環(huán)境工程學(xué)原理完整版ppt課件全冊(cè)電子教案

環(huán)境工程學(xué)原理

316頁完整版課件第一章緒論化學(xué)工程及其發(fā)展1課程的任務(wù)、性質(zhì)與內(nèi)容4物料衡算與能量衡算3單位制與單位換算環(huán)境治理中的化學(xué)工程技術(shù)25化學(xué)工程及其發(fā)展1.1化學(xué)工程

化工生產(chǎn)：以化學(xué)變化或化學(xué)處理為主要特征的工業(yè)生產(chǎn)過程?；瘜W(xué)工程：研究化學(xué)工業(yè)和其他過程工業(yè)(processindustry)生產(chǎn)中所進(jìn)行的化學(xué)過程和物理過程共同規(guī)律的一門工程學(xué)科。前處理過程原料與反應(yīng)物的提純、精制等后處理過程反應(yīng)產(chǎn)物的提純、精制等化學(xué)反應(yīng)過程1化學(xué)工程及其發(fā)展化工過程中所包括的步驟，一般地可以分成兩類。（1）以化學(xué)反應(yīng)為主，通常為化工生產(chǎn)的核心內(nèi)容，涉及具體的化學(xué)反應(yīng)過程及化學(xué)反應(yīng)所要求的設(shè)備（反應(yīng)器）。（2）物理過程。高壓聚乙烯生產(chǎn)流程示意圖1化學(xué)工程及其發(fā)展1.2單元操作

流體輸送與壓縮、沉降、過濾、換熱（加熱和冷卻）、蒸餾、吸收、蒸發(fā)、萃取、結(jié)晶、干燥等這些基本的物理過程稱為單元操作.

單元操作有下列特點(diǎn)：均為物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或物理性質(zhì)，不改變其化學(xué)性質(zhì)；是化學(xué)工業(yè)和其他過程工業(yè)生產(chǎn)中共有的操作不同工藝過程中的同一種單元操作具有相同的基本原理和通用的典型設(shè)備.化學(xué)反應(yīng)過程(物理過程)單元操作(物理過程)單元操作原料化工生產(chǎn)過程產(chǎn)品1化學(xué)工程及其發(fā)展1.3化學(xué)工程的發(fā)展概況化學(xué)工程生產(chǎn)的工藝學(xué)較完整的生產(chǎn)工藝

原始的作坊生產(chǎn)

20世紀(jì)初李特爾首先提出“化工單元操作”麻省理工學(xué)院率先開出“化工原理”19世紀(jì)的90年代形成專門研究某一工藝生產(chǎn)的工藝學(xué)始于18世紀(jì)生產(chǎn)酸\堿\鹽的無機(jī)化學(xué)工業(yè)原始落后的作坊生產(chǎn)1環(huán)境治理中化學(xué)工程技術(shù)2.1環(huán)境問題與環(huán)境科學(xué)2環(huán)境問題指因自然變化或人類活動(dòng)而引起的環(huán)境破壞和環(huán)境質(zhì)量變化,以及由此給人類的生存和發(fā)展帶來的不利影響.環(huán)境污染人類在生產(chǎn)和生活中排出的廢棄物和余能進(jìn)入環(huán)境,積累到—定種度,從而產(chǎn)生了對(duì)人類不利的影響.環(huán)境科學(xué)研究人類社會(huì)發(fā)展活動(dòng)與環(huán)境演化規(guī)律之間相互作用關(guān)系;尋求人類社會(huì)與環(huán)境協(xié)同演化,持續(xù)發(fā)展途徑與方法的科學(xué);由多學(xué)科到跨學(xué)科的龐大科學(xué)體系組成的新興學(xué)科;介于自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)之間的邊際學(xué)科.

環(huán)境治理中的化學(xué)工程技術(shù)2.2環(huán)境凈化與污染控制技術(shù)原理2隔離技術(shù)：將污染物或污染介質(zhì)隔離，從而切斷污染物向周圍環(huán)境的擴(kuò)散途

徑，防止污染進(jìn)一步擴(kuò)大；分離技術(shù)：利用污染物與污染介質(zhì)或其它污染物在物理化學(xué)性質(zhì)上的差異使

其與介質(zhì)分離，從而達(dá)到污染物去除或回收利用的目的；轉(zhuǎn)化技術(shù)：利用化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì)或易于分離

的物質(zhì)，從而使污染介質(zhì)得到凈化與處理。

課程的任務(wù)與性質(zhì)及其內(nèi)容

3.1課程的任務(wù)與性質(zhì)課程任務(wù)

研究單元操作的基本原理、典型設(shè)備的構(gòu)造及工藝尺寸的計(jì)算或選型課程性質(zhì)

在高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)及物理化學(xué)等課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的一門基礎(chǔ)技術(shù)課程；在處理實(shí)際問題時(shí)應(yīng)具有工程技術(shù)的觀點(diǎn)。理論上的可行性生產(chǎn)上的現(xiàn)實(shí)性技術(shù)上的先進(jìn)性經(jīng)濟(jì)上的合理性

3

課程的任務(wù)與性質(zhì)及其內(nèi)容

3.2課程的主要內(nèi)容3.2.1流體動(dòng)力過程

研究流體的流動(dòng)及流體和與之接觸的固體間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本規(guī)律，以及主要受這些基本規(guī)律支配的若干單元操作。3.2.2熱過程

研究傳熱的基本規(guī)律，以及主要受這些基本規(guī)律支配的若干單元操作，如熱交換、蒸發(fā)等。3.2.3傳質(zhì)過程 研究物質(zhì)通過相界面的遷移過程的基本規(guī)律，以及主要受這些基本規(guī)律支配的若干單元操作，如氣體吸收、液體的蒸餾等。

3

課程的任務(wù)與性質(zhì)及其內(nèi)容

3.3課程學(xué)習(xí)注意事項(xiàng)物料衡算及能量衡算是本課程常用的手段過程平衡關(guān)系和速率關(guān)系是研究各種單元操作過程 原理的基本內(nèi)容

單元操作進(jìn)行的方式間歇過程與不穩(wěn)定操作

每次操作之初向設(shè)備投入—批原料，經(jīng)過一番處理之后，排出全部產(chǎn)物，再重新投抖；操作設(shè)備內(nèi)，同一位置上物料的組成、溫度、壓強(qiáng)、流速等參數(shù)都隨時(shí)間而改變。連續(xù)過程與穩(wěn)定操作原料不斷地從設(shè)備一端送入，產(chǎn)品不斷地從另一端排出；操作的設(shè)備內(nèi)的任一固定位置上，物料的組成、溫度、壓強(qiáng)、流速等參數(shù)一般不隨時(shí)間而改變。3上課要求與成績?cè)u(píng)定

物料衡算與能量衡算

4.1物料衡算依據(jù)質(zhì)量守恒定律

向設(shè)備輸入的物料質(zhì)量減去從設(shè)備輸出的物科質(zhì)量必等于積累在設(shè)備里的物料質(zhì)量計(jì)算通式

累積物料量=總進(jìn)口量-總出口量

Σmi-Σmo＝mA

適用范圍4(1)任何指定的空間范圍；(2)過程所涉及的全部變化：無化學(xué)變化:混合物任一組分平衡有化學(xué)變化:各元素平衡(3)可適用間歇和連續(xù)操作：

間歇操作： mA≠0

連續(xù)穩(wěn)定操作： mA＝0

物料衡算與能量衡算

衡算基準(zhǔn)

4(1)間歇操作：一次(一批)操作為基準(zhǔn)(2)連續(xù)過程：單位時(shí)間為基準(zhǔn)單位時(shí)間流過的物料量稱為質(zhì)量流量，用符號(hào)表示,這時(shí)的表達(dá)式為

連續(xù)穩(wěn)定操作

物料衡算與能量衡算

物料衡算步驟

4(1)繪簡圖：方框表設(shè)備,箭頭表輸入輸出物流方向,箭頭旁注明條件.(2)定基準(zhǔn)： 間歇操作：以一批物料為基準(zhǔn)； 連續(xù)操作：以單位時(shí)間為基準(zhǔn)。(3)劃范圍：其邊界要與待計(jì)算的物流相交(4)列算式(把穿越系統(tǒng)邊界的各股物料逐項(xiàng)列出計(jì)算)：總物料衡算式，1個(gè)某組分物料衡算式，N-1個(gè)

物料衡算與能量衡算

物料衡算舉例

4例1:已知原料液流量為1000kg/h,含20％KNO3,進(jìn)入蒸發(fā)器,蒸出水分Wkg/h,濃縮液為Skg/h,含KNO350％進(jìn)入結(jié)晶器，結(jié)晶產(chǎn)品為Pkg/h，含96％KNO3，循環(huán)母液Rkg/h,含37.5％KNO3，回到蒸發(fā)器再循環(huán)，求W,S,P,R各為多少kg/h？蒸發(fā)器結(jié)晶器1000kg/h20％KNO3Wkg/hSkg/h50％KNO3Pkg/h96％KNO3Rkg/h37.5％KNO3IIIIII解：1.繪簡圖：

物料衡算與能量衡算

42.定基準(zhǔn)：1h3.劃范圍：范圍I，II，III見圖4.列算式：

方框I：總物料：1000=W+PKNO3組分:1000×0.2=W×0+P×0.96W=791.7kg/hP=208.3kg/h

方框II：總物料：S=P+RKNO3組分:S×0.5=P×0.96+R×0.375S=974.8kg/hR=766.5kg/h思考：比較R流股在I內(nèi)外的情況有何不同？

I，III或II，III范圍列算式時(shí)計(jì)算結(jié)果有何不同？

物料衡算與能量衡算

4.2熱量衡算依據(jù)能量守恒定律

進(jìn)入系統(tǒng)的總熱量=同一時(shí)間內(nèi)排除系統(tǒng)的總熱量

物料所帶熱量稱為焓，單位(H,kJ/kg)焓值為一相對(duì)值，且與狀態(tài)有關(guān)，故熱量衡算時(shí)必須規(guī)定

基準(zhǔn)溫度和基準(zhǔn)狀態(tài)通?；鶞?zhǔn)選273K液態(tài)(即此時(shí)H＝0)。當(dāng)系統(tǒng)與外界存在溫度差時(shí)，熱量會(huì)通過設(shè)備外殼、管壁由系統(tǒng)向外界散失或由外界傳入系統(tǒng)，稱熱損失QL.

計(jì)算通式衡算方法

同物料衡算4ΣQI

∑(H)I——伴隨各股輸入物料進(jìn)入系統(tǒng) 的總熱(焓)流量,KJ或kWΣQO

∑(H)O——伴隨各股輸出物料離開系統(tǒng) 的總熱(焓)流量,KJ或kW QＬ——系統(tǒng)向環(huán)境散失熱量(注意正負(fù)),m

KJ或kW顯熱潛熱(相變熱)

物料衡算與能量衡算

計(jì)算舉例4在換熱器中將平均比熱為3.56kJ/(kg.℃)的某種溶液自25℃加熱到80℃,溶液流量為1.0kg/s。加熱介質(zhì)為120℃的飽和水蒸汽,其消耗量為0.095kg/s,蒸汽冷凝成同溫度的飽和水后排出。試計(jì)算換熱器的熱損失占水蒸汽所提供熱量的百分?jǐn)?shù)。換熱器25℃溶液1.0kg/s80℃溶液1.0kg/s120℃飽和水蒸汽0.095kg/s120℃飽和水0.095kg/s解：

1.繪簡圖2.定基準(zhǔn)：1s，0℃，液體3.劃范圍：以換熱器為衡算范圍QL

物料衡算與能量衡算

44.列算式：

查水蒸汽數(shù)據(jù)：120℃飽和水蒸汽H=2708.9kJ/kg

120℃飽和水 H=503.67kJ/kg,則：

1.0×3.56×(25-0)+0.095×2708.9=1.0×3.56×(80-0)+0.095×503.67+QLQL=13.70kW水蒸汽提供熱量：

Q=0.095×(2708.9-503.67)＝209.5kW∴熱損失百分?jǐn)?shù)＝13.70/209.5=6.54％

單位制與量綱

5.1單位與單位制物理量的大小=數(shù)值×單位物理量的單位與數(shù)字應(yīng)一并納入運(yùn)算5.1.1基本概念

基本量：預(yù)先選定的物理量(如長度、時(shí)間等) 基本單位：基本量的單位 導(dǎo)出量：單位由基本單位所決定的物理量（如速度、加速度等） 導(dǎo)出單位:導(dǎo)出量的單位，由基本單位相互乘、除而構(gòu)成.

單位制：基本單位與導(dǎo)出單位的總和.

5.1.2過去常見的單位制

5

單位制與量綱

5.1.3國際單位制（SI）(1960年10月第11屆國際計(jì)量大會(huì))

基本量與基本單位（總7個(gè)）：長度:m；時(shí)間:s；質(zhì)量:kg；電磁強(qiáng)度:A(安培);熱力學(xué)溫度:K發(fā)光強(qiáng)度:cd(坎德拉);物質(zhì)量:mol(摩爾).輔助量(2個(gè)) 平面角:rad(弧度);立體角:sr(球面度)SI制的特點(diǎn)：(1)通用性在自然科學(xué)、工程技術(shù)乃至國民經(jīng)濟(jì)各部門中，所有物理量的單位都可由上述七個(gè)基本單位和兩個(gè)輔助量導(dǎo)出;(2)一貫性任何一個(gè)SI導(dǎo)出單位在由上述七個(gè)基本單位相乘或相除而導(dǎo)出時(shí),都不需引入比例系數(shù),且SI中每種物理量只有一個(gè)單位。例如，熱和功是本質(zhì)相同的物理量(能量)重力單位制中：熱的單位是Kcal，功的單位是kgf.m，熱功當(dāng)量1kcal＝427kgf.mSI制中：熱、功、能三者的單位都采用J(焦耳),轉(zhuǎn)換時(shí)無需換取因數(shù)。

5

單位制與量綱

5.2量綱與無量綱

量綱：將一個(gè)物理導(dǎo)出量用若干個(gè)基本量的乘方之積表示出來的 表達(dá)式,稱為該物理量的量綱式，簡稱量綱,又稱為因次.

5例如速度v=ds/dt量綱：L.T-1無量綱：所有量綱指數(shù)都等于零的量,其量綱積或量綱為A0B0C0…=1這樣的量稱之為無量綱量或無因次.環(huán)境工程學(xué)基礎(chǔ)主講教師 完整版課件第二章流體流動(dòng)流體靜力學(xué)1流體在管內(nèi)的流動(dòng)2流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)管路計(jì)算與流量測量345流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力概述0.1流體的概念

液體和氣體統(tǒng)稱為流體.

流體的三大特征1具有流動(dòng)性,即其抗剪和抗張的能力很小.2無固定形狀,隨容器的形狀而變化.3在外力作用下其內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng).概述0.2流體流動(dòng)的基本原理及規(guī)津在過程工業(yè)中的應(yīng)用 流體的輸送（1）管路直徑的確定與布置;（2）輸送設(shè)備的選擇計(jì)算.

壓強(qiáng)、流速和流量的測量

測量流體壓強(qiáng)、流速及流量等參數(shù)儀表的操作原理多以流體靜止或流動(dòng)規(guī)律為依據(jù)

為強(qiáng)化設(shè)備提供適宜的流動(dòng)條件

概述0.3連續(xù)介質(zhì)概念

流體的微觀組成

流體是由大量彼此間有一定間隙的單個(gè)分子所組成。物理化學(xué)（氣體分子運(yùn)動(dòng)論）是考察單個(gè)分子的微觀運(yùn)動(dòng)，分子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的、不規(guī)則的混亂運(yùn)動(dòng)，在某一方向上有時(shí)有分子通過，有時(shí)沒有.

質(zhì)點(diǎn)的概念 不考慮形狀和大小，并將質(zhì)量看成集中在一點(diǎn)的物體；一物體能 否當(dāng)成質(zhì)點(diǎn)看待是相對(duì)而言的.

流體質(zhì)點(diǎn)的定義

質(zhì)點(diǎn)是指一個(gè)含有大量分子的流 體微團(tuán),其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸, 但比起分子自由路程卻要大的多.概述

流體的連續(xù)性假設(shè)注意：在絕大多數(shù)情況下流體的連續(xù)性假設(shè)是成立的，只是高真空稀薄氣體的情況下連續(xù)性假定不成立.1流體是由大量質(zhì)點(diǎn)組成,彼此間沒有間隙,完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì).2流體的物性及運(yùn)動(dòng)等參數(shù)在空間作連續(xù)分布.3流體可以使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具加以描述..概述0.4可壓縮性流體與不可壓縮性流體可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化，εv≠0如氣體；不可壓縮流體：流體的體積不隨壓力變化而變化，εv=0如液體.流體的壓縮性

當(dāng)作用在流體上的外力增大時(shí)，其體積減小的特性壓縮性系數(shù)壓縮性系數(shù)εv值越大流體越容易壓縮概述1.1流體的密度1.1.1定義單位體積流體的質(zhì)量稱為流體的密度,kg.m-3

流體靜力學(xué)1流體靜力學(xué)是研究流體在靜止?fàn)顟B(tài)下平衡的規(guī)律，實(shí)際上是流體在重力和外力作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),其內(nèi)部壓力變化的規(guī)律.——所考察流體的體積

——所考察流體的質(zhì)量流體內(nèi)部某點(diǎn)的密度

1.1.2流體密度的影響因素

1、氣體的密度

可壓縮流體

流體靜力學(xué)1壓強(qiáng)p溫度t注：討論氣體密度時(shí)必須標(biāo)明其狀態(tài)(溫度與壓力)2、液體的密度

不可壓縮流體一般地溫度t注：液體為不可壓縮性流體，壓力對(duì)其密度影響較小，可忽略；但溫度對(duì)其密度影響較大。討論液體時(shí)，通常要表明其溫度。1.1.3流體密度的確定方法

流體靜力學(xué)1流體的密度純物質(zhì)密度混合物密度1、純物質(zhì)的密度液體的密度

一般地根據(jù)溫度查手冊(cè)確定氣體的密度方法一根據(jù)溫度和壓力查手冊(cè)確定

方法二根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算

前提氣體壓力不太高,溫度不太低時(shí),可視為理想氣體.p—?dú)怏w壓強(qiáng)(絕壓)KPaM—?dú)怏w摩爾質(zhì)量Kg/kmolT—?dú)怏w熱力學(xué)溫度,KR—摩爾氣體常數(shù),8.314kJ/kmol.K下標(biāo)“0”代表標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)

273K.101.325KPa

流體靜力學(xué)12、混合流體的密度液體混合物的密度計(jì)算依據(jù)：體積加合法i—液體混合物中純組分i的密度;wi—混合物中純組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為1(2)氣體混合物的密度方法一

利用質(zhì)量加合原理方法二

理想氣體狀態(tài)方程

i—?dú)怏w混合物中純組分i的密度;yi—混合物中純組分i的摩爾分?jǐn)?shù)各組分摩爾數(shù)之和為11.2流體的靜壓強(qiáng)1.2.1流體靜壓強(qiáng)的定義與特征

流體靜力學(xué)11、定義

流體垂直作用于單位面積上的壓力稱為流體的靜壓強(qiáng)，簡稱壓強(qiáng).2、流體靜壓強(qiáng)特征流體靜壓強(qiáng)垂直于作用面

從各個(gè)方向作用于同一點(diǎn)的流體靜壓強(qiáng)相等3、壓強(qiáng)的單位及單位換算1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH20=1.0133bar=1.0133×105Pa1kgf/cm2=10mH20=735.6mmHg=0.9807bar=9.807×104Pa1.2.2流體靜壓強(qiáng)的三種表示法及其測量儀表

流體靜力學(xué)11、絕對(duì)壓強(qiáng)

以絕對(duì)零壓作起點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)，稱為絕對(duì)壓強(qiáng)，是流體的真實(shí)壓強(qiáng)。2、表壓強(qiáng)

當(dāng)被測流體的絕對(duì)壓強(qiáng)大于外界大氣壓強(qiáng)時(shí)，所用的測壓儀表稱為壓強(qiáng)表。壓強(qiáng)表上的讀數(shù)表示被測流體的絕對(duì)壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值，稱為表壓強(qiáng)。

表壓強(qiáng)＝絕對(duì)壓強(qiáng)—大氣壓強(qiáng)3、真空度當(dāng)被測流體的絕對(duì)壓強(qiáng)小于外界大氣壓強(qiáng)時(shí),所用測壓儀表稱為真空表.

真空表上的讀數(shù)表示被測流體的絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的數(shù)值，稱為真空度.真空度＝大氣壓強(qiáng)—絕對(duì)壓強(qiáng)注意：真空度最大不能超過當(dāng)?shù)卮髿鈮骸?/p>

流體靜力學(xué)14、流體靜壓強(qiáng)的三種表示法間的相互關(guān)系

大氣壓線絕對(duì)零壓線表壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)真空度絕對(duì)壓強(qiáng)真空度=-表壓強(qiáng)真空度越高,絕壓越低;表壓越高,絕壓越高.對(duì)表壓強(qiáng)和真空度均應(yīng)加以標(biāo)注.如4KPa(表壓)1.3流體靜力學(xué)基本方程式

1.3.1方程式的推導(dǎo)

流體靜力學(xué)1垂直作用于液柱上的力(1)作用于上底面的壓力P1=p1A;(2)作用于下底面的壓力P2=p2A；(3)作用于整個(gè)液柱的重力1、取一流體單元進(jìn)行垂直方向的受力分析2、列出垂直方向力的平衡關(guān)系式(p1)P1W(p2)P2z1z20+P0ph適用條件只能用于重力場中靜止的連通著的同一種不可壓縮流體。1.3.2方程式的討論

流體靜力學(xué)11、當(dāng)p0一定時(shí)2、當(dāng)p0有改變時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓強(qiáng)p也發(fā)生同樣大小的改變.

在靜止的、連續(xù)的同一液體內(nèi),處于同一水平面上各點(diǎn)的壓強(qiáng)都相等，該平面稱為等壓面p0p0p0+△p3、變形的靜力學(xué)方程意義:壓強(qiáng)差或壓強(qiáng)的大小可用一定高度的液體柱來表示;當(dāng)用液柱高度表示壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差時(shí)，必須注明是何種液體.

流體靜力學(xué)1gz(gz)—單位體積(質(zhì)量)流體的位能p(p/)——單位體積(質(zhì)量)流體的靜壓能總勢(shì)能靜壓能與位能之和在同一靜止流體中，處于不同位置流體的位能和靜壓能各不相同，但二者可以轉(zhuǎn)換，其總和保持不變4、流體靜力學(xué)基本方程可用于氣體

因

故隨討論位置所處高度不同而不同，通常可忽略

計(jì)算時(shí)取平均值1.4流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用

1.4.1壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測量

流體靜力學(xué)1液柱壓差計(jì)以流體靜力學(xué)基本方程為依據(jù)的測壓儀器.用途：測量流體的壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差。種類：U管壓差計(jì)；管壓差計(jì)；單管壓差計(jì)；微差壓差計(jì)；復(fù)式壓差計(jì)等U1、U管壓差計(jì)

p1p2mRAA’(1)構(gòu)造是一根U形玻璃管,內(nèi)裝有液體作為指示液，要求：

指示液(A)與被測流體(B)不互溶;指示液與被測流體不起化學(xué)反應(yīng);指示液密度大于被測流體密度。

流體靜力學(xué)1p1p2mRAA'(2)測量方法與測量原理

設(shè)指示液的密度為0被測流體的密度為

A-A′面為等壓面，即(解題關(guān)鍵)所以整理得若被測流體是氣體，，則有而直接套用公式計(jì)算壓強(qiáng)差時(shí),對(duì)應(yīng)的管道必須水平放置.如管道傾斜一定角度放置,如何計(jì)算？

流體靜力學(xué)1(3)分析討論

U形壓差計(jì)不僅可測系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差，當(dāng)將U形管一端與被測點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也可測得流體的表壓或真空度.p1pap1pa表壓真空度U形壓差計(jì)安裝在傾斜管路中時(shí)讀數(shù)R所反映的物理意義p1p2z2RAA’z1U形壓差計(jì)讀數(shù)R所反映的實(shí)質(zhì)是所測兩點(diǎn)的總勢(shì)能差

流體靜力學(xué)1(3)分析討論

倒U形差壓計(jì)當(dāng)指示劑密度小于被測流體密度 時(shí)采用,如空氣作為指示劑.雙液體U管壓差計(jì)(微差壓差計(jì))具有兩個(gè)擴(kuò)大室，且擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10；裝有兩種密度接近但不互溶的指示液A和C，且C與被測液體B不互溶適用于壓差較小的場合

流體靜力學(xué)1(3)分析討論

斜管差壓計(jì)復(fù)式壓差計(jì)適用于壓差較小的場合讀數(shù)由R放大到R1適用于壓差較大的情況1.4.2液位的測量

流體靜力學(xué)11、近距離液位測量裝置

壓差計(jì)讀數(shù)R反映出容器內(nèi)的液面高度。液面越高,h越小,壓差計(jì)讀數(shù)R越小;當(dāng)液面達(dá)到最高時(shí),h為零,R亦為零.2、遠(yuǎn)距離液位測量裝置

AB

管道中充滿氮?dú)?，密度很小，近似認(rèn)為靜止

1.4.3液封高度的計(jì)算

流體靜力學(xué)1液封作用：確保設(shè)備安全：當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過規(guī)定值時(shí),氣體從液封管排出.防止氣柜內(nèi)氣體泄漏.液封高度

流體在管內(nèi)的流動(dòng)

2使流體流動(dòng)的原因位置差：高位→低位輸送設(shè)備低位→高位低壓→高壓設(shè)備間位置差設(shè)備間壓強(qiáng)差需提供的能量流體在管內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律連續(xù)性方程式柏努利方程式壓強(qiáng)差：高壓→低壓

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.1流量與流速

2.1.1流量單位時(shí)間內(nèi)流過管道任一截面的流體量稱為流量（或流率）1、體積流量qv

單位時(shí)間內(nèi)流過管道任一截面的流體體積,m3/s

2、質(zhì)量流量qm 單位時(shí)間內(nèi)流過管道任一截面的流體質(zhì)量,kg/s3、質(zhì)量流量與體積流量間的關(guān)系2ρ——流體的密度kg/m32.1.2流速單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流過的距離.1、平均流速uA——流體流經(jīng)管道的橫截面積，m2

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.1流量與流速

2.1.2流速2、質(zhì)量流速(又稱為質(zhì)量通量)w 單位時(shí)間內(nèi)流體流過管道單位截面積的質(zhì)量,kg/m2.s3、質(zhì)量流量與體積流量間的關(guān)系2ρ——流體的密度kg/m32.1.3管路直徑估算1、公式推導(dǎo)qv——生產(chǎn)任務(wù)給定u——計(jì)算的關(guān)鍵

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.1流量與流速

22.1.3管路直徑估算2、流速選擇

d管材用量基建費(fèi)阻力動(dòng)力消耗操作費(fèi)u

d管材用量基建費(fèi)阻力動(dòng)力消耗操作費(fèi)u兩種處理方法流體以大流量在長距離的管路中輸送時(shí),通過經(jīng)濟(jì)權(quán)衡來確定適宜的流速;流體以較小流量,或在短距離的管路中輸送時(shí)，管內(nèi)流速可選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù).費(fèi)用平均流速設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)總費(fèi)用

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.1流量與流速

22.1.3管路直徑估算應(yīng)熟記的常見流速范圍：液體：1～3m/s 氣體：10～25m/s2、流速選擇3、管子規(guī)格常用的兩種管子(1)水煤氣管：公稱直徑表示規(guī)格(接近內(nèi)徑的整數(shù))(2)無縫鋼管：尺寸表示法外徑×壁厚

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.2穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)2在流體流動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)，任一空間位置上的流量、流速、壓力和密度等物理參數(shù)，只隨空間位置的改變而改變，而不隨時(shí)間變化的流動(dòng)稱為穩(wěn)定流動(dòng)或定常態(tài)流動(dòng)。否則，為不穩(wěn)定流動(dòng)或非定常態(tài)流動(dòng)。

注意點(diǎn): (1)間歇操作對(duì)應(yīng)的流動(dòng)一定是不穩(wěn)定流動(dòng)；

(2)連續(xù)操作對(duì)應(yīng)的流動(dòng)可能是穩(wěn)定流體，也可能是不穩(wěn)定流動(dòng);

而生產(chǎn)中常見的是連續(xù)穩(wěn)定操作過程100kg/min(0.2%鹽水)2000kg10%鹽水)100kg/min鹽水間歇操作不穩(wěn)定流動(dòng)連續(xù)操作穩(wěn)定流動(dòng)連續(xù)操作不穩(wěn)定流動(dòng)

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.3連續(xù)性方程式

22.3.1方程式推導(dǎo)(物料衡算)前提條件：定常流動(dòng)系統(tǒng)，流體為連續(xù)介質(zhì)方法： (1)畫出流程簡圖

(2)衡算基準(zhǔn)：1s (3)確定衡算范圍 (4)列物料衡算方程連續(xù)性方程11’2’2

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.3連續(xù)性方程式

22.3.2方程式的討論圓形管

du

1、不可壓縮流體(液體)2、連續(xù)性方程式只適用于連續(xù)穩(wěn)定的流動(dòng)系統(tǒng)3、連續(xù)性方程式反映了在穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，質(zhì)量流量一定時(shí)，管路各截面上流速的變化規(guī)律.

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.4柏努利方程式—機(jī)械能衡算22.4.1方程式的導(dǎo)出流動(dòng)流體的能量內(nèi)能機(jī)械能位能動(dòng)能靜壓能內(nèi)能是貯存于流體內(nèi)部的能量，是由于原子與分子的運(yùn)動(dòng)及其相互作用存在的能量.機(jī)械能在流動(dòng)過程可以互相轉(zhuǎn)換，亦可轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄蛄黧w的內(nèi)能.但熱和內(nèi)能在流體流動(dòng)過程不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而用于流體輸送.

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.4柏努利方程式—機(jī)械能衡算22.4.1方程式的導(dǎo)出前提： ①定常流動(dòng)系統(tǒng)②不可壓縮流體

③1kg流體為基準(zhǔn)④壓力與密度為各截面均值1、流動(dòng)流體的總機(jī)械能(1)位能

流體在重力的作用，因其距離基準(zhǔn)面有一定高度而具有的能量,mgz

(是個(gè)相對(duì)值)

1kg流體于兩截面的位能gz1,gz2(J/kg)(2)動(dòng)能流體流動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)具有的能量

1kg流體于兩截面的動(dòng)能22'11'p1,u1,A1p2,u2,A2Z1Z2

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.4柏努利方程式—機(jī)械能衡算22.4.1流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算(3)靜壓能(壓強(qiáng)能)

流體因其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間相互作用而具有的能量質(zhì)量為m、體積為Vl

的流體通過截面1-1’

把該流體推進(jìn)此截面所需的力為p1A1,流體流過此截面所走的距離為V1/A1，則流體帶入系統(tǒng)的靜壓能為則1kg流體輸入的能量為

同理，1kg流體流體流出2-2’截面帶出的靜壓能為

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.4柏努利方程式—機(jī)械能衡算22.4.1方程式的導(dǎo)出2、流動(dòng)流體機(jī)械能衡算(1)理想流體的伯努利方程式

①理想流體無外功加入②

理想流體有外功加入22'11'p1,u1,A1p2,u2,A2Z1Z2輸送設(shè)備對(duì)1kg流體所做的功(J/kg)

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.4柏努利方程式—機(jī)械能衡算22.4.1方程式的導(dǎo)出2、流動(dòng)流體機(jī)械能衡算(2)實(shí)際流體的伯努利方程式

①實(shí)際流體無外功加入表示1kg流體從1-1’截面流到2-2’截面損失的能量(機(jī)械能)②實(shí)際流體有外功加入說明：(1)上述公式是不同情況下伯努利的不同表現(xiàn)形式

(2)方程式中的壓強(qiáng)可同取表壓或絕壓

(3)方程適用于穩(wěn)定過程與不穩(wěn)定過程的任一瞬間

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.4柏努利方程式—機(jī)械能衡算22.4.2伯努利方程式的討論1、理想流體無外功加入方程意義：1kg理想流體在各截面上所具有的總機(jī)械能守恒，但各種形式的機(jī)械能可相互轉(zhuǎn)換gH

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.4柏努利方程式—機(jī)械能衡算22.4.2伯努利方程式的討論2、伯努利方程為具有單位一致性的理論方程式方程中各項(xiàng)的單位均為J/kg，但所表示的含義不同：(1)gz,u2/2,p/

流體本身所具有的機(jī)械能;(2)流體流動(dòng)所消耗的能量(轉(zhuǎn)變成熱能);(3)Ee

輸送設(shè)備(外界)對(duì)1kg流體所作的有效功如已知流體流動(dòng)時(shí)的質(zhì)量流量qm(kg/s),則單位時(shí)間輸送設(shè)備對(duì)流體所做的有效功——有效功率(W)軸功率

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.4柏努利方程式—機(jī)械能衡算22.4.2伯努利方程式的討論3、柏努利方程適用于可壓縮性流體的條件p1,p2均指絕對(duì)壓強(qiáng)柏努利方程中的密度取均值4、靜止流體

u=0,Ee=0,

靜止是流體流動(dòng)的極限狀態(tài),流體靜力學(xué)基本方程是柏努利方程的特殊情況

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.4柏努利方程式—機(jī)械能衡算22.4.2伯努利方程式的討論5、不同衡算基準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的柏努利方程式(1)以1N流體為衡算基準(zhǔn)注意①各項(xiàng)單位均為長度單位m,其所表示的物理意義：單位重量流體所具有的機(jī)械能可以將其自身從基準(zhǔn)水平面升舉的高度.②Z,u2/2g,p/g,∑Hf

分別稱之為位壓頭,動(dòng)壓頭,靜壓頭和壓頭損失

He-輸送設(shè)備對(duì)流體所提供的有效壓頭(2)以單位體積流體為衡算基準(zhǔn)

各項(xiàng)化簡單位均為Pa，但并非代表壓強(qiáng)，代表的是能量

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.5柏努利方程式的應(yīng)用22.5.1應(yīng)用柏努利方程式解題的要點(diǎn)1.畫出流程簡圖(用細(xì)實(shí)線代表管路)

2.選取截面并確定衡算范圍截面應(yīng)與流向垂直；習(xí)慣上1-1’為上游截面,2-2’為下游截面；截面間流體必須連續(xù),截面間如有外功輸入,注意其在方程中的位置截面上(間)應(yīng)含有所求解的未知量,而其它量為已知量截面的選取要與相一致,并注意其是否包括出口能量損失為簡化計(jì)算認(rèn)為流體一旦流出管口,流速為零,動(dòng)能全部損失，這部分能量損失稱為出口阻力損失,值為u2/2

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.5柏努利方程式的應(yīng)用22.5.1應(yīng)用柏努利方程式解題的要點(diǎn)衡算范圍：1-1’截面至2-2’截面內(nèi)測流體沒有流出管子，流體具有動(dòng)能；1-1’至2-2’截面間的不包括出口阻力損失衡算范圍：1-1’截面至2-2’截面外測流體流出管子,流體動(dòng)能為零,1-1’至2-2’截面間的包括出口阻力損失其中3.基準(zhǔn)水平面的選取Z指基準(zhǔn)面到兩截面管中心的距離：基準(zhǔn)面上Z>0,基準(zhǔn)面下Z<0;基準(zhǔn)面通常通過兩截面中的一個(gè)4.方程中各項(xiàng)單位必須保持一致

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.5柏努利方程式的應(yīng)用22.5.2柏努利方程式的應(yīng)用1.確定管道中流體的流量(流體流量測量中詳細(xì)討論)2.確定容器間的相對(duì)位置如附圖所示，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。送液管為φ45×2.5mm的鋼管，要求送液量為3.6m3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為1.2m（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？3.確定輸送設(shè)備的有效功率4.確定管路中流體的壓強(qiáng)

流體在管內(nèi)的流動(dòng)2.5柏努利方程式的應(yīng)用2例某化工廠用泵將敞口堿液池中的堿液(密度為1100kg/m3)輸送至吸收塔頂,經(jīng)噴嘴噴出,如附圖所示.泵的入口管為φ108×4mm的鋼管,管中的流速為1.2m/s,出口管為φ76×3mm的鋼管.貯液池中堿液的深度為1.5m,池底至塔頂噴嘴入口處的垂直距離為20m.堿液流經(jīng)所有管路的能量損失為30.8J/kg(不包括噴嘴),在噴嘴入口處的壓力為29.4kPa(表壓).設(shè)泵的效率為60%,試求泵所需的功率.

流體在管內(nèi)的流動(dòng)200’11’2’2選1-1’和2-2’截面(內(nèi)側(cè))為衡算范圍取0-0’為基準(zhǔn)水平面列方程式解：Z1=1.5m;u1=0;p1=pa=0(表壓)Z2=20m;p2=29.4kPa(表壓)di=108-2×4=100mm=0.1m;ui=1.2m/s;d0=d2=76-2×3=70mm=0.07m;由連續(xù)性方程：環(huán)境工程學(xué)原理主講教師 完整版課件第二章流體流動(dòng)流體靜力學(xué)1流體在管內(nèi)的流動(dòng)2流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)管路計(jì)算與流量測量345流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力3.1牛頓粘性定律與流體的粘度3.1.1牛頓粘性定律

1、流體的粘性與粘滯力

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3流體的粘性：在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，流體所具有的抗拒內(nèi)在向前運(yùn)動(dòng)的特性.粘性是流動(dòng)性的反面流體在圓管內(nèi)分層流動(dòng)示意圖粘性力(粘性摩擦力或內(nèi)摩擦力)：運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力2、牛頓粘性定律平板間液體速度變化圖—內(nèi)摩擦應(yīng)力(剪應(yīng)力)單位而積上的內(nèi)摩擦力

—粘滯系數(shù)或動(dòng)力粘度,簡稱為粘度.其值隨流體不同而異,流體的粘性愈大,其值愈大.3.1牛頓粘性定律與流體的粘度3.1.2流體的粘度

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來，分析靜止流體的規(guī)律時(shí)無需考慮粘度這個(gè)因素.粘度是流體物理性質(zhì)之一,其值由實(shí)驗(yàn)測定,常用流體的粘度可查手冊(cè)粘度的影響因素.粘度

衡量流體粘性大小的物理量1、粘度動(dòng)力粘度(粘度)運(yùn)動(dòng)粘度定義式物理意義：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)力液體：t壓力變化基本不變(可忽略壓強(qiáng)的影響)氣體：t隨壓力增大而增大，但幅度很小，通常可忽略只在極高或極低的壓強(qiáng)下，才考慮壓強(qiáng)的影響④粘度的單位SI制：Pa.s物理單位制p(泊)、cp厘泊1cp=0.01P

1Pa.s=1000cp⑤理想流體的粘度

=03.1牛頓粘性定律與流體的粘度3.1.2流體的粘度

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)32、運(yùn)動(dòng)粘度定義式牛頓型流體服從牛頓粘性定律的流體所有氣體和大多數(shù)液體非牛頓型流體不服從牛頓粘性定律的流體某些高分子的溶液，膠體及泥漿SI制：m2/s粘度與密度的比值單位3、牛頓型流體與非牛頓型流體3.2流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)3.2.1流動(dòng)類型

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3雷諾實(shí)驗(yàn)(1883年)(1)流速較小時(shí)

清晰的細(xì)直線(a)(2)流速較大時(shí)

流體快速混合(c)(3)流速適中

波浪線(b)層流(或滯流)：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；湍流(或紊流):

流體質(zhì)點(diǎn)除沿管軸方向向前流動(dòng)外,還有徑向脈動(dòng),各質(zhì)點(diǎn)速度在大小和方向上都隨時(shí)變化,質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合.3.2流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)3.2.2流型判斷——雷諾準(zhǔn)數(shù)

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3Re≤2000流動(dòng)為層流，稱為層流區(qū);Re≥4000一般出現(xiàn)湍流，稱為湍流區(qū);2000<Re<4000流動(dòng)可能是層流或湍流,稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。當(dāng)流體在直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)準(zhǔn)數(shù)(無因次數(shù)群)

幾個(gè)有內(nèi)在聯(lián)系的物理量按無因此條件組合起來的數(shù)群Re計(jì)算時(shí)，各物理量必須采用統(tǒng)一的單位制3.3滯流與湍流(本質(zhì)區(qū)別的三方面體現(xiàn))3.3.1流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)31.層流(或滯流)流動(dòng)

質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線平行運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)互不碰撞、互不混合；2.湍流(或紊流)流動(dòng)(1)湍流的最基本特點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)速度脈動(dòng)及壓強(qiáng)脈動(dòng)(2)瞬時(shí)速度、時(shí)均速度與脈動(dòng)速度間的相互關(guān)系時(shí)均速度在某一段時(shí)間內(nèi)，流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過點(diǎn)i的瞬時(shí)速度的平均值定義式脈動(dòng)速度瞬時(shí)速度與時(shí)均速度的差值在穩(wěn)定系統(tǒng)中，流體做湍流流動(dòng)時(shí),管道截面上任一點(diǎn)的時(shí)均速度不隨時(shí)間而變(其它物理量的均值同理)，故湍流狀態(tài)的穩(wěn)定流動(dòng)指的是不同位置處的物理量的時(shí)均值不隨時(shí)間變化.3.3滯流與湍流(本質(zhì)區(qū)別的三方面體現(xiàn))3.3.2流體在圓管內(nèi)的速度分布

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)31.層流(或滯流)流動(dòng)

理論與實(shí)驗(yàn)均證實(shí)：流速沿管徑呈拋物線規(guī)律分布平均流速2.湍流(或紊流)流動(dòng)(時(shí)均速度)(1)中心扯平，呈非嚴(yán)格的拋物線規(guī)律分布

Re準(zhǔn)數(shù)越大,曲線頂部區(qū)域越廣闊平坦Re準(zhǔn)數(shù)增大滯流內(nèi)層厚度減薄(2)湍流時(shí)從管壁至管中心,流體可分為三層滯流(層流)內(nèi)層緩沖層(過渡層)湍流主體總規(guī)律：位置

管壁面管中心流速0max上述的速度分布曲線,僅在管內(nèi)流動(dòng)達(dá)到平穩(wěn)時(shí)才成立.在管入口處附近、管路拐彎、分支處和閥門等這些局部地方的速度分布不符合上述的規(guī)律。3.3滯流與湍流(本質(zhì)區(qū)別的三方面體現(xiàn))3.3.3流體在直管內(nèi)的流動(dòng)阻力

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)31.層流(或滯流)流動(dòng)流動(dòng)阻力來自流體本身所具有的粘性而引起的內(nèi)摩擦；對(duì)牛頓型流體，內(nèi)摩擦應(yīng)力的大小服從牛頓粘性定律

2.湍流(或紊流)流動(dòng)

總摩擦應(yīng)力=粘性摩擦應(yīng)力+湍流應(yīng)力流動(dòng)阻力流體粘性引起的內(nèi)摩擦；粘性摩擦應(yīng)力質(zhì)點(diǎn)碰撞與混合產(chǎn)生的附加阻力湍流切應(yīng)力(湍流應(yīng)力)仿照牛頓粘性定律—渦流粘度,單位與粘度單位同此式不是牛頓粘性定律與的區(qū)別流體的物性常數(shù)非流體物性常數(shù),與Re及位置有關(guān)的函數(shù)3.4邊界層及邊界層脫體3.4.1邊界層及其形成

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3邊界層

當(dāng)流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，由于流體具有粘性，在垂直于流體流動(dòng)方向上便產(chǎn)生了速度梯度；在壁面附近存在著較大速度梯度的流體層，稱為流動(dòng)邊界層，簡稱邊界層.沿壁面流動(dòng)流體的兩個(gè)區(qū)域邊界層區(qū):工程規(guī)定其外緣的流速u=0.99u;在此層du/dy顯著，粘性摩擦應(yīng)力較大，不可忽略。外流區(qū)(主流區(qū)):du/dy≈0,粘性摩擦應(yīng)力很小，可忽略不計(jì)。邊界層厚度3.4邊界層及邊界層脫體3.4.2邊界層的發(fā)展

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3流體在平板上的流動(dòng)滯流底層(內(nèi)層)湍流層緩沖層(過渡層)xc滯流邊界層區(qū):流動(dòng)類型為滯流的邊界層(位于平板前緣處x<xc)湍流邊界層區(qū):

流動(dòng)類型為湍流的邊界層(x>xc)3.4邊界層及邊界層脫體3.4.2邊界層的發(fā)展。流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3流體在圓形直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層粘性流體以均勻的流速流進(jìn)圓管后形成邊界層,隨著流體向前流動(dòng),邊界層逐漸增厚，其內(nèi)流速速逐漸減小，管中心部分的流速增加，速度分布側(cè)形隨之而變.在距管入口x0處,邊界層在管中心線上匯合,隨后其厚度維持不變,等于管子半徑.

X0—稱為穩(wěn)定段長度或進(jìn)口段長度;穩(wěn)定段以后的流動(dòng)稱為完全發(fā)展了的流動(dòng).圓形直管進(jìn)口段內(nèi)滯流邊界層內(nèi)速度分布側(cè)形發(fā)展情況3.4邊界層及邊界層脫體3.4.2邊界層的發(fā)展。流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3流體在圓形直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層當(dāng)X=0,=0;X;當(dāng)X=X0時(shí)，=R;X<X0邊界層是發(fā)展的,速度側(cè)形隨之改變;X>X0時(shí),及速度側(cè)形不變,流型亦不變;完全發(fā)展了的湍流流體沿壁面的流體湍流主體緩沖層滯流底層(內(nèi)層)b測量儀表在圓形管道上的安裝位置Reb在測定圓管內(nèi)截面上流體的速度分布曲線時(shí)，測定地點(diǎn)必須選在圓管中流體速度分布保持不變的平直部分，即此處到入口或轉(zhuǎn)彎等處的距離應(yīng)大于x0，其他測量儀表在管道上的安裝位置也應(yīng)如此。

滯流時(shí)X0＝(50～100)d;湍流時(shí)X0＝(40～50)d3.4邊界層及邊界層脫體3.4.2邊界層的脫體(分離)流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3當(dāng)流體流過曲面，如球體、圓柱體或其他幾何形狀物體的表面時(shí)，所形成的邊界層無論是滯流還是湍流在一定條件下都將會(huì)產(chǎn)生邊界層與固體表面脫離的現(xiàn)象，并在脫離處產(chǎn)生旋渦，加劇流體質(zhì)點(diǎn)間的相互碰撞，造成流體的能量損失.液體到達(dá)點(diǎn)A時(shí),受壁面阻滯,流速為零,但壓強(qiáng)最大,點(diǎn)A稱為停滯點(diǎn)或駐點(diǎn);從點(diǎn)AC,流通截面減小，流動(dòng)加速減壓;減小的壓強(qiáng)能，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能,另一部分克服流動(dòng)阻力(摩擦阻力)而消耗,C點(diǎn)流速最大而壓強(qiáng)最低;C點(diǎn)后,流通截面增加,流動(dòng)減速加壓,減小的動(dòng)能，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閴簭?qiáng)能，另一部分克服摩擦阻力消耗;當(dāng)達(dá)到某點(diǎn)s時(shí),其動(dòng)能消耗殆盡,點(diǎn)C流速為零,壓強(qiáng)最大,形成新的停滯點(diǎn);后繼而來的液體在S點(diǎn)高壓作用下,離開壁面沿新的流動(dòng)方向前進(jìn),故點(diǎn)s稱為分離點(diǎn).形體阻力

由于固體表面形狀造成邊界層分離所引起的能量損耗粘性流體繞過球體、圓柱體或其它形狀物體表面的阻力稱為局部阻力.局部阻力=摩擦阻力+形體阻力管件、閥門、管子進(jìn)出口等3.5圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的速度分布3.5.1基本原理(流體的力平衡)流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3左端面的力右端面的力外表面剪切力圓柱體的重力流體在均勻直管內(nèi)作等速運(yùn)動(dòng),各外力之和零速度分布：流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí),管截面上質(zhì)點(diǎn)的速度隨半徑的變化關(guān)系.

F3.5圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述3.5.2層流時(shí)的速度分布流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3模型流體在半徑為R的水平圓形直管內(nèi)做滯流流動(dòng)衡算范圍半徑為r，長為L的流體柱受力分析壓差產(chǎn)生的推動(dòng)力

流體層間內(nèi)摩擦力(服從牛頓粘性定律)受力平衡r=Rur=03.5圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述3.5.2層流時(shí)的速度分布流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3呈拋物線分布管中心流速最大,即r＝0時(shí),ur＝umax

層流流動(dòng)時(shí)的平均速度為管中心最大速度的1/2.平均流速3.5圓管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述3.5.3湍流時(shí)的速度分布流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3湍流時(shí)流體層間的剪應(yīng)力不服從牛頓粘性定律；渦流粘度是Re準(zhǔn)數(shù)及位置的函數(shù)流速分布很難進(jìn)行理論推導(dǎo)常見的經(jīng)驗(yàn)公式為：其中n=f(Re),n=6～10當(dāng)n=7時(shí),u=0.82umax4×104<Re<1.1×105 n=61.1×105<Re<3.2×106 n=7Re>.2×106 n=10環(huán)境工程學(xué)原理主講教師 完整版課件第二章流體流動(dòng)與輸送流體靜力學(xué)1流體在管內(nèi)的流動(dòng)2流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)管路計(jì)算與流量測量流體輸送設(shè)備3456流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4.1流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因及其分類4.1.1流動(dòng)阻力的原因及影響因素流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4流體具有粘性，流動(dòng)時(shí)存在著內(nèi)摩擦，是流動(dòng)阻力產(chǎn)生的根源;固定的管壁或其他形狀固體壁面,促使流動(dòng)的流體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),為流動(dòng)阻力的產(chǎn)生提供了條件;流動(dòng)阻力的大小與流體物理性質(zhì)、流動(dòng)狀況及壁面的形狀等因素有關(guān).4.1.2流動(dòng)阻力的分類流體在管路中流動(dòng)時(shí)的阻力包括直管阻力流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí),因流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻,hf局部阻力流體流經(jīng)管路中的管件、閥門及管截面的突然擴(kuò)大或縮小等局部地方所引起的阻力,hf’.管路系統(tǒng)總能量損失(阻力損失)4.1流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因及其分類4.4.3阻力損失的三種表示方法流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力41.——1kg流體流動(dòng)時(shí)所損失的機(jī)械能,J/kg;對(duì)應(yīng)于柏努利方程的三種表示法，阻力損失也有三種表示法2.

——1N流體流動(dòng)時(shí)所損失的機(jī)械能,J/N=m;常稱之為因流動(dòng)阻力而引起的壓強(qiáng)降,同壓強(qiáng)單位;3.

——1m3

流體流動(dòng)時(shí)所損失的機(jī)械能,J/m3=Pa,常用?pf

表示與(壓強(qiáng)差)是兩個(gè)本質(zhì)不同的概念1kg流體1N流體1m3流體當(dāng)Ee=0,直徑相同(u1=u2)時(shí)

4.2流體流動(dòng)的直管阻力4.2.1計(jì)算圓形直管阻力的通式流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4衡算范圍管內(nèi)壁與1-1'和2-2'截面間的流體.基準(zhǔn)水平面0-0'截面在1-1'和2-2'截面間列柏努利方程.流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4衡算范圍內(nèi)流體受力分析勻速流動(dòng)，衡算范圍流體受力平衡1-1'截面2-2'截面流體重力G的分力流體流動(dòng)阻力4.2流體在直管中的流動(dòng)阻力4.2.1計(jì)算圓形直管阻力的通式流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4描述了流體在圓形直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)與間的關(guān)系;的變化規(guī)律因流型而異，對(duì)于湍流尤為復(fù)雜令范寧公式計(jì)算圓形直管阻力所引起能量損失(Fanjing)

的通式,對(duì)于滯流與湍流均適用;

——

無因次系數(shù),稱為摩擦系數(shù),是雷諾數(shù),或雷諾數(shù)與管壁粗糙度的函數(shù).4.2流體在直管中的流動(dòng)阻力4.2.2管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4按材質(zhì)和加工情況不同化工管道光滑管玻璃管、黃銅管、塑料管粗糙管鋼管和鑄鐵管等1.管壁粗糙度絕對(duì)租糙度是指壁面凸出部分的平均高度,以表示.相對(duì)租糙度與管道直徑的比值/d2.管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響滯流流動(dòng)與/d無關(guān)

湍流流動(dòng)Re較小,且L>,水力光滑管

,與/d無關(guān)Re大,且L<,完全湍流粗糙管

4.2流體在直管中的流動(dòng)阻力4.2.3滯流時(shí)的摩擦系數(shù)流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4水平圓形直管

hf=?pf=p1-p2速度分布方程或哈根-泊謖葉方程Hagen-Poiseuille適用條件：圓形直管做滯流流動(dòng)任何因次一致的物理方程都可以表示為一組無因次數(shù)群的零函數(shù),即:無因次數(shù)群1,2,3,…的數(shù)目等于影響該現(xiàn)象的物理量的數(shù)目,減去用以表示這些物理量的基本因次的數(shù)目4.2流動(dòng)在直管中的流動(dòng)阻力4.2.4湍流時(shí)的摩擦系數(shù)流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4常見的兩種實(shí)驗(yàn)方法

因次分析法數(shù)學(xué)模型法1.因次分析法的基礎(chǔ)(1)因次一致性原則 即物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，且每一項(xiàng)都應(yīng)具有相同的因次.(2)白金漢π定理設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨(dú)立變量數(shù)為n個(gè)，這些變量的基本因次數(shù)為m個(gè)，則該物理現(xiàn)象可用N＝(n－m)個(gè)獨(dú)立的無因次數(shù)群表示.目的:(a)減少實(shí)驗(yàn)工作量;

(b)結(jié)果具有普遍性.4.2流體在直管中的流動(dòng)阻力4.2.4湍流時(shí)的摩擦系數(shù)流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力42.雷萊指數(shù)法(1)找出影響物理過程的內(nèi)在因素(不能多或少1個(gè))湍流時(shí)阻力損失的影響因素：（a）流體性質(zhì)：，（b）流動(dòng)的幾何尺寸：d，l，（c）流動(dòng)條件：u常數(shù)K和指數(shù)a,b,c,e,k,q為待定值各物理量的因次4.2流動(dòng)在直管中的流動(dòng)阻力4.2.4湍流時(shí)的摩擦系數(shù)流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力42.雷萊指數(shù)法(2)因次分析(因次一致性原則)——列方程式物理變量n＝7基本因次m＝3無因次數(shù)群N＝n－m＝4Mj+k=1-c-k=-2La+b+c-3j-k+q=-1a=-k-b-qc=2-kj=1-k按無因此條件合并成4個(gè)數(shù)群——?dú)W拉準(zhǔn)數(shù)3.摩擦系數(shù)的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)表明：流體流動(dòng)阻力與管長成正比比較A,k,q由實(shí)驗(yàn)確定流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力44.莫狄(Moody)摩擦系數(shù)圖以的對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)，Re的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，/d為參數(shù)繪制形成的曲線圖.4.2流體在直管中的流動(dòng)阻力4.2.4湍流時(shí)的摩擦系數(shù)流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力44.莫狄(Moody)摩擦系數(shù)圖

(1)

滯流區(qū)Re≤2000λ=64/Re,λ與/d無關(guān),與Re為直線關(guān)系;

hf與u的一次方成正比;(2)過渡區(qū)2000<Re<4000將湍流時(shí)的曲線延伸查取λ值;(3)湍流區(qū)Re≥4000以及虛線以下的區(qū)域

λ=f(Re,/d),

當(dāng)/d一定時(shí),Re,

λ,Re增至某一數(shù)值后,λ值下降緩慢；當(dāng)Re一定時(shí),/dλ(4)完全湍流區(qū)

虛線以上的區(qū)域

λ與Re無關(guān)，只與/d有關(guān);/d一定時(shí),hf∝u2,該區(qū)又稱為阻力平方區(qū).經(jīng)驗(yàn)公式：柏拉修斯(Blasius)式適用光滑管Re＝5×103～1054.2流動(dòng)在直管中的流動(dòng)阻力4.2.5流體在非圓形直管內(nèi)的流動(dòng)阻力流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力41.水力半徑與當(dāng)量直徑

(1)水力半徑(rH)流體在流道里的流通截面積A與潤濕周邊長度之比.對(duì)于直徑為d的圓形或(2)當(dāng)量半徑(de)4倍的水力半徑套管環(huán)隙內(nèi)管的外徑為d1，外管的內(nèi)徑為d2:

邊長分別為a、b的矩形管:4.2流體在直管中的流動(dòng)阻力4.2.5流體在非圓形直管內(nèi)的流動(dòng)阻力流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力42.計(jì)算方法de用于湍流流體hf的計(jì)算比較可靠;用于矩形管時(shí),其截面的長寬之比不

能超過3:1,用于環(huán)形截面時(shí)，其可靠性較差.滯流流動(dòng)時(shí)誤差大需要修正其中式中C為無因次系數(shù)4.3管路上的局部阻力4.3.1阻力系數(shù)法

流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4計(jì)算方法：把克服局部阻力所引起的能量損失,表示成動(dòng)能的倍數(shù)(J/kg)或(Pa)ζ——局部阻力系數(shù),由實(shí)驗(yàn)確定（P42）

進(jìn)口：流體自容器流入管內(nèi);

ζ進(jìn)口=0.5進(jìn)口阻力系數(shù)出口：流體自管子進(jìn)入容器或從管子排放到管外空間.

ζ出口=1出口阻力系數(shù)

流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4

流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4蝶閥4.3管路上的局部阻力4.3.2當(dāng)量長度法

流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4le—管件或閥門的當(dāng)量長度(m)

由實(shí)驗(yàn)確定.意義將流體流過管件或閥門的局部阻力，折合成直徑相同、長度為Le的直管所產(chǎn)生的阻力.4.4管路總能量損失的計(jì)算流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力4管路總能量損失(總阻力損失)

管路上全部直管阻力與局部阻力之和1.流體流經(jīng)直徑不變的管路,則管路總能量損失:2.流體流經(jīng)的管路由直徑不同的管段組成,則管路總能量損失分段計(jì)算求和3.減少流動(dòng)阻力的途徑

管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎；盡量不安裝不必要的管件和閥門等；管徑適當(dāng)大些。環(huán)境工程學(xué)原理主講教師 完整版課件第二章流體流動(dòng)流體靜力學(xué)1流體在管內(nèi)的流動(dòng)2流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)管路計(jì)算與流量測量345流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力5.1管路計(jì)算管路計(jì)算與流量測量5管路計(jì)算所用方程與公式

(1)連續(xù)性方程式(2)柏努利方程式(3)阻力損失計(jì)算式簡單管路直徑不變的管路直徑不同的串聯(lián)管路復(fù)雜管路并聯(lián)管路:有分有合分支管路:有分無合匯合管路5.1管路計(jì)算管路計(jì)算與流量測量55.1.1簡單管路的計(jì)算(重點(diǎn))

1.特點(diǎn)

流體通過各管段的質(zhì)量流量不變;不可壓縮流體,則體積流量也不變.不可壓縮流體整個(gè)管路的總能量損失等于各段能量損失之和5.1管路計(jì)算管路計(jì)算與流量測量55.1.1簡單管路的計(jì)算(重點(diǎn))

2.常見的計(jì)算內(nèi)容

(1)已知管徑(d)、管長(L)、管件和閥門的設(shè)置及流體的輸送量(qv)確定:輸送設(shè)備所加入的外功設(shè)備內(nèi)的壓強(qiáng)設(shè)備間的相對(duì)位置等5.1管路計(jì)算管路計(jì)算與流量測量55.1.1簡單管路的計(jì)算(重點(diǎn))

2.常見計(jì)算內(nèi)容

(2)已知管徑(d)、管長(L)、管件和閥門的設(shè)置及允許的能量損失求流體的流速或流量(u或qv)(3)已知管長(L)、管件和閥門的Le、流體流量(qv)及允計(jì)的能量損失求管徑(d)共同性問題即流速u或管徑d為未知，因此不能計(jì)算Re值,則無法判斷流體的流型不能確定摩擦系數(shù)試差法符合？查假設(shè)uRe/d可初設(shè)阻力平方區(qū)之值