【环境课件】第一章 流动

1、第一章 流 体 流 动学学 习习 目目 标标 熟练掌握的内容：熟练掌握的内容： 流体静力学基本方程及其应用；流体静力学基本方程及其应用； 连续性方程及其应用；连续性方程及其应用； 机械能衡算方程及其应用；机械能衡算方程及其应用； 流体的流动类型，雷诺准数及其计算；流体的流动类型，雷诺准数及其计算； 流体在圆形直管内的阻力及其计算。流体在圆形直管内的阻力及其计算。第第一一 章章 流流 体体流流动动学 习 目 标 理解的内容：理解的内容： 边界层的基本概念；边界层的基本概念； 局部阻力的计算；局部阻力的计算； 简单管路的计算。简单管路的计算。 了解的内容：了解的内容： 圆形管内流动的速度分布；圆形

2、管内流动的速度分布； 复杂管路的复杂管路的计算计算第第一一 章章 流流 体体流流动动概 述 流体：流体： 流动性，即抗剪抗张能力都很小。 特点：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。 液体液体 不可压缩不可压缩 种类：种类： 气体气体 可压缩可压缩第第一一 章章 流流 体体流流动动概 述 流体输送：流体输送： 流体输送操作是流体输送操作是环境工程中应用最普环境工程中应用最普遍的单元操作。遍的单元操作。 流体流动是其它流体流动是其它环境工程过程的基础。环境工程过程的基础。 第第一一 章章 流流 体体流流动动概 述 流体力学流体力学 ： 流体静力学流体静力学:

3、 :静力学方程及其应用静力学方程及其应用 流体动力学流体动力学: :连续性方程及连续性方程及柏努利方程柏努利方程 第第一一 章章 流流 体体流流动动概 述流动连续性假设：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。第第一一 章章 流流 体体流流动动第一节 流体的基本物理量 一一. 流体的密度流体的密度 1. 密度密度 2. 比容比容 3. 相对密度相对密度 4. 纯组分流体密度计算纯组分流

4、体密度计算 5. 混合流体密度计算混合流体密度计算 第第一一 章章 流流 体体流流动动一 密 度)277,(2kohs序序号号物理量物理量物理意义物理意义表达式表达式单位单位1 1密度单位体积流体的质量 =m/v=m/v kg/m kg/m 3 32 2比容单位质量流体的体积 =v/m=v/m=1/=1/ m m3 3/kg/kg3 3相对密度流体的密度与标准大气压下277k277k（44）时水的密度之比无量纲无量纲)277,(2kohs第一节第一节 流体的基本物理量流体的基本物理量第第一一 章章 流流 体体流流动动一 密 度4. 纯组分流体密度计算纯组分流体密度计算 （1）液体的密度）液体的

5、密度 随压强变化很小，常可随压强变化很小，常可忽略其影响。忽略其影响。 （2）气体的密度）气体的密度 其值随温度、压强其值随温度、压强有较大的变化。有较大的变化。rtmmnrtpvrtpmvm000pptt第第一一 章章 流流 体体流流动动一 密 度 5. 混合流体密度计算混合流体密度计算 (1)液体混合物的计算液体混合物的计算 混合液体之间不发生化学反应混合液体之间不发生化学反应 前提：前提： 混合前后的体积变化不大混合前后的体积变化不大 公式：公式：nnm22111 第第一一 章章 流流 体体流流动动-质量分数质量分数- -流体密度流体密度一 密 度 例题：例题： 20，将由，将由35%戊

6、烷和戊烷和65%辛烷（圴为质量百分辛烷（圴为质量百分数）组成的液体混合物装入一数）组成的液体混合物装入一10m3的容器，试求的容器，试求混合液体的质量。混合液体的质量。 第第一一 章章 流流 体体流流动动一 密 度 （2）气体混合物密度计算）气体混合物密度计算rtpvmmm)(iimymmnn2211注意：对于理想气体，其摩尔分率注意：对于理想气体，其摩尔分率y与体积分率与体积分率相同相同。第第一一 章章 流流 体体流流动动一 密 度 例题：例题： 在压力为在压力为202.66kpa（表压），温度为（表压），温度为300条件条件下，由分析得知某混合气体成分如下（圴为体积下，由分析得知某混合气体

7、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。试计算该混合气体的密度。第第一一 章章 流流 体体流流动动二 压强 1. 定义：定义： 流体垂直作用于单流体垂直作用于单位面积上的力，称为位面积上的力，称为流体的静压强，简称流体的静压强，简称压强，习惯上又称为压强，习惯上又称为压力。压力。 afpz2z1f第第一一 章章 流流 体体流流动动二 压强 2.压强的特性压强的特性 在连续静止的流体内部，压强为位置的连续函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，并指向所考虑数，任一点的压强与作用面垂直，并指向

8、所考虑的流体内部。的流体内部。 流体系统中任意一点的压强在各个方向上相等。流体系统中任意一点的压强在各个方向上相等。 第第一一 章章 流流 体体流流动动二 压强 3.压强的单位压强的单位 1atm = 1.033 kgf/cm2 = 760mmhg = 10.33mh2o = 1.0133 bar = 1.0133105pa 1at=1kgf/cm2 = 735.6mmhg = 10.33mh2o = 0.9807 bar = 9.807104pa 第第一一 章章 流流 体体流流动动二 压强 4.4. 压力的表示方法压力的表示方法 绝对压强：绝对压强：指流体的真实压强。指流体的真实压强。 表压

9、强：表压强：指工程上用测压仪表以当时当地大气压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。为基准测得的流体压强值。 真空度：真空度：当被测流体内的绝对压强小于当地大气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压时，使用真空表进行测量时真空表上的读数称为真空度。空度。 表压表压 = = 绝对压力绝对压力 - - 大气压力大气压力 真空度真空度 = =大气压力大气压力 - - 绝对压力绝对压力 第第一一 章章 流流 体体流流动动二二 压强压强第第一一 章章 流流 体体流流动动测压仪器二 压强5. .例题例题 天津和兰州的大气压强分别为天津和兰州的

10、大气压强分别为101.33kpa 和和 85.3kpa，苯乙烯真空精馏塔的塔顶要求维，苯乙烯真空精馏塔的塔顶要求维持持5.3kpa的绝对压强，试计算两地真空表的的绝对压强，试计算两地真空表的读数（即真空度）。读数（即真空度）。 解：真空度解：真空度=大气压强大气压强-绝对压强绝对压强 天津天津 真空度真空度=101.33-5.3=96.03kpa 兰州兰州 真空度真空度=85.3-5.3=80kpa;第第一一 章章 流流 体体流流动动三三 流量与流速流量与流速 1.流量流量： 流体在管内流动时，单位流体在管内流动时，单位时间内统过任一截面的流时间内统过任一截面的流体量体量。 qv -体积流量体

11、积流量 m3/s qm -质量流量质量流量 kg/s qm = qv 2.2.流速流速u： 单位时间内流体在流动单位时间内流体在流动方向上流过的离方向上流过的离, m/s； u = aqvqm = ua 第第一一 章章 流流 体体流流动动三 流量与流速 3.3.管径、体积流量和流速之间关系管径、体积流量和流速之间关系 对于圆形管道，以对于圆形管道，以d表示其内径，有表示其内径，有: qv = ua=u d = 24duqv4第第一一 章章 流流 体体流流动动流速与操作费和基建费之间关系流速与操作费和基建费之间关系 qv一定一定 流速流速 u 管径管径 d 基基建费建费 流动阻力流动阻力 动力消

12、耗动力消耗 操作费用操作费用 流速流速u 管径管径d 基建费基建费 流动阻力流动阻力 动力消耗动力消耗 操作费用操作费用第第一一 章章 流流 体体流流动动三三 流量与流速流量与流速 4.管径的选择管径的选择根据输送的流体选择流速根据输送的流体选择流速u1根据要求的流量根据要求的流量qv及选定的流速及选定的流速u1计算管径计算管径d1查附录就近选择合适的管径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根据选择的管径计算实际流速u2验证实际流速验证实际流速u2是否处于常用流速范围内是否处于常用流速范围内第第一一 章章 流流 体体流流动动选取成功选取成功!四 流体的黏度 1.1.黏性：黏性

13、： 流体流动时产生内摩擦力的特性称为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。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，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液体的黏度随温度升高而减小，压强变化时，其，压强变化时，其粘度基本不变。粘度基本不变。气体黏度随温度增加而增加气体黏度随温度增加而增加。第第一一 章章 流流 体体流流动动四 流体的黏度 2.牛顿黏性定律牛顿黏性定律 y v x v=0

14、f第第一一 章章 流流 体体流流动动四 流体的黏度 牛顿型流体牛顿型流体: 剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律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。的流体，包括所有气体和大多数液体。 非牛顿型流体非牛顿型流体: 不符合牛顿粘性定律的流体不符合牛顿粘性定律的流体.如高分子溶液、如高分子溶液、胶体溶液及悬浮液等。胶体溶液及悬浮液等。 注意：本章讨论的均为牛顿型流体。注意：本章讨论的均为牛顿型流体。第第一一 章章 流流 体体流流动动四 流体的黏度 3.黏度黏度 (1)(1)定义定义dydu速速 度度 梯梯 度度 第第一一 章章 流流 体体流流动动四 流体的黏度

15、(2)(2)单位单位 si单位：单位： 常用单位常用单位: 1pas = 10p (泊泊) = 1000cp (厘泊厘泊) spamsmpa.dyud第第一一 章章 流流 体体流流动动四 流体的黏度 (3)(3)运动黏度运动黏度 定义定义: : 黏度黏度与密度与密度的比值表示，的比值表示，表示表示 m2/s 第第一一 章章 流流 体体流流动动第一章第一章 流体流动流体流动第二节 流体静力学一 流体静力学方程 1.1.流体静力学方程推导流体静力学方程推导 容器内装有某液体 密度为 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

16、压力分别 p1为和p2 第第一一 章章 流流 体体流流动动一 流体静力学方程 受力分析：受力分析： 上端面所受压力：上端面所受压力：p1a 下端面所受压力：下端面所受压力：p2a 液柱的重力：液柱的重力：a （z1-z2）g 力平衡，即力平衡，即 p2a= p1a + a （z1-z2）g 整理并消去整理并消去a，得，得 p2= p1 + （z1-z2）g 若将液柱的上端面取在容器内的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液面上，设液面上方的压力为p0，液柱高度为液柱高度为h，则，则 p0 = g h第第一一 章章 流流 体体流流动动一 流体静力学方程 2.流体静力学方程流体静

17、力学方程 三种形式三种形式: (1) (1) 压力形式压力形式 (2) 能量形式能量形式 (3) p0 = g h g h h = h = p0 / g g 适用范围适用范围: 适用于在重力场中静止、连续的同种不可压缩流适用于在重力场中静止、连续的同种不可压缩流体，如液体体，如液体.而对于气体来说，密度随压力变化，但若气而对于气体来说，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，体的压力变化不大，密度近似地取其平均值而视为常数时，也可应用也可应用. )(2112zzgppgzpgzp2211第第一一 章章 流流 体体流流动动一 流体静力学方程 3.静力学方程讨论静

18、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。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。发生相应的变化。 单位质量流体所具有的位能和静压能，单位质量流体所具有的位能和静压能，(2)(2)式反映出在同一静止流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。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

19、本方程也反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系。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)(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。单位可用液柱高度表示的依据。但需注明液体的种类。第第一一 章章 流流 体体流流动动一 流体静力学方程 4.例题例题 如图所示的开口容器内盛有油和水。如图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.8m，密度1 1=800kg/m=800kg/m3 3水层高度h2=0.6m，密度2 2= = 1000kg/mkg/m3

20、 3 （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 第第一一 章章 流流 体体流流动动二 流体静力学方程应用 1.压差及压强测量压差及压强测量 2.液位测量液位测量 3.液封高度计算液封高度计算第第一一 章章 流流 体体流流动动二 流体静力学方程应用 1.压差及压强测量压差及压强测量 (1)(1) 正正u形管压差计形管压差计 形状形状: u形玻璃管形玻璃管 指示液指示液a: 指示液指示液a与被测流体与被测流体b不互溶不互溶,不不起化学反应起化学反应,a a b b。 常用的指示液有水银、四氯化碳、常用的指示液有水银、四氯化碳、水和液体石蜡等，应根据被测流水和

21、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体的种类和测量范围合理选择指示液。示液。 测量方法测量方法: u形管两端与被测两点直接相连。形管两端与被测两点直接相连。 第第一一 章章 流流 体体流流动动二 流体静力学方程应用 压差计算压差计算p pa a=p=pa ap p1 1+b bg(m+hg(m+h)=p)=pa ap p2 2+b bgmgm+a a gh gh= p= pa ap p1 1+b bg(m+hg(m+h)= p)= p2 2+b bgmgm+a a ghghp p1 1-p-p2 2=(=(a a b b )gh )gh 被测流体是气体，由于气体被测流体是气体，

22、由于气体的密度远小于指示剂的密度的密度远小于指示剂的密度 a a b b a a p p1 1-p-p2 2=a a gh gh第第一一 章章 流流 体体流流动动二 流体静力学方程应用 压力测量压力测量(例题例题) 如图所示，水在水平管道内流如图所示，水在水平管道内流动为测量流体在某截面处的压力，动为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一直接在该处连接一u形压差计，形压差计，指示液为水银，读数指示液为水银，读数r250mm，m900mm。已知当。已知当地大气压为地大气压为101.3kpa，水的密，水的密度度1000kg/m3，水银的密度，水银的密度13600 kg/m3。试计算该截面处。试

23、计算该截面处的压力。的压力。 二 流体静力学方程应用 压差计算压差计算(例题例题) 如图所示，水在管道中流动。为如图所示，水在管道中流动。为测得测得a-a、b-b截面的压力差，截面的压力差，在管路上方安装一在管路上方安装一u形压差计，形压差计，指示液为水银。已知压差计的读指示液为水银。已知压差计的读数数r150mm，试计算，试计算a-a、b-b截面的压力差。已知水与水银截面的压力差。已知水与水银的密度分别为的密度分别为1000kg/m3和和13600 kg/m3。 二 流体静力学方程应用(2)倒倒u形管压差形管压差 若被测流体为液体，也可若被测流体为液体，也可选用比其密度小的流体选用比其密度小

24、的流体（液体或气体）作为指示（液体或气体）作为指示剂，采用如图所示的倒剂，采用如图所示的倒u形形管压差计形式。最常用的管压差计形式。最常用的倒倒u形压差计是以空气作为形压差计是以空气作为指示剂，此时，指示剂，此时，rgrgpp)(021二 流体静力学方程应用(3)(3)斜管压差计斜管压差计 当所测量的流体压力差当所测量的流体压力差较小时，可将压差计倾斜较小时，可将压差计倾斜放置，即为斜管压差计，放置，即为斜管压差计，用以放大读数，提高测量用以放大读数，提高测量精度，如图所示。精度，如图所示。此时，此时，r与与r的关系为的关系为:sinrr二 流体静力学方程应用 (4)(4)双液柱双液柱u管压差

25、计管压差计(微压计微压计) 用于测量压力较小的场合。用于测量压力较小的场合。 如图所示，在如图所示，在u管上增设两个扩大室，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内装密度接近但不互溶的两种指示液a和和c （a a c c），扩大室内径与），扩大室内径与u管管内径之比应大于内径之比应大于10。这样扩大室的截。这样扩大室的截面积比面积比u管截面积大得多，即可认为即管截面积大得多，即可认为即使使u管内指示液管内指示液a 的液面差的液面差r较大，但较大，但两扩大室内指示液两扩大室内指示液c的液面变化微小，的液面变化微小，可近似认为维持在同一水平面。可近似认为维持在同一水平面。 于是有于是

26、有 :)(21cargpp二 流体静力学方程应用 例例: 用用u形压差计测量某气体流经水平管道两截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，密度为面的压力差，指示液为水，密度为1000kg/m3，读数读数r为为12mm。为了提高测量精度，改为双液。为了提高测量精度，改为双液体体u管压差计，指示液管压差计，指示液a为含为含40乙醇的水溶液，乙醇的水溶液，密度为密度为920 kg/m3，指示液，指示液c为煤油，密度为为煤油，密度为850 kg/m3。问读数可以放大多少倍？此时读数。问读数可以放大多少倍？此时读数为多少？为多少？二 流体静力学方程应用 2.液位测量液位测量 在化工生产

27、中，经常要了解容器内液体的贮存量，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。体静力学基本原理。二 流体静力学方程应用 (1)玻璃管液位计玻璃管液位计 原理原理: 连通器连通器 r二二 流体静力学方程流体静力学方程应用应用 (2)(2)液柱压差计式液柱压差计式 如图所示的是利用如图所示的是利用u形压差计进形压差计进行近距离液位测量装置。在容器行近距离液位测量装置。在容器或设备或设备1的外边设一平衡室的外边设一平

28、衡室2，其，其中所装的液体与容器中相同，液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。用一装有指示剂达的最高位置。用一装有指示剂的的u形压差计形压差计3把容器和平衡室连把容器和平衡室连通起来，压差计读数通起来，压差计读数r即可指示即可指示出容器内的液面高度，关系为出容器内的液面高度，关系为 :rh0二 流体静力学方程应用(3)鼓泡式液柱测量装置鼓泡式液柱测量装置 若容器或设备的位置离操作室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较远时，可采用图所示的远距离液位测量装置。在管内通入离液位测量装置。在管内通入压缩氮气，用阀压缩氮气，

29、用阀1调节其流量，调节其流量，测量时控制流量使在观察器中测量时控制流量使在观察器中有少许气泡逸出。用有少许气泡逸出。用u形压差形压差计测量吹气管内的压力，其读计测量吹气管内的压力，其读数数r的大小，即可反映出容器的大小，即可反映出容器内的液位高度，关系为内的液位高度，关系为:rh0二 流体静力学方程应用 3.3.液封高度的计算液封高度的计算 (1)安全液封（或称水封）作用：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。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。防止气柜内气体泄漏。 液封高度计算液封

30、高度计算:若要求设备内的压力不超过若要求设备内的压力不超过p（表压），（表压），则水封管的插入深度则水封管的插入深度h为为:式中式中 水的密度，水的密度，kg/m3。 gph二 流体静力学方程应用 ( (2)2)切断水封切断水封 用途用途: 安装与常压可燃气体贮安装与常压可燃气体贮罐前后起启闭作用罐前后起启闭作用 使用方法使用方法:启启:水封不充水水封不充水, 气体绕过隔板出入贮罐气体绕过隔板出入贮罐闭闭:水封注水一定高度水封注水一定高度h, h大于水封两侧最大可能的压差值大于水封两侧最大可能的压差值 第第 三三 节节 稳定流动系统的能量衡算稳定流动系统的能量衡算第三第三 节节 稳定流动系统的

31、能量衡算稳定流动系统的能量衡算 * 本节重点本节重点 以连续方程及柏努利方程为重点，掌握这两个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的要点及注意事项。通过实例加深对这两个方程式的理解。式的理解。 * 本节难点本节难点 无难点，但在应用柏努利方程式计算流体流动无难点，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。正确确定衡算范围及基准水平面选取正确性。正确确定衡算范围（上、下游

32、截面的选取）是解题的关键（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（图稳定流动（图a） *流动参数流动参数 (压力、流速等压力、流速等) 只只与空间位置有关而与时间无与空间位置有关而与时间无关的流动。关的流动。 2.不稳定流动（图不稳定流动（图b ） *流动参数流动参数 (压力、流速等压力、流速等)既既与空间位置有关而又与时间与空间位置有关而又与时间有关的流动。有关的流动。注意注意: :以后内容均研究稳定流动系统以后内容均研究稳定流动系统ab二 连续性方程稳定流动系统稳定流动系统质量守衡质量守衡 qm1 = qm2 因：因： qm = ua 则则: u1a11

33、=u2a22 若流体为液体若流体为液体=常数常数 则：则： u1a1=u2a2 圆管：圆管：u1/u2=(d2/d1)2 变变 径径 管管 例题：例题： 如附图所示，管路由一段如附图所示，管路由一段894mm的管的管1、一段、一段1084mm的管的管2和两段和两段573.5mm的分支管的分支管3a及及3b连接而成。若水以连接而成。若水以9103m3/s的体积流量流动，且的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。试求水在各段管内的速度。 123b3a 附图附图 解：解：管管1的内径为：的内径为： 则水在管则水在管1中的流速为：中的流速为： 管管

34、2的内径为：的内径为： 则水在管则水在管2中的流速为：中的流速为： 管管3a及及3b的内径为：的内径为： 又水在分支管路又水在分支管路3a、3b中的流量相等，则有：中的流量相等，则有： 即水在管即水在管3a和和3b中的流速为：中的流速为：mm8142891dm/s75. 1081. 0785. 0109423211dvusmm100421082dm/s15. 1)10081(75. 1)(222112dduumm505.32573d33222auaum/s30. 2)50100(215. 1)(2223223dduu三 流动系统的能量1.流体本身具有的能量流体本身具有的能量u -内能，内能，1

35、kg流体具有的内能，其单位为流体具有的内能，其单位为j/kg gz -位能，位能，1kg的流体所具有的位能，其单位为的流体所具有的位能，其单位为j/kg -动能，动能，1kg的流体所具有的动能的流体所具有的动能 ，其单位为，其单位为j/kg p/-静压能，静压能，1kg流体所具有的静压能，其单位为流体所具有的静压能，其单位为j/kg 221u三 流动系统的能量 2. 2.稳定流通系统与外界交换的能量稳定流通系统与外界交换的能量we -外加功，外加功，1kg流体从输送机械所获得的能量流体从输送机械所获得的能量 称为外加功或有效功，称为外加功或有效功，j/kg qe -1kg流体在流动过程中吸收或

36、防除的流体在流动过程中吸收或防除的热量，热量，j/kghf -1kg流体在流动过程中的能量损失流体在流动过程中的能量损失,j/kg 四四 稳定流动系统的能量恒算式稳定流动系统的能量恒算式- -柏努力方程柏努力方程1.柏努利方程式的推导柏努利方程式的推导 如图所示的系统中，流体从截面如图所示的系统中，流体从截面1-1流入，流入， 从截面从截面2-2流出。管路上装有对流体作功的流出。管路上装有对流体作功的 泵泵,及向流体输入或从流体取出热量的换热器。及向流体输入或从流体取出热量的换热器。 并假设：并假设： （a）连续稳定流体；）连续稳定流体； （b）两截面间无旁路）两截面间无旁路 流体输入、输出；

37、流体输入、输出；（c）系统热损失）系统热损失qe=0。1z2z12四 柏努力方程表表 1kg 1kg 流体进、出系统时输入和输出的能量流体进、出系统时输入和输出的能量能能 量量形形 式式 意意 义义 kg流体的能量流体的能量j/kg 输输 入入 输输 出出 内能内能 物质内部能量的总和 u u1 1 u u2 2 位能位能 将1kg的流体自基准水平面升举到某高度z所作的功 gzgz1 1 gzgz2 2 动能动能 将1kg的流体从静止加速到速度u所作的功 静压能静压能1kg流体克服截面压力p所作的功（注意理解静压能的概念）p p1 1/ /1 1 p p2 2/ /2 2 外功外功1kg流体通

38、过泵(或其他输送设备)所获得的有效能量）w we e 热热换热器向1 kg流体供应的或从1kg流体取出的热量 q qe e（ 外界向系统外界向系统为正）为正）2112u2212u 根据能量守恒定律，连续稳定流动系统的能量衡算：根据能量守恒定律，连续稳定流动系统的能量衡算： 可列出以可列出以kgkg流体为基准的能量衡算式，即流体为基准的能量衡算式，即: : 此式中此式中 所包含的能量有两类：机械能（位能、动能、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；静压能、外功也可归为此类），此类能量可以相互转化；内能内能u和和热热qe ，它们不属于机械能，不

39、能直接转变为，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。用于输送流体的机械能。为得到适用流体输送系统的机为得到适用流体输送系统的机械能变化关系式，需将械能变化关系式，需将u和和qe消去。消去。=输 入 能输 出 能四 柏努力方程feehpugzuqwpugzu2222221121112121四 柏努力方程 2.柏努力方程柏努力方程 当系统不涉及与环境间的热量交换及温度变化当系统不涉及与环境间的热量交换及温度变化时，此时时，此时u1=u2 qe =0，以以kgkg流体为基准流体为基准的能的能量衡算式为量衡算式为: :fehpugzwpugz222221121122各项单位各项单位j/

40、kg四 柏努力方程 3.柏努力方程讨论柏努力方程讨论 (1).(1).若系统中的流体为不可压缩流体若系统中的流体为不可压缩流体( (体体) )1 1=2 2, ,故上式可进一步简化为：故上式可进一步简化为： (2). (2). 理想流体理想流体( (没有黏性的不可压缩流体没有黏性的不可压缩流体), ), hf =0, 当当无外加功即无外加功即we =0时时: fehpugzwpugz222121222222121122pugzpugz伯努力方程验证实验连通变径管连通变径管能量的转换能量的转换 h2h1h3h4四 柏努力方程 (3) 静止流体静止流体 u=0, hf =0, we =0, 伯努利

41、方程变伯努利方程变为为: (4) 可压缩流体可压缩流体(气体气体), 若流动系统两截面间的绝若流动系统两截面间的绝对压力变化较小对压力变化较小(在在20%范围内范围内)时时,可采用伯努利可采用伯努利方程计算方程计算,但流体的密度应采用两截面间的平均密但流体的密度应采用两截面间的平均密度计算度计算.2211pgzpgz四 柏努力方程 (5)以以n n 流体为基准流体为基准的能量衡算式为的能量衡算式为: : 式中式中: -: -位压头、位压头、 -动压头、动压头、 -静压头、静压头、 -外加压头外加压头 -压头损失压头损失fhgpguzhegpguzn22221211221：gwhee/ghhff

42、/zgu22gpehfh各项单位各项单位m五 柏努力方程式应用例题例题: 有一输水系统，如本题附图所示，水箱内水面维持有一输水系统，如本题附图所示，水箱内水面维持 恒恒定定，输水管直径为，输水管直径为603mm，输水量为，输水量为18.3m3/h，水流，水流经全部管道（不包括排出口）的能量损失可按经全部管道（不包括排出口）的能量损失可按hf=15u2公公式计算，式中式计算，式中u为管道内水的流速（为管道内水的流速（m/s）。试求：）。试求：（1）水箱中水面必须高于）水箱中水面必须高于 排出口的高度排出口的高度h；（2）若输水量增加）若输水量增加5%，管路，管路 的直径及其布置不变，管路的直径及

43、其布置不变，管路 的能量损失仍可按上述公式的能量损失仍可按上述公式 计算，计算， 则水箱内的水面将升则水箱内的水面将升 高多少米？高多少米？五 柏努力方程式应用解：绘出流程图，确定解：绘出流程图，确定1-1、2-2 截面截面,并以并以2-2 截面基准水平面，如截面基准水平面，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,由于由于a1a2，u10）可得到：）可得到： 因因: z1=h 将有关数据代入上式便可求得将有关数据代入上式便可求得z1（即（即h） 于是于是 : 例：例： 已知管道尺寸为已知管道尺寸为 114 4m

44、m，流量为，流量为85m3/h，水在管路中流，水在管路中流动时的总摩擦损失为动时的总摩擦损失为10j/kg（不包括出口阻（不包括出口阻力损失），喷头处压力力损失），喷头处压力较塔内压力高较塔内压力高20kpa，水从塔中流入下水道的水从塔中流入下水道的摩擦损失可忽略不计。摩擦损失可忽略不计。（塔的操作压力为常压）（塔的操作压力为常压） 求：泵的有效功率求：泵的有效功率。 2 2 尾尾 气气 直直 接接 放放 空空 洗洗 涤涤 塔塔 5m 泵泵 气气 体体 1m 1 1m 1 0.2m 河河 水水 废废 水水 池池 mzsmdvhummdkpapuzphfpugzwepugz7511,/68. 2

45、)4(360010642114(200, 0(022112211222211122221211表），管道直径的流通截面积，远大于管道水池的流通截面面积远表），方程面为基准面，则柏努利以（出口内侧）、解：如图所示，取2.4kwne2414.50w3600vhwewewsne102.26j/kg10100020000268.281.97/10002232222newewemkghfpugzwe则：取水的密度为 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

46、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面，明确流动系统的衡算范围。解题时需注意以下几个问题问题:1截面的选取截面的选取 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 a） 两截面间流体必须连续 （b b）两截面与流

47、动方向相垂直（平行流处，不要选取阀门、弯头等部位）； （c c）所求的未知量应在截面上或在两截面之间出现； （d 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基准水平面通过管道的中心线 若所选计算截面

48、平行于基准面，以两面间的垂直距离为位头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；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为z值。值。 z1,z2可正可负，但要注意正负。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，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。示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。 bye-bye第第 四四 节节流体在管内流动

49、时的摩擦阻力流体在管内流动时的摩擦阻力 * 本节内容提要本节内容提要 简要分析在微观尺度上流体流动的内部结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和湍流两种基本流型的本质区别为主线展开讨论，论， * 本节重点本节重点 （1）两种流型的判据及本质区别；）两种流型的判据及本质区别；re的意的意义及特点。义及特点。 （2） 流动边界层概念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

50、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。能量的转换能量的转换 h2h1h3一、流体阻力的表现与形成原因流体阻力的形成原因流体阻力的形成原因 流体在流动时流体质点间存在相互牵制作用，即流体在流动时流体质点间存在相互牵制作用，即内摩内摩擦擦。由于内摩擦作用的结果，导致流体在流动时为抵御质。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

51、作用而损耗能量。点间的相互牵制作用而损耗能量。 流体在流动过程中与管壁的摩擦。流体在流动过程中与管壁的摩擦。 由于流体在流动过程中往往会因流动方向或流道截面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。过程均需消耗大量的机械能。二、流体的流动类型二、流体的流动类型1.雷诺实验雷诺实验图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2.两种流型两种流型层流和湍流层流和湍流 层流（滞流）：层流（滞流）：流体质点沿着轴线方向作直线运动，流体质点沿着轴线

52、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。混合。 湍流（紊流）：湍流（紊流）：流体质点在管内作不规则的杂乱运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。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湍流状态与层流状态相比，分子扩散的速率要高105106倍倍 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

53、，而湍流有径向脉动层 d 层流的雷诺数湍流的雷诺数 dure 雷诺准数雷诺准数的定义的定义3 3 .流型判别的依据流型判别的依据雷诺准数雷诺准数黏性力动力duu2 流体的流动状况是由多方面因素决定的流速流体的流动状况是由多方面因素决定的流速u能引起能引起流动状况改变流动状况改变, ,而且管径而且管径d、流体的粘度、流体的粘度和密度和密度也。也。通过进一步的分析研究，可以把这些影响因素组合成为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雷诺准数的的因次因次re准数是一个准数是一个。组成此数群的各物理量。组成此数群的各物理量, ,必须用一致的单必须用一致的单位表示。因此位表示。因此,

54、,无论采用何种单位制无论采用何种单位制, ,只要数群中各物理量的单位一只要数群中各物理量的单位一致致, ,所算出的所算出的re值必相等值必相等。 * *在生产操作条件下，常将在生产操作条件下，常将re2000的情的情况按湍流考虑。况按湍流考虑。 * * re re的大小不仅是作为层流与湍流的判据，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，要注意注意单位统一。另外，要注意d d，有时是直，有时是直径，有时是径，有时是当量长度当量长度。流型的流型的判定判定 根据根据rere雷诺准数数值来分析判断流型。雷诺准数数

55、值来分析判断流型。对直管内的流动而言：对直管内的流动而言：re2000 层流层流区区 2000 re 4000 过渡区过渡区 re 4000 湍流区湍流区 流型的判定流型的判定注意注意事项事项三三 圆管中的速度分布圆管中的速度分布1. 层流时的速度分布层流时的速度分布 层流时，流体层间层流时，流体层间的剪应力服从牛顿粘的剪应力服从牛顿粘性定律，平均速度与性定律，平均速度与管中心最大速度之比管中心最大速度之比 图1-19 层流时的速度分布5.0maxuu三三 圆管中的速度分布圆管中的速度分布2.湍流时的速度分布湍流时的速度分布 湍流时的速度分布基本特征是出现了径向脉动速度，使得动量基本特征是出现

56、了径向脉动速度，使得动量 传递较之层传递较之层流大得多流大得多 u um m0.820.82u umaxmax第五节第五节 管管 路路一、管路的分类一、管路的分类按是否分出支管分类按是否分出支管分类 单一管路：管径无变化单一管路：管径无变化 简单管路简单管路 串联管路：管径有变化串联管路：管径有变化 管路管路 树状网树状网 复杂管路复杂管路 环状网环状网 第五节第五节 管管 路路 二、管路的基本构成 管子 管路 管件 阀门第五节第五节 管管 路路1 管子 钢管 铸铁管 有色金属管 非金属管第五节第五节 管管 路路 （1）钢管）钢管类型类型特点特点适用范围适用范围规格表示规格表示有缝有缝钢管钢管

57、低碳钢焊接而成低碳钢焊接而成有焊接缝有焊接缝表压表压0.8mpa输送输送:水、蒸汽、煤气、水、蒸汽、煤气、压缩空气、腐蚀性低的压缩空气、腐蚀性低的液体等。液体等。外径外径壁厚壁厚无缝无缝钢管钢管棒料钢材经穿孔棒料钢材经穿孔热轧或冷拔制成热轧或冷拔制成无焊接缝无焊接缝输送：高压、有毒、易输送：高压、有毒、易燃易爆和强腐蚀性流体燃易爆和强腐蚀性流体等等外径外径壁厚壁厚第五节第五节 管管 路路 （2 2）铸铁管）铸铁管 特点：特点： 价廉、耐腐蚀、强度低、气密性差 适用范围：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：规格表示： 内

58、径第五节第五节 管管 路路 （3）有色金属管）有色金属管类类型型特点特点适用范围适用范围规格表示规格表示铜铜管管导热性好、导热性好、延展性好易弯曲成型延展性好易弯曲成型制造换热器管子，用于油压系制造换热器管子，用于油压系统、润滑系统输送有压液体等统、润滑系统输送有压液体等外径外径壁厚壁厚铅铅管管耐腐蚀性能性能好，耐腐蚀性能性能好，机械强度差，性软、机械强度差，性软、导热能力小导热能力小输送稀盐酸（输送稀盐酸（10%以下）及硫以下）及硫酸，不适合输送浓盐酸、硝酸、酸，不适合输送浓盐酸、硝酸、乙酸乙酸内径内径壁厚壁厚铝铝管管耐酸性强耐酸性强,耐碱性差耐碱性差不宜在不宜在433k以上温度、高压下以上

59、温度、高压下使用，适合输送浓硫酸、浓硝使用，适合输送浓硫酸、浓硝酸、甲酸、醋酸等。小直径铝酸、甲酸、醋酸等。小直径铝管可代替铜管输送有压流体。管可代替铜管输送有压流体。 （4）非金属管）非金属管类型类型特点特点适用范围适用范围规格表示规格表示陶瓷管陶瓷管耐腐蚀性强，性脆、机械耐腐蚀性强，性脆、机械强度低，不耐压，不耐温强度低，不耐压，不耐温度剧变度剧变压力压力0.2mpa温度温度423k腐蚀性流体腐蚀性流体塑料管塑料管耐腐蚀性强、质量轻、易耐腐蚀性强、质量轻、易于加工，强度低、不耐压、于加工，强度低、不耐压、不耐热不耐热水泥管水泥管无筋水泥管无筋水泥管100900mm有筋水泥管有筋水泥管100

60、1500mm输送无压流体输送无压流体下水道下水道内径内径壁厚壁厚玻璃管玻璃管透明、耐腐蚀、易清洗、透明、耐腐蚀、易清洗、光滑阻力小、价格低廉，光滑阻力小、价格低廉，性脆、热稳定性差、不耐性脆、热稳定性差、不耐压。压。不适合输送氢氟不适合输送氢氟酸、热浓磷酸、酸、热浓磷酸、热碱。热碱。 2 管件管件 （1）作用）作用 连接管子、改变管路连接管子、改变管路方向或直径，接出支路，方向或直径，接出支路，封闭管路等封闭管路等 （2）种类）种类 弯头弯头 三通三通 四通四通 异径管异径管 其他其他 用以改变流向：用以改变流向：90弯头、弯头、45 弯头、弯头、180 弯头等；弯头等； 用以堵截管路：管帽、