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1、第一章第一章流体流动小结流体流动小结（适用于化学工艺、环境工程、应用化学、过程控制、自动化专业）第一章第一章流体流动流体流动静力学方程静力学方程柏努利方程柏努利方程连续性方程连续性方程阻力损失分析阻力损失分析范宁公式范宁公式管路计算管路计算流量测量流量测量液柱压差计液柱压差计基本要求基本要求:了了解解流流体体流流动动的的基基本本规规律律，要要求求熟熟练练掌掌握握流流体体静静力力学学基基本本方方程程、连连续续性性方方程程、柏柏努努利利方方程程、范范宁宁公公式式的的内内容容及及应应用用，在在此此基基础础上上解解决决流流体体输输送送的的管管路路计计算算问问题。题。1.1.掌握的内容掌握的内容l 流体
2、的密度和粘度的定义、单位、影响因素及数据求取；流体的密度和粘度的定义、单位、影响因素及数据求取；l 压强的定义、表示法及单位换算；压强的定义、表示法及单位换算；l 流体静力学方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用流体静力学方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用l 流动型态及其判断，雷诺准数的物理意义及计算；流动型态及其判断，雷诺准数的物理意义及计算；l 流动阻力产生的原因，流体在管内的流动阻力计算（直管阻流动阻力产生的原因，流体在管内的流动阻力计算（直管阻力和局部阻力）；力和局部阻力）；l 简单管路的设计计算及输送能力的核算；简单管路的设计计算及输送能力的核算；l 管路中流体的压力、流速及
3、流量的测量：液柱压差计、测速管路中流体的压力、流速及流量的测量：液柱压差计、测速管（毕托管）、孔板流量计、转子流量计的工作原理、基本结管（毕托管）、孔板流量计、转子流量计的工作原理、基本结构及计算；构及计算；l 因次分析法的原理、依据、结果及应用。因次分析法的原理、依据、结果及应用。2.2.熟悉的内容熟悉的内容l流体的连续性和压缩性、稳定流动与不稳定流动；流体的连续性和压缩性、稳定流动与不稳定流动；l层流与湍流的特征；层流与湍流的特征；l管内流体速度分布公式及应用；管内流体速度分布公式及应用；l哈根哈根-泊谡叶方程式的推导；泊谡叶方程式的推导；l复杂管路计算要点；复杂管路计算要点；l正确使用各
4、种数据图表；正确使用各种数据图表；l边界层的概念。边界层的概念。3.3.了解的内容了解的内容l牛顿型流体与非牛顿型流体；牛顿型流体与非牛顿型流体；l层流内层与边界层，边界层的分离。层流内层与边界层，边界层的分离。第一章第一章流体流动流体流动一、流体静力学基本方程一、流体静力学基本方程 二、流体动力学基本方程二、流体动力学基本方程柏努利方程柏努利方程(重点重点)三、流体流动现象三、流体流动现象四、阻力损失计算四、阻力损失计算五、管路计算五、管路计算六、流量测量六、流量测量1 1、柏努利方程机械能守恒方程、柏努利方程机械能守恒方程特点：必须在连续、稳定的条件下使用，沿着流体流特点：必须在连续、稳定
5、的条件下使用，沿着流体流动的方向列方程，注意起始和终止截面的选取。动的方向列方程，注意起始和终止截面的选取。机械能：可直接用于流体输送，相互之间可机械能：可直接用于流体输送，相互之间可以转化，也可直接转变为热和内以转化，也可直接转变为热和内能。包括位能，动能，压力能和能。包括位能，动能，压力能和外功。外功。热和内能：不能直接转化为用于流体输送的热和内能：不能直接转化为用于流体输送的机械能。机械能。1 1、柏努利方程机械能守恒方程、柏努利方程机械能守恒方程 换算关系：换算关系：1atm=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2 液柱高度与压力的关系液柱高
6、度与压力的关系:注注：用用液液柱柱高高度度表表示示压压力力时时，必必须须指指明明流流体体的的种种类，如类，如600mmHg，10mH2O等。等。压力压力 压力压力绝对零压线绝对零压线 当地大气压线当地大气压线 绝压绝压p1 表压表压 真空度真空度 绝压绝压p2（残压）（残压）表压、真空度与绝对压力之间的关系表压、真空度与绝对压力之间的关系 在柏努利方程式中，在柏努利方程式中，zgzg、分别表分别表示单位质量流体在某截面上所具有的位能、示单位质量流体在某截面上所具有的位能、动能和静压能，它们是动能和静压能，它们是状态参数状态参数；而而We、Wf是指单位质量流体在两截面是指单位质量流体在两截面间获
7、得或消耗的能量，是间获得或消耗的能量，是过程函数过程函数。柏努利方程柏努利方程 有效功率：有效功率：轴功率：轴功率：l 体积流量体积流量VS：Vs=V/，m3/h。l 质量流量质量流量mS：ms=m/，kg/h。l 体积流量与质量流量的关系：体积流量与质量流量的关系：流量与流速流量与流速 l 流速流速u：平均流速，平均流速，m/s。l 质量流速质量流速G：G=ms/A，kg/(m2s)。l 流速与流速的关系：流速与流速的关系：l 管径的估算：管径的估算：选定选定u u后估算出后估算出d d，再圆整到标准规格。，再圆整到标准规格。流量与流速流量与流速 适适宜宜流流速速：通通常常水水及及低低粘粘度
8、度液液体体的的流流速速为为0.50.53m/s3m/s，一一般般常常压压气气体体流流速速为为101030m/s 30m/s，饱饱和和蒸蒸汽汽流流速速为为202040m/s40m/s等等。密密度度大大或或粘粘度度大大的的流流体体，流流速速取取小小些些；对对含含固固体体杂杂质质的的流流体体，流流速速取取大些，以避免固体沉积。大些，以避免固体沉积。连续性方程连续性方程 l 任意流体任意流体，l 不可压缩流体不可压缩流体，柏努利方程柏努利方程静力学方程静力学方程2 2、静力学方程、静力学方程特点：是柏努利方程的特殊形式，特点：是柏努利方程的特殊形式，无动能项、无阻力损失项，无动能项、无阻力损失项，静压
9、能与位能相互转化。静压能与位能相互转化。应用：测压应用：测压U形管压差计（等压面原理）形管压差计（等压面原理）2 2、静力学方程、静力学方程1 静止液体内部的压力仅是高度的函数，与容器大小和形状静止液体内部的压力仅是高度的函数，与容器大小和形状无关。无关。2 自由液面上的压力自由液面上的压力p0，液体内各点压力，液体内各点压力p。压力压力传递原理。传递原理。3 在在静止的、连续的同一液体同一水平面静止的、连续的同一液体同一水平面上各点的压力相等。上各点的压力相等。4 气体为可压缩流体，基本方程式不适用于气体，但在空间气体为可压缩流体，基本方程式不适用于气体，但在空间小、压力变化不大时，小、压力
10、变化不大时，常数，可用于气体。因为常数，可用于气体。因为G L，认为整个气体空间认为整个气体空间p相等。相等。流体静力学方程包含的基本概念流体静力学方程包含的基本概念 流体流体11z1ABR22z20U U形管压差计形管压差计 流体流体zABR0paU U形管压差计形管压差计 流体流体1122z1z2ABRg倒装倒装U U形管压差计形管压差计 p1p2bazARAB双液压差计（微差压差计）双液压差计（微差压差计）柏努利方程柏努利方程阻力损失分析阻力损失分析范宁公式范宁公式第一章第一章流体流动流体流动l 机械能阻力损失分析存在内摩擦力机械能阻力损失分析存在内摩擦力 动量传递过程存在速度差动量传递
11、过程存在速度差 （壁面速度为零，中心速度最大）（壁面速度为零，中心速度最大）l 范宁公式计算宏观机械能损失范宁公式计算宏观机械能损失 直管阻力直管阻力 局部阻力局部阻力 3 3、阻力损失分析及范宁公式、阻力损失分析及范宁公式阻力损失分析阻力损失分析n 阻力损失分析阻力损失分析l 粘度：粘度：物性之一，反映流体粘性大小。物性之一，反映流体粘性大小。液体液体粘度随粘度随温度温度升高而降低，升高而降低，气体气体粘度随温度升高而增大粘度随温度升高而增大 1cP=0.01P=10-3 Pasl 运动粘度：运动粘度：m2/s。l 牛顿粘性定律：牛顿粘性定律：相邻两流层，由于速度不同，具有的动量相邻两流层，
12、由于速度不同，具有的动量不同。高速流层中一些分子在随机运动中进入不同。高速流层中一些分子在随机运动中进入低速流层，与速度较慢的分子碰撞使其加速，低速流层，与速度较慢的分子碰撞使其加速，动量增大，同时，低速流层中一些分子也会进动量增大，同时，低速流层中一些分子也会进入高速流层使其减速，动量减小。由于流层之入高速流层使其减速，动量减小。由于流层之间的分子交换使动量从高速流层向低速流层传间的分子交换使动量从高速流层向低速流层传递。由此可见，递。由此可见，动量传递是由于流体内速度不动量传递是由于流体内速度不等，动量从速度大处向速度小处传递。等，动量从速度大处向速度小处传递。n 剪应力与动量通量剪应力与
13、动量通量n 流动型态流动型态l 层流：层流：Re2000，此时流体各个质点互不混杂，此时流体各个质点互不混杂，平行于管轴向前运动；平行于管轴向前运动；l 过渡流：过渡流：2000 Re Re临界临界，（3）测量范围）测量范围孔板流量计的测量范围受孔板流量计的测量范围受U形压差计量程决定。形压差计量程决定。Re临界值n 文丘里（文丘里（VenturiVenturi）流量计）流量计 CV 流量系数（流量系数（0.980.99）A0喉管处截面积喉管处截面积优点：优点：阻力损失小，测量精度高。阻力损失小，测量精度高。缺点：缺点：结构不如孔板流量计紧凑，加工精度结构不如孔板流量计紧凑，加工精度 要求高，
14、制造难度大，造价高。要求高，制造难度大，造价高。文丘里流量计文丘里流量计特点：特点：属差压式流量计属差压式流量计，流动管道逐渐收缩和流动管道逐渐收缩和 扩大，使流速改变平稳，基本上不产生扩大，使流速改变平稳，基本上不产生 涡流，阻力损失很小。涡流，阻力损失很小。n 转子流量计转子流量计 1、结构与原理结构与原理 恒压差、恒流速、恒压差、恒流速、变截面变截面截面式流截面式流量计。从转子的悬浮量计。从转子的悬浮高度直接读取流量数高度直接读取流量数值。值。体积流量体积流量CR相同相同,同刻度时同刻度时式中：式中：1标定流体；标定流体；2被测流体。被测流体。气体转子流量计气体转子流量计 刻度换算刻度换算 标定流体：标定流体：20水（水（1000kg/m3）20、101.3kPa下空气（下空气（=1.2kg/m3）n 测速管（皮托管）测速管（皮托管）ABn 测速管（皮托管）测速管（皮托管）点速度：点速度：（2）流量的求取：）流量的求取：由速度分布曲线积分由速度分布曲线积分 测管中心最大流速，由测管中心最大流速，由 求平均流速，再计算流量。求平均流速，再计算流量。（1）皮托管测量流体的）皮托管测量流体的点速度点速度，可测速度分布曲线，可测速度分布曲线