化學(xué)工程基礎(chǔ) 流體流動

化學(xué)工程基礎(chǔ)流體流動課件第1頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一提綱2.1流體靜力學(xué)2.2流體在管內(nèi)的流動—流體動力學(xué)2.3管路計算和流體流量測量2.4流體輸送機(jī)械第2頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一引言(1).研究流體流動問題的重要性流體流動是最普遍的化工單元操作之一；流體是氣體與液體的總稱。研究流體流動問題是研究其它化工單元操作的重要基礎(chǔ)?；どa(chǎn)中所涉及的物料大多是流體，因為反應(yīng)物料在流動狀態(tài)下易于混合和輸送。用于同反應(yīng)物進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)的介質(zhì)等同樣也是流體。第3頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一引言(2).流體的特征具有流動性；無固定形狀，隨容器形狀而變化；受外力作用時內(nèi)部產(chǎn)生相對運(yùn)動。不可壓縮流體：流體的體積不隨壓力變化而變化，如液體；可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化，如氣體。第4頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一引言(3).連續(xù)介質(zhì)假定假定流體是由無數(shù)內(nèi)部緊密相連、彼此間沒有間隙的流體質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）所組成的連續(xù)介質(zhì)。流體質(zhì)點(diǎn)：由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺度、遠(yuǎn)大于分子尺度。工程意義：可以擺脫分子間的相互作用和復(fù)雜的分子運(yùn)動。從而可以利用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具，從宏觀角度研究流體在設(shè)備中的整體機(jī)械運(yùn)動規(guī)律。第5頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一(4)研究內(nèi)容①流量計量和流動阻力。

流體力學(xué)原理計量流動狀態(tài)下的流體；研究流動過程中能量轉(zhuǎn)換和過程中的阻力。

目的是:設(shè)計管路，選擇輸送機(jī)械及其功率。②流動狀況對化工過程的影響。

對傳質(zhì)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)重要影響，過程速率。混合，T，c，v

引言第6頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)2.1.1流體的密度一、定義單位體積流體的質(zhì)量，稱為流體的密度(質(zhì)量濃度)。kg/m3

二、單組分密度液體密度僅隨溫度變化（極高壓力除外），其變化關(guān)系可從手冊中查得，可視為常數(shù)。第7頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)氣體當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時，可按理想氣體狀態(tài)方程計算：

注意：手冊中查得的氣體密度都是在一定壓力與溫度下之值，若條件不同，則密度需進(jìn)行換算。p:kPaM:kg/kmolT:KR:8.314(J/molK)第8頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)混合液體假設(shè)各組分在混合前后體積不變，則有

——液體混合物中各組分的質(zhì)量分率。

比容單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。m3/kg三、混合物的密度第9頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)三、混合物的密度混合氣體各組分在混合前后質(zhì)量不變，則有

——?dú)怏w混合物中各組分的體積分率。

或——混合氣體的平均摩爾質(zhì)量

——?dú)怏w混合物中各組分的摩爾(體積)分率。

第10頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)例2-1合成氨原料氣中的H2和N2的體積比為3:1，試求氫氮混合氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時的密度。解：取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時的p=101KPa,T=293KMH2=2.016kg/kmolMN2=28.02kg/kmolxH2=0.75xN2=0.25混合氣的平均摩爾質(zhì)量為：Mm=28.02×0.25+2.016×0.75=8.52kg/kmol則：第11頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)

2.1.2流體的壓力流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的壓強(qiáng)，習(xí)慣上又稱為壓力。

一、壓力的特性

流體壓力與作用面垂直，并指向該作用面；作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同。二、壓力的單位SI制：N/m2或Pa；第12頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)或以流體柱高度表示：注意：用液柱高度表示壓力時，必須指明流體的種類，如600mmHg，10mH2O等。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的換算關(guān)系：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O1工程大氣壓=1kgf/cm2=100kPa=10mH2O三、壓力的表示方法絕對壓力以絕對真空為基準(zhǔn)測得的壓力。

表壓或真空度以大氣壓為基準(zhǔn)測得的壓力。第13頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)表壓=絕對壓力－大氣壓力真空度=大氣壓力－絕對壓力絕對壓力

絕對壓力

絕對真空

表壓

真空度

大氣壓

第14頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)例2-2測得一臺正在工作的離心泵進(jìn)、出口壓力表的讀數(shù)分別為35kPa(真空度)和145kPa(表壓)。如果當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簽?工程大氣壓，試求泵的進(jìn)、出口的絕對壓力各為多少kPa?解：1工程大氣壓=100kPa泵進(jìn)口絕對壓力：p1=100-35=65kPa泵出口絕對壓力:p2=100+145=245kPa絕對壓力

絕對壓力

絕對真空

表壓

真空度

大氣壓

第15頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)2.1.3流體靜力學(xué)基本方程式

設(shè)流體不可壓縮，p2p1z1z2GzdzpP+dpA流體靜力學(xué)方程式是描述處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體所受壓力和重力的平衡規(guī)律。在靜止液體中任意取底面積為A的垂直液柱，對dz厚度薄層流體，進(jìn)行受力分析：第16頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)（1）上端面所受總壓力（2）下端面所受總壓力（3）液柱的重力方向向下方向向上方向向下p2p1z1z2GzdzpP+dpA重力場中對dz液柱進(jìn)行受力分析：液柱處于靜止時，上述三項力的合力為零:第17頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)——靜力學(xué)基本方程

壓力形式能量形式化簡積分有(a)第18頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)討論：（1）適用于重力場中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性流體；（2）物理意義：——單位質(zhì)量流體所具有的位能，J/kg；——單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，J/kg。在同一靜止流體中，處在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(機(jī)械能)保持不變。第19頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)（3）在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，靜壓力僅與垂直位置有關(guān)。處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓面。（4）壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化—帕斯卡定律。（5）壓力與流體密度有關(guān)。第20頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)2.1.4、流體靜力學(xué)方程式的應(yīng)用

1.壓力及壓力差的測量（1）U形管壓差計

設(shè)指示液的密度為，被測流體的密度為。

A與A′面為等壓面，即而p1p2mRAA’第21頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)所以整理得若被測流體是氣體，，則有第22頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)討論：（1）U形壓差計可測系統(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，也可測得流體的表壓或真空度；

真空度表壓p1pap1pa第23頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)（2）指示液的選?。褐甘疽号c被測流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；其密度要大于被測流體密度。應(yīng)根據(jù)被測流體的種類及壓差的大小選擇指示液。

第24頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)思考：若U形壓差計安裝在傾斜管路中，此時讀數(shù)R反映了什么？p1p2z2RAA’z1第25頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)例2-3某化工廠為了測得一壓力鍋爐液面上方的壓力p，在鍋爐側(cè)面安裝了一個復(fù)式U形管水銀壓差計，如圖所示。截面2、4間充滿水。以U形管底部為基準(zhǔn)面，圖中各點(diǎn)的標(biāo)高分別為z0=2.2m，z2=1.0m，z4=2.1m，z6=0.8m，z7=2.6m。試求壓力鍋爐中蒸汽的表壓。12345607ppa解：根據(jù)靜力學(xué)原理，同一靜止流體的連通管內(nèi)的同一水平面上的壓力相等，則：p1=p2，p3=p4，p5=p6則：第26頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)上式中分別為指示液水銀和水的密度。壓力鍋爐液面壓力：綜合以上4式，有：p=305.1kPa第27頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)（2）雙液體U管壓差計—微差壓差計

擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。密度接近但不互溶的兩種指示液a和b；適用于壓差較小的場合。ab兩指示液密度相差越小時，讀數(shù)R越大，則在測量很小的壓差時，也能精確讀取R值。第28頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)2.液位測量

（1）近距離液位測量裝置

壓差計讀數(shù)R反映出容器內(nèi)的液面高度。

液面越高，h越小，壓差計讀數(shù)R越?。划?dāng)液面達(dá)到最高時，h為零，R亦為零。ρHg比ρ要大得多，故較小的R可以反映較大的h。123平衡器壓差計第29頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)（2）遠(yuǎn)距離液位測量裝置

管道中充滿氮?dú)?，其密度較小，近似認(rèn)為

而所以

AB鼓泡觀察器充氣管第30頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.1流體靜力學(xué)3.液封高度的計算

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，氣體從液封管排出；防止氣柜內(nèi)氣體泄漏。液封高度：第31頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動（1）流體流動遵循質(zhì)量守恒，能量守恒，動量守恒等規(guī)律。（2）利用上述定律，可以獲得流體流動中各參數(shù)之間的關(guān)系，從而解決化工中的實際問題；（3）化工中的流體主要在管道中進(jìn)行。第32頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動1.體積流量

單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積。

qv——m3/s或m3/h2.質(zhì)量流量

單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量。qm——kg/s或kg/h。

二者關(guān)系：一、流量2.2.1流體的流量與流速第33頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動二、流速流速

（平均流速）單位時間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動方向上所流經(jīng)的距離。

m/s注意：流量具有瞬時性，它隨時間變化，但不是累積量。只有在流體作定態(tài)流動時，流量才為定值。第34頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.質(zhì)量流速

(氣體)單位時間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。kg/（m2·s）流量與流速的關(guān)系：

第35頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動對于圓形管道：流量qV一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。四、流速選擇：三、管徑的估算

↑→d↓→設(shè)備費(fèi)用↓流動阻力↑→動力消耗↑

→操作費(fèi)↑均衡考慮uu適宜費(fèi)用總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)第36頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動常用流體適宜流速范圍：

水及一般液體0.5~3m/s粘度較大的液體0.5~1m/s低壓氣體8~15m/s壓力較高的氣體15～25m/s第37頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動例2-5合成氨廠將壓力為185kPa，溫度為150℃的混合氣體輸送到一吸收塔底，輸送鋼管內(nèi)徑為65mm。已知混合氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(101.325kPa，273.15K)下的體積流量為190m3/h，混合氣體平均摩爾質(zhì)量為30.5kg/kmol。求混合氣體在管內(nèi)的流速和質(zhì)量流速。解：流量換算：第38頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動第39頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.2.2穩(wěn)定流動與非穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量僅隨位置變化，而不隨時間變化；(定態(tài)流動)

非穩(wěn)定流動：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時間變化。(非定態(tài)流動)第40頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.2.3定態(tài)流動系統(tǒng)的質(zhì)量守恒——連續(xù)性方程

對于定態(tài)流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失的情況下：

推廣至任意截面

——連續(xù)性方程1122第41頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動不可壓縮性流體，圓形管道：即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比。意義：在穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，流體流經(jīng)各截面的質(zhì)量流量qm不變，流速隨截面積和密度而變化。第42頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動例2-6：一輸水管路的管內(nèi)徑為62mm,新購置的水泵吸入管外徑為88.5mm，壁厚4mm，壓出管外徑為75.5mm，壁厚3.75mm，水泵在最佳工況點(diǎn)工作時吸入管的流速為1.4m/s。試求壓出管和管路中水的流速。解：d1=88.5-2×4=80.5mmd2=75.5-2×3.75=68mm則壓出管中水流速為管路中水流速為：第43頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.2.4定態(tài)流動系統(tǒng)的能量守恒——伯努利方程

一、總能量衡算BernoulliEquation第44頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動（1）內(nèi)能貯存于物質(zhì)內(nèi)部的能量。1kg流體具有的內(nèi)能為U（J/kg）。衡算范圍：1-1′、2-2′截面以及管內(nèi)壁所圍成的空間衡算基準(zhǔn)：1kg流體基準(zhǔn)面：0-0′水平面（2）位能流體受重力作用在不同高度所具有的能量。1kg的流體所具有的位能為zg（J/kg）。

第45頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動（3）動能1kg的流體所具有的動能為(J/kg)（4）靜壓能

靜壓能為流體流動時需克服自身所處靜壓力p而做的功。其值相當(dāng)于其后面的流體將該1kg流體在體積不變的情況下推入靜壓力為p的系統(tǒng)中所做的功。功等于力和距離的乘積，也就是說這種功是在流體流動時才出現(xiàn)的，流動才會有距離，故稱流動功。第46頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動（5）熱設(shè)換熱器向1kg流體提供的熱量為(J/kg)。

靜壓能=1kg的流體所具有的靜壓能為

(J/kg)lAV第47頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動（6）外功(有效功)1kg流體從流體輸送機(jī)械所獲得的能量為Ee(J/kg)。以上能量形式可分為兩類：機(jī)械能：位能、動能、靜壓能及外功，可用于輸送流體；內(nèi)能與熱：不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔土黧w的能量。第48頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2．實際流體的機(jī)械能衡算

假設(shè)流體不可壓縮，則流動系統(tǒng)無熱交換，則流體溫度不變，則

以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)

設(shè)1kg流體損失的能量為Σhf（J/kg），有：(1)式中各項單位為J/kg。并且實際流體流動時有能量損失。第49頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動z——位壓頭——動壓頭He(=Ee/g)——有效壓頭，揚(yáng)程。——靜壓頭總壓頭ΣHf(=)——壓頭損失各項單位為m，實際上應(yīng)理解為米流體柱，即壓頭。工程上將每牛頓流體所具有的能量統(tǒng)稱為壓頭。第50頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動3．理想流體的機(jī)械能衡算

理想流體是指無粘性，在流動中沒有摩擦阻力的流體。（4）（5）——伯努利方程式

第51頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動4.伯努利方程的討論

（1）若流體處于靜止，u=0，ΣWf=0，We=0，則伯努利方程變?yōu)檎f明伯努利方程即表示流體的運(yùn)動規(guī)律，也表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律。（2）理想流體在流動過程中任意截面上總機(jī)械能、總壓頭為常數(shù)，即第52頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動（4）伯努利方程式適用于不可壓縮性流體。對于可壓縮性流體，當(dāng)時，仍可用該方程計算，但式中的密度ρ應(yīng)以兩截面的平均密度ρm代替。（3）不同形式的能量之間可以互相轉(zhuǎn)換。第53頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.2.5伯努利方程的應(yīng)用

管內(nèi)流體的流量；輸送設(shè)備的功率；管路中流體的壓力；容器間的相對位置等。利用伯努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：第54頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動（1）根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流動方向，定出上、下游截面，明確流動系統(tǒng)的衡算范圍；（2）位能基準(zhǔn)面的選取必須與地面平行；宜于選取兩截面中位置較低的截面；若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面應(yīng)選過管中心線的水平面。

當(dāng)截面與基準(zhǔn)面不平行，應(yīng)選取截面中心的截點(diǎn)到基準(zhǔn)面的垂直距離。第55頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動（4）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示方法也應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。

（3）截面的選取與流體的流動方向相垂直；兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動；截面宜選在已知量多、計算方便處。

（5）確定流體輸送機(jī)械的壓頭和功率。在計算外加能量是要注意其單位。

（6）軸功率P計算泵的工作效率為，則：第56頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動例2-7用泵將解吸后的液體從低位槽抽到吸收塔頂，經(jīng)噴淋作吸收劑用。儲槽液面比地面低1.5m，塔內(nèi)噴頭比地面高出13m。泵的出口管內(nèi)徑為53mm，噴頭口前的壓力為30kPa(表壓)，液體密度為1100kg/m3，輸送系統(tǒng)中壓頭損失為3m，流程計劃送流量為25t/h。若泵的效率為55%。試求泵所需的功率。解：將伯努利方程整理為位頭：取地面為基準(zhǔn)，得z1=-1.5m流柱z2=13m流柱靜壓頭：壓力均用表壓表示，單位為m流柱。第57頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動z2z11122第58頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動P1=0,即速度頭：因儲槽液面下降極慢，故u1=0。壓出管內(nèi)徑為53mm，因此，壓出管流速為：故：第59頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動已知：Hf=3m液柱，代入伯努利方程，得泵的效率為55%，實際所需功率P為:實際選用時參照泵的規(guī)格，軸功率要大于或等于2.56kW.第60頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動例2-8精餾塔加料板設(shè)在塔身中部，需用高位槽向塔內(nèi)連續(xù)加料。高位槽和精餾塔內(nèi)加料板上的壓力相等，均為25kPa(表壓)。要求料液在管內(nèi)的流速為0.7m/s，其總壓頭損失為1.5m液柱，試求高位槽液面應(yīng)比精餾塔加料口處高出多少米?解：能量橫算范圍，選1-1和2-2兩截面基準(zhǔn)面：2-2截面管中心面。有：xpa11220-0又u1=0，有x=1.52m第61頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.2.6流體的流動型態(tài)與雷諾數(shù)

問題：

流體在運(yùn)動中如何產(chǎn)生阻力？

熱量在流體中如何傳遞？

溶質(zhì)在流體中如何擴(kuò)散？以上問題都與流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動狀況有關(guān)。顯然，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動狀況與流動形態(tài)有關(guān)。第62頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.2.6流體的流動型態(tài)與雷諾數(shù)

一、雷諾實驗紅墨水第63頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動層流（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，質(zhì)點(diǎn)無徑向脈動，質(zhì)點(diǎn)之間不存在軸向和徑向的混合；湍流（或紊流）：流體質(zhì)點(diǎn)主體除沿軸向向前運(yùn)動外，同時質(zhì)點(diǎn)在各個方向作隨機(jī)運(yùn)動，彼此混合，產(chǎn)生渦流。二、流型判據(jù)——雷諾準(zhǔn)數(shù)

無因次數(shù)群第64頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動判斷流型Re≤2000時，流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re≥4000時，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000<Re<4000時，流動可能是層流，也可能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。2.物理意義

Re反映了流體流動中慣性力與粘性力的對比關(guān)系，標(biāo)志著流體流動的湍動程度。

第65頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動---單位時間通過單位截面積的流體質(zhì)量；---單位時間通過單位截面積的流體的動量；與單位截面上的慣性力成正比。---與流體內(nèi)部粘滯力成比例。當(dāng)慣性力占主導(dǎo)地位時，Re較大，湍流程度大；當(dāng)粘滯力占主導(dǎo)地位時，Re則較小，將抑制流體的湍動。第66頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動例2-9一雷諾實驗裝置，其管道內(nèi)徑為32mm，當(dāng)控制其流型為層流時，它的流速最大為多少？當(dāng)流速達(dá)到0.5m/s時，流動形態(tài)又如何？水溫20℃。解：①20℃時水的粘度μ=1×10-3Pa*s,密度為998.2kg/m3。有：得：u1,max=0.0626m/s②即為湍流。第67頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.2.7牛頓粘性定律Fuu＋dudy一、粘度1。流體流動時，要克服內(nèi)摩擦力做功。內(nèi)摩擦力是流體固有的，其大小由流體本身的性質(zhì)決定。2。流體具有內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為粘性。表征流體粘性大小的物理量稱為粘度。第68頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動3.如圖，拖動放置于液面上的上板時，板間液體可視為許多平行于板的流體層，流體層的流速呈上大下小的線形分布。各層間存在相對運(yùn)動。兩相鄰流體層間因相對運(yùn)動產(chǎn)生了剪應(yīng)力，稱為流體的內(nèi)摩擦力或粘滯力。二、牛頓粘性定律

實驗證明：兩流體層間單位面積上的剪應(yīng)力即內(nèi)摩擦力τ，與垂直于流動方向的速度梯度成正比。Fuu＋duy+dyy第69頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.2.7牛頓粘性定律式中：τ——剪應(yīng)力，Pa；

——法向速度梯度，1/s；μ——比例系數(shù)，稱為流體的動力粘度，即粘度，Pa·s。

上式即為牛頓粘性定律表達(dá)式。Fuu＋duy+dyy第70頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動牛頓型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓粘性定律的流體；(空氣,水)非牛頓型流體：不符合牛頓粘性定律的流體。如泥漿，懸濁液，油漆等

三、流體的粘度

（動力粘度）1.粘度的物理意義

流體流動時在與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。第71頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動液體:T↑→↓氣體:一般T↑→↑超高壓p↑→↑粘度的物理本質(zhì)：分子間的引力和分子的運(yùn)動與碰撞。2.粘度的單位SI制：Pa·s或kg/(m·s)物理制：cP(厘泊）換算關(guān)系1cP＝10-3Pa·s第72頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動3.運(yùn)動粘度

粘度μ與密度ρ的之比。m2/s四*、層流和湍流中的剪應(yīng)力(1)層流中的剪應(yīng)力①層流流動的基本特征是流體的分層流動，因此，作用于相鄰兩流體層間的剪應(yīng)力可以寫為：第73頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動上式說明：剪應(yīng)力可以表示為單位時間通過單位面積的動量，即動量通量。②層流流動中的流體內(nèi)部的剪應(yīng)力是速度不等的兩層相鄰流體層間的作用力。

這種相互作用就是兩流體層間的動量傳遞。

兩流體間由于在流動方向上流速不同，它們之間的分子交換或相互作用將導(dǎo)致動量的傳遞。第74頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動(2)湍流中的剪應(yīng)力①湍流流動的動量傳遞除由于分子運(yùn)動引起外，還與流體質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)脈動關(guān)系極大。分子運(yùn)動引起的剪應(yīng)力質(zhì)點(diǎn)脈動引起的剪應(yīng)力渦流粘度（湍流粘度）渦流粘度不只與流體的物性有關(guān)，而且隨流動狀況而變化，它反映湍流流動中流體的脈動特性。第75頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動②流體質(zhì)點(diǎn)脈動造成的剪應(yīng)力或動量通量遠(yuǎn)比分子運(yùn)動引起的剪應(yīng)力或動量通量大。質(zhì)點(diǎn)的碰撞，加劇了湍動程度，增大了內(nèi)摩擦，使能量消耗比層流時大得多。第76頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動例2-10用往復(fù)泵將原油送到精餾塔。往復(fù)泵缸內(nèi)壁的直徑D為14cm。活塞的直徑d為13.95cm，厚度l為8cm，往復(fù)運(yùn)動的速度為1.0m/s。原油的粘度為0.12Pas。試求活塞運(yùn)動時所克服的粘滯力？解：活塞與缸內(nèi)壁的距離n=(14-13.95)/2=0.25mm。因粘滯作用，靠缸內(nèi)壁的原油速度為0，靠活塞外沿的原油速度與活塞速度相等，為1.0m/s。該層原油速度梯度近似為：第77頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動即為活塞運(yùn)動所克服的粘滯力。第78頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.2.8流體流動的邊界層①實際流體與固體壁面相互作用時，由于垂直流動方向上的速度梯度都集中于壁面附近，所以剪應(yīng)力也集中于壁面附近，在遠(yuǎn)離固體壁面的地方其速度梯度則很小。②把壁面附近的流體最為主要研究對象，而將遠(yuǎn)離固體壁面的流體中的剪應(yīng)力忽略不計，視其為理想流體，將大大簡化實際流體流動的研究工作。這就是邊界層理論提出的出發(fā)點(diǎn)。③邊界層特性的研究對于熱量傳遞和質(zhì)量傳遞也同樣有相當(dāng)大的影響。第79頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動平壁上的邊界層邊界層區(qū)主流區(qū)一、邊界層的形成

第80頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動邊界層厚度δ：邊界層外緣與壁面間的垂直距離。邊界層：壁面附近速度變化較大的區(qū)域，流體阻力主要集中在這一區(qū)域；主流區(qū)：遠(yuǎn)離壁面，速度基本不變的區(qū)域，其中流體阻力可以忽略不計。一般將速度達(dá)到主體流速的99%之處規(guī)定為兩個區(qū)域的分界線。第81頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動二、邊界層的發(fā)展①流體在圓管內(nèi)流動時的邊界層

邊界層有一個發(fā)展過程。隨著流體流經(jīng)距離的增加，因粘性對流體的持續(xù)作用，邊界層的厚度也不斷增加和發(fā)展。管截面速度分布沿X0變化，當(dāng)邊界層匯合后，速度分布確定，管內(nèi)流動成定態(tài)流動，邊界層發(fā)展完全。第82頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動②流體在平板上流動時的邊界層：

邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮粘度的影響，剪應(yīng)力不可忽略。主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應(yīng)力可以忽略，可視為理想流體。x0第83頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動三、邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層：在平板的前段，邊界層內(nèi)的流型為層流。邊界層薄，流速小。湍流邊界層：離平板前沿一段距離后x0，邊界層內(nèi)的流型轉(zhuǎn)為湍流。湍流發(fā)生處，邊界層突然增厚。但靠壁面仍有一個層流層，稱為層流底層。①平板第84頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動②圓管邊界層的特點(diǎn)與流體主體有關(guān)：層流管道整個管內(nèi)均呈層流流動，管壁對流體的阻力會影響到很厚的流體層，直至管中心。所有流體層均為邊界層。b.湍流管管內(nèi)主體呈湍流流動，并對邊界層的流速產(chǎn)生影響，使之也呈湍流流動。但靠壁面仍有一個層流層。因此湍流邊界層又分為層流內(nèi)層和湍流邊界層。第85頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動湍流流動時：第86頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動湍流主體：速度脈動較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動而大大強(qiáng)化；過渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)；層流內(nèi)層：速度脈動較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動?！獙恿鲀?nèi)層為傳遞過程的主要阻力Re越大，湍動程度越高，層流內(nèi)層厚度越薄。第87頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動四、邊界層的分離ABBCC’當(dāng)一個流速均勻的流體流過球體或圓柱體壁面時，流動邊界層將會與壁面分離。第88頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動A點(diǎn)：流體遇阻力速度變?yōu)?，動能轉(zhuǎn)化為靜壓能；A→B：形成邊界層，流道截面積逐漸減小，流速逐漸增加，壓力逐漸減小（順壓梯度）；B→C：流道截面積逐漸增加，流速逐漸減小，壓力逐漸增加（逆壓梯度）；C點(diǎn)：物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)在逆壓梯度和粘性剪應(yīng)力的作用下，速度降為0。而距壁面較遠(yuǎn)處的流體質(zhì)點(diǎn)因具有較大的速度，流至C’點(diǎn)才變?yōu)?；CC’線以外的區(qū)域形成脫離壁面的邊界層。稱為邊界層的分離或脫體。CC’以下：流體在逆壓力梯度下產(chǎn)生倒流，形成渦流，耗費(fèi)機(jī)械能，成為流動阻力（局部阻力）。第89頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動邊界層分離的后果：產(chǎn)生大量旋渦；造成較大的能量損失。邊界層分離的必要條件：流體具有粘性；流動過程中存在逆壓梯度。第90頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.2.9流體在圓管內(nèi)的速度分布a.速度分布：流體在圓管內(nèi)流動時,管截面上質(zhì)點(diǎn)的軸向速度沿徑向的變化關(guān)系。

b.層流和湍流的速度分布規(guī)律不同，因為二者流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的特點(diǎn)不同。湍流：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動復(fù)雜，各種參數(shù)要用統(tǒng)計方法計算；層流：流體質(zhì)點(diǎn)和流體層按受力層次有序運(yùn)動。第91頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動一、層流時的速度分布

如圖，分布曲線像一拋物線。管中心速度最大，沿徑向至壁面漸減，平均速度為最大速度的一半。1’12’2第92頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動由壓力差產(chǎn)生的推力

流體層間內(nèi)摩擦力

①速度分布方程式對流體柱進(jìn)行受力分析：有：1’12’2第93頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動管壁處r＝R時，，積分可得速度分布方程(rR)定態(tài)流動時，Δp為一定值。上式即為流體在圓管中層流時的速度分布方程式，是一拋物線方程。第94頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動管中心流速為最大，即r＝0時，即流體在圓形直管內(nèi)層流流動時，其速度呈拋物線分布。②最大流速第95頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動③流量在流體柱上半徑r處取厚度為dr的一個薄環(huán)，則通過環(huán)形截面流道的流量為：1’12’2第96頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動流量管截面上的平均速度:即層流流動時的平均速度為管中心最大速度的1/2。

④平均流速第97頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動二、湍流時的速度分布

剪應(yīng)力：ε為湍流粘度，與流體的流動狀況有關(guān)。

湍流時的速度分布不能通過理論推導(dǎo)出來，只能由實驗測得它的分布圖形。它不是拋物性分布，而是管中心的流速幾乎拉平，靠管壁處才有明顯的速度分布。因此，管道中的高度湍流被近似稱為”活塞流”，即所有流體質(zhì)點(diǎn)的流速均相等。第98頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動二、湍流時的速度分布

湍流速度分布的經(jīng)驗式：近似為”活塞流”第99頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動n與Re有關(guān)，取值如下：

當(dāng)n=7時，流體的平均速度:第100頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.2.10流體流動阻力直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。

a、管路系統(tǒng)由直管和管件組成。管件包括彎頭、三通、閥門、突然擴(kuò)大與縮小和流量計組成。本質(zhì)：因流體粘性所引起的內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的能量損失，在伯努利方程中為機(jī)械能損失。第101頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動1.4.1直管阻力一、阻力的表現(xiàn)形式

b.流體流動阻力的大小與流體性質(zhì)、流動型態(tài)、管路的特征和長度等有關(guān)。Hf

Pa(J/kg)m流體柱第102頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動。第103頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動若管道為傾斜管，則

流體的流動阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少；水平安裝時，流動阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。

第104頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動二、直管阻力的通式

由于壓力差而產(chǎn)生的推動力：流體的摩擦力：令

定態(tài)流動時改寫：第105頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動——直管阻力通式（范寧Fanning公式）

——摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)）

則

Pa上式中壓力降以動能、管子特性尺寸，及摩擦系數(shù)λ表示。λ與τ有關(guān)，τ與流動型態(tài)和流動性質(zhì)有關(guān)。

流體在管內(nèi)流動時產(chǎn)生的阻力可通過壓力降Δp的測定來計算，而阻力產(chǎn)生的原因是τ，二者互為因果。該公式層流與湍流均適用；第106頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動三、層流時的阻力損失計算

速度分布方程又——哈根-泊謖葉（Hagen-Poiseuille）公式

表征管內(nèi)層流流動時的平均流速與壓力降的關(guān)系。第107頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動能量損失層流時阻力與速度的一次方成正比。變形：比較得J/kg第108頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動四、湍流時的阻力損失計算與量綱分析①湍流流動的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動很復(fù)雜，其剪應(yīng)力不能簡單地用數(shù)學(xué)式描述，也無法用理論推導(dǎo)得到阻力計算式。②在化學(xué)工程中常通過實驗并用量綱分析法建立經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。③實踐證明，這些經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式同樣可用于解決工程設(shè)計和控制操作等實際問題。第109頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動(1).量綱(因次)分析法

目的：（1）減少實驗工作量；（2）結(jié)果具有普遍性，便于推廣?；A(chǔ)：量綱（因次）一致性即每一個物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，而且每一項都應(yīng)具有相同的量綱（因次）。也稱為量綱和諧。第110頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動基本定理：白金漢（Buckinghan）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，這些變量的基本量綱（因次）數(shù)為m個，則該物理現(xiàn)象可用N＝（n－m）個獨(dú)立的無量綱（因次）數(shù)群表示。

任何一個物理方程均可劃為無量綱數(shù)群關(guān)系式，而無量綱數(shù)群的數(shù)目等于原物理方程的獨(dú)立變量數(shù)目減去基本量綱數(shù)。第111頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動湍流時壓力損失的影響因素：（1）流體性質(zhì)：，（2）流動的幾何尺寸：d，（管壁粗糙度）（3）流動條件：u物理變量n＝6基本量綱m＝3無量綱（因次）數(shù)群N＝n－m＝3

表示壁面突出部分的平均高度第112頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動上式中，粗糙度是以相對粗糙度ε/d來測算，其量綱為1，為方便計算，ε/d對λ的影響暫不考慮。上式改寫為冪函數(shù)形式，即：量綱分析：L---長度M---質(zhì)量T----時間第113頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動根據(jù)量綱一致性原則：有：b=-ec=-ea=-e有：考慮ε對λ的影響，綜合以上分析，可得：第114頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動(2)。湍流時阻力損失的計算湍流流動中，λ與Re和ε/d的關(guān)系須由實驗確定，繪于雙對數(shù)坐標(biāo)上，見下圖。該圖依照Re分為4個區(qū)。第115頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動莫狄（Moody）摩擦因數(shù)圖：層流區(qū)過渡區(qū)完全湍流，粗燥管湍流區(qū)εε第116頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動（1）層流區(qū)（Re≤2000）

λ與無關(guān)，與Re為直線關(guān)系，即,即與u的一次方成正比。（2）過渡區(qū)（2000<Re<4000)按湍流處理。將湍流時的曲線延伸查取λ值。（3）湍流區(qū)（Re≥4000的虛線以下的區(qū)域）

最下面一條為光滑管λ與Re的曲線第117頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動（4）完全湍流區(qū)

（Re≥4000的虛線以上的區(qū)域）

λ與Re無關(guān)，只與有關(guān)。該區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。一定時，經(jīng)驗公式：（1）柏拉修斯（Blasius）式：適用光滑管Re＝3×103～105（2）考萊布魯克（Colebrook）式適用于湍流區(qū)光滑管和粗糙管及完全湍流區(qū)。第118頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響

光滑管：玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等；粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。絕對粗糙度：管道壁面凸出部分的平均高度。相對粗糙度：絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值。層流流動時：流速較慢，與管壁無碰撞，阻力與

無關(guān)，只與Re有關(guān)。第119頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動湍流流動時：水力光滑管只與Re有關(guān)，與無關(guān)。完全湍流粗糙管只與有關(guān)，與Re無關(guān)。Re較小Re較大第120頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動五、非圓形管內(nèi)的流動阻力

當(dāng)量直徑：

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:第121頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動說明：（1）Re與hf中的直徑用de計算；（2）層流時：正方形C＝57套管環(huán)隙C＝96（3）流速用實際流通面積計算。（4）就當(dāng)量直徑而論，當(dāng)流道截面積一定時，浸潤周邊的值越小，當(dāng)量直徑越大，其阻力損失越小。故以方管和圓管比較，圓管的阻力損失更小。第122頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動1.4.2局部阻力

①當(dāng)流體流過管件、閥件時，速度的大小和方向急劇改變，耗費(fèi)能量而產(chǎn)生阻力，稱為局部阻力。②局部阻力損失不能通過理論導(dǎo)出數(shù)學(xué)表達(dá)式，只能通過實驗測定。③方法：阻力系數(shù)法當(dāng)量長度法第123頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動一、阻力系數(shù)法

將局部阻力表示為動能的某一倍數(shù)。

或

ζ——局部阻力系數(shù)

J/kgJ/N=m第124頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動1.突然擴(kuò)大第125頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動2.突然縮小第126頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動3.管進(jìn)口及出口進(jìn)口：流體自容器進(jìn)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)4.管件與閥門第127頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動第128頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動第129頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動二、當(dāng)量長度法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。le——

管件或閥門的當(dāng)量長度，m。第130頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.2流體在管內(nèi)的流動總阻力：減少流動阻力的途徑：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。第131頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一例2-11合成氨原料氣體的脫碳工段用泵將貯槽中的堿液(ρ=1200kg/m3,μ=2.3×10-3Pas)輸送到塔頂做噴淋液，流量為10kg/s。貯槽液面壓力p1為常壓，吸收塔頂部表壓p2為5.8kPa；管內(nèi)徑d為80mm，管壁粗糙度為ε為0.2mm，管路中裝有阻力系數(shù)為8.5的流量計一個，全開閘閥2個，900彎頭4個。貯槽液面到吸收塔噴頭的垂直距離為23m，求泵的功率。解：以貯槽1-1截面為水平基準(zhǔn)面，塔頂噴頭水平面做2-2截面。在兩截面之間列伯努利方程為其中：z1=0,z2=33m,p1=0(表壓),p2=5800Pa(表壓),u1=0又流速為：第132頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一z2z11122第133頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一雷諾數(shù)為：相對粗燥度為：由Re,ε/d查摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得λ=0.026查局部阻力系數(shù)得：管入口：ζ=0.5全開閘閥：ζ=0.17900彎頭：ζ=0.75孔板流量計：ζ=8.5第134頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一壓頭損失為：有所以，泵的有效功率：第135頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量2.3.1管路計算①管路計算管路計算是應(yīng)用流體流動連續(xù)性方程式、機(jī)械能衡算式和阻力損失計算式等解決流體輸送工程中的設(shè)計和操作計算問題。②管路設(shè)計根據(jù)給定的流體輸送任務(wù)，如流量、輸送的距離和提升的高度等，而設(shè)計一種合理的、經(jīng)濟(jì)的管路。③管路操作對已知的管路，核算在給定條件下輸送能力或操作費(fèi)用。第136頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量④管路計算主要有以下幾種情況a.已知流體流量，在已知管路中計算系統(tǒng)的阻力損失。對這種情況，已知qV、d可求得u，再求Re、λ，又有已知，則b.給定流體流量、管長、管件和允許壓力降，計算管路管徑。c.給定允許壓力降，求一定管路中流體的流量。對這兩種情況，因d和qV未知，求無法求取u，也就無法求得Re,λ。所以需用試差法計算。第137頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量一、特點(diǎn)

（1）流體通過各管段的質(zhì)量流量不變，對于不可壓縮流體，則體積流量也不變。

(2)整個管路的總能量損失等于各段能量損失之和。qV1,d1qV3,d3qV2,d2不可壓縮流體簡單管路的計算第138頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量二、管路計算基本方程：連續(xù)性方程：伯努利方程：阻力計算（摩擦系數(shù)）：物性、一定時，需給定獨(dú)立的9個參數(shù)，方可求解其它3個未知量。第139頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量試差法計算流速的步驟：（1）根據(jù)伯努利方程列出試差等式；（2）試差：符合？可初設(shè)阻力平方區(qū)之值注意：若已知流動處于阻力平方區(qū)或?qū)恿?，則無需試差，可直接解析求解。第140頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量例：蓄水池鋪設(shè)一條140m長的管路至冷卻車間，要求輸水量為30m2/h，輸水過程中允許的壓頭損失為9mH2O，求管子的管徑。已知水的密度為1000kg/m3，粘度為1.0×10-3Pas，鋼管的絕對粗糙度為0.2mm。解：該題屬于第2類問題，已知阻力損失和流量，計算管徑。已知：l=140mm,Hf=9mH2O,qV=30m2/h,ε=0.2mm因為u,d和λ均未知，需用試差法求解。假設(shè)λ為0.025，則根據(jù)，代入已知數(shù)據(jù)得第141頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量解得d’=0.074m,u’=1.933m/sRe=u’d’ρ/μ=143035ε/d=0.2×10-3/0.074=0.0027查圖，得λ=0.027，與初設(shè)值有差異，所以重新計算，即解得d=0.075m,u=1.88m/sRe=141300ε/d=0.2×10-3/0.075=0.0027查圖得λ=0.027，試差正確，故管徑為0.075m.第142頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量一、并聯(lián)管路

AqVqV1qV2qV3B1、特點(diǎn)：（1）主管中的流量為并聯(lián)的各支路流量之和；復(fù)雜管路分支后又匯合的管路第143頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量（2）并聯(lián)管路中各支路的能量損失均相等。

不可壓縮流體注意：計算并聯(lián)管路阻力時，僅取其中一支路即可，不能重復(fù)計算。（3）有如下關(guān)系

第144頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量2.并聯(lián)管路的流量分配而支管越長、管徑越小、阻力系數(shù)越大——流量越?。环粗髁吭酱?。第145頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量COAB分支管路COAB匯合管路二、分支管路與匯合管路

第146頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量1、特點(diǎn)：（1）主管中的流量為各支路流量之和；不可壓縮流體（2）當(dāng)某一分支管路的阻力發(fā)生改變時，各支管的流量會發(fā)生改變，相互制約。第147頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量例：在一并聯(lián)管路中，水的總流量為1.5m3/s，各支管的長度和直徑l1=1000m，l2=1800m；d1=0.8m,d2=0.6m。求各支管內(nèi)的水流量。已知ρ=1000kg/m3,μ=1.0×10-3Pas，管路絕對粗糙度ε為0.24mm。解：僅有λ未知，用試差法。假設(shè)水在各支路管中流動處于阻力平方區(qū)，該區(qū)的λ與Re關(guān)系不大，僅與ε/d相關(guān)。有：查圖得：λ1=0.015，λ2=0.016第148頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量代入2-54，有第149頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量求Re得：Re1=1.768×106Re1=0.828×106驗算λ值，查圖得λ1=0.015λ2=0.017與假設(shè)值基本相符，說明所計算流量值正確。第150頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量2.3.2流速與流量的測量一、結(jié)構(gòu)測速管---皮托管(Pitottube)沖壓管靜壓管上部由兩根同心圓管組成.外管管口封閉，側(cè)面開孔.測靜壓；c.內(nèi)管前端開口正對流動方向.測沖壓；d.內(nèi)外管的另一端與壓差計連接。第151頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量2.3.2流速與流量的測量二、原理內(nèi)管A處外管B處測速管沖壓管靜壓管第152頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量點(diǎn)速度：即討論：（1）皮托管測量流體的點(diǎn)速度，可測速度分布曲線；c取0.98~1之間第153頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量三、安裝（1）測量點(diǎn)位于均勻流段，上、下游各有50d直管距離；（2）皮托管管口截面嚴(yán)格垂直于流動方向；（3）皮托管外徑d0不應(yīng)超過管內(nèi)徑d的1/50，即d0<d/50。（2）流量的求?。河伤俣确植记€積分測管中心最大流速，由求平均流速，再計算流量。第154頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量孔板流量計一、結(jié)構(gòu)與原理d1A1u1d0A0u0d2A2u2R銳孔壓差計縮脈第155頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量在1-1′截面和2-2′(縮脈)截面間列伯努利方程，暫不計能量損失變形得

二、流量方程由連續(xù)性方程第156頁，共178頁，2023年，2月20日，星期一2.3管路計算和流體流量測量問題：（1）實際孔口有能量損失；

（2）縮脈處A2未知。解決方法：用孔口速度u0及截面積A0替代縮脈處