环境工程原理课件

第一章

流体流动概述流体：流动性，即抗剪抗张能力都很小。

特点：

无固定形状，随容器的形状而变化。在外力作用下流体内部发生相对运动。

液体不可压缩

种类：

气体可压缩第一章

流体流动概述流体输送：流体输送操作是环境工程中应用最普遍的单元操作。流体流动是其它环境工程过程的基础。

第一章

流体流动概述流体力学：流体静力学:静力学方程及其应用

流体动力学:连续性方程及柏努利方程

第一章

流体流动概述流动连续性假设：假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。

连续性假设的目的是为了摆脱复杂的分子运动，而从宏观的角度来研究流体的流动规律，这时，流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布，从而可用连续函数的数学工具加以描述。第一章

流体流动第一节流体的基本物理量一.流体的密度

1.密度

2.比容

3.相对密度

4.纯组分流体密度计算

5.混合流体密度计算

第一章

流体流动一密度序号物理量物理意义表达式单位1密度单位体积流体的质量

=m/v

kg/m3

2比容单位质量流体的体积

=v/m=1/ρm3/kg3相对密度流体的密度与标准大气压下277K（4℃）时水的密度之比无量纲第一节流体的基本物理量第一章

流体流动一密度4.纯组分流体密度计算（1）液体的密度

随压强变化很小，常可忽略其影响。

（2）气体的密度

其值随温度、压强有较大的变化。第一节流体的基本物理量第一章

流体流动一密度5.混合流体密度计算

(1)液体混合物的计算混合液体之间不发生化学反应前提：混合前后的体积变化不大公式：

第一章

流体流动ω-质量分数ρ-流体密度一密度

例题：

20℃，将由35%戊烷和65%辛烷（圴为质量百分数）组成的液体混合物装入一10m3的容器，试求混合液体的质量。第一章

流体流动一密度（2）气体混合物密度计算注意：对于理想气体，其摩尔分率y与体积分率φ相同。第一章

流体流动一密度例题：在压力为202.66kPa（表压），温度为300℃条件下，由分析得知某混合气体成分如下（圴为体积%）：CO2:8.5%；O2:7.5%；N2：76%；H2O：8%。试计算该混合气体的密度。第一章

流体流动二压强1.定义：

流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，简称压强，习惯上又称为压力。

Z2Z1F第一章

流体流动二压强2.压强的特性①在连续静止的流体内部，压强为位置的连续函数，任一点的压强与作用面垂直，并指向所考虑的流体内部。②流体系统中任意一点的压强在各个方向上相等。

第一章

流体流动二压强3.压强的单位

♫

1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133×105Pa♫

1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10.33mH2O=0.9807bar=9.807×104Pa

第一章

流体流动二压强

4.压力的表示方法

➢

绝对压强：指流体的真实压强。

➢

表压强：指工程上用测压仪表以当时当地大气压为基准测得的流体压强值。

➢

真空度：当被测流体内的绝对压强小于当地大气压时，使用真空表进行测量时真空表上的读数称为真空度。

表压=绝对压力-大气压力真空度=大气压力-绝对压力第一章

流体流动二压强第一章

流体流动测压仪器二压强5.例题

天津和兰州的大气压强分别为101.33kPa和85.3kPa，苯乙烯真空精馏塔的塔顶要求维持5.3kPa的绝对压强，试计算两地真空表的读数（即真空度）。

解：真空度=大气压强-绝对压强天津真空度=101.33-5.3=96.03kPa

兰州真空度=85.3-5.3=80kPa;第一章

流体流动三流量与流速1.流量：流体在管内流动时，单位时间内统过任一截面的流体量。

qv

-----体积流量

m3/sqm-----质量流量

kg/s

qm=

qv

2.流速u：单位时间内流体在流动方向上流过的离,

m/s；

u=

qm=uAρ

第一章

流体流动三流量与流速3.管径、体积流量和流速之间关系对于圆形管道，以d表示其内径，有:qv=

uA=u

↓d=第一章

流体流动流速与操作费和基建费之间关系

qv一定流速u↑

↓

管径d↓

↓

基建费↓

↓

流动阻力↑

↓

动力消耗↑

↓

操作费用↑

流速u↓

↓

管径d↑

↓

基建费↑

↓

流动阻力↓

↓

动力消耗↓

↓

操作费用↓第一章

流体流动三流量与流速4.管径的选择根据输送的流体选择流速u1↓根据要求的流量qv及选定的流速u1计算管径d1↓查附录就近选择合适的管径d2↓根据选择的管径计算实际流速u2↓验证实际流速u2是否处于常用流速范围内noyes第一章

流体流动选取成功!四流体的黏度1.黏性：

➢流体流动时产生内摩擦力的特性称为黏性。

➢黏性是流动性的反面，流体的黏性越大，其流动性越小。流体的黏性是流体产生流动阻力的根源。

➢黏度是流体的物理性质之一，其值由实验测定，液体的黏度随温度升高而减小，压强变化时，其粘度基本不变。气体黏度随温度增加而增加。第一章

流体流动四流体的黏度2.牛顿黏性定律F第一章

流体流动四流体的黏度牛顿型流体:

剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体，包括所有气体和大多数液体。非牛顿型流体:

不符合牛顿粘性定律的流体.如高分子溶液、胶体溶液及悬浮液等。注意：本章讨论的均为牛顿型流体。第一章

流体流动四流体的黏度3.黏度(1)定义第一章

流体流动四流体的黏度(2)单位

SI单位：

常用单位:

1Pa·S=10P

(泊)

=1000cP

(厘泊)第一章

流体流动四流体的黏度(3)运动黏度

定义:

黏度μ与密度ρ的比值表示，ν表示

m2/S

第一章

流体流动第一章流体流动第二节流体静力学一流体静力学方程1.流体静力学方程推导

容器内装有某液体

密度为ρ

液柱截面积为A

以容器底面为基准水平面

液柱的上、下端面与基准水平面的垂直距离分别为Z1和Z2

作用在上、下两端面的压力分别

P1为和P2

第一章

流体流动一流体静力学方程受力分析：♪上端面所受压力：P1A↓

♪下端面所受压力：P2A↑♪液柱的重力：A（Z1-Z2）ρg↓

♪力平衡，即

P2A=P1A+A（Z1-Z2）ρg♪整理并消去A，得

P2=P1+（Z1-Z2）ρg♣若将液柱的上端面取在容器内的液面上，设液面上方的压力为P0，液柱高度为h，则

P0=ρgh第一章

流体流动一流体静力学方程2.流体静力学方程

三种形式:

(1)压力形式

(2)能量形式

(3)P0=ρgh→h=P0/ρg♣

适用范围:

适用于在重力场中静止、连续的同种不可压缩流体，如液体.而对于气体来说，密度随压力变化，但若气体的压力变化不大，密度近似地取其平均值而视为常数时，也可应用.第一章

流体流动一流体静力学方程3.静力学方程讨论☻在静止的、连续的同种液体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。☻压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。☻单位质量流体所具有的位能和静压能，(2)式反映出在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但总和恒为常量。因此，静力学基本方程也反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系。☻(3)式说明压力或压力差可用液柱高度表示，此为前面介绍压力的单位可用液柱高度表示的依据。但需注明液体的种类。第一章

流体流动一流体静力学方程4.例题如图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.8m，密度ρ1=800kg/m3水层高度h2=0.6m，密度ρ2=

1000kg/m3

（1）判断下式是否成立：

PA=PA′PB=PB′

(2)计算玻璃管内水的高度

h

第一章

流体流动二流体静力学方程应用1.压差及压强测量2.液位测量3.液封高度计算第一章

流体流动二流体静力学方程应用1.压差及压强测量(1)

正U形管压差计

形状:U形玻璃管指示液A:♣指示液A与被测流体B不互溶,不起化学反应,ρA﹥ρB。♣常用的指示液有水银、四氯化碳、水和液体石蜡等，应根据被测流体的种类和测量范围合理选择指示液。测量方法:♣

U形管两端与被测两点直接相连。

第一章

流体流动二流体静力学方程应用压差计算PA=PA′P1+ρBg(m+h)=PAP2+ρBgm+ρAgh=PA′P1+ρBg(m+h)=P2+ρBgm+ρAghP1-P2=(ρA–ρB)gh

被测流体是气体，由于气体的密度远小于指示剂的密度

ρA–ρB≈ρA

P1-P2=ρAgh第一章

流体流动二流体静力学方程应用压力测量(例题)

如图所示，水在水平管道内流动为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，指示液为水银，读数R＝250mm，m＝900mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3。试计算该截面处的压力。

二流体静力学方程应用

压差计算(例题)如图所示，水在管道中流动。为测得A-A′、B-B′截面的压力差，在管路上方安装一U形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数R＝150mm，试计算A-A′、B-B′截面的压力差。已知水与水银的密度分别为1000kg/m3和13600kg/m3。

二流体静力学方程应用(2)倒U形管压差

若被测流体为液体，也可选用比其密度小的流体（液体或气体）作为指示剂，采用如图所示的倒U形管压差计形式。最常用的倒U形压差计是以空气作为指示剂，此时，二流体静力学方程应用(3)斜管压差计

当所测量的流体压力差较小时，可将压差计倾斜放置，即为斜管压差计，用以放大读数，提高测量精度，如图所示。此时，R与R’的关系为:二流体静力学方程应用(4)双液柱U管压差计(微压计)用于测量压力较小的场合。如图所示，在U管上增设两个扩大室，内装密度接近但不互溶的两种指示液A和C（ρA>ρC），扩大室内径与U管内径之比应大于10。这样扩大室的截面积比U管截面积大得多，即可认为即使U管内指示液A的液面差R较大，但两扩大室内指示液C的液面变化微小，可近似认为维持在同一水平面。于是有:二流体静力学方程应用例:用U形压差计测量某气体流经水平管道两截面的压力差，指示液为水，密度为1000kg/m3，读数R为12mm。为了提高测量精度，改为双液体U管压差计，指示液A为含40％乙醇的水溶液，密度为920kg/m3，指示液C为煤油，密度为850kg/m3。问读数可以放大多少倍？此时读数为多少？二流体静力学方程应用2.液位测量在化工生产中，经常要了解容器内液体的贮存量，或对设备内的液位进行控制，因此，常常需要测量液位。测量液位的装置较多，但大多数遵循流体静力学基本原理。二流体静力学方程应用(1)玻璃管液位计原理:

连通器二流体静力学方程应用(2)液柱压差计式如图所示的是利用U形压差计进行近距离液位测量装置。在容器或设备1的外边设一平衡室2，其中所装的液体与容器中相同，液面高度维持在容器中液面允许到达的最高位置。用一装有指示剂的U形压差计3把容器和平衡室连通起来，压差计读数R即可指示出容器内的液面高度，关系为

:二流体静力学方程应用(3)鼓泡式液柱测量装置若容器或设备的位置离操作室较远时，可采用图所示的远距离液位测量装置。在管内通入压缩氮气，用阀1调节其流量，测量时控制流量使在观察器中有少许气泡逸出。用U形压差计测量吹气管内的压力，其读数R的大小，即可反映出容器内的液位高度，关系为:二流体静力学方程应用3.液封高度的计算

(1)安全液封（或称水封）作用：♣当设备内压力超过规定值时，气体则从水封管排出，以确保设备操作的安全。♣防止气柜内气体泄漏。♣液封高度计算:若要求设备内的压力不超过p（表压），则水封管的插入深度h为:式中ρ——水的密度，kg/m3。

二流体静力学方程应用(2)切断水封用途:安装与常压可燃气体贮罐前后起启闭作用使用方法:启:水封不充水,

气体绕过隔板出入贮罐闭:水封注水一定高度h,h大于水封两侧最大可能的压差值h

第三节

稳定流动系统的能量衡算第三节稳定流动系统的能量衡算*本节重点

以连续方程及柏努利方程为重点，掌握这两个方程式推导思路、适用条件、用柏努利方程解题的要点及注意事项。通过实例加深对这两个方程式的理解。*本节难点

无难点，但在应用柏努利方程式计算流体流动问题时要特别注意流动的连续性、上、下游截面及基准水平面选取正确性。正确确定衡算范围（上、下游截面的选取）是解题的关键。一稳定流动与不稳定流动1.稳定流动（图a）

*流动参数(压力、流速等)只与空间位置有关而与时间无关的流动。2.不稳定流动（图b）

*流动参数(压力、流速等)既与空间位置有关而又与时间有关的流动。注意:以后内容均研究稳定流动系统二连续性方程稳定流动系统质量守衡

qm1=qm2

因：qm=uAρ

则:u1A1ρ1=u2A2ρ2

若流体为液体ρ=常数则：

u1A1=u2A2

圆管：u1/u2=(d2/d1)2

变径管

例题：

如附图所示，管路由一段φ89×4mm的管1、一段φ108×4mm的管2和两段φ57×3.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以9×10－3m3/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。123b3a

附图

解：管1的内径为：

则水在管1中的流速为：

管2的内径为：

则水在管2中的流速为：

管3a及3b的内径为：又水在分支管路3a、3b中的流量相等，则有：

即水在管3a和3b中的流速为：三流动系统的能量1.流体本身具有的能量U----内能，1kg流体具有的内能，其单位为J/kggZ----位能，1kg的流体所具有的位能，其单位为J/kg

----动能，1kg的流体所具有的动能，其单位为J/kg

P/ρ----静压能，1kg流体所具有的静压能，其单位为J/kg

三流动系统的能量2.稳定流通系统与外界交换的能量We--外加功，1kg流体从输送机械所获得的能量称为外加功或有效功，J/kgQe--1kg流体在流动过程中吸收或防除的热量，J/kgΣhf

--1kg流体在流动过程中的能量损失,J/kg四稳定流动系统的能量恒算式--柏努力方程1.柏努利方程式的推导

如图所示的系统中，流体从截面1-1′流入，从截面2-2′流出。管路上装有对流体作功的泵,及向流体输入或从流体取出热量的换热器。并假设：（a）连续稳定流体；（b）两截面间无旁路流体输入、输出；（c）系统热损失Qe=0。四柏努力方程表1kg流体进、出系统时输入和输出的能量能量形式

意义

１kg流体的能量J/kg

输入

输出

内能物质内部能量的总和U1

U2

位能将1kg的流体自基准水平面升举到某高度Z所作的功gZ1

gZ2

动能将1kg的流体从静止加速到速度u所作的功

静压能1kg流体克服截面压力p所作的功（注意理解静压能的概念）P1/ρ1

p2/ρ2

外功1kg流体通过泵(或其他输送设备)所获得的有效能量）We

热换热器向1kg流体供应的或从1kg流体取出的热量Qe（外界向系统为正）

根据能量守恒定律，连续稳定流动系统的能量衡算：可列出以１kg流体为基准的能量衡算式，即:

此式中所包含的能量有两类：机械能（位能、动能、静压能、外功也可归为此类），此类能量可以相互转化；内能ΔU和热Qe

，它们不属于机械能，不能直接转变为用于输送流体的机械能。为得到适用流体输送系统的机械能变化关系式，需将ΔU和Qe消去。四柏努力方程四柏努力方程2.柏努力方程当系统不涉及与环境间的热量交换及温度变化时，此时U1=U2Qe=0，以１kg流体为基准的能量衡算式为:各项单位J/Kg四柏努力方程3.柏努力方程讨论

(1).若系统中的流体为不可压缩流体(体)ρ1=ρ2,故上式可进一步简化为：

(2).理想流体(没有黏性的不可压缩流体),Σhf=0,

当无外加功即We=0时:

伯努力方程验证实验连通变径管能量的转换

h2h1h3h4四柏努力方程(3)静止流体u=0,Σhf

=0,

We=0,伯努利方程变为:(4)可压缩流体(气体),若流动系统两截面间的绝对压力变化较小(在20%范围内)时,可采用伯努利方程计算,但流体的密度应采用两截面间的平均密度计算.四柏努力方程(5)以１N流体为基准的能量衡算式为:式中:--位压头、--动压头、

--静压头、--外加压头

--压头损失各项单位m五柏努力方程式应用例题:

有一输水系统，如本题附图所示，水箱内水面维持恒定，输水管直径为φ60×3mm，输水量为18.3m3/h，水流经全部管道（不包括排出口）的能量损失可按Σhf=15u2公式计算，式中u为管道内水的流速（m/s）。试求：（1）水箱中水面必须高于排出口的高度H；（2）若输水量增加5%，管路的直径及其布置不变，管路的能量损失仍可按上述公式计算，则水箱内的水面将升高多少米？五柏努力方程式应用解：绘出流程图，确定1--1’、2--2’

截面,并以2--2’

截面基准水平面，如本例附图所示。在两截面间列柏努利方程式并化简（We=0,p1=p2,Z2=0,由于A1≥A2，u1≈0）可得到：因:Z1=H

将有关数据代入上式便可求得Z1（即H）

于是

:例：已知管道尺寸为

114

4mm，流量为85m3/h，水在管路中流动时的总摩擦损失为10J/kg（不包括出口阻力损失），喷头处压力较塔内压力高20kPa，水从塔中流入下水道的摩擦损失可忽略不计。（塔的操作压力为常压）求：泵的有效功率。某液体分别在本题附图所示的三根管道中稳定流过，各管绝对粗糙度、管径均相同，上游截面1-1’的压强、流速也相等。问：（1）在三种情况中，下游截面2-2’的流速是否相等？（2）在三种情况中，下游截面2-2’的压强是否相等？如果不等，指出哪一种情况的数值最大，哪一种情况中的数值最小？其理由何在？五柏努力方程式应用

应用柏努利方程的解题要点:

在用柏努利方程解题时，一般应先根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围。解题时需注意以下几个问题:1．截面的选取

截面的正确选择对于顺利进行计算至关重要，选取截面应使：（a）

两截面间流体必须连续（b）两截面与流动方向相垂直（平行流处，不要选取阀门、弯头等部位）；

（c）所求的未知量应在截面上或在两截面之间出现；

（d）截面上已知量较多（除所求取的未知量外，都应是已知的或能计算出来，且两截面上的u、p、Z与两截面间的∑hf都应相互对应一致)。五柏努力方程式应用2．基准水平面的选取

原则上基准水平面可以任意选取，但为了计算方便，常取确定系统的两个截面中的一个作为基准水平面。如衡算系统为水平管道，则基准水平面通过管道的中心线若所选计算截面平行于基准面，以两面间的垂直距离为位头Z值；若所选计算截面不平行于基准面，则以截面中心位置到基准面的距离为Z值。

Z1,Z2可正可负，但要注意正负。

3．计算中要注意各物理量的单位保持一致

尤其在计算截面上的静压能时，P1、P2不仅单位要一致，同时表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。bye--bye第四节流体在管内流动时的摩擦阻力*本节内容提要

简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构，为流动阻力的计算奠定理论基础。以滞流和湍流两种基本流型的本质区别为主线展开讨论，

*本节重点（1）两种流型的判据及本质区别；Re的意义及特点。（2）流动边界层概念第四节流体在管内流动时的摩擦阻力一、流体阻力的表现与形成原因1.流体阻力的表现

在一液面维持恒定的敞口容器下部开孔接一水平等径管路，在水平管路中相隔一定的距离开孔竖直连接两根玻璃管，当开启水平管路出口阀门并逐渐增大水平管路中的流量时，容器液面与两玻璃管中的液面会出现高度差，且流量愈大则两玻璃管中的液柱高的差越大。由此可见，流体在流动过程中，其净压头逐渐减少，也即每千克流体所携带的静压能在流动过程中有所损失。能量的转换

h2h1h3一、流体阻力的表现与形成原因２．流体阻力的形成原因

①流体在流动时流体质点间存在相互牵制作用，即内摩擦。由于内摩擦作用的结果，导致流体在流动时为抵御质点间的相互牵制作用而损耗能量。

②流体在流动过程中与管壁的摩擦。

③由于流体在流动过程中往往会因流动方向或流道截面的改变而产生涡流，由于涡流的自旋及与流体的逆流运动过程均需消耗大量的机械能。二、流体的流动类型1.雷诺实验图1-18流体流动型态示意图图1-17雷诺实验装置二、流体的流动型态2.两种流型——层流和湍流层流（滞流）：流体质点沿着轴线方向作直线运动，不具有径向的速度，即与周围的流体间无宏观的碰撞和混合。

湍流（紊流）：流体质点在管内作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。流体质点除沿轴线方向作主体流动外，还存在径向运动。湍流状态与层流状态相比，分子扩散的速率要高105~106倍

层流与湍流的本质区别是（）A湍流流速＞层流流速B流道截面大的为湍流，截面小的为层流C层流无径向脉动，而湍流有径向脉动层D层流的雷诺数＜湍流的雷诺数雷诺准数的定义3.流型判别的依据——雷诺准数

流体的流动状况是由多方面因素决定的流速u能引起流动状况改变,而且管径d、流体的粘度μ和密度ρ也。通过进一步的分析研究，可以把这些影响因素组合成为雷诺准数的因次Re准数是一个无因次数群。组成此数群的各物理量,必须用一致的单位表示。因此,无论采用何种单位制,只要数群中各物理量的单位一致,所算出的Re值必相等。

*在生产操作条件下，常将Re＞2000的情况按湍流考虑。

*Re的大小不仅是作为层流与湍流的判据，而且在很多地方都要用到它。不过使用时要注意单位统一。另外，要注意d，有时是直径，有时是当量长度。流型的判定

根据Re雷诺准数数值来分析判断流型。对直管内的流动而言：Re≤2000层流区

2000<Re<4000过渡区Re≥4000湍流区流型的判定注意事项三圆管中的速度分布1.层流时的速度分布

层流时，流体层间的剪应力服从牛顿粘性定律，平均速度与管中心最大速度之比图1-19层流时的速度分布三圆管中的速度分布2.湍流时的速度分布

湍流时的速度分布基本特征是出现了径向脉动速度，使得动量传递较之层流大得多

um≈0.82umax第五节管路一、管路的分类按是否分出支管分类

单一管路：管径无变化简单管路串联管路：管径有变化管路树状网复杂管路环状网

第五节管路二、管路的基本构成

管子管路管件阀门第五节管路1管子

★钢管★铸铁管★有色金属管★非金属管第五节管路（1）钢管类型特点适用范围规格表示有缝钢管低碳钢焊接而成有焊接缝表压≤0.8MPa输送:水、蒸汽、煤气、压缩空气、腐蚀性低的液体等。Φ外径×壁厚无缝钢管棒料钢材经穿孔热轧或冷拔制成无焊接缝输送：高压、有毒、易燃易爆和强腐蚀性流体等Φ外径×壁厚第五节管路（2）铸铁管

特点：

价廉、耐腐蚀、强度低、气密性差

适用范围：

不能输送有压力的蒸汽、爆炸性及有毒气体，一般作为埋在地下的给水总管、煤气管、污水管等。

规格表示：

Φ内径第五节管路（3）有色金属管类型特点适用范围规格表示铜管导热性好、延展性好易弯曲成型制造换热器管子，用于油压系统、润滑系统输送有压液体等Φ外径×壁厚铅管耐腐蚀性能性能好，机械强度差，性软、导热能力小输送稀盐酸（10%以下）及硫酸，不适合输送浓盐酸、硝酸、乙酸Φ内径×壁厚铝管耐酸性强,耐碱性差不宜在433K以上温度、高压下使用，适合输送浓硫酸、浓硝酸、甲酸、醋酸等。小直径铝管可代替铜管输送有压流体。（4）非金属管类型特点适用范围规格表示陶瓷管耐腐蚀性强，性脆、机械强度低，不耐压，不耐温度剧变压力＜0.2MPa温度＜423K腐蚀性流体塑料管耐腐蚀性强、质量轻、易于加工，强度低、不耐压、不耐热水泥管无筋水泥管100~900mm有筋水泥管100~1500mm输送无压流体下水道Φ内径×壁厚玻璃管透明、耐腐蚀、易清洗、光滑阻力小、价格低廉，性脆、热稳定性差、不耐压。不适合输送氢氟酸、热浓磷酸、热碱。2管件（1）作用

连接管子、改变管路方向或直径，接出支路，封闭管路等（2）种类

弯头三通四通异径管其他

①用以改变流向：90°弯头、45°弯头、180°弯头等；

②用以堵截管路：管帽、丝堵、盲板等；

③用以连接支管：三通、四通等；

④用以改变管径：异径管、内外螺纹接头等；

⑤用以延长管路：管箍、螺纹短节、活接头、法兰等。管件第五节管路3阀门（1）作用:

启闭管路调节流量调节压力调节流体流动方向（2）种类

闸阀截止阀止回阀球阀旋塞安全阀减压阀隔膜阀其他闸阀截止阀止回阀球阀安全阀减压阀蝶阀隔膜阀也称为隔膜式截止阀，是指在阀体和阀盖内装有一挠性膜或组合隔膜，其关闭件是与隔膜相连接的一种压缩装置。阀座可以是堰形，也可以是直通流道的管壁。隔膜阀的挠性膜或组合隔膜被一个控制容腔所包围，通过向控制容腔中注入压缩空气，天然气，水或其他物质，产生压力，挠性膜或组合隔膜受压弯曲，从而使隔膜的横断面改变，甚至闭合，从而起到控制流量和上料的目的。在控制压力比输送液体压力高2.5bar左右时,隔膜阀可以密封气体，液体，糊状和粉状液体.高弹性的隔膜可以输送任何物料，特别适宜输送粉状物料。

三管路的布置与安装1管路的连接方式螺纹连接：法兰连接：承插连接：焊接连接：第五节管路2管路的布置、安装原则：

“经济实用、安全美观、便于操作”

第六节

流体在管内流动时的能量损失概述

流动阻力分类

直管阻力

hf

总阻力Σhf

局部阻力

Σ

hf’

Σhf=hf+Σ

hf’

J/Kg一.流体在直管中的流动阻力1.直管阻力损失:阻力通式：压头损失：压降损失：

范宁公式

为无因次系数，称为摩擦系数或摩擦因数，与流体流动的Re及管壁状况有关。

2.摩擦系数(1).管壁粗糙度光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；粗糙管：钢管、铸铁管等；

①绝对粗糙度：管道壁面凸出部分的平均高度ε。

②相对粗糙度：绝对粗糙度与管径的比值ε/d。水力光滑管

完全湍流粗糙管

某些工业管道的绝对粗糙度（36页表1-2）管道类别绝对粗糙度ε/mm管道类别绝对粗糙度ε/mm无缝黄铜管、铜管、铝管0.01~0.05具有重度腐蚀的无缝钢管0.5新的无缝钢管或镀锌铁管0.1~0.2旧的铸铁管0.85新的铸铁管0.3干净玻璃管0.0015~0.01具有轻度腐蚀的无缝钢管0.2~0.3很好整平的水泥管0.332.摩擦系数(2).层流时的摩擦系数(3).湍流时的摩擦系数柏拉修斯光滑管公式适用范围：光滑管、Re＝5×103～105(4).莫狄图法

图摩擦系数λ与雷诺数Re及相对粗糙度的关系(4).莫狄图法摩擦系数λ与雷诺数Re及相对粗糙度的关系根据Re不同，图可分为四个区域；（1）层流区（Re≤2000），λ与无关，与Re为直线关系，此时，阻力与u的一次方成正比。（2）过渡区（2000<Re<4000），在此区域内层流或湍流的λ～Re曲线均可应用，对于阻力计算，宁可估计大一些，一般将湍流时的曲线延伸，以查取λ值。（3）湍流区（Re≥4000以及虚线以下的区域），此时λ与Re、都有关，当一定时，λ随Re的增大而减小，Re增大至某一数值后，λ下降缓慢；当Re一定时，λ随的增加而增大。（4）完全湍流区（虚线以上的区域），此区域内各曲线都趋近于水平线，即λ与Re无关，只与有关。对于特定管路一定，λ为常数，直管阻力与速度平方成正比，所以此区域又称为阻力平方区。从图中也可以看出，相对粗糙度愈大，达到阻力平方区的Re值愈低。1.阻力系数法ζ：局部阻力系数，一般由实验测定进口阻力系数：出口阻力系数：二.局部阻力损失2.当量长度法将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为的直管所产生的阻力即:

二.局部阻力损失当量长度,m三.系统总能量损失1.系统中的局部阻力损失按当量长度法进行计算2.系统中的局部阻力损失按阻力系数法计算

思考题1．流体的连续性假设和理想流体假设在工程上有何意义？2．20℃的清水以一定流速从细管流入粗管（如本题附图所示），测得U形管压差计读数为R。保持管内流动状况不变，将管路从水平放置改为垂直放置，U形管压差计的读数将如何变化？并判断从1-1’截面到2-2’

截面间的能量损失和动能转化为静压能哪项数值大？3．某液体分别在本题附图所示的三根管道中稳定流过，各管绝对粗糙度、管径均相同，上游截面1-1’的压强、流速也相等。问：（1）在三种情况中，下游截面2-2’的流速是否相等？（2）在三种情况中，下游截面2-2’的压强是否相等？如果不等，指出哪一种情况的数值最大，哪一种情况中的数值最小？其理由何在？4．试比较滞流和湍流的主要区别。5．边界层概念的提出对分析流体流动、传热和传质有何意义？6．一定量的液体在圆形直管内作滞流流动。若管长及液体物性不变，而管径减至原来的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的若干倍？

[答：16]思考题3附图思考题7．敞口容器底部有一连接管，容器内水面维持恒定，管内水流动的速度头u2/2g=0.5m。试比较当水从容器流出和水流入容器两种情况下连接管上的截面2上静压强是否相同？各为多少mH2O（表压）？8．流体通过圆管湍流流动时，管截面的速度分布可按下面经验公式来表示：

式中y为某点与壁面的距离，即y=R-r。试求证平均速度u与最大速度umax的比值为0.82。9．为什么各种流量计的流量系数不相同？10．孔板流量计与文丘里流量计的测量中，如何保证液体流动的连续性？本章小结

本章讨论了流体流动的基本概念（包括流体的密度、流体的压强、流量与流速、定态流动与非定态流动、流体的粘度、牛顿粘性定律、牛顿型流体与非牛顿型流体、滞流与湍流、流动边界层、流动阻力）等和计算流体流动的基本问题（包括流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程、流动阻力方程、流量计流量方程等）。各位学员要认真学习本章内容，对一些基本定义、公式要牢记，要灵活应用上述概念和方程，掌握各方程的意义和应用条件等，解决工程上的流体流动问题。第二章

流体输送机械

1.输送设备分类

离心泵

往复泵

输送流体—泵

旋转泵

计量泵流体输送设备

旋涡泵

通风机

输送气体—风机

鼓风机

压缩机概述2.输送机械作用

增大速度(动能增加)向流体作功以升高压力（静压能增加）提高其机械能升高位置（位能增加）克服沿途阻力本章重点第一节离心泵离心泵工作原理和主要部件2离心泵工作原理3离心泵的主要性能参数和特性曲线4影响离心泵性能的主要因素5离心泵的工作点和流量调节6离心泵的气蚀现象和允许安装高度7离心泵的类型、选择和使用2.1.1离心泵工作原理和主要部件

1.工作原理

开动前----灌满液体----开动后—叶轮旋转----产生离心力----液体由叶轮中心抛向外周----压力增加----以15～25m/s高速流入泵壳----壳内减速----动能转化为静压能----排出----进入排出管路。

气缚---离心泵启动时,如果泵内存有空气,由于气体密度很低,因而叶轮中心区所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内,虽启动离心泵也不能输送液体。

灌泵与底阀、滤网、调节阀。

2.主要部件

（1）叶轮开式心脏部件—叶轮半开式闭式平衡孔—叶轮后盖板上钻有小孔，以把后盖板前后的空间连通起来。

（2）泵壳-蜗壳（能量转化装置）

离心泵主要由叶轮和泵壳组成。泵壳内必须先充满液体，叶轮高速旋转，把液体甩向叶轮外缘。高速度产生高动能。由于泵壳通道，设计成逐渐扩大的形状，高速流体逐渐减速。由动能转变为压强能，表现为具有高压的液体。

（3）轴封装置离心泵原理的动画

2.1.2离心泵的基本方程式1-1和2-2截面列柏努利方程1.压头的定义2.理论压头

理论压头—在理想情况下离心泵可能达到的最大压头。

HT∞=f(Q)≡f（泵结构、尺寸、转速、Q）假设①叶轮无厚度，数目无限多（无倒流记录）；

②理想液体（液体无粘度，无阻力损失）。C1点1的绝对速度沿叶片切线方向运动ω1，圆周速度u1与旋转圆周相切．C2点2的绝对速度沿叶片切线方向运动ω２；

圆周速度u２与旋转圆周相切．流动角β：相对速度与圆周速度反方向延线的夹角．α表示绝对速度与圆周速度两矢量之间的夹角．α及β的大小与叶片的形状有关．速度三角形中各速度间的数量关系满足余弦定理．叶片的形状影响液体在泵内的流动情况以及离心泵的性能.3.离心泵基本方程式的推导叶片进口与出口之间应用柏努利方程离心泵基本方程式的讨论：（1）流量（2）HT∞与β2之间的关系（3）β2的选择（4）理论流量（5）液体的密度

由离心泵的基本方程式可知,离心泵的理论压头与液体的密度无关。（6）离心泵的实际压头和实际流量

①叶片间的环流损失

压头损失

②阻力损失

③冲击损失

2.1.3离心泵的主要性能系数与特性曲线

这是工厂水泵房。泵的流量多大？能将流体送到多高的位置，即泵的压头多少？消耗多大功率？机械效率多少？它们之间的关系如何？等等。

工厂水泵房

泵性能实验原理图。泵的流量，压头，功率，效率之间的关系，可以用实验方法测得。在这套实验装置中，水是循环的，水泵前后安装了真空表和压力表，还有流量计和电功率表。改变水的流量，读得真空表，压力表，功率表数据，即为一组数据。读10—15组数据，就可以得到泵性能曲线。

1.离心泵的主要性能参数

转速n

流量Q

压头（扬程）Hn一定，Q可调，H、N、η=f（Q）轴功率N铭牌上的数值是最高效率下的性能效率η

气蚀余量（1）压头（扬程）H和流量Q实验测定1-1、2-2两截面（2）效率容积损失能量损失机械损失

水力损失（3）轴功率N轴功率N：泵轴所需功率有效功率Ne：液体从叶轮获得的能量，效率η：N>Ne

传动效率：η传=N/N电配套电机功率N电=N/η传

2.离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线一般由H-Q、N-Q及η-Q三条曲线组成。(1)H－Q曲线

压头H，流量Q

(2)N－Q曲线

N，当流量Q

(3)η－Q曲线

Q，η极大值Q，η

离心泵工作点在最高效率点附近工作。

3.离心泵性能的改变和换算（1）密度的影响Q与ρ无关H－Q不变

H与ρ无关η－Q不变N与ρ成正比N-Q变化（2）粘度的影响

粘度>，Σhf

，H，Q，η，N当运动粘度ν<20cSt（历沲）,2×10-5m2/s不进行修正当运动粘度ν>20cSt（历沲），2×10-5m2/s用简图修正Q’=CQQH’=CHHη’=Cηη查图2-14与2-15求CQ、CH、Cη（3）转速的影响比例定律1、2、3次方Q’/Q=n’/nH’/H=（n’/n）2

N’/N=（n’/n）3（4）叶轮直径影响

Q’/Q=(D2’/D2)3同系列泵：几何形状相似3、2、5次方H’/H=(D2’/D2)2N’/N=(D2’/D2)5切割定律：叶轮外周切割使D2变小，1、2、3、次方D2

减小，b2增大,Q’/Q=（D2’/D2)1D2b2=D2’b2’H’/H=(D2’/D2)2N’/N=(D2’/D2)32.1.4离心泵的气蚀现象与允许安装高度1.离心泵的气蚀现象

吸入液体，泵入口处形成低压，提高泵的安装高度，导致泵内压力降低，入口处压力降至低于或等于液体饱和蒸汽压，液体气化，低压区---高压区---气泡凝结或破裂，产生频率很高瞬时压力很大的冲击---气蚀现象。2.离心泵的抗气蚀性能---气蚀余量和允许吸上真空度

（1）离心泵的气蚀余量

定义:在泵入口1-1和叶轮入口k-k两截面间列柏努利方程式（2）离心泵的允许吸上真空度

为避免气蚀现象,泵入口处压强P1应为允许的最低绝对压强.习惯上常把P1表示为真空度.当大气压强为Pa,则泵入口处最高真空度为Pa-P1.真空度以输送液体的液柱高度计量,称为离心泵的允许吸上真空度。HS’值越大，泵抗气蚀性能好；Hg越大，HS’=f（泵结构、流量、液体性质、大气压强），HS’实验测定（大气压为10mH2O(9.81×104Pa)，20℃，清水）HS’－Q曲线，Q增加，HS’减小

，最大流量时的HS’计算安装高度其它液体，（3）离心泵的允许安装高度(允许吸上高度)离心泵的允许安装高度(允许吸上高度)是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间允许达到的最大垂直距离,以Hg表示

0－0’与1－1’列柏努利方程式2.1.5离心泵的工作点与流量调节1.管路特性与离心泵的工作点（1）管路特性方程式和特性曲线（2）管路特性方程式和特性曲线①作离心泵特性曲线作管路特性曲线交点---工作点M

②泵安装在管路中的实际压头、流量（He、Qe）2.离心泵的流量调节（1）改变阀门的开度阀门开度减小，∑hf增加，Hf总压头增加,He－Qe曲线变陡，工作点由M变化到M1，QM1减小，HM1增加；

阀门开度增加，∑hf减小，Hf总压头减小,He－Qe曲线变平缓，工作点由M变化到M2，QM2

增加，HM2减小。（2）改变泵的转速n

泵的转速n提高到n1，泵的特性曲线H—Q向上移，工作点M变至M1，流量QM1增加，HM1增加。泵的转速n降低至n2，泵的特性曲线H—Q向下移，工作点M变至M2，流量QM2降低，HM2降低。（3）离心泵的并联和串联操作

离心泵的并联操作管路特性曲线不变；离心泵的并联后特性曲线的压头H不变,流量Q加倍。

离心泵的串联操作管路特性曲线不变；离心泵的串联后特性曲线的流量Q不变,压头H加倍.2.1.6离心泵的工作点与流量调节1.离心泵的类型（1）清水泵(IS型、D型、Sh型)IS型水泵—单级单吸悬臂式扬程范围8-98m

流量４.５-360m3/h

D型—多级离心泵叶轮级数２－９级

扬程范围14–351m

流量4.5-360m3/h

Sh型—双吸离心泵叶轮有两个吸入口

扬程范围9–140m

流量120-12500m3/h（2）耐腐蚀泵（Ｆ型）

特点：耐腐蚀材料，密封要求高．

扬程范围15-105m流量2-400m3/h（3）油泵（Ｙ型）特点：有单吸和多吸、单级和多级（2-6级），密封要求高．

扬程范围60-603m流量6.25-500m3/h（4）杂质泵（Ｐ型）

类型：污水泵ＰＷ、砂泵ＰＳ、泥浆泵ＰＮ

特点：叶轮流道宽、叶片数目少，常采用半闭式或开式叶轮．

要求：不易被杂质堵塞、耐磨、容易撤洗。IS100-80-160

IS---单级单吸离心水泵；

100---泵的吸入口内径，mm；80---泵的排出口内径，mm；160---泵的叶轮直径，mm．40FM1-26

40---泵的吸入口内径，mm；

F---悬臂式耐腐蚀离心泵；M---与液体接触部件的材料代号（M表示铬镍锰钛合金钢）；

1---轴封类型代号（１代表单端面密封）；26---泵的扬程，m．

100Y-120×２

100---泵的吸入口内径，mm；

Y---单级离心油泵；

120---泵的单级扬程；

2---叶轮级数．

2.离心泵的选择确定输送系统的流量与压头；选择泵的类型与型号；核算泵的轴功率。3.离心泵的安装与操作安装高度必须低于允许吸上高度，以免出现气蚀和吸不上液体．尽可能减小吸入管路的流动阻力．启动前必须向泵内充满待输送的液体．启动时，出口阀关闭；停泵时，先关闭出口阀．运行时应定时检查和维修，注意泵轴液体泄露、发热。第二章流体输送设备第二节其它类型泵2.2其它类型液体输送机械2.2.1往复泵2.2.2旋转泵2.2.3旋涡泵离心泵离心泵叶轮动画多级离心泵实物图

这是一台等待出厂的多级离心泵，表面看有多个片状结构物，用螺杆串起来。其实每个片状物就是一个泵壳，里面就有一个叶轮。多个叶轮，就构成了多级离心泵。

多级离心泵动画

2.2.1往复泵

往复泵是活塞泵、柱塞泵和隔膜泵的总称。1.往复泵（1）往复泵的工作原理（2）往复泵的特性往复泵的压头往复泵的压头与泵的几何尺寸无关,只要泵的力学强度及原动机的功率允许,压头要多高有多高.往复泵的流量(排液能力)单动泵QT=ASnr

QT---理论平均流量,m3/min;A---活塞的截面积,m2;S---活塞的冲程,m;nr---活塞每分钟往复次数,1/min;双动泵QT=(2A-a)Snr

a---活塞杆的截面积,m2;往复泵的实际流量Q=ηνQT往复泵的特性曲线（3）往复泵的流量调节

旁路调节改变活塞冲程和往复次数旁路调节动画往复泵原理动画双动往复泵动画2.计量泵3.隔膜泵2.2.2旋转泵旋转泵是靠泵内一个或一个以上的转子旋转来吸入与排出液体的,又称转子泵.常用的有齿轮泵和螺杆泵。1.齿轮泵2.螺杆泵这是一台等待出厂的齿轮泵，进出口呈水平方向。齿轮泵实物图

齿轮泵动画螺杆泵动画2.2.3旋涡泵

这是等待出厂的旋涡泵。旋涡泵外观上与离心泵差不多，里面的叶轮结构是不同的。流体入口不是在叶轮中心处位置，而是与出口成对称的泵壳边缘。旋涡泵动画轴流管道泵第二章流体输送设备第三节气体输送和压缩机械2.3气体输送和压缩机械2.3.1离心通风机、鼓风机与压缩机2.3.2旋转鼓风机与压缩机2.3.3往复压缩机2.3.4真空泵输送气体（∑hf，ΔP）1.气体输送和压缩设备产生高压气体产生真空2.终压：压送机械出的气体的压强。3.压缩比：出口与进口气体绝对压强的比值。通风机：终压≤14.7×103Pa（表压）4.分类:鼓风机：终压：14.7×103～294×103Pa（表压），（终压压缩比小于4压缩比）压缩机：终压＞294×103Pa（表压），压缩比＞4真空泵：用于减压，终压为大气压，压缩比由真空度决定5.结构与工作原理：离心式、往复式、旋转式、流体作用式。

2.3.1离心通风机、鼓风机与压缩机1.离心通风机低压离心通风机：出口风压＜0.9807×103Pa（表压）分类中压离心通风机：出口风压0.9807×103～2.942×103Pa（表压）高压离心通风机：出口风压2.942×103～14.7×103Pa（表压）（1）离心通风机的结构这是使用广泛的离心通风机。离心通风机动画

（2）离心通风机性能参数和特性曲线

风量Qm3/h风机进口处的气体状态计风压HT[J/m3][Pa]或[mmH2O]单位体积的气体流过风机时所获得的能量。

①HT=f（结构、尺寸、转速、ρ）

②HT不能理论计算,实验测定

③进口出口用柏努利方程讨论

④HT与ρ有关，性能表上的风压为：20℃，1.013×105Pa的条件下,空气测得,气体密度1.2kg/m3

计算出HT’，换算为实验条件选风机（3）轴功率与效率

注：Q、HT在同一状态。其中，N为轴功率kW，HT为风压Pa，Q为风量m3/s，η为效率

（3）离心通风机的选择

①柏努利方程计算实际风压HT’，将HT’换算成实验条件下的HT;②由气体性质与风压范围----风机类型;③实际风量（进口状态计）和实验条件下的风压HT----型号。2.离心鼓风机和压缩机

2.3.2旋转鼓风机与压缩机1.罗茨鼓风机罗茨鼓风机实物图

罗茨鼓风机动画这是轴流式风机，主要用于厂房的通风换气。轴流风机动画2.液环压缩机2.3.3往复压缩机1.往复压缩机的工作过程2.3.4真空泵1.往复真空泵2.水环真空泵水环式真空泵动画3.喷射泵第三章沉降与过滤本章重点1.熟练掌握的内容非均相混合物的重力沉降与离心沉降的基本公式；过滤机理和过滤基本参数；恒压过滤方程及过滤常数的测定。2.理解的内容沉降区域的划分；降尘室生产能力的计算；旋风分离器临界直径的计算；过滤基本方程；沉降与过滤的各种影响因素；板框压滤机