化工1流體流動(dòng)

1、1第一章、流體流動(dòng)第一章、流體流動(dòng)流體及其相關(guān)概念流體及其相關(guān)概念1 1、流體：、流體：氣體氣體+ +液體液體2 2、流體流動(dòng)：、流體流動(dòng)：無(wú)數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)無(wú)數(shù)流體質(zhì)點(diǎn) 微團(tuán)微團(tuán) 組成的連續(xù)介質(zhì)在組成的連續(xù)介質(zhì)在空間的位移。空間的位移。3 3、可壓縮流體與不可壓縮流體、可壓縮流體與不可壓縮流體 流體的體積不隨壓力和溫度變（不可壓縮）。流體的體積不隨壓力和溫度變（不可壓縮）。 流體的體積隨壓力和溫度變（可壓縮）。流體的體積隨壓力和溫度變（可壓縮）。2 垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的靜壓強(qiáng)垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的靜壓強(qiáng), ,簡(jiǎn)稱壓強(qiáng)。工程上習(xí)慣上將壓強(qiáng)稱之為壓力。簡(jiǎn)稱壓強(qiáng)。工程上

2、習(xí)慣上將壓強(qiáng)稱之為壓力。 在在SISI中，壓強(qiáng)的單位是帕斯卡，以中，壓強(qiáng)的單位是帕斯卡，以PaPa表示。但習(xí)慣表示。但習(xí)慣上還采用其它單位，它們之間的換算關(guān)系為：上還采用其它單位，它們之間的換算關(guān)系為：（2 2） 壓強(qiáng)的基準(zhǔn)壓強(qiáng)的基準(zhǔn) 壓強(qiáng)有不同的計(jì)量基準(zhǔn)：絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)、真空壓強(qiáng)有不同的計(jì)量基準(zhǔn)：絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)、真空度。度。 一一、流體的壓強(qiáng)、流體的壓強(qiáng)1atm=1.033 kgf/cm1atm=1.033 kgf/cm2 2 =760mmHg=10.33mH =760mmHg=10.33mH2 2O O =1.0133 bar =1.0133=1.0133 bar =1.0133101

3、05 5PaPa 第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式3一、一、 流體的壓強(qiáng)流體的壓強(qiáng) 絕對(duì)壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng) 以絕對(duì)以絕對(duì)零壓零壓作起點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)，是作起點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)，是流體的真實(shí)壓強(qiáng)。流體的真實(shí)壓強(qiáng)。 表壓強(qiáng)表壓強(qiáng)壓強(qiáng)表上的讀數(shù)，表示被測(cè)流體的絕對(duì)壓壓強(qiáng)表上的讀數(shù)，表示被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值，即強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值，即: : 表壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng)表壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng) 真空度真空度 真空表上的讀數(shù)，表示被測(cè)流體的絕對(duì)真空表上的讀數(shù)，表示被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的數(shù)值，即壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的數(shù)值，即: :真空度大氣壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)真空度大氣壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng) 絕對(duì)壓

4、強(qiáng)，表壓強(qiáng)，絕對(duì)壓強(qiáng)，表壓強(qiáng)，真空度之間的關(guān)系真空度之間的關(guān)系見(jiàn)圖見(jiàn)圖1-21-2。 圖壓強(qiáng)的基準(zhǔn)和量度絕對(duì)壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng) 絕對(duì)壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng) 絕對(duì)真空絕對(duì)真空 0表壓表壓 真空度真空度 1p2p大氣壓大氣壓 4二、流體的主要力學(xué)性質(zhì)二、流體的主要力學(xué)性質(zhì)（1 1）、密度：?jiǎn)挝惑w積流體的質(zhì)量。）、密度：?jiǎn)挝惑w積流體的質(zhì)量。 Kg/mKg/m3 3 液體液體 Kg/mKg/m3 3 氣體氣體理想氣體：分子本身沒(méi)有體積、分子間沒(méi)有任何作理想氣體：分子本身沒(méi)有體積、分子間沒(méi)有任何作 用力。（低壓氣體）用力。（低壓氣體）Vm RTPMVm 5 理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度：理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度： 已知已知0求任意

5、求任意P、T下的該氣體密度：下的該氣體密度： 混合氣體的密度：混合氣體的密度： 混合液體的密度：混合液體的密度：（2）比容（比體積）：）比容（比體積）：000TPPT 4 .220M nnmyyy2111 nnm www12211 單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。 1mVvm3/kg 6例例1 1 某地區(qū)大氣壓力為某地區(qū)大氣壓力為101.3kPa101.3kPa，一操作中的吸收塔塔，一操作中的吸收塔塔內(nèi)表壓為內(nèi)表壓為130kPa130kPa。若在大氣壓力為。若在大氣壓力為75 kPa75 kPa的高原地區(qū)的高原地區(qū)操作該吸收塔，且保持塔內(nèi)絕壓相同，則

6、此時(shí)表壓應(yīng)操作該吸收塔，且保持塔內(nèi)絕壓相同，則此時(shí)表壓應(yīng)為多少？為多少？例例2 2 某煙道氣的組成為某煙道氣的組成為COCO2 2 13 13，N N2 2 76 76，H H2 2O 11O 11（體積），試求此混合氣體在溫度（體積），試求此混合氣體在溫度500500、壓力、壓力101.3kPa101.3kPa時(shí)的密度。時(shí)的密度。 例例3 3 已知已知2020時(shí)苯和甲苯的密度分別為時(shí)苯和甲苯的密度分別為879 kg/m879 kg/m3 3和和867 867 kg/mkg/m3 3, ,試計(jì)算含苯試計(jì)算含苯4040及甲苯及甲苯6060（質(zhì)量）的混合（質(zhì)量）的混合液密度。液密度。 7例例1 1

7、 解：解：例例2 2 解：解：n混合氣體平均摩爾質(zhì)量混合氣體平均摩爾質(zhì)量n 混合密度混合密度例例3 3 解：解： kPa3 .15675)1303 .101p)pp(paa （真真表表kg/mol33iim1098.2810)1811. 02876. 04413. 0(MyM 3kg/m457. 0)500273(31. 81098.28103 .101RTpM33mm 8676 . 08794 . 012211 wwm3m8 .871kg/m 混合液密度混合液密度 8三、流體靜力學(xué)基本方程式三、流體靜力學(xué)基本方程式重力場(chǎng)重力場(chǎng)中對(duì)液柱進(jìn)行受力分析：中對(duì)液柱進(jìn)行受力分析：ApP11 （1 1）

8、上端面所受總壓力）上端面所受總壓力 ApP22 （2 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，p p0 0p p2 2p p1 1z z1 1z z2 2G G方向向下方向向下方向向上方向向上方向向下方向向下9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 靜力學(xué)基本方程靜力學(xué)基本方程 壓力形式壓力形式ghpp010注意：注意： 1 1、適用于、適用于重力場(chǎng)中靜止流體重力場(chǎng)中靜止流體； 2 2、適用于、適用于不可壓縮的流體不可壓縮的

9、流體。置于容器中的氣體，可視為不可壓縮流體。置于容器中的氣體，可視為不可壓縮流體。3 3、液體上方的壓力一定時(shí)，靜止液體內(nèi)某一點(diǎn)的、液體上方的壓力一定時(shí)，靜止液體內(nèi)某一點(diǎn)的靜壓強(qiáng)的大小與液體本身的靜壓強(qiáng)的大小與液體本身的密度密度與該點(diǎn)的與該點(diǎn)的位置位置有關(guān)。有關(guān)。4 4、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)，處于同一水平同一水平面面上各點(diǎn)的壓強(qiáng)處處相等。壓強(qiáng)相等的面稱為上各點(diǎn)的壓強(qiáng)處處相等。壓強(qiáng)相等的面稱為等壓等壓面面。5 5、壓力具有傳遞性（巴斯加定律）：液面上方壓、壓力具有傳遞性（巴斯加定律）：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)的變力變化時(shí)，液體內(nèi)部

10、各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化?；hpp0113 3、壓強(qiáng)用柱高表示：、壓強(qiáng)用柱高表示： hgpp0第一章、流體流動(dòng)第一章、流體流動(dòng)12三、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用三、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用1、靜壓強(qiáng)的計(jì)算、靜壓強(qiáng)的計(jì)算(舉例舉例）：例題例題 流力（周謨?nèi)剩┝髁Γㄖ苤內(nèi)剩﹑19 2-2例例4、容重為、容重為a和和b的兩種液體，裝在如圖所示的容的兩種液體，裝在如圖所示的容器中。已知：器中。已知：b=9.807KN/m2、大氣壓強(qiáng)、大氣壓強(qiáng)Pa=98.07 KN/m2，其它尺寸如圖，求，其它尺寸如圖，求a和和PA。13b=9.807KN/m2Pa=98.07 KN/m214解：解：1）先求

11、）先求a由自由面上的壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)可知由自由面上的壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)可知: P1= P3 = Pa=98.07 KN/m2根據(jù)靜止、同種、連續(xù)流體的水平面為等壓面的規(guī)律：根據(jù)靜止、同種、連續(xù)流體的水平面為等壓面的規(guī)律： P2= P43baba4aa2m/kN865. 67 . 0)5 . 085. 0(pp5 . 0pp 2）再求）再求A點(diǎn)的壓強(qiáng)點(diǎn)的壓強(qiáng)PA = a*0.5 +b*0.5 + 98.07= 106.407kPa1516第一章、流體流動(dòng)第一章、流體流動(dòng)17第一章、流體流動(dòng)第一章、流體流動(dòng)183 3、壓力測(cè)定、壓力測(cè)定U U形管形管 傾斜壓差計(jì)傾斜壓差計(jì)微壓計(jì)微壓計(jì)例例5、求如圖所

12、示的壓差。、求如圖所示的壓差。1920倒倒U U形管壓差計(jì)、傾斜壓差計(jì)、微壓計(jì)形管壓差計(jì)、傾斜壓差計(jì)、微壓計(jì)0p1p2aRb214 4、液面測(cè)定、液面測(cè)定2L1Lx225 5、確定液封高度、確定液封高度hgpH 02 23例例7 7如附圖所示，水在管道中流動(dòng)。為測(cè)得如附圖所示，水在管道中流動(dòng)。為測(cè)得A A- -A A、B B- -B B截面的壓力差，在管路上方安裝一截面的壓力差，在管路上方安裝一U U形壓差計(jì)，指形壓差計(jì)，指示液為水銀。已知壓差計(jì)的讀數(shù)示液為水銀。已知壓差計(jì)的讀數(shù)R R100mm100mm，試計(jì)算，試計(jì)算A A- -A A、B B- -B B截面的壓力差。已知水與水銀的密度分別

13、截面的壓力差。已知水與水銀的密度分別為為1000kg/m31000kg/m3和和13600 kg/m313600 kg/m3。題題7 附圖附圖24n解：解：圖中，圖中，1-11-1面與面與2-22-2面間為靜止、連續(xù)的同種面間為靜止、連續(xù)的同種流體，且處于同一水平面，因此為等壓面，即流體，且處于同一水平面，因此為等壓面，即n ， n又又 n n n所以所以 n整理得整理得 n由此可見(jiàn)，由此可見(jiàn)， U U形壓差計(jì)所測(cè)壓差的大小只與被測(cè)流體形壓差計(jì)所測(cè)壓差的大小只與被測(cè)流體及指示液的密度、讀數(shù)及指示液的密度、讀數(shù)R R有關(guān)，而與有關(guān)，而與U U形壓差計(jì)放置的形壓差計(jì)放置的位置無(wú)關(guān)。位置無(wú)關(guān)。n代入

14、數(shù)據(jù)代入數(shù)據(jù) 11pp 22pp gmppA 1 gRRmgpgRpgRppHgBHgHg )(221gRRmgpgmpHgBA )(gRppHgBA)( Pa4 .1210. 081. 9)100013600(kppBA 25第二節(jié)第二節(jié) 管道流體流動(dòng)的基本方程式管道流體流動(dòng)的基本方程式一、流量與流速一、流量與流速1 1、體積流量、體積流量/ /質(zhì)量流量質(zhì)量流量 2 2、平均流速、平均流速/ /質(zhì)量流速質(zhì)量流速 3 3、管道直徑的估算、管道直徑的估算 1-181-18vmqq u785. 0qdv Auqqvm uAAuAqwm Aquv 26例例1 16 6 以內(nèi)徑以內(nèi)徑105mm105m

15、m的鋼管輸送壓力為的鋼管輸送壓力為202.6kPa202.6kPa（絕對(duì)壓力）、溫度為（絕對(duì)壓力）、溫度為120120的空氣。的空氣。已知空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況（已知空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況（p p0 0101.325kPa101.325kPa，T T0 0273.15K273.15K）下的體積流量為）下的體積流量為630m630m3 3/h/h，試求此空，試求此空氣在管內(nèi)的流速和質(zhì)量流速。氣在管內(nèi)的流速和質(zhì)量流速。例例1-7 1-7 某廠要求安裝一根輸水量為某廠要求安裝一根輸水量為30 m30 m3 3/h/h的管的管路，試選擇合適的管徑。路，試選擇合適的管徑。27 二二 穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定

16、流動(dòng)穩(wěn)定流動(dòng)：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量穩(wěn)定流動(dòng)：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量?jī)H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； 不穩(wěn)定流動(dòng)：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位不穩(wěn)定流動(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。置變化，也隨時(shí)間變化。28三三 連續(xù)性方程（連續(xù)性方程（質(zhì)量衡算質(zhì)量衡算） 對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，在對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，在管路中流體沒(méi)有增加和漏失管路中流體沒(méi)有增加和漏失的情況下：的情況下： m2m1qq 222111AuAu 推廣至任意截面推廣至任意截面 常常數(shù)數(shù) uAAuAuq222111 m連續(xù)性方程連續(xù)性方程1 11 1 2 2 2

17、 229常常數(shù)數(shù) uAAuAuq2211v不可壓縮性流體，不可壓縮性流體，常數(shù)常數(shù)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)徑的平方成反比管內(nèi)徑的平方成反比 。 30例例 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和一和一段段101084mm的管的管2和兩段和兩段573.5mm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9103m3/s的體積流量流的體積流量流動(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)的速度。管內(nèi)的速度。

18、 3a123b31解：u785. 0qdv 2vd785. 0qu s/m747. 1081. 0785. 0u21 -3109s/m464. 11 . 0785. 0u22 -3109s/m293. 205. 0785. 05 .uu2b3a3 -3104321 1、理想流體理想流體柏努利方程的推導(dǎo)柏努利方程的推導(dǎo)假設(shè)：假設(shè)：流體無(wú)粘性（無(wú)內(nèi)摩擦損失）流體無(wú)粘性（無(wú)內(nèi)摩擦損失）連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)不可壓縮流體（密度為常數(shù)）不可壓縮流體（密度為常數(shù)）截面上流體速度、壓力截面上流體速度、壓力均取平均值均取平均值四、柏努利方程（機(jī)械能衡算）四、柏努利方程（機(jī)械能衡算）33兩端兩端總壓力總壓力：

19、重力重力在在x x軸上的分量：軸上的分量：力在力在x x方向之方向之合力合力：微元體微元體動(dòng)量的變化率動(dòng)量的變化率：由動(dòng)量定律：由動(dòng)量定律： AdpppA)(,AdzgdxsinAgdmsing gAdzAdpAdzgA)dpp(pA Aududuqm 0 AdzgAdpAudu 34 222212112121pugzpugz （1）柏努利方程式柏努利方程式 常數(shù)常數(shù) pu21zg2又有，又有， 式（式（1 1）為以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡）為以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式，各項(xiàng)單位均為算式，各項(xiàng)單位均為J/kgJ/kg。由上式積分得（由上式積分得（不可壓縮性流體不可壓縮性流體常數(shù)常數(shù)

20、）: : 35（1）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）。）。 （2）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（3）靜壓能）靜壓能 1kg的流體所具有的靜壓能為的流體所具有的靜壓能為 p(J/kg)36gpugzgpugz 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 g : :（2 2）式中各項(xiàng)單位為式中各項(xiàng)單位為mNJN/kgJ/kg 式（式（2 2）即為以重量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式。）即為以

21、重量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式。z 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37Wep2,u2p1,u1221100z2z1五五 實(shí)際流體實(shí)際流體機(jī)械能衡算式機(jī)械能衡算式38（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W (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hf（J/kg）。）。 fhpu21gzWpu21gz22221211 fHgpug21zHgpug21z22221211 （3）（4）或或39gWH ghHff 其中其中 H外加壓頭或有效壓頭，外加壓頭或有效壓頭，m

22、;Hf壓頭損失，壓頭損失，m。40柏努利方程的討論柏努利方程的討論 （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(shuō)明柏努利方程既表示流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也表說(shuō)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)律示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律 。 2211pgzpgz （2）理想流體理想流體在流動(dòng)過(guò)程中任意截面上總機(jī)械能、在流動(dòng)過(guò)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)，即常數(shù)常數(shù) pu21zg2.常常數(shù)數(shù) gpug21z2 41 W、hf 在兩截面間單位質(zhì)量流體獲得或在兩截面間單位質(zhì)量流體獲得或消耗的能量。消耗的能量。（3）zg、

23、 、 某截面上單位質(zhì)量流體所某截面上單位質(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 ； p221u42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(duì)位置等。容器間的相對(duì)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：43（1 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 2）位能基準(zhǔn)面的選取

24、）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)選過(guò)管中心線的水平面。應(yīng)選過(guò)管中心線的水平面。 44（4 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 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

25、已知量多、計(jì)算方便處。 45例例8 如附圖所示，用虹吸管從高位槽如附圖所示，用虹吸管從高位槽向反應(yīng)器加料，高位槽與反應(yīng)器均與向反應(yīng)器加料，高位槽與反應(yīng)器均與 hpa大氣相通，且高位槽中液面恒大氣相通，且高位槽中液面恒定?，F(xiàn)要求料液以定。現(xiàn)要求料液以1m/s的流速的流速在管內(nèi)流動(dòng)，設(shè)料液在管內(nèi)流在管內(nèi)流動(dòng)，設(shè)料液在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的能量損失為動(dòng)時(shí)的能量損失為20J/kg，試確，試確定高位槽中的液面應(yīng)比虹吸管定高位槽中的液面應(yīng)比虹吸管的出口高出的距離？的出口高出的距離？1246fhupgzupgz 222221112121 ghuhf/ )21(22 m09. 281. 9)20121( 解解: 以高位

26、槽液面為以高位槽液面為1面面,管出口內(nèi)側(cè)為管出口內(nèi)側(cè)為2面面,在在1 2間列柏努力方程間列柏努力方程: 簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化: fhuhg 222100004748fhupgzupgz 222221112121空空氣氣空空氣氣 smu/6 .6225. 08008 . 92 suAqv/m97. 13 解解: 在同一流線在同一流線A B間列柏努力方程間列柏努力方程: 由于由于 ，得，得: 2210000up 空空氣氣 由測(cè)壓管讀數(shù)由測(cè)壓管讀數(shù)h=250mm計(jì)算計(jì)算p: 0 ghp水水 25. 08 . 9103 ghp水水 800 空氣空氣水水 49例例9附圖所示的是丙烯精餾塔的回流系統(tǒng)，丙烯由貯槽附圖所

27、示的是丙烯精餾塔的回流系統(tǒng)，丙烯由貯槽回流至塔頂。丙烯貯槽液面恒定，其液面上方的壓力回流至塔頂。丙烯貯槽液面恒定，其液面上方的壓力為為2.0MPa（表壓），精餾塔內(nèi)操作壓力為（表壓），精餾塔內(nèi)操作壓力為1.3MPa（表（表壓）。塔內(nèi)丙烯管出口處高出貯槽內(nèi)液面壓）。塔內(nèi)丙烯管出口處高出貯槽內(nèi)液面30m，管內(nèi)，管內(nèi)徑為徑為140mm，丙烯密度為，丙烯密度為600kg/m3。現(xiàn)要求輸送量為?，F(xiàn)要求輸送量為40103kg/h，管，管路的全部能量損路的全部能量損失為失為150J/kg（不（不包括出口能量損包括出口能量損失），試核算該失），試核算該過(guò)程是否需要泵。過(guò)程是否需要泵。50f22222111hu

28、21pgzWu21pgz f22221hu21pgzWp f22212hgzu21ppW m/s2 . 114. 0785. 060036001040d785. 0qu232m2 15081. 9302 . 12160010)0 . 23 . 1(26 WJ/kg6 .721 解解:在貯槽液面在貯槽液面1-1與回流管出口外側(cè)與回流管出口外側(cè)2-2間間列柏努利方程列柏努利方程:簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化: 不需要泵不需要泵,液體在壓力差的作用下可自動(dòng)回流至塔中液體在壓力差的作用下可自動(dòng)回流至塔中51（一）（一） 牛頓粘性定律牛頓粘性定律 yuAFdd 或或yudd Fuududy式中：式中：F內(nèi)摩擦力，內(nèi)摩擦力，

29、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)，稱為流體的粘性，比例系數(shù)，稱為流體的粘性，Pas 。 yudd 一、粘性一、粘性第三節(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yU52 粘性的單位粘性的單位SI制：制：Pas 或或 kg/(ms)運(yùn)動(dòng)粘性運(yùn)動(dòng)粘性 粘性粘性與密度與密度之比。之比。 m2/s粘性的物理意義：粘性的物理意義： 當(dāng)速度梯度為一時(shí)，表示單位面積上的內(nèi)摩擦力。當(dāng)速度梯度為一時(shí)，表示單位面積上的內(nèi)摩擦力。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。度梯度所需的剪應(yīng)力。53牛頓流體和非

30、牛頓流體牛頓流體和非牛頓流體 牛頓流體牛頓流體: : 的流體。剪應(yīng)的流體。剪應(yīng)力和速度梯度滿足線性關(guān)系。力和速度梯度滿足線性關(guān)系。 非牛頓流體非牛頓流體： 的流體。剪的流體。剪切應(yīng)力和速度梯度不滿足線性關(guān)系。切應(yīng)力和速度梯度不滿足線性關(guān)系。 ()du dyconstABC牛頓流體和非牛頓流體Odudy理想流體與粘性流體理想流體與粘性流體 理想流體理想流體： 的流體（無(wú)粘性流體）的流體（無(wú)粘性流體） 粘性流體粘性流體： 的流體（真實(shí)流體）的流體（真實(shí)流體）0 0注：注：本書主要以牛頓型流體為研究對(duì)象。本書主要以牛頓型流體為研究對(duì)象。54特性特性牛頓內(nèi)摩擦定律的應(yīng)用（牛頓內(nèi)摩擦定律的應(yīng)用（舉例舉例

31、）（例題：化工原理（例題：化工原理p29）),(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 粘性的本質(zhì)：分子間的引力和分子的運(yùn)動(dòng)與碰撞。粘性的本質(zhì)：分子間的引力和分子的運(yùn)動(dòng)與碰撞。55n（二）流體中的動(dòng)量傳遞（二）流體中的動(dòng)量傳遞yud)d(Kgm-1S-2動(dòng)量傳遞形式動(dòng)量傳遞形式56二、流體類型與雷諾數(shù)二、流體類型與雷諾數(shù)1、雷偌實(shí)驗(yàn)：、雷偌實(shí)驗(yàn)：探討流體的流動(dòng)狀態(tài)及其影響因素。探討流體的流動(dòng)狀態(tài)及其影響因素。探討流動(dòng)狀態(tài)與與流動(dòng)阻力之探討流動(dòng)狀態(tài)與與流動(dòng)阻力之 間的關(guān)系。間的關(guān)系。572 2、兩種流態(tài)及流態(tài)分析、兩種流態(tài)及流態(tài)分析層流

32、層流( (滯流滯流) )：流場(chǎng)內(nèi)流體一層一層的平行流動(dòng)。：流場(chǎng)內(nèi)流體一層一層的平行流動(dòng)。紊流紊流( (湍流湍流) )：流場(chǎng)內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在大：流場(chǎng)內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在大小和方向上都隨時(shí)發(fā)生變化，質(zhì)點(diǎn)間彼此碰撞并小和方向上都隨時(shí)發(fā)生變化，質(zhì)點(diǎn)間彼此碰撞并相互混合，這種流動(dòng)狀態(tài)稱相互混合，這種流動(dòng)狀態(tài)稱上臨界速度上臨界速度：層流轉(zhuǎn)變成紊流的臨界速度：層流轉(zhuǎn)變成紊流的臨界速度u ukk。下臨界速度下臨界速度：紊流轉(zhuǎn)變成層流的臨界速度：紊流轉(zhuǎn)變成層流的臨界速度u uk k 。583、雷偌準(zhǔn)數(shù)，流態(tài)判別準(zhǔn)則、雷偌準(zhǔn)數(shù)，流態(tài)判別準(zhǔn)則雷偌數(shù)：雷偌數(shù)：Re= d:管徑、管徑、u:流速、流速、:密度、密

33、度、:粘度粘度 量綱：量綱：Re du1TML)T)(L(M)LM)(TL)(L(Re0003 dududu流態(tài)判別準(zhǔn)則：流態(tài)判別準(zhǔn)則： 層流：層流： Re= 2000 紊流：紊流： Re= 4000 過(guò)渡區(qū)：過(guò)渡區(qū)： 2000Re= 400059例例1025水以水以35m3/h的流量在的流量在763mm的管道中流動(dòng)，試判斷水在管內(nèi)的流動(dòng)類型。的管道中流動(dòng)，試判斷水在管內(nèi)的流動(dòng)類型。查附錄查附錄25水物性水物性: 例例11運(yùn)動(dòng)黏度為運(yùn)動(dòng)黏度為3.2105m2/s的有機(jī)液的有機(jī)液體在體在763.5mm的管內(nèi)流動(dòng)，試確定保持管的管內(nèi)流動(dòng)，試確定保持管內(nèi)層流流動(dòng)的最大流量。內(nèi)層流流動(dòng)的最大流量。sP

34、akg/m 3310903. 0,95.99660m/s53. 207. 0785. 0360035d785. 0qu22v 400010955. 110903. 053. 295.99607. 0duRe53 例例10 10 解解: :為湍流為湍流2000duduRe m/s927. 0069. 0102 . 32000d2000u5max /sm332max2maxv1046. 3927. 0069. 0785. 0ud4q /hm346.12 例例11 11 解解: :61三、流體在圓管內(nèi)的流速分布三、流體在圓管內(nèi)的流速分布1 1、流體在圓管內(nèi)層流時(shí)的流速分布、流體在圓管內(nèi)層流時(shí)的流速分

35、布6263由壓力差產(chǎn)生的推力由壓力差產(chǎn)生的推力 221)(rpp 流體層間內(nèi)摩擦力流體層間內(nèi)摩擦力 rurlruAFdd)2(dd 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 u)(422rRlpu 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。64管中心流速為最大，即管中心流速為最大，即r0時(shí)，時(shí)， umax u221max4)(Rlppu 管截面上的平均速度管截面上的平均速度 :管截面上的最大流度管截面上的最大流度 : 流量流量 dqdqV V= (2r

36、dr)= (2rdr) 2maxRl4pu )rR(l4p22 l8pRq4V 65max224u21l8pRRl8pRAqu v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。 哈根哈根- -泊素葉方程式泊素葉方程式 2dlu32p 662 2、流體在圓管內(nèi)紊流時(shí)的流速分布、流體在圓管內(nèi)紊流時(shí)的流速分布管截面的平均速度約為管中心的最大流速的管截面的平均速度約為管中心的最大流速的0.820.82流體在流體在光滑管流動(dòng)光滑管流動(dòng)， 40004000 Re10Re105 571maxRr1uu 湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式(1/7(1/7次方定律

37、次方定律) )6768層流底層、過(guò)渡層、紊流核心、層流底層厚度：層流底層、過(guò)渡層、紊流核心、層流底層厚度：層流底層厚度：層流底層厚度： dRe2 .648/7 69管、管件及閥門管、管件及閥門第四節(jié)第四節(jié) 流體流動(dòng)的阻力流體流動(dòng)的阻力直管阻力直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；局部阻力局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地：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方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。力。70Wep2,u2p1,u1221100z2z13 34 471流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。流

38、體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。fhpu21gzpu21gz22221211 一、一、 直管阻力直管阻力的表現(xiàn)形式的表現(xiàn)形式 7221uu 21zz ppph21 f若管道為傾斜管，則若管道為傾斜管，則 )gzp()gzp(h2211 f 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。 ppph21 f73二、層流直管阻力的計(jì)算二、層流直管阻力的計(jì)算 2dlu32p 哈根哈根-泊謖葉泊謖葉 （Hagen-Poiseuille）方程）方程 層流時(shí)能量損失的計(jì)算式層流時(shí)能量損失的計(jì)

39、算式 221dlu32ppph f 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 。2udlRe642udlud64dlu32h222 fRe64 變形：變形：比較得比較得層流阻力系數(shù)層流阻力系數(shù)(摩擦系數(shù)摩擦系數(shù))74直管阻力通式（范寧直管阻力通式（范寧Fanning公式）公式） 其他形式：其他形式： 摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)）摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)） 則則 2udlh2 fJ/kg壓頭損失壓頭損失g2udlH2 fm壓力損失壓力損失22fudlp Pa 該公式層流與湍流均適用；該公式層流與湍流均適用； 注意注意 與與 的區(qū)別。的區(qū)別。p fp 751.1.管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響管

40、壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響 光滑管：玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等；光滑管：玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等；粗糙管粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。：鋼管、鑄鐵管等。絕對(duì)粗糙度絕對(duì)粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。：管道壁面凸出部分的平均高度。相對(duì)粗糙度相對(duì)粗糙度 ：絕對(duì)粗糙度與管內(nèi)徑的比值。：絕對(duì)粗糙度與管內(nèi)徑的比值。 d 層流流動(dòng)層流流動(dòng)時(shí)：時(shí)：流速較慢，與管壁無(wú)碰撞，流速較慢，與管壁無(wú)碰撞，阻力與阻力與 無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)，只與只與ReRe有關(guān)有關(guān)。d 三、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)三、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)76 湍流流動(dòng)湍流流動(dòng)時(shí)時(shí)（1） （2） 水力光滑管水力光滑管 只與只與Re有關(guān)，與有關(guān)，與 無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)d 湍流區(qū)湍流

41、區(qū) 與與 有關(guān)，與有關(guān)，與Re也有關(guān)也有關(guān)d 77完全湍流粗糙管（完全湍流區(qū)、阻力平方區(qū)）完全湍流粗糙管（完全湍流區(qū)、阻力平方區(qū)） 與與 有關(guān)，與有關(guān)，與Re無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)d )3(782、量綱分析法、量綱分析法基本定理基本定理：白金漢（：白金漢（Buckinghan）定理定理 設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的物理量數(shù)為設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的物理量數(shù)為n個(gè)，這些個(gè)，這些變量的基本量綱數(shù)為變量的基本量綱數(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)立的量綱為一的量之間的表達(dá)）個(gè)獨(dú)立的量綱為一的量之間的表達(dá)式表示。式表示。 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)：

42、 ， （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：u79 , l ,d,u,fp 物理量物理量 n 7基本量綱基本量綱 m3量綱為一的量量綱為一的量 Nnm4 d,dl,udup2 無(wú)因次化處理無(wú)因次化處理式中：式中：2upEu 歐拉（歐拉（Euler）準(zhǔn)數(shù)）準(zhǔn)數(shù)即該過(guò)程可用即該過(guò)程可用4個(gè)量綱為一的量之間的表達(dá)個(gè)量綱為一的量之間的表達(dá)式表示。式表示。80d 相對(duì)粗糙度相對(duì)粗糙度dl管道的幾何尺寸管道的幾何尺寸 udRe 雷諾數(shù)雷諾數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，流體流動(dòng)阻力與管長(zhǎng)成正比，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，流體流動(dòng)阻力與管長(zhǎng)成正比，即 2udld,R

43、eph2f )d,Re( 8182莫狄（莫狄（Moody）摩擦因數(shù)圖：）摩擦因數(shù)圖：83（1）層流區(qū)（）層流區(qū)（Re 2000） 與與 無(wú)關(guān)，與無(wú)關(guān)，與Re為直線關(guān)系，即為直線關(guān)系，即 ,即即 與與u的一次方成正比。的一次方成正比。d Re64 uh ffh（2）過(guò)渡區(qū)（）過(guò)渡區(qū)（2000Re4000) 將湍流時(shí)的曲線延伸查取將湍流時(shí)的曲線延伸查取值值 。（3）湍流光滑管區(qū)（）湍流光滑管區(qū)（Re4000以及虛線以下區(qū)域）以及虛線以下區(qū)域） )(Ref （4）湍流區(qū)（）湍流區(qū)（Re4000以及虛線以下的區(qū)域）以及虛線以下的區(qū)域） ),(dRef 84（5）完全湍流區(qū)）完全湍流區(qū) （虛線以上的區(qū)域）（虛線以上的區(qū)域） 與與Re無(wú)關(guān)，只與無(wú)關(guān)，只與 有關(guān)有關(guān) 。d 該區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。該區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。2uh fd 一定時(shí)，一定時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式 ：（1）柏拉修斯（）柏拉修斯（