化學(xué)工程基礎(chǔ) kj(1)

1、 1遼陽化纖廠遼陽化纖廠2 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、流體的特性一、流體的特性 1 1、流動性；、流動性； 2 2、沒有固定形狀，形狀隨容器而變；、沒有固定形狀，形狀隨容器而變； 3 3、流體流動、流體流動外力作用的結(jié)果；外力作用的結(jié)果； 4 4、連續(xù)性（除高度真空情況）、連續(xù)性（除高度真空情況）。3二、流體的宏觀參數(shù)二、流體的宏觀參數(shù) 能宏觀測定的平均參數(shù)能宏觀測定的平均參數(shù) 研究流體質(zhì)點（微團(tuán)）研究流體質(zhì)點（微團(tuán)）三、可壓縮性流體與不可壓縮性流體三、可壓縮性流體與不可壓縮性流體 可壓縮性流體可壓縮性流體氣體氣體 不可壓縮性流體不可壓縮性流體液體液體四、研究內(nèi)容四、研究內(nèi)容 （1 1）流體流

2、動的規(guī)律）流體流動的規(guī)律 （2 2）設(shè)備提供的能量）設(shè)備提供的能量 （3 3）壓力、流速、流量的測定）壓力、流速、流量的測定4流體流動的典型流程流體流動的典型流程計算內(nèi)容：計算內(nèi)容：流速、流量、壓強(qiáng)、管徑、揚(yáng)程、功率流速、流量、壓強(qiáng)、管徑、揚(yáng)程、功率轉(zhuǎn)子流量轉(zhuǎn)子流量計計閥門閥門貯槽貯槽離心泵離心泵貯槽貯槽5 第二節(jié)第二節(jié) 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式 研究外力作用下的平衡規(guī)律研究外力作用下的平衡規(guī)律 1-1 1-1 密度密度 一、一、密度密度 1.1.定義定義：單位體積流體所具有的質(zhì)量。：單位體積流體所具有的質(zhì)量。 = = m / V kg / m32 2、影響因素：溫度和壓力、影

3、響因素：溫度和壓力（1）液體液體 為不可壓縮的流體，與壓力無關(guān)，溫度升為不可壓縮的流體，與壓力無關(guān)，溫度升高，密度降低。高，密度降低。6（2 2）氣體）氣體 為可壓縮性的流體，通常（壓力不太高，溫為可壓縮性的流體，通常（壓力不太高，溫度不太低）時可按理想氣體處理，否則按真實氣度不太低）時可按理想氣體處理，否則按真實氣體狀態(tài)方程處理。體狀態(tài)方程處理。RTMP 000TPPT 3 3、混合物密度、混合物密度（1）氣體氣體 RTPMmm mmmMyMyMyM 22117（2 2）液體混合物密度）液體混合物密度nnmaaa 22111 a 質(zhì)量分率質(zhì)量分率應(yīng)用條件：應(yīng)用條件：* 混合物的體積應(yīng)等于各組

4、分單獨存在時的體積混合物的體積應(yīng)等于各組分單獨存在時的體積之和。之和。二、比容二、比容 單位質(zhì)量的流體所具有的體積。單位質(zhì)量的流體所具有的體積。/13kgmmV 8三、相對密度與比重三、相對密度與比重1.相對密度相對密度d2.2.重度重度 1000204 OHCd/3mkgfVG 重度值重度值= =密度值密度值 ( (值相同但意義不同值相同但意義不同) ) 912 壓力壓力 一、定義：一、定義： 流體垂直作用于單位面積上的力。流體垂直作用于單位面積上的力。AFP 2PamN二二. . 壓力的單位壓力的單位 1. SI 單位單位 N/m2 Pa 2. 工程單位工程單位 kg/m2 at mmHg

5、 mmH20 mH2010 3.換算換算 1atm = 1.0133105 N/m2 = 101.3 kPa = 10330 kgf/m2 = 10.33 mH20 = 760 mmHg 1at = 1 kgf/cm2 = 10 mH20 = 735.5 mmHg = 98.1 kPa 11三三. . 壓力的基準(zhǔn)及表示形式壓力的基準(zhǔn)及表示形式 1.1.以絕對真空為基準(zhǔn)以絕對真空為基準(zhǔn) 2.2.以當(dāng)時當(dāng)?shù)貕毫榛鶞?zhǔn)以當(dāng)時當(dāng)?shù)貕毫榛鶞?zhǔn) 絕對壓絕對壓表壓表壓真空度真空度絕壓（余壓）絕壓（余壓） 表壓表壓絕對壓絕對壓- -大氣壓大氣壓 真空度真空度大氣壓大氣壓 - - 絕對壓絕對壓絕對零壓絕對零壓大

6、氣壓大氣壓實測壓力實測壓力實測壓力實測壓力12例題：例題：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔塔頂真空在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔塔頂真空表讀數(shù)為表讀數(shù)為8080kPa，在天津操作時，真空表讀數(shù)應(yīng)，在天津操作時，真空表讀數(shù)應(yīng)為多少？已知蘭州地區(qū)的平均大氣壓為多少？已知蘭州地區(qū)的平均大氣壓85.385.3kPa，天津地區(qū)為天津地區(qū)為101.33101.33kPa。解：維持操作的正常進(jìn)行，應(yīng)保持相同的絕對壓，解：維持操作的正常進(jìn)行，應(yīng)保持相同的絕對壓，根據(jù)蘭州地區(qū)的壓強(qiáng)條件，可求得操作時的絕對根據(jù)蘭州地區(qū)的壓強(qiáng)條件，可求得操作時的絕對壓。壓。 解解: : 絕壓絕壓= =大氣壓大氣壓 - - 真空度真空度

7、= 85300 = 85300 80000 = 5300Pa 80000 = 5300Pa 真空度真空度= =大氣壓大氣壓- -絕壓絕壓 =101330 - 5300 =96030Pa=101330 - 5300 =96030Pa131-3 流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程 一一. .相對靜止?fàn)顟B(tài)流體受力情相對靜止?fàn)顟B(tài)流體受力情況況 上表面作用力：上表面作用力： F1= P1 A下表面作用力：下表面作用力： F2= P2 A重力：重力：G = g A (Z1 - Z2)1PG2P1Z2Z14 F1 + G = F2 P1 A + g A ( Z1 - Z2 ) = P2 A P2= P1

8、+ g ( Z1 - Z2 ) 或或 P2= P0+ g ( Z1 - Z2 ) = P0+ g h 或或 1PG2P1Z2ZgPZgPZ 2211 2211PgZPgZ F1 P1 A F2 P2 AG g A( Z1 - Z2 ) 二二. . 靜力學(xué)方程及巴斯葛定律靜力學(xué)方程及巴斯葛定律15三三. .討論討論1.1.流體某一深處的壓力與深度和密度有關(guān)。流體某一深處的壓力與深度和密度有關(guān)。2.2.液面上方流體壓力改變，液體內(nèi)部壓力隨著改液面上方流體壓力改變，液體內(nèi)部壓力隨著改變且變化值相同（巴斯葛定律）。變且變化值相同（巴斯葛定律）。3.3.靜止的、連續(xù)的同一流體內(nèi)、同一水平面處各靜止的、連

9、續(xù)的同一流體內(nèi)、同一水平面處各點壓力相等。點壓力相等。( ( 等壓面等壓面 ) )4.4.壓力或壓差可用液柱高度表示。壓力或壓差可用液柱高度表示。 H =（P2 - P0）/ ggPZgPZ 2211 P2= P0+ g h16 5.可用不同液柱高度表示壓力，換算關(guān)系為可用不同液柱高度表示壓力，換算關(guān)系為： H= H / 6. 靜壓頭與位壓頭之和為常數(shù)。靜壓頭與位壓頭之和為常數(shù)。 Z Z 表示把單位重量流體由基準(zhǔn)面移至表示把單位重量流體由基準(zhǔn)面移至Z Z高度高度 后具有的位能。后具有的位能。gP 靜壓頭靜壓頭。17例例: P0 P1 P2 P1= ? P2=? 2P0P1Ph1h18例題例題:

10、1.:1.判斷下面各式是否成立判斷下面各式是否成立 PA=PA PB=PB PC=PC 2.細(xì)管液面高度細(xì)管液面高度。 1 = 800kg/m3 2 =1000kg/m3 H1= 0.7m H2= 0.6m 3.3.當(dāng)細(xì)管水位下降多高時當(dāng)細(xì)管水位下降多高時, ,槽內(nèi)水將放凈槽內(nèi)水將放凈? ?油油水水1HAA2HCCBB19解解: :利用等壓面原理求解利用等壓面原理求解 1. PA=PA PB=PB 油油水水AACC1H2HBB 2. 2 g h+p0= 1 gH1+ 2 gH2+p0 3. 2 g h= 1 gH120211-4 1-4 流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用一一.

11、.壓力測定壓力測定1.1.U型管壓差計型管壓差計 A-A為等壓面為等壓面PA=PAPA= P1+ g ( H+R )PA=P2+ g R+ gH P1 - P2= R g ( - )如測量氣體如測量氣體 0 P1 - P2= R g 一臂通大氣一臂通大氣? ?H RAAP1 P2222. 微差壓差計微差壓差計 放大讀數(shù)放大讀數(shù) P1 P2 a R b 特點：特點：（1 1）內(nèi)裝兩種密度相）內(nèi)裝兩種密度相近且不互溶的指示近且不互溶的指示劑；劑；（2 2）U U型管兩臂各裝型管兩臂各裝擴(kuò)大室（水庫）擴(kuò)大室（水庫）。P1-P2=（ a- b）Rg23R3.傾斜液柱壓差計傾斜液柱壓差計1R R1=R/

12、sin R= R1 sin 24例題：用普通例題：用普通U型管壓差計測量氣體管路上兩點壓型管壓差計測量氣體管路上兩點壓差，指示液為水，讀數(shù)差，指示液為水，讀數(shù)R為為1.2cm，為擴(kuò)大讀數(shù)，為擴(kuò)大讀數(shù) 改為微差計，一指示液密度為改為微差計，一指示液密度為920kg/m3，另一，另一 指示液密度為指示液密度為850kg/m3，讀數(shù)可放大多少倍？，讀數(shù)可放大多少倍？ 解解： （ 水水- 氣氣）gR =（ 1- 2）gR 21 水水RRmm171850920100012 新讀數(shù)為原讀數(shù)的新讀數(shù)為原讀數(shù)的171/1214.3倍倍25例題：常溫水在管道中流動，用雙例題：常溫水在管道中流動，用雙U型管測兩型

13、管測兩點壓差，指示液為汞，其高度差為點壓差，指示液為汞，其高度差為100mmHg，計算兩處壓力差如圖：計算兩處壓力差如圖： P1= P1 P2= P2Pa= P1+ 水水 g xP1= 汞汞 g R+ P2Pb = 水水 g x + 水水 g R + P2Pa- Pb= R g ( 汞汞 - 水水 ) = 0.1 9.81 (13600 -1000) = 1.24 103 Pa22R 111bax26二二. .液位的測量液位的測量 R27例題：遠(yuǎn)距離測液位裝置如下，例題：遠(yuǎn)距離測液位裝置如下，U型管指示液型管指示液為汞，高度差為汞，高度差100mm, ,料液密度為料液密度為1250kg/m3，

14、求貯槽內(nèi)料液深求貯槽內(nèi)料液深。 PA= PBPA= gh + P0PB= Hg g R+P0 h = 13600 0.1 / 1250 如接另一稍短如接另一稍短X米米的管子的管子可測料液的可測料液的密度密度? ? ABRh28三三. .液封液封 氣體氣體R真空表真空表氣氣氣氣水水RRp pp p29已知：抽真空裝置的真空表讀數(shù)為已知：抽真空裝置的真空表讀數(shù)為80kPa，求氣，求氣壓管中水上升的高度。壓管中水上升的高度。P0= P + g RP為裝置內(nèi)的絕對壓為裝置內(nèi)的絕對壓 P0 RgPPR 0mR15. 881. 910008000 P = P0 - 真空度真空度30第三節(jié)：管內(nèi)流體流動的基

15、本方程第三節(jié)：管內(nèi)流體流動的基本方程1-5 流量與流速流量與流速一一.流量流量1.1.體積流量體積流量 VSm3/s2.2.質(zhì)量流量質(zhì)量流量 G = VS kg/s 二二. .流速流速1.1.平均流速平均流速 u = V / A m / s 2.質(zhì)量流速質(zhì)量流速 W= G /A= ukg/m2.s 3.管徑管徑 uVdS 4 液體液體: 0.53m/s 氣體氣體：1030m/s # 管徑應(yīng)進(jìn)行園整管徑應(yīng)進(jìn)行園整31例例: :安裝一根輸水量為安裝一根輸水量為30m3/h的管道的管道, ,試選擇合試選擇合適的管道。適的管道。 查書中附錄查書中附錄20 (P323) (2)普通無縫鋼管普通無縫鋼管

16、外徑外徑 = 89mm 壁厚壁厚 = 4mm即即 894的管子的管子內(nèi)徑為內(nèi)徑為 d = 81mm = 0.081m實際流速為實際流速為: uVdS 4 8 . 14/14. 33600/30 mmm77077. 0 解：選擇管內(nèi)水的經(jīng)驗流速解：選擇管內(nèi)水的經(jīng)驗流速u = 1.8m/ss/m62. 1)081. 0(785. 03600/30u2 321-6 穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動一一.穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動流體流動過程中，在任意截面，流流體流動過程中，在任意截面，流體的參數(shù)不隨時間改變。體的參數(shù)不隨時間改變。二二. .不穩(wěn)定流動不穩(wěn)定流動流體流動過程中，在任意截面流體流動過程中，

17、在任意截面, ,流體的任一參數(shù)隨時間而改變。流體的任一參數(shù)隨時間而改變。AB33 1 2 1 2 G1 = G2 G =V = u A u1 A1 1= u2 A2 2=常數(shù)常數(shù)對于不可壓縮性流體對于不可壓縮性流體, ,密度可視為不變密度可視為不變 u1 A1= u2 A2 u1 /u2 = (d2/d1)2 1-7 1-7 連續(xù)性方程連續(xù)性方程34 1 2 3D1= 2.5cm D2=10cmD3= 5cm(1)(1)當(dāng)流量為當(dāng)流量為4 4升升/ /秒秒時時, ,各段流速各段流速? ?(2)(2)當(dāng)流量為當(dāng)流量為8 8升升/ /秒秒時時, ,各段流速各段流速? ?22112)(dduu 2)

18、1005 . 2(785. 0004. 0 AVu 1sm/15. 8 2)105 . 2(15. 8 sm /51. 0 例題例題: :如下圖的變徑管路如下圖的變徑管路35 1 2 3D1=2.5cm D2=10cmD3=5cm(1)(1)當(dāng)流量為當(dāng)流量為4 4升升/ /秒時秒時, ,各段流速各段流速? ?(2)(2)當(dāng)流量為當(dāng)流量為8 8升升/ /秒時秒時, ,各段流速各段流速? ? 2.04 m/s V = 2V u = 2u u1 = 2u u1= 16.3m/s23113)(dduu 例題例題: :如下圖的變徑管路例題如下圖的變徑管路例題: :36 1-8 1-8 柏努力方程柏努力方

19、程# 穩(wěn)定流動，單位時間，穩(wěn)定流動，單位時間， 質(zhì)量為質(zhì)量為M M的流體的流體 截面截面1 1截面截面2位能：流體因處于地球位能：流體因處于地球重力場中而具有能量，重力場中而具有能量，其值等于把質(zhì)量為其值等于把質(zhì)量為M的的流體由基準(zhǔn)水平面升舉流體由基準(zhǔn)水平面升舉到某高度到某高度Z Z所做的功。所做的功。位能位能 = =力力 距離距離= = m g Z單位質(zhì)量流體的位能單位質(zhì)量流體的位能： m g Z / m = g Z J/kg 1Z2Z12一一. .柏努力方程柏努力方程373. 靜壓能：靜壓能：將流體壓入流體某截將流體壓入流體某截面對抗前方流體的壓面對抗前方流體的壓力所做的功。力所做的功。靜

20、壓能靜壓能= =力力 距離距離 2.動能：流體因運(yùn)動而動能：流體因運(yùn)動而具有的能量。具有的能量。 動能動能 = = mu2/2每公斤流體的動能為每公斤流體的動能為: : # # 截面在基準(zhǔn)面之上，位能值為正，在基準(zhǔn)截面在基準(zhǔn)面之上，位能值為正，在基準(zhǔn)面之下其值為負(fù)面之下其值為負(fù)。 2/2122ummu /kgJ38一公斤流體的靜壓能為一公斤流體的靜壓能為 PA.V/A /m = P/ J/kg 當(dāng)流體為理想流體時，兩界面上的上述三種當(dāng)流體為理想流體時，兩界面上的上述三種能量之和相等。即：能量之和相等。即： 2222222111uPgZuPgZ 各截面上的三種能量之和為常數(shù)各截面上的三種能量之和

21、為常數(shù) 柏努力方程柏努力方程39二二. . 柏努利方程討論柏努利方程討論1.柏努利方程表示理想流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動柏努利方程表示理想流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動, ,無外加能量無外加能量, ,在任一截面上單位質(zhì)量流體所具有在任一截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動能、靜壓能（稱為機(jī)械能）之和為的位能、動能、靜壓能（稱為機(jī)械能）之和為常數(shù)，稱為總機(jī)械能，各種形式的機(jī)械能可互常數(shù)，稱為總機(jī)械能，各種形式的機(jī)械能可互相轉(zhuǎn)換。相轉(zhuǎn)換。2.各項機(jī)械能的單位皆為各項機(jī)械能的單位皆為J/kgJ/kg。3.當(dāng)（當(dāng)（P1-P2）/ / P2 20%, ,密度用平均值密度用平均值, ,不穩(wěn)定不穩(wěn)定系統(tǒng)的瞬間亦可用。系統(tǒng)

22、的瞬間亦可用。4.4.流體靜止流體靜止, ,此方程即為靜力學(xué)方程此方程即為靜力學(xué)方程; ;40 各項單位為各項單位為m：表示單位重量流體具有的機(jī)械：表示單位重量流體具有的機(jī)械能能, ,相當(dāng)把單位重量流體升舉的高度。相當(dāng)把單位重量流體升舉的高度。 各項稱為壓頭各項稱為壓頭。gPguZgPguZ 2222121122 2uPgZ2uPgZ22222111 5.亦可用單位重量和單位體積流體為基準(zhǔn)亦可用單位重量和單位體積流體為基準(zhǔn):411-9 實際流體的機(jī)械能衡算實際流體的機(jī)械能衡算 H 揚(yáng)程；揚(yáng)程； Z2- Z1升楊高度；升楊高度； 壓力差壓力差壓力降壓力降 ( (* *何時兩者相等何時兩者相等)

23、)f22222111h2uPgZW2uPgZ fHgugPZHgugPZ 2222222111 42能量的轉(zhuǎn)換能量的轉(zhuǎn)換連通變徑管連通變徑管 h2h1h3h44344二二. .柏努利方程的應(yīng)用柏努利方程的應(yīng)用解題要點解題要點1.1.作圖并確定能量衡算作圖并確定能量衡算范圍范圍; ;2.2.截面的選??；截面的選??；(1)(1)截面應(yīng)與流體的流動截面應(yīng)與流體的流動方向垂直；方向垂直；(2)(2)兩截面之間的流體是兩截面之間的流體是連續(xù)的；所求未知量連續(xù)的；所求未知量應(yīng)在截面上或截面之應(yīng)在截面上或截面之間；間； 12m5 . 1m1645例題：如圖，堿液例題：如圖，堿液( (d=1.1) )，塔內(nèi)壓

24、力為塔內(nèi)壓力為0.3atm, ,管徑管徑 60 3.5, , 送液量送液量25T/h, ,能量損失為能量損失為29.43J/kg, , 求外界輸送的能量。求外界輸送的能量。 Z1=1.5m, Z2=16m P1 (表表) = 0 P2= 0.3atm = 0.3 101330pa u1= 0 hf = 29.43J/kg 16m1.5m46VS=W/ =25000 / 3600 / 1100 = 0.0063 m3/su2 =Vs/A =0.0063/(0.7850.0532) =0.86m/sZ1+ We=Z2+P2/+u22/2+hf =203 J / kg47 例題例題: :泵進(jìn)口管泵進(jìn)

25、口管893.5，出口管徑，出口管徑762.5流速流速1.5 m/s，壓力，壓力0.2 kg f /cm2( (表表),),能量損失能量損失40 J/kg，密度，密度1100 kg/m3, , 求外加的能量。求外加的能量。 Z1= 0 Z2= 7m P 1= 0P2= 0.298100 Pau1= 0 hf = 40 J/kgu2 = u0 ( d0 / d2 )2 =1.5 ( 82 / 71 )2 =2 m/s m712fhuPgZWe 22222 kgJ /128 48例例: :管內(nèi)流體流速為管內(nèi)流體流速為0.5m/s,壓頭損失壓頭損失1.2m, ,求高位求高位槽的液面應(yīng)比塔入口高出多少米

26、槽的液面應(yīng)比塔入口高出多少米? ? 1 Z 2 P1= P2 = 0 (表表)u1= 0 u2= 0.5 m/sZ1= Z Z2=0Z1= u22/ 2g + Hf = 0.52/ (29.81) +1.2 =1.21m491. A閥不開閥不開 , ,求求A處的表壓強(qiáng)處的表壓強(qiáng); ; 2. 閥開閥開, ,求求A處的處的流速流速,(,(阻力不計阻力不計); ); 3. A閥開閥開, ,流量為零流量為零, ,壓力計壓力計讀數(shù)讀數(shù)? ?解解:1. PA= P +g H P =Hg g R = 13600 9.8176/1000 =10133Pa (真空度真空度) PA= -10133+1000 9.

27、81 2 = 9487 Pa(表壓表壓) P 1m76mmHg 1mA502. 根據(jù)柏努力方程根據(jù)柏努力方程 Z1=1+1=2m Z2=0 P1 = - 10133 Pa P0=0 u1= 0 hf = 0 29.81 - 10133 / 1000 = u22/ 2 u2 = 4.35 m/s3. u2 = 0 2 9.81 P x /1000 = 0 P x = 19620 Pa 19620 / 101330 760 = 147mmHg51通風(fēng)管道通風(fēng)管道, ,直徑自直徑自300mm縮至縮至200mm, ,粗管、細(xì)管粗管、細(xì)管表壓分別為表壓分別為1200、800Pa，求空氣的體積流量。，求空

28、氣的體積流量。已知空氣溫度為已知空氣溫度為20 20 ，當(dāng)?shù)貧鈮簽?，?dāng)?shù)貧鈮簽?01.33101.33千帕。千帕。 解解: 400 /1200 = 33%本題是粗略估算本題是粗略估算, ,可按不可壓縮流體計算。可按不可壓縮流體計算。 hf = 0 W = 0 Z1=Z2 P1 =1200Pa P2 = 800Pa )20273(31. 83 .101)10002/()8001200( 29 m =1.22 kg / m35222. 1800222. 1120022221 uusmu/71.121 1214udV 21212)(dduu 21)2 .03 .0(u hmVh/32343 125.

29、 2u 53 第四節(jié)第四節(jié) 管內(nèi)流體流動現(xiàn)象管內(nèi)流體流動現(xiàn)象一一. .牛頓粘性定律牛頓粘性定律1.1.粘性粘性: :流體在流動中產(chǎn)流體在流動中產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì), ,粘粘性是能量損失的原因。性是能量損失的原因。實驗：實驗： 內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力F剪應(yīng)力：單位面積上剪應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)摩擦力的內(nèi)摩擦力（）。）。= F/Adu/dy（du/dr） 速度梯度速度梯度速度沿法線上的變化率。速度沿法線上的變化率。 duu uduu u1 110 10 粘度粘度54 剪切力剪切力 ：單位面積上的內(nèi)摩擦力單位面積上的內(nèi)摩擦力. ：粘度系數(shù)粘度系數(shù)動力粘度動力粘度粘度。粘度。 粘度的物理意義：粘

30、度的物理意義： 當(dāng)速度梯度為當(dāng)速度梯度為1 1時，單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦?xí)r，單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力的大小。力的大小。 粘度的單位粘度的單位dyduAF drdu 或或msmmN/2 2mNssPa 牛頓粘性定律牛頓粘性定律cm/s/cmcm/dyn2 p1cp100 samPcp 11553. 運(yùn)動粘度運(yùn)動粘度 =/單位單位: : SIm2/s cgscm2/s 斯托克斯斯托克斯4. 影響粘度的因素影響粘度的因素: :溫度溫度: : 液體液體溫度溫度 ，粘度下降，粘度下降 ； 氣體氣體溫度溫度 ，粘度，粘度 。壓力：液體壓力：液體受壓力影響很??；受壓力影響很??； 氣體氣體壓力壓力 ，粘度，粘

31、度 ；但只有在壓力極高或極低時有影響。但只有在壓力極高或極低時有影響。 56二二. . 流體的動量傳遞流體的動量傳遞 三三. .非牛頓性流體非牛頓性流體 不符合牛頓粘性定律的流體為非牛頓性流體。不符合牛頓粘性定律的流體為非牛頓性流體。 如油等高粘度的流體。如油等高粘度的流體。dyuddyud)()( dyud)(: 動動量量梯梯度度動量質(zhì)量動量質(zhì)量速度速度mu單位體積流體的動量單位體積流體的動量mu/V=u571-11 1-11 流體流動類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)流體流動類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)影響因素影響因素: :管徑、流速、粘度、密度管徑、流速、粘度、密度一一. .實驗實驗1.1.層流層流( (滯流滯流) )過

32、渡流過渡流2.2.湍流湍流( (紊流紊流) )58二二. .雷諾值雷諾值Re 無因次數(shù)群無因次數(shù)群準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù) 三三. .流動類型的判斷流動類型的判斷 1.層流層流 Re 2000 2.湍流湍流 Re 4000 四四. 流體流動的相似原理流體流動的相似原理 相似原理：當(dāng)管徑不同，雷諾數(shù)相同，流體相似原理：當(dāng)管徑不同，雷諾數(shù)相同，流體邊界形狀相似，則流體流動狀態(tài)也相同。邊界形狀相似，則流體流動狀態(tài)也相同。 du Re59 為研究操作過程的能量損失為研究操作過程的能量損失, ,問問: :實驗設(shè)備中實驗設(shè)備中空氣流速應(yīng)為多少空氣流速應(yīng)為多少? ?解解: Re1 = Re222221111 udud 12

33、212112 dduu例例: :操作條件操作條件:D1 ，1atm ，80，u1=2.5m/s ,空氣，空氣， 實驗條件實驗條件: D2 = 1/10 D1 ，1atm ， 20 。60 20 : 2= 0.018Pa.s 80 : 1= 0.025 Pa.s837. 0025. 0018. 012 smu/4 .17837. 02 . 11211 . 015 . 22 112212RTMPRTMP 21TT 2.1 1.012 dd61例題例題: :內(nèi)徑內(nèi)徑25mm的水管的水管, ,水流速為水流速為1m/s, ,水溫水溫20度度, , 求求:1.:1.水的流動類型水的流動類型; ; 2. 2

34、.當(dāng)水的流動類型當(dāng)水的流動類型為層流時的最大流速為層流時的最大流速?解：解：1. 20 =1cP = 998.2kg/m3 du Re max2000duRe. 2smu/08. 0max 001. 02 .9981025. 0 25000 001. 02 .998025. 0max u2000 62112 流體在園管內(nèi)的速度分布流體在園管內(nèi)的速度分布 F1=r 2 P1 F2 = r 2 P2 F = F1 - F2 = ( P1-P2 ) r 2 =Pr 2 =F/A 剪切力（剪應(yīng)力強(qiáng)度）剪切力（剪應(yīng)力強(qiáng)度） F =A=drduA 21PPFdrdurL)2( 一一.層流時的速度分布層流時

35、的速度分布1. 速度分布曲線速度分布曲線Rr632.最大、最小速度最大、最小速度 dv = 2r dr u 積分得積分得： Ldrdu 2Pr rLpRV 84 LrRPu 4)(22 rRudrLdu2Pr00min uRrLRpur 402max Rdrr 3.3.流量流量644.4.平均流速平均流速2RVu 228RLpR LpR 82 LpRLpRuu 4822max 21 max5 . 0 uu 65層流速度分布曲線層流速度分布曲線 rumaxu665.哈根哈根泊素葉方程泊素葉方程哈根哈根泊素葉方程：泊素葉方程： 表示流體層流流動時用以克服摩擦阻力表示流體層流流動時用以克服摩擦阻力的

36、壓力差，與速度的一次方成正比。的壓力差，與速度的一次方成正比。LpRu 82 232dLup Rd2 Lpd 8)2(2 67二二. . 流體在園管中湍流流動時的速度分布流體在園管中湍流流動時的速度分布1. 管中心部分速度為最大速度管中心部分速度為最大速度umax。 點速度點速度: = umax ( 1- r / R )1/72. 層流底層層流底層管壁處為層流。速度大，湍流程管壁處為層流。速度大，湍流程度大，層流底層??；粘度大，層流底層厚。度大，層流底層?。徽扯却?，層流底層厚。3. 平均速度約為最大速度的平均速度約為最大速度的0.82倍倍湍流流動的速度分布曲線湍流流動的速度分布曲線rumaxu

37、68 第二節(jié)第二節(jié) 流體流動阻力流體流動阻力1.對于同一直管，不管水平或垂直放置對于同一直管，不管水平或垂直放置, ,所測能所測能 量損失相等。量損失相等。2.只有水平放置的直管只有水平放置的直管, ,能量損失等于兩截面的能量損失等于兩截面的 壓能之差。壓能之差。fhpgZpgZ )()(2211 ppphf 211-14 流體在直管中的流動阻力流體在直管中的流動阻力對于等徑直管柏努力方程為對于等徑直管柏努力方程為69115 層流的摩擦阻力層流的摩擦阻力由哈根泊素葉方程得由哈根泊素葉方程得 摩迪摩擦系數(shù)摩迪摩擦系數(shù) f 范寧系數(shù)范寧系數(shù) = 4f 232dLuphf uudLd22322 2R

38、e642udL 22udL Re64 2642udLdu 70116 湍流的摩擦阻力湍流的摩擦阻力一一.管壁粗糙度的影響管壁粗糙度的影響 1.絕對粗糙度絕對粗糙度 ： 管壁突出部分的平均高度。管壁突出部分的平均高度。2.2.相對粗糙度：相對粗糙度：絕對粗糙度與管徑的比值絕對粗糙度與管徑的比值/d 。71二二. 量綱分析法量綱分析法 量綱分析法的基礎(chǔ)量綱分析法的基礎(chǔ)量綱的一致性。量綱的一致性。 即：每個物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，且即：每個物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，且量綱也必需相等。量綱也必需相等。量綱為量綱為1 1：量綱指數(shù)為零的量。：量綱指數(shù)為零的量。 定理：當(dāng)某現(xiàn)象的物理量數(shù)為定理：

39、當(dāng)某現(xiàn)象的物理量數(shù)為n個，這些物個，這些物理量的基本量綱數(shù)為理量的基本量綱數(shù)為m個，則該物理現(xiàn)象可用個，則該物理現(xiàn)象可用N（n-m）個獨立的量綱為個獨立的量綱為1 1的量之間的關(guān)系的量之間的關(guān)系式表示，即可用式表示，即可用N（n-m）個準(zhǔn)數(shù)表示個準(zhǔn)數(shù)表示。72用量綱分析法確定湍流時摩擦阻力中的準(zhǔn)數(shù)用量綱分析法確定湍流時摩擦阻力中的準(zhǔn)數(shù)物理量：壓力降物理量：壓力降P、管徑、管徑d、管長、管長l、流速、流速u、 密度密度、粘度、粘度、粗糙度、粗糙度 P = f（d、l、u、）量綱分別為：量綱分別為： = MT 1 L1 基本量綱：基本量綱： M、T、L （三個基本量綱）（三個基本量綱） 準(zhǔn)數(shù)個數(shù)：

40、準(zhǔn)數(shù)個數(shù)：N = 7 3 = 4 P =M T -2 L-1 d = L l = L u = LT-1=L= M L-373冪函數(shù)形式：冪函數(shù)形式： P = K d a l b ucd e f M L-1 T -2 = L a L b （LT -1）c（ M L3）d （ MT 1 L1 ）e Lf 整理得：整理得： M L-1 T -2 = M d+eL a+b-c-3d-e+fT c-e 根據(jù)量綱一致性根據(jù)量綱一致性 M ：d + e = 1 L ：a + b - c - 3d e + f = -1 T ：- c - e = - 274冪函數(shù)形式冪函數(shù)形式： P = K d a l b u

41、cd e f M ：d + e = 1 (1) L ：a + b + c - 3d e + f = -1 (2) T ：- c - e = - 2 (3)由由(1)得得 d =1- e (4) 由由(3)得得 c = 2 - e (5) 將將(4)、(5)帶入帶入(2) 得得 a = - b -e f (6)將結(jié)果帶入原冪函數(shù)得將結(jié)果帶入原冪函數(shù)得:P = K d -b-e-f l b u2-e1-e e f75P = K d -b-e-f l b u2-e1-eef變換為準(zhǔn)數(shù)式變換為準(zhǔn)數(shù)式(將指數(shù)相同的物理量合并將指數(shù)相同的物理量合并):febddudlKup)()()(2 歐歐拉拉準(zhǔn)準(zhǔn)數(shù)數(shù)

42、 2upEu 雷雷諾諾準(zhǔn)準(zhǔn)數(shù)數(shù) )(Re du1, blp成成正正比比與與 76febddudlKup)()()(2 )2)()(Re,22udldKpe )2)()(Re,2udldphef )d(Re, 22udLhf 77三三. .湍流時的摩擦系數(shù)湍流時的摩擦系數(shù)p p38381. 1. 層流層流: :=64/Re 與相對粗糙度無關(guān)。與相對粗糙度無關(guān)。2. 2. 過渡區(qū)不穩(wěn)定過渡區(qū)不穩(wěn)定3. 3. 湍流區(qū)湍流區(qū)與與Re、/d有關(guān)。有關(guān)。4. 完全湍流區(qū)完全湍流區(qū)阻力平方區(qū)；阻力平方區(qū)；與與Re無關(guān)。無關(guān)。22udLhf 78117 非圓形管道內(nèi)的流動阻力非圓形管道內(nèi)的流動阻力當(dāng)量直徑當(dāng)量

43、直徑 de = 4 A / A流通截面積流通截面積（m2）；）；潤濕周邊潤濕周邊(m)。圓形管道與套管的當(dāng)量直徑分別為：圓形管道與套管的當(dāng)量直徑分別為： ddde 244 dDdDde 44422dD d *非圓形管道內(nèi)非圓形管道內(nèi)層流流動時層流流動時,= C / ReC為常數(shù)為常數(shù), ,無因次無因次, ,由管道截面形狀查表獲得由管道截面形狀查表獲得。79例題例題：有正方形管道、寬為高三倍的長方形管道有正方形管道、寬為高三倍的長方形管道和圓形管道，截面積皆為和圓形管道，截面積皆為0.48m2，分別求它們的，分別求它們的潤濕周邊和當(dāng)量直徑。潤濕周邊和當(dāng)量直徑。解解：(1)正方形管道正方形管道 邊

44、長：邊長： a = 0.481/2= 0.692 潤濕周邊：潤濕周邊： = 4d = 40.692 = 2.77m 當(dāng)量直徑：當(dāng)量直徑： de = 4A / = 40.48 / 2.77 = 0.693m80（2）長方形管道短邊長長方形管道短邊長a： 3 a . a = 0.48 m邊長邊長: : a = 0.4m潤濕周邊：潤濕周邊： = 2 (a + 3a) = 3.2m當(dāng)量直徑：當(dāng)量直徑： de = 40.48 /3.2= 0.6m (3) 圓形管道圓形管道 直徑直徑: d2= 0.48 d = 0.78m 潤濕周邊：潤濕周邊： =d =3.140.78 = 2.45 當(dāng)量直徑：當(dāng)量直徑：

45、 de = d = 0.78mde長方形長方形(0.6) de正方形正方形(0.693) hf正正方形方形 hf 園園形形81 118 管路的局部阻力管路的局部阻力一一. .局部阻力系數(shù)法局部阻力系數(shù)法將克服阻力消耗的能量表示成流體動能的倍數(shù)。將克服阻力消耗的能量表示成流體動能的倍數(shù)。 h f =u2/21.1.擴(kuò)大與縮小的阻力系數(shù)擴(kuò)大與縮小的阻力系數(shù) 擴(kuò)大擴(kuò)大： 221)/1(AA 21AA82縮?。嚎s?。翰楸聿楸?2.2.進(jìn)口與出口進(jìn)口與出口 容器容器管道管道 A1/A2 0 = 0.5 221)A/A1(5 . 0 12AA83管道管道容器容器 A1 / A20 = 1 流體由管道直接排

46、放至管外大空間，管出口流體由管道直接排放至管外大空間，管出口內(nèi)側(cè)截面上的壓強(qiáng)可取為與管外空間相同。截面內(nèi)側(cè)截面上的壓強(qiáng)可取為與管外空間相同。截面取在內(nèi)側(cè)，出口損失不計，動能不為零；截面選取在內(nèi)側(cè)，出口損失不計，動能不為零；截面選在外側(cè)，截面上的動能為零，但出口損失不計。在外側(cè)，截面上的動能為零，但出口損失不計。 兩種結(jié)果相同。兩種結(jié)果相同。84 3. 管件與閥門管件與閥門 由手冊查取由手冊查取 Le 當(dāng)量長度，表示由管件引起的局部阻力損當(dāng)量長度，表示由管件引起的局部阻力損失。相當(dāng)于流過一段直徑相同，長度為失。相當(dāng)于流過一段直徑相同，長度為LeLe的直管的直管所損失的能量，其值可查共線圖和列線圖

47、。所損失的能量，其值可查共線圖和列線圖。管路阻力計算的應(yīng)用管路阻力計算的應(yīng)用: :烏氏粘度計測粘度的原理烏氏粘度計測粘度的原理22udLehf 二二. .當(dāng)量長度法當(dāng)量長度法85861-19 流體在管內(nèi)流動的總阻力損失計算流體在管內(nèi)流動的總阻力損失計算然擴(kuò)大和縮?。┓謩e為然擴(kuò)大和縮?。┓謩e為40、20、50m,管徑分別管徑分別為為573.5，1084，573.5，求：所需外，求：所需外加能量。加能量。(/d = 0.001） A例題：例題： 常溫水由貯罐用泵送入塔內(nèi)，水流量為常溫水由貯罐用泵送入塔內(nèi)，水流量為20m3/h，塔內(nèi)壓力為，塔內(nèi)壓力為196.2 kpa（表壓），（表壓），AB，BC，

48、CD，管長（包括當(dāng)量長度，不包括突，管長（包括當(dāng)量長度，不包括突15m12B CD87解：求各段速度解：求各段速度 A21785. 0dV 21 . 0785. 03600/20 BCu205. 0785. 03600/20 12uAB= uCD= 2.83 m/s= 0.71 m/sDCB88 2.求能量損失：求能量損失： (1) (1) 槽面至管的能量損失槽面至管的能量損失 hf = 0.5 u2AB/2 = 2.0 J/kg(2) AB直管段直管段 =1cp L+ Le = 40Re = d u/= 1.42105查得查得= 0.0215 A22,ABABfudLLeh = 68.9 J

49、/kg21BCD89 2.求能量損失：求能量損失： (3) B端擴(kuò)大端擴(kuò)大h B =(1-AA/AB)2. u2AB/2 =2.25 (4) BC管段管段 Re = 71000 = 0.0235 hBC = 1.185J/kg(5) C點縮小點縮小AC /AD =(0.05/0.1)2 =0.25查得查得= 0.33hC =1.32J/kg A12BCD90 2.求能量損失：求能量損失： (6) CD 管段管段 h AB =86.1J/kg (7) D 點入口點入口 =1 hD =4 J/kg (8) 總能量損失總能量損失 hf=165.7J/kg (9) 外加能量外加能量 W= 159.81

50、+196. 2 1000/1000+ 165.7 = 509 J/kg A12BCD91例題例題 有一段內(nèi)徑為有一段內(nèi)徑為100mm的管道，管長的管道，管長16m，其其中有兩個中有兩個90度彎頭，管道摩擦系數(shù)為度彎頭，管道摩擦系數(shù)為0.025，若拆，若拆除這兩個彎頭，管道長度不變，兩端總壓頭不變，除這兩個彎頭，管道長度不變，兩端總壓頭不變，管道中流量能增加的百分?jǐn)?shù)。管道中流量能增加的百分?jǐn)?shù)。92 解：彎頭拆除前解：彎頭拆除前 90900 0彎頭彎頭=0.752)2(21udLhf 2)1 .016025.0(22uhf 2)75. 021 . 016025. 0(2u 25 . 52u 242

51、2u 彎頭拆除后彎頭拆除后93原總壓頭差原總壓頭差E1=現(xiàn)總壓頭差現(xiàn)總壓頭差 E2E1=(Z1+P1/g+ u2/2g)- (Z2+P2/g+ u2/2g) = 5.5u2/2E2=(Z1+P1/g+ u22/2g)- (Z2+P2/g+ u22/2g) =4u2 2/2 E1+W=hf1 E2+W=hf2 hf1 =hf2 即即 5.5u2/2=4u2 2/2 (u2/u) 2=5.5/4 V 2/V= （u2/u)=(5.5/4)1/2 =1.17 *流量增加了流量增加了17%94第六節(jié)第六節(jié) 管路計算管路計算1 - 20 簡單管路簡單管路一、簡單管路計算一、簡單管路計算1.1.已知已知L、d、V，求，求hf ; ;2.2.已知已知hf、L、d，求，求u或或V 22322Re Lhdf 22udLhf 試差法：試差法：設(shè)設(shè)22Luhdf 無因次數(shù)群法：無因次數(shù)群法：uRe1 1 =，u為所求，