環(huán)境工程原理第一章

環(huán)境工程原理第一章第1頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)流體靜力學(xué)1-1流體的壓力流體垂直作用于單位面積上的力（壓強(qiáng)）作用于整個(gè)面積上的力稱為總壓力靜止流體中從各個(gè)方向作用于某一點(diǎn)的壓力大小相等量綱：壓強(qiáng)的量綱，N/m2，帕斯卡，符號(hào)：Pa1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101325Pa（760mmHg）絕對(duì)壓力—以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力（真實(shí)壓力，absolutepressure）

表壓—以大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力（gaugepressure）

第2頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日正壓：表壓為正值表壓=絕對(duì)壓力—大氣壓力真空度：表壓的負(fù)值（表壓實(shí)際為負(fù)值，以正值表示，所以數(shù)值小于大氣壓的壓力就是真空度）真空度=大氣壓力—絕對(duì)壓力測(cè)定壓力>大氣壓力測(cè)定壓力<大氣壓力第3頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1-2流體的密度與比容一、密度：?jiǎn)挝惑w積流體的質(zhì)量其中：，流體密度，kg/m3；m，流體質(zhì)量，kg；

V，流體體積，m3液體密度：隨壓力視為不變；隨溫度稍有變化

水，4℃時(shí)的密度最大，為1000kg/m3，隨溫度變化見(jiàn)附錄3；有機(jī)物相對(duì)于4℃水的密度見(jiàn)附錄5（相對(duì)密度）；一些物質(zhì)的密度見(jiàn)附錄6。（1-1）第4頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日氣體：壓力不高，溫度不低時(shí)，視為理想氣體

p，kPa；M，kg/kmol；T，K；n，kmol標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：

T0=273.15K；p0=101325Pa；V0=22.4m3/kmol標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度為其他狀態(tài)下密度為（1-3）（1-4）（1-5）第5頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日混合氣體（上面各式仍適用，和M為平均值）

yi為量分?jǐn)?shù)理想溶液

wi為質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1-6）（1-7）第6頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體的體積其中：，流體比容，m3/kg；m，流體質(zhì)量，kg；

V，流體體積，m3流體的比容和密度互為倒數(shù)。（1-8）第7頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1-3流體靜力學(xué)基本方程為不可壓縮流體內(nèi)部的壓力沿著高度變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。靜止液體中，合力為零（1-9）

?液柱上底面在液面上

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（1-9a）第8頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（1）p0一定時(shí)，p只與和h有關(guān)；在同一液體內(nèi)，同一水平面上各處壓力相等，稱為等壓面。（2）巴斯噶原理：p0變化，液體內(nèi)各點(diǎn)壓力p發(fā)生同樣大小的變化。（3）壓力或壓力差的大小可用液柱深度來(lái)表示（4）也適用于氣體。第9頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1-4流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用一、壓力測(cè)量1、U型管液柱壓差計(jì)右左

若被測(cè)流體密度比指示液密度小的多（1-10）第10頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日例1、如圖，被測(cè)液體為水，壓差計(jì)指示液為汞。已知R=100mmHg，水和汞的密度分別為1000kg/m3和13600kg/m3，計(jì)算a、b的壓力差。解：答：圖中a、b兩點(diǎn)的壓力差為12.4kPa。第11頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2、斜管壓差計(jì)（適用于壓差?。?、微壓差計(jì)第12頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、液面測(cè)定第13頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日已知貯罐內(nèi)液體密度，則壓差計(jì)讀數(shù)的大小反映了貯罐液面的高度知道了a、b管的R和z，可以求出罐內(nèi)液體的密度。第14頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、確定液封高度p為表壓第15頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)管內(nèi)流體流動(dòng)的基本方程式一、流量與流速（一）流量體積流量，qV，m3/s質(zhì)量流量，qm，kg/s（二）流速平均流速，u，m/s，質(zhì)量流速，w，kg/（m2·s）管道直徑的估算（1-14）（1-17）（1-15）（1-18）第16頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日例2、內(nèi)管φ53.5×3.25，外管φ33.5×3.25。管內(nèi)流=1150kg/m3qm=5000kg/h的冷凍鹽水，管間流P=0.5MPa、T=0℃，qm=160kg/h的氣體，該氣體在（101325Pa、20℃）狀態(tài)下=1.2kg/m3。求氣體和流體的流速。解：液體：氣體：答：液體的流速為2.11m/s；氣體的流速為4.29m/s。第17頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日例3、選擇輸水量為30m3/h管道的管徑。解：選擇流速為1.8m/s（選擇依據(jù)見(jiàn)后）查381頁(yè)（Gb8163—87），選用φ89×4管子（d=0.081m)，實(shí)際流速：答：選用φ89×4的管子，實(shí)際流速為1.62m/s。第18頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)?穩(wěn)定流動(dòng)（steadyflow)：流動(dòng)中的流體在任一點(diǎn)上的流速、壓力等有關(guān)物理參量都不隨時(shí)間而變的流動(dòng)。除非特別指明，只討論穩(wěn)定流動(dòng)或均按穩(wěn)定流動(dòng)看待。?不穩(wěn)定流動(dòng)（unsteadyflow）：流動(dòng)中的流體，任一點(diǎn)上的物理參量部分或全部隨時(shí)間而改變的流動(dòng)。第19頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、連續(xù)性方程式（流動(dòng)中的質(zhì)量守恒）流體若在管道中作連續(xù)的穩(wěn)定流動(dòng)，則不同截面流進(jìn)流出的質(zhì)量流量應(yīng)該相同。即：（1-21）對(duì)不可壓縮流體：對(duì)圓形管道：不可壓縮流體在管道中的流速與管內(nèi)徑的平方成反比，由此可計(jì)算不同截面段的流速，且流量增加流速成比例增加。（1-23）（1-22）第20頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日四、柏努利方程式（管內(nèi)流體流動(dòng)的機(jī)械能衡算式）（一）柏努利方程式?模型假設(shè)：理想流體——流體無(wú)粘性；穩(wěn)定流動(dòng)；在管截面上流體質(zhì)點(diǎn)的速度分布是均勻的?模型：質(zhì)量流量qm；壓力、密度取平均；微管段dx的流體質(zhì)量為dm；分析力和動(dòng)量；應(yīng)用動(dòng)量原理。第21頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?力：兩端總壓力pA；-(p+dp)A；微管段的重力在x方向上的分力gsinθdm有dm=d(V)=Adx；sinθdx=dz；

gsinθdm=gAsinθdx=gAdz沿x方向的合力為：?Adp?gAdz?動(dòng)量的變化速率dqmu=qmdu=Audu?動(dòng)量原理：合力等于動(dòng)量變化速率（F=ma）積分得：（1-28）（1-24）（1-25）（1-27）伯努利方程式第22頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（二）柏努利方程式的物理意義?為單位質(zhì)量流體的能量守恒式gz—單位質(zhì)量(1kg)流體所具有的位能；p/—單位質(zhì)量(1kg)流體所具有的靜壓能；u2/2—單位質(zhì)量(1kg)流體所具有的動(dòng)能，量綱：J/kg?為單位重量流體的能量守恒式量綱：m=J/N

（1N流體所具有的能量，稱壓頭）各種單位重量流體的能量都可以用流體柱高度來(lái)表示

位壓頭靜壓頭動(dòng)壓頭（速度壓頭），（1-29）第23頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日五、實(shí)際流體機(jī)械能衡算式（一）實(shí)際流體機(jī)械能衡算式左圖實(shí)驗(yàn)顯示：1處的靜壓頭大于2處的

p1/g>p2/g而z1=z2

（水平管）

u12/2g=u22/2g（管徑未變）結(jié)果表明，1處機(jī)械能之和大于2處，即流體流動(dòng)時(shí)有能量損失。實(shí)際上，流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于內(nèi)磨檫的作用（粘性），一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而流失。壓頭損失，m（1-30）第24頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

（1-30）式是流體可克服阻力自動(dòng)進(jìn)行時(shí)的柏努利方程。實(shí)際上，流體的流動(dòng)常常是靠外界輸入能量來(lái)進(jìn)行的，所以此時(shí)的柏努利方程則為：外加壓頭，m（1-31）或（1-32）W=gH，J/kg

Σhi=

gΣHi，J/kg外加能量能量損失第25頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（二）應(yīng)用例4、如圖，泵進(jìn)口管道φ89×3.5，出口管道φ76×3，進(jìn)口流速為1.5m/s，管路能量損失40J/kg。器內(nèi)表壓20kPa，液體密度1100kg/m3。求外加能量。解：1—1截面為基準(zhǔn)由連續(xù)性方程：設(shè)u10，則答：外加能量為129J/kg。第26頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日應(yīng)用注意：選取截面：以確定衡算系統(tǒng)的范圍來(lái)選取截面；兩截面之間的流體必須是連續(xù)的穩(wěn)定流；作為已知條件的參量必須是截面上或兩截面間的物理量。確定基準(zhǔn)面：通常選取所選定的截面之中較低的一個(gè)水平面為基準(zhǔn)面。壓力，只能同時(shí)使用表壓（或同時(shí)使用絕對(duì)壓力），不能混用。外加能量：這里只計(jì)算到對(duì)每kg流體，而不是泵的軸功率（祥見(jiàn)第二章）。第27頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期日例5、求高位槽的液面需高出塔入口多少？已知高位槽和塔內(nèi)壓力為大氣壓，料液管內(nèi)流速0.5m/s，管內(nèi)壓頭損失1.2m。解：0—0為基準(zhǔn)面，則