比较管内层流与湍流的比较速度分布速度分布1 1、层流、层流、层流、层流2 2、湍流、湍流、湍流、湍流平均速度平均速度u=0.5 umaxu=0.8 umaxumaxumax即使管内流动的流体是湍流，且无论湍动程度如何剧烈，但在靠近管壁处即使管内流动的流体是湍流，且无论湍动程度如何剧烈，但在靠近管壁处总是有一层做层流流动的流体薄层，称

28、为总是有一层做层流流动的流体薄层，称为层流底层层流底层，其厚度，其厚度随随ReRe增大而减增大而减小小。第37页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动现象管内流体流动现象边界层的概念边界层的概念速度从零到速度等于主体流速速度从零到速度等于主体流速u u0 0的的99%99%的区域为的区域为边界层边界层，即，即u u=0.99=0.99 u u0 0。u=0u=0u0u0u0在边界层以内，存在着显著的速度梯度在边界层以内，存在着显著的速度梯度d du u/d/dy y，黏性处于主导地位，因此，必须，黏性处于主导地位，因此，必须考虑黏度的影响；而在边界层以外，考虑黏度的影响；而在边界层以

29、外，d du u/d/dy y00，则无需考虑黏性的影响，此处，则无需考虑黏性的影响，此处的流体可视为理想流体。的流体可视为理想流体。第38页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动现象管内流体流动现象流体在顺直的导管中流动时，整个管截面都属于边界层，显然没有划分边界层的必要，但流体在顺直的导管中流动时，整个管截面都属于边界层，显然没有划分边界层的必要，但当流体流过曲面（球体或圆柱体表面等）时，流体边界层将会与固体壁面脱离，形成漩涡，当流体流过曲面（球体或圆柱体表面等）时，流体边界层将会与固体壁面脱离，形成漩涡，加剧流体质点间的相互碰撞、损耗流体的能量。这种边界层与壁面脱离的现象，称为

30、加剧流体质点间的相互碰撞、损耗流体的能量。这种边界层与壁面脱离的现象，称为边界边界层分离层分离。这种现象还常发生在流体所经过的流道有突然扩大或缩小，流动方。这种现象还常发生在流体所经过的流道有突然扩大或缩小，流动方向突然改变或绕过物体流动。向突然改变或绕过物体流动。边界层分离现象边界层分离现象曲面上的边界层曲面上的边界层第39页，共81页，编辑于2022年，星期三第五节第五节 管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力实际流体的柏努利方程为：实际流体的柏努利方程为：流动阻力流动阻力hf（压头损失）：（压头损失）：l 沿程阻力（直管阻力）沿程阻力（直管阻力）:流体通过直管时的能量损失。流体通过直管时的

31、能量损失。l 局部阻力：局部阻力：流体通过管路中的管件，阀门，突然扩大、缩小等流体通过管路中的管件，阀门，突然扩大、缩小等局部障碍，引起边界层分离，产生漩涡而造成的能量损失局部障碍，引起边界层分离，产生漩涡而造成的能量损失。第40页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力流体在直管中的流动阻力流体在直管中的流动阻力 设直径为设直径为d，长度为，长度为l 的水平直管，流体流速为的水平直管，流体流速为u，取，取1、2两截两截面面1122LF1F2Fu直管阻力造成的压头损失直管阻力造成的压头损失直管阻力造成的压头损失直管阻力造成的压头损失:此式称为达西此式称为达西此式

32、称为达西此式称为达西-威斯巴赫公式，威斯巴赫公式，威斯巴赫公式，威斯巴赫公式，称为称为称为称为（摩迪）摩擦（摩迪）摩擦（摩迪）摩擦（摩迪）摩擦系数系数系数系数（量纲为（量纲为（量纲为（量纲为1 1），与，与，与，与ReRe及管壁粗糙度有关，其及管壁粗糙度有关，其及管壁粗糙度有关，其及管壁粗糙度有关，其数值由实验测定。数值由实验测定。数值由实验测定。数值由实验测定。第41页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力l l 管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度

33、绝对粗糙度绝对粗糙度绝对粗糙度，用，用，用，用 表示。表示。表示。表示。l l 绝对粗糙度绝对粗糙度绝对粗糙度绝对粗糙度 与管内径与管内径与管内径与管内径d d的比值的比值的比值的比值/d d，称为，称为，称为，称为相对粗糙度相对粗糙度相对粗糙度相对粗糙度，它反映管，它反映管，它反映管，它反映管壁的几何特性对流动阻力的影响。壁的几何特性对流动阻力的影响。壁的几何特性对流动阻力的影响。壁的几何特性对流动阻力的影响。l l 通常化工厂生产过程把使用到的玻璃管、塑料管、铜管以及铅通常化工厂生产过程把使用到的玻璃管、塑料管、铜管以及铅通常化工厂生产过程把使用到的玻璃管、塑料管、铜管以及铅通常化工厂生产

34、过程把使用到的玻璃管、塑料管、铜管以及铅管称为管称为管称为管称为光滑管光滑管光滑管光滑管；把钢管和铸铁管称为；把钢管和铸铁管称为；把钢管和铸铁管称为；把钢管和铸铁管称为粗糙管粗糙管粗糙管粗糙管。管壁粗糙度管壁粗糙度第42页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力摩擦系数的确定摩擦系数的确定摩擦系数摩擦系数 与雷诺数及相对粗糙度的关系与雷诺数及相对粗糙度的关系与雷诺数及相对粗糙度的关系与雷诺数及相对粗糙度的关系第43页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力层流时的摩擦系数层流时的摩擦系数摩擦系数的确定摩擦系数的确定l 流体在管内流

35、动，当流体在管内流动，当Re 4000时，一方面流体质点间的相互碰撞，另时，一方面流体质点间的相互碰撞，另一方面，湍流引起的层流底层减薄，使得粗糙管壁的凸出部分暴露于一方面，湍流引起的层流底层减薄，使得粗糙管壁的凸出部分暴露于湍流主体中，使流体质点受阻而损失能量。故摩擦系数湍流主体中，使流体质点受阻而损失能量。故摩擦系数 既与既与既与既与ReRe有关，有关，有关，有关，又与管壁相对粗糙度又与管壁相对粗糙度又与管壁相对粗糙度又与管壁相对粗糙度/d d有关。有关。有关。有关。随随随随ReRe的增大而减小，至足够大的的增大而减小，至足够大的的增大而减小，至足够大的的增大而减小，至足够大的ReRe后，

36、后，后，后，值与值与值与值与ReRe无关，无关，无关，无关，Re Re曲线趋近于水平线。曲线趋近于水平线。曲线趋近于水平线。曲线趋近于水平线。第45页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力l 对于光滑管道，当对于光滑管道，当Re=31031105时，时，值可根据柏拉修斯（值可根据柏拉修斯（值可根据柏拉修斯（值可根据柏拉修斯（H.H.BlasiusBlasius）归纳的公式计算）归纳的公式计算）归纳的公式计算）归纳的公式计算：l 当流体进入过渡区（当流体进入过渡区（2000 Re 4000）时，管内流型因环境）时，管内流型因环境而异，此时湍流流动可按考莱布鲁克（

37、而异，此时湍流流动可按考莱布鲁克（C.F.Colebrook）公式）公式计算计算：第46页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力l 皮勾（皮勾（R.J.S.Pigott）推荐过渡区和完全湍流粗糙管区之间的分界）推荐过渡区和完全湍流粗糙管区之间的分界线（虚线）的雷诺数为线（虚线）的雷诺数为：l 完全湍流粗糙管区的完全湍流粗糙管区的 可按尼古拉兹（可按尼古拉兹（可按尼古拉兹（可按尼古拉兹（J.NikuradseJ.Nikuradse）归纳的公式）归纳的公式）归纳的公式）归纳的公式计算：计算：计算：计算：l 实践经验表明，生产条件下管内流动的实践经验表明，生产条件下

38、管内流动的 值变化范围并不太大，值变化范围并不太大，值变化范围并不太大，值变化范围并不太大，通常在通常在通常在通常在0.020.02左右。左右。左右。左右。第47页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力流体在非圆形管内的流动阻力流体在非圆形管内的流动阻力l 当量直径当量直径有些研究结果表明，当量直径适用于湍流，且矩形通道截面长有些研究结果表明，当量直径适用于湍流，且矩形通道截面长有些研究结果表明，当量直径适用于湍流，且矩形通道截面长有些研究结果表明，当量直径适用于湍流，且矩形通道截面长:宽宽宽宽 3:1 3:1才比较可靠。管截面为环形时可靠性较差。对层流的才比

39、较可靠。管截面为环形时可靠性较差。对层流的才比较可靠。管截面为环形时可靠性较差。对层流的才比较可靠。管截面为环形时可靠性较差。对层流的阻力计算中用当量直径计算是不可靠的，因此，必要时，应将阻力计算中用当量直径计算是不可靠的，因此，必要时，应将阻力计算中用当量直径计算是不可靠的，因此，必要时，应将阻力计算中用当量直径计算是不可靠的，因此，必要时，应将求层流求层流求层流求层流 值的公式进行修正，即值的公式进行修正，即值的公式进行修正，即值的公式进行修正，即=C C/ReRe。第48页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力阻力系数法阻力系数法局部阻力的计算局部阻力的

40、计算l 此法近似地认为克服局部阻力所引起的能量损失可以表示成此法近似地认为克服局部阻力所引起的能量损失可以表示成动压头的倍数：动压头的倍数：局部阻力系数局部阻力系数第49页，共81页，编辑于2022年，星期三管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力当量长度法当量长度法l 此法是将流体流过阀门、管件所产生的局部阻力，近似地折算成此法是将流体流过阀门、管件所产生的局部阻力，近似地折算成流体流过相当于长度为流体流过相当于长度为le的同一直管时所产生的阻力损失。这个直管的同一直管时所产生的阻力损失。这个直管长度，称为当量长度长度，称为当量长度le：l 流体流经管道的总阻力可采用阻力系数法或当量长度法：流体

41、流经管道的总阻力可采用阻力系数法或当量长度法：第50页，共81页，编辑于2022年，星期三第六节第六节 管路计算管路计算化工过程计算的类型化工过程计算的类型设计型计算设计型计算核算型计算核算型计算(也称操作型计算也称操作型计算)1 1、设计型计算的特点、设计型计算的特点、设计型计算的特点、设计型计算的特点已知条件：已知待处理的物料及所需的处理能力，以及有关已知条件：已知待处理的物料及所需的处理能力，以及有关的工艺要求。的工艺要求。计算内容：确定设备的材料、类型和大小。计算内容：确定设备的材料、类型和大小。2 2、操作型计算的特点、操作型计算的特点、操作型计算的特点、操作型计算的特点已知条件：已

42、知一定结构形式的过程设备。已知条件：已知一定结构形式的过程设备。计算内容：求最大的生产能力或最低的能耗。计算内容：求最大的生产能力或最低的能耗。此类问题计算较复杂，多数情况下要用试差法求解。此类问题计算较复杂，多数情况下要用试差法求解。第51页，共81页，编辑于2022年，星期三管路计算管路计算相同直径或不同直径的管道组成的串联管路称为简单管路相同直径或不同直径的管道组成的串联管路称为简单管路例：例：生产中需要将高位槽中的液体连续输送到贮槽中。涉及的计算问题主要有以生产中需要将高位槽中的液体连续输送到贮槽中。涉及的计算问题主要有以下几种：下几种：1122z11、已知：管路直径、已知：管路直径d

43、、管长、管长l、le、z1、hf，求：流速求：流速u和流量和流量qv解法：解法：注意：注意：若若已知则直接求已知则直接求u；若若未知，则用试差法求未知，则用试差法求u简单管路简单管路第52页，共81页，编辑于2022年，星期三管路计算管路计算2、已知：管长、已知：管长l、管径、管径d、le、qV，求高位槽的高度，求高位槽的高度z1。解法：解法：由由求：求：u3、已知：、已知：z1、l、u，求：，求：d解法：解法：因为因为Re未知，不能直接计算未知，不能直接计算 可以利用试差法求解。可以利用试差法求解。第53页，共81页，编辑于2022年，星期三管路计算管路计算复杂管路复杂管路l 是由直径不同或

44、管道粗糙度不同的若干段管道连接而成的。是由直径不同或管道粗糙度不同的若干段管道连接而成的。l 特点特点：（1）串联管路各管段的质量流量相等。）串联管路各管段的质量流量相等。qm1 =qm2 =qm3 （2）系统中总阻力损失等于各管段阻力损失之和。）系统中总阻力损失等于各管段阻力损失之和。l 计算问题计算问题：（：（1）已知：）已知：d、l、/d、qV，求：，求：z。（2）已知：）已知：d、l、/d、z，求：，求：qV。l 复杂管路分为：复杂管路分为：串联管路串联管路、并联管路并联管路及及分支管路分支管路。串联管路串联管路第54页，共81页，编辑于2022年，星期三管路计算管路计算并联管路并联管

45、路AB123qVqV特点：特点：（1）并联管路的阻力损失与各分管道的阻力损失相等。）并联管路的阻力损失与各分管道的阻力损失相等。hf,AB=hf,1=hf,2=hf,3 （2）并联管路的总流量等于各分管道的流量之和）并联管路的总流量等于各分管道的流量之和 qV=qV,1+qV,2+qV,3 在已知管道尺寸时，管道粗糙度以及流体性质的条在已知管道尺寸时，管道粗糙度以及流体性质的条件下，并联管路计算问题可以分为两类件下，并联管路计算问题可以分为两类:A.已知已知A、B点的势能（点的势能（gz+p/），求：），求：qV 解法解法：（1）由柏努力方程求出各分支管路的流速）由柏努力方程求出各分支管路的流

46、速u，再求，再求分支分支管路的管路的qV。（2）计算总流量）计算总流量 qV=qV,1+qV,2+qV,3第55页，共81页，编辑于2022年，星期三管路计算管路计算B.已知总流量已知总流量qV，求各分支管道的流量和能量损失。，求各分支管道的流量和能量损失。解法：解法：（1）根据管道尺寸和粗糙度，假设分管道）根据管道尺寸和粗糙度，假设分管道1的流量为的流量为qV,1（2）由）由qV,1求求u1；再求；再求hf,1（由阻力计算公式计算）（由阻力计算公式计算）（3）根据）根据hf,1=hf,2=hf,3，求管，求管2、3的流量的流量qV,2和和qV,3（4）假设总流量）假设总流量qV按按qV,1、

47、qV,2和和 qV,3的比例分配给各分管路，则各分管道的比例分配给各分管路，则各分管道的计算流量为：的计算流量为：第56页，共81页，编辑于2022年，星期三管路计算管路计算（5）由）由qV,1、qV,2、qV,3计算各分管的流速计算各分管的流速u1、u2、u3，由阻力公式计算由阻力公式计算hf,1、hf,2和和hf,3。（6）若）若hf,1、hf,2和和hf,3可以近似看成相等（即在误差范围内），则上述可以近似看成相等（即在误差范围内），则上述的流量的流量qV,1、qV,2、qV,3分配合理。分配合理。若若hf,1、hf,2和和hf,3之间的差别超过了误差范围，则应以之间的差别超过了误差范围

48、，则应以qV,1为为新的假设流量，从（新的假设流量，从（2）开始重复上述的计算直到符合规定的精度要）开始重复上述的计算直到符合规定的精度要求为止。求为止。第57页，共81页，编辑于2022年，星期三第七节第七节 流量的测量流量的测量l 测量流量的仪器通常称为流量计，通常可分为容积式或推理式两种。测量流量的仪器通常称为流量计，通常可分为容积式或推理式两种。l 容积式流量计容积式流量计是以单位时间内自测量腔室内所排出流体的固定容是以单位时间内自测量腔室内所排出流体的固定容积数量作为测量依据的。例如，湿式流量计、盘式流量计及椭圆齿积数量作为测量依据的。例如，湿式流量计、盘式流量计及椭圆齿轮流量计等。

49、轮流量计等。l 推理式流量计推理式流量计是利用流体流动过程中的物理现象或物理特性是利用流体流动过程中的物理现象或物理特性与流速、流量间的关系而工作的。例如，节流式或压差式流与流速、流量间的关系而工作的。例如，节流式或压差式流量计、面积式流量计等。量计、面积式流量计等。第58页，共81页，编辑于2022年，星期三流量的测量流量的测量孔板流量计孔板流量计C0=0.6 0.7第59页，共81页，编辑于2022年，星期三流量的测量流量的测量文丘里流量计文丘里流量计CV=0.98 0.99第60页，共81页，编辑于2022年，星期三流量的测量流量的测量测速管测速管12u1 p1p2 u2第61页，共81

50、页，编辑于2022年，星期三流量的测量流量的测量转子流量计转子流量计计算公式计算公式:刻度换算刻度换算:流量计出厂前，直接用流量计出厂前，直接用293K水和水和293K，1kPa的的空气标定，将流量值刻在玻璃管上。当被测流体与空气标定，将流量值刻在玻璃管上。当被测流体与上述条件不符时，应将刻度加以换算。上述条件不符时，应将刻度加以换算。若转子密度为若转子密度为f，标态时流体密度为，标态时流体密度为,被测流体被测流体密度为密度为a。刻度为刻度为qV 对应的被测流体的流量为对应的被测流体的流量为:第62页，共81页，编辑于2022年，星期三第八节第八节 流体输送机械流体输送机械l 可以向流体做功并