化工基礎(chǔ)流體的流動(dòng)和輸送

1、復(fù)復(fù) 習(xí)習(xí)化工生產(chǎn)過(guò)程是由一系列的化工生產(chǎn)過(guò)程是由一系列的_按一定的順序所組成，在這按一定的順序所組成，在這些單元中，有的主要是些單元中，有的主要是_作用作用, ,有的主要是有的主要是_變化。主變化。主要是要是_或或_的單元可歸納為傳遞過(guò)程。的單元可歸納為傳遞過(guò)程。化學(xué)工程中的傳遞過(guò)程包括化學(xué)工程中的傳遞過(guò)程包括_、_和和_。單元單元物理物理化學(xué)化學(xué)物理作用物理作用物理化學(xué)作用物理化學(xué)作用動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞熱量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞化工生產(chǎn)中所處理的物料大多數(shù)或絕大多數(shù)是流體，化工生產(chǎn)中所處理的物料大多數(shù)或絕大多數(shù)是流體，流體的流動(dòng)和輸流體的流動(dòng)和輸送在化工生產(chǎn)中占有非常重要的地位送在化工

2、生產(chǎn)中占有非常重要的地位,是必不可少的單元操作之一是必不可少的單元操作之一.第二章第二章 流體的流動(dòng)和輸送流體的流動(dòng)和輸送動(dòng)量傳遞過(guò)程動(dòng)量傳遞過(guò)程momentum transfer process研究的任務(wù)：研究的任務(wù)：管徑選擇過(guò)小，流體因流動(dòng)而消耗的能量會(huì)顯著增大，有時(shí)還因此達(dá)不到要求的流量；過(guò)大，將提高基建費(fèi)用（1）確定輸送流體所需要的能量和設(shè)備）確定輸送流體所需要的能量和設(shè)備（2）選擇輸送流體所需的管徑）選擇輸送流體所需的管徑（3）流體流量的測(cè)量和控制）流體流量的測(cè)量和控制（4）研究流體的流動(dòng)形態(tài)和條件，作為強(qiáng)化設(shè)備和操作的依據(jù)）研究流體的流動(dòng)形態(tài)和條件，作為強(qiáng)化設(shè)備和操作的依據(jù)教學(xué)目的

3、：教學(xué)目的：重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)難點(diǎn)：掌握流體有關(guān)的物理性質(zhì)和流體靜力學(xué)方程掌握流體有關(guān)的物理性質(zhì)和流體靜力學(xué)方程流體的壓強(qiáng)流體的壓強(qiáng)流體的流速和流量流體的流速和流量流體的粘度流體的粘度流體靜力學(xué)方程及其應(yīng)用流體靜力學(xué)方程及其應(yīng)用2.1.1 理想流體和實(shí)際流體理想流體和實(shí)際流體不具有粘度，因而流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生摩擦阻力的流體。不具有粘度，因而流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生摩擦阻力的流體。2.1 2.1 流體的基本概念及性質(zhì)流體的基本概念及性質(zhì)流體流體(fluid)沒(méi)有固定形狀沒(méi)有固定形狀, 能夠自由流動(dòng)能夠自由流動(dòng)理想流體：理想流體：理想液體：不可壓縮，受熱不膨脹理想液體：不可壓縮，受熱不膨脹理想氣體：流動(dòng)時(shí)沒(méi)有摩擦阻力的

4、氣體理想氣體：流動(dòng)時(shí)沒(méi)有摩擦阻力的氣體fluid 流體力學(xué)流體力學(xué)(fluid mechanics)(fluid mechanics)流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)(hydrostatic)(hydrostatic)流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)(hydrodynamic)(hydrodynamic)實(shí)際液體的可壓縮性很小，熱膨脹系數(shù)也不大，但在流動(dòng)實(shí)際液體的可壓縮性很小，熱膨脹系數(shù)也不大，但在流動(dòng)時(shí)具有較大的摩擦阻力。時(shí)具有較大的摩擦阻力。理想氣體方程式：理想氣體方程式：以當(dāng)時(shí)條件與標(biāo)準(zhǔn)條件對(duì)比時(shí)：以當(dāng)時(shí)條件與標(biāo)準(zhǔn)條件對(duì)比時(shí)：pV = nRT = RTmMpVp0V0TT0=P是壓力是壓力,V是氣體所占是氣體所

5、占體積體積,n是是摩爾摩爾數(shù)數(shù),R是理想氣體常數(shù)是理想氣體常數(shù),T是溫度是溫度 密度密度(density)(density): :是指單位體積物料所具有的質(zhì)量是指單位體積物料所具有的質(zhì)量, ,單位單位3mkgVm液體混合物密度的計(jì)算：液體混合物密度的計(jì)算：以1kg混合物為基準(zhǔn)nnBBAAmV.1混合物中各組分的質(zhì)量分率混合物中各組分的質(zhì)量分率液體混合物中各組分的密度液體混合物中各組分的密度NoteNote: 忽略體積效應(yīng)忽略體積效應(yīng)2.1.2 流體的基本性質(zhì)流體的基本性質(zhì)注注: 流體的密度是流體的密度是溫度溫度和和壓力壓力的函數(shù)的函數(shù)氣體混合物密度的計(jì)算：氣體混合物密度的計(jì)算：當(dāng)當(dāng)p不太高不太

6、高,T不太低時(shí)不太低時(shí),可按理想氣體處理可按理想氣體處理RTpMmmMm 氣體平均分子量，氣體平均分子量，nnBBAAmyMyMyMM.或或: :nnm2211由于各組分在混合前后質(zhì)量不變，以由于各組分在混合前后質(zhì)量不變，以1m3混合氣體為基準(zhǔn)混合氣體為基準(zhǔn) 氣體混合物中各組分的體積分率。氣體混合物中各組分的體積分率。 n21,在氣體混合物的壓力下各純組分的密度，在氣體混合物的壓力下各純組分的密度，kg/m3。 n21,理想氣體方程式比容比容：比體積：比體積(specific volume)(specific volume)， 是指單位質(zhì)量物料所具有的體積。是指單位質(zhì)量物料所具有的體積。mV1

7、13kgm單位：?jiǎn)挝唬簤簭?qiáng)壓強(qiáng)( (pressure):):物體單位面積上所受到的流體物體單位面積上所受到的流體垂直垂直作用力。作用力。壓強(qiáng)的單位：壓強(qiáng)的單位：國(guó)際單位制國(guó)際單位制 Pa物理學(xué)物理學(xué)(cgs制制) atm、mmHg、mH2O等。工程單位制工程單位制 千克(力)/厘米2(kgfcm-2)工程大氣壓（atm）工程技術(shù)上習(xí)用工程技術(shù)上習(xí)用:8:8公斤蒸汽，是指公斤蒸汽，是指8 kgf8 kgfcmcm-2-2( (表壓表壓) )的飽和蒸汽；的飽和蒸汽； 反應(yīng)釜有反應(yīng)釜有5 5公斤壓強(qiáng)，指公斤壓強(qiáng)，指5 kgf5 kgfcmcm-2-2( (表壓表壓) )的壓強(qiáng)。的壓強(qiáng)。壓強(qiáng)的單位換算

8、壓強(qiáng)的單位換算:1atm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgfcm-21mmHg=0.133kPa 1mH2O=9.81kPa1kgfcm-2=98.1kPa 1bar=100kPa液柱2.1.3 流體的壓力及其測(cè)量流體的壓力及其測(cè)量以液柱表示壓強(qiáng)：AhPaghAghAAmgAFpgPhm液柱液柱NoteNote： h即為該流體在壓力p作用下能上升的高度； 同一p值,因不同流體的密度不同,其h值也不同， 用液柱高度表示流體的壓力時(shí)，必須注明是何種流體何種流體， 必要時(shí)還應(yīng)注明溫度以確定流體的密度。ghghpBBAA壓強(qiáng)的基準(zhǔn)壓強(qiáng)的基準(zhǔn)絕對(duì)壓絕對(duì)壓(absolu

9、te pressure):(absolute pressure): 以以絕對(duì)零壓絕對(duì)零壓為起點(diǎn)的壓強(qiáng)稱為絕對(duì)壓強(qiáng)。為起點(diǎn)的壓強(qiáng)稱為絕對(duì)壓強(qiáng)。表壓表壓(super atmospheric pressure):(super atmospheric pressure): 以以當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮寒?dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮簽槠瘘c(diǎn)的壓強(qiáng)。為起點(diǎn)的壓強(qiáng)。真空度真空度(degree of vacuum)(degree of vacuum)： 低于當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮旱倪@部分壓強(qiáng)。低于當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮旱倪@部分壓強(qiáng)。絕對(duì)零壓線當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮?1.0 atm)p1(1200mmHg)絕對(duì)壓絕對(duì)壓表壓表壓絕對(duì)壓絕對(duì)壓真空度真空度p2(500

10、mmHg)絕對(duì)壓絕對(duì)壓 = = 當(dāng)時(shí)大氣壓當(dāng)時(shí)大氣壓 + + 表壓表壓 = = 當(dāng)時(shí)大氣壓當(dāng)時(shí)大氣壓 - - 真空度真空度測(cè)壓儀表測(cè)壓儀表機(jī)械式的壓力表機(jī)械式的壓力表應(yīng)用流體靜力學(xué)原理的壓力計(jì)應(yīng)用流體靜力學(xué)原理的壓力計(jì)（1）彈簧管壓力表）彈簧管壓力表（測(cè)表壓測(cè)表壓） 測(cè)量時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)壓力大于大氣壓時(shí)，金屬?gòu)椈晒苁軌鹤冃味鞆垼瑴y(cè)量時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)壓力大于大氣壓時(shí)，金屬?gòu)椈晒苁軌鹤冃味鞆?，變形的大小與關(guān)內(nèi)所受的壓力成正比。從而帶動(dòng)撥桿撥動(dòng)齒輪，隨之使變形的大小與關(guān)內(nèi)所受的壓力成正比。從而帶動(dòng)撥桿撥動(dòng)齒輪，隨之使指針移動(dòng)，在刻度盤(pán)上指出被測(cè)量系統(tǒng)的壓力。指針移動(dòng)，在刻度盤(pán)上指出被測(cè)量系統(tǒng)的壓力。表表 壓

11、壓管中盛有與測(cè)量流體不互溶的、密度為管中盛有與測(cè)量流體不互溶的、密度為i的指示液。的指示液。U形管的形管的兩側(cè)管分別聯(lián)接到被測(cè)系統(tǒng)的兩點(diǎn)。兩側(cè)管分別聯(lián)接到被測(cè)系統(tǒng)的兩點(diǎn)。 隨測(cè)量的壓力差不同，隨測(cè)量的壓力差不同，U形管中指示液顯示不同的高度差。形管中指示液顯示不同的高度差。當(dāng)被測(cè)的系統(tǒng)中存在的是氣體時(shí)，由于當(dāng)被測(cè)的系統(tǒng)中存在的是氣體時(shí)，由于 i，所以，所以 p = i g Rp1p2 i Z1Z2RA BZ22gZRggZppiA)(21ZRggZppiB選取等壓面選取等壓面A、B：BApp Rgpppi)(12（2 2）U U型管壓強(qiáng)計(jì)型管壓強(qiáng)計(jì) 應(yīng)用流體靜力學(xué)原理的壓強(qiáng)計(jì)應(yīng)用流體靜力學(xué)原理

12、的壓強(qiáng)計(jì)倒置倒置U型管壓力計(jì)型管壓力計(jì)p1p2R以以被測(cè)液體被測(cè)液體作為指示液，液體作為指示液，液體的上方充滿空氣，空氣的進(jìn)出的上方充滿空氣，空氣的進(jìn)出可通過(guò)頂端的旋塞來(lái)調(diào)節(jié)?？赏ㄟ^(guò)頂端的旋塞來(lái)調(diào)節(jié)。（3）微差壓力計(jì)（）微差壓力計(jì)（測(cè)壓力差測(cè)壓力差） 主要用于氣體系統(tǒng)的測(cè)量主要用于氣體系統(tǒng)的測(cè)量 U形管的兩側(cè)管的頂端增設(shè)兩個(gè)小擴(kuò)大室，其內(nèi)徑形管的兩側(cè)管的頂端增設(shè)兩個(gè)小擴(kuò)大室，其內(nèi)徑與與U形管的內(nèi)徑之比形管的內(nèi)徑之比 10，其，其中盛放兩種密度相近，并中盛放兩種密度相近，并互不相溶的而有明顯分界面的液體，如液體石蠟互不相溶的而有明顯分界面的液體，如液體石蠟 酒精，酒精，水水 四氯化碳等。四氯化碳

13、等。 （要求指示液與被測(cè)流體互不相溶要求指示液與被測(cè)流體互不相溶。）。）p2 p1 = p = (i i) gRNote: 兩指示液的密度相差越小，測(cè)量的靈敏度越高。兩指示液的密度相差越小，測(cè)量的靈敏度越高。 i i,p2p1R例：微差壓力計(jì)中輕指示液為苯甲醇，密度為例：微差壓力計(jì)中輕指示液為苯甲醇，密度為1048 kgm-3, 重指示液為氯化鈣溶液，密度為重指示液為氯化鈣溶液，密度為1400 kgm-3。若將氯化鈣。若將氯化鈣溶液密度調(diào)整為溶液密度調(diào)整為1200 kgm-3，問(wèn)測(cè)量靈敏度提高多少？，問(wèn)測(cè)量靈敏度提高多少？解：微差壓力計(jì)的測(cè)壓公式為：解：微差壓力計(jì)的測(cè)壓公式為： p = (i

14、i) gR當(dāng)當(dāng) p不變時(shí)，調(diào)整前后的讀數(shù)變化為：不變時(shí)，調(diào)整前后的讀數(shù)變化為：R2 = R11.400 - 1.0481.200 - 1.048= 2.32 R1即靈敏度為原來(lái)的即靈敏度為原來(lái)的 2.32 倍。倍。體積流量體積流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的體積，：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的體積， 稱為體積流量，稱為體積流量， q v 流量流量(flow,flux)體積流量體積流量(volume flow rate)質(zhì)量流量質(zhì)量流量(mass flow rate)質(zhì)量流量質(zhì)量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的質(zhì)量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的質(zhì)量， 稱為質(zhì)量

15、流量，稱為質(zhì)量流量， q m（m3s-1）。（kgs-1）。q m = q v 摩爾流量摩爾流量:單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的物質(zhì)的量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的物質(zhì)的量， 稱為摩爾流量，稱為摩爾流量，qn(mol.s-1) 摩爾流量摩爾流量(molar flow rate)2.1.4 流量和流速流量和流速流流 速速 (velocity of flow) 點(diǎn)速度點(diǎn)速度(spot speed)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上通 過(guò)的距離，v r（mS-1） 平均流速平均流速(average flow rate)：v= q v /A（ms-1）= 4 q v / d 2 質(zhì)量流速

16、質(zhì)量流速: 單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量，單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量， kg.s-1.m-2vAqm/21表表2-2 工業(yè)上管內(nèi)流體常用的流速范圍工業(yè)上管內(nèi)流體常用的流速范圍流動(dòng)介質(zhì)流動(dòng)介質(zhì)流速流速(ms-1)液液體體自然流動(dòng)自然流動(dòng)粘性流體（油類、硫酸等）粘性流體（油類、硫酸等）一般液體一般液體0.11.00.51.00.5 2.5氣氣體體自然流動(dòng)自然流動(dòng)不大的壓強(qiáng)下不大的壓強(qiáng)下(鼓風(fēng)機(jī)管路鼓風(fēng)機(jī)管路)壓縮氣體壓縮氣體2 48 151525蒸蒸汽汽常壓和略高于常壓的飽和蒸汽常壓和略高于常壓的飽和蒸汽0.1 0.5MPa(表壓表壓)飽和水蒸汽飽和水蒸汽15 2520 40

17、 化工廠中，管道材料在全部材料費(fèi)中占相當(dāng)?shù)谋戎?。選化工廠中，管道材料在全部材料費(fèi)中占相當(dāng)?shù)谋戎?。選用較小管徑固然有利于降低基建費(fèi)用，但在一定的流量條件用較小管徑固然有利于降低基建費(fèi)用，但在一定的流量條件下，管徑越小，流動(dòng)阻力也隨之增大，能耗也將相應(yīng)增大。下，管徑越小，流動(dòng)阻力也隨之增大，能耗也將相應(yīng)增大。因此，合理的管徑應(yīng)綜合多方面因素來(lái)確定。因此，合理的管徑應(yīng)綜合多方面因素來(lái)確定。管徑的初選管徑的初選不是外徑，也不是內(nèi)徑，而是近似普通鋼管不是外徑，也不是內(nèi)徑，而是近似普通鋼管內(nèi)徑內(nèi)徑的一個(gè)名的一個(gè)名義尺寸。每一公稱直徑，對(duì)應(yīng)一個(gè)外徑，其內(nèi)徑數(shù)值隨厚義尺寸。每一公稱直徑，對(duì)應(yīng)一個(gè)外徑，其內(nèi)徑數(shù)

18、值隨厚度不同而不同。度不同而不同。 公稱直徑公稱直徑 Dg: 指標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)直徑。指標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)直徑。 代表螺紋尺寸的直徑，通常指螺紋大徑的基代表螺紋尺寸的直徑，通常指螺紋大徑的基 本尺寸。本尺寸。 無(wú)縫鋼管、銅管、塑料管：外徑無(wú)縫鋼管、銅管、塑料管：外徑規(guī)格規(guī)格鑄鐵管：內(nèi)徑鑄鐵管：內(nèi)徑管徑的計(jì)算管徑的計(jì)算 q V是由生產(chǎn)是由生產(chǎn)任務(wù)決定的任務(wù)決定的vd材料費(fèi)用設(shè)備費(fèi)用阻力能量消耗操作費(fèi)用優(yōu)化優(yōu)化：兩者之和兩者之和最小最小vqdv4 一般條件下，可根據(jù)選用的一般條件下，可根據(jù)選用的流速流速來(lái)對(duì)管徑進(jìn)行初步選擇，來(lái)對(duì)管徑進(jìn)行初步選擇，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多方面的評(píng)比來(lái)確定使用的管徑。再在此基

19、礎(chǔ)上進(jìn)行多方面的評(píng)比來(lái)確定使用的管徑。v= 4 q v / d 2 表表2-3 水管、煤氣管的規(guī)格水管、煤氣管的規(guī)格公稱口徑公稱口徑 Dg外徑外徑mm普通管壁厚普通管壁厚mm加厚管壁厚加厚管壁厚mmmm1015202532401251501721.2526.7533.542.25481401652.252.752.753.253.253.54.54.52.753.253.5444.255.55.5ab mm外徑壁厚a2bd(m)1000例：例： 20 C的水經(jīng)管道輸送，每小時(shí)輸送的水經(jīng)管道輸送，每小時(shí)輸送72噸。試對(duì)出水管噸。試對(duì)出水管 管徑進(jìn)行初選。管徑進(jìn)行初選。解：解： 20 C水的密度為

20、：水的密度為： = 998.2 1000 kgm-3水的體積流量為：水的體積流量為：qv =qm=72 x 100060 x 60 x 1000= 0.02 m3s-1按常用流速范圍，選擇流速為按常用流速范圍，選擇流速為1.5 ms-1，求得管徑：，求得管徑：流速與流量的關(guān)系式為：流速與流量的關(guān)系式為：根據(jù)水管、煤氣管的規(guī)格，可選用根據(jù)水管、煤氣管的規(guī)格，可選用Dg125普通管普通管（外徑（外徑140 mm,內(nèi)徑內(nèi)徑131 mm）。）。4vqvd = =0.020.785 1.5= 0.13 mv = qv / A = qv /(d/2)2流體流動(dòng)的系統(tǒng)中，任一截面流體流動(dòng)的系統(tǒng)中，任一截面上

21、流體的流速、壓力、密度等上流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改變，有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改變，但但進(jìn)水進(jìn)水溢溢流流 =NOTE：連續(xù)操作連續(xù)操作的化工生產(chǎn)中大多數(shù)流動(dòng)屬于定態(tài)流動(dòng)。的化工生產(chǎn)中大多數(shù)流動(dòng)屬于定態(tài)流動(dòng)。恒位槽恒位槽隨時(shí)間而改變隨時(shí)間而改變?？瞻卓瞻卓瞻卓瞻?.1.5 2.1.5 定態(tài)流動(dòng)和非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)和非定態(tài)流動(dòng)=f(t)流動(dòng)過(guò)程中任一流動(dòng)過(guò)程中任一 截面上流體的截面上流體的性質(zhì)（如密度、粘度等）和流性質(zhì)（如密度、粘度等）和流動(dòng)參數(shù)（如流速、壓強(qiáng)等）動(dòng)參數(shù)（如流速、壓強(qiáng)等）隨隨時(shí)間而改變時(shí)間而改變。NOTE:NOTE:非定態(tài)流動(dòng)時(shí)，若流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間呈規(guī)律性的變非定態(tài)

22、流動(dòng)時(shí)，若流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間呈規(guī)律性的變化，在求算時(shí)用化，在求算時(shí)用微分微分式子表達(dá)，用式子表達(dá)，用積分積分法求解。法求解。2.2.1 流體定態(tài)流動(dòng)時(shí)的物料衡算流體定態(tài)流動(dòng)時(shí)的物料衡算 連續(xù)性方程連續(xù)性方程依據(jù)依據(jù)：質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律前提前提：1、充滿導(dǎo)管作定態(tài)流動(dòng)、充滿導(dǎo)管作定態(tài)流動(dòng) 2、沒(méi)有累積或泄漏、沒(méi)有累積或泄漏截面1截面2qm1=qm2 （流體流動(dòng)的連續(xù)性方程）（流體流動(dòng)的連續(xù)性方程）2.2 流體定態(tài)流動(dòng)時(shí)的衡算流體定態(tài)流動(dòng)時(shí)的衡算導(dǎo)出導(dǎo)出： 分支管路分支管路：總管中的：總管中的質(zhì)量流量為各支管質(zhì)質(zhì)量流量為各支管質(zhì)量流量之和。量流量之和。q m=q v =A1 v A1 v1 1

23、=A2 v2 2對(duì)不可壓縮性流體：對(duì)不可壓縮性流體： 1 = 2總管總管支管支管1支管支管2（圓管）（圓管）21221221ddAAvv123b3amm8142891d312219 101.75m/s0.7850.0814Vqvdmm100421082d22121281()1.75()1.15m/s100dvvd解：解： 管1的內(nèi)徑為則水在管1中的流速為 管2的內(nèi)徑為則水在管2中的流速為 22332v Av A2222331.15 100()()2.30m/s2250vdvd又水在分支管路3a、3b中的流量相等，則有 即水在管3a和3b中的流速為 管3a及3b的內(nèi)徑為 mm505 . 3257

24、3d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、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。連接而成。若水以若水以910-3 m3/s 的體積流量流動(dòng)，且在兩段分支管內(nèi)的流量的體積流量流動(dòng)，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。2.2.2 流體定態(tài)流動(dòng)時(shí)的能量衡算流體定態(tài)流動(dòng)時(shí)的能量衡算v流體流動(dòng)時(shí)所具有的機(jī)械能機(jī)械能：E動(dòng)動(dòng)=1/2 mv2E位位=mgH1）位能）位能(potential energy):J2）動(dòng)能）動(dòng)能(energy of motion):J3）

25、靜壓能）靜壓能(static energy):J質(zhì)量為質(zhì)量為m m、體積為、體積為V V1 1的流體，通過(guò)的流體，通過(guò)1 1截面所需的作用力截面所需的作用力F=PF=P1 1A A1 1，流體推，流體推入管內(nèi)所走的距離入管內(nèi)所走的距離s=Vs=V1 1/A/A1 1，故與此，故與此功相當(dāng)?shù)撵o壓能功相當(dāng)?shù)撵o壓能111111111mpVpAVAp1111pmVp1kg的流體所具有的靜壓能為的流體所具有的靜壓能為 ，其單位為，其單位為J/kg。1 靜壓能靜壓能 = FS = p是流體內(nèi)部大量分子運(yùn)動(dòng)所具有的內(nèi)動(dòng)能和分子間相互作是流體內(nèi)部大量分子運(yùn)動(dòng)所具有的內(nèi)動(dòng)能和分子間相互作用力而形成的內(nèi)位能的總和

26、。用力而形成的內(nèi)位能的總和。內(nèi)能數(shù)值的大小隨流體的溫度和比容的變化而變化。內(nèi)能數(shù)值的大小隨流體的溫度和比容的變化而變化。v內(nèi)能（內(nèi)能（internal energy）理想流體理想流體(ideal fluid)(ideal fluid)： 是指不具有粘度，因而流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)是指不具有粘度，因而流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生摩擦阻力的流體。生摩擦阻力的流體。理想液體：不可壓縮、受熱不膨脹理想液體：不可壓縮、受熱不膨脹理想氣體：符合理想氣體方程理想氣體：符合理想氣體方程 pV=nRTpV=nRT1、理想流體流動(dòng)的能量衡算、理想流體流動(dòng)的能量衡算若流動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒(méi)有變化，則理想若流動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有熱量輸入

27、，其溫度和內(nèi)能沒(méi)有變化，則理想流體流動(dòng)時(shí)的能量衡算可以只考慮機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。流體流動(dòng)時(shí)的能量衡算可以只考慮機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)連續(xù)性方程：根據(jù)連續(xù)性方程： m1 = m2理想流體的柏努利理想流體的柏努利(Bernoulli)方程方程22221222111211112121mpvmgHmmpvmgHm221212112121pvgHpvgHJJJJkgkg-1-1 mm液柱液柱 對(duì)于不可壓縮性流體：對(duì)于不可壓縮性流體： 1= 21Hgv221gp12Hgv222gp2截面1截面2依據(jù)：依據(jù)：能量守恒定律能量守恒定律E1=E2理想流體理想流體 工程上將工程上將單位重力單位重力的流體所具

28、有的各種形式的能量統(tǒng)稱的流體所具有的各種形式的能量統(tǒng)稱 為為壓頭壓頭(head)。H位壓頭位壓頭(potential head)；v2/2g動(dòng)壓頭動(dòng)壓頭(dynamic head)；p/ g靜壓頭靜壓頭(static head)E/mg1Hgv221gp12Hgv222gp2vBernoulli方程的物理方程的物理意義意義 1、理想流體在導(dǎo)管中作定態(tài)流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)管任一截面的總能理想流體在導(dǎo)管中作定態(tài)流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)管任一截面的總能量或總壓頭為一常數(shù)。量或總壓頭為一常數(shù)。 2、能量在不同形式間可以相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)某一形式的壓頭的數(shù)能量在不同形式間可以相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)某一形式的壓頭的數(shù)值因條件而發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)地

29、引起其他壓頭的數(shù)值的變化。值因條件而發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)地引起其他壓頭的數(shù)值的變化。結(jié)論結(jié)論：流體的流動(dòng)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是流體的流動(dòng)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程。 流體得以流動(dòng)的必要條件是系統(tǒng)兩端有流體得以流動(dòng)的必要條件是系統(tǒng)兩端有壓強(qiáng)差壓強(qiáng)差或或位差位差。2、實(shí)際流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算、實(shí)際流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算實(shí)際流體的實(shí)際流體的Bernoulli方程方程實(shí)際流體與理想流體的主要區(qū)別：實(shí)際流體與理想流體的主要區(qū)別：？實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)存在摩擦阻力實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)存在摩擦阻力1Hgv221gp12Hgv222gp2HfHeH f每牛頓流體流動(dòng)時(shí)因阻力而消耗的能量，單位每牛頓流體流動(dòng)時(shí)因阻力而消耗

30、的能量，單位m外界加于每牛頓流體的能量，單位外界加于每牛頓流體的能量，單位mHe3 3、BernoulliBernoulli方程的應(yīng)用方程的應(yīng)用vBernoulli方程在工程上用以計(jì)算流體的流速流速或流量流量、流體流體輸送所需的壓頭輸送所需的壓頭和功率功率以及有關(guān)流體流動(dòng)方面的問(wèn)題。1、作圖：、作圖：根據(jù)題意畫(huà)出示意圖，注明有關(guān)參數(shù)；根據(jù)題意畫(huà)出示意圖，注明有關(guān)參數(shù)；2、選截面：、選截面：正確選取截面，以確定衡算范圍；正確選取截面，以確定衡算范圍； NOTENOTE：截面選取必須具備的條件：截面選取必須具備的條件： 與流體流動(dòng)方向垂直；與流體流動(dòng)方向垂直；兩截面間的流體是連續(xù)的；兩截面間的流體

31、是連續(xù)的；截面應(yīng)包括題目所給的已知和未知條件截面應(yīng)包括題目所給的已知和未知條件3、選基準(zhǔn)水平面：、選基準(zhǔn)水平面：任意選取，但常將它與一個(gè)截面重合，計(jì)算方便。任意選取，但常將它與一個(gè)截面重合，計(jì)算方便。若截面不是水平面，則以中心線進(jìn)行計(jì)算。若截面不是水平面，則以中心線進(jìn)行計(jì)算。4、單位要一致：、單位要一致：統(tǒng)一使用統(tǒng)一使用SI單位；壓強(qiáng)的表示方法要一致。單位；壓強(qiáng)的表示方法要一致。例例1 容器間相對(duì)位置的計(jì)算容器間相對(duì)位置的計(jì)算從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽中液位恒定，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。送液管高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液管為為45452.5mm

32、2.5mm的鋼管，要求送液量為的鋼管，要求送液量為3.6m3.6m3 3/h/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 1.2m （不包括出口能量損失），試問(wèn)高位槽的（不包括出口能量損失），試問(wèn)高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？液位要高出進(jìn)料口多少米？fehgpgvhHgpgvh2222121122？110smv1222796. 004. 0785. 036006 . 34smdqvV p1=0 Pa（表壓）；（表壓）；p2=0 Pa（表壓）（表壓） 例例2 2 送料用壓縮空氣壓力的確定送料用壓縮空氣壓力的確定某車間用壓縮空氣送某車間用壓縮空氣送2020的濃硫酸。的濃硫酸。

33、要求輸送量為要求輸送量為0.036m0.036m3 3.min.min-1-1，管徑為，管徑為3838 3mm3mm，設(shè)濃硫酸流經(jīng)全部管路的，設(shè)濃硫酸流經(jīng)全部管路的能量損失為能量損失為1.22J.N1.22J.N-1-1（不包括出口的（不包括出口的能量損失），試求壓縮空氣的壓力為能量損失），試求壓縮空氣的壓力為多少？多少？15m1122壓縮空氣壓縮空氣110smvfehgpgvhHgpgvh2222121122？習(xí)題習(xí)題 流體輸送設(shè)備所需功率的計(jì)算流體輸送設(shè)備所需功率的計(jì)算習(xí)題習(xí)題用泵將堿液槽中的堿液抽往吸收塔頂，經(jīng)噴頭噴出作吸收劑用。堿池中堿用泵將堿液槽中的堿液抽往吸收塔頂，經(jīng)噴頭噴出作吸收

34、劑用。堿池中堿液深度為液深度為1.5m,噴頭的垂直距離為噴頭的垂直距離為16m，泵的汲入管為，泵的汲入管為Dg70 “，壓出管為，壓出管為Dg50 “。堿液在噴頭口前的靜壓強(qiáng)按壓力指示表為。堿液在噴頭口前的靜壓強(qiáng)按壓力指示表為0.3kgfcm-2(表壓表壓)，密度為，密度為1100kgm-3。輸送系統(tǒng)中壓頭損失為。輸送系統(tǒng)中壓頭損失為3米，堿液柱計(jì)劃送液量為米，堿液柱計(jì)劃送液量為25th-1。若泵。若泵的效率為的效率為55%，試求泵所需的功率。，試求泵所需的功率。1.5m16m解：解：1hg221gp12hg222gp2HfHe？12基準(zhǔn)面1=0 ms-1；2=qv/A2=qm/A2P1= 0

35、 Pa(表壓)；Hf=3mP2=0.3kgfcm-2= - Pa(表壓表壓)輸送所需理論功率（輸送所需理論功率（JS-1）：）： Pe = He g qm實(shí)際需功率：實(shí)際需功率：Pa=Pe / Bernoulli方程的應(yīng)用舉例6m解：解：V?v截面1截面21hgp12hHfHeg221g222gp2基準(zhǔn)水平面h=0 mh1=p1=p2= 1= 2= 水為不可壓縮性流體水為不可壓縮性流體1 0 ms-1He = 0 mH2O；Hf =5.7 mH2O0 Pa（表壓）6mh2=0m，？qv= A2 2= 2 d 2/4習(xí)題習(xí)題 高位水槽水面距出水管凈垂直距離為高位水槽水面距出水管凈垂直距離為6.0

36、m,6.0m,出水管為出水管為Dg70, ,管道較長(zhǎng)管道較長(zhǎng), ,流動(dòng)過(guò)程的壓頭損失為流動(dòng)過(guò)程的壓頭損失為5.75.7米水柱米水柱, ,試求每小時(shí)可輸送水量試求每小時(shí)可輸送水量m m3 3。Bernoulli方程的應(yīng)用舉例習(xí)題習(xí)題 噴射泵中噴射泵中水水流量為流量為10th-1，入口靜壓強(qiáng)為入口靜壓強(qiáng)為1.5kgfcm-2（表壓），進(jìn)表壓），進(jìn)口管內(nèi)徑口管內(nèi)徑53mm，噴嘴口內(nèi)徑，噴嘴口內(nèi)徑13mm，試求該噴射泵理論上能形成的真空度。，試求該噴射泵理論上能形成的真空度。設(shè)當(dāng)時(shí)外界大氣壓為設(shè)當(dāng)時(shí)外界大氣壓為101.3kPa，噴嘴很短，且忽略水流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，噴嘴很短，且忽略水流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。解

37、：解：1hg221gp12hg222gp2HfHe12噴嘴很短，噴嘴很短，h1-h2 0？=qv /A壓強(qiáng)用絕對(duì)壓表示：壓強(qiáng)用絕對(duì)壓表示：P1=1.5 98.1+101.3=248.5kPa=0按流動(dòng)時(shí)沒(méi)有摩擦阻力考慮，按流動(dòng)時(shí)沒(méi)有摩擦阻力考慮，Hf = 0P2=30.9kPa(絕對(duì)壓絕對(duì)壓)噴射泵形成的真空度噴射泵形成的真空度= 大氣壓大氣壓絕對(duì)壓絕對(duì)壓流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程 根據(jù)用液柱表示壓強(qiáng)的方法，根據(jù)用液柱表示壓強(qiáng)的方法，p=h p=h g g，則在則在靜止靜止液面下面液面下面深度深度h h處的壓強(qiáng)為：處的壓強(qiáng)為：ghpp0（流體靜力學(xué)方程）（流體靜力學(xué)方程）在重力場(chǎng)中，

38、靜止流體內(nèi)任一點(diǎn)的靜壓力的大小與液體的密度及在重力場(chǎng)中，靜止流體內(nèi)任一點(diǎn)的靜壓力的大小與液體的密度及該點(diǎn)的深度有關(guān)，與該點(diǎn)所在的水平位置及容器的形狀無(wú)關(guān)。該點(diǎn)的深度有關(guān)，與該點(diǎn)所在的水平位置及容器的形狀無(wú)關(guān)。在連續(xù)、靜止的同一流體中，在同一水平面上，流體的靜壓力在連續(xù)、靜止的同一流體中，在同一水平面上，流體的靜壓力相等，這樣的水平面稱為相等，這樣的水平面稱為等壓面等壓面。0ABCDghpghppBA0hBApp DCpp？液面上所受的壓強(qiáng)能以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部液面上所受的壓強(qiáng)能以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部, ,此規(guī)律即物理此規(guī)律即物理學(xué)中的學(xué)中的巴斯噶原理巴斯噶原理. .練練 習(xí)習(xí)水水水Q Q

39、1 1:A:A1 1、A A2 2、A A3 3的壓力是否相同？的壓力是否相同？ 他們的大小順序如何？他們的大小順序如何？A1A2A3B1B2B3Q Q2 2:B:B1 1、B B2 2、B B3 3的壓力是否相同？的壓力是否相同？C1C2C3Q Q3 3: :C C1 1、C C2 2、C C3 3的壓力是否相同？的壓力是否相同？Q Q4 4: :D D1 1、D D2 2、D D3 3的壓力是否相同？的壓力是否相同？D1D2D3A: A3A2A1A: B3B2C2=C3A: D1=D2=D3乙炔發(fā)生器裝有水封管乙炔發(fā)生器裝有水封管, ,當(dāng)器內(nèi)壓力過(guò)大時(shí)通過(guò)水封排氣至安當(dāng)器內(nèi)壓力過(guò)大時(shí)通過(guò)水

40、封排氣至安全處。要控制發(fā)生器內(nèi)壓力不超過(guò)全處。要控制發(fā)生器內(nèi)壓力不超過(guò)12kPa12kPa（表壓）。求水封管（表壓）。求水封管應(yīng)插入水的深度應(yīng)插入水的深度H H。乙乙炔炔發(fā)發(fā)生生器器H4102 . 1 gHp練練 習(xí)習(xí)二、流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用二、流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用液位計(jì)液位計(jì)(tank gauge):流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用液封液封( (水封水封) )(water lute,water seal,liquid seal):(water lute,water seal,liquid seal):氣氣柜柜填填料料OHZgpp20Pp0Z氣體氣體氣體氣體液體液體液體液體pp0P R

41、孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)（ori fice meter）u0u工作原理工作原理：根據(jù)：根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原流體動(dòng)力學(xué)原理（柏努利方程理（柏努利方程），流體通過(guò)，流體通過(guò)孔口時(shí)，因截面積驟然縮小，孔口時(shí)，因截面積驟然縮小，流體流速隨之增大；因流體動(dòng)流體流速隨之增大；因流體動(dòng)壓頭增大，其靜壓頭驟然縮小。壓頭增大，其靜壓頭驟然縮小。利用利用U型管壓強(qiáng)計(jì)測(cè)出孔板前型管壓強(qiáng)計(jì)測(cè)出孔板前后的壓強(qiáng)差。后的壓強(qiáng)差。三、流體流量的測(cè)量三、流體流量的測(cè)量Ru0uZgp0Z220vv )(20gpgpg0pp Rgi)(SSvv00gv22gv220gp0)(1)(2200SSRgvi* * 實(shí)際流體流動(dòng)的阻力損失，孔板處

42、突然收縮造成的擾動(dòng)以及孔板與導(dǎo)管間裝配可能有誤差，這些影響因素歸納為孔板流量系數(shù)C C0 0( (一般為一般為0.61-0.63)0.61-0.63)Rgcvi)(200NOTE:NOTE: 孔板流量計(jì)有相當(dāng)大的壓頭損失孔板流量計(jì)有相當(dāng)大的壓頭損失. .文氏流量計(jì)文氏流量計(jì)（Venturi tube）RRgcviV)(20v0NOTE: NOTE: 壓頭損失減少到只有壓頭損失減少到只有 讀數(shù)的讀數(shù)的10%或更少或更少.毛細(xì)管流量計(jì)毛細(xì)管流量計(jì)( (capillary manometer)capillary manometer)轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)（flowrator）NoteNote：用于液體

43、的轉(zhuǎn)子流量計(jì)按規(guī)定是用用于液體的轉(zhuǎn)子流量計(jì)按規(guī)定是用2020的水標(biāo)定的的水標(biāo)定的；用于；用于測(cè)量氣體的轉(zhuǎn)子流量計(jì)則是用測(cè)量氣體的轉(zhuǎn)子流量計(jì)則是用293K293K、101.3kPa101.3kPa的空氣標(biāo)定的的空氣標(biāo)定的。當(dāng)用于測(cè)量其他流體的流量時(shí)，要加以換算。當(dāng)用于測(cè)量其他流體的流量時(shí)，要加以換算。凈壓力差 = 轉(zhuǎn)子重力 流體的浮力gVgVApRRRR轉(zhuǎn)子流量計(jì)必須垂直垂直安裝在管路上，為便于檢修，應(yīng)設(shè)置如圖1-38所示的支路。支路。轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)方便，流動(dòng)阻力很小，測(cè)量范圍寬，測(cè)量精度較高，對(duì)不同的流體適用性廣。缺點(diǎn)是玻璃管不能經(jīng)受高溫和高壓，在安裝使用過(guò)程中玻璃容易破碎。 圖1-38 轉(zhuǎn)子

44、流量計(jì)安裝示意圖2-3 2-3 實(shí)際流體的流動(dòng)實(shí)際流體的流動(dòng) 實(shí)際流體在流過(guò)固體壁面時(shí)，由于流體對(duì)壁面有附著力，實(shí)際流體在流過(guò)固體壁面時(shí)，由于流體對(duì)壁面有附著力，將在壁面上粘附一層靜止的流體。這層流體的分子僅因擴(kuò)散作將在壁面上粘附一層靜止的流體。這層流體的分子僅因擴(kuò)散作用而運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，實(shí)際流體分子間有吸引力，壁面上靜止的流用而運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，實(shí)際流體分子間有吸引力，壁面上靜止的流體層對(duì)其鄰近的流體層的流動(dòng)起約束作用，阻礙該層流體的流體層對(duì)其鄰近的流體層的流動(dòng)起約束作用，阻礙該層流體的流動(dòng)，但離開(kāi)壁面越遠(yuǎn)，則約束作用越小。動(dòng)，但離開(kāi)壁面越遠(yuǎn)，則約束作用越小。maxvvRr 00r流動(dòng)的流體內(nèi)部相鄰兩

45、流體層間的相互作用力，稱為流動(dòng)的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力，稱為流體的流體的內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力，它是，它是流體粘性的表現(xiàn)流體粘性的表現(xiàn)。流體流動(dòng)時(shí)，。流體流動(dòng)時(shí)，必須克服必須克服粘性阻力粘性阻力而作功，從而造成能量損失。而作功，從而造成能量損失。2.3.1 2.3.1 粘度粘度(viscosity)(viscosity)牛頓型流體的粘度牛頓型流體的粘度: 粘度是流體內(nèi)部摩擦力的表現(xiàn)內(nèi)部摩擦力的表現(xiàn)，衡量流體粘性大小的物理量，是流體的重要物性參數(shù)之一。流流體的粘度越大，流體的流動(dòng)性越小。體的粘度越大，流體的流動(dòng)性越小。F(F(剪切力剪切力) )vv 0vy1. 1. 牛頓型流體牛頓型流體粘

46、度粘度牛頓粘性定律牛頓粘性定律ddvAF動(dòng)力粘度簡(jiǎn)稱粘度層間距離層間距離所應(yīng)加予的力所應(yīng)加予的力F與層間接觸面積與層間接觸面積A和相對(duì)速度差和相對(duì)速度差dv成正比，而成正比，而與層間距離成反比，這一關(guān)系稱為與層間距離成反比，這一關(guān)系稱為”牛頓粘性定律牛頓粘性定律”。速度梯度速度梯度遵循該定律的流體稱為遵循該定律的流體稱為“牛頓型流體牛頓型流體”牛頓粘性定律牛頓粘性定律 粘度的單位：粘度的單位：液體的粘度液體的粘度: 受壓力影響很小，隨溫度的升高而顯著降低。受壓力影響很小，隨溫度的升高而顯著降低。氣體的粘度：氣體的粘度：隨溫度升高而增大，隨壓力升高而增加的很少。隨溫度升高而增大，隨壓力升高而增加

47、的很少。NOTENOTE： 粘度不僅與分子間的吸引力有關(guān)，還與分子熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)。粘度不僅與分子間的吸引力有關(guān)，還與分子熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)。 工業(yè)上常常遇到各種流體的混合物，它們的粘度一般應(yīng)工業(yè)上常常遇到各種流體的混合物，它們的粘度一般應(yīng) 用用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定其數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定其數(shù)值，或選用適當(dāng)?shù)?，或選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn) 行估算行估算。 sPamsNmsmmNdydv 22 cPP1001 cPPsPa1000101 dydv泊(P)、厘泊(cP)運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度(kinemetic viscosity): 流體的粘度與密度的比值流體的粘度與密度的比值)(/12sm在在CGS制中運(yùn)動(dòng)粘度的單位為

48、制中運(yùn)動(dòng)粘度的單位為 cm2.s-1 ，稱為，稱為 沲沲(stoke，st)1st=100cst=10-4 m2.s-12. 非牛頓型流體非牛頓型流體：不遵循牛頓粘性定律的流體。：不遵循牛頓粘性定律的流體。為使該流體流動(dòng)，需要先加以為使該流體流動(dòng)，需要先加以一個(gè)額外的剪應(yīng)力，使流體變一個(gè)額外的剪應(yīng)力，使流體變形，之后流體再隨剪應(yīng)力增加形，之后流體再隨剪應(yīng)力增加而有相應(yīng)的剪切速率而有相應(yīng)的剪切速率 牛頓型流體牛頓型流體脹流性流體脹流性流體假塑性流體假塑性流體dv/d塑性流體塑性流體dydv表觀粘度隨剪切速率表觀粘度隨剪切速率的增加而更大的增加的增加而更大的增加表觀粘度隨剪切速率表觀粘度隨剪切速率

49、的增加而增加的較少的增加而增加的較少2.3.2 2.3.2 流體流動(dòng)的形態(tài)和雷諾數(shù)流體流動(dòng)的形態(tài)和雷諾數(shù)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置雷諾實(shí)驗(yàn)裝置1-小瓶；小瓶；2-細(xì)管；細(xì)管；3-水箱；水箱；4-水平玻璃管；水平玻璃管；5-閥門(mén)；閥門(mén)；6-溢流裝置溢流裝置（1）雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn) 1883年, 英國(guó)物理學(xué)家Osbone Reynolds作了如下實(shí)驗(yàn)。（2）雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用紅墨水觀察管中水的流動(dòng)狀態(tài)(a)層流(b)過(guò)渡流(c)湍流 兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：滯流滯流（層流）、湍流（紊流）。層流）、湍流（紊流）。滯流滯流(laminar flow):也稱為層流，也稱為層流，流體的質(zhì)點(diǎn)作一層滑過(guò)流體的質(zhì)點(diǎn)作一層

50、滑過(guò)一層的位移，層與層之間沒(méi)有明顯的干擾。各層間分子只因一層的位移，層與層之間沒(méi)有明顯的干擾。各層間分子只因擴(kuò)散而轉(zhuǎn)移。擴(kuò)散而轉(zhuǎn)移。流體的流速沿?cái)嗝姘磼佄锞€分布；流體的流速沿?cái)嗝姘磼佄锞€分布；管中流體的管中流體的平均流速為最大流速的平均流速為最大流速的1/21/2。層流時(shí)流體在圓管中的速度分布層流時(shí)流體在圓管中的速度分布Re2000uumaxd湍流湍流(turbulent flow): 流體在流動(dòng)時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)有劇烈流體的質(zhì)點(diǎn)有劇烈的騷擾渦動(dòng)，只是靠近管壁處還保留滯流的形態(tài)的騷擾渦動(dòng)，只是靠近管壁處還保留滯流的形態(tài)。接近管中央相當(dāng)大范圍內(nèi)的流體流速接近于最大流速。管內(nèi)流體的平管內(nèi)流體的平均流速

51、為管中央最大流速的均流速為管中央最大流速的0.80.8左右左右。Re40004000umaxururRd湍流時(shí)流體在圓管中的速度分布湍流時(shí)流體在圓管中的速度分布duRe 00023ReskgmmsNmkgsmmdu 無(wú)因次無(wú)因次雷諾數(shù)雷諾數(shù)2000Re 滯流滯流4000Re 湍流湍流4000Re2000過(guò)渡狀態(tài)過(guò)渡狀態(tài)2000Re 滯流轉(zhuǎn)變的臨界值滯流轉(zhuǎn)變的臨界值相應(yīng)的流速稱為相應(yīng)的流速稱為臨界流速臨界流速NOTENOTE：工業(yè)上輸送流體時(shí)大多數(shù)是以湍流形態(tài)湍流形態(tài)進(jìn)行的。當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑 (equivalent diameter)流體潤(rùn)濕的周邊流體流過(guò)的截面積 4ed對(duì)于非圓形導(dǎo)管非圓形導(dǎo)管

52、，計(jì)算Re時(shí)，應(yīng)以當(dāng)量直徑de代替特征數(shù)中的直徑d：例：直徑d1的外套管與直徑d2的內(nèi)套管所形成的環(huán)行通道的 當(dāng)量直徑為：21212221)(4/ )(4ddddddde邊界層邊界層（boundary layer）邊界層：邊界層：流體的流速低于未受壁面影響的流速的99%的區(qū)域。主流區(qū)：主流區(qū)：在邊界層以外，速度梯度接近為零的區(qū)域。邊邊 界界 層層邊邊 界界 層層邊邊 界界 層層邊邊 界界 層層主主 流流 區(qū)區(qū)主主 流流 區(qū)區(qū)滯流滯流湍流湍流湍流流動(dòng)湍流流動(dòng)NOTENOTE：滯流內(nèi)層的厚度雖然不大，但粘附在壁面，成為傳熱滯流內(nèi)層的厚度雖然不大，但粘附在壁面，成為傳熱和和 傳質(zhì)的主要阻力；傳質(zhì)的主

53、要阻力；ReRe值越大，滯流內(nèi)層厚度越小，傳遞值越大，滯流內(nèi)層厚度越小，傳遞 過(guò)程的阻力隨之減小。過(guò)程的阻力隨之減小。邊界層的形成邊界層的形成從管口到形成邊界層所經(jīng)歷的管長(zhǎng)稱為從管口到形成邊界層所經(jīng)歷的管長(zhǎng)稱為穩(wěn)定段長(zhǎng)度穩(wěn)定段長(zhǎng)度，此長(zhǎng)度，此長(zhǎng)度與管的與管的形狀、管壁粗糙程度及雷諾數(shù)形狀、管壁粗糙程度及雷諾數(shù)等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。邊界層分離邊界層分離Bvpv流體流經(jīng)管件、閥門(mén)、管束或異形壁面時(shí)，也會(huì)發(fā)生邊界層分離。流體流經(jīng)管件、閥門(mén)、管束或異形壁面時(shí)，也會(huì)發(fā)生邊界層分離。NOTENOTE：邊界層分離會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)阻力的增大。邊界層分離會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)阻力的增大。AcC C點(diǎn)處局部流體產(chǎn)點(diǎn)處局部

54、流體產(chǎn)生逆向流動(dòng)和漩渦生逆向流動(dòng)和漩渦改變物體表面的形狀，如汽車、飛機(jī)都是流線型改變物體表面的形狀，如汽車、飛機(jī)都是流線型減小或避免邊界層分離的措施減小或避免邊界層分離的措施2.4 2.4 管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力 實(shí)際流體的實(shí)際流體的Bernoulli方程方程:fHgpgvZHegpgvZ2222121122? ?流體流動(dòng)的阻力與流體的性質(zhì)流體流動(dòng)的阻力與流體的性質(zhì)( (如粘度等如粘度等) )、流體流動(dòng)形態(tài)、流體流動(dòng)形態(tài)、導(dǎo)管的長(zhǎng)度、管徑、壁面情況以及流動(dòng)時(shí)的變動(dòng)狀態(tài)（如縮導(dǎo)管的長(zhǎng)度、管徑、壁面情況以及流動(dòng)時(shí)的變動(dòng)狀態(tài)（如縮小、擴(kuò)張等）有關(guān)。小、擴(kuò)張等）有關(guān)。阻力阻力hf直管阻力

55、直管阻力(沿程阻力沿程阻力)由于由于內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的能量損失而產(chǎn)生的能量損失局部阻力局部阻力截面驟然變化截面驟然變化流動(dòng)方向改變流動(dòng)方向改變流經(jīng)管件、儀表等流經(jīng)管件、儀表等由于由于局部障礙局部障礙引起邊界層分離引起邊界層分離而而造成能量損失造成能量損失2.4.1 管、管件及閥門(mén)簡(jiǎn)介管、管件及閥門(mén)簡(jiǎn)介管管:管子鑄鐵管（水管、煤氣管、污水管）鋼管（有縫、無(wú)縫）特殊鋼管有色金屬管塑料管橡膠管管子光滑管（玻璃管、銅管、鉛管、塑料管等）粗糙管（舊鋼管、鑄鐵管）管壁的相對(duì)粗糙度管壁的相對(duì)粗糙度de/障礙物的高度障礙物的高度管件：管件：彎管（彎頭）大小頭沖壓彎管與管的連接部分，它主要是用來(lái)改變管道管

56、與管的連接部分，它主要是用來(lái)改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。管件管件承插管件法蘭法蘭封頭閥門(mén)閥門(mén):安裝于管道中用以切斷或調(diào)節(jié)流量。安裝于管道中用以切斷或調(diào)節(jié)流量。球閥截止閥閘閥止逆閥阻力阻力 hf直管阻力直管阻力(沿程阻力沿程阻力) hf局部阻力局部阻力 hl 2.4.2 2.4.2 流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻力計(jì)算流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻力計(jì)算 lffhhh 滯流時(shí)的摩擦阻力滯流時(shí)的摩擦阻力主要是流體的內(nèi)摩擦力服從牛頓粘性定律：服從牛頓粘性定律：dyduAF2.4.2.1 2.4.2.1 直管阻力的計(jì)算直管阻力的計(jì)算dydvAFdrdvrl2要克

57、服此滑動(dòng)的阻力而使流體流動(dòng)，管兩端必須有一定的壓力差：要克服此滑動(dòng)的阻力而使流體流動(dòng)，管兩端必須有一定的壓力差：P = p1 p2此壓力差而使流體所受的推力為：此壓力差而使流體所受的推力為：2rpFdrdurlrp22Ruldurdrp00max2Rduv2,2max232/plv d)(2Re642液柱或mgvdlHfgvgvdl2222阻力系數(shù)摩擦阻力系數(shù);duRe264()Re2lvPad流體柱所受的推力與其表面滑動(dòng)的摩擦阻力相等而方向相反：流體柱所受的推力與其表面滑動(dòng)的摩擦阻力相等而方向相反： 湍流時(shí)的流動(dòng)阻力湍流時(shí)的流動(dòng)阻力)(22液柱mgvdlHf)(22Pavdlpl/d幾何相似

58、數(shù)；幾何相似數(shù)； 摩擦阻力系數(shù)，是摩擦阻力系數(shù)，是Re， 的函數(shù)。的函數(shù)。Fanning公式公式gv22管壁的相對(duì)粗糙度管壁的相對(duì)粗糙度:de/e 管的粗糙度，管的粗糙度，mm查表：查表：摩擦阻力系數(shù)摩擦阻力系數(shù)滯流區(qū)滯流區(qū)過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)湍流區(qū)湍流區(qū)完全湍流區(qū)完全湍流區(qū),10Re5當(dāng) 接近一常數(shù)接近一常數(shù),其值主要取決于管壁的粗糙度。其值主要取決于管壁的粗糙度。摩擦阻力系數(shù)摩擦阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：對(duì)光滑管：對(duì)光滑管：53101103Re當(dāng)柏拉相修斯（柏拉相修斯（BlasiusBlasius）公式）公式25. 0Re3164. 08.175.1vp 83101103Re當(dāng)2)5 .

59、 1Relg8 . 1 (柯納柯夫（柯納柯夫（KypnaKypnaKOBKOB）公式）公式粗糙管：粗糙管：,10Re5當(dāng)接近一常數(shù),其值主要取決于管壁的粗糙度。2)lg214. 1 (尼庫(kù)拉則尼庫(kù)拉則(Nokuradse(Nokuradse) )公式公式用用沿程阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù)表示阻力計(jì)算公式表示阻力計(jì)算公式:242flvHfdg2 . 0Re046. 04f柯?tīng)柋究聽(tīng)柋?Colburn)(Colburn)公式公式2.4.3 2.4.3 局部阻力局部阻力當(dāng)流體在管道系統(tǒng)中流經(jīng)各種管件、閥門(mén)、接頭、改變當(dāng)流體在管道系統(tǒng)中流經(jīng)各種管件、閥門(mén)、接頭、改變方向，導(dǎo)管截面積驟然變化時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生擾

60、動(dòng)而形方向，導(dǎo)管截面積驟然變化時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生擾動(dòng)而形成渦流，產(chǎn)生摩擦阻力，這類阻力稱為成渦流，產(chǎn)生摩擦阻力，這類阻力稱為局部阻力局部阻力。局部阻力的計(jì)算：局部阻力的計(jì)算：當(dāng)量長(zhǎng)度法當(dāng)量長(zhǎng)度法: 將局部阻力的壓頭損失折算成相應(yīng)長(zhǎng)度的管子將局部阻力的壓頭損失折算成相應(yīng)長(zhǎng)度的管子所造成的壓頭損失，再并入總管長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。此相應(yīng)的管子長(zhǎng)所造成的壓頭損失，再并入總管長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。此相應(yīng)的管子長(zhǎng)度稱為度稱為當(dāng)量長(zhǎng)度當(dāng)量長(zhǎng)度 l le e。gulh22 阻力系數(shù)法阻力系數(shù)法: :gudlhel22管管件件與與閥閥門(mén)門(mén)的的當(dāng)當(dāng)量量長(zhǎng)長(zhǎng)度度共共線線圖圖。（一）簡(jiǎn)單管路（一）簡(jiǎn)單管路特點(diǎn)特點(diǎn)：管徑相同，無(wú)分支的管路