化工原理第一章流體流動(dòng)優(yōu)秀課件

化工原理第一章流體流動(dòng)1第1頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第一章流體流動(dòng)2第2頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四要求：1.掌握流體靜力學(xué)基本方程式及應(yīng)用；2.掌握連續(xù)性方程及應(yīng)用；3.掌握柏努利方程式及應(yīng)用；4.掌握流動(dòng)阻力的計(jì)算；5.掌握管路計(jì)算。3第3頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四重點(diǎn)：1.柏努利方程式及應(yīng)用；2.流動(dòng)阻力的計(jì)算；3.管路計(jì)算。4第4頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四流體：液體和氣體統(tǒng)稱為流體?？蓧嚎s性流體—?dú)怏w不可壓縮性流體—液體在研究流體流動(dòng)時(shí)，通常將流體視為由無(wú)數(shù)分子集團(tuán)所組成的連續(xù)介質(zhì)，每個(gè)分子集團(tuán)稱為質(zhì)點(diǎn)。5第5頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

流體的特征是具有流動(dòng)性。流體在流動(dòng)過(guò)程中具有一定的規(guī)律性，這些規(guī)律對(duì)化工生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）流體的輸送管徑的確定、輸送設(shè)備的負(fù)荷；（2）壓強(qiáng)、流速和流量的測(cè)量為儀表測(cè)量提供依據(jù)；（3）為強(qiáng)化設(shè)備提供適宜的流動(dòng)條件設(shè)備的操作效率與流體流動(dòng)狀況有密切關(guān)系。6第6頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.單位：Pa（帕斯卡，SI制）,atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）,某流體柱高度,kgf/cm2(工程大氣壓),bar（巴）等第一節(jié)流體靜力學(xué)研究外力作用下的平衡規(guī)律一、流體的壓力1.定義：

流體垂直作用于單位面積上的力。7第7頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四其之間換算關(guān)系為：1atm=760mmHg=1.0133×105Pa=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=1.0133bar8第8頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.表示方法絕對(duì)壓強(qiáng)：以絕對(duì)零壓作起點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)，是流體的真實(shí)壓強(qiáng)；以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)表壓強(qiáng)：絕對(duì)壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值；以當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)貕毫榛鶞?zhǔn)真空度：絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的數(shù)值。9第9頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四絕對(duì)壓表壓真空度絕壓（余壓）

表壓＝絕對(duì)壓-大氣壓真空度＝大氣壓-絕對(duì)壓絕對(duì)零壓大氣壓實(shí)測(cè)壓力實(shí)測(cè)壓力10第10頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例題：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔塔頂真空表讀數(shù)為80kPa，在天津操作時(shí)，真空表讀數(shù)應(yīng)為多少？已知蘭州地區(qū)的平均大氣壓85.3kPa，天津地區(qū)為101.33kPa。解：維持操作的正常進(jìn)行，應(yīng)保持相同的絕對(duì)壓，根據(jù)蘭州地區(qū)的壓強(qiáng)條件，可求得操作時(shí)的絕對(duì)壓。

絕對(duì)壓=大氣壓-真空度

=85300–80000=5300[Pa]

真空度=大氣壓-絕對(duì)壓

=101330-5300=96030[Pa]11第11頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、流體的密度與比體積1.定義：?jiǎn)挝惑w積流體所具有的質(zhì)量，kg/m3。2.求取：(1)液體：一般可在物理化學(xué)手冊(cè)或有關(guān)資料中查得，教材附錄中也列出某些常見(jiàn)氣體和液體的密度。12第12頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(2)氣體—為可壓縮性的流體，通常（壓力不太高，溫度不太低）時(shí)可按理想氣體處理，否則按真實(shí)氣體狀態(tài)方程處理（3）混合物密度氣體

ρ=MP/RTρ=ρ0T0P/TP0ρm=MmP/RTMm=y1M1+y2M2+…ymMm13第13頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四液體混合物密度應(yīng)用條件：混合物體積等于各組分單獨(dú)存在時(shí)的體積之和。w—

質(zhì)量分率3、比體積

單位質(zhì)量的流體所具有的體積。v=V/m=1/ρ14第14頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、流體靜力學(xué)基本方程式1.內(nèi)容描述靜止流體內(nèi)部壓力（壓強(qiáng)）變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。流體靜力學(xué)基本方程式的推導(dǎo)（自學(xué)）15第15頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四使用條件：靜止的同一種連續(xù)的流體；流體密度恒定。16第16頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1）當(dāng)容器液面上方的壓強(qiáng)一定時(shí)，靜止液體內(nèi)部任一點(diǎn)壓強(qiáng)p的大小與液體本身的密度ρ和該點(diǎn)距液面的深度h

有關(guān)。因此，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。由流體靜力學(xué)基本方程式可得到以下結(jié)論：17第17頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2）當(dāng)液面上方的壓強(qiáng)p0

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（巴斯葛原理）。3）式p=p0

+gh可該寫(xiě)為：(p－p0)/g=h，說(shuō)明壓強(qiáng)差的大小可以用一定高度的液柱表示，但必須標(biāo)明是何種液體液柱。18第18頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四PA=PA′PB=PB′PC=PC′3.當(dāng)細(xì)管水位下降到多高時(shí),槽內(nèi)水將放凈?1=800kg/m3

2=1000kg/m3

H1=0.7mH2=0.6m例題:1.判斷下面各式是否成立2.細(xì)管液面高度hh19第19頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四解:利用等壓面原理求解PA=PA’PB=PB’3.

2gh’=1gH1h’=0.56m2.2gh+p0=1gH1+2gH2+p0h=H2+H1ρ1/ρ2h=1.16m20第20頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用1.壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測(cè)量測(cè)量壓強(qiáng)的儀表種類很多，其中以流體靜力學(xué)基本方程式為依據(jù)的測(cè)壓儀器稱液柱壓差計(jì)，它可測(cè)量流體的壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差，其中較典型的有下述兩種。21第21頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.U型管壓差計(jì)P1P2A-A’為等壓面PA=PA’PA=P1+g(H+R)PA’=P2+0gR+gHP1-P2=Rg(0-)如測(cè)量氣體0P1-P2=Rg0倒U型管壓差計(jì)？P1522第22頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四U管壓差計(jì)指示液要與被測(cè)流體不互溶，不起化學(xué)反應(yīng)，且其密度應(yīng)大于被測(cè)流體。23第23頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.傾斜液柱壓差計(jì)R1=R/sinR=R1sin24第24頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.微差壓差計(jì)—

放大讀數(shù)特點(diǎn)：（1）內(nèi)裝兩種密度相近且不互溶的指示劑；（2）U型管兩臂各裝擴(kuò)大室（水庫(kù)）。P1-P2=（a-c）Rg25第25頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例1-4：常溫水在管道中流動(dòng)，用雙U型管測(cè)兩點(diǎn)壓差，指示液為汞，其高度差為100mmHg，計(jì)算兩處壓力差如圖：P1=P1’P2=P2’Pa=P1’+水

gxP1’=汞

gR+P2Pb=水

gx+水

gR+P2’Pa-Pb=Rg(汞

-水

)=0.19.81(13600-1000)=1.24103Pa26第26頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.液位的測(cè)量27第27頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.液封高度的計(jì)算化工生產(chǎn)中一些設(shè)備需要液封，液封高度的確定就是根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式來(lái)計(jì)算的。28第28頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四29第29頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)

管內(nèi)流體流動(dòng)的基本方程式一、流量與流速1.流量單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道任一截面的流體量。30第30頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四質(zhì)量流量qm：流體單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道任一截面的流體質(zhì)量。體積流量qv

：流體單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道任一截面的流體體積。m3/skg/s31第31頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.流速單位時(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上所流過(guò)的距離。由于流體在管截面上的速度分布較為復(fù)雜，通常流體的流速指整個(gè)管截面上的平均流速，表達(dá)式為：u=qv/Am/s32第32頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

由于氣體的體積流量隨溫度和壓強(qiáng)的變化而變化，故氣體的流速也隨之而變，因此采用質(zhì)量流速較為方便。質(zhì)量流速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體流過(guò)管道單位截面積的質(zhì)量。

W=qm/A=ukg/m2.s33第33頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四由流量和流速可確定管道的直徑d

流量一般由生產(chǎn)任務(wù)所決定。流速的選擇視具體情況而定，一般選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)表1-3（P46），計(jì)算得到的管徑需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。液體:0.5—3m/s

氣體：10—30m/s34第34頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例1-7:安裝一根輸水量為30m3/h的管道,試選擇合適的管道。解：選擇管內(nèi)水的經(jīng)驗(yàn)流速u=1.8m/s=0.077m=77mm查書(shū)中附錄二十一(P350)(2)普通無(wú)縫鋼管①

外徑=89mm壁厚=4mm即φ89×4的管子內(nèi)徑為d=81mm=0.081m35第35頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四實(shí)際流速為:36第36頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.3.2

穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：在流動(dòng)系統(tǒng)中，各截面上流體的流速、壓強(qiáng)、密度等有關(guān)物理量不隨時(shí)間而變化，這種流動(dòng)稱為定態(tài)流動(dòng)或穩(wěn)定流動(dòng)。非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：在流動(dòng)系統(tǒng)中，各截面上流體的流速、壓強(qiáng)、密度等有關(guān)物理量隨時(shí)間而變化，這種流動(dòng)稱為非定態(tài)流動(dòng)或不穩(wěn)定流動(dòng)。37第37頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四38第38頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三.連續(xù)性方程1’12’2qm1=qm2

qm=qv=uAu1A1

1=u2A2

2=常數(shù)對(duì)于不可壓縮性流體,密度可視為不變u1A1=u2A2

u1/u2=(d2/d1)2

根據(jù)物料衡算39第39頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例1-8:如下圖的變徑管路d1=2.5cmd2=10cmd3=5cm(1)當(dāng)流量為4升/秒時(shí),各段流速?(2)當(dāng)流量為8升/秒時(shí),各段流速?12340第40頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四qv’=2qv

u’=2u

u1=2uu1’=16.3m/s=2.04m/s41第41頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四.伯努利方程丹尼爾.伯努利(1700-1782)，生于科學(xué)世家。是瑞士物理學(xué)家,數(shù)學(xué)家,醫(yī)學(xué)家。曾任醫(yī)學(xué)、解剖學(xué)、植物學(xué)、物理學(xué)、哲學(xué)教授。42第42頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（一）理想流體的伯努利方程推導(dǎo)依據(jù)：能量守恒（機(jī)械能）理想流體：無(wú)粘性流體，在流動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有摩擦，沒(méi)有能量損失。43第43頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.柏努利方程式1.流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算進(jìn)出系統(tǒng)的能量：（J/kg）內(nèi)能U位能gZ動(dòng)能u2/2靜壓能pv熱能Q外功（凈功）W總機(jī)械能（總能量）44第44頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四穩(wěn)定流動(dòng)，單位時(shí)間，質(zhì)量為m的流體由截面1——截面2位能：流體因處于地球重力場(chǎng)中而具有能量，其值等于把質(zhì)量為m的流體由基準(zhǔn)水平面升舉到某高度Z所做的功。位能=力距離=mgZ單位質(zhì)量流體的位能：

mgZ/m=gZ[J/kg]##截面在基準(zhǔn)面之上，位能值為正，在基準(zhǔn)面之下其值為負(fù)。45第45頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.動(dòng)能：流體因運(yùn)動(dòng)而具有的能量。動(dòng)能=mu2/2單位流體的動(dòng)能為：[J/kg]3.靜壓能：將流體壓入流體某截面對(duì)抗前方流體的壓力所做的功。靜壓能=力距離46第46頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四當(dāng)流體為理想流體時(shí)，兩界面上的上述三種能量之和相等。即：各截面上的三種能量之和為常數(shù)

——伯努利方程單位流體的靜壓能為[J/kg]=P/47第47頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（二）關(guān)于伯努利方程的說(shuō)明伯努利方程表示理想流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)，無(wú)外加能量，在任一截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動(dòng)能、靜壓能（稱為機(jī)械能）之和為常數(shù)，稱為總機(jī)械能，各種形式的機(jī)械能可互相轉(zhuǎn)換。各項(xiàng)機(jī)械能的單位皆為J/kg。48第48頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

對(duì)可壓縮流體，當(dāng)(p1-p2)/p1<20%時(shí)，上式仍可用，ρ取平均值；當(dāng)流體靜止時(shí)，u=0，則可得到流體靜力學(xué)方程式。P2=P0+gh49第49頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

亦可用單位重量的流體為基準(zhǔn):各項(xiàng)稱為壓頭。表明我們可以用液柱的高度描述能量值分別稱位壓頭、動(dòng)壓頭、靜壓頭50第50頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四亦可用單位體積的流體為基準(zhǔn):[J/m3](Pa)各項(xiàng)單位為J/N(m)：表示單位重量流體具有的機(jī)械能，相當(dāng)于把單位重量流體升舉的高度。51第51頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四五、實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式（一）實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式1、機(jī)械能損失（壓頭損失）52第52頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四∑Hf-壓頭損失，m53第53頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、外加機(jī)械能H-外加壓頭，m，揚(yáng)程Z2-Z1—升揚(yáng)高度；分別稱位壓頭、動(dòng)壓頭、靜壓頭、壓頭損失54第54頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四W-單位質(zhì)量流體外加機(jī)械能，J/kg∑hf-單位質(zhì)量流體機(jī)械能損失，J/kg有效功率Ne=Weqm55第55頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（二）伯努利方程式的應(yīng)用1.作圖并確定能量衡算范圍;2.確定基準(zhǔn)面（水平面）3.截面的選?。?1)截面應(yīng)與流體的流動(dòng)方向垂直；(2)兩截面之間的流體是連續(xù)的；所求未知量應(yīng)在截面上或截面之間；

56第56頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.壓力基準(zhǔn)應(yīng)統(tǒng)一(表壓或絕對(duì)壓)；5.外加機(jī)械能W或H，注意其單位。6.大截面處的流速可取零。57第57頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例題：如圖，堿液(d=1.1)，塔內(nèi)壓力為0.3atm（表壓）,管徑603.5,送液量25T/h,能量損失為29.43J/kg,求外界輸送的能量。Z1=1.5mZ2=16mP1(表)=0P2=0.3atm=0.3101330pau1=0∑hf=29.43J/kg

58第58頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四qv=qm/ρ=25000/3600/1100=0.0063m3/su2=qv/A=0.0063/(0.785×0.0532)=0.86m/sW=203J/kg59第59頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例1-9:泵進(jìn)口管φ89×3.5，流速1.5m/s，堿液出口管徑φ76×3，壓力20kPa(表)，能量損失40J/kg，密度1100kg/m3，求外加的能量。Z1=0Z2=7mP

1=0P2=20000Pau1=0u2=u0(d0/d2)2=1.5×(82/71)2

=2m/shf=40J/kg=129J/kg60第60頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例1-10:管內(nèi)流體流速為0.5m/s，壓頭損失1.2m，求高位槽的液面應(yīng)比塔入口高出多少米?12zP1=P2

=0(表)u1=0u2=0.5m/sZ1=Z

Z2=0Z1=u22/2g+Hf=0.52/(2×9.81)+1.2=1.21m61第61頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其速度分布規(guī)律為：靠近管中心的速度較大，靠近管壁的速度較?。▽?shí)驗(yàn)可驗(yàn)證）。第三節(jié)管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象一、粘度（一）牛頓粘性定律62第62頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，在一定的條件下可視為被分割成無(wú)數(shù)層極薄的圓筒，一層套一層，每層稱流體層，流體層上各質(zhì)點(diǎn)的速度相等。

63第63頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

相鄰兩層中靠近管中心的速度較大，靠近管壁的速度較小。前者對(duì)后者起帶動(dòng)作用，后者對(duì)前者起拖曳作用，相鄰流體層之間的這種相互作用稱內(nèi)摩擦力。帶動(dòng)作用是由流體靜壓力所產(chǎn)生的，而拖曳作用是由流體內(nèi)在的一種抗拒向前運(yùn)動(dòng)的特性所產(chǎn)生的，這種特性稱粘性。

粘性是內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的原因，內(nèi)摩擦力是粘性的表現(xiàn)。流體在流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力是流動(dòng)阻力產(chǎn)生的依據(jù)。64第64頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四流體在流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力大小與哪些因素有關(guān)？65第65頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四內(nèi)摩擦力F剪應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的內(nèi)摩擦力（τ）。τ=F/Adu/dy（du/dr）

—速度梯度速度沿法線上的變化率。66第66頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四流體在平板間流動(dòng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)：牛頓粘性定律67第67頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四牛頓型流體：服從牛頓粘性定律的流體，包括全部氣體與大部分液體。非牛頓型流體：不服從牛頓粘性定律的流體，包括稠厚液體或懸浮液。68第68頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、流體的粘度（1）粘度的定義

【說(shuō)明】（1）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；（2）粘度是反映流體粘性大小的物理量；（3）粘度是流體的物性常數(shù)，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。混合物的粘度不能按組分疊加計(jì)算，只能用專門(mén)的經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)。

μ：粘度系數(shù)——?jiǎng)恿φ扯取扯取?9第69頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2）粘度的單位：P（泊）=g/(cm﹒s)1P=100cP（厘泊）1Pa﹒s=10P=1000cP70第70頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.運(yùn)動(dòng)粘度

ν=μ/ρ單位:SI——m2/scgs——cm2/s——斯托克斯71第71頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.影響粘度的因素:溫度:液體—溫度，粘度下降；氣體—溫度，粘度。壓力：液體—受壓力影響很??；氣體—壓力，粘度；但只有在壓力極高或極低時(shí)有影響。72第72頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5.理想流體黏度為零的流體。嚴(yán)格講：在流動(dòng)過(guò)程中，流動(dòng)阻力為零的流體。73第73頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（二）流體的動(dòng)量傳遞動(dòng)量＝質(zhì)量×速度＝mu單位體積流體的動(dòng)量＝mu/V=ρu動(dòng)量梯度74第74頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四雷諾(OsborneReynolds1842～1912)德國(guó)力學(xué)家、物理學(xué)家、工程師。1842年8月23日生于北愛(ài)爾蘭的貝爾法斯特，1912年2月21日卒于薩默塞特的沃切特。早年在工場(chǎng)做技術(shù)工作，1867年畢業(yè)于劍橋大學(xué)王后學(xué)院。1868年起任曼徹斯特歐文學(xué)院工程學(xué)教授，1877年當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1888年獲皇家獎(jiǎng)?wù)?。二、流體流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)75第75頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

前面所提到的流體內(nèi)可視為分層流動(dòng)的型態(tài)，僅在流速較小時(shí)才出現(xiàn)，流速增大或其他條件改變，會(huì)發(fā)生另一種與此完全不同的流動(dòng)型態(tài)。這是1883年由雷諾（Reynolds）首先提出的，他曾由實(shí)驗(yàn)直接地考察流體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)部情況以及有關(guān)因素的影響。流體流動(dòng)現(xiàn)象76第76頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.雷諾實(shí)驗(yàn)與雷諾準(zhǔn)數(shù)1）實(shí)驗(yàn)裝置77第77頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（一）雷諾實(shí)驗(yàn)1.層流(滯流)過(guò)渡流2.湍流(紊流)78第78頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四層流的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象79第79頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四湍流的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象80第80頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（3）流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式（層流與湍流的區(qū)別）①流體在管內(nèi)作層流流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)沿管軸作有規(guī)則的平行運(yùn)動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)互不碰撞，互不混合。②流體在管內(nèi)作湍流流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)，并互相碰撞混合，產(chǎn)生大大小小的旋渦。管道截面上某被考察的質(zhì)點(diǎn)在沿管軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還有徑向運(yùn)動(dòng)（附加的脈動(dòng)）。

81第81頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3）影響流動(dòng)類型的因素流速u、管徑d、流體的粘度、密度

82第82頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（二）流動(dòng)類型的判斷雷諾值—ReRe=duρ/μ量綱L0M0T0=1無(wú)量綱量(無(wú)因次數(shù)群)——準(zhǔn)數(shù)1、Re≤2000——層流2、Re≥4000——湍流3、2000＜Re＜4000——過(guò)渡流（三）流體流動(dòng)的相似原理

相似原理：當(dāng)管徑不同，雷諾數(shù)相同，流體邊界形狀相似，則流體流動(dòng)狀態(tài)也相同。83第83頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例1-12:操作條件:D1

，1atm，80℃，u1=2.5m/s,空氣，實(shí)驗(yàn)條件:D2=1/10D1

，1atm，20℃。為研究操作過(guò)程的能量損失,問(wèn):實(shí)驗(yàn)設(shè)備中空氣流速應(yīng)為多少?解:Re1=Re284第84頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四=T1/T2=1.2d1/d2=0.120℃:μ2=18.1μPa.s80℃:μ1=21.1μPa.sμ2/μ1=18.1/21.1=0.85885第85頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例1-13:內(nèi)徑25mm的水管,水流速為1m/s,水溫20度,求:1.水的流動(dòng)類型;

2.當(dāng)水的流動(dòng)類型為層流時(shí)的最大流速?解：1.20℃μ=1cPρ=998.2kg/m3Re=duρ/μ=0.025×1×998.2/0.001=250002.Re=dumaxρ/μ=20000.025×umax×998.2/0.001=2000umax=0.08m/s86第86頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、流體在圓管內(nèi)的速度分布（一）層流時(shí)的速度分布1.速度分布曲線87第87頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四X0=0.05dRe88第88頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四速度分布的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象89第89頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四RrF=F1-F2=(P1-P2)πr2=ΔPπr2τ=F/A——剪切力（剪應(yīng)力強(qiáng)度）

F=τA=-μAdu/dr=μ(2πrL)du/drF1=πr2P1

F2=πr2P290第90頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四rdqv=2πrdru

積分得：

2.最大、最小速度3.流量91第91頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.平均流速92第92頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5.哈根—泊素葉方程哈根—泊素葉方程：表示流體層流流動(dòng)時(shí)用以克服摩擦阻力的壓力差，與速度的一次方成正比。93第93頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(二)流體在圓管中湍流流動(dòng)時(shí)的速度分布1.管中心部分速度為最大速度umax。點(diǎn)速度ù:ù=umax(1-r/R)1/794第94頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四湍流時(shí)的層流內(nèi)層和過(guò)渡層2.層流底層——管壁處為層流。速度大，湍流程度大，層流底層??；粘度大，層流底層厚。3.平均速度約為最大速度的0.82倍95第95頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)

管內(nèi)流體流動(dòng)的摩擦阻力損失

流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因和影響因素：流體具有粘性，使得流體在流動(dòng)時(shí)存在內(nèi)摩擦力；壁面的形狀。所以，流動(dòng)阻力的大小與流體本身的物理性質(zhì)、流動(dòng)狀況及壁面的形狀等因素有關(guān)。96第96頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

由于直管阻力和局部阻力產(chǎn)生的原因不同，故需分開(kāi)計(jì)算。97第97頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、直管中流體的摩擦阻力損失對(duì)于等徑直管伯努利方程為hf=(P1-P2)/ρ=ΔP/ρ1.對(duì)于同一直管，不管水平或垂直放置,所測(cè)能量損失相等。2.只有水平放置的直管,能量損失等于兩截面的壓能之差。98第98頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、層流的摩擦阻力損失計(jì)算由哈根泊素葉方程得99第99頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四λ=64/Reλ—層流摩擦系數(shù)100第100頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

由于總摩擦應(yīng)力包括粘性摩擦應(yīng)力和湍流應(yīng)力，所以流型有影響，另外，管壁的粗糙度也有影響，下面分別加以討論。λ=64/Reλ—層流摩擦系數(shù)101第101頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（一)管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響光滑管：玻璃管、黃銅管、塑料管等粗糙管：鋼管、鑄鐵管等反映管道的粗糙程度的參數(shù)：絕對(duì)粗糙度：管壁凸出部分的平均高度。相對(duì)粗糙度e=/d三、湍流的摩擦阻力102第102頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四層流：與e

無(wú)關(guān)；湍流：與e有關(guān)。103第103頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（二）量綱分析量綱一致性原則：每個(gè)物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，且量綱也必需相等。

定理：無(wú)因次數(shù)群1、2的數(shù)目N等于影響該現(xiàn)象的物理量數(shù)目n減去用以表示這些物理量的基本因次的數(shù)目m，即：N=n-m104第104頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四用量綱分析法確定湍流時(shí)摩擦阻力損失物理量：壓力降△P、管徑d、管長(zhǎng)l、流速u、密度ρ、粘度μ、粗糙度ε△P=f（d、l、u、ρ、μ、ε）量綱分別為：dimP=MT-2L-1dimd=LdimL=Ldimu=LT-1dimε=Ldimρ=ML-3dimμ=MT-1L-1105第105頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基本量綱：

M、T、L

（三個(gè)基本量綱）

準(zhǔn)數(shù)個(gè)數(shù)：N=7–3=4冪函數(shù)形式：△P=KdalbucρdμeεfML-1T-2=LaLb

（LT-1）c（

ML–3）d（

MT–1

L–1

）eLf﹒整理得：

ML-1T-2=Md+eLa+b-c-3d-e+fT–c-e106第106頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四根據(jù)量綱一致性

M：d+e=1

(1)L：a+b-c-3d–e+f=-1(2)T：-c-e=-2(3)冪函數(shù)形式：△P=Kdalbucρdμeεf由(1)(2)(3)得：a=-b-e-f(4)c=2-e(5)d=1-e(6)107第107頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四將結(jié)果帶入原冪函數(shù)得:△P=Kd-b-e-flbu2-eρ1-eμeεf變換為準(zhǔn)數(shù)式(將指數(shù)相同的物理量合并):Δp與l成正比，b=1108第108頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四由實(shí)驗(yàn)得知：109第109頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)、相對(duì)粗糙度間的關(guān)系110第110頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

由圖可看出：摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系可分四個(gè)區(qū)域：（1）滯流區(qū)：λ=64/Reλ與相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)。（2）過(guò)渡區(qū)（3）湍流區(qū)：λ與Re、ε/d有關(guān)（4）完全湍流區(qū)：阻力平方區(qū)，λ與Re無(wú)關(guān)。（三）湍流時(shí)的摩擦系數(shù)111第111頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四流動(dòng)阻力hf與流速u的關(guān)系：112第112頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四非圓形管的當(dāng)量直徑水力半徑rH

：流通截面A與潤(rùn)濕周邊之比。113第113頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圓形管道與套管的當(dāng)量直徑分別為：**非圓形管道內(nèi)層流流動(dòng)時(shí),λ=C/Re，C為常數(shù),無(wú)因次,由管道截面形狀查表獲得。114第114頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四解：(1)正方形管道

邊長(zhǎng)：

a=0.481/2=0.692

潤(rùn)濕周邊：∏=4a=4×0.692=2.77m

當(dāng)量直徑：

de=4A/∏=4×0.48/2.77=0.693m例題1-15：有正方形管道、寬為高三倍的長(zhǎng)方形管道和圓形管道，截面積皆為0.48m2，分別求它們的潤(rùn)濕周邊和當(dāng)量直徑。115第115頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）長(zhǎng)方形管道短邊長(zhǎng)a：

3a.a=0.48m2邊長(zhǎng):a=0.4m潤(rùn)濕周邊：∏=2(a+3a)=3.2m當(dāng)量直徑：de=4×0.48/3.2=0.6m

(3)圓形管道

直徑:πd2/4=0.48d=0.78m潤(rùn)濕周邊：∏=πd=3.14×0.78=2.45當(dāng)量直徑：de=d=0.78mde長(zhǎng)方形(0.6)<de正方形(0.693)<de

圓形(0.78)hf長(zhǎng)方形>hf正方形>hf

園形116第116頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四五、局部摩擦阻力損失（一）局部阻力系數(shù)法將克服阻力消耗的能量表示成流體動(dòng)能的倍數(shù)。

hf=ξu2/2117第117頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四突然擴(kuò)大與突然縮?。ú閳D）ξ=0.5(1-A2/A1)2ξ=(1-A1/A2)2118第118頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2）進(jìn)口與出口進(jìn)口：i=0.5出口：o=1.03）管件與閥門(mén)

查手冊(cè)119第119頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四☆☆流體由管道直接排放至管外大空間，管出口內(nèi)側(cè)截面上的壓強(qiáng)可取為與管外空間相同。截面取在內(nèi)側(cè)，出口損失不計(jì)，動(dòng)能不為零；截面選在外側(cè)，截面上的動(dòng)能為零，但計(jì)算出口損失。兩種結(jié)果相同。

A12B

CD120第120頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.當(dāng)量長(zhǎng)度法表示由管件引起的局部阻力損失。相當(dāng)于流過(guò)一段直徑相同，長(zhǎng)度為le的直管所損失的能量。表1-2P40121第121頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四六管路系統(tǒng)中的總能量損失122第122頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例1-16：常溫水由貯罐用泵送入塔內(nèi)，水流量為20m3/h，塔內(nèi)壓力為196kpa（表壓），A→B，B→C，C→D，管長(zhǎng)（包括當(dāng)量長(zhǎng)度，不包括突然擴(kuò)大和縮?。?/p>

A15m12BD分別為40、20、50m，管徑分別為φ57×3.5，φ108×4，φ57×3.5，求：所需外加能量。(ε/d=0.001）C123第123頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四解：求各段速度ADCBuAB=uCD=2.83m/s=0.71m/s124第124頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.求能量損失：

A21BCD(1)槽面至管的能量損失

hf=0.5uAB2/2=2.0J/kg(2)A→B直管段

μ=1cp

L+Le

=40Re=duρ/μ=1.42×105查得λ=0.0215=68.9J/kg125第125頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.求能量損失：ABCD(3)B端擴(kuò)大hfB=(1-AA/AB)2.uAB2/2=2.25(4)BC管段

Re=71000λ=0.0235hfBC=1.185J/kg(5)C點(diǎn)縮小AC/AD=(0.05/0.1)2=0.25查得ξ=0.33hfC=1.32J/kg

126第126頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.求能量損失：ABCD(6)CD管段

hfAB=86.1J/kg(7)D點(diǎn)入口

ξ=1hfD=4J/kg(8)總能量損失

Σhf=165.7J/kg(9)外加能量

W=15×9.81+196.2×1000/1000+165.7=509J/kg127第127頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例題1-17

有一段內(nèi)徑為100mm的管道，管長(zhǎng)16m，其中有兩個(gè)截止閥，一個(gè)全開(kāi)，一個(gè)半開(kāi)，管道摩擦系數(shù)為0.025。若只拆除一個(gè)全開(kāi)的截止閥，其他保持不變，試求管道中流量增加的百分?jǐn)?shù)。P42128第128頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Z1+P1/ρg+u12/2g+H1=Z2+P2/ρg+u22/2g+∑hf

∴

Z1-Z2=H=∑hf

∴拆除前后∑hf1=∑hf2解：129第129頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四拆除前截止閥全開(kāi)ξ=6.0；半開(kāi)ξ=9.5；管口突然縮小ξ=0.5；管口突然擴(kuò)大ξ=1拆除后130第130頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四即21u12/2=15u2

2/2

(u2/u1)2=21/15

qv

2/qv1=（u2/u1)=(21/15)1/2=1.18

流量增加了18%131第131頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例題：如圖所示用一臺(tái)離心泵將水池中的水（密度為1000kg/m3）送至一表壓為62kPa的水洗塔頂。已知離心泵吸入管段長(zhǎng)度（包括局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度，含入口阻力損失，下同）為60m，泵出口閥全開(kāi)時(shí)排出管線長(zhǎng)度200m（含出口阻力損失），全部管路均用?108×4mm的碳鋼管，管內(nèi)流體流動(dòng)摩擦系數(shù)均為0.025，其它數(shù)據(jù)如圖所示。試求：1.當(dāng)離心泵入口處的真空表讀數(shù)為25kPa時(shí)系統(tǒng)水的流量Q（m3/s）；2.泵的壓頭H132第132頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四解：（1）在水池液面0－0和真空表所在的1-1兩截面間列B.E.133第133頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(2)

在水池液面0－0和水洗塔頂2-2兩截面間列B.E.134第134頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)

管路計(jì)算

運(yùn)用的方程式：連續(xù)性方程式、柏努利方程式、流動(dòng)阻力方程式、物料衡算式、雷諾數(shù)計(jì)算類型：（1）已知管路及流體的輸送量，求流動(dòng)阻力；（2）已知管路及流動(dòng)阻力，求流體的輸送量；（3）已知管路（管徑未知）、流體的輸送量及流動(dòng)阻力，求管徑。135第135頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四按管路性質(zhì)來(lái)分：（1）簡(jiǎn)單管路（2）復(fù)雜管路136第136頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、簡(jiǎn)單管路（一）簡(jiǎn)單管路計(jì)算1.已知L、d、qv，求∑hf;2.已知∑hf、L、d，求u或qv

試差法：設(shè)λ→u→Re→λ1→λ1=λ，u為所求，否則重設(shè)λ。137第137頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.已知∑hf、L、qv，求d

二、最適宜管徑管徑選擇原則：設(shè)備費(fèi)＋動(dòng)力費(fèi)（操作費(fèi)）最少。138第138頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四管徑費(fèi)用設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)最適宜管徑總費(fèi)用H=h+∑Hf139第139頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、復(fù)雜管路（一）并聯(lián)管路1.qv=qv1+qv22.hf1=hf2=hfABAB12140第140頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二.分支管路141第141頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第六節(jié)流量的測(cè)定差壓流量計(jì)：測(cè)速管、孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)截面流量計(jì)：轉(zhuǎn)子流量計(jì)142第142頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.測(cè)速管（皮托管）143第143頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四12原理ΔP/ρ=u12/2點(diǎn)速度最大速度平均速度144第144頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四測(cè)速管優(yōu)點(diǎn)：是對(duì)流體的阻力較小，適用于測(cè)量大直徑管路中的氣體流速。測(cè)速管缺點(diǎn)：只能測(cè)出流體的點(diǎn)速，不能直接測(cè)出平均速度，另外當(dāng)流體中含有固體雜質(zhì)時(shí)，不宜采用。145第145頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.孔板流量計(jì)146第146頁(yè)，共162頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、孔板流量計(jì)1.結(jié)