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1、化工原理课件流体第1页，本讲稿共84页（1）流体静力学基本方程式及其应用；）流体静力学基本方程式及其应用；（2）管管内内流流动动的的连连续续性性方方程程、机机械械能能衡衡算算方方程程的的物物理理意意义义、适用条件及其应用；适用条件及其应用；（3）管管路路系系统统的的摩摩擦擦阻阻力力、局局部部阻阻力力和和总总阻阻力力的的计计算算方方法。法。第一章第一章 流体流动流体流动本章应重点掌握的内容本章应重点掌握的内容2022/12/22第2页，本讲稿共84页1.1 流体的重要性质流体的重要性质物质三态：固态、液态和气态物质三态：固态、液态和气态 固体、液体和气体固体、液体和气体固体和流体固体和流体流体：
2、流体：无定形、易于流动无定形、易于流动液体：液体：不可压缩流体不可压缩流体（*本课程不再强调）本课程不再强调）气体：气体：可压缩流体可压缩流体固体：固体：有一定形状、不易变形有一定形状、不易变形流体的共性流体的共性 流动性流动性气体和液体统称为流体描述流体性质及其运动规律的物理量有：描述流体性质及其运动规律的物理量有：压力、密度、组成、速度压力、密度、组成、速度等等。2022/12/23第3页，本讲稿共84页 把流体当作是由密集把流体当作是由密集质点质点构成的、内部无空隙构成的、内部无空隙的的连续体连续体来研究，则流体的物理性质和运动参数成来研究，则流体的物理性质和运动参数成为空间连续函数。为
3、空间连续函数。可利用数学工具可利用数学工具质点：质点：含有大量分子的流体微团，其尺寸含有大量分子的流体微团，其尺寸宏观上宏观上远小于设备尺寸但分子数量足够多、远小于设备尺寸但分子数量足够多、微观微观上上远大于分子平均自由程（远大于分子平均自由程（3.310-7cm)。1.1.1连续介质假定连续介质假定注：注：本课程所指流体均符合此假定，特别强调的除外本课程所指流体均符合此假定，特别强调的除外2022/12/24第4页，本讲稿共84页1.1.2流体的密度（流体的密度（kg/m3）和比容（）和比容（m3/kg）混合气体的密度混合气体的密度常温、常压下一般气体均可按理想气体处理：常温、常压下一般气体
4、均可按理想气体处理：式中：式中：气体的密度，气体的密度，kg/m3 p 气体的绝对压力，气体的绝对压力，kPa Mm 气体的摩尔质量，气体的摩尔质量，g/mol R 摩尔气体常数，其值为：摩尔气体常数，其值为：8.314J/molK T 热力学温度，热力学温度，K定义：定义：流体空间某点上单流体空间某点上单 位体积流体的质量位体积流体的质量2022/12/25第5页，本讲稿共84页混合气体的平均摩尔质量混合气体的平均摩尔质量式中：式中：Mm 混合气体的平均摩尔质量，混合气体的平均摩尔质量，g/molg/mol yn 气体混合物中各组分的摩尔分数气体混合物中各组分的摩尔分数混合液体的密度混合液体
5、的密度m（忽略混合前后体积变化）（忽略混合前后体积变化）式中：式中：wi 混合物中各纯组分的质量分数混合物中各纯组分的质量分数 i 混合物中各纯组分的密度，混合物中各纯组分的密度，kg/m32022/12/26第6页，本讲稿共84页注意：注意：注意：注意：上述公式中每个参数的物理意义、单位及使用条件上述公式中每个参数的物理意义、单位及使用条件v1式中：式中：v 流体的比容，流体的比容，m3/kg 流体的密度，流体的密度，kg/m3流体的比容（比体积）流体的比容（比体积）v定义：定义：单位质量流体的体积单位质量流体的体积2022/12/27第7页，本讲稿共84页1.1.3流体的粘性流体的粘性（p
6、11)1.1.3流体的粘性流体的粘性（p11)一、粘性一、粘性：是流体的固有的物理性质：是流体的固有的物理性质流动性流动性粘粘性性抵抗流动的特性抵抗流动的特性流体在圆管内分层流动示意图流体在圆管内分层流动示意图2022/12/28第8页，本讲稿共84页流体的粘性流体的粘性-图示图示uyu+duudyy上层上层对下层有对下层有牵引力牵引力下层下层对上层有对上层有阻滞力阻滞力速度梯度速度梯度速度分布速度分布这对力称为内摩擦力。流体流动时产生内摩擦力，此特性又称为 粘性2022/12/29第9页，本讲稿共84页二、粘度二、粘度衡量流体粘性大小的物理量衡量流体粘性大小的物理量速度梯度：速度梯度：由实验
7、知：由实验知：du/dys-1牛顿粘性定律牛顿粘性定律(p11)式中：式中：F内摩擦力，内摩擦力，N A 两流体层间的接触面积，两流体层间的接触面积，m2式中：式中：剪应力（切向应力），剪应力（切向应力），N/m2 粘度，动量传导系数，粘度，动量传导系数，Ns/m2=Pas（动力粘度）（动力粘度）2022/12/210第10页，本讲稿共84页粘度的物理意义粘度的物理意义粘度的物理意义：粘度的物理意义：当当du/dy=1时，时，=说明在相同的流动条件下，流体的粘度越大说明在相同的流动条件下，流体的粘度越大,内内摩擦力也就越大，需要克服的阻力越大。摩擦力也就越大，需要克服的阻力越大。理想流体：理想
8、流体：=0的流体（自然界中并不存在）的流体（自然界中并不存在）粘性流体：粘性流体：0的流体（自然界中普遍存在）的流体（自然界中普遍存在）(实际流体实际流体)2022/12/211第11页，本讲稿共84页牛顿型流体牛顿型流体与与非牛顿流体非牛顿流体凡符合牛顿粘性定律的流体称为凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体牛顿型流体（如水、空气等）；（如水、空气等）；凡不符合牛顿粘性定律的流体称为凡不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型非牛顿型流体流体。Km m注意注意：非牛顿流体：非牛顿流体了解了解内容，同学们自学。内容，同学们自学。非牛顿流体非牛顿流体2022/12/212第12页，本讲稿共84页粘度的
9、单位粘度的单位SI制制温度、压力对粘度的影响温度、压力对粘度的影响压力对粘度的影响可忽略不计（极高压力除外）；压力对粘度的影响可忽略不计（极高压力除外）；温度对粘度的影响很大温度对粘度的影响很大 液体：温度液体：温度，m m；气体：温度气体：温度,m m 。运动粘度，动量扩散系数运动粘度，动量扩散系数:习惯使用单位：习惯使用单位：1P=1dyns/cm2=0.1Ns/m2=100cP（泊）（泊）（厘泊）（厘泊）2022/12/213第13页，本讲稿共84页1.2.1流体的受力流体的受力一、体积力（场力、质量力）一、体积力（场力、质量力）非接触作用力，施加在每个质点上的力非接触作用力，施加在每个
10、质点上的力 （重（重力场、离心力场、电场、磁场）力场、离心力场、电场、磁场）特征：特征：不需要接触；不需要接触；受力大小与受力大小与质点质量质点质量成正比成正比。1.2流体静力学流体静力学（p13）本课程只涉及地球引力（重力）。本课程只涉及地球引力（重力）。2022/12/214第14页，本讲稿共84页二、表面力二、表面力特征：特征：必须直接接触。必须直接接触。二、表面力二、表面力定义：定义：通过直接接触，施加在接触表面的力通过直接接触，施加在接触表面的力(法向法向应力应力)正应力正应力p 垂直垂直作用于流体单位表面积的作用于流体单位表面积的力，习惯上称为力，习惯上称为压强压强，也称，也称压力
11、压力，N/m2=Pa切应力切应力 平行平行作用于单位表面积的力，作用于单位表面积的力，习惯上称为习惯上称为剪应力剪应力，N/m2=Pa表表面面力力2022/12/215第15页，本讲稿共84页1.2.2静止流体的压力特性（静止流体的压力特性（p14)一、压力（压强）定义：一、压力（压强）定义：压力的基本特性压力的基本特性 1.为外部作用力（包括流体柱自身的重力）在流体中为外部作用力（包括流体柱自身的重力）在流体中的传播的传播2.其方向与作用面相垂直，并指向作用面其方向与作用面相垂直，并指向作用面3.静止流体中的压力称为静压力静止流体中的压力称为静压力4.在流体空间的任一点处，静压力数值相等地作
12、用于在流体空间的任一点处，静压力数值相等地作用于各个方向各个方向2022/12/216第16页，本讲稿共84页二、压力单位二、压力单位二、压力单位二、压力单位 1at=9.807104N/m2=735.6mmHg=10.00mH2O=0.100MPa=1.000kgf/cm21atm=1.013105N/m2=760mmHg=10.33mH2O物理大气压物理大气压 工程大气压工程大气压 2022/12/217第17页，本讲稿共84页三、压力的习惯表述：三、压力的习惯表述：大气压大气压表表压压绝绝对对压压力力压力压力绝绝对对压压力力真空度真空度0绝绝对对零零压压线线绝对压力：绝对压力：流体的真实
13、压力流体的真实压力测压表上的读数测压表上的读数（真实压力（真实压力大气压时）大气压时）绝对压力绝对压力=大气压大气压+表压表压（真实压力（真实压力 ）（0 ）（0 ）01 02 液液柱柱压压差差计计2022/12/223第23页，本讲稿共84页普通普通U型管压差计型管压差计p0 p0 0 p1 p2 R a b 要求：要求：指示剂密度指示剂密度 0被测流体密度被测流体密度 ；指示剂不与被测流体发生化学反应，并不互溶。指示剂不与被测流体发生化学反应，并不互溶。由指示液高度差由指示液高度差R 计算压差计算压差。若被测流体为气体，其密度较指若被测流体为气体，其密度较指示液密度小得多，上式可简化为示液
14、密度小得多，上式可简化为uH pa=p1+g(H+R)pb=p2+gH+0 gR pa=pb2022/12/224第24页，本讲稿共84页倒置倒置U型管压差计型管压差计 用于测量用于测量液体液体的压差，指示剂密度的压差，指示剂密度 0 0 小于被测液体密度小于被测液体密度 ，由指示液高度差由指示液高度差 R 计算压差。计算压差。若若 0 0Hu p1=pa+g(R+H)p2=pb+0 gR+gH pa=pb2022/12/225第25页，本讲稿共84页【例【例 1-2 1-2】要控制乙炔发生炉内压要控制乙炔发生炉内压力不超过力不超过80mmHg(表压表压)，需，需在炉外设置安全液封，求液封管在
15、炉外设置安全液封，求液封管插入水中高度插入水中高度h=?二、液封高度的计算二、液封高度的计算p p h=?解：解：选等压面，在图上取选等压面，在图上取1、2两点，则有两点，则有p1=p2。12p1=炉内压力炉内压力=p=p0+(80/760)101.33=p0+10666Pap2=p0+水水gh;p1=p2p0+10666=p0+水水gh 水水gh=106662022/12/226第26页，本讲稿共84页1.3流体流动概述流体流动概述(p20)1.3.1流动体系的分类流动体系的分类一、定态与非定态流动（稳态与非稳态流动）一、定态与非定态流动（稳态与非稳态流动）定态流动定态流动流动参数不随时间变
16、化，如：流动参数不随时间变化，如：T=f(x,y,z)非定态流动非定态流动流动参数随时间变化，如：流动参数随时间变化，如：T=f(x,y,z,)二、一维流动与多维流动二、一维流动与多维流动根据流速及相关物理参数随空间坐标变化的特征来区分。根据流速及相关物理参数随空间坐标变化的特征来区分。化工类化工类工业上一维流动居多：基本上都在工业上一维流动居多：基本上都在封闭管道内流动封闭管道内流动。三、绕流与封闭管道内的流动三、绕流与封闭管道内的流动绕流：颗粒沉降、在填充床内流动等；绕流：颗粒沉降、在填充床内流动等；其它均为封闭管道内的流动。其它均为封闭管道内的流动。2022/12/227第27页，本讲稿
17、共84页稳态流动稳态流动非稳态流动非稳态流动稳态与非稳态流动示意动画稳态与非稳态流动示意动画2022/12/228第28页，本讲稿共84页绕流示意动画绕流示意动画2022/12/229第29页，本讲稿共84页 1.3.2流量与平均流速（流量与平均流速（p21)一、流量一、流量体积流量体积流量qV:m3/s，m3/h单位时间内流经管道任一截面的流体体积。单位时间内流经管道任一截面的流体体积。质量流量质量流量qm：kg/s，kg/h单位时间内流经管道任一截面的流体质量。单位时间内流经管道任一截面的流体质量。二、流速二、流速u：单位时间内流体流过的距离，单位时间内流体流过的距离，m/s点速点速：ur
18、durrumaxu平均流速平均流速 u:单位时间单位面积上所单位时间单位面积上所流过的流体体积量。流过的流体体积量。2022/12/230第30页，本讲稿共84页三、质量平均流速三、质量平均流速G四、四、qV、qm、u、G、A之间的关系之间的关系五、管径五、管径 d单位时间单位面积上所流过的流体质量，单位时间单位面积上所流过的流体质量，kg/m2.s。对于圆管对于圆管2022/12/231第31页，本讲稿共84页注意：注意：管径的表示方法管径的表示方法594.5mm管内径管内径d=59-24.5=50mm5950壁厚壁厚外径外径2022/12/232第32页，本讲稿共84页1.3.3流体流动类
19、型（层流及湍流）及雷诺数流体流动类型（层流及湍流）及雷诺数一、雷诺实验一、雷诺实验 1883年,英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验DBAC墨水流线墨水流线玻璃管玻璃管雷诺实验雷诺实验2022/12/233第33页，本讲稿共84页二、雷诺实验现象二、雷诺实验现象两种稳定的流动状态：两种稳定的流动状态：层流层流、湍流湍流。用红墨水观察管中水的流动状态用红墨水观察管中水的流动状态(a)层流层流(b)过渡流过渡流(c)湍流湍流2022/12/234第34页，本讲稿共84页层层 流：流：流体的质点平行于管道中心方向作有规则的流体的质点平行于管道中心方向作有规则的运动，不产生宏观混合。
20、运动，不产生宏观混合。过渡流：过渡流：时而层流时而湍流，不稳定。时而层流时而湍流，不稳定。湍湍 流：流：流体的质点作不规则的紊乱运动。流体的质点作不规则的紊乱运动。管管径径d流体性质流体性质、平均流速平均流速 u组成一个无因次数群（无单组成一个无因次数群（无单位）位）Re，称为，称为雷诺准数雷诺准数Reynoldsnumber。三、三、雷诺数雷诺数2022/12/235第35页，本讲稿共84页 雷诺数 Re的定义及意义：的定义及意义：u：单位时间流过单位截面积的流体的质量，：单位时间流过单位截面积的流体的质量，kg/(m2s)u/d：流体内部速度梯度，：流体内部速度梯度，1/s单位时间流过单位
21、截面积的流体的动单位时间流过单位截面积的流体的动量，与单位截面积量，与单位截面积上的惯性力成正比上的惯性力成正比=单位面积上流体的内摩擦力单位面积上流体的内摩擦力2022/12/236第36页，本讲稿共84页圆形直管内圆形直管内流动类型的判别流动类型的判别 Re是无因次数，因此是无因次数，因此d，u，。m m 必须用同一单位制必须用同一单位制层层流流:Re2000过渡流过渡流:2000Re 4000三、当量直径的概念三、当量直径的概念对非圆形管中的特征尺寸可用当量直径代替圆形管直径对非圆形管中的特征尺寸可用当量直径代替圆形管直径d0：de=4rH；rH=A/LP式中：式中：rH水力半径，水力半
22、径，m；A流道的截面积，流道的截面积，m2；LP流道的润湿周边长度，流道的润湿周边长度，m。2022/12/237第37页，本讲稿共84页 当流体在管内作当流体在管内作层流流动层流流动时，无径向脉动速度，流体内部动量、热量时，无径向脉动速度，流体内部动量、热量和质量在径向上的传递依赖于和质量在径向上的传递依赖于分子扩散分子扩散。因此层流时只有在流体层兼作。因此层流时只有在流体层兼作随机运动的分子间的动量交换所产生的内摩擦力随机运动的分子间的动量交换所产生的内摩擦力 湍流湍流流体内部动量、热量和质量在径向上的传递除了流体内部动量、热量和质量在径向上的传递除了分子扩散分子扩散还有还有宏观涡流扩散宏
23、观涡流扩散两部分产生。两部分产生。与层流相与层流相区别区别，流体，流体微团的湍动微团的湍动与与混合混合是湍流的主要特征。是湍流的主要特征。层流与湍流流动结构截然不同，但可共存于同一流动体系、尤其层流与湍流流动结构截然不同，但可共存于同一流动体系、尤其是固体壁面附近。例如雷诺实验中，即使管中心部位的流体已经处于是固体壁面附近。例如雷诺实验中，即使管中心部位的流体已经处于充分的湍动混合，管壁上的一层流体却被管壁所粘附而处于静止。受充分的湍动混合，管壁上的一层流体却被管壁所粘附而处于静止。受其牵制，管壁附近总有一层流体处于层流状态，称之为其牵制，管壁附近总有一层流体处于层流状态，称之为层流底层层流底
24、层。湍流与层流区别与联系湍流与层流区别与联系2022/12/238第38页，本讲稿共84页层流边界层：边界层内的流动类型为层流层流边界层：边界层内的流动类型为层流湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流层流内层流内(底底)层层：边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型为层流或湍流，其流动类型均为层流型为层流或湍流，其流动类型均为层流边界层及层流内边界层及层流内(底底)层层应用意义应用意义:（1）测定管内流体流速时，测定位置应在流动进口段）测定管内流体流速时，测定位置应在流动进口段之后；之后；（2）无论流体的湍动程度如何，
25、始终存在滞流内层。）无论流体的湍动程度如何，始终存在滞流内层。2022/12/239第39页，本讲稿共84页1.4.1总质量衡算总质量衡算连续性方程连续性方程(p25)对于对于稳定流动体系稳定流动体系，无生成、无积累、无泄漏、无加入，无生成、无积累、无泄漏、无加入连续性方程：连续性方程：流过任一截面的流过任一截面的质量流量相等。质量流量相等。qm1=1 qV1=qm2=2qV2系统系统输出输出输入输入稳定过程稳定过程积累积累0输入输出输入输出1.4流体流动的基本方程流体流动的基本方程2022/12/240第40页，本讲稿共84页对于液体：对于液体：1=2=连续性方程连续性方程 qm=1 qV1
26、=2 qV2qV1=A1u1=qV2=A2u2（p26）A1=（4）d12 A2=（4）d22 2022/12/241第41页，本讲稿共84页1.4.2总能量衡算方程总能量衡算方程（p27）z2z122z2,u2,p2 11z1,u1,p1换热器，Q0 J/kg泵，We J/kg 首先做流体流动首先做流体流动的总能量衡算。右图的总能量衡算。右图为一个连续稳定的流为一个连续稳定的流动系统。动系统。以以1kg流体，对进出系统的能量做衡算。流体，对进出系统的能量做衡算。一、流动系统的总能量衡算方程一、流动系统的总能量衡算方程2022/12/242第42页，本讲稿共84页z2z122z2,u2,p2
27、11z1,u1,p1换热器，Q0 J/kg泵，We J/kg 内能内能（internalenergy)U1J/kg位能（位能（potentialenergy)z1gJ/kgmm/s2=kgm2/s2kg=Nm/kg动能（动能（kineticenergy)：u12/2m2/s2=J/kg压力能（压力能（静压静压能）：能）：p1v1(N/m2)(m3/kg)=J/kg对于对于 1kg流体，进入系统的能量为：流体，进入系统的能量为：2022/12/243第43页，本讲稿共84页外界加入的能量：外界加入的能量：换热器：换热器：1kg 1kg 流体获得能量流体获得能量 Q0 0 J/kg J/kg 泵泵
28、:1kg:1kg 流体获得能量流体获得能量We J/kg J/kg1kg1kg流体：流体：流入总能量流入总能量=流出总能量流出总能量,则有：则有：We+Q0 0+gz1+u12/2+p1v1+U1=gz2+u22/2+p2v2+U2z2z122z2,u2,p2 11z1,u1,p1换热器，Q0 J/kg泵，We J/kg1kg1kg流体流入流体流入1-11-1截面带入能量：截面带入能量：gz1+u12/2+p1v1+U11kg1kg流体流出流体流出2-22-2截面带出能量：截面带出能量：gz2+u22/2+p2v2+U22022/12/244第44页，本讲稿共84页单位质量流体稳定流动过程的总
29、能量衡算式。单位质量流体稳定流动过程的总能量衡算式。意义：意义：两截面间流体的各项能量的变化量的代数和两截面间流体的各项能量的变化量的代数和等于外界加入的能量。等于外界加入的能量。形式：形式：流动系统的热力学第一定律表达式。流动系统的热力学第一定律表达式。1kg流体：流体：流入总能量流入总能量=流出总能量流出总能量，则有：则有：We+Q0 0+gz1+u12/2+p1v1+U1=gz2+u22/2+p2v2+U22022/12/245第45页，本讲稿共84页二、二、流动系统的流动系统的机械能机械能衡算方程：衡算方程：功或可转换为功的能量功或可转换为功的能量机械能机械能与热量有关的能量与热量有关
30、的能量1kg流体克服流动阻力而消耗的机械能流体克服流动阻力而消耗的机械能：hf，J/kg流体接受总热量：流体接受总热量：Q=Q0 0+hf fQ0 0=Q-hf f流动阻力损失对不可压缩流体连续稳定流动系统，经数学变换可得：对不可压缩流体连续稳定流动系统，经数学变换可得：2022/12/246第46页，本讲稿共84页 不可压缩不可压缩流体流体连续稳定流动系统连续稳定流动系统的机械能衡算方程的机械能衡算方程:如果如果We=0，hf=0(理想流体理想流体）伯努利方程伯努利方程:广义的伯广义的伯努利方程努利方程:令令则则2022/12/247第47页，本讲稿共84页式中：式中：压力降压力降机械能衡算
31、方程（广义的伯努利方程）机械能衡算方程（广义的伯努利方程）3 3 种表达形式及意义种表达形式及意义机械能损失机械能损失位能位能静压能静压能 动能动能有效功有效功压力头损失压力头损失 位头位头压力头压力头 动压头动压头 有效压头有效压头（速度头）（速度头）2022/12/248第48页，本讲稿共84页三、对伯努利方程的讨论三、对伯努利方程的讨论非常重要的方程非常重要的方程贯穿于流体流动贯穿于流体流动及输送全过程及输送全过程1 1、式中各项的单位和意义：、式中各项的单位和意义：单位：单位：J/kg意义：单位质量流体所具有的能量或功意义：单位质量流体所具有的能量或功2022/12/249第49页，本
32、讲稿共84页（1）位能）位能gz以以0-0面为基准：面为基准：D Dz=z2-z1标高基准面一定是水平面；标高基准面一定是水平面；水平管以管道中心水平面为基准；水平管以管道中心水平面为基准；取较低面为基准。取较低面为基准。1122z2 z1z2 00u以以00面为基准：面为基准：D Dz=z2-02022/12/250第50页，本讲稿共84页 （2 2）压力能）压力能 p/：p1、p2 的基准要相同的基准要相同 已知已知 p2=4kPa（表）（表）则以则以大气压为基准大气压为基准有：有：p1=0 （表）（表）p2=4kPa（表）（表）D Dp=4kPa敞口贮液槽吸收塔1122 以以绝对零压为基
33、准绝对零压为基准有：有：p1=101.3kPa p2=(101.3+4)kPaD Dp=4kPa2022/12/251第51页，本讲稿共84页（3）动能）动能 D Du2/2:D Du2 =u22-u12(u2-u1)2（4）机械能损失（流动阻力损失）机械能损失（流动阻力损失）hf：流体在两个截面之间消耗的能量，始终为正值流体在两个截面之间消耗的能量，始终为正值（5）有效功率）有效功率Pe：流体真正得到的能量流体真正得到的能量有效功率有效功率Pe=qmWe，kg/sJ/kg=J/s=W轴功率轴功率P=Pe/h，W输送机械的效率（泵、风机）2022/12/252第52页，本讲稿共84页2、两截面
34、上的机械能守恒：、两截面上的机械能守恒：若若We=0,hf=0,则有则有静压能与位能之间的转换静压能与位能之间的转换以以1-1截面为基准：截面为基准：1-1：z1=0,p1,u12-2:z2,p2,u2=u1p1/r=z2g+p2/r（p1-p2）/r=z2g02211说明说明1-1截面上的截面上的静压能静压能部分转换部分转换为为2-2截面上的截面上的位能位能2022/12/253第53页，本讲稿共84页 静压能与动能之间的转换静压能与动能之间的转换z2z12211d2d10000u以以0-0截面为基准：截面为基准：1-1：z1,p1,u12-2：z2=z1,p2,u2u1p1/+u12/2
35、=p2/+u22/2 （p1-p2）/=(u22-u12）/2说明说明1-1截面上的截面上的静压能静压能部分转换部分转换为为2-2截面上的截面上的动能动能2022/12/254第54页，本讲稿共84页位能与动能之间的转换位能与动能之间的转换22z211z1说明说明1-1截面上的截面上的位能位能部分转换部分转换为为2-2截面上的截面上的动能动能以以0-0截面为基准：截面为基准：1-1：z1,p1=p0,u102-2:z2,p2=p0,u2z1g=z2g+u22/2 （z1-z2）g=u22/2 2022/12/255第55页，本讲稿共84页3、流体静力学基本方程、流体静力学基本方程（p15)z
36、op0 1 2 H z2 z1 h 若若 We=0,u=0,自然自然hf=0,z1g+p1/=z2g+p2/p2=p1+（z1-z2）g=p1+h g将上表面移至液面，则将上表面移至液面，则p2=p0+h g流体静力学基本方程 伯努利方程之特例2022/12/256第56页，本讲稿共84页注意伯努利方程的适用条件；注意伯努利方程的适用条件；重力场中，连续稳定流动的不可压缩流体。重力场中，连续稳定流动的不可压缩流体。对可压缩流体，若开始和终了的压力变化不超过对可压缩流体，若开始和终了的压力变化不超过 20%，密度取平均密度取平均压力下的数值，也可应用压力下的数值，也可应用。流体静止，流体静止，关
37、于伯努利方程小结：关于伯努利方程小结：注意式中各项的意义及单位；注意式中各项的意义及单位；三种形式机械能（位能、静压能和动能）的相互转换和守恒；三种形式机械能（位能、静压能和动能）的相互转换和守恒；伯努利伯努利方程与静力学方程关系；方程与静力学方程关系；2022/12/257第57页，本讲稿共84页伯努利方程演示动画伯努利方程演示动画2022/12/258第58页，本讲稿共84页1.5机械能衡算方程的应用机械能衡算方程的应用流体输送管路计算流体输送管路计算连续性方程连续性方程 伯努利方程伯努利方程 体积平均流速体积平均流速 流体输送机械流体输送机械的有效功率的有效功率轴功率轴功率1.5.1基本
38、方程：基本方程：不可压缩流体不可压缩流体对于可压缩流体，当（对于可压缩流体，当（p1-p2）/p14000局部阻力损失局部阻力损失2022/12/276第76页，本讲稿共84页H=(1.512/2+16.97-0.688H)/9.81H=18.11/10.5=1.73m管进口突然缩小管进口突然缩小z z 1 1=0.5球心阀（全开）球心阀（全开）z z 2 2=6.490的标准弯头的标准弯头 z z 3-5 3-5=0.75局部阻力系数局部阻力系数2022/12/277第77页，本讲稿共84页1.6流体输送管路计算流体输送管路计算(p56)简单管路：简单管路：无分支无分支等径管路等径管路变径管
39、路变径管路等径直管：等径直管：qm,qV=0.785d2uhf=l l(L/d)(u2/2)变径管路变径管路:qm1=qm2=qm3=qmu不可压缩流体：不可压缩流体：qV1=qV2=qV3=qVu1d12=u2d22=u3d32hf=l l1(L1/d1)(u12/2)+l l2(L2/d2)(u22/2)+l l3(L3/d3)(u32/2)+z z1(u12/2)+z z2(u32/2)计算变径管的局部阻力时，取小管内的流速计算变径管的局部阻力时，取小管内的流速。qm231z1z22022/12/278第78页，本讲稿共84页本节所介绍的流量测量方法主要是基于本节所介绍的流量测量方法主要
40、是基于能量转换原理能量转换原理，并未涉及其它的流量测量的方法。并未涉及其它的流量测量的方法。(p65)1.7流速与流量的测定流速与流量的测定Measurementofvelocityandflowrate1.7.1孔板流量计孔板流量计（OrificeMeter）(p67)测量管内平均流速测量管内平均流速2022/12/279第79页，本讲稿共84页测量原理：测量原理：压力能转换为动能压力能转换为动能 管道直径管道直径 d1，流体流速，流体流速u1；孔板孔口直径孔板孔口直径 d0，流体流速，流体流速u0；缩脉直径缩脉直径d2，流体流速，流体流速u2R121002d1A1u1d0A0u0d2A2u
41、2 孔板流量计孔板流量计孔板流量计孔板流量计孔板流量计孔板流量计2022/12/280第80页，本讲稿共84页安安装装（1）在孔板的上、下游必须分别有（）在孔板的上、下游必须分别有（1540）d1和和5d1的直管距离；的直管距离；（2）孔板的小孔在前。）孔板的小孔在前。特特点点优点：结构简单，安装方便，实际应用广泛。优点：结构简单，安装方便，实际应用广泛。缺点：流过孔口的突小、突大引起的阻力损失大；缺点：流过孔口的突小、突大引起的阻力损失大；测量范围不宽。测量范围不宽。0R12102d1A1u1d0A0u0d2A2u2孔孔板板流流量量计计孔板流量计孔板流量计2022/12/281第81页，本讲
42、稿共84页1.7.2转子流量计转子流量计(p70)测量流体体积流量测量流体体积流量原原理理：锥锥形形管管中中流流体体在在可可以以上上下下浮浮动动的的转转子子上上下下截截面面由由于于压压差差（p1p2）所所形形成成的的向向上上推推力力与与转转子子的的重重力力相相平平衡衡。稳稳定定位位置置与与流流体体通通过过环环隙隙的的流流速速u0 有关。有关。转子流量计转子流量计2022/12/282第82页，本讲稿共84页u 转子流量计特点：转子流量计特点：在流量改变时，恒流速（环隙内），在流量改变时，恒流速（环隙内），恒压差，变面积恒压差，变面积（环隙面积）。（环隙面积）。而而孔板流量计孔板流量计，则为，则
43、为恒面积恒面积，变流速变流速，变压差变压差。转子流量计转子流量计u转子流量计的刻度换算：转子流量计的刻度换算：转子流量计上的刻度，一般使用转子流量计上的刻度，一般使用20的水或者的水或者20、0.1MPa的空气进行流量标定并直接按高度刻度。如被测流体与标的空气进行流量标定并直接按高度刻度。如被测流体与标定条件不符应进行刻度换算。定条件不符应进行刻度换算。2022/12/283第83页，本讲稿共84页u安装安装（1）必须垂直，（倾斜）必须垂直，（倾斜10，误差，误差0.8%）；）；（2）仪表前后要有）仪表前后要有5倍于仪表口径的直管距离；倍于仪表口径的直管距离；（3）为了便于对仪表装拆检修，要安装支路。）为了便于对仪表装拆检修，要安装支路。转子流量计转子流量计2022/12/284第84页，本讲稿共84页