化工原理第一章-流體流動

1、石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering q流體的輸送流體的輸送：根據(jù)生產要求，往往要將這些流體按照生產根據(jù)生產要求，往往要將這些流體按照生產程序從一個設備輸送到另一個設備，從而完成程序從一個設備輸送到另一個設備，從而完成流體輸送流體輸送的任的任務，實現(xiàn)生產的連續(xù)化務，實現(xiàn)生產的連續(xù)化。q壓強、流速和流量的測量壓強、流速和流量的測量：以便更好的掌握生產狀況。以便更好的掌握生產狀況。q為強化設備提供適宜的流動條件為強化設備提供適

2、宜的流動條件： 除了流體輸送外，除了流體輸送外，化工生產中的傳熱、傳質過程以及化學反應大都是在流體流動化工生產中的傳熱、傳質過程以及化學反應大都是在流體流動下進行的，以便降低傳遞阻力，減小設備尺寸。流體流動狀態(tài)下進行的，以便降低傳遞阻力，減小設備尺寸。流體流動狀態(tài)對這些單元操作有較大影響。對這些單元操作有較大影響。 流體的研究意義流體的研究意義石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 日常生活中流動現(xiàn)象：流動現(xiàn)象：煤 氣 洗 滌 塔 工業(yè)生產過程中煤氣煤氣水孔板流量計泵水封填料塔水池石油化工學院石油化工學院-Department

3、of Petrochemical Engineering 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 主要內容主要內容1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 流體靜力學基本方程式流體靜力學基本方程式1.3 1.3 流體流動的基本方程流體流動的基本方程1.4 1.4 流體流動現(xiàn)象流體流動現(xiàn)象1.5 1.5 流體在管內的流動阻力流體在管內的流動阻力1.6 1.6 管路計算管路計算1.7 1.7 流量測量流量測量石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工學院石油化工學

4、院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 流體的特征流體的特征：具有流動性。即具有流動性。即q抗剪和抗張的能力很小；抗剪和抗張的能力很?。籷無固定形狀，隨容器的形狀而變化；無固定形狀，隨容器的形狀而變化；q在外力作用下其內部發(fā)生相對運動在外力作用下其內部發(fā)生相對運動。流體流體: 在剪應力作用下能產生連續(xù)變形的物體稱在剪應力作用下能產生連續(xù)變形的物體稱為流體。如氣體和液體。為流體。如氣體和液體。第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述石油化工學院石油化工學院-Dep

5、artment of Petrochemical Engineering 但是，人們但是，人們感興趣的不是單個分子的微觀運動，感興趣的不是單個分子的微觀運動，而而是流體宏觀的機械運動，故可以取流體質點而不是單個是流體宏觀的機械運動，故可以取流體質點而不是單個分子作為最小考慮對象。分子作為最小考慮對象。2 連續(xù)性假定：連續(xù)性假定： 在研究流體流動規(guī)律時，流體流動并非指其內部分子的在研究流體流動規(guī)律時，流體流動并非指其內部分子的微觀運動，而是流體內部連續(xù)的流體質點的宏觀運動，微觀運動，而是流體內部連續(xù)的流體質點的宏觀運動，即將即將流體視為無數(shù)流體微團流體視為無數(shù)流體微團或質點組成或質點組成的連續(xù)介

6、質的連續(xù)介質。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 4 4 適用范圍：適用范圍： 絕大多數(shù)情況適用，但高真空下的氣體不能作為連續(xù)絕大多數(shù)情況適用，但高真空下的氣體不能作為連續(xù)性介質。性介質。1 1 拉格朗日法：拉格朗日法：選定一個流體質點，跟蹤觀察，選定一個流體質點，跟蹤觀察，描述其運動參數(shù)（如：位移，速度等）與時間的描述其運動參數(shù)（如：位移，速度等）與時間的關系。關系。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 3. 3. 兩種方法的區(qū)別：兩種方法的區(qū)別：拉格朗日

7、法：拉格朗日法：描述的是同一質點不同時刻的狀態(tài)描述的是同一質點不同時刻的狀態(tài)。歐拉法：歐拉法：描述空間各點的狀態(tài)及其與時間的關系描述空間各點的狀態(tài)及其與時間的關系。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 如：流速如：流速 定態(tài)：定態(tài)：u=u=f(x,y,zf(x,y,z) ) 桶內液面維持不變放水。桶內液面維持不變放水。 非定態(tài)：非定態(tài)：u=u=f(x,y,z,tf(x,y,z,t) ) 桶內液面變化放水。桶內液面變化放水。 連續(xù)生產過程中的流體流動，多視為穩(wěn)定流動，連續(xù)生產過程中的流體流動，多視為穩(wěn)定流動，在開工或停工階段，則

8、可能屬于不穩(wěn)定流動。在開工或停工階段，則可能屬于不穩(wěn)定流動。生產以生產以穩(wěn)定流動為主。穩(wěn)定流動為主。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 系統(tǒng)系統(tǒng)與外界可以有力的作用與能量的交換，與外界可以有力的作用與能量的交換，卻無質量交換。卻無質量交換。 其邊界隨流體一起運動，因而其邊界隨流體一起運動，因而其形狀和大其形狀和大小可隨時間而變化。小可隨時間而變化。 拉格朗日法考慮。拉格朗日法考慮。石油化工學院石油化工學院-Departm

9、ent of Petrochemical Engineering u構成控制體的空間界面稱為構成控制體的空間界面稱為控制面控制面，控制面總是，控制面總是封閉的固定界面；封閉的固定界面；u流體可流體可自由進出自由進出控制體，控制面上可控制體，控制面上可有力的作用有力的作用與能量的交換。與能量的交換。u控制體采用控制體采用歐拉法歐拉法考慮流體?？紤]流體。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 一一. . 體積力：體積力：作用與流體的每一個質點上，并與流體作用與流體的每一個質點上，并與流體的質量成正比。所以也稱質量力，對于均質流體（的

10、質量成正比。所以也稱質量力，對于均質流體（不變）也與流體體積成正比。如：重力，離心力。不變）也與流體體積成正比。如：重力，離心力。二二. . 表面力：表面力：（壓力與剪力）表面力與表面積成正比。（壓力與剪力）表面力與表面積成正比。作用于流體表面上的表面力可分為：作用于流體表面上的表面力可分為： 垂直于表面的力，即垂直于表面的力，即壓力壓力，單位面積上的稱，單位面積上的稱壓強壓強。平行與表面的力，即平行與表面的力，即剪力剪力，單位面積上稱，單位面積上稱剪應力剪應力。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 不可壓縮流體不可壓縮流體：

11、流體的體積如果不隨壓力及溫度變流體的體積如果不隨壓力及溫度變化，這種流體稱為不可壓縮流體?；?，這種流體稱為不可壓縮流體。 實際上流體都是可壓縮的，一般把液體當作不可實際上流體都是可壓縮的，一般把液體當作不可壓縮流體；氣體應當屬于可壓縮流體。但是，如果壓壓縮流體；氣體應當屬于可壓縮流體。但是，如果壓力或溫度變化率很小時，通常也可以當作不可壓縮流力或溫度變化率很小時，通常也可以當作不可壓縮流體處理。體處理。 可壓縮流體可壓縮流體：流體的體積如果隨壓力及溫度變化，流體的體積如果隨壓力及溫度變化，則稱為可壓縮流體。則稱為可壓縮流體。流體的壓縮性流體的壓縮性石油化工學院石油化工學院-Department

12、 of Petrochemical Engineering 流體靜力學流體靜力學主要研究流體靜止時其內部壓強變化的規(guī)律。用描述這一規(guī)律的數(shù)學表達式，稱為流體靜力學基本方程式。先介紹有關概念。第二節(jié)第二節(jié) 流體靜力學流體靜力學石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 單位體積流體的質量，稱為流體的密度，其表達式為單位體積流體的質量，稱為流體的密度，其表達式為vm（1-11-1）式中式中 流體的密度，流體的密度，kg/m3； m 流體的質量，流體的質量，kg； v 流體的體積，流體的體積，m3。 不同的流體密度是不同的，對一定的流體，

13、密度是壓力不同的流體密度是不同的，對一定的流體，密度是壓力p和和溫度溫度T的函數(shù)，可用下式表示的函數(shù)，可用下式表示 ： f（p，T） （1-1-2 2） 1 流體的物理特性1.1 密度石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 液體的密度隨壓力的變化甚小（極高壓力下除外），可液體的密度隨壓力的變化甚?。O高壓力下除外），可忽略不計，但其隨溫度稍有改變。氣體的密度隨壓力和溫度的忽略不計，但其隨溫度稍有改變。氣體的密度隨壓力和溫度的變化較大。變化較大。 RTpMvm式中式中 p 氣體的壓力，氣體的壓力，kN/m2或或kPa； T 氣體的

14、絕對溫度，氣體的絕對溫度，K； M 氣體的分子量，氣體的分子量，kg/kmol； R 通用氣體常數(shù)，通用氣體常數(shù)，8.314kJ/kmolK。(1-3) 當壓力不太高、溫度不太低時，氣體的密度可近似地按理當壓力不太高、溫度不太低時，氣體的密度可近似地按理想氣體狀態(tài)方程式計算：想氣體狀態(tài)方程式計算：石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 上式中的上式中的0 0M/22.4kg/mM/22.4kg/m3 3為為標準狀態(tài)標準狀態(tài)（即（即T T0 0=273K=273K及及p p0 0=101.3KPa=101.3KPa）下氣體的密度。

15、）下氣體的密度。氣體密度也可按下式計算氣體密度也可按下式計算000 TppT(1-4) 在氣體壓力較高、溫度較低時，氣體的密度需要采用真實在氣體壓力較高、溫度較低時，氣體的密度需要采用真實氣體狀態(tài)方程式計算。氣體狀態(tài)方程式計算。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 當氣體混合物的溫度、壓力接近理想氣體時，仍可用式當氣體混合物的溫度、壓力接近理想氣體時，仍可用式(1-3)計計算氣體的密度。算氣體的密度。氣體混合物的組成通常以體積分率表示。氣體混合物的組成通常以體積分率表示。對于理想氣體，體積分率與摩爾分率、壓力分率是相等的。對于

16、理想氣體，體積分率與摩爾分率、壓力分率是相等的。 Mm My1 + M2y2 + + Mnyn (1-6)式中式中 ：M、M2、 Mn 氣體混合物各組分的分子量氣體混合物各組分的分子量 m y1 + 2y2 + + nyn (1-5)式中式中 ： 、 2、 n 氣體混合物各組分的密度；氣體混合物各組分的密度； y1 、 y2 、 yn 氣體混合物各組分的摩爾分率。氣體混合物各組分的摩爾分率。氣體混合物密度計算氣體混合物密度計算:石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 液體混合物液體混合物: : 液體混合時，體積往往有所改變。若混

17、合液體混合時，體積往往有所改變。若混合前后體積不變，則前后體積不變，則1kg1kg混合液的體積等于各組分單獨存在時的混合液的體積等于各組分單獨存在時的體積之和，則可由下式求出混合液體的密度體積之和，則可由下式求出混合液體的密度m m。式中式中 1、2、，n 液體混合物中各組分的質量分率；液體混合物中各組分的質量分率； 1、2、，n 液體混合物中各組分的密度，液體混合物中各組分的密度，kg/m3； m 液體混合物的平均密度，液體混合物的平均密度，kg/m3。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 1mVv 單位質量流體的體積，稱為

18、流體的單位質量流體的體積，稱為流體的比容比容，用符號，用符號v表示，表示，單位為單位為m3/kg，則，則亦即流體的比容是密度的倒數(shù)。亦即流體的比容是密度的倒數(shù)。1.2 1.2 比容比容v v 和比重和比重d d,4水Cd34/1000mkgC水石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 例例1-1 已知硫酸與水的密度分別為已知硫酸與水的密度分別為1830kg/m3與與998kg/m3，試求含硫酸為，試求含硫酸為60%(質量質量)的硫酸水的硫酸水溶液的密度。溶液的密度。解：應用混合液體密度公式，則有解：應用混合液體密度公式，則有石油化

19、工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 例例1-2 已知干空氣的組成為：已知干空氣的組成為：O221%、N278%和和Ar1%(均為體積均為體積%)。試求干空氣在壓力為。試求干空氣在壓力為9.81104Pa、溫度為溫度為100時的密度。時的密度。解：解： 首先將攝氏度換算成開爾文：首先將攝氏度換算成開爾文：100273+100=373K求干空氣的平均分子量：求干空氣的平均分子量： Mm My1 + M2y2 + + Mnyn Mm =32 0.21+28 0.78+39.9 0.01 =28.96氣體的平均密度為：氣體的平均密度為：石

20、油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 垂直作用于流體單位面積上的力，稱為流體的壓強，簡稱垂直作用于流體單位面積上的力，稱為流體的壓強，簡稱壓強。習慣上稱為壓力。作用于整個面上的力稱為總壓力。壓強。習慣上稱為壓力。作用于整個面上的力稱為總壓力。在靜止流體中，從各方向作用于某一點的壓力大小均相等。在靜止流體中，從各方向作用于某一點的壓力大小均相等。壓力的單位壓力的單位:v 帕斯卡帕斯卡, Pa, N/m2 (法定單位法定單位);v 標準大氣壓標準大氣壓, atm;v 某流體在柱高度某流體在柱高度;v bar（巴）或（巴）或kgf/c

21、m2等。等。1.3 1.3 壓力壓力石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 1標準大氣壓標準大氣壓(atm)=101300Pa =10330kgf/m2 =1.033kgf/cm2 =1.013bar =10.33mH2O =760mmHg換算關系：換算關系：石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 1工程大氣壓工程大氣壓(at)=98070Pa =10000kgf/m2 =1kgf/cm2 =0.9807bar =10mH2O =735.6mmHg1kgf/cm2

22、=1工程大氣壓（工程大氣壓（at) 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 壓力可以有不同的計量基準。壓力可以有不同的計量基準。p絕對壓力絕對壓力（absolute pressure） ：以絕對真空：以絕對真空(即零大氣壓即零大氣壓)為基準。為基準。p表壓表壓(gauge pressure)：以當?shù)卮髿鈮簽榛鶞?。它與絕對壓以當?shù)卮髿鈮簽榛鶞省Ｋc絕對壓力的關系，可用下式表示：力的關系，可用下式表示：表壓絕對壓力大氣壓力表壓絕對壓力大氣壓力p真空度真空度（vacuum）：當被測流體的絕對壓力小于大氣壓時，）：當被測流體的絕對壓力小

23、于大氣壓時，其低于大氣壓的數(shù)值，即：其低于大氣壓的數(shù)值，即：真空度大氣壓力絕對壓力真空度大氣壓力絕對壓力注意注意：此處的大氣壓力均應指當?shù)卮髿鈮?。在本章中如不加說：此處的大氣壓力均應指當?shù)卮髿鈮?。在本章中如不加說明時均可按標準大氣壓計算。明時均可按標準大氣壓計算。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 圖圖 絕對壓力、表壓和真空度的關系絕對壓力、表壓和真空度的關系（a）測定壓力）測定壓力大氣壓（大氣壓（b）測定壓力）測定壓力A2, We=0 ，kgJhf/3024dVS2033. 0436005sm/62. 1u1u2,可忽略，

24、u10。將上列數(shù)值代入柏努利方程式，并整理得：81. 9/ )308501081. 9262. 1(321zm37. 4石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 3）確定輸送設備的有效功率）確定輸送設備的有效功率 例：例：如圖所示，用泵將河水打入洗滌塔中，噴淋下來后流入下水道，已知道管道內徑均為0.1m，流量為84.82m3/h，水在塔前管路中流動的總摩擦損失(從管子口至噴頭進入管子的阻力忽略不計)為10J/kg，噴頭處的壓強較塔內壓強高0.02MPa，水從塔中流到下水道的阻力損失可忽略不計，泵的效率為65%，求泵所需的功率。石油

25、化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 分析：分析：求NeNe=WeWs/求We柏努利方程P2=?塔內壓強整體流動非連續(xù)截面的選?。?解：解：取塔內水面為截面3-3，下水道截面為截面4-4，取地平面為基準水平面，在3-3和4-4間列柏努利方程：4244323322pugzpugz0 43 uu式中：石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering ，mZmZ2 . 0143

26、?(034PP表壓），將已知數(shù)據(jù)代入柏努利方程式得： 96. 13pg3/1000mkg表壓）(117703PaP 計算塔前管路，取河水表面為1-1截面，噴頭內側為2-2截面，在1-1和2-2截面間列柏努利方程。 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering fehpugzWpugz2222221211式中 ：mZmZ6121，01uAVuS2表壓），(01P（表壓）Pap8230117701002. 062，kgJhf/10?eW21 . 04360082.84sm/3石油化工學院石油化工學院-Department of Petro

27、chemical Engineering 將已知數(shù)據(jù)代入柏努利方程式 10100082302362gWgekgJWe/4 .91seeWWN .SeVw1000360082.844 .91W2153泵的功率：eNN 65. 02153W3313kW3 . 3石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 4) 管道內流體的內壓強及壓強計的指示管道內流體的內壓強及壓強計的指示例例1：如圖，一管路由兩部分組成，一部分管內徑為40mm，另一部分管內徑為80mm，流體為水。在管路中的流量為13.57m3/h，兩部分管上均有一測壓點，測壓管之間連

28、一個倒U型管壓差計，其間充以一定量的空氣。若兩測壓點所在截面間的摩擦損失為260mm水柱。求倒U型管壓差計中水柱的高度R為多少為mm?石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 分析：分析： 求R1、2兩點間的壓強差柏努利方程式解：解：取兩測壓點處分別為截面1-1和截面2-2，管道中心線為基準水平面。在截面1-1和截面2-2間列單位重量流體的柏努利方程。fHgpguzgpguz2222121122式中： z1=0， z2=011AVuSu已知204. 04360057.13sm/3石油化工學院石油化工學院-Department of

29、 Petrochemical Engineering 12212.uddu)(26. 0260水柱mmmHf代入柏努利方程式： fHguugpp222211226. 08 . 9275. 0322水柱m17. 0125. 0usm/75. 0石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 因倒U型管中為空氣，若不計空氣質量，P3=P4=P ghPP水1)(2RhgPP水gRPP12RgPP12gPPR12水柱m17. 0水柱mm170石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering

30、 5）流向的判斷）流向的判斷 在453mm的管路上裝一文丘里管，文丘里管上游接一壓強表，其讀數(shù)為137.5kPa，管內水的流速u1=1.3m/s，文丘里管的喉徑為10mm，文丘里管喉部一內徑為15mm的玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池內水面到管中心線的垂直距離為3m，若將水視為理想流體，試判斷池中水能否被吸入管中？若能吸入，再求每小時吸入的水量為多少m3/h？石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 分析：判斷流向比較總勢能求P？柏努利方程 解：在管路上選1-1和2-2截面，并取3-3截面為基準水平面設支管中水為靜止狀態(tài)。在1-1

31、截面和2-2截面間列柏努利方程： 2222121122PugZPugZ石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 式中： mZZ321smu/3 . 11smdduu/77.19)1039(3 . 1)(222112表壓）(105 .13751PaP22222112uuPP277.1923 . 11000105 .137223kgJ /08.57石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 2-2截面的總勢能為 22gZP381. 908.57kgJ /65.273-3截面

32、的總勢能為 00gZP 3-3截面的總勢能大于2-2截面的總勢能，水能被吸入管路中。 求每小時從池中吸入的水量 求管中流速u柏努利方程在池面與玻璃管出口內側間列柏努利方程式： 0石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 222 2223213uPgZPugZ式中： ，mZ03mZ3200u表壓）(00PkgJP/08.572代入柏努利方程中 ：2381. 908.572 2usmu/436. 7 22015. 04436. 73600hVhm /728. 43石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochem

33、ical Engineering 6）不穩(wěn)定流動系統(tǒng)的計算）不穩(wěn)定流動系統(tǒng)的計算 例：例：附圖所示的開口貯槽內液面與排液管出口間的垂直距離hi為9m,貯槽內徑D為3m，排液管的內徑d0為0.04m，液體流過該系統(tǒng)時的能量損失可按 240uhf 公式計算，式中u為流體在管內的流速，試求經(jīng)4小時后貯槽內液面下降的高度。 分析：分析：不穩(wěn)定流動系統(tǒng)瞬間柏努利方程微分物料衡算石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 解：解： 在d時間內對系統(tǒng)作物料衡算，設F為瞬間進料率，D為瞬時出料率，dA為在d時間內的積累量， FdDddA d時間內，

34、槽內液面下降dh，液體在管內瞬間流速為u，0FudD204dhDAd24上式變?yōu)椋?dhDudd22044石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering (1) 20udhdDd 在瞬時液面1-1與管子出口內側截面2-2間列柏努利方程式，并以截面2-2為基準水平面，得： hfPugZPugZ2222121122式中： ，hmZ 1mZ02uu 221PP 240uhf01u石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 25 .4081. 9uh (2) 492. 0hu 將（2

35、）式代入（1）式得： hdhdDd492. 020hdh492. 004. 032hdh11433兩邊積分： ；，mh9011hmhs2236004，hhdhd936004011433石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering hhh912211433360049211433h h=5.62m 經(jīng)四小時后貯槽內液面下降高度為： 95.62=3.38m 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 日常生活日常生活應用實例應用實例 w 為何乒乓球掉不下來？為何乒乓球掉不下來？

36、w 為何紙向中間靠攏呢為何紙向中間靠攏呢？石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 在日常生活應用在日常生活應用-噴射式飛機的機翼噴射式飛機的機翼這種飛機的機翼的形狀，會使得機翼在空氣這種飛機的機翼的形狀，會使得機翼在空氣中移動時流過上方和下方的流速不一樣，因中移動時流過上方和下方的流速不一樣，因而產生往上的壓力差，如上圖。而產生往上的壓力差，如上圖。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 本節(jié)將討論產生能量損失的原因及管內速度分布本節(jié)將討論產生能量損失的原因及管內

37、速度分布等，以便為下一節(jié)討論能量損失的計算提供基礎。等，以便為下一節(jié)討論能量損失的計算提供基礎。0)(212212212fuupphzzg第四節(jié)第四節(jié) 管內流體流動現(xiàn)象管內流體流動現(xiàn)象 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 流體流動類型與雷諾準數(shù)流體流動類型與雷諾準數(shù)1.1.流體流動型態(tài)流體流動型態(tài)（1 1）雷諾實驗）雷諾實驗水水水平玻璃管水平玻璃管水箱水箱細管細管水水溢流堰溢流堰小瓶（密度與水相近）小瓶（密度與水相近）閥閥雷諾實驗雷諾實驗圖（圖（a a）層流）層流圖（圖（b b）湍流）湍流石油化工學院石油化工學院-Depar

38、tment of Petrochemical Engineering 雷諾實驗雷諾實驗石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering q流速小時，有色流體在管內沿軸線方向成一條直線。流速小時，有色流體在管內沿軸線方向成一條直線。表明，水的質點在管內都是沿著與管軸平行的方向作直表明，水的質點在管內都是沿著與管軸平行的方向作直線運動，各層之間沒有質點的遷移。線運動，各層之間沒有質點的遷移。q當開大閥門使水流速逐漸增大到一定數(shù)值時，有色細當開大閥門使水流速逐漸增大到一定數(shù)值時，有色細流便出現(xiàn)波動而成波浪形細線，并且不規(guī)則地波動；流便出現(xiàn)波動而

39、成波浪形細線，并且不規(guī)則地波動； q速度再增，細線的波動加劇，整個玻璃管中的水呈現(xiàn)速度再增，細線的波動加劇，整個玻璃管中的水呈現(xiàn)均勻的顏色。顯然，此時流體的流動狀況已發(fā)生了顯著均勻的顏色。顯然，此時流體的流動狀況已發(fā)生了顯著地變化。地變化。 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 流體流動狀態(tài)類型流體流動狀態(tài)類型過渡流過渡流： 流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關。過渡流不是一種或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關。過渡流不是一種流型。流型。q湍

40、流湍流(turbulent flow)或紊流或紊流: 當流體在管道中流動時，流體質點除了沿著管道向前流動外，各質點的當流體在管道中流動時，流體質點除了沿著管道向前流動外，各質點的運動速度在大小和方向上都會發(fā)生變化，質點間彼此碰撞并互相混合，這種運動速度在大小和方向上都會發(fā)生變化，質點間彼此碰撞并互相混合，這種流動狀態(tài)稱為湍流或紊流。流動狀態(tài)稱為湍流或紊流。q層流層流(laminar flow)或滯流或滯流(viscous flow): 當流體在管中流動時，若其質點始終沿著與管軸平行的方向作直線運當流體在管中流動時，若其質點始終沿著與管軸平行的方向作直線運動，質點之間沒有遷移，互不混合，整個管的

41、流體就如一層一層的同心圓動，質點之間沒有遷移，互不混合，整個管的流體就如一層一層的同心圓筒在平行地流動。筒在平行地流動。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 影響流體流動類型的因素：影響流體流動類型的因素：流體的流速流體的流速u ；管徑管徑d；流體密度流體密度；流體的粘度流體的粘度。 u u、d d、越大，越大，越小，就越容易從層流轉變?yōu)橥脑叫。驮饺菀讖膶恿鬓D變?yōu)橥牧?。流。上述中四個因素所組成的復合數(shù)群上述中四個因素所組成的復合數(shù)群du/，是判斷流體流，是判斷流體流動類型的準則。動類型的準則。 這數(shù)群稱為這數(shù)群稱為雷諾準數(shù)或

42、雷諾數(shù)雷諾準數(shù)或雷諾數(shù)( (Reynolds number)Reynolds number)，用用ReRe表示。表示。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 2 2 流型的判據(jù)流型的判據(jù) du Re 0002233smkgsmm/skgkg/mm/smsPakg/mm/smRe ud層流（層流（Laminar Flow）：）：Re 4000；2000 Re 4000時，有時出現(xiàn)層流，有時出現(xiàn)湍流，或者是時，有時出現(xiàn)層流，有時出現(xiàn)湍流，或者是二者交替出現(xiàn)，為外界條件決定，稱為過渡區(qū)。二者交替出現(xiàn)，為外界條件決定，稱為過渡區(qū)。流型只

43、有兩種：流型只有兩種：層流和湍流層流和湍流。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 0003)()()(ReTMLTLMLMTLLdu雷諾準數(shù)的因次雷諾準數(shù)的因次 ReRe數(shù)是一個無因次數(shù)群。數(shù)是一個無因次數(shù)群。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 3 3 雷諾數(shù)的物理意義雷諾數(shù)的物理意義粘性力粘性力慣性力慣性力）（ duuudu Re質量流速質量流速單位時間通過單位截面積的動量。單位時間通過單位截面積的動量。223222mm/skgmskgmu2222mm/s

44、kgmmm/ssm/skgdu單位面積上流體粘性力單位面積上流體粘性力的大小的大小 當當Re較大時，流體的慣性力大于粘性力，占主導地位，較大時，流體的慣性力大于粘性力，占主導地位，流體的湍動程度大，流體流動形態(tài)為湍流；而當流體的湍動程度大，流體流動形態(tài)為湍流；而當Re較小時，較小時，流體的粘性力大于慣性力，占主導地位，流體的湍動程度小流體的粘性力大于慣性力，占主導地位，流體的湍動程度小，流體流動狀態(tài)為層流；即，流體流動狀態(tài)為層流；即Re越大，流體湍動程度越大。越大，流體湍動程度越大。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 圖圖1

45、-16速度分布速度分布：流體流動時，管截面上質點的軸向速度沿半徑的流體流動時，管截面上質點的軸向速度沿半徑的變化。流動類型不同，速度分布規(guī)律亦不同。變化。流動類型不同，速度分布規(guī)律亦不同。 一、流體在圓管中層流時的速度分布一、流體在圓管中層流時的速度分布 由實驗可以測得層流流動時的速度分布，如圖所示。由實驗可以測得層流流動時的速度分布，如圖所示。速度分布為拋物線形狀。速度分布為拋物線形狀。管中心的流速最大；管中心的流速最大；速度向管壁的方向漸減；速度向管壁的方向漸減；靠管壁的流速為零；靠管壁的流速為零；平均速度為最大速度的一半。平均速度為最大速度的一半。 流體在圓管內的速度分布流體在圓管內的速

46、度分布石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 實驗證明，層流速度的拋物線分布規(guī)律要流過一段實驗證明，層流速度的拋物線分布規(guī)律要流過一段距離后才能充分發(fā)展成拋物線的形狀。距離后才能充分發(fā)展成拋物線的形狀。 當液體深入到一定距離之后，管中心的速度等于平均速度的兩倍時，當液體深入到一定距離之后，管中心的速度等于平均速度的兩倍時，層流速度分布的拋物線規(guī)律才算完全形成。尚未形成層流拋物線規(guī)律的這層流速度分布的拋物線規(guī)律才算完全形成。尚未形成層流拋物線規(guī)律的這一段，稱為一段，稱為層流起始段層流起始段。X X0 00.05dRe0.05dRe

47、 X0滯流邊界層滯流邊界層石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering RurP1FP2ul1122 如圖所示，流體在半徑為如圖所示，流體在半徑為R R 的水平管中作穩(wěn)定流動。在的水平管中作穩(wěn)定流動。在流體中取一段長為流體中取一段長為 l l，半徑為，半徑為r r的流體圓柱體。在水平方向作的流體圓柱體。在水平方向作用于此圓柱體的力有兩端的總壓力用于此圓柱體的力有兩端的總壓力( (P P1 1-P-P2 2) )及圓柱體周圍表面及圓柱體周圍表面上的內摩擦力上的內摩擦力F F。1. 速度分布方程式速度分布方程式石油化工學院石油化工學院-D

48、epartment of Petrochemical Engineering 作用于圓柱體兩端的總壓力分別為作用于圓柱體兩端的總壓力分別為P1r2p1P2r2p2式中的式中的p1、p2分別為左、右端面上的壓強，分別為左、右端面上的壓強，N/m2。式中的負號表示流速沿半徑增加的方向而減小。式中的負號表示流速沿半徑增加的方向而減小。drdu流體作層流流動時內摩擦力服從牛頓粘性定律，即流體作層流流動時內摩擦力服從牛頓粘性定律，即石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 作用于流體圓柱體周圍表面作用于流體圓柱體周圍表面2rl上的內摩擦力為

49、上的內摩擦力為 drdurlAF)2(由于流體作等速流動，根據(jù)牛頓第二定律，這些力的合力等于零。由于流體作等速流動，根據(jù)牛頓第二定律，這些力的合力等于零。故故式中式中 p 兩端的壓力差兩端的壓力差(p2p1)。 rlpdrdu221PPF即即石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering crulp24rdrdulp2利用管壁處的邊界條件，利用管壁處的邊界條件，rR時，時，u0 。可得?？傻?4Rclp（1-36）)(224rRulp積分積分石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Enginee

50、ring 式式(1-36)(1-36)為速度分布微分方程式。由此式可知，為速度分布微分方程式。由此式可知，速度分布為拋物線形狀。速度分布為拋物線形狀。（1-36）)(224rRulp當當r =0 時，有時，有24maxRulp石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering （1 1）層流的速度分布與平均速度）層流的速度分布與平均速度層流時管內速度分布層流時管內速度分布)1 (22maxRruuumaxR層流時的速度分布層流時的速度分布平均速度平均速度max21uu 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochem

51、ical Engineering drrRrdrruudSdVlp)(2)2(224lpRRlprVdrrRdVV80224204)()(224rRulpSuV RdrruRurP1FP2l11222. 流量流量石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering max21822842uulpRRRVlpR232dlupAF哈根哈根-泊謖葉方程泊謖葉方程3. 平均流速平均流速石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 湍流：除沿軸向的運動外，在徑向上還有瞬時脈湍流：除沿軸向的運動

52、外，在徑向上還有瞬時脈動，從而產生漩渦。動，從而產生漩渦。uiuiui12三、流體在圓管中湍流時的速度分布三、流體在圓管中湍流時的速度分布石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 其中其中n = 610與流體的流動狀態(tài)有關，與流體的流動狀態(tài)有關，Re越大，越大，n 也越大也越大 。10102 . 3Re7102 . 3Re101 . 16101 . 1Re10466554 nnn時，時，時，時，時，時，湍流時的速度分布湍流時的速度分布drruumaxnRruu1max1速度分布速度分布湍流的速度分布目前還沒有理論推導，但有經(jīng)驗公式

53、。湍流的速度分布目前還沒有理論推導，但有經(jīng)驗公式。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 1 2 速度分布有兩個區(qū)域：速度分布有兩個區(qū)域： 中心中心(較平坦較平坦); 近管壁近管壁(速度梯度很大速度梯度很大); u壁壁=0.3 近管壁有層流底層近管壁有層流底層；4 中間為湍流區(qū)；中間為湍流區(qū)；5 u越大，層流底層越??；越大，層流底層越??； ；6 起始段：起始段：特點：特點：湍流湍流滯流滯流石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 流體作湍流流動時的剪應力流體作湍流流

54、動時的剪應力dydue)(1 與流向垂直的脈動速度使得流體產生渦流粘性。與流向垂直的脈動速度使得流體產生渦流粘性。 湍流流體內部產生的剪應力湍流流體內部產生的剪應力等于分子粘性（層流等于分子粘性（層流粘性）產生的剪應力粘性）產生的剪應力1和渦流產生的剪應力和渦流產生的剪應力e之和，之和，即即石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 4. 4. 邊界層及邊界層脫體邊界層及邊界層脫體（1 1）邊界層及其形成）邊界層及其形成（a）u（b）u（c）u（d）u平壁上邊界層的形成平壁上邊界層的形成石油化工學院石油化工學院-Department

55、 of Petrochemical Engineering 層流邊界層層流邊界層湍流邊界層湍流邊界層層流底層層流底層緩沖層緩沖層 層流邊界層與湍流邊界層層流邊界層與湍流邊界層 管內邊界層的形成及發(fā)展管內邊界層的形成及發(fā)展L0石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering （2 2）邊界層分離）邊界層分離0u倒流倒流圖圖1-25 邊界層分離示意圖邊界層分離示意圖旋渦旋渦ABC分離點分離點SS由上述可知：由上述可知： 流道擴大時必造成逆壓強梯度；流道擴大時必造成逆壓強梯度； 逆壓強梯度容易造成邊界層的分離；逆壓強梯度容易造成邊界層的分離；

56、邊界層分離造成大量旋渦，大大增加機械能消耗。邊界層分離造成大量旋渦，大大增加機械能消耗。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 流體對球體或圓柱體的繞流會產生邊界層分離現(xiàn)象，形流體對球體或圓柱體的繞流會產生邊界層分離現(xiàn)象，形成旋渦，造成機械能損耗，表現(xiàn)為流體的阻力損失增大。這成旋渦，造成機械能損耗，表現(xiàn)為流體的阻力損失增大。這種阻力稱為種阻力稱為形體阻力形體阻力。而流體沿管道流過因速度梯度產生剪。而流體沿管道流過因速度梯度產生剪應力所引起的流動阻力稱為應力所引起的流動阻力稱為表皮阻力表皮阻力（或（或摩擦阻力摩擦阻力）。）。 若流

57、體所經(jīng)過的流道有彎曲、有突然擴大或縮小，流體若流體所經(jīng)過的流道有彎曲、有突然擴大或縮小，流體流經(jīng)管件、閥門等地方，同樣會出現(xiàn)邊界層分離，產生旋渦，流經(jīng)管件、閥門等地方，同樣會出現(xiàn)邊界層分離，產生旋渦，引起能量損耗。故在流體輸送中應設法避免或減輕邊界層分引起能量損耗。故在流體輸送中應設法避免或減輕邊界層分離造成的阻力損失。但邊界層分離對傳熱及混合，卻有促進離造成的阻力損失。但邊界層分離對傳熱及混合，卻有促進作用，有時也要加以利用。作用，有時也要加以利用。石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工學院石油化工學院-Depart

58、ment of Petrochemical Engineering 本節(jié)是在上節(jié)討論管內流體流動現(xiàn)象基本節(jié)是在上節(jié)討論管內流體流動現(xiàn)象基礎上，進一步討論柏努利方程式中能量損失礎上，進一步討論柏努利方程式中能量損失的計算方法。的計算方法。 第五節(jié)第五節(jié) 流體流動的阻力流體流動的阻力 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 組成組成：由由管、管件、閥門管、管件、閥門以及以及輸送機械輸送機械等組成的。等組成的。作用作用：將生產設備連接起來，擔負輸送任務。：將生產設備連接起來，擔負輸送任務。 當流體流經(jīng)管和管件、閥門時，為克服流動阻力當

59、流體流經(jīng)管和管件、閥門時，為克服流動阻力而消耗能量。因此，在討論流體在管內的流動阻力時，而消耗能量。因此，在討論流體在管內的流動阻力時，必需對管、管件以及閥門有所了解。必需對管、管件以及閥門有所了解。一、管路系統(tǒng)一、管路系統(tǒng) 石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 分類分類：按材料：鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬、塑料管及橡膠管等；按材料：鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬、塑料管及橡膠管等；按加工方法按加工方法：鋼管又有有縫與無縫之分；鋼管又有有縫與無縫之分；按顏色：按顏色：有色金屬管又可分為紫鋼管、黃銅管、鉛管及鋁管等。有色

60、金屬管又可分為紫鋼管、黃銅管、鉛管及鋁管等。表示方法表示方法：AAB B，其中，其中A A指管外徑，指管外徑，B B指管壁厚度，指管壁厚度，如如1081084 4即管外徑為即管外徑為108mm108mm，管壁厚為，管壁厚為4mm4mm。1. 管子管子(pipe)石油化工學院石油化工學院-Department of Petrochemical Engineering 作用作用：改變管道方向改變管道方向(彎頭彎頭); 連接支管連接支管(三通三通);改變管徑改變管徑(變形管變形管);堵塞管道堵塞管道(管堵管堵)。螺旋接頭螺旋接頭卡箍接頭卡箍接頭彎頭彎頭三通三通變形管變形管管件管件：管與管的連接部件。