第一章 流體流動(dòng)

1、化工原理胡福田 TEL：E-mail: hftian2002 163. com 第一章 流體流動(dòng)流體流動(dòng)第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)第二節(jié)第二節(jié) 流體流動(dòng)的基本方程式流體流動(dòng)的基本方程式第三節(jié)第三節(jié) 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象第四節(jié)第四節(jié) 流動(dòng)阻力損失流動(dòng)阻力損失第五節(jié)第五節(jié) 管路計(jì)算管路計(jì)算第六節(jié)第六節(jié) 流量的測(cè)定流量的測(cè)定第一章 流體流動(dòng)一、流體的壓力一、流體的壓力二、流體的密度與比體積二、流體的密度與比體積三、流體靜力學(xué)基本方程式三、流體靜力學(xué)基本方程式四、流體靜力學(xué)基本方程式應(yīng)用四、流體靜力學(xué)基本方程式應(yīng)用第一節(jié) 流體靜力學(xué)一、流體的壓力一、流體的

2、壓力1.1 壓強(qiáng)（流體壓力）：流體垂直作用于單位面積上的力 （N/M2 ）稱為帕斯卡，以Pa表示。1.2 壓強(qiáng)單位 1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）=101300Pa=101.3kPa=760mmHg=10.33mH2O=10330kg(f)/m2=1.033kg(f)/cm2=1.033個(gè)工程大氣壓一、流體的壓力一、流體的壓力1.3 表壓 P表 以外界大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力 負(fù)表壓稱為真空度 絕壓P絕 以絕對(duì)真空（壓力等于0）為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力表壓絕對(duì)壓力大氣壓力真空度大氣壓力絕對(duì)壓力二、流體的密度與比體積二、流體的密度與比體積2.1 密度 單位kg/m2 Vm理想氣體密度RTPMVm混合氣體密度nii

3、imy1混合液體密度niiimw11二、流體的密度與比體積二、流體的密度與比體積2.2 比體積 單位質(zhì)量流體具有的體積 mV單位是：m3/kg三、流體靜力學(xué)基本方程式三、流體靜力學(xué)基本方程式3.1 推導(dǎo)3.2 表達(dá)式ghpp03.3 等壓面：在靜止的、連續(xù)的、同一液體內(nèi)，處于同一水平面上的壓力相等 三、流體靜力學(xué)基本方程式三、流體靜力學(xué)基本方程式如圖所示，密封容器中盛有800kg/m3的油品，U形管中指示液為水(1000kg/m3)，a1、a2、a3恰好在同一水平面上，b1、b2、b3及b4也在同一高度上，h1=100mm，h2=200mm，則各點(diǎn)的表壓pa1=_， pa2=_， pb3=_，

4、 pb4=_，h3=_。（表壓值，均以mmH2O為單位） 四、靜力學(xué)方程式應(yīng)用四、靜力學(xué)方程式應(yīng)用4.1 測(cè)量壓力4.2 U形管壓差計(jì)第一章 流體流動(dòng)一、流量與流速一、流量與流速二、穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)二、穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)三、連續(xù)性方程三、連續(xù)性方程四、伯努利方程式四、伯努利方程式五、實(shí)際流體機(jī)械能衡算式五、實(shí)際流體機(jī)械能衡算式第二節(jié) 流體流動(dòng)基本方程式一、流量與流速一、流量與流速1.1 流量體積流量 qv m3/s 質(zhì)量流量 qm kg/s質(zhì)量流量體積流量 X 密度一、流量與流速一、流量與流速1.2 流速平均流速 m/s 質(zhì)量流速 kg/m2s質(zhì)量流速 =平均流速 x 密度AquvuuA

5、AuAqm一、流量與流速一、流量與流速1.3 管路直徑的估算22785. 04dqdqAquvvvuqdv785. 0二、穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)二、穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)2.1 穩(wěn)定流動(dòng)流速、壓力等物理參數(shù)不隨時(shí)間變化三、連續(xù)性方程三、連續(xù)性方程222111AuAu3.1由質(zhì)量守恒由質(zhì)量守恒3.2連續(xù)性方程連續(xù)性方程常數(shù)Au三、連續(xù)性方程三、連續(xù)性方程3.1 不可壓縮流體常數(shù)常數(shù)Au22212144udud21221dduu流速與管路內(nèi)徑平方成反比四、伯努利方程式四、伯努利方程式4.1伯努利方程式推導(dǎo)（理想流體）4.2伯努利方程式常數(shù)22upgz能量衡算能量衡算四、伯努利方程式四、伯努利方程式4.

6、3伯努利方程式物理意義機(jī)械能位能壓強(qiáng)能 動(dòng)能常數(shù)常數(shù)22upgz能量轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)?zāi)芰哭D(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)四、伯努利方程式四、伯努利方程式4.4伯努利方程式表達(dá)方式單位質(zhì)量流量單位重量流量單位體積流量2222121122pugzpugzgpguzgpguz22221211222222222111upgzupgz五、實(shí)際流體機(jī)械能衡算式五、實(shí)際流體機(jī)械能衡算式5.1單位質(zhì)量流體的機(jī)械能衡算式單位質(zhì)量流體的外加機(jī)械能 J/kg單位質(zhì)量流體的機(jī)械能損失 J/kgfeupgzupgz2222222111ef五、實(shí)際流體機(jī)械能衡算式五、實(shí)際流體機(jī)械能衡算式5.2機(jī)械能衡算式應(yīng)用1、畫(huà)示意圖、選取截面2、確定基準(zhǔn)面3、壓力

7、4、外加機(jī)械能與阻力損失feupgzupgz2222222111五、實(shí)際流體機(jī)械能衡算式五、實(shí)際流體機(jī)械能衡算式圖所示為一制冷鹽水的循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)量為45m3/h，鹽水流經(jīng)管路的壓頭損失為：從A至B的一段為9m，從B至A的一段為12m，鹽水的密度為1100kg/m3。試求：（1）泵的軸功率，設(shè)其效率為0.65；（2）若A處的壓力表度數(shù)為0.15Mpa，則B處壓力表讀數(shù)應(yīng)為多少M(fèi)pa？ 7mAB五、實(shí)際流體機(jī)械能衡算式五、實(shí)際流體機(jī)械能衡算式BfABBBAAAhgugpzhegugpz2222AfBAAABBBhgugpzgugpz2222mhhhAfBBfAe2175.2829eeghWkwW

8、Ne36. 412221222gPguZgPguZAAABBBaBMPP0227. 0第一章 流體流動(dòng)一、粘度一、粘度二、流體流動(dòng)類型和雷諾數(shù)二、流體流動(dòng)類型和雷諾數(shù)三、流體在園管的流速分布三、流體在園管的流速分布第三節(jié) 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象一、粘度1.1 牛頓粘性定律dydu：粘度uduu dyy平板間流體速度變化：剪應(yīng)力流體粘性實(shí)驗(yàn)流體粘性實(shí)驗(yàn)二、流體流動(dòng)類型和雷諾數(shù)流體流動(dòng)類型和雷諾數(shù)2.1 雷諾試驗(yàn)雷諾試驗(yàn)2.2 流動(dòng)類型 層流或（滯流）區(qū)湍流或（紊流）區(qū)duRe4000Re 2000Re 過(guò)渡區(qū)三、流體在園管內(nèi)的速度分布流體在園管內(nèi)的速度分布3.1流體在園管中層流時(shí)的速度分布特點(diǎn) 呈拋物

9、線形max21uu 232dlup3.2流體在園管中湍流時(shí)的速度分布特點(diǎn)層流底層3.3邊界層及其分離一、直園形管中流體摩擦阻力損失一、直園形管中流體摩擦阻力損失二、層流的摩擦阻力損失二、層流的摩擦阻力損失三、湍流的摩擦阻力損失三、湍流的摩擦阻力損失四、非圓形管的當(dāng)量直徑四、非圓形管的當(dāng)量直徑五、局部摩擦阻力損失五、局部摩擦阻力損失六、管內(nèi)流體總摩擦阻力損失六、管內(nèi)流體總摩擦阻力損失第四節(jié) 管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力損失一、直圓形管中流體摩擦阻力損失一、直圓形管中流體摩擦阻力損失pwf水平等直徑管路阻力損失計(jì)算公式ABBfABBBAAAwupgzheupgz2222二、層流的摩擦阻力損失二、層流的摩擦阻

10、力損失232dluppwf226432222udludldudluwf數(shù)稱為摩擦系數(shù)或摩擦因Re64三、湍流的摩擦阻力損失三、湍流的摩擦阻力損失3.1 管壁粗糙度 絕對(duì)粗糙度 相對(duì)粗糙度 d的關(guān)聯(lián)圖及與dRe. 1的關(guān)聯(lián)式及與dRe. 23.2 湍流時(shí)的摩擦系數(shù)四、非圓形管的當(dāng)量直徑四、非圓形管的當(dāng)量直徑潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度流通截面積水力半徑ArH倍水力半徑當(dāng)量直徑4ed五、局部摩擦阻力損失五、局部摩擦阻力損失5.1局部阻力系數(shù)法22uwf5.2當(dāng)量長(zhǎng)度法22udlwef六、管內(nèi)流體總摩擦阻力損失六、管內(nèi)流體總摩擦阻力損失22udllef 總阻力直管阻力+局部阻力一、簡(jiǎn)單管路一、簡(jiǎn)單管路二、復(fù)雜管路二

11、、復(fù)雜管路第五節(jié) 管路計(jì)算A、通過(guò)各管段的質(zhì)量流量不變、通過(guò)各管段的質(zhì)量流量不變B、整個(gè)管路的阻力損失為各段阻力損、整個(gè)管路的阻力損失為各段阻力損失之和失之和簡(jiǎn)單管路特點(diǎn)簡(jiǎn)單管路特點(diǎn)簡(jiǎn)單管路計(jì)算類型簡(jiǎn)單管路計(jì)算類型fwuddl，求、已知. 1duwlf，求、，、已知. 2A、設(shè)計(jì)型計(jì)算連續(xù)性方程、機(jī)械能衡算式、阻力損失計(jì)算式簡(jiǎn)單管路最適宜管徑gudlHHhHff22，24dquv最適宜管徑使設(shè)備投資費(fèi)用與動(dòng)力操作費(fèi)用之和為最小簡(jiǎn)單管路計(jì)算類型簡(jiǎn)單管路計(jì)算類型簡(jiǎn)單管路計(jì)算類型簡(jiǎn)單管路計(jì)算類型uwddlf，求、已知操作型計(jì)算用試差法A、總流量等于并聯(lián)支管流量之和、總流量等于并聯(lián)支管流量之和B、并聯(lián)

12、各之管的阻力損失相等、并聯(lián)各之管的阻力損失相等復(fù)雜管路復(fù)雜管路并聯(lián)管路分支管路A、總流量等于各分支管流量之和、總流量等于各分支管流量之和B、各分支管路仍滿足機(jī)械能衡算、各分支管路仍滿足機(jī)械能衡算思考題思考題例例1某液體在內(nèi)徑為d的水平管路中穩(wěn)定流動(dòng)，其平均流速為u1，當(dāng)它以相同的體積流量通過(guò)某內(nèi)徑為d2(d2=d1/2)的管子時(shí)，流速將變?yōu)樵瓉?lái)的_倍；流動(dòng)為層流時(shí)，管子兩端壓力降Pf 為原來(lái)的_倍；湍流時(shí)(完全湍流區(qū))Pf 為原來(lái)的_倍。(忽略/d的變化影響）(4 16 32)思考題思考題例2： 水流經(jīng)圖示的管路系統(tǒng)從細(xì)管?chē)姵觥Ｒ阎猟1管段的壓頭損失Hf1=2 m（包括局部阻力）,d2管段的壓

13、頭損失Hf2=2.5m（不包括出口損失）。則管口噴出時(shí)水的速度 u3=_m/s，d1管段的速度u1=_m/s，水的流量qV=_m3/h，水噴射到地面的水平距離x=_m。5.42 1.355 1.53 6.0 1.水在內(nèi)徑一定的圓管中穩(wěn)定流動(dòng)，若水的質(zhì)量流量保持恒定，當(dāng)水溫升高時(shí)，Re值_。 （）變大 （）變小 （）不變 （） 不確定2. 流體流過(guò)圓形直管，在流場(chǎng)內(nèi)剪應(yīng)力集中在_。近壁處 (B) 管心處 (C) 到處都一樣 (D) 根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)確定思考題3、流體在等徑管中作穩(wěn)定水平流動(dòng)，流體由于流動(dòng)而有摩擦損失，流體的壓強(qiáng)沿管長(zhǎng)（ ），流速（ ）。A）增加B）減少C）不變D）不定4、流體在等徑水

14、平直管的流動(dòng)系統(tǒng)中，層流區(qū)：壓強(qiáng)降與速度（ ）成正比。極度湍流區(qū)；壓強(qiáng)降與速度（ ）成正比。5.流體在圓管中流動(dòng)，若Re值小于_，則其流動(dòng)狀態(tài)為層流，速度分布曲線為_(kāi)線，平均流速與最大流速的關(guān)系為_(kāi)；若流體為理想流體，則其摩擦阻力_；速度梯度_。6.層流與湍流的本質(zhì)區(qū)別是：_。A 湍流流速層流流速；B 流道截面大的為湍流，截面小的為層流；C 層流的雷諾數(shù)浮力，故轉(zhuǎn)子沉在底部。浮力，故轉(zhuǎn)子沉在底部。當(dāng)流體流入時(shí)，轉(zhuǎn)子受到重力和流體施加的向上的當(dāng)流體流入時(shí)，轉(zhuǎn)子受到重力和流體施加的向上的力（流體摩擦力的反作用力，包括浮力和升力），力（流體摩擦力的反作用力，包括浮力和升力），因（浮力升力）因（浮力升

15、力）重力，故轉(zhuǎn)子將上升。重力，故轉(zhuǎn)子將上升。轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量原理：測(cè)量原理： u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 隨著轉(zhuǎn)子的上浮，環(huán)隙面積逐漸增大，隨著轉(zhuǎn)子的上浮，環(huán)隙面積逐漸增大，環(huán)隙內(nèi)流速將減小，于是升力也隨之減小。環(huán)隙內(nèi)流速將減小，于是升力也隨之減小。 當(dāng)轉(zhuǎn)子上浮至某一高度時(shí)，升力與凈當(dāng)轉(zhuǎn)子上浮至某一高度時(shí)，升力與凈重力（重力浮力）相等，轉(zhuǎn)子受力達(dá)重力（重力浮力）相等，轉(zhuǎn)子受力達(dá)到平衡，并停留在這一高度上。到平衡，并停留在這一高度上。 轉(zhuǎn)子流量計(jì)就是依據(jù)這一原理，用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子流量計(jì)就是依據(jù)這一原理，用轉(zhuǎn)子的位置來(lái)指示流量大小的。的位置來(lái)指示流量大小的。 測(cè)量原

16、理：測(cè)量原理： u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 fffAuuAzzgApp212010012 重重力力升升力力浮浮力力 fpA gVAppfff 01先按理想流體推導(dǎo)。先按理想流體推導(dǎo)。在在1-11-1面、面、 0-00-0面間列伯努利方程：面間列伯努利方程：若將轉(zhuǎn)子視為一圓柱體，有：若將轉(zhuǎn)子視為一圓柱體，有： fffAuugVApp2120012 對(duì)轉(zhuǎn)子作受力分析：對(duì)轉(zhuǎn)子作受力分析： gVAuufff 21202 u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 gVAAAufff 21020121100AuAu fffAgVAAu 2112100 fffR

17、AgVCu 20 考慮到實(shí)際轉(zhuǎn)子不是圓柱狀、流體非理考慮到實(shí)際轉(zhuǎn)子不是圓柱狀、流體非理想，將上式加一校正系數(shù)，得：想，將上式加一校正系數(shù)，得： u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 fffRAgVACAuV 2000常 數(shù)變量流量系數(shù) 000002gRACAuV對(duì)照：孔板流量計(jì)對(duì)照：孔板流量計(jì)常數(shù)變量-是環(huán)隙雷諾數(shù)是環(huán)隙雷諾數(shù)Re0的函數(shù)，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，如圖所示。的函數(shù)，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，如圖所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)雷諾數(shù)超過(guò)一定值后，由圖可見(jiàn)，當(dāng)雷諾數(shù)超過(guò)一定值后，CR為常數(shù)。為常數(shù)。 流量系數(shù)流量系數(shù)CR 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40

18、0.30 10 102 103 104 105 環(huán)隙雷諾數(shù) Re0 CRv轉(zhuǎn)子流量計(jì)必須垂直安裝轉(zhuǎn)子流量計(jì)必須垂直安裝v應(yīng)安裝旁路以便于檢修。應(yīng)安裝旁路以便于檢修。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：u讀取流量方便讀取流量方便u流體阻力小，流體阻力小，u測(cè)量精確度較高，測(cè)量精確度較高，u能用于腐蝕性流體的測(cè)量能用于腐蝕性流體的測(cè)量u流量計(jì)前后無(wú)須保留穩(wěn)定段。流量計(jì)前后無(wú)須保留穩(wěn)定段。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：u玻璃管易碎，且不耐高溫、高壓。玻璃管易碎，且不耐高溫、高壓。轉(zhuǎn)子流量計(jì)使用、安裝中注意事項(xiàng)： ffVV fffRAgVACV 20v讀數(shù)常需換算：讀數(shù)常需換算： 轉(zhuǎn)子流量計(jì)出廠前流量刻度是用轉(zhuǎn)子流量計(jì)出廠前流量刻度是用20 C水或水或20 C、101.3 kPa的空氣標(biāo)定的的，如果使用時(shí)被測(cè)流體物性（的空