第一章流体流动2006

1、实实 验验 安安 排排 班级班级实验周次实验周次组次组次 37，8，10，11，12，16 星期五星期五5-6 星期四星期四5-6 67，8，10，11，12，16 星期五星期五7-8 星期六星期六3-4 97，8，10，11，12，16 星期二星期二3-4 星期五星期五3-4 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动2 第六周作业第六周作业 91页页18、21、22、23 92页页25、26 第七周作业第七周作业 92页页27、29、30 93页页35、37、38 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动3 20062007学年第一学期实验安排学年第一学期实验安排 班班 级级实实

2、 验验 周周 次次时时 间间 化工化工0436，7，8，10，11，16 星期五星期五5-6 星期五星期五7-8 化工化工0466，7，8，10，11，16 星期二星期二5-6 星期二星期二7-8 化工化工0496，7，8，10，11，16 星期二星期二3-4 星期五星期五3-4 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动4 第四周作业第四周作业 课本第课本第90页页 12、13、16、17题题 作业态度要认真作业态度要认真 书写要注意工整书写要注意工整 同一次作业采用同样的纸张同一次作业采用同样的纸张 不要抄作业不要抄作业 要书写最后结果要书写最后结果 2021-6-22第第1章章 流体

3、流动流体流动5 第三周作业第三周作业 作业态度要认真作业态度要认真 书写要注意工整书写要注意工整 同一次作业采用同样的纸张同一次作业采用同样的纸张 不要抄作业不要抄作业 要书写最后结果要书写最后结果 ) . ln(ln . . . Pa mmHg mmHg p mmHg p KRKCCF 3133 81152738132 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动6 通通 知知 本周六（本周六（9月月23号）的课号）的课 调至周日（调至周日（9月月24号）号）1、2节节 地点不变地点不变 4209 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动7 第二周作业：课本第第二周作业：课本第7页页

4、15 化工原理在校内的网址化工原理在校内的网址 0/jpkc/C80/Course/I ndex.htm http:/ 第二个网址上有留言本，欢迎同学们在网上提出第二个网址上有留言本，欢迎同学们在网上提出 问题，我将尽快答复。问题，我将尽快答复。 第三周作业第三周作业 课本第课本第88页页 1、36、810 第第 1 章章 流体流动流体流动 1.1 1.1 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质 1.2 1.2 流体静力学流体静力学 1.3 1.3 流体动力学流体动力学 1.4 1.4 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力 1.5 1.5 管路计算管

5、路计算 1.6 1.6 流量测量流量测量 1.1 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质 1.1.1 流体及其特点流体及其特点 1.1.2 连续介质假定连续介质假定 1.1.3 流体的物理性质流体的物理性质 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动10 流体：气体和液体几乎没有抵抗变形的能力，不但流体：气体和液体几乎没有抵抗变形的能力，不但 整体会产生运动，其内部质点也亦发生相对运动，具整体会产生运动，其内部质点也亦发生相对运动，具 有流动性，故有流动性，故把气体和液体统称为流体把气体和液体统称为流体。 1.1.1 流体及其特点流体及其特点 特点：流动性；特点：流动性； 无固定形状。无

6、固定形状。 分类：分类： 液体：不可压缩性流体液体：不可压缩性流体 气体：可压缩性流体，气体：可压缩性流体，(P1-P2)/P120%时时 可视为不可压缩性流体可视为不可压缩性流体 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动11 1.1.2 连续介质假定连续介质假定 流体流体质点质点： 一个含有足够多分子的流体微元，一个含有足够多分子的流体微元， 其大小远小于容器或管道的尺寸，其大小远小于容器或管道的尺寸， 但比分子的自由程要大得多。但比分子的自由程要大得多。 内容：内容： 将流体视为由无数流体微团将流体视为由无数流体微团 （流体质点）组成的（流体质点）组成的连续介质连续介质。 注：该假定

7、对绝大多数流体都适用。但是当流动体系注：该假定对绝大多数流体都适用。但是当流动体系 的特征尺度与分子平均自由程相当时，例如高真的特征尺度与分子平均自由程相当时，例如高真 空稀薄气体的流动，连续介质假定受到限制。空稀薄气体的流动，连续介质假定受到限制。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动12 1.1.3 流体的物理性质流体的物理性质 1.密度：单位体积流体所具有的质量。密度：单位体积流体所具有的质量。 ，kgm-3 表征流体内部质点质量的密集程度。 表征流体内部质点质量的密集程度。 均质流体：均质流体： =m/V， =f(T，P) 液体：液体： f(T) 混合物：取混合物：取1kg混

8、合液为基准，设混合液为基准，设xw,i为为i组分的质量分组分的质量分 率，则：率，则： V n nwww m xxx , 2 2, 1 1 , . 1 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动13 气体：气体： =f(T，P) 理想气体：理想气体：= m/V = PM/(RT) 或者：或者： 0 0 0 T PT 0=M/22.4 ， T0=273.15K， P0=101.3kPa 混合物：以混合物：以1m3混合气体为基准，混合气体为基准， 设设xv,i为为i组分的体组分的体 积分率，则：积分率，则： 理想气体混合物：理想气体混合物：m = PMm/(RT)，Mm为平均分子量：为平均分子

9、量： iim yMM nVnVVm xxx , . 2211m 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动14 2.流体的重度、比重和比重指数流体的重度、比重和比重指数 1）重度：单位体积的流体所具有的重量，用）重度：单位体积的流体所具有的重量，用表示。表示。 =G/V=mg/V=g 单位：单位： SI单位制单位制 Nm-3 工程单位制工程单位制 kgfm-3 注意：重度是工程制的物理量，在同一单位制中，注意：重度是工程制的物理量，在同一单位制中，和和 在数值和单位上是不等的，但是工程单位制中的在数值和单位上是不等的，但是工程单位制中的和和 SI制中的制中的数值相等。数值相等。 2021-

10、6-22第第1章章 流体流动流体流动15 2 2）比重）比重 1000 44 4 ww t d 3 3）比重指数比重指数 对石油及石油产品，通常采用一种特殊的比重计测得对石油及石油产品，通常采用一种特殊的比重计测得 的读数来表示轻重，该读数称为比重指数，的读数来表示轻重，该读数称为比重指数，o oAPIAPI。 5 .131 5 .141 6 .15 6 .15 d API 液体的比重通常指其密度（或重度）与水在液体的比重通常指其密度（或重度）与水在44时的时的 密度（或重度）之比密度（或重度）之比 ，也称相对密度。，也称相对密度。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动16 3.流体

11、的比体积（比容）流体的比体积（比容） 单位质量流体所占的体积单位质量流体所占的体积 =1/ 单位：单位： m3kg-1 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动17 4.流体的粘度：流体的粘度： 1）流体的粘性）流体的粘性 内摩擦力（粘滞力）内摩擦力（粘滞力） 由流体分子间的吸引力和由流体分子间的吸引力和 分子的不规则热运动与相分子的不规则热运动与相 互碰撞而产生的。是流体互碰撞而产生的。是流体 的固有属性之一，的固有属性之一， 只有在流动时才表现出来只有在流动时才表现出来。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动18 4.流体的粘度：流体的粘度： 1）流体的粘性：）流体的粘性：

12、 粘性：当流体各部分间具粘性：当流体各部分间具 有相对运动时，所产生的有相对运动时，所产生的 内摩擦切向力阻止流体相内摩擦切向力阻止流体相 对运动的特性。对运动的特性。 粘性是流体流动阻力产生的根源粘性是流体流动阻力产生的根源 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动19 2）牛顿粘性定律：）牛顿粘性定律： 平板实验平板实验 y u S F S y u F 或或 A y u F 引入引入： 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动20 实质：实质： 定义式：定义式： dy du 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 速度梯度速度梯度 流体的粘度流体的粘度 dS umd dS du m S a

13、m S F )( 动量动量 即：单位时间通过单位面积的动量通量，其产生即：单位时间通过单位面积的动量通量，其产生 的原因是流体层之间的动量传递。的原因是流体层之间的动量传递。 2）牛顿粘性定律：）牛顿粘性定律： 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动21 3 3）流体的粘度：）流体的粘度： 粘度粘度 ：，粘滞系数、动力粘度、绝对粘度粘滞系数、动力粘度、绝对粘度 sm kg SPa m sN m sm mN 2 2 / / SISI单位制：单位制： 物理单位制：物理单位制： P scm g cm sscmg cm sdyn cm scm cmdyn 2 2 2 2 )/( / / 换算：

14、换算：1Pas=1 Ns /m2=10P=1000cP 1P（泊）泊）=1dynscm-2 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动22 运动粘度运动粘度 ： =/=/ SISI制制： 12 33 / )/( / sm mkg smkg mkg sPa 物理单位制（物理单位制（CGSCGS）：）：为为cmcm2 2s s-1 -1， ，称为斯托克斯，称为斯托克斯， 用用StSt表示，简称：斯。表示，简称：斯。 换算：换算：1St=100cSt（厘斯）厘斯）=110-4m2s-1 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动23 粘度粘度的影响因素的影响因素 ： =f ( T,P,物质种

15、类物质种类 ) =f(分子间吸引力，分子热运动引起的动量交换分子间吸引力，分子热运动引起的动量交换) 液体：液体：TT分子间距离分子间距离引力引力液体的液体的 气体：气体：TT分子的混乱运动和碰撞分子的混乱运动和碰撞 压强压强P P的影响一般不予考虑，只有在极高或极低的影响一般不予考虑，只有在极高或极低 的压强下才考虑压强对气体粘度的影响。的压强下才考虑压强对气体粘度的影响。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动24 混合物粘度：混合物粘度： 分子不缔合的液体混合物：分子不缔合的液体混合物： iim x lglg 气体混合物：气体混合物： 2 1 2 1 ii iii m My My

16、 式中：式中： xi液体混合物中液体混合物中i组分的摩尔分率；组分的摩尔分率； i与液体或气体混合物同温同压的纯与液体或气体混合物同温同压的纯i组分的粘度；组分的粘度； yi气体混合物中气体混合物中i组分的摩尔分率；组分的摩尔分率； Mi气体混合物中气体混合物中i组分的分子质量。组分的分子质量。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动25 理想流体与粘性流体：理想流体与粘性流体： 自然界中的所有流体都具有粘性，具有粘性的流自然界中的所有流体都具有粘性，具有粘性的流 体统称为粘性流体或实际流体。体统称为粘性流体或实际流体。 完全没有粘性的流体，完全没有粘性的流体， 即即=0=0，称为理想

17、流体。是假设称为理想流体。是假设 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动26 牛顿流体与非牛顿流体：牛顿流体与非牛顿流体： 剪应力与速度梯度的关系遵循牛顿粘性定律的流体叫做牛剪应力与速度梯度的关系遵循牛顿粘性定律的流体叫做牛 顿型流体；不遵循这一规律的流体为非牛顿型流体。顿型流体；不遵循这一规律的流体为非牛顿型流体。 所有气体和大部分液体或溶液都为牛顿流体；所有气体和大部分液体或溶液都为牛顿流体；对非牛顿流对非牛顿流 体而言，粘度不再是纯粹的物性，而是随着速度梯度而改体而言，粘度不再是纯粹的物性，而是随着速度梯度而改 变，称为变，称为表观粘度表观粘度。 2021-6-22第第1章章 流

18、体流动流体流动27 牛顿流体与非牛顿流体：牛顿流体与非牛顿流体： 假塑性流体：假塑性流体： 如甘油溶液，油脂、油漆等。如甘油溶液，油脂、油漆等。 分类分类 n dy du K)( 涨塑性流体：涨塑性流体： 如淀粉、硅酸甲等悬浮液。如淀粉、硅酸甲等悬浮液。 n dy du K)( n1 粘塑性流体：粘塑性流体： 如纸浆、牙膏、泥浆等。如纸浆、牙膏、泥浆等。 dy du o 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动28 a 牛顿流体牛顿流体 b 粘塑性流体粘塑性流体 c 胀塑性流体胀塑性流体 d 假塑性流体假塑性流体 1.2 流体静力学流体静力学 1.2.1 流体的静压强流体的静压强 1.2

19、.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 1.2.2 流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动30 内容：静止流体受外力的平衡规律。内容：静止流体受外力的平衡规律。 地球表面附近受力主要是重力和压力。地球表面附近受力主要是重力和压力。 重力可以看作常数。重力可以看作常数。 因此流体静力学实质就是因此流体静力学实质就是 研究静止流体所受压力的平衡关系。研究静止流体所受压力的平衡关系。 定义：定义：流体在流体在静止状态下受外力的平衡规律。静止状态下受外力的平衡规律。 前言前言 重力场中的流体，无论运动与否都受到力的作用。重力场中的流

20、体，无论运动与否都受到力的作用。 连续介质的受力情况（规律）服从牛顿第二定律。连续介质的受力情况（规律）服从牛顿第二定律。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动31 1.2.1 流体的静压强流体的静压强 压强被视为外部作用力（包括流体柱自身重力）压强被视为外部作用力（包括流体柱自身重力） 在流体中的传播，其方向始终与作用面相垂直；在流体中的传播，其方向始终与作用面相垂直； 无论流体运动与否，压强始终存在，静止流体无论流体运动与否，压强始终存在，静止流体 中的压强称为静压强。在流体空间的任一点处，中的压强称为静压强。在流体空间的任一点处， 静压强等大小地作用于各个方向。静压强等大小地作

21、用于各个方向。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动32 定义：定义： 流体垂直作用于单位面积上的力，简称压强，习惯上流体垂直作用于单位面积上的力，简称压强，习惯上 称为称为压力压力。 1atm=1.013 105 Pa=10.33 mH2O=760mmHg 1at=9.807 104Pa=10mH2O=735.6mmHg=1kgfcm-2 1atm=1.033at 1bar=1 105Pa 1kgfm-2=1mmH2O 压力的单位及换算：压力的单位及换算： A F p ),(zyxfp 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动33 以绝对真空（以绝对真空（0atm）为基准：绝

22、对压力，真实压力为基准：绝对压力，真实压力 以当地大气压为基准：以当地大气压为基准： 表压或真空度表压或真空度 压力的表示方法：压力的表示方法： 绝压大气压：压力表绝压大气压：压力表表压力表压力 表压表压= =绝压大气压力绝压大气压力 绝压大气压：真空表绝压大气压：真空表真空度真空度 真空度真空度= =大气压力绝压大气压力绝压 注：大气压力应从当地气压计上读得；注：大气压力应从当地气压计上读得； 对（对（表表）压和（）压和（真真）空度应予以注明。）空度应予以注明。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动34 压力的表示方法：压力的表示方法： 表力表力=绝压大气压力绝压大气压力 真空度真

23、空度=大气压力绝压大气压力绝压 注：大气压力应从当地气压计上读得；注：大气压力应从当地气压计上读得； 对（对（表表）压和（）压和（真真）空度应予以注明。）空度应予以注明。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动35 例例1：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读 数为数为80103Pa；在天津操作时，若要求塔内维持相；在天津操作时，若要求塔内维持相 同的绝对压强，真空表的读数应为若干？同的绝对压强，真空表的读数应为若干？ 已知已知Pa， ，兰州兰州=85.3 103Pa，Pa， ，天津天津=101.33 103Pa。 解：兰州：绝压解：兰州：

24、绝压=大气压真空度大气压真空度 =85.310380103=5.3103 Pa 天津：真空度天津：真空度=大气压绝压大气压绝压 =101.331035.3103 =9.603103Pa（真）（真） 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动36 例例2：某设备进、出口测压仪表上的读数分别为：某设备进、出口测压仪表上的读数分别为 120mmHg（真空度）和真空度）和1.2 kgfcm-2（表压），试求进、表压），试求进、 出口处的绝压分别为多少出口处的绝压分别为多少Pa？当地大气压为当地大气压为750 mmHg。 解：进口处（解：进口处（P1）：）：绝压绝压=大气压力真空度大气压力真空度 P

25、1=750-120=630mmHg = 6 3 0 / 7 6 0 1 . 0 1 3 1 0 5 = 8 . 3 9 7 1 0 4 P a 出口处（出口处（P2）：）：绝压绝压=大气压力真空度大气压力真空度 P2=750/7601.013105+1.29.807104 =2.177105Pa 1atm=1.013 105 Pa=10.33 mH2O=760mmHg 1at=9.807 104Pa=10mH2O=735.6mmHg=1kgfcm-2 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动37 1.2.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 公式推导：公式推导： A 2021-6

26、-22第第1章章 流体流动流体流动38 1.2.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 公式推导：公式推导： 取微元高度取微元高度 dz 截面面积截面面积 A 向上的力：向上的力： PA 向下的力：向下的力： (P + dP)A 重力：重力： mg =gAdZ 三力之和为零三力之和为零 ：PA - (P + dP)A - gAdZ = 0 即即 dP +gdZ = 0 不可压缩流体，不可压缩流体，为常数，对上式进行不定积分得：为常数，对上式进行不定积分得： gz+P常数常数 A 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动39 若积分限取距离基

27、准水平面高若积分限取距离基准水平面高 度为度为Z1和和Z2的两个平面，且作的两个平面，且作 用于这两个平面上的压强分别用于这两个平面上的压强分别 为为P1和和P2，则得：则得： (P2-P1)/g = Z1-Z2 即：即： P2 = P1 +g(Z1 - Z2) 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动40 讨论：讨论： 应用条件应用条件：连续、静止、均一的不可压缩性流体；：连续、静止、均一的不可压缩性流体； 若若P1=P0，P2=PP=P0+gh，当当p0一定时，一定时，hP， 即：静止流体中任一点的即：静止流体中任一点的压力与流体密度压力与流

28、体密度和所处位和所处位 置相关，与容器形状无关置相关，与容器形状无关； P0变，会等大小、各方向传递到液体内部变，会等大小、各方向传递到液体内部 帕斯卡帕斯卡 原理原理；应用：水压机、液压传动装置；应用：水压机、液压传动装置 重力场中静止、连续、同一流体、同一水平面上，各重力场中静止、连续、同一流体、同一水平面上，各 点的压力相等，即点的压力相等，即等压面等压面为水平面为水平面 连通器原理连通器原理； 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动41 密闭有限密闭有限空间内气体的压力相等；空间内气体的压力相等； 压差可用液柱高度表示压差可用液柱高度表示 液柱压差计原理液柱压差计原理 g pp

29、 h 12 P2 =P1 +g(Z1 - Z2)P1/+gz1 = P2/+gz2 故：连续、静止的同一流体中，故：连续、静止的同一流体中，能量能量守恒。守恒。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动42 1.2.3 1.2.3 流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用 （一）压力测量液柱压差计（一）压力测量液柱压差计（ManometersManometers） 普通普通 U 形管压差计形管压差计（Simple manometer） 指示液选用原则：指示液选用原则： a.a.与所测流体不互溶，与所测流体不互溶， b.b.不起化学作用，不起化学作用， c.c.密度密度所测流体

30、密度（所测流体密度（0 0 ），）， d.d.易于观察。易于观察。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动43 根据流体静力学基本方程式，根据流体静力学基本方程式， A、B为为等压面等压面可得：可得： 根据流体静力学基本方程式，根据流体静力学基本方程式， 11 gZPPA gRgZPP B022 gRgZPgZP 02211 gRPP)( 021 当被测流体为气体时，由于气体的密当被测流体为气体时，由于气体的密 度相对于指示液的密度小得多度相对于指示液的密度小得多 （0 0），则：），则： gRgRPPP 0021 )( 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动44 压强差压强差

31、P仅与读数仅与读数R和密度差和密度差(0-)有关，有关，与与U形形 管的粗细、长短、位置无关；与测压引线的粗细、管的粗细、长短、位置无关；与测压引线的粗细、 长短无关；长短无关； 说明：说明： P一定，一定，(0-)R选择适当的指示液。选择适当的指示液。 U形管压差计可用来测量某一处的压力。形管压差计可用来测量某一处的压力。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动45 倒置倒置U U形管压差计（形管压差计（Up-side down manometerUp-side down manometer） 取等压面取等压面ABAB（水平、静止、连续、均（水平、静止、连续、均 一流体），可以得到：

32、一流体），可以得到：P PA A=P=PB B 11 gZPP A gRgZPP gB 22 gRgZPgZP g 2211 整理后得：整理后得：（g g） gRgRPPP g )( 21 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动46 斜管压差计斜管压差计（Inclined manometer） 采用倾斜采用倾斜 U 形管可在测量较小的压差形管可在测量较小的压差 p 时，得时，得 到较大的读数到较大的读数 R1 值。值。 gRpp 0121 sin 压差计算式：压差计算式： 15，一般约为一般约为20 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动47 双液压差计双液压差计（Two-li

33、quid manometer） 特点：使读数特点：使读数R扩大扩大 对一定的压差对一定的压差 p，R 值的大小与所用的指值的大小与所用的指 示剂密度有关，密度差越小，示剂密度有关，密度差越小，R 值就越大，值就越大， 读数精度也越高。读数精度也越高。 双液：水双液：水-煤油、酒精煤油、酒精-煤油、煤油、CCl4-苯等苯等 Rgpp 020121 压差：压差： 计入扩大室内的液面差：计入扩大室内的液面差： Rg D d PPP )()()( 02 2 020121 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动48 （二）液面测量（二）液面测量 化工厂中经常要了解容器里液体的贮存量，或要控制化工

34、厂中经常要了解容器里液体的贮存量，或要控制 设备里的液面，因此要进行液位的测量。大多数液位设备里的液面，因此要进行液位的测量。大多数液位 计的工作原理均遵循静止液体内部压强变化的规律。计的工作原理均遵循静止液体内部压强变化的规律。 1. 1. 连通管，最原始的液位计，在容器底部及液面上方连通管，最原始的液位计，在容器底部及液面上方 各开一小孔，两孔间用玻璃管相连各开一小孔，两孔间用玻璃管相连 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动49 （二）液面测量（二）液面测量 玻璃管液面计玻璃管液面计 压差液面计压差液面计 液面允许达液面允许达 到的最大值到的最大值 2021-6-22第第1章章

35、流体流动流体流动50 （二）液面测量（二）液面测量 2. 远程液位计：远程液位计： 如图所示，于容如图所示，于容 器或设备处设一器或设备处设一 称为平衡器的小称为平衡器的小 室，里面所装的室，里面所装的 液体与容器里的液体与容器里的 相同。用管路把相同。用管路把 容器与平衡器容器与平衡器 连通起来。管路末端插入容器中的液体中。管路连通起来。管路末端插入容器中的液体中。管路 上安装一个有指示液的上安装一个有指示液的U形管压差计，由读数形管压差计，由读数R可可 换算出液位高度。换算出液位高度。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动51 例：用远距离液位装置测量例：用远距离液位装置测量 贮

36、槽内某液体的液位，流贮槽内某液体的液位，流 程如图。自管口流入压缩程如图。自管口流入压缩 氮气，调节流量。管内氮氮气，调节流量。管内氮 气流速调节得很小，只要气流速调节得很小，只要 在鼓泡观察器内看出有气在鼓泡观察器内看出有气 泡缓慢逸出即可。管内某泡缓慢逸出即可。管内某 截面上压强用截面上压强用U形压差计形压差计 测量，则压差计读数测量，则压差计读数R可可 反映贮槽内液位高度。反映贮槽内液位高度。 （二）液面测量（二）液面测量 已知已知R=200mmHg,液体密度为液体密度为1250kgm-3,试求贮槽试求贮槽 液面离吹气管出口距离液面离吹气管出口距离h为若干？为若干？ 2021-6-22第

37、第1章章 流体流动流体流动52 （二）液面测量（二）液面测量 解： cba p=p=p gR+p=p gh+p=p ooc oa m R h o 176. 2 1250 2 . 013600 C 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动53 （三）液封高度的计算（三）液封高度的计算 如各种气液分离器的后面、气如各种气液分离器的后面、气 体洗涤塔底以及气柜等体洗涤塔底以及气柜等, ,为了为了 防止气体泄漏和安全等目的，防止气体泄漏和安全等目的， 都要采用液封都要采用液封( (或称水封或称水封) )。 gz=P 水水 g p =z 水水 化工生产中常遇到设备的液封问题，设备内操作条件化工生产

38、中常遇到设备的液封问题，设备内操作条件 不同，采用液封的目的也不相同。不同，采用液封的目的也不相同。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动54 （三）液封高度的计算（三）液封高度的计算 例：某厂为了控制乙炔发生炉例：某厂为了控制乙炔发生炉 内的压强不超过内的压强不超过107kPa107kPa（g g），）， 需在炉外装有安全液封装置，其需在炉外装有安全液封装置，其 作用是当炉内压强超过规定值时，作用是当炉内压强超过规定值时， 气体就从液封管中排出，试求此气体就从液封管中排出，试求此 炉的安全液封管应插入槽内水面炉的安全液封管应插入槽内水面 下的深度下的深度h h。 2021-6-22

39、第第1章章 流体流动流体流动55 （三）液封高度的计算（三）液封高度的计算 解：以液封管口为基准水平面解：以液封管口为基准水平面 0 0 ghppp ao 1 m g pp h a 09. 1 1 所所 以：以： 为保证安全液封高度应大于计算值，一般取为保证安全液封高度应大于计算值，一般取1.10m。 P 1 1.3 流体动力学流体动力学 1.3.1 概述概述 1.3.2 物料平衡连续性方程物料平衡连续性方程 1.3.3 总能量平衡总能量平衡 1.3.4 机械能平衡柏努力方程式机械能平衡柏努力方程式 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动57 1.3.1 1.3.1 概述概述 1.1.

40、流量：流量： 1）体积流量：）体积流量： 单位时间内流体流过管路任一截面积的单位时间内流体流过管路任一截面积的 体积，以体积，以V表示，单位：表示，单位：m3s-1或或m3h-1。 2）质量流量）质量流量 ： 单位时间内流体流过管路任一截面积的单位时间内流体流过管路任一截面积的 质量，以质量，以W表示，单位：表示，单位：kgs-1或或kgh-1。 体积流量与质量流量的关系：体积流量与质量流量的关系：W=V 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动58 2.流速：流速： 2）质量流速）质量流速 单位时间内流体流过管路单位截面积的质量，以单位时间内流体流过管路单位截面积的质量，以G表表 示，

41、单位：示，单位：kg (m2s)-1。 平均流速平均流速，简称流速：，简称流速：u=V/A 1）（平均线性）流速：单位时间内流体在流动方）（平均线性）流速：单位时间内流体在流动方 向上流过的距离，以向上流过的距离，以u表示，单位：表示，单位：ms-1。 G=W/A=V/A=u 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动59 3.管径的估算管径的估算 : u V4 =d 选定流速选定流速u计算计算d 圆整（规格化，取标准管径）圆整（规格化，取标准管径） P449 附表附表23 一般：液体：一般：液体：u = 0.53ms-1 P25 Tab1-3 气体：气体：u = 1030ms-1 P25

42、 Tab1-3 计算实际流速计算实际流速u实 实 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动60 4.4.稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动 1 1）稳定流动：）稳定流动： 若与流动有关的各参数只随若与流动有关的各参数只随 位置变化，不随时间变化，位置变化，不随时间变化， 为稳定流动，如图（打开进为稳定流动，如图（打开进 水管水管1 1）所示。）所示。 2 2）不稳定流动：）不稳定流动： 若与流动有关的各参数不仅随位置变化，而且随时间变若与流动有关的各参数不仅随位置变化，而且随时间变 化，为不稳定流动，如图（关闭进水管化，为不稳定流动，如图（关闭进水管1 1）所示。）所示。 2021

43、-6-22第第1章章 流体流动流体流动61 5.5.本节主要内容本节主要内容 掌握掌握连续性方程连续性方程和和伯努利方程伯努利方程及相关概念及相关概念 熟练应用两个方程熟练应用两个方程 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动62 1.3.2 1.3.2 物料平衡物料平衡连续性方程连续性方程 1.稳定流动的物料平衡：稳定流动的物料平衡： 进料速率进料速率=出料速率出料速率+积累速率积累速率质量守恒原理：质量守恒原理： 流体流体 1 1 2 2 W1=W2 或：或： u1A11= u2A22 不可压缩流体：不可压缩流体：为常数，则有为常数，则有 u1A1=u2A2 2 1 2 2 1 d

44、d u u 对内径为对内径为d 的圆形管路的圆形管路 连续性方程连续性方程 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动63 dmdWdW d dm WW oii 或或 0 不稳定流动的物料平衡：不稳定流动的物料平衡： 设瞬时进入、输出物料质量流量分别为设瞬时进入、输出物料质量流量分别为W Wi i、W Wo o， 微分时间微分时间dd内积累的物料量为内积累的物料量为dmdm，则有：则有： 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动64 例例1： 如图所示，管路有一段内径如图所示，管路有一段内径60mm的管的管1、一段管内径、一段管内径 100mm的管的管2及两段内径及两段内径50mm的

45、分支管路的分支管路3a及及3b连接而连接而 成。水以成。水以2.5510-3m3s-1的体积流量自左侧入口送入，若的体积流量自左侧入口送入，若 在两端分支管路的体积流量相等，试求各段管内的流速。在两端分支管路的体积流量相等，试求各段管内的流速。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动65 解：通过管解：通过管1 1的流速为：的流速为： 1 2 3 1 1 902. 0 06. 0 4 1055. 2 sm A V u s 1 2 1 2 2 1 1 2 2 2 1 1 2 1 2 325. 0902. 0 100 06. 0 4 4 smu d d u d d u A A u 利用不可

46、压缩性流体的连续性方程得水在管利用不可压缩性流体的连续性方程得水在管2 2中的流速中的流速 水离开管水离开管2后分成体后分成体 积流量相等的两股：积流量相等的两股： 223311 22AuAuAu 1 2 2 3 11 3 11 32 649. 0 50 60 2 902. 0 22 sm d du A Au uu 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动66 例例2： 管路由内径管路由内径50mm的管的管1 1及内径分别为及内径分别为35mm和和30mm的分的分 支管路支管路2、3组成。蒸汽以组成。蒸汽以25ms-1的速度通过的速度通过1管路。出口管路。出口 处蒸汽速度分别为多大才能保

47、证两分支管路中蒸汽质量处蒸汽速度分别为多大才能保证两分支管路中蒸汽质量 流量相等。蒸汽密度及管径在各管截面的分布如下表流量相等。蒸汽密度及管径在各管截面的分布如下表 编号编号管径管径密度密度 mm kgm-3 1502.62 2352.24 3302.30 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动67 解解： 由连续性方程：由连续性方程： 由于两分支管路质量流量相等由于两分支管路质量流量相等 333222111 AuAuAu 333222 AuAu 联立以上两式得：联立以上两式得： 333222111 22AuAuAu 1 2 2 2 1 2 11 2 84.29 35 50 24. 2

48、2 62. 225 2 sm d du u 1 2 2 3 1 3 11 3 55.39 30 50 3 . 22 62. 225 2 sm d du u 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动68 由以上两个例子可以看出：由以上两个例子可以看出： 连续性方程在解决变径及分支管路问题的过程中十分重要。连续性方程在解决变径及分支管路问题的过程中十分重要。 对于不可压缩性流体可以采用不同的连续性方程的形式；对于不可压缩性流体可以采用不同的连续性方程的形式； 对于可压缩性流体仅能用的连续性方程的质量形式；对于可压缩性流体仅能用的连续性方程的质量形式； 所以在应用连续性方程是其所以在应用连续性

49、方程是其质量形式质量形式是保险的。是保险的。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动69 1.3.3 1.3.3 总能量衡算总能量衡算 1.位能：质量为位能：质量为m的流体自基准水平面升举到高度的流体自基准水平面升举到高度Z所所 作的功，作的功，mgZ ，单位：单位：J 单位质量流体单位质量流体(1kg)具有的位能称具有的位能称比位能比位能，gZ，Jkg-1 2.动能：质量为动能：质量为m，流速为流速为u的流体所具有的动能为的流体所具有的动能为 2 2 1 mu 单位单位 JmN s m kgmu . 2 2 2 1 （一）流动流体包含的机械能（一）流动流体包含的机械能 单位质量流体具

50、有的动能称单位质量流体具有的动能称比动能比动能， ，Jkg-1 2 2 u 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动70 静压能：静压能： 设流体设流体m、V i-i截面截面(P、A)，则：则： 截面处的压力截面处的压力F=PA， 流体通过流体通过A前进的距离前进的距离 l=V/A 流体进入该截面所需功流体进入该截面所需功 =Fl=PV 即：流体所具有的静压能即：流体所具有的静压能=PV，单位为单位为J，又称流动功。又称流动功。 单位质量流体所具有的静压能称单位质量流体所具有的静压能称比静压能比静压能： 比静压能比静压能=PV/m=P/(m/V)=P/，单位为单位为Jkg-1。 静压能只

51、有在静压能只有在流动流动的流体中才能体现出来的流体中才能体现出来 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动71 1.外加功：外加功： 单位质量流体获得的机械能，单位质量流体获得的机械能，有效功有效功，We，单位，单位Jkg-1 ； 规定外界对流体做功取规定外界对流体做功取“”，流体对外做功取，流体对外做功取“”。 （二）流体涉及的其他能量形式（二）流体涉及的其他能量形式 流体粘性流体粘性内摩擦力内摩擦力流体流动阻力流体流动阻力 机械能损失机械能损失机械能转化为热机械能转化为热 单位质量流体：单位质量流体：hf，Jkg-1，称为比能损失称为比能损失 2.能量损失能量损失 2021-6-22

52、第第1章章 流体流动流体流动72 内能和热内能和热 热：热： 单位质量流体通过时吸热或放热，单位质量流体通过时吸热或放热，qe，单位为，单位为Jkg-1 ； 规定流体吸热时取规定流体吸热时取“”，放热时取，放热时取“”。 内能：内能： 单位质量流体分子运动的动能、分子间作用力产生的能量；单位质量流体分子运动的动能、分子间作用力产生的能量； U，单位为，单位为Jkg-1 ；质量为质量为m的流体的内能为的流体的内能为m U （二）流体涉及的其他能量形式（二）流体涉及的其他能量形式 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动73 （三）总能量平衡方程式（三）总能量平衡方程式 在截面在截面1-11

53、-1 和和2-22-2 间对单位质量流体间对单位质量流体 作总能量衡算为：作总能量衡算为： 2 22 222 1 12 111 2 1 2 1 p ugZU wq p ugZU ee 机械能：位能、动能、压力能和外功可转化为机械能：位能、动能、压力能和外功可转化为 热及内能，或者相互转化热及内能，或者相互转化 内能和热：不能转化为用于流体输送的能量内能和热：不能转化为用于流体输送的能量 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动74 1.3.4 机械能平衡机械能平衡 （一）柏努利方程式（一）柏努利方程式 （二）伯努利方程的分析和讨论（二）伯努利方程的分析和讨论 （三）伯努利方程的应用（三）

54、伯努利方程的应用 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动75 （一）柏努利方程式（一）柏努利方程式 总热能：总热能：Qe = qe+hf 热力学第一定律：热力学第一定律：U = QeW = qe+hf-PV 不可压缩性流体：不可压缩性流体：= const， V=0 则：则： U = U2-U1= qe+hf 代入总能能量平衡方程：代入总能能量平衡方程： 2 22 222 1 12 111 2 1 2 1 p ugZUwq p ugZU ee 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动76 （一）柏努利方程式（一）柏努利方程式 得：得： 21 22 22 12 11 2 1 2 1

55、fe h p ugZw p ugZ 稳定流动系统的机械能衡算式或广义柏努利方程稳定流动系统的机械能衡算式或广义柏努利方程 理想流体（理想流体（hf=0），），无外加功加入（无外加功加入（We=0），），则：则： 22 22 12 11 2 1 2 1p ugZ p ugZ 或：或： 常常数数 p ugZ 2 2 1 柏努利方程式柏努利方程式 单位：单位：J/kg单位：单位：Jkg-1 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动77 （二）柏努利方程式的分析与讨论（二）柏努利方程式的分析与讨论 1.应用条件：应用条件： 稳定连续流动，稳定连续流动，不可压缩不可压缩性流体（性流体（满管流满管流

56、）；）； 对压力变化不大的情况对压力变化不大的情况(|(P1-P2)|/P120%）,认认 为气体遵循柏努利方程，取为气体遵循柏努利方程，取m=(1+2）/2。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动78 柏努利方程的不同形式：柏努利方程的不同形式： 以单位质量流体为基准，单位以单位质量流体为基准，单位:J/kg fe h p ugZw p ugZ 22 22 12 11 2 1 2 1 以单位重量流体为基准，单位：以单位重量流体为基准，单位：m液柱液柱 fe H g p u g ZH g p u g Z 22 22 12 11 2 1 2 1 位压头位压头 动压头动压头静压头静压头有

57、效压头有效压头压头损失压头损失 以单位体积流体为基准，单位：以单位体积流体为基准，单位：Pa fe ppugZppugZ 2 2 221 2 11 2 1 2 1 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动79 总比能和流向判断：总比能和流向判断： 总比能：总比能： 柏努利方程式：柏努利方程式： 无外功加入时：无外功加入时：We=0，于是：，于是：E1 = E2 + hf 实际流体：实际流体： hf0 E1 E2 自流管路，流向判断的依据自流管路，流向判断的依据 2 2 up gzE Jkg-1 f hEWeE 11 Jkg-1 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动80 能量转换

58、关系能量转换关系 流体为理想流体流体为理想流体,则对则对1-1截面和截面和 2-2截面列柏努利方程可得截面列柏努利方程可得: 22 22 12 11 2 1 2 1p ugZ p ugZ 2121 uuzz 22 2 2 2 1 uu 21 pp 故：静压能转化为动能。故：静压能转化为动能。 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动81 能量转换关系能量转换关系 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动82 柏努利方程与静力学方程之间的关系柏努利方程与静力学方程之间的关系 流体静止时：流体静止时： 000 ef whu 2 2 1 1 p gz p gz 即：即： 2112 zzg

59、pp 静力学方程静力学方程 P1、P2可同时用表压或绝压，但不能用真空度。可同时用表压或绝压，但不能用真空度。 流体静力学基本方程式为柏努利方程的特例流体静力学基本方程式为柏努利方程的特例 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动83 有关泵功率的计算：有关泵功率的计算： 外加功外加功We： 单位质量流体从输送机械获得的机械能，单位质量流体从输送机械获得的机械能，Jkg-1； 泵的有效功率泵的有效功率Ne： 单位时间输送机械对流体所做的有效功，单位单位时间输送机械对流体所做的有效功，单位W，kW； Ne= WeW = WeV 泵的轴功率泵的轴功率N：N = kW 泵的效率：泵的效率： =

60、 Ne /N 100% 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动84 （三）柏努利方程的应用（三）柏努利方程的应用(4) 计算流体输送机械的功率计算流体输送机械的功率 21 22 22 12 11 2 1 2 1 f e h p ugZ w p ugZ 在在1-1和和2-2间列柏努利方程：间列柏努利方程： WwN ee 功率功率 21 2 2 fe h up Zgw Jkg-1 2021-6-22第第1章章 流体流动流体流动85 计算高位槽的高度计算高位槽的高度 在在1-1和和2-2间，列柏努利方程：间，列柏努利方程： 21 22 22 12 11 2 1 2 1 f h p ugZ p