化工原理-1章流體流動

1、化工原理化工原理principles of chemical engineering第一章第一章 流體流動流體流動 （Flow of Fluid）延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院第一章第一章 流體流動流體流動第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)第三節(jié)第三節(jié) 流體動力學(xué)流體動力學(xué)第四節(jié)第四節(jié) 流體流動的阻力流體流動的阻力第五節(jié)第五節(jié) 管路計算管路計算第六節(jié)第六節(jié) 流速和流量的測量流速和流量的測量 學(xué)習(xí)本章的意義學(xué)習(xí)本章的意義1. 流體存在的流體存在的廣泛性廣泛性。在化工廠中，管道和設(shè)備中。在化工廠中，管道和設(shè)備中絕大多數(shù)物質(zhì)都是流體絕大多數(shù)物質(zhì)都是流體 （包括氣體

2、、液體或氣液（包括氣體、液體或氣液混合物）?；旌衔铮?. 通過研究流體流動規(guī)律，可以正確設(shè)計管路和合通過研究流體流動規(guī)律，可以正確設(shè)計管路和合理選擇泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等流體輸送設(shè)備，并且理選擇泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等流體輸送設(shè)備，并且計算其所需的功率。計算其所需的功率。3. 流體流動是化工原理流體流動是化工原理各種單元操作的基礎(chǔ)各種單元操作的基礎(chǔ)，對強(qiáng)，對強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)具有重要的實踐意義?；瘋鳠?、傳質(zhì)具有重要的實踐意義。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第一節(jié)第一節(jié) 概述概述流體：流體： 指具有流動性的物體，包括液體和氣體。不可壓縮流體：流體的體積不隨壓力及溫度變化。不可壓縮流體：流體的體積不隨壓力及溫度變化。

3、特點特點：（a） 具有流動性 （b） 受外力作用時內(nèi)部產(chǎn)生相對運動 流動現(xiàn)象: 日常生活中液體：液體：易流動、不可壓縮。易流動、不可壓縮。氣體：氣體：易流動、可壓縮。易流動、可壓縮。 工業(yè)生產(chǎn)過程中煤氣煤氣水孔板流量計泵水封填料塔水池煤 氣 洗 滌 塔 流體力學(xué)流體力學(xué): : 研究流體平衡和運動宏觀規(guī)律的科學(xué)。研究流體平衡和運動宏觀規(guī)律的科學(xué)。流體力學(xué)流體力學(xué)（流體的狀態(tài)）（流體的狀態(tài)）流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)流體動力學(xué)流體動力學(xué)在化工生產(chǎn)中，許多方面都用到流體力學(xué)的知識在化工生產(chǎn)中，許多方面都用到流體力學(xué)的知識。 連續(xù)介質(zhì)假定：將流體視為由無數(shù)質(zhì)點組成的、彼此間沒有將流體視為由無數(shù)質(zhì)點組成的、彼

4、此間沒有 空隙的連續(xù)介質(zhì)?？障兜倪B續(xù)介質(zhì)。流體質(zhì)點：含有大量分子的極小單元或微團(tuán)，尺寸遠(yuǎn)小于流含有大量分子的極小單元或微團(tuán)，尺寸遠(yuǎn)小于流體所處空間的尺寸，但遠(yuǎn)大于分子自由程。體所處空間的尺寸，但遠(yuǎn)大于分子自由程。流體力學(xué)的用途流體力學(xué)的用途流體的輸送 應(yīng)用流體流動的規(guī)律進(jìn)行分析和計算。應(yīng)用流體流動的規(guī)律進(jìn)行分析和計算。壓力、流速和 流量的測量生產(chǎn)任務(wù)生產(chǎn)任務(wù)輸送流體輸送流體選擇流速選擇流速確定輸送管路的直徑確定輸送管路的直徑輸送設(shè)備確定輸送設(shè)備確定第二節(jié)第二節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)（Fluid Statics） 1.2.1 流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì) 1.2.2 流體的壓力流體的壓力 1.2

5、.3 流體靜力學(xué)基本方程式及應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程式及應(yīng)用1.2.1 流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì)1.密度密度( Density)（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， kg/m3 （2）影響因素：）影響因素： 液體：液體： -液體不可壓縮性液體不可壓縮性 純液體的密度可由實驗測定或從手冊中查取。 氣體：氣體： 純氣體的密度一般可計算得到或從手冊中查取。Vm = f（T、P） = f（T）例附錄例附錄3、8例附錄四例附錄四 （3）密度的計算）密度的計算氣體密度的計算氣體密度的計算a.理想氣體密度計算理想氣體密度計算: T0=273.15K，P0=101.3kP

6、a（標(biāo)態(tài)下氣體的溫度和壓力）b.理想氣體理想氣體混合物混合物的密度計算的密度計算: 假設(shè)氣體混合物由N種物質(zhì)組成，各物質(zhì)的體積百體積百分比分比分別為xi，密度分別為i 或或TPPT22.4MRTPM00或1 122 = .mnnxxxmpM = mRTmiiMMyyi為各物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)為各物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù),對于理想氣體，體積分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)相等。對于理想氣體，體積分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)相等?；旌弦后w密度計算混合液體密度計算 假設(shè)液體混合物由n種物質(zhì)組成，混合前后體積不變，各物質(zhì)的質(zhì)量百分比質(zhì)量百分比分別為i，密度分別為i12121nn混 例題例題1-1 求甲烷在320 K和500 kPa時的密度。例題例題

7、1-2 已知空氣的組成為21%O2和79%N2(均為體積分?jǐn)?shù))，試求在100 kPa和300 K時空氣的密度。 RTpM解：解：理想氣體解：解：混合氣體2222NNOOyMyMM均RTpM均 書P7 例題1-12.流體的比體積（流體的比體積（比容比容） 定義：定義：單位質(zhì)量流體所占的體積。單位質(zhì)量流體所占的體積。 單位：單位： m3/kg 113kgmmVv3.黏度黏度 (1)流體的粘性粘性流體速度分布： 是流體的重要的物理性質(zhì) 只有在流動時才表現(xiàn)出來。 smkgspmSNmsmmNdydua22/SI制：CGS制：泊）(/22PscmgcmSdyncmscmmdyndyducPPsPa100

8、0101(2)流體的粘度及單位黏度：黏度：表征流體粘性的物理性質(zhì)，用符號表征流體粘性的物理性質(zhì)，用符號表示。表示。物理單位制度物理單位制度國際單位制度國際單位制度厘泊厘泊 (3)粘度的影響因素 ： = f ( T、P、物質(zhì)種類 )液體：T，（T,T,分子間距分子間距，范德華力，范德華力，內(nèi)摩擦力，內(nèi)摩擦力）氣體：T，（T,T,分子間距有所增大，但對分子間距有所增大，但對影響不大，影響不大， 但但TT，分子運動速度，分子運動速度，內(nèi)摩擦力，內(nèi)摩擦力）壓力P 對氣體粘度的影響一般不予考慮，只有在極高或極低的壓力下才考慮壓力對氣體粘度的影響。 (4)運動粘度及單位：CGS制單位： cm2/s =St

9、（斯托克斯，簡稱斯） ,常用的還有cst（厘斯），1st=100cst換算：1St=100cSt=110-4 m2/s SI制單位: m2/s=/ (5)混合物粘度 ：分子不締合的液體混合物：iimxlglg氣體混合物：2121iiiiimMyMy式中：xi液體混合物中i組分的摩爾分率； yi氣體混合物中i組分的摩爾分率； i與混合物相同溫度下的i組分的粘度； Mi氣體混合物中i組分的分子質(zhì)量。組分黏度見組分黏度見-附錄附錄9、附錄、附錄101.2.1 流體的壓力流體的壓力（Pressure）一一.定義定義 流體流體垂直垂直作用于作用于單位面積上單位面積上的力，稱為流體的力，稱為流體的壓強(qiáng)，工

10、程上一般稱壓力。的壓強(qiáng)，工程上一般稱壓力。或PaAFP N/m2式中 P壓力，N/m2即Pa(帕斯卡)； F垂直作用在面積A上的力，N； A作用面積，m2。 工程單位制中，壓力的單位是工程單位制中，壓力的單位是at(工程大氣壓工程大氣壓)或或kgf/cm2。 其它常用的壓力表示方法還有如下幾種：其它常用的壓力表示方法還有如下幾種： 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（物理大氣壓）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（物理大氣壓）atm；米水柱米水柱 mH2O； 毫米汞柱毫米汞柱mmHg；流體壓力特性：流體壓力特性：（1）流體壓力處處與它的作用面流體壓力處處與它的作用面垂直垂直，并總是，并總是指向指向流體流體 的作用面。的作用面。（2）流體中任

11、一點壓力的大小與所選定的作用面在空間流體中任一點壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關(guān)。的方位無關(guān)。 1 atm=101.3kPa=1.033 kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O 1 at=98.1kPa=1kgf/cm2=735.6 mmHg =10 mH2O將下列壓力換算為將下列壓力換算為kPa （1） 640mmHg； （2）8.5mH2O； （3）2 kgf/cm2記住記住 結(jié)果：結(jié)果：（1） 85.3kPa ；（2） 83.4kPa ；（3）196.2kPa二二. .壓力的壓力的表示方式表示方式三種表示方式三種表示方式：絕對壓力、表壓、真空度絕對壓力、表壓、真空度

12、 絕對壓力絕對壓力：以絕對真空以絕對真空( (即零大氣壓即零大氣壓) )為基準(zhǔn)為基準(zhǔn)計量計量 的壓力，是流體的真實壓力；的壓力，是流體的真實壓力； 表壓力表壓力： 以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)，比當(dāng)?shù)卮髿鈮焊撸犬?dāng)?shù)卮髿鈮焊?出的壓力，稱為表壓力。出的壓力，稱為表壓力。 真空度真空度： 以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)，比當(dāng)?shù)卮髿鈮旱?，比?dāng)?shù)卮髿鈮旱?出的壓力，稱為真空度。出的壓力，稱為真空度。大氣壓隨海拔高度、溫度和濕度而變；大氣壓隨海拔高度、溫度和濕度而變；式式a,a,式式b b的大氣壓均指當(dāng)?shù)卮髿鈮?，如不加說的大氣壓均指當(dāng)?shù)卮髿鈮海绮患诱f 明時均可按標(biāo)準(zhǔn)大氣壓計算；明時均可

13、按標(biāo)準(zhǔn)大氣壓計算；壓力的數(shù)值如不特殊說明，均指絕對壓力。壓力的數(shù)值如不特殊說明，均指絕對壓力。表壓力表壓力= =絕對壓力絕對壓力- -大氣壓力大氣壓力 式式a a真空度真空度= =大氣壓力大氣壓力- -絕對壓力絕對壓力 式式b b注意：注意： 絕對真空當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)絕對壓強(qiáng)真空度絕對壓強(qiáng)表壓絕壓、表壓、真空度的關(guān)系絕壓、表壓、真空度的關(guān)系 P1P2 【例題例題1-3】 在蘭州操作的苯乙烯精餾塔塔頂?shù)恼嬖谔m州操作的苯乙烯精餾塔塔頂?shù)恼婵斩葹榭斩葹?20mmHg。在天津操作時，若要求塔內(nèi)維。在天津操作時，若要求塔內(nèi)維持相同的絕對壓力，真空表的讀數(shù)應(yīng)為多少？蘭持相同的絕對壓力，真空表的讀數(shù)應(yīng)為多少

14、？蘭州地區(qū)的大氣壓力為州地區(qū)的大氣壓力為640mmHg,天津地區(qū)的大氣天津地區(qū)的大氣壓力為壓力為760mmHg。 解：解：蘭州：絕壓蘭州：絕壓=大氣壓大氣壓-真空度真空度天津天津：真空度真空度=大氣壓大氣壓-絕壓絕壓 【例題1-4】 裝在某設(shè)備進(jìn)口和出口的壓強(qiáng)表的裝在某設(shè)備進(jìn)口和出口的壓強(qiáng)表的讀數(shù)分別為讀數(shù)分別為4 kgf/cm2和和2 kgf/cm2，試求此設(shè)備試求此設(shè)備的進(jìn)出口之間的壓強(qiáng)差，的進(jìn)出口之間的壓強(qiáng)差，kPa。設(shè)當(dāng)時設(shè)備外設(shè)當(dāng)時設(shè)備外的大氣壓強(qiáng)為的大氣壓強(qiáng)為1 kgf/cm2。壓強(qiáng)差壓強(qiáng)差=進(jìn)口絕壓進(jìn)口絕壓-出口絕壓出口絕壓=(P+P進(jìn)表進(jìn)表)- (P+P出表出表)= P進(jìn)表進(jìn)表

15、- P出表出表解：解：書書P8例題例題1-2 （1）若當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?50mmHg，0.5atm(表壓)則則_ kgf/cm2(絕)= Pa（絕） mmHg(絕)。 （2）若當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?20mmHg，某設(shè)備上真空表讀數(shù)為700mmHg，該設(shè)備內(nèi)絕壓為 mmHg。1.5361.511051130201.2.3 1.2.3 流體靜力學(xué)基本方程式及應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程式及應(yīng)用 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)研究流體研究流體靜止時靜止時其內(nèi)部壓強(qiáng)變化的規(guī)律。其內(nèi)部壓強(qiáng)變化的規(guī)律。 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式是用于描述靜止流體內(nèi)部的是用于描述靜止流體內(nèi)部的壓力壓力沿著高度變化沿著高度變化的數(shù)學(xué)表達(dá)

16、式的數(shù)學(xué)表達(dá)式gZZAmgG)(21重力： 作用于上底的總壓力： 作用于下底的總壓力：ApP11ApP220)(2112AgZZApAp一、推導(dǎo)一、推導(dǎo)?。喝。?1AZZh、液柱為研究對象垂直方向垂直方向上作用于液柱的力有：上作用于液柱的力有：液柱處于液柱處于靜止時靜止時，上述三力的合力為零上述三力的合力為零:)ZZ(2112gppgpgp2211ZZ靜力學(xué)基本方程式靜力學(xué)基本方程式壓力形式壓力形式能量形式能量形式應(yīng)用范圍：流體為不可壓縮流體，應(yīng)用范圍：流體為不可壓縮流體， 即密度為常數(shù)即密度為常數(shù)hp0p0PPgh化簡得：化簡得： 1132244535p1p2p 等壓面定義: 靜止、連續(xù)靜止

17、、連續(xù)的的同種同種流體，處于同一流體，處于同一水平面水平面上的各點上的各點壓力相等壓力相等關(guān)于靜力學(xué)方程的討論：實例： 等壓面概念 p0變化某一數(shù)值，則變化某一數(shù)值，則 p改變同樣大小數(shù)值改變同樣大小數(shù)值壓力的可傳遞性ghpp02211pgzpgz或或常數(shù)pgzpozoh112p1p2z2z1重力場中的壓力分布重力場中的壓力分布有關(guān)、僅和一定，hpp0 靜止流體內(nèi)部，各不同截面上的壓力能靜止流體內(nèi)部，各不同截面上的壓力能和勢能兩者之和為常數(shù)。和勢能兩者之和為常數(shù)。hp0p 靜力學(xué)方程的幾種不同形式 2211gZpgZpaPgzpgzp2211kgJ /2211zgpzgpm單位：單位：單位：單

18、位：單位：單位：靜壓能靜壓能位能位能靜壓頭靜壓頭位壓頭位壓頭（1）在靜止的液體中，液體任一點的壓力與液體密）在靜止的液體中，液體任一點的壓力與液體密 度和其深度有關(guān)。液體密度越大，深度越大，則該點度和其深度有關(guān)。液體密度越大，深度越大，則該點的壓力越大。的壓力越大。 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能位能 和靜壓能和靜壓能各不相同，但其各不相同，但其總和保持不變總和保持不變 。流體靜力學(xué)基本方程式討論：流體靜力學(xué)基本方程式討論：ghpp0zg單位質(zhì)量流體所具有的單位質(zhì)量流體所具有的位能位能，J/kg；p單位質(zhì)量流體所具有的單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能靜壓

19、能，J/kg。gpgp2211ZZ（2）物理意義：）物理意義：（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)，處于同一水平同一水平面面上各點的壓力處處相等。壓力相等的面稱為上各點的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓等壓面面。（4）壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時，液體）壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時，液體內(nèi)部各點的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。內(nèi)部各點的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。P0 P2ghpp02二、流體靜力學(xué)基本方程式的二、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用應(yīng)用（一）壓力的測量（一）壓力的測量（Measuring pressure differences ） 對指示液要求對指示

20、液要求：與被測流體不互溶；不起化學(xué)反應(yīng)；與被測流體不互溶；不起化學(xué)反應(yīng)；指示液密度大于被測流體。指示液密度大于被測流體。 1、U形管壓差計形管壓差計（U-tube manometer） 組成：組成： U形玻璃管、標(biāo)尺盤、指示劑形玻璃管、標(biāo)尺盤、指示劑指示液：指示液：水、油、四氯化碳或汞)(1RmgppAgRgmppA指2gRpp)(21指（等壓面）AApp測量原理：測量原理：形成液位差形成液位差R12ppU形玻璃管的兩端與管道中的兩截面相連通若作用于形玻璃管的兩端與管道中的兩截面相連通若作用于U形管形管兩端的壓力兩端的壓力P1和和P2不等，若不等，若P1P2（2 2）若將）若將U U形管一端與

21、被測點連接，另一端與形管一端與被測點連接，另一端與大氣相大氣相 通通，此時測得的是流體的，此時測得的是流體的表壓或真空度表壓或真空度。gRpp指21指指（1 1）若被測流體是）若被測流體是氣體氣體，則上式可簡化為則上式可簡化為 推論：推論：gRpp)(21指表壓真空度U U管壓差計管壓差計優(yōu)缺點優(yōu)缺點：a.a.構(gòu)造簡單，測壓方便構(gòu)造簡單，測壓方便b.b.測壓范圍窄測壓范圍窄c.c.玻璃管易碎玻璃管易碎gRpp指a1gRpp指1a gRpp)(212、斜管壓差計sin1RR R1 1Rp1 1p2 2傾斜液柱壓差計傾斜液柱壓差計 當(dāng)被測量的當(dāng)被測量的流體壓力或壓差不大時流體壓力或壓差不大時，讀數(shù)

22、，讀數(shù)R很小，為了得很小，為了得到精確的讀數(shù)，可采用如下的斜管壓差計到精確的讀數(shù)，可采用如下的斜管壓差計 擴(kuò)張室擴(kuò)張室 3、微差壓差計、微差壓差計aa適用范圍適用范圍：當(dāng)斜管壓差計所示讀數(shù)仍很小時。：當(dāng)斜管壓差計所示讀數(shù)仍很小時。組成組成： U形玻璃管、標(biāo)尺盤、擴(kuò)大室、兩種指示劑形玻璃管、標(biāo)尺盤、擴(kuò)大室、兩種指示劑)(10略小且形管直徑擴(kuò)張室直徑ACUa1cP Pgh a2()caPPgh RgR haa PP由由gRppCA)(21aa工業(yè)上常用的雙指示液有：工業(yè)上常用的雙指示液有：石蠟油與工業(yè)酒精；苯甲醇石蠟油與工業(yè)酒精；苯甲醇與氯化鈣溶液等。與氯化鈣溶液等。 按靜力學(xué)基本方程式可推出：按

23、靜力學(xué)基本方程式可推出：由上式可看出，對于一定的壓差，由上式可看出，對于一定的壓差，（A-C）越小，則讀數(shù)）越小，則讀數(shù)R就越大，所就越大，所以應(yīng)使用兩種密度接近的指示液。以應(yīng)使用兩種密度接近的指示液?！纠}【例題1-5】 用U管壓差計測量氣體管路上兩點的壓力差，指示液為水，其密度為1000 kg/m3，讀數(shù)R為12mm。為了放大讀數(shù)，改用微差壓差計，指示液A是含有40%酒精的水溶液，密度為920 kg/m3；指示液C是煤油，密度為850 kg/m3。問讀數(shù)可以擴(kuò)大多少？C21)(gRgRppA指解：解：BARR指a aRR擴(kuò)大倍數(shù) （二）（二）液位測量液位測量 化工廠中經(jīng)常要了解容器里物料的

24、貯存量，或要控制設(shè)備里的液面，因此要進(jìn)行液位的測量。 a.玻璃管液位計優(yōu)點：構(gòu)造簡單、測量直觀、使用方便缺點：玻璃管易碎、不利于遠(yuǎn)處觀測組成原理：連通器b.液柱壓差計連通管中放入的指示液，其密度密度遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于容器內(nèi)液體密度。利用較小的指示液液位讀數(shù)R來計量大大型型容器內(nèi)貯藏的液體高度。指Rh【例題【例題1-61-6】 如圖所示的容器內(nèi)存有密度為800 m3/的油，U管壓差計中的指示液為水銀，讀數(shù)200mm。求容器內(nèi)油面高度。12Rh解：解：設(shè)容器上方的壓力為P0 ，液面高度為h，則ghpp101R202gpp21pp R2010gpghp12（三）（三） 液封高度的計算液封高度的計算 液封作

25、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，氣內(nèi)壓力超過規(guī)定值時，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：PP為表壓為表壓【例題【例題1-7】如圖所示，某廠為了控制乙炔發(fā)生爐內(nèi)的壓強(qiáng)如圖所示，某廠為了控制乙炔發(fā)生爐內(nèi)的壓強(qiáng)不超過不超過10.710.710103 3PaPa（表壓），需在爐外裝有安全液封，其（表壓），需在爐外裝有安全液封，其作用是當(dāng)爐內(nèi)壓強(qiáng)超過規(guī)定，氣體就從液封管口排出，試作用是當(dāng)爐內(nèi)壓強(qiáng)超過規(guī)定，氣體就從液封管口排出，試求此爐的安全液封管應(yīng)插入槽內(nèi)水面下的深度求此爐的安全液封管應(yīng)插入

26、槽內(nèi)水面下的深度h h。解：解：液封管口作基準(zhǔn)水平面液封管口作基準(zhǔn)水平面o-oo-o，在其上取，在其上取1 1，2 2兩點。兩點。壓強(qiáng)爐內(nèi) 1P3107 .10aPghPPa2ghPPaa3107 .10mh9 .1021PP 換算成絕壓換算成絕壓第三節(jié)第三節(jié) 流體動力學(xué)流體動力學(xué)1.3.1 流量與流速流量與流速1.3.2 流體流動的質(zhì)量衡算流體流動的質(zhì)量衡算連續(xù)性方程連續(xù)性方程1.3.3 流體流動的能量衡算流體流動的能量衡算柏努利方程柏努利方程第三節(jié)第三節(jié) 流體動力學(xué)流體動力學(xué)1.3.1 1.3.1 流量和流速流量和流速一、流量一、流量(Flow Rate)t /mqm(1)體積流量體積流量

27、： 單位時間內(nèi)流體流過管路任一截面積的體單位時間內(nèi)流體流過管路任一截面積的體積，積，以以qV表示表示，單位：，單位：m3 /s 或或 m3 / h。(2)質(zhì)量流量質(zhì)量流量 ： 單位時間內(nèi)流體流過管路任一截面積的質(zhì)量，單位時間內(nèi)流體流過管路任一截面積的質(zhì)量，以以qm表示表示，單位：，單位：kg / s 或或 kg/ h。t /VqVVmqq二者關(guān)系：單位時間內(nèi)流體的質(zhì)點在流動方向上流過的距離，單位時間內(nèi)流體的質(zhì)點在流動方向上流過的距離，m/s 二、二、 流速流速u (Velocity)1. 平均流速：平均流速：AqAqumV質(zhì)量流量和流速關(guān)系：質(zhì)量流量和流速關(guān)系：uAqm2.質(zhì)量流速質(zhì)量流速:單

28、位時間內(nèi)流過單位截面積的流體質(zhì)量單位時間內(nèi)流過單位截面積的流體質(zhì)量uAqAqGVmkg/(m2s)m/s單位時間內(nèi)流過單位截面積的流體體積單位時間內(nèi)流過單位截面積的流體體積流體經(jīng)管路截面上各點的流速是不同的。流體經(jīng)管路截面上各點的流速是不同的。uAqV體積流量和流速關(guān)系：體積流量和流速關(guān)系： 流量和流速及橫截面積之間的關(guān)系稱為流量和流速及橫截面積之間的關(guān)系稱為流流量方程式量方程式3. 流量和流速流量和流速-流量方程式流量方程式 AqAqumVuAqAqGVmuAqmuAqV三、管徑的估算三、管徑的估算 uu適宜適宜費費用用總費用總費用設(shè)備費設(shè)備費操作費操作費 一般管道的截面是圓形的，若一般管道

29、的截面是圓形的，若d為管子的為管子的內(nèi)直徑內(nèi)直徑，則管子截，則管子截面面 積積 24dAudqV24uquqdVV785. 04對于圓形管道：對于圓形管道：流量流量qV一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇：流速選擇： d 設(shè)備費用設(shè)備費用 流動阻力流動阻力 動力消耗動力消耗 操作費操作費均衡均衡考慮考慮u帶入流量方程式帶入流量方程式， 得得液體的流速取0.5-3m/s，氣體則為10-30m/s適宜流速：由于管徑已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，所以經(jīng)計算得到管徑后，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)定。通常鋼管的規(guī)格以外徑和壁厚來表示，表以外徑壁厚。表1-1某些流體在管道中的適宜流速范圍 注意：注意：mmmm4121內(nèi)徑如何求

30、取內(nèi)徑如何求?。恳?guī)格通過附錄查詢規(guī)格通過附錄查詢P315附錄附錄181.3.2 流體流動中的質(zhì)量衡算流體流動中的質(zhì)量衡算連續(xù)性方程連續(xù)性方程(Mass Balance in a Flowing Fliud-Equation of Continuity)一、穩(wěn)態(tài)流動及非穩(wěn)態(tài)流動1、穩(wěn)態(tài)流動 流場中的物理量，僅和空間位置有關(guān)，而和時間無關(guān)。流場中的物理量，僅和空間位置有關(guān)，而和時間無關(guān)。0tu),(zyxfF 如：流速、壓力如：流速、壓力 2、非穩(wěn)態(tài)流動 流場中的某物理量，不僅和空間位置有關(guān)，而且和時間有關(guān)流場中的某物理量，不僅和空間位置有關(guān)，而且和時間有關(guān)。 隨著過程的進(jìn)行，隨著過程的進(jìn)行，h

31、h減低減低,u ,u 降低。降低。0tu),(tzyxfF 在化工生產(chǎn)中，正常運行時，系統(tǒng)流動近在化工生產(chǎn)中，正常運行時，系統(tǒng)流動近似為穩(wěn)態(tài)流動似為穩(wěn)態(tài)流動。各點各處的流量不隨時間變各點各處的流量不隨時間變化，近似為常數(shù)。化，近似為常數(shù)。 只有在出現(xiàn)波動或是開、停車時，為非穩(wěn)只有在出現(xiàn)波動或是開、停車時，為非穩(wěn)態(tài)流動。態(tài)流動。說明： 對于穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏對于穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失的情況下：失的情況下： 21mmqq 222111AuAu 推廣至任意截面推廣至任意截面 常常數(shù)數(shù) uAAuAuqm 222111連續(xù)性方程式連續(xù)性方程式二、連續(xù)性方程二、連續(xù)性

32、方程常數(shù)uAAuAuqV2211不可壓縮性流體，不可壓縮性流體，常數(shù)圓形管道圓形管道 ：2121221ddAAuu 即不可壓縮流體在管路中即不可壓縮流體在管路中任意截面任意截面的流速與的流速與管內(nèi)徑的平方成反比管內(nèi)徑的平方成反比 。【例題【例題1-8】 一管路由內(nèi)徑為一管路由內(nèi)徑為100mm和和200mm的的鋼管連接而成。已知密度為鋼管連接而成。已知密度為1186kg/m3液體在大液體在大管中的流速為管中的流速為0.5m/s，試求：，試求：(1)小管中的流速小管中的流速m/s；（；（2）管路中液體的體積流量）管路中液體的體積流量m3/h和質(zhì)量流和質(zhì)量流量量kg/h。解：解：21221dduu2

33、1221dduu(1)(2)Vmqq11AuqV注意單位注意單位 【例題【例題1-9】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、一段一段1084mm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9m3/s的體積流量流動，且在兩段分的體積流量流動，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。 3a123b流體分支管系統(tǒng)時，遵如下原則：主管總流量等于各支管流量之和，即 qV1=qV2=qV3a+qV3b解：解：24dquVqV1 =9m3/sqV2 =9m3/sqV3a=qV3

34、b=qV1/2=4.5m3/s管徑管徑d的求法：的求法：d1=89-42=81mm1.3.3 流體流動中的能量衡算流體流動中的能量衡算伯努利方程伯努利方程一、流動的流體所具有的機(jī)械能一、流動的流體所具有的機(jī)械能 2mu21（2）動能動能(Kinetic Energy)（1）位能位能 (Gravity Energy)（3）靜壓能靜壓能(Static Pressure Energy)pmmgz質(zhì)量為質(zhì)量為m（kg）流體的總機(jī)械能：）流體的總機(jī)械能：mpmu21mgz2J衡算基準(zhǔn)：質(zhì)量為衡算基準(zhǔn)：質(zhì)量為m（kg）流體）流體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/kg；p單位質(zhì)量流

35、體所具有的靜壓能，單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，J/kg ；221u單位質(zhì)量流體所具有的動能，單位質(zhì)量流體所具有的動能，J/kg。質(zhì)量為質(zhì)量為1kg流體的總機(jī)械能：流體的總機(jī)械能：gpu21gz2J/kg在無其它形式的能量輸入和輸出的情況下，理想流體在無其它形式的能量輸入和輸出的情況下，理想流體進(jìn)行進(jìn)行穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動時，在時，在管路任一截面的流體總機(jī)械能管路任一截面的流體總機(jī)械能是是一個一個常數(shù)常數(shù)。即。即二、理想流體的柏努利方程二、理想流體的柏努利方程常數(shù)pu21gz22222121122pugzpugz-理想流體柏努利方程理想流體柏努利方程 三三. 實際流體的機(jī)械能衡算式實際流體的機(jī)械能衡

36、算式(柏努利方程柏努利方程) )Wp2,u2,r2p1,u1,r1221100z2z1（一）實際流體機(jī)械能衡算式（一）實際流體機(jī)械能衡算式J/kg（2）外加功外加功 1kg流體從流體輸送機(jī)械所獲得的能量為流體從流體輸送機(jī)械所獲得的能量為W e (J/kg)（1）能量損失能量損失1kg流體損失的能量為流體損失的能量為R（J/kg） Wp2,u2,r2p1,u1,r1221100z2z1實際流體的伯努利方程式實際流體的伯努利方程式 RpugzWpugze2222121122以單位重量（以單位重量（1kg）流體為衡算基準(zhǔn)）流體為衡算基準(zhǔn)f2222121122HgpguzHgpguzm 單位為單位為m

37、，其，其物理意義物理意義為：每千克重量的流體所具有的能量。為：每千克重量的流體所具有的能量。通常將其稱為通常將其稱為壓頭壓頭。柏努力方程是柏努力方程是流體動力學(xué)中最主要的方程式流體動力學(xué)中最主要的方程式，可以用來，可以用來計算流體的流速計算流體的流速，以及管路輸送系統(tǒng)中，以及管路輸送系統(tǒng)中所需的外加壓頭所需的外加壓頭等問題。等問題。gWeHgfRH外加壓頭外加壓頭：損失壓頭：損失壓頭：gpu21gz2同除以同除以g（二）、應(yīng)用柏努利方程的解題要點（二）、應(yīng)用柏努利方程的解題要點（）1.確定衡算范圍，實際是確定衡算范圍，實際是選取截面選取截面（解題關(guān)鍵解題關(guān)鍵） 兩截面均應(yīng)與流體流動方向垂直。兩

38、截面均應(yīng)與流體流動方向垂直。 流體必須從流體必須從1-1截面截面 進(jìn)入系統(tǒng)，從進(jìn)入系統(tǒng)，從2-2截面截面 流出系統(tǒng)，兩截面間流出系統(tǒng)，兩截面間 的流體必須是的流體必須是連續(xù)連續(xù)的。的。Wp2,u2,r2p1,u1,r1221100z2z14. 兩橫截面相差很大，取大口截面兩橫截面相差很大，取大口截面 u=0。必須與地面平行。必須與地面平行。 一般是選位能較低的截面為基準(zhǔn)面，此時一般是選位能較低的截面為基準(zhǔn)面，此時z=0。 水平管確定基準(zhǔn)面時，一般是取通過水平管確定基準(zhǔn)面時，一般是取通過管中心線管中心線的水平面為的水平面為基準(zhǔn)面?；鶞?zhǔn)面。2.確定基準(zhǔn)面確定基準(zhǔn)面3.各物理量要采用同一單位制（衡算

39、基準(zhǔn)），壓強(qiáng)的各物理量要采用同一單位制（衡算基準(zhǔn)），壓強(qiáng)的表示形式也要統(tǒng)一，與大氣相通截面的表壓為零。表示形式也要統(tǒng)一，與大氣相通截面的表壓為零。Wp2,u2,r2p1,u1,r1221100z2z15. 5. 伯努利方程式適用于不可壓縮性流體。伯努利方程式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，仍可用該方時，仍可用該方程計算，但式中的密度程計算，但式中的密度應(yīng)以兩截面的平均密度應(yīng)以兩截面的平均密度均均代代替。替。%20121 pppRpugzWepugz均均2222121122從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料（水），高位槽中液位恒定，高位槽和塔從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料（水），高位槽中

40、液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液管為內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液管為45mm2.5mm的鋼管，要求的鋼管，要求送液量為送液量為3.6m3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為1.2m （不包括（不包括出口能量損失），試問高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？出口能量損失），試問高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？【例【例1-10】確定設(shè)備的相對位置確定設(shè)備的相對位置f2222121122HgpguzHgpguz1. 選取截面選取截面解：解：2.確定基準(zhǔn)面確定基準(zhǔn)面3.確定衡算基準(zhǔn)確定衡算基準(zhǔn)4.列式求解列式求解其中：其中：Z1=h；Z2=0；H=0；=常數(shù)；常數(shù)；P1=P2=1

41、atm 一敞口高位槽（如圖所示），其液面一敞口高位槽（如圖所示），其液面距出液口垂直距離距出液口垂直距離6米，液面維持恒定米，液面維持恒定。輸液管內(nèi)徑為。輸液管內(nèi)徑為68mm，流動過程的損，流動過程的損失壓頭為失壓頭為 5.6m液柱，液體的密度為液柱，液體的密度為1100kg/m3,試求輸送液體量試求輸送液體量m3/h。f2222121122HgpguzHgpguz1. 選取截面選取截面解：解：2.確定基準(zhǔn)面確定基準(zhǔn)面3.確定衡算基準(zhǔn)確定衡算基準(zhǔn)4.列式求解列式求解22AuqV【例【例1-11】確定流速及流量確定流速及流量u1=0;z1=0;z2=6m;d=68mm;=1100kg/m3;Hf

42、=5.6m 某離心泵安裝在水井水面上某離心泵安裝在水井水面上4.5m，泵流量為，泵流量為20 m3/h，吸水管為，吸水管為108mm4 mm鋼管，吸水管路鋼管，吸水管路中損失能量為中損失能量為24.5J/kg，泵提供，泵提供的能量為的能量為30.9J/kg,求泵入口處的求泵入口處的壓力（絕壓），當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫毫Γń^壓），當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫闉?00 kPa。 RpugzWpugz2222e121122【例【例1-12】確定管路中流體的壓強(qiáng)確定管路中流體的壓強(qiáng)1. 選取截面選取截面解：解：2.確定基準(zhǔn)面確定基準(zhǔn)面3.確定衡算基準(zhǔn)確定衡算基準(zhǔn) 4.列式求解列式求解01z01u9 .30eWkp100

43、1p224dquV.4J/kg25R4.5m2z2p求出 如圖將密度為如圖將密度為1840kg/m3的溶液從貯槽的溶液從貯槽用泵打到用泵打到20米高處。已知泵的進(jìn)口管米高處。已知泵的進(jìn)口管路為路為108mm4mm，溶液的流速為，溶液的流速為1m/s。泵的出口管路為。泵的出口管路為684mm，損失壓頭為損失壓頭為3m液柱。試求泵出口處溶液柱。試求泵出口處溶液的流速和所需的外加壓頭。液的流速和所需的外加壓頭。 【例【例1-13】確定輸送機(jī)械的外加壓頭】確定輸送機(jī)械的外加壓頭fHgpguzHgpguz2222121122解：解：1. 選取截面選取截面2.確定基準(zhǔn)面確定基準(zhǔn)面3.確定衡算基準(zhǔn)確定衡算基

44、準(zhǔn) 4.列式求解列式求解22出進(jìn)進(jìn)出dduuu連續(xù)性方程連續(xù)性方程伯努利方程伯努利方程H求第四節(jié)第四節(jié) 流體流動的阻力流體流動的阻力1.4.1 牛頓黏性定律牛頓黏性定律 1.4.2 流體流動類型與雷諾數(shù)流體流動類型與雷諾數(shù) 1.4.3 流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布1.4.4 管、管件及閥門管、管件及閥門 1.4.5 流體在直管中的流動阻力流體在直管中的流動阻力 1.4.6 流體流動局部阻力的計算流體流動局部阻力的計算 1.4.7 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 由于粘性存在，流體在管內(nèi)流動時管截面不同半徑處的速由于粘性存在，流體在管內(nèi)流動時管截面不

45、同半徑處的速度并不相同，而是形成某種速度分布。度并不相同，而是形成某種速度分布。 運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力稱運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力稱內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦力力。內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力（主要原因）（主要原因）流體流動狀況流體流動狀況流體阻力流體阻力（次要原因）（次要原因）其他：其他：dl、有關(guān)有關(guān)1.4.1 牛頓黏性定律牛頓黏性定律 速度分布：速度沿距離的變化關(guān)系。速度沿距離的變化關(guān)系。u推力推力F0 0 xu=0yYdudy 平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度關(guān)系關(guān)系 設(shè)有上下兩塊設(shè)有上下兩塊平行平行放置且放置且面積很大面積很大而而相距很近相距很近的

46、平板，板間的平板，板間充滿了某種液體。若將下板固定，對上板施加一個充滿了某種液體。若將下板固定，對上板施加一個恒定的外力恒定的外力，上板就以上板就以恒定的流速恒定的流速u沿沿x方向運動。此時，兩板間的液體就會分方向運動。此時，兩板間的液體就會分成成無數(shù)平行的薄層無數(shù)平行的薄層而運動，形成而運動，形成線性的速度分布線性的速度分布。相鄰兩流體層。相鄰兩流體層產(chǎn)生粘性摩擦力。產(chǎn)生粘性摩擦力。 dydu牛頓粘性定律：實實驗驗發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)：dyduYuAF意義：內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦應(yīng)力的大小與速度梯度成正比。應(yīng)力的大小與速度梯度成正比。 F內(nèi)摩擦力，內(nèi)摩擦力，N內(nèi)摩擦應(yīng)力，內(nèi)摩擦應(yīng)力，Pa流體的黏度，流體的黏度，P

47、as1dusdy法向速度梯度，1.4.2 1.4.2 流動類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)流動類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)（flow types and Reynolds number)1.雷諾實驗雷諾實驗 1883年英國科學(xué)家雷諾（年英國科學(xué)家雷諾（Reynolds）通過實驗發(fā)現(xiàn)液體）通過實驗發(fā)現(xiàn)液體在流動中存在兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同的流態(tài)：在流動中存在兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同的流態(tài)：層流和湍流。層流和湍流。流動型態(tài)流動型態(tài) 2. 流體流動狀態(tài)流體流動狀態(tài)湍流：湍流：很慢很慢 層流層流較大較大 過渡態(tài)過渡態(tài)大大 紊流（湍流）紊流（湍流）所有流體質(zhì)點沿所有流體質(zhì)點沿管軸做規(guī)則的平管軸做規(guī)則的平行直線運動行直線運動.(滯滯流流)層層

48、 流：流：流體質(zhì)點作復(fù)雜的無流體質(zhì)點作復(fù)雜的無規(guī)則運動（紊流）規(guī)則運動（紊流）.過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)：從層流層流到湍流湍流之間。在實際生產(chǎn)中，流體的流動類型多屬于湍流在實際生產(chǎn)中，流體的流動類型多屬于湍流雷諾進(jìn)行的實驗研究還表明，流體的流動狀況不僅與流體的流速 有關(guān)，而且與流體的密度 、黏度和管徑 有關(guān)。udduReRe數(shù)值的大小，可以作為判別流體流動類型的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的大小，可以作為判別流體流動類型的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)當(dāng)d、u、 時，使流體流動形態(tài)向湍流方向移動時，使流體流動形態(tài)向湍流方向移動當(dāng)當(dāng)時，使流體流動形態(tài)向?qū)恿鞣较蛞苿訒r，使流體流動形態(tài)向?qū)恿鞣较蛞苿訜o量綱無量綱雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)3.雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)

49、數(shù)：準(zhǔn)數(shù)：凡是幾個有內(nèi)在聯(lián)系的物理量按無因次條件組合起來的數(shù)群。凡是幾個有內(nèi)在聯(lián)系的物理量按無因次條件組合起來的數(shù)群。Re2000時，流動為層流，此區(qū)稱為時，流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)層流區(qū)；Re4000時，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為時，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)湍流區(qū)；2000 Re 4000時，流動可能是層流，也可能是時，流動可能是層流，也可能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)過渡區(qū)。物理意義：物理意義： Re反映了流體流動中反映了流體流動中慣性力與粘性力的對比關(guān)慣性力與粘性力的對比關(guān)系系，標(biāo)志著流體流動的，標(biāo)志著流體流動的湍動程度湍動程度。 4.流動狀態(tài)的判定流動狀態(tài)的判

50、定： 【例題【例題1-14】 密度為密度為800kg/m3，黏度，黏度2.310-3 Pas的液體，以的液體，以10m3/h的流量通過內(nèi)徑為的流量通過內(nèi)徑為25mm的圓管路。試判斷管中流體的流的圓管路。試判斷管中流體的流動類型。動類型。 【習(xí)題【習(xí)題1-15 】 20的水在的水在630mm9mm的無縫鋼管中流動，的無縫鋼管中流動，流量為流量為30 m3/h。試判斷其流動類型；如要保證管內(nèi)流體做層。試判斷其流動類型；如要保證管內(nèi)流體做層流流動，則管內(nèi)最大的平均流速應(yīng)為多少流流動，則管內(nèi)最大的平均流速應(yīng)為多少m/s？duRe解：解：24dquVduRe解：解：24dquV層流時層流時Re=2000

51、ddu2000Re1.4.3 圓管內(nèi)流體的速度分布圓管內(nèi)流體的速度分布 管壁上管壁上非常薄非常薄的流層流速為的流層流速為零零，離管壁越遠(yuǎn)，離管壁越遠(yuǎn)流速越大，在流速越大，在管中心線上流速最大管中心線上流速最大。 max21uu max820uu層流平均速度：層流平均速度：湍流平均速度：湍流平均速度：拋物線型盾頭拋物線型1.4.4 1.4.4 管、管件及閥門管、管件及閥門一、管子鑄鐵管鑄鐵管無縫鋼管無縫鋼管有縫鋼管有縫鋼管有色金屬管有色金屬管塑料管塑料管玻璃管玻璃管橡膠管橡膠管陶瓷管陶瓷管水泥管水泥管二、管件二、管件1 1、改變管路方向的管件、改變管路方向的管件 2 2、連接兩管的管件、連接兩管

52、的管件3 3、連接管路支路的管件、連接管路支路的管件三通三通斜三通斜三通四通四通斜四通斜四通 4 4、改變管路直徑的管件、改變管路直徑的管件同心異徑管同心異徑管偏心異徑管偏心異徑管內(nèi)外螺紋管接頭內(nèi)外螺紋管接頭5.5.堵塞管路的管件堵塞管路的管件管帽管帽法蘭蓋法蘭蓋三三. . 閥件（調(diào)節(jié)流量）閥件（調(diào)節(jié)流量）旋塞閥旋塞閥閘閥閘閥截止閥截止閥絲堵絲堵止回閥止回閥球閥球閥安全閥安全閥四、管路的連接四、管路的連接螺紋連接螺紋連接法蘭連接法蘭連接焊接焊接承插連接承插連接五五. . 管路的熱補(bǔ)償管路的熱補(bǔ)償波形熱補(bǔ)償波形熱補(bǔ)償波形熱補(bǔ)償波形熱補(bǔ)償、填料函式補(bǔ)償填料函式補(bǔ)償六六. . 管路的保溫和涂色管路的

53、保溫和涂色保溫保溫涂色涂色保溫保溫例：氫氣：深綠色例：氫氣：深綠色 氧氣：天藍(lán)色氧氣：天藍(lán)色 氯氣：草綠色氯氣：草綠色1.4.5 流體流動的阻力流體流動的阻力一、流體阻力產(chǎn)生的原因一、流體阻力產(chǎn)生的原因根源：根源：內(nèi)摩擦力、流體流動狀況內(nèi)摩擦力、流體流動狀況條件：條件：流體內(nèi)部發(fā)生相對運動流體內(nèi)部發(fā)生相對運動阻力大小的影響因素：阻力大小的影響因素：物性、壁面的大小、流動狀況物性、壁面的大小、流動狀況 二、流體阻力的分類二、流體阻力的分類直管阻力：直管阻力：流體流經(jīng)流體流經(jīng)直管直管所產(chǎn)生的阻力。所產(chǎn)生的阻力。局部阻力：局部阻力：流體流經(jīng)流體流經(jīng)管件管件或或閥門閥門及及進(jìn)出口進(jìn)出口時時 由于受到局

54、部阻礙而產(chǎn)生的阻力由于受到局部阻礙而產(chǎn)生的阻力總能量損失總能量損失 =當(dāng)流體流經(jīng)當(dāng)流體流經(jīng)等徑管等徑管時：時：()()+RR直管局部1212()()PPRz gz g當(dāng)流體流經(jīng)當(dāng)流體流經(jīng)水平等徑管水平等徑管時：時：12=PPPR 三、直管阻力三、直管阻力1、層流時的直管阻力、層流時的直管阻力當(dāng)層流時，根據(jù)哈根當(dāng)層流時，根據(jù)哈根-泊稷葉方程：泊稷葉方程：令令 （為摩擦系數(shù)，無單位為摩擦系數(shù)，無單位）則則 -范寧公式范寧公式232 luPd2264642Re2PluluRdudd（直管）64Re22luRd直管單位：單位：J/Kg壓頭損失壓頭損失2f =2直 管l uHd g m壓力損失壓力損失2

55、2udlP直管Pa其它形式：其它形式： 2、湍流和過渡流時的直管阻力湍流和過渡流時的直管阻力22luRd直管(Re, )f查表-絕對粗糙度絕對粗糙度與與ReRe的函數(shù)關(guān)系的函數(shù)關(guān)系光滑管：玻璃管、有色金屬管、塑料管等；光滑管：玻璃管、有色金屬管、塑料管等；粗糙管粗糙管: : 鑄鐵管、鋼管、水泥管等鑄鐵管、鋼管、水泥管等 課本課本P29圖圖1-29 3、管壁粗糙度對管壁粗糙度對的影響的影響（1）粗糙度）粗糙度 絕對粗糙度：絕對粗糙度： 相對粗糙度：相對粗糙度：/d (2)粗糙度對粗糙度對的影響的影響a、層流時、層流時 =f（Re）對對無影響無影響b、湍流時、湍流時 若若b，=f（Re） b層流底

56、層層流底層 4、經(jīng)驗公式計算經(jīng)驗公式計算（1）對于光滑管）對于光滑管0.250.3164Re-伯拉修斯公式伯拉修斯公式適用范圍：適用范圍：2.5103 Re 105 (2)對于湍流區(qū)的光滑管、粗糙管、直至完全湍流區(qū)，對于湍流區(qū)的光滑管、粗糙管、直至完全湍流區(qū)，皆適用皆適用a、考萊布魯克公式、考萊布魯克公式b、哈蘭德公式、哈蘭德公式1218.71.742lg()Red1.111/6.91.8lg()3.7Red 當(dāng)量直徑：當(dāng)量直徑： LAd44潤濕周邊流通截面積當(dāng) 套管環(huán)隙，內(nèi)管的外徑為套管環(huán)隙，內(nèi)管的外徑為d1，外管的內(nèi)徑為，外管的內(nèi)徑為d2 :1212212244ddddddd當(dāng) 邊長分別為

57、邊長分別為a、b的矩形管的矩形管 :baabbaabd2)(24當(dāng)四、四、非圓形管非圓形管的直管阻力的直管阻力【 習(xí) 題【 習(xí) 題 1 - 1 6 】 套 管 換 熱 器 由 無 縫 鋼 管套 管 換 熱 器 由 無 縫 鋼 管25mm2.5mm和和76mm3mm組成，今有組成，今有50，流量為流量為2000kg/h的水在套管環(huán)隙中流過，試判斷的水在套管環(huán)隙中流過，試判斷水的流動類型。水的流動類型。外內(nèi)外內(nèi)外內(nèi)當(dāng)dDdDdDd2244ud當(dāng)Re解：解：當(dāng)量直徑：當(dāng)量直徑： LAd44潤濕周邊流通截面積當(dāng) 【例題【例題1-17】 分別計算在下列情況時，流體流過分別計算在下列情況時，流體流過100

58、m直管的直管的損失能量和壓力降。損失能量和壓力降。 2098%的硫酸在內(nèi)徑為的硫酸在內(nèi)徑為50mm的鉛管內(nèi)流動，流速的鉛管內(nèi)流動，流速u=0.5m/s，硫酸密度為，硫酸密度為1830kg/m3，黏度為，黏度為23mNs/m2。解：解：a.判斷流動形態(tài)判斷流動形態(tài) b.摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) 20的水在內(nèi)徑為的水在內(nèi)徑為68mm的鋼管中流動，流速的鋼管中流動，流速u=2m/s。duReRe64（Re2000）22udlR直管c.求直管阻力求直管阻力直管直管Rpb.摩擦系數(shù)（查表）摩擦系數(shù)（查表）Re4000a.判斷流動形態(tài)判斷流動形態(tài)22udlR直管c.求直管阻力求直管阻力直管直管RP 五、五、 流體

59、流動局部阻力的計算流體流動局部阻力的計算 兩種方法：當(dāng)量長度法、阻力系數(shù)法兩種方法：當(dāng)量長度法、阻力系數(shù)法1 1、當(dāng)量長度法、當(dāng)量長度法 將流體流經(jīng)將流體流經(jīng)管道或閥門管道或閥門所產(chǎn)生的局部阻力所產(chǎn)生的局部阻力折合折合成成相當(dāng)于相當(dāng)于同直徑同直徑一定長度直管所產(chǎn)生的阻力，此一定長度直管所產(chǎn)生的阻力，此折合的直管長度稱為折合的直管長度稱為當(dāng)量長度當(dāng)量長度，用符號，用符號 表示表示。即：。即： 22eudlR（局部）elJ/kg 書書P31表表1-3 例如，例如，45標(biāo)準(zhǔn)彎頭的值為標(biāo)準(zhǔn)彎頭的值為17，如這種彎頭配置在，如這種彎頭配置在1084mm的管路上，則它的的管路上，則它的當(dāng)量長度當(dāng)量長度17

60、(108-24)1700mm1.7 m。各種管件、閥門及流量計等以管徑計的當(dāng)量長度各種管件、閥門及流量計等以管徑計的當(dāng)量長度 2 2、阻力系數(shù)法、阻力系數(shù)法 阻力系數(shù)法近似地認(rèn)為局部阻力損失服從速度平方定律，阻力系數(shù)法近似地認(rèn)為局部阻力損失服從速度平方定律，即即 22uR（局部）-局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù)（一般管子入口（一般管子入口=0.5，管子出口，管子出口=1）J/kg書書P31表表1-3六、六、 流體在管內(nèi)流動的流體在管內(nèi)流動的總阻力損失計算總阻力損失計算 管路系統(tǒng)的總阻力包括了所取兩截管路系統(tǒng)的總阻力包括了所取兩截面間的全部直管阻力和所有局部阻力面間的全部直管阻力和所有局部阻力之和，即