《化工原理教學(xué)資料》第一章流體流動(dòng)與輸送機(jī)械（郭鍇）

1、化工原理化工原理I緒緒 論論 化工原理是一門非常有用的課程；化工原理是一門非常有用的課程； 它所涉及的理論及處理問題的方法適用于它所涉及的理論及處理問題的方法適用于整個(gè)工程學(xué)科；整個(gè)工程學(xué)科； 其意義，不僅局限于其意義，不僅局限于“化學(xué)工程化學(xué)工程”； 學(xué)通之后，對自然界的客觀規(guī)律的認(rèn)識得學(xué)通之后，對自然界的客觀規(guī)律的認(rèn)識得以深化；以深化； 雖然雖然“化工原理化工原理”是從是從“單元操作單元操作”發(fā)展發(fā)展起來的，但不等同于單元操作。起來的，但不等同于單元操作。 網(wǎng)絡(luò)課程： 資源共享課搜索“化工原理” 可在線學(xué)習(xí)。0.1 化工生產(chǎn)過程與單元操作 0.1.1 化工生產(chǎn)過程 化學(xué)工業(yè)是將原料進(jìn)行化學(xué)

2、和物理方法加工而獲得產(chǎn)品的工業(yè)。 化工產(chǎn)品不僅是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防的重要生產(chǎn)資料，同時(shí)也是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾钯Y料。 近年來，傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)向石油化工、精細(xì)化工、生物化工、環(huán)境、醫(yī)藥、食品、冶金等工業(yè)領(lǐng)域延伸與結(jié)合，并出現(xiàn)“化工及其相近過程工業(yè)”的提法，更顯見其在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。 化工產(chǎn)品種類繁多，生產(chǎn)過程十分復(fù)雜，每種產(chǎn)品的生產(chǎn)過程也各不相同，但加以歸納，均可視為由原料預(yù)處理過程、化學(xué)反應(yīng)過程和反應(yīng)產(chǎn)物后處理3個(gè)基本環(huán)節(jié)組成。 例如，乙烯法制取氯乙烯的生產(chǎn)過程是以乙烯、氯化氫和空氣為原料，在壓力為、溫度為220、CuCl2為催化劑等條件下反應(yīng)，制取氯乙烯。在反應(yīng)前，乙烯和氯化氫需經(jīng)預(yù)處

3、理除去有害物質(zhì)，避免催化劑中毒。反應(yīng)后產(chǎn)物中，除反應(yīng)主產(chǎn)物氯乙烯外，還含有未反應(yīng)的氯化氫、乙烯及副產(chǎn)物，如二氯乙烷、三氯乙烷等。需經(jīng)后處理過程，如氯化氫的吸收過程,二氯乙烷、三氯乙烷與氯乙烯的分離過程等，最終獲得聚合級精制氯乙烯。 其生產(chǎn)過程簡圖如下。 上述生產(chǎn)過程除單體合成屬化學(xué)反應(yīng)過程外，原料和反應(yīng)產(chǎn)物預(yù)處理和后處理環(huán)節(jié)中的提純、精制分離，包括為反應(yīng)過程維持一定的溫度、壓力需進(jìn)行的加熱、冷卻、壓縮等均為物理加工過程。 化學(xué)與石油化學(xué)、制藥等工業(yè)中，物理加工過程的設(shè)備投資約占全廠設(shè)備投資的90左右，由此可見它們在化工生產(chǎn)過程中的重要地位。 0.1.2 單元操作(Unit operation)

4、 通常，一種產(chǎn)品的生產(chǎn)過程往往需要幾個(gè)或數(shù)十個(gè)物理加工過程。但研究化工生產(chǎn)諸多物理過程后發(fā)現(xiàn)，根據(jù)這些物理過程的操作原理和特點(diǎn)，可歸納為若干基本的操作過程，如流體流動(dòng)及輸送、沉降、過濾、加熱或冷卻、蒸發(fā)、蒸餾、吸收、干燥、結(jié)晶及吸附等。 流體動(dòng)力過程(fluid flow process)(動(dòng)量傳遞) 遵循流體力學(xué)基本規(guī)律，以動(dòng)量傳遞(momentum transfer)為理論基礎(chǔ)的單元操作； 傳熱過程(heat transfer process) (熱量傳遞) 遵循傳熱基本規(guī)律，以熱量傳遞(heat transfer)為理論基礎(chǔ)的單元操作； 傳質(zhì)過程(mass transfer proces

5、s) (質(zhì)量傳遞) 遵循傳質(zhì)基本規(guī)律，以質(zhì)量傳遞(mass transfer)為理論基礎(chǔ)的單元操作； 熱、質(zhì)同時(shí)傳遞的過程一一遵循熱質(zhì)同時(shí)傳遞規(guī)律的單元操作。 1923年，美國麻省理工學(xué)院教授W.H.華克爾等出版了第一部關(guān)于單元操作的著作化工原理(Principles of Chemical Engineering)。 解放后，我國也相繼出版了以單元操作為主線的化工原理、 化工過程與設(shè)備等教材，至今仍沿用化工原理這一名稱。 0.2 化工原理課程的性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù) 本課程的性質(zhì)：本課程是繼數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、物理化學(xué)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)之后開設(shè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，它也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，所討論的每一單元

6、操作均與生產(chǎn)實(shí)踐緊密相連。 本課程的內(nèi)容：主要研究化工生產(chǎn)過程中各單元操作的基本原理、典型設(shè)備及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法。 流體動(dòng)力過程 包括流體流動(dòng)與輸送、非均相物系分離等單元操作； 傳熱過程 包括傳熱、蒸發(fā)等單元操作； 傳質(zhì)過程 包括蒸餾、吸收、吸附、膜分離等單元操作； 熱質(zhì)過程 包括干燥、結(jié)晶等單元操作。 本課程的任務(wù)：培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用本學(xué)科基礎(chǔ)理論及技能(如電算技能等)分析和解決化工生產(chǎn)中有關(guān)實(shí)際問題的能力，特別是要注意培養(yǎng)學(xué)生的工程觀點(diǎn)、定量計(jì)算、設(shè)計(jì)開發(fā)能力和創(chuàng)新理念。 具體要求有以下幾點(diǎn): 選型 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求、物料特性和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，能合理地選擇單元操作及設(shè)備； 設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)選定的單元

7、操作進(jìn)行工藝計(jì)算和設(shè)備設(shè)計(jì)，當(dāng)缺乏數(shù)據(jù)時(shí)能設(shè)法獲取，如通過實(shí)驗(yàn)測取必要數(shù)據(jù)； 操作 熟悉操作原理、操作方法和調(diào)節(jié)參數(shù)。具備分析和解決操作中產(chǎn)生故障的基本能力； 開發(fā)創(chuàng)新 具備探索強(qiáng)化或優(yōu)化過程與設(shè)備的基本能力。0.3 單元操作中常用的基本概念和觀點(diǎn) 4個(gè)基本概念和一個(gè)觀點(diǎn)： 物料衡算、能量衡算、過程平衡和速率這4個(gè)基本概念和建立一個(gè)經(jīng)濟(jì)核算的觀點(diǎn)。 (1)物料衡算 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)入與離開某一過程或設(shè)備的物料的質(zhì)量之差應(yīng)等于積累在該過程或設(shè)備中的物料質(zhì)量，即 GGG出入- (2)能量衡算(energy balance)本教材中討論的能量衡算主要為機(jī)械能和熱能衡算。 (3)物系的平衡關(guān)系(e

8、quilibrium relation) 是指物系的傳熱或傳質(zhì)過程進(jìn)行的方向和能達(dá)到的極限。例如，當(dāng)兩物質(zhì)溫度不同，即溫度不平衡時(shí)熱量就會(huì)從高溫物質(zhì)向低溫物質(zhì)傳遞，直到溫度相等為止，此時(shí)傳熱過程達(dá)到極限，兩物質(zhì)間不再有熱量的凈傳遞。 (4)過程傳遞速率(rate of transfer process)是指過程進(jìn)行的快慢，通常用單位時(shí)間內(nèi)過程進(jìn)行的變化量表示如傳熱過程速率用單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量或用單位時(shí)間內(nèi)單位面積傳遞的熱量表示；傳質(zhì)過程速率用單位時(shí)間內(nèi)單位面積傳遞的物質(zhì)量表示。 顯然，過程傳遞速率越大，設(shè)備生產(chǎn)能力越大，或在完成同樣產(chǎn)量時(shí)設(shè)備的尺寸越小。工程上，過程傳遞速率問題往往比過程平衡

9、問題更為重要。 (5)經(jīng)濟(jì)核算 在設(shè)計(jì)具有一定生產(chǎn)能力的設(shè)備時(shí)，根據(jù)設(shè)備型式、材料不同，可提出若干不同設(shè)計(jì)方案。對于同一設(shè)備，選用不同操作參數(shù)，則設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)也不同，因此，不僅要考慮技術(shù)先進(jìn)，同時(shí)還要通過經(jīng)濟(jì)核算來確定最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化，而且，不僅應(yīng)考慮單一設(shè)備的優(yōu)化，還必須滿足過程的系統(tǒng)優(yōu)化。當(dāng)今，對于工程技術(shù)人員而言，建立優(yōu)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)十分重要和必要。 第第1章章 流體流動(dòng)流體流動(dòng) 1.1 流體基本性質(zhì)流體基本性質(zhì) 1.2 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 1.3 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 1.4 流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1.5 流體流動(dòng)阻力流體流動(dòng)阻力 1.6 管

10、路計(jì)算管路計(jì)算 1.7 流速與流量的測量流速與流量的測量 1.8 流體輸送機(jī)械流體輸送機(jī)械 第第1 1章章 流體流動(dòng)流體流動(dòng) 流體是氣體與液體的總稱。流體是氣體與液體的總稱。 流體流動(dòng)與輸送是最普遍的化工單元操作之一；流體流動(dòng)與輸送是最普遍的化工單元操作之一； 研究流體流動(dòng)問題也是研究其它化工單元操作的研究流體流動(dòng)問題也是研究其它化工單元操作的重要基礎(chǔ)。重要基礎(chǔ)。1.1 流體基本性質(zhì)流體基本性質(zhì)1.1.1 連續(xù)介質(zhì)假定連續(xù)介質(zhì)假定1.1.2 流體的壓縮性流體的壓縮性1.1.3 作用在流體上的力作用在流體上的力1.1.4 質(zhì)量力與密度質(zhì)量力與密度1.1.5 壓力壓力1.1.6 剪切力與黏度剪切力

11、與黏度 連續(xù)介質(zhì)假定連續(xù)介質(zhì)假定 假定流體是由無數(shù)內(nèi)部緊密相連、彼此間沒有假定流體是由無數(shù)內(nèi)部緊密相連、彼此間沒有間隙的流體質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）所組成的連續(xù)介質(zhì)。間隙的流體質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）所組成的連續(xù)介質(zhì)。質(zhì)點(diǎn)：由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備質(zhì)點(diǎn)：由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備 尺寸、遠(yuǎn)大于分子自由程。尺寸、遠(yuǎn)大于分子自由程。 工程意義：利用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具，從宏觀研究工程意義：利用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具，從宏觀研究 流體。流體。 流體基本性質(zhì)流體基本性質(zhì) 流體的可壓縮性流體的可壓縮性 不可壓縮性流體：流體的體積不隨壓力變化而變不可壓縮性流體：流體的體積不隨壓力變化而變 化，如液體；化，

12、如液體； 可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化，可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化， 如氣體。如氣體。 表面力：通過直接接觸而作用于流體表面的力，表面力：通過直接接觸而作用于流體表面的力， 其大小與流體的表面積成正比。其大小與流體的表面積成正比。 壓壓 力：垂直于表面的法向力；力：垂直于表面的法向力；剪切力：平行于表面的切向力。剪切力：平行于表面的切向力。壓力壓力剪切力剪切力1.1.3 作用在流體上的力作用在流體上的力 質(zhì)量力質(zhì)量力: 作用于流體每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力，其大小與流作用于流體每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力，其大小與流 體的質(zhì)量成正比，如重力、離心力等。體的質(zhì)量成正比，如重力、離心力等。 質(zhì)量力與密

13、度質(zhì)量力與密度一、密度一、密度 單位體積流體的質(zhì)量。單位體積流體的質(zhì)量。Vm kg/m3 二、單組分密度二、單組分密度),(Tpf 液體液體 密度僅隨溫度變化（極高壓力除外），其變密度僅隨溫度變化（極高壓力除外），其變 化關(guān)系可從手冊中查得?；P(guān)系可從手冊中查得。 氣體氣體 當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想 氣體狀態(tài)方程計(jì)算：氣體狀態(tài)方程計(jì)算： RTpM 注意：手冊中查得的氣體密度均為一定壓力與溫度注意：手冊中查得的氣體密度均為一定壓力與溫度 下之值，若條件不同，則需進(jìn)行換算。下之值，若條件不同，則需進(jìn)行換算。三、混合物的密度三、混合物的密度 混合氣體混

14、合氣體 各組分在混合前后質(zhì)量不變，則有各組分在混合前后質(zhì)量不變，則有 nn2111m 氣體混合物中各組分的體積分?jǐn)?shù)。氣體混合物中各組分的體積分?jǐn)?shù)。 n21, 或或RTpMmm mM混合氣體的平均摩爾質(zhì)量；混合氣體的平均摩爾質(zhì)量； nn2211myMyMyMMn21,yyy氣體混合物中各組分的摩爾氣體混合物中各組分的摩爾( (體積體積) )分?jǐn)?shù)。分?jǐn)?shù)。 混合液體混合液體 假設(shè)各組分在混合前后體積不變，則有假設(shè)各組分在混合前后體積不變，則有 nn2211m1 aaan21,aaa液體混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。液體混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 四、四、比容比容單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。單位

15、質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。 1mVvm3/kg 壓力壓力 流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，靜壓強(qiáng)，習(xí)慣上又稱為壓力習(xí)慣上又稱為壓力。 一、一、壓力的單位壓力的單位 SI制：制：N/m2或或Pa；或或以流體柱高度表示以流體柱高度表示 ：ghp 注意：用液柱高度表示壓力時(shí)，必須指明流體的種類，注意：用液柱高度表示壓力時(shí)，必須指明流體的種類， 如如600mmHg，10mH2O等。等。 二、二、 壓力的表示方法壓力的表示方法 絕對壓力絕對壓力 以絕對真空為基準(zhǔn)測得的壓力。以絕對真空為基準(zhǔn)測得的壓力。 表壓或真空度表壓或真空度 以大氣壓為基

16、準(zhǔn)測得的壓力。以大氣壓為基準(zhǔn)測得的壓力。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的換算關(guān)系：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的換算關(guān)系：1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O表表 壓壓 = 絕對壓力絕對壓力 大氣壓力大氣壓力真空度真空度 = 大氣壓力大氣壓力 絕對壓力絕對壓力絕對壓力絕對壓力 絕對壓力絕對壓力 絕對真空絕對真空 表壓表壓 真空度真空度 1p2p大氣壓大氣壓 一、一、 牛頓黏性定律牛頓黏性定律 yuAFdd 或或yudd Fuududy式中：式中：F內(nèi)摩擦力，內(nèi)摩擦力，N； 剪應(yīng)力，剪應(yīng)力，Pa； 法向速度梯度，法向速度梯度，1/s； 比例系數(shù)，稱為流體的黏度，比例系數(shù)，稱為流體的黏度，Pas

17、 。 yudd 1.1.6 剪切力與黏度剪切力與黏度牛頓型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓牛頓型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓 黏性定律的流體；黏性定律的流體；非牛頓型流體：不符合牛頓黏性定律的流體。非牛頓型流體：不符合牛頓黏性定律的流體。 二、二、流體的黏度流體的黏度 （動(dòng)力黏度）（動(dòng)力黏度） 1. 1.黏度的物理意義黏度的物理意義 流體流動(dòng)時(shí)在與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生流體流動(dòng)時(shí)在與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。),( Tpf 液體液體 :)(Tf T 氣體氣體 : 一般一般)(Tf T 超高壓超高壓),( Tpf p 黏度的物理本質(zhì)

18、黏度的物理本質(zhì)：分子間的引力和分子的運(yùn)動(dòng)分子間的引力和分子的運(yùn)動(dòng)與碰撞。與碰撞。2. 黏度的單位黏度的單位SI制：制：Pas 或或 kg/(ms)物理制：物理制：cP(厘泊）厘泊）換算關(guān)系換算關(guān)系 1cP10-3 Pas（mPas） 流體黏度的大致范圍物質(zhì)（物質(zhì)（20）黏度黏度 /mPa.s空氣空氣0.0181水水1.005大豆油大豆油8.5甘油甘油14993.3.運(yùn)動(dòng)黏度運(yùn)動(dòng)黏度 黏度黏度與密度與密度之比。之比。 單位單位 ：1-23-111121223-1-2smmkg.skg.m:.skg.m:sPa.skg.m:Pakg.m.s:NN.m:PamkgsPasm三、理想流體與實(shí)際流體三、

19、理想流體與實(shí)際流體 理想流體：黏度為零的流體；理想流體：黏度為零的流體；實(shí)際流體或黏性流體：具有黏性的流體。實(shí)際流體或黏性流體：具有黏性的流體。1.2 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)1.2.1 1.2.1 靜壓力特性靜壓力特性1.2.2 1.2.2 流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 流體壓力與作用面垂直，并指向該作用面；流體壓力與作用面垂直，并指向該作用面； 任意界面兩側(cè)所受壓力，大小相等、方向相反；任意界面兩側(cè)所受壓力，大小相等、方向相反； 作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同。作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同。 靜壓力特性靜壓力特性一、靜力學(xué)基本方程一、靜力

20、學(xué)基本方程 重力場中對液柱進(jìn)行受力分析：重力場中對液柱進(jìn)行受力分析：ApP11 （1）上端面所受總壓力）上端面所受總壓力 ApP22 （2）下端面所受總壓力）下端面所受總壓力 （3 3）液柱的重力）液柱的重力)(21zzgAG 設(shè)設(shè)流體不可壓縮流體不可壓縮，.Const p0p2p1z1z2G方向向下方向向下方向向上方向向上方向向下方向向下1.2.2 流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程 液柱處于靜止時(shí)，上述三項(xiàng)力的合力為零液柱處于靜止時(shí)，上述三項(xiàng)力的合力為零: :0)(2112zzgAApAp )(2112zzgpp gzpgzp2211 靜力學(xué)基本方程靜力學(xué)基本方程 壓力形式壓力形式能量形

21、式能量形式Pa-1kgJ1-3-2kgJkgmNmkgmN-2mN討論：討論：（1）適用于）適用于重力場中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性重力場中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性流體流體；（2）物理意義：）物理意義：zg單位質(zhì)量流體所具有的位能，單位質(zhì)量流體所具有的位能，J/kgJ/kg；p單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，J/kgJ/kg。 在同一靜止流體中，處在不同位置流體的在同一靜止流體中，處在不同位置流體的位位能和靜壓能能和靜壓能各不相同，但二者可以轉(zhuǎn)換，其各不相同，但二者可以轉(zhuǎn)換，其總和總和保持不變保持不變 。（3）在在靜止靜止的、的、連續(xù)連續(xù)的的同種流體同種流體內(nèi)，處于內(nèi)

22、，處于同一水平同一水平面面上各點(diǎn)的壓力處處相等。壓力相等的面稱為上各點(diǎn)的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓等壓面面。（4 4）壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時(shí)，液體）壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。 二、二、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用 1. 壓力及壓力差的測量壓力及壓力差的測量 （1）U形壓差計(jì)形壓差計(jì) 設(shè)指示液的密度為設(shè)指示液的密度為 ，被測流體的密度為被測流體的密度為 。 0A與與A面面 為等壓面，即為等壓面，即AAppgRgmpp02A 而而p1p2mRAA)(1ARmgpp 所以所以gRgmpR

23、mgp021)( 整理得整理得gRpp)(021 若被測流體是氣體，若被測流體是氣體， ，則有，則有0 021 Rgpp若若0=呢？呢？討論：討論：（1）U形壓差計(jì)可測系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差，當(dāng)將形壓差計(jì)可測系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差，當(dāng)將U形形管一端與被測點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也可測管一端與被測點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也可測得流體的表壓或真空度；得流體的表壓或真空度； 表壓表壓真空度真空度p1pap1pa（2）指示液的選取：）指示液的選?。?指示液與被測流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；指示液與被測流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 其密度要大于被測流體密度。其密度要大于被測流體密度。 應(yīng)根據(jù)被測流體的種

24、類及壓差的大小選擇指示液。應(yīng)根據(jù)被測流體的種類及壓差的大小選擇指示液。 思考：若思考：若U形壓差計(jì)安裝在傾斜管路中，此時(shí)讀數(shù)形壓差計(jì)安裝在傾斜管路中，此時(shí)讀數(shù) R反映了什么？反映了什么？gzzgRpp)()(12021 p1p2z2RAAz1gRgzzpp)()(01221 密度接近但不互溶的兩種指示密度接近但不互溶的兩種指示 液液A和和C ；)(CA （2）雙液體雙液體U管壓差計(jì)管壓差計(jì) 擴(kuò)大室內(nèi)徑與擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)管內(nèi)徑之比應(yīng) 大于大于10 。適用于壓差較小的場合。適用于壓差較小的場合。)(CA21 Rgpp（3） 倒倒U形壓差計(jì)形壓差計(jì) RgRgpp)(021 指示劑密度小于被

25、測流體密度，指示劑密度小于被測流體密度，如如空氣作為指示劑空氣作為指示劑 （5） 復(fù)式壓差計(jì)復(fù)式壓差計(jì) （4） 傾斜式傾斜式壓差計(jì)壓差計(jì) 適用于壓差較小的情況。適用于壓差較小的情況。適用于壓差較大的情況。適用于壓差較大的情況。例例1-1 如附圖所示，水在水平管道內(nèi)流動(dòng)。為測量流如附圖所示，水在水平管道內(nèi)流動(dòng)。為測量流體在某截面處的壓力，直接在該處連接一體在某截面處的壓力，直接在該處連接一U形壓差計(jì)，形壓差計(jì)， 指示液為水銀，讀數(shù)指示液為水銀，讀數(shù) R250mm，m900mm。已知當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?，水的密度為已知?dāng)?shù)卮髿鈮簽?，水的密度?000kg/m3，水銀的密度，水銀的密度為為13600kg/m

26、3。試計(jì)算該截面處的。試計(jì)算該截面處的壓力。壓力。 59.1kPa1081. 99 . 0100025. 013600-3 .1013-pp解例例1-2 如附圖所示，用一如附圖所示，用一測量某測量某種流體流過管路種流體流過管路A、B兩點(diǎn)的壓力差。已知流體的兩點(diǎn)的壓力差。已知流體的密度為密度為，指示液的密度為，指示液的密度為0 0，且兩，且兩U形管指示液形管指示液之間的流體與管內(nèi)流體相同。已知兩個(gè)之間的流體與管內(nèi)流體相同。已知兩個(gè)U形壓差計(jì)的讀數(shù)分別形壓差計(jì)的讀數(shù)分別為為R1、R2，試推導(dǎo)，試推導(dǎo)A、B兩點(diǎn)壓力差的計(jì)算式，兩點(diǎn)壓力差的計(jì)算式，由此可得出什么結(jié)論？由此可得出什么結(jié)論？10A210A

27、2310A101A- - - 3-3- 2-2 1-1gRgzpRzzggRgzpRzzgppgRgzpgRpppgzppp2111112122111從左向右推從左向右推 等壓面上，左等壓面上，左px，右，右px 210BA2010AB2022102AB20223B-RRgppgRgRppgRRzggRgzppgRRzgpp3pp 32. 液位測量液位測量 （1 1）近距離液位測量裝置）近距離液位測量裝置 壓差計(jì)讀數(shù)壓差計(jì)讀數(shù)R反映出容器反映出容器內(nèi)的液面高度。內(nèi)的液面高度。 Rh 0 液面越高，液面越高，h越小，壓差計(jì)讀數(shù)越小，壓差計(jì)讀數(shù)R越??；當(dāng)液越??；當(dāng)液面達(dá)到最高時(shí)，面達(dá)到最高時(shí)，h為

28、零，為零，R亦為零。亦為零。（2 2）遠(yuǎn)距離液位測量裝置）遠(yuǎn)距離液位測量裝置 BApp 管道中充滿氮管道中充滿氮?dú)?，其密度較小，氣，其密度較小，近似認(rèn)為近似認(rèn)為 ghpp aAgRpp0aB Rh 0而而所以所以 AB3. 液封高度的計(jì)算液封高度的計(jì)算 液封作用：液封作用： 確保設(shè)備安全：當(dāng)設(shè)備確保設(shè)備安全：當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過規(guī)定值時(shí)，氣內(nèi)壓力超過規(guī)定值時(shí)，氣體從液封管排出；體從液封管排出； 防止氣柜內(nèi)氣體泄漏。防止氣柜內(nèi)氣體泄漏。gph 液封高度：液封高度：大氣大氣空空大氣大氣滿滿1.3 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)1.3.1 流體的流量與流速流體的流量與流速1.3.2 定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)與

29、非定態(tài)流動(dòng)1.3.3 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量衡算定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量衡算 連續(xù)性方程連續(xù)性方程1.3.4 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算 柏努利方程柏努利方程 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 1. 體積流量體積流量 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積。單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積。 Vsm3/s或或m3/h 2. 2.質(zhì)量流量質(zhì)量流量 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量。單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量。 mskg/s或或kg/h。 ssVm 二者關(guān)系：二者關(guān)系：一、流量一、流量 流體的流量與流速流體的流量與流速二、流速二、流速2. 2. 質(zhì)量流速質(zhì)量流速 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道

30、單位截面積的流體質(zhì)量。單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。 流速流速 （平均平均流速）流速）單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離。單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離。 AVus kg/（m2s） uAVAmG ss流量與流速的關(guān)系：流量與流速的關(guān)系： GAuAVm ssm/s 定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量定態(tài)流動(dòng)：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量僅隨位置變化，而不隨時(shí)間變化；僅隨位置變化，而不隨時(shí)間變化； 非定態(tài)流動(dòng)：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位非定態(tài)流動(dòng)：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時(shí)間變化。置變

31、化，也隨時(shí)間變化。),(,zyxfupT ),(, zyxfupT 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量衡算定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量衡算 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 對于定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)，在對于定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失管路中流體沒有增加和漏失的情況下：的情況下： s2s1mm 222111AuAu 推廣至任意截面推廣至任意截面 常常數(shù)數(shù) uAAuAum 222111s連續(xù)性方程連續(xù)性方程11 2 2常數(shù)常數(shù) uAAuAuV2211s不可壓縮性流體，不可壓縮性流體，.Const 圓形管道圓形管道 ：2121221 ddAAuu 即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與管內(nèi)徑的平

32、方成反比管內(nèi)徑的平方成反比 。例例1-31-3 如附圖所示，管路由一段如附圖所示，管路由一段894mm的管的管1和一段和一段101084mm的管的管2和兩段和兩段的分支管的分支管3a及及3b連接而成。若水以連接而成。若水以910-3m3/s的體積流量流動(dòng)，且的體積流量流動(dòng)，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。速度。 3a123b管子規(guī)格的通用表管子規(guī)格的通用表示法，外徑示法，外徑壁厚壁厚1 -221 -33-31 -221 -33-21 -221 -33-1sm29. 2m035. 02-057. 042sm109u3sm15. 1m

33、004. 02-081 . 04sm109u2sm75. 1m004. 02-089. 04sm109u1：管管：管管：管管22120.10.0811.7521dduu2210.050.08121.752313dduu 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算 柏努利方程柏努利方程 一、一、理想流體理想流體的機(jī)的機(jī)械能衡算械能衡算p2, u2p1, u1z1z211 22 00 衡算范圍：衡算范圍：1-1、2-2截面以及截面以及管內(nèi)壁所圍成的空間管內(nèi)壁所圍成的空間衡算基準(zhǔn)：衡算基準(zhǔn)：1kg流體流體基準(zhǔn)面：基準(zhǔn)面：0-0水平面水平面（1）內(nèi)能）內(nèi)能 貯存于物質(zhì)內(nèi)部的能量。貯存于物質(zhì)內(nèi)部的

34、能量。 1kg流體具有的內(nèi)能為流體具有的內(nèi)能為U（J/kg）。）。（2）位能）位能 流體受重力作用在不同高度所具有的能量。流體受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流體所具有的位能為的流體所具有的位能為zg（J/kg）。 （3）動(dòng)能）動(dòng)能 1kg的流體所具有的動(dòng)能為的流體所具有的動(dòng)能為 ( (J/kg) 221u（4）靜壓能）靜壓能 靜壓能靜壓能= pVAVpAFl 1kg的流體所具有的靜壓能為的流體所具有的靜壓能為 pmpV (J/kg)lAV 222212112121pugzpugz （1）柏努利方程式柏努利方程式 22222112112121 pugzpugz 不可壓縮性流體，不可

35、壓縮性流體，.Const 式（式（1）為以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)的）為以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能機(jī)械能衡衡算式，各項(xiàng)單位均為算式，各項(xiàng)單位均為J/kg。根據(jù)能量守恒原則，必有根據(jù)能量守恒原則，必有 單位 zgkgJkgmN:kgNkgsmkgsm:m:22zggz221ukgJkgmNsmmsm:212-2-22upkgJkgmNmkgmN:32pgpugzgpugz 222212112121 將將(1)(1)式各項(xiàng)同除重力加速度式各項(xiàng)同除重力加速度g :（2）式中各項(xiàng)單位為式中各項(xiàng)單位為mNJN/kgJ/kg 式（式（2）即為以單位重量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式。）即為以單位重量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械

36、能衡算式。z 位壓頭位壓頭gu22動(dòng)壓頭動(dòng)壓頭gp 靜壓頭靜壓頭總壓頭總壓頭二、二、實(shí)際流體的機(jī)械能衡算實(shí)際流體的機(jī)械能衡算Wep2,u2p1,u1221100z2z1（2）外功）外功(有效功有效功) 1kg流體從流體輸送機(jī)械獲得的能量為流體從流體輸送機(jī)械獲得的能量為We (J/kg)。（1）能量損失）能量損失設(shè)設(shè)1kg流體損失的能量為流體損失的能量為Wf（J/kg）。）。 f222212112121WpugzWpugze f222212112121hgpugzHgpugze （3）（4）或或gWHee gWhff 其中其中 He外加壓頭或有效壓頭，外加壓頭或有效壓頭，m;hf壓頭損失，壓頭損

37、失，m。三、三、 柏努利方程的討論柏努利方程的討論 （1 1）若流體處于靜止，）若流體處于靜止，u=0，Wf=0，We=0，則柏，則柏努利方程變?yōu)榕匠套優(yōu)?說明柏努利方程既表示流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也說明柏努利方程既表示流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律 。 2211pgzpgz （2）理想流體在流動(dòng)過程中任意截面上總機(jī)械能、）理想流體在流動(dòng)過程中任意截面上總機(jī)械能、總壓頭為常數(shù)，即總壓頭為常數(shù)，即Const.212 puzgConst.212 gpugz gu221gu222gp1gp2Hz2210理想流體理想流體 We、Wf 在兩截面間單位質(zhì)量流體獲得在兩截面間單

38、位質(zhì)量流體獲得或消耗的能量?；蛳牡哪芰?。（3）zg、 、 某某截面上單位質(zhì)量流體所截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動(dòng)能和靜壓能具有的位能、動(dòng)能和靜壓能 ； p221u有效功率有效功率 ：eseWmN 軸功率軸功率 ： eNN -1-1-1JsJkgkgs W（4）柏努利方程式柏努利方程式適用于不可壓縮性流體。適用于不可壓縮性流體。 對于可壓縮性流體，當(dāng)對于可壓縮性流體，當(dāng) 時(shí)，仍可時(shí)，仍可用該方程計(jì)算，但式中的密度用該方程計(jì)算，但式中的密度應(yīng)以兩截面的平均應(yīng)以兩截面的平均密度密度m代替。代替。%20121 ppp四、四、柏努利方程的應(yīng)用柏努利方程的應(yīng)用 管內(nèi)流體的流量；管內(nèi)流體的流量； 輸送

39、設(shè)備的功率；輸送設(shè)備的功率； 管路中流體的壓力；管路中流體的壓力； 容器間的相對位置等。容器間的相對位置等。利用柏努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：利用柏努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：（1）根據(jù)題意畫出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的根據(jù)題意畫出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流動(dòng)方向，定出上、下游截面，明確流動(dòng)系統(tǒng)的衡流動(dòng)方向，定出上、下游截面，明確流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍算范圍 ；（2）位能基準(zhǔn)面的選取位能基準(zhǔn)面的選取 必須與地面平行；必須與地面平行； 宜于選取兩截面中位置較低的截面；宜于選取兩截面中位置較低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面應(yīng)

40、選過管中心線的水平面。應(yīng)選過管中心線的水平面。 （4）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示方法也各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示方法也應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。 （3）截面的選?。┙孛娴倪x取 與流體的流動(dòng)方向相垂直；與流體的流動(dòng)方向相垂直； 兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動(dòng)；兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動(dòng)； 截面宜選在已知量多、計(jì)算方便處。截面宜選在已知量多、計(jì)算方便處。 例例1-4 如附圖所示，從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽如附圖所示，從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽 中液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液中液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液hpa管為管為

41、的鋼管，要求送液量為的鋼管，要求送液量為3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為（不設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為（不包括出口能量損失），試問高位包括出口能量損失），試問高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？hpa1122m.f432141032041802141021000021212121222122221211gzgugggzhgpugzHgpugze122800404360063-sm.u 例例1-5 在在453mm的管路上裝一文丘里管，的管路上裝一文丘里管，文丘里管的上游接一壓力表，其讀數(shù)為文丘里管的上游接一壓力表，其讀數(shù)為5kPa，壓，壓力表軸心與管中心的垂直距離為，管內(nèi)水

42、的流速力表軸心與管中心的垂直距離為，管內(nèi)水的流速為，文丘里管的喉徑為為，文丘里管的喉徑為10mm。文丘里喉部接一內(nèi)。文丘里喉部接一內(nèi)徑為徑為15mm的玻璃管，玻璃管的下端插入水池中，的玻璃管，玻璃管的下端插入水池中，池內(nèi)水面到管中心的垂直距離為池內(nèi)水面到管中心的垂直距離為3m。若將水視為。若將水視為理想流體，試判斷池中水能否被吸入管中。理想流體，試判斷池中水能否被吸入管中。3.0m1120.3m200um.-.-.38262518228222105121021212122221222221211gppggpggpggpugzgpugz3.0m1120.3m200u122822103951-sm

43、.u能抽上來能抽上來 續(xù)問：喉管直徑為多少就抽不上來了？續(xù)問：喉管直徑為多少就抽不上來了？ p1比大氣壓高，p2要比大氣壓低3m才能抽上來。也就是說：mm.8.s8m.1m.-1m.-m-0.81m0.3101-3116395178788325183352222211222222121dddduuugupppgp 再續(xù)問：第一種情況再續(xù)問：第一種情況p2=？m.-m.m.-572581038262121ppgpp 再續(xù)問：可能嗎？絕對真空才再續(xù)問：可能嗎？絕對真空才 毛病出在哪？毛病出在哪？ 例例1-6 用水吸收混合氣中氨的常壓逆流吸收流程如用水吸收混合氣中氨的常壓逆流吸收流程如附圖所示。用泵

44、將敞口水池中的水輸送至吸收塔塔附圖所示。用泵將敞口水池中的水輸送至吸收塔塔頂，并經(jīng)噴嘴噴出，水流量為頂，并經(jīng)噴嘴噴出，水流量為35m3/h。泵的入口管。泵的入口管為為1084mm無縫鋼管，出口管為無縫鋼管，出口管為763 3mm無無縫鋼管。池中水深為，池底至塔頂噴嘴入口處的垂縫鋼管。池中水深為，池底至塔頂噴嘴入口處的垂直距離為直距離為20m。水流經(jīng)所有管路的能量損失為。水流經(jīng)所有管路的能量損失為42J/kg（不包括噴嘴），噴嘴入口處的表壓為（不包括噴嘴），噴嘴入口處的表壓為34kPa。設(shè)泵的效率為。設(shè)泵的效率為60%，試求泵所需的功率。，試求泵所需的功率。 （水密度以（水密度以1000kg/m

45、3計(jì)）計(jì)） 20m1.5m氣體氣體12W./WsJsk.kg260.7Jsk.kg260.7Jkg42Jm1000kgs2.53m0.07436003534kPa18.5m1.5-20000-1-1-1-1-1-1-f3-1-2222f22f42236025342534729729100036003521212111112221122221211NgNegqWWupzupzWppuugzzWWpugzWpugzveee軸功率有效功率流量1.4 流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4.1 流體的流動(dòng)型態(tài)流體的流動(dòng)型態(tài)1.4.2 流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布1.4.3 流體流動(dòng)

46、邊界層流體流動(dòng)邊界層 1.4.1 流體的流動(dòng)型態(tài)流體的流動(dòng)型態(tài) 一、雷諾實(shí)驗(yàn)一、雷諾實(shí)驗(yàn) 流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 層流（或滯流）：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的層流（或滯流）：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；混合； 湍流（或紊流）湍流（或紊流） ：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外，還有流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。二、二、流型判據(jù)流型判據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)

47、 （Reynolds number）udRe無因次數(shù)群無因次數(shù)群判斷流型判斷流型對于直圓管管內(nèi)流動(dòng)對于直圓管管內(nèi)流動(dòng)Re2000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000Re4000 時(shí)，時(shí)，流動(dòng)可能是層流，也可能是湍流動(dòng)可能是層流，也可能是湍流流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。 示例：判斷流型 573.5,20水和空氣，-1水空氣密度/kg.m-39981.205黏度/Pa.s110-31.8110-51665101.810.51.2050.05Re2495010

48、10.59980.05Re5-3-空氣水2.物理意義物理意義 Re反映了流體流動(dòng)中反映了流體流動(dòng)中慣性力與黏性力的對比關(guān)慣性力與黏性力的對比關(guān)系系，標(biāo)志著流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度。，標(biāo)志著流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度。 udRe相當(dāng)于質(zhì)量流量相當(dāng)于質(zhì)量流量/黏度黏度1.4.2 流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布速度分布：顯然，流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)速度分布：顯然，流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí), ,管截面上管截面上質(zhì)點(diǎn)的速度隨半徑的變化關(guān)系隨流速的不同而不質(zhì)點(diǎn)的速度隨半徑的變化關(guān)系隨流速的不同而不同。同。 一、一、 層流流速分布推導(dǎo)層流流速分布推導(dǎo)在直圓管中，在流動(dòng)方向上取一流體柱（半徑為在直圓管中，在流動(dòng)方向上取

49、一流體柱（半徑為r，長度為長度為L，與管子同軸）做動(dòng)量衡算。與管子同軸）做動(dòng)量衡算?；炯俣▽恿鞑豢蓧嚎s流體穩(wěn)定流動(dòng)牛頓型流體忽略進(jìn)口效應(yīng)連續(xù)流體壁面處無滑動(dòng)LRr由壓力（強(qiáng)）差產(chǎn)生的推力由壓力（強(qiáng)）差產(chǎn)生的推力 N)(221rpp 流體流體層間層間內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力 Ndd)2(ddrurlruAFr=r處的軸向速度梯度處的軸向速度梯度流體柱側(cè)面積流體柱側(cè)面積yuAFdd 牛頓粘性定律牛頓粘性定律rurlrppdd)2()(221 rlppru 2)(dd21 管壁處管壁處rR時(shí)，時(shí)，0，可得速度分布方程，可得速度分布方程 u4)(22rRlpu穩(wěn)定流動(dòng)體系，作用在流體柱上的合力為穩(wěn)定流動(dòng)體系

50、，作用在流體柱上的合力為0 0。即推力差與摩擦力相同。即推力差與摩擦力相同。r0時(shí)，即，管中心流速為最大時(shí)，即，管中心流速為最大 umax u2max2214-RrurRlpu管截面上的平均速度管截面上的平均速度 :max20S212uRrdruAVuR 即即層流流動(dòng)時(shí)的平均速度為管中心最大速度的層流流動(dòng)時(shí)的平均速度為管中心最大速度的1/2。 即流體在圓形直管內(nèi)即流體在圓形直管內(nèi)層流流動(dòng)層流流動(dòng)時(shí)時(shí),其速度呈其速度呈拋物線分布拋物線分布。42maxRlpu二、湍流時(shí)的速度分布二、湍流時(shí)的速度分布 剪應(yīng)力剪應(yīng)力 ：yuedd)( e為湍流黏度，與流體的流動(dòng)狀況有關(guān)。為湍流黏度，與流體的流動(dòng)狀況有

51、關(guān)。 nRruu 1max湍流速度分布湍流速度分布的的經(jīng)驗(yàn)式經(jīng)驗(yàn)式：101102 . 3Re71,102 . 3Re101 . 161,101 . 1Re10466554nnnn與與Re有關(guān)，取值如下：有關(guān)，取值如下： 1/7次方定律次方定律71 n當(dāng)當(dāng) 時(shí)，流體的平均速度時(shí)，流體的平均速度 :maxs82. 0uAVu 1.4.3 流體流動(dòng)邊界層流體流動(dòng)邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展一、邊界層的形成與發(fā)展 流動(dòng)邊界層：流動(dòng)邊界層：存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域，存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域， 即即流速降為主體流速的流速降為主體流速的99以內(nèi)的以內(nèi)的 區(qū)域。區(qū)域。 邊界層厚度：邊界層外緣與壁面

52、間的垂直距離。邊界層厚度：邊界層外緣與壁面間的垂直距離。流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層：流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層： 邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮黏度的影響，剪應(yīng)力不可忽略。很大，需考慮黏度的影響，剪應(yīng)力不可忽略。 主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應(yīng)力可主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應(yīng)力可以忽略，可視為理想流體以忽略，可視為理想流體 。什么是理想流體來著？什么是理想流體來著？邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層：在平板的前段，邊界層內(nèi)的流型為層流。層流邊界層：在平板的前段，邊

53、界層內(nèi)的流型為層流。湍流邊界層：離平板前沿一段距離后，邊界層內(nèi)的流型湍流邊界層：離平板前沿一段距離后，邊界層內(nèi)的流型轉(zhuǎn)為湍流。轉(zhuǎn)為湍流。 流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層 充分發(fā)展的邊界層厚度為圓管的半徑；充分發(fā)展的邊界層厚度為圓管的半徑； 進(jìn)口段內(nèi)有邊界層內(nèi)外之分進(jìn)口段內(nèi)有邊界層內(nèi)外之分 。 也分為層流邊界層與湍流邊界層。也分為層流邊界層與湍流邊界層。進(jìn)口段長度進(jìn)口段長度x0：層流：層流：湍流：湍流：Redx05. 00 50400 dx湍流流動(dòng)時(shí)：湍流流動(dòng)時(shí)： 湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流黏度為主，徑向湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流黏度為主，徑向傳遞因速度的脈動(dòng)而大大

54、強(qiáng)化；傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化； 過渡層：分子黏度與湍流黏度相當(dāng)；過渡層：分子黏度與湍流黏度相當(dāng)； 層流內(nèi)層：速度脈動(dòng)較小，以分子黏度為主，徑向?qū)恿鲀?nèi)層：速度脈動(dòng)較小，以分子黏度為主，徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)。傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)。層流內(nèi)層為傳遞過程的主要阻力層流內(nèi)層為傳遞過程的主要阻力Re越大，湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層越薄。越大，湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層越薄。二、二、 邊界層的分離邊界層的分離ABS AC：流道截面積逐漸減小，流速逐漸增加，壓：流道截面積逐漸減小，流速逐漸增加，壓力逐漸減?。槈禾荻龋?；力逐漸減小（順壓梯度）；CS：流道截面積逐漸增加，流速逐漸減小，壓：流道截面積逐漸增加，流速

55、逐漸減小，壓力逐漸增加（逆壓梯度）；力逐漸增加（逆壓梯度）；S點(diǎn)：物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)在逆壓梯度和黏性剪應(yīng)點(diǎn)：物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)在逆壓梯度和黏性剪應(yīng)力的作用下，速度降為力的作用下，速度降為0。SS以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流回來，以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流回來，形成渦流，出現(xiàn)邊界層分離。形成渦流，出現(xiàn)邊界層分離。邊界層分離的后果邊界層分離的后果： 產(chǎn)生大量旋渦；產(chǎn)生大量旋渦； 造成較大的能量損失。造成較大的能量損失。邊界層分離的必要條件邊界層分離的必要條件： 流體具有黏性；流體具有黏性； 流動(dòng)過程中存在逆壓梯度。流動(dòng)過程中存在逆壓梯度。1.5 流體流動(dòng)阻力流體流動(dòng)阻力1.5.1 直

56、管阻力直管阻力1.5.2 局部阻力局部阻力 1.5.3 流體在管路中的總阻力流體在管路中的總阻力 流體流動(dòng)阻力流體流動(dòng)阻力直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦而而 產(chǎn)生的阻力；產(chǎn)生的阻力；局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速 大小及方向的改變而引起的阻力。大小及方向的改變而引起的阻力。 直管阻力直管阻力一、阻力的表現(xiàn)形式一、阻力的表現(xiàn)形式 流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。f222212112121Wpugzpugz 21uu 21zz 21fppW 若管道

57、為傾斜管，則若管道為傾斜管，則 )()(2211fgzpgzpW 流體的流動(dòng)阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少；流體的流動(dòng)阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少； 水平安裝時(shí)，流動(dòng)阻力恰好等于兩截面的靜壓水平安裝時(shí)，流動(dòng)阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。能之差。 二、計(jì)算二、計(jì)算直管阻力的通式直管阻力的通式 由于壓力差而產(chǎn)生的推動(dòng)力：由于壓力差而產(chǎn)生的推動(dòng)力： N4221dpp 流體的摩擦力：流體的摩擦力：ldAFdldpp4)(221 dlW4f 令令 28u 定常態(tài)流動(dòng)時(shí)：定常態(tài)流動(dòng)時(shí)：Wf:在兩截面間單位質(zhì)量流體消耗的能量。在兩截面間單位質(zhì)量流體消耗的能量。fWpp21282242222udluuudlWf直管阻力通

58、式（范寧直管阻力通式（范寧Fanning公式）公式） 其它形式：其它形式：摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)）摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)） 則則 22fudlW J/kg壓頭損失壓頭損失 gWgudlhf2fm2 壓力損失壓力損失f2fPa2Wudlp 該公式層流與湍流均適用。該公式層流與湍流均適用。p與與pf p兩截面之間的壓力差兩截面之間的壓力差pf 兩截面之間以壓力差形式表現(xiàn)的能量損失兩截面之間以壓力差形式表現(xiàn)的能量損失p= (p1-p2)+pf p=p1-p2+pf 1212三、三、層流時(shí)的摩擦系數(shù)層流時(shí)的摩擦系數(shù) max21uu 221max4)(Rlppu 速度分布方程速度分布方程2dR 22132)(d

59、lupp 2f32dlup 又又哈根哈根-泊謖葉泊謖葉 （Hagen-Poiseuille）方程方程 水平管路水平管路2f32dluW 能量損失能量損失 層流時(shí)阻力與速度的一次方成正比層流時(shí)阻力與速度的一次方成正比 。2Re6426432222fudludluddluW Re64變形：變形：比較得比較得四、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)四、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)1. 因次分析法因次分析法 目的目的：（：（1）減少實(shí)驗(yàn)工作量；）減少實(shí)驗(yàn)工作量； （2）結(jié)果具有普遍性，便于推廣。）結(jié)果具有普遍性，便于推廣?；A(chǔ)基礎(chǔ)：因次一致性：因次一致性 即每一個(gè)物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，即每一個(gè)物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，

60、而且每一項(xiàng)都應(yīng)具有相同的因次。而且每一項(xiàng)都應(yīng)具有相同的因次。基本定理基本定理：白金漢（：白金漢（Buckinghan）定理定理 設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨(dú)立變量數(shù)為設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨(dú)立變量數(shù)為n個(gè)，這個(gè)，這些變量的基本因次數(shù)為些變量的基本因次數(shù)為m個(gè)，則該物理現(xiàn)象可用個(gè)，則該物理現(xiàn)象可用N（nm）個(gè)獨(dú)立的無因次數(shù)群表示。）個(gè)獨(dú)立的無因次數(shù)群表示。 湍流時(shí)壓力損失的影響因素：湍流時(shí)壓力損失的影響因素：（1）流體性質(zhì)：）流體性質(zhì)： ， （2）流動(dòng)的幾何尺寸：）流動(dòng)的幾何尺寸：d，l， （管壁粗糙度）（管壁粗糙度）（3）流動(dòng)條件：）流動(dòng)條件：u1234567pf udlMT-2L-1ML-3MT-1