《理学流体流动》ppt课件

1、 硫酸消费工艺流程以炉气净化方法来命名，有水洗、酸洗硫酸消费工艺流程以炉气净化方法来命名，有水洗、酸洗和干洗三种制酸流程。和干洗三种制酸流程。5接触法消费硫酸的全流程接触法消费硫酸的全流程第三章第三章 流体流动过程及流体保流体流动过程及流体保送设备送设备选择保送流体所需管径尺寸。选择保送流体所需管径尺寸。确定保送流体所需能量和设备。确定保送流体所需能量和设备。流体性能参数的丈量流体性能参数的丈量, 控制。控制。研讨流体的流动形状，为强化设备和操作提供研讨流体的流动形状，为强化设备和操作提供实际根据。实际根据。了解保送设备的任务原理和操作性能，正确地了解保送设备的任务原理和操作性能，正确地运用流

2、体保送设备。运用流体保送设备。研讨流体的流动和保送主要是处理以下问题。研讨流体的流动和保送主要是处理以下问题。3.1 3.1 流体的根本性质流体的根本性质3.2 3.2 流体流动的根本规律流体流动的根本规律3.3 3.3 流体压力和流量的丈量流体压力和流量的丈量 3.5 3.5 流体保送设备流体保送设备3.4 3.4 管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力3.1 3.1 流体的根本性质流体的根本性质 1 1密度密度 单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，其表达式为：其表达式为：流体密度，流体密度，km-3 ; m流体质量，流体质量，kg；V流体体积，流体

3、体积，m3。=mV除极高压力外，压力对液体的密度影响很小，常将除极高压力外，压力对液体的密度影响很小，常将液体称为不可紧缩流体。液体称为不可紧缩流体。(3-1) 气体具有可紧缩性及热膨胀性，其密度随压力气体具有可紧缩性及热膨胀性，其密度随压力和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气体形状方程进展计算：体形状方程进展计算： =pM/RT pp气体压力气体压力 kNm-2 kNm-2或或kPakPa；TT气体温度气体温度 K K；MM气气体摩尔质量体摩尔质量 gmol-1 gmol-1；RR气体常数气体常数8.314Jmo1-1K-18.314Jmo

4、1-1K-1。(3-2) 化工消费中所遇到的流体，往往是含有多个组化工消费中所遇到的流体，往往是含有多个组分的混合物。对于液体混合物，各组分的浓度常用分的混合物。对于液体混合物，各组分的浓度常用质量分数表示。质量分数表示。 假设以假设以1kg1kg混合物为基准，设各组分在混合前混合物为基准，设各组分在混合前后其体积不变，那么后其体积不变，那么1kg1kg混合物的体积等于各组分单混合物的体积等于各组分单独存在时的体积和：独存在时的体积和： i液体混合物中各纯组分液体的密度，液体混合物中各纯组分液体的密度，kgm-3；wi液体混合物中各组分液体的质量分数。液体混合物中各组分液体的质量分数。iinn

5、MwWWW22111(3-3)对于气体混合物，各组分的浓度常用体积分数表示。对于气体混合物，各组分的浓度常用体积分数表示。假设以假设以1m31m3混合气体为基准，设各组分在混合前后混合气体为基准，设各组分在混合前后的质量不变，那么的质量不变，那么1m31m3混合气体的质量等于各组分混合气体的质量等于各组分的质量之和的质量之和: :iiiim2211II气体混合物各纯组分的密度，气体混合物各纯组分的密度，kgm-3kgm-3； II气体气体混合物中各组分的体积分数。混合物中各组分的体积分数。 (3-4)2 2比体积比体积 单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积，单位质量流体所具有的体积称为流体

6、的比体积，以以表示，它与流体的密度互为倒数表示，它与流体的密度互为倒数: : 一流体的比体积，一流体的比体积，m3kg-1m3kg-1；流体的密度，流体的密度，kgm-3kgm-3。 =1/(3-5)3 3压力压力 流体垂直作用于单位面积上的力称为压力：流体垂直作用于单位面积上的力称为压力：p流体的压力，流体的压力，Pa；F流体垂直作用于面积流体垂直作用于面积A上的力，上的力，N；A作用面积，作用面积，m2。压力的单位压力的单位PaPaPascalPascal，帕，即，帕，即Nm-2Nm-2。latm760mmHg1.01325105Pa10.33mH2O1.033kgf-2常用压力单位与常用

7、压力单位与PaPa之间的换算关系如下：之间的换算关系如下：p= FA(3-6)压力有两种表达方式压力有两种表达方式: : 绝对压力绝对压力; ; 大气压力大气压力. .当被测容器的压力高于大气压时，所测压力称为表压，当当被测容器的压力高于大气压时，所测压力称为表压，当被测容器的压力低于大气压时，所测压力称为真空度。被测容器的压力低于大气压时，所测压力称为真空度。 大气压力大气压力随温度、随温度、湿度及所湿度及所在地域的在地域的海拔高度海拔高度而变化。而变化。4 4流量和流速流量和流速 单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量。流体的流量

8、。 体积流量，以符号体积流量，以符号qvqv表示，单位为表示，单位为m3s-1m3s-1； 质量流量，以符号质量流量，以符号qmqm表示，其单位为表示，其单位为kgs-1kgs-1。 摩尔流量，以符号摩尔流量，以符号qnqn表示，其单位为表示，其单位为mols-1mols-1。qm=qV 质量流量与摩尔流量的关系为质量流量与摩尔流量的关系为 qmMqn 体积流量和质量流量的关系为：体积流量和质量流量的关系为： (3-7)(3-8)流体的流速：单位时间内，流体在管道内沿流动方流体的流速：单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的间隔，以向所流过的间隔，以u u表示，单位为表示，单位为ms-1ms

9、-1。u=qV/S S与流体流动方向相垂直的管道截面积，与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2 通常所说的流速是指流道整个截面上的平均流通常所说的流速是指流道整个截面上的平均流速，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值速，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表示：来表示：气体的体积流速随温度、压力而变化。气体的体积流速随温度、压力而变化。 管道中心的流速最大，离管中心间隔越远，流管道中心的流速最大，离管中心间隔越远，流速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。(3-9) 质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单位截面积的

10、质量，以位截面积的质量，以w w表示，单位为表示，单位为 kgs-1m-2 kgs-1m-2，表达式为：表达式为： w=qmS 体积流速和质量流速两者之间的关系：体积流速和质量流速两者之间的关系：液体液体1.53.0ms-11.53.0ms-1，高粘度液体，高粘度液体 ms-11.0 ms-1；气体气体101020 ms-120 ms-1，高压气体，高压气体151525 ms-125 ms-1；饱；饱和水蒸汽和水蒸汽2040 ms-12040 ms-1，过热水蒸汽，过热水蒸汽3050 ms-13050 ms-1。 w=u工业上用的流速范围大致为：工业上用的流速范围大致为：(3

11、-10)(3-11)5 5粘度粘度 粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要参数之一。流体的粘度性大小的物理量，是流体的重要参数之一。流体的粘度越大，其流动性就越小。越大，其流动性就越小。 流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极薄的流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速度向前流圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速度向前流动，构成流速分布。动，构成流速分布。图图3一一3所示，将下板固定，而对上板施加一个恒定的外所示，将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力，上板就以某一恒

12、定速度力，上板就以某一恒定速度u沿着沿着x方向运动。方向运动。 对于一定的液体，内摩擦力对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层间的速度与两流体层间的速度差差u呈正比，与两层间的接触面积呈正比，与两层间的接触面积A呈正比，而与两呈正比，而与两层间的垂直间隔层间的垂直间隔y呈反比。呈反比。 F(u/y)A 引入比例系数引入比例系数 ，那么：，那么： Fu/yA 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以表示，那么有：表示，那么有： FAu/y 当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系，

13、那么有：关系，而是曲线关系，那么有： du/dy du/dy速度梯度，即在与流动方向相垂直的速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上方向上流体速度的变化率；流体速度的变化率； 比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。 牛顿粘性定律牛顿粘性定律(3-12)(3-13)(3-14) 凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，一切凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，一切气体和大多数液体都属于牛顿型流体。气体和大多数液体都属于牛顿型流体。 非牛顿型流体：某些高分子溶液、胶体溶液及泥非牛顿型流体：某些高分子溶液、胶体溶液及泥浆等。浆等。 液体的粘度随着温度的升高而减小，

14、气体的粘度随液体的粘度随着温度的升高而减小，气体的粘度随着温度的升高而添加。着温度的升高而添加。 压力变化时，液体的粘度根本上不变，气体的粘度压力变化时，液体的粘度根本上不变，气体的粘度随压力的添加而添加得很少。随压力的添加而添加得很少。=/(du/dy)=(Nm-2)/(ms-1m-1)Nsm-2Pas1 P100cP厘泊厘泊=10-1Pas= 10-1kg.m-1.s-1= 10-1N.S.m-1 流体的粘度值由实验测定。手册中查得的数据常以流体的粘度值由实验测定。手册中查得的数据常以厘米克秒厘米克秒(CGS)制表示。在制表示。在CGS制中，粘度的单位为制中，粘度的单位为g-1.s-1，称

15、为，称为“泊泊bo,po，以，以P表示。表示。运动粘度：流体的粘度运动粘度：流体的粘度与密度与密度的比值，以的比值，以表示之：表示之：=/单位为单位为m2s-1， 在在CGS制中单位为制中单位为cm2.s-1，称为，称为“沲沲 tuo 同沱同沱 1st100 cst(厘沲厘沲)10-4m2s-1(3-15) 在工业上经常遇到各种流体的混合物。对于低在工业上经常遇到各种流体的混合物。对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进展计算。压气体混合物的粘度，可采用下式进展计算。m常压下混合气体的粘度；常压下混合气体的粘度； yi气体混合物中气体混合物中某一组分的摩尔分数；某一组分的摩尔分数；m=yiiMi

16、1/2)yiMi1/2)i与气体混合物一样温度下某一组分的粘度；与气体混合物一样温度下某一组分的粘度； Mi气体混合物中某一组分的相对分子质量。气体混合物中某一组分的相对分子质量。(3-16)iimxlglg m液体混合物的粘度；液体混合物的粘度； xi液体混合物中某一组分的摩尔分数；液体混合物中某一组分的摩尔分数； i与液体混合物一样温度下某一组分的粘度。与液体混合物一样温度下某一组分的粘度。 对于分子不发生缔合的液体混合物的粘度，采用下对于分子不发生缔合的液体混合物的粘度，采用下式计算：式计算：(3-17)3.2 流体流动的根本规律流体流动的根本规律1定态流动和非定态流动定态流动和非定态流

17、动 流体在管道或设备中流流体在管道或设备中流动时，假设在任一截面上流动时，假设在任一截面上流体的流速、压力、密度等有体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改动，关物理量仅随位置而改动，但不随时间而改动，称为定但不随时间而改动，称为定态流动；反之，假设流体在态流动；反之，假设流体在各截面上的有关物理量中，各截面上的有关物理量中，只需有一项随时间而变化，只需有一项随时间而变化，那么称为非定态流动。那么称为非定态流动。 2定态流动过程物料衡算定态流动过程物料衡算延续性方程延续性方程 当流体在流动系统中作定态流动时，根据质量作当流体在流动系统中作定态流动时，根据质量作用定律，在没有物料累积和走漏的

18、情况下，单位时间用定律，在没有物料累积和走漏的情况下，单位时间内经过流动系统任一截面的流体的质量应相等。内经过流动系统任一截面的流体的质量应相等。 对上图所示截面对上图所示截面11和和22之间作物料衡算：之间作物料衡算： 2,1 ,mmqq由于由于qm=uS，所以：，所以：在任何一个截面上，那么：在任何一个截面上，那么： qm=1u1S12u2S2nunSn=常数常数 对于不可紧缩流体，对于不可紧缩流体，=常数，那么：常数，那么： 它反映在定态流动体系中，流量一定时，管路它反映在定态流动体系中，流量一定时，管路各截面上流体流速的变化规律。各截面上流体流速的变化规律。 qV=u1S1=u2S2=

19、unSn=常数常数222111SuSu(3-18)(3-19)(3-20)3流体定态流动过程的能量衡算流体定态流动过程的能量衡算柏努利方程柏努利方程 流动体系的能量方式主要有：流体的动能、位能、流动体系的能量方式主要有：流体的动能、位能、静压能以及流体本身的内能。静压能以及流体本身的内能。 动能动能 流体以一定的流速流动时，便具有一定的动能。流体以一定的流速流动时，便具有一定的动能。动能为动能为mu2/2，单位为，单位为kJ。 位能位能 流体因受重力的作用，在不同高度处具有不同流体因受重力的作用，在不同高度处具有不同的位能，其值相当于把质量为的位能，其值相当于把质量为m的流体由基准程度面垂直举

20、的流体由基准程度面垂直举至某一高度至某一高度Z处所做的功，即处所做的功，即mgZ，单位为，单位为kJ。 静压能静压能 流体内部任一处都存在一定的静压力。流体内部任一处都存在一定的静压力。 在流体体积不变的情况下，把流体引入压力系统所在流体体积不变的情况下，把流体引入压力系统所做的功，称为流动功。流体由于外界对它作流动功而具做的功，称为流动功。流体由于外界对它作流动功而具有的能量，称为静压能。有的能量，称为静压能。 设管道截面积为设管道截面积为S，在截面，在截面A-A处，流体的压力为处，流体的压力为p，质，质量为量为m，体积为，体积为V，密度为，密度为。当流体经过截面时，外界。当流体经过截面时，

21、外界对流体所作的功等于作用于流体的力对流体所作的功等于作用于流体的力(pS)与流体挪动的与流体挪动的间隔间隔(V/S)的乘积，那么与此功相当的静压能为的乘积，那么与此功相当的静压能为/pmpVSVpS单位：单位：kJ。静压能静压能静止流体内部任一处都有一定的静压强。流动着静止流体内部任一处都有一定的静压强。流动着的流体内部任何位置也都有一定的静压强。假设在的流体内部任何位置也都有一定的静压强。假设在内部有液体流动的管壁上开孔，并与一根垂直的玻内部有液体流动的管壁上开孔，并与一根垂直的玻璃管相接，液体便会在玻璃管内上升，上升的液体璃管相接，液体便会在玻璃管内上升，上升的液体高度便是运动着流体在该

22、截面处的静压强的表现。高度便是运动着流体在该截面处的静压强的表现。流动流体经过某截面时，由于该处流体具有一定的流动流体经过某截面时，由于该处流体具有一定的压力，这就需求对流体作相应的功，以抑制此压力，压力，这就需求对流体作相应的功，以抑制此压力，才干把流体推进系统里去。故要经过某截面的流体才干把流体推进系统里去。故要经过某截面的流体只需带着与所需功相当的能量时才干进入系统。流只需带着与所需功相当的能量时才干进入系统。流体所具有的这种能量称为静压能或流动功。体所具有的这种能量称为静压能或流动功。 内能内能 内能又称热力学能是流体内部大量内能又称热力学能是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间

23、相互作用力而构分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而构成的内位能的总和。以成的内位能的总和。以U表示单位质量的流体所具有表示单位质量的流体所具有的内能，那么质量为的内能，那么质量为mkg的流体的内能为的流体的内能为mU，单位单位kJ。 流体的流动过程本质上是流动体系中各种方式流体的流动过程本质上是流动体系中各种方式能量之间的转化过程。能量之间的转化过程。1理想流体流动过程的能量衡算理想流体流动过程的能量衡算 理想流体是指在流动时没有内摩擦力存在的流体，即粘度理想流体是指在流动时没有内摩擦力存在的流体，即粘度为零。假设过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，那为零。假设过程中没有热量输入，

24、其温度和内能没有变化，那么理想流体流动时的能量恒算只思索机械能之间的相互转换。么理想流体流动时的能量恒算只思索机械能之间的相互转换。 如上图，设在单位时间内有质量为如上图，设在单位时间内有质量为m(kg)、密度为、密度为的的理想流体在导管中做定态流动，在与流体流动的垂直方向理想流体在导管中做定态流动，在与流体流动的垂直方向上选取截面上选取截面1l和截面和截面22，在两截面之间进展能量衡算。，在两截面之间进展能量衡算。 /211112mpmumgZE入 令流体在截面令流体在截面 22处的流速为处的流速为u2，即，即/212222mpmumgZE出 根据能量守恒定律，假设在两截面之间没有外界能根据

25、能量守恒定律，假设在两截面之间没有外界能量输入，流体也没有对外界作功，那么流体在截面量输入，流体也没有对外界作功，那么流体在截面11和截面和截面22之间应符合：之间应符合： 出入EE对于单位质量流体，那么：对于单位质量流体，那么：对于单位重力重力单位为牛顿流体，有：对于单位重力重力单位为牛顿流体，有： 工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位JN-1 ，即即m，称为，称为“压头，那么压头，那么Z、u2/(2g)和和p/(g)分别是以压分别是以压头方式表示的位能、动能和静压能，分别称为位压头、动头方式表示的位能、动能和静压能，分别称为位压头、动压头和静压头

26、。压头和静压头。/21/2122221211mpmumgZmpmumgZ/21/2122221211pugZpugZ)/()2/()/()2/(22221211gpguZgpguZ(3-21b) 以上各式都是理想流体在定态流动时的能量衡以上各式都是理想流体在定态流动时的能量衡算方程式，又称为柏努利方程算方程式，又称为柏努利方程Bernoulli equation由柏努利方程可知，理想流体在管道各个截面上的由柏努利方程可知，理想流体在管道各个截面上的每种能量并不一定相等，它们在流动时可以相互转每种能量并不一定相等，它们在流动时可以相互转化，但其在管道任一截面上各项能量之和相等，即化，但其在管道任

27、一截面上各项能量之和相等，即总能量或总压头是一个常数。总能量或总压头是一个常数。 运用压头方式表示能量时，应注明是哪一种流体，运用压头方式表示能量时，应注明是哪一种流体，如流体是水，应说它的压头是多少米水柱。如流体是水，应说它的压头是多少米水柱。 为抑制流动阻力使流体流动，往往需求安装流体为抑制流动阻力使流体流动，往往需求安装流体保送机械如泵或风机。设单位重力的流体从流体保送机械如泵或风机。设单位重力的流体从流体保送机械所获得的外加压头为保送机械所获得的外加压头为He，单位，单位JN-1域域m。 那么实践流体在流动时的柏努利方程为：那么实践流体在流动时的柏努利方程为： 实践流体在流动时，由于流

28、体粘性的存在，必实践流体在流动时，由于流体粘性的存在，必然呵斥阻力损失。单位重力的流体的阻力损失：然呵斥阻力损失。单位重力的流体的阻力损失：hf (J.N-1或或m).2实践流体流动过程的能量衡算实践流体流动过程的能量衡算 fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211 对于静止形状的流体，对于静止形状的流体，u=0，没有外加能量，没有外加能量，He =0，而且也没有因摩擦而呵斥的阻力损失而且也没有因摩擦而呵斥的阻力损失hf=0，那么柏努利，那么柏努利方程简化为：方程简化为： 或或实践流体在流动时的柏努利方程为：实践流体在流动时的柏努利方程为：fhgpguZHegpg

29、uZ)/()2/()/()2/(22221211)/()/(2211gpZgpZ)(2121ZZgpp(3-23b)(3-23a) 延续性方程和柏努利方程可用来计算化工消费中流延续性方程和柏努利方程可用来计算化工消费中流体的流速或流量、流体保送所需的压头和功率等流体流体的流速或流量、流体保送所需的压头和功率等流体流动方面的实践问题。动方面的实践问题。 作图作图 根据题意作出流动系统的表示图以助分析题根据题意作出流动系统的表示图以助分析题意。意。 单位务必一致单位务必一致 最好均采用国际单位制。最好均采用国际单位制。 4流体流动规律的运用举例流体流动规律的运用举例 在运用柏努利方程时，应该留意以

30、下几点：在运用柏努利方程时，应该留意以下几点：截面的选取截面的选取 确定出上下游截面以明确对流动系统确定出上下游截面以明确对流动系统的衡算范围。的衡算范围。基准程度面的选取基准程度面的选取 为了简化计算，通常将所选两为了简化计算，通常将所选两个截面中位置较低的一个作为基准程度面。个截面中位置较低的一个作为基准程度面。例例 3l 今有一离心水泵，其吸入管规格为今有一离心水泵，其吸入管规格为88.5mm4 mm，压出管为，压出管为75.5mm3.75mm，吸入管中水的流速为吸入管中水的流速为 1.4 ms-1，试求压出，试求压出管中水的流速为多少？管中水的流速为多少？ 1管道流速确实定管道流速确实

31、定解：吸入管内径解：吸入管内径dl=88.52 480.5 mm 压出管内径压出管内径 d275.52 3.75=68 mm根据延续性方程根据延续性方程 u1S1= u2S2 圆管的截面积圆管的截面积S=d2/4，上式写成：上式写成： u2/ul=(dl/d2)2压出管中水的流速为：压出管中水的流速为： u2=(dl/d2)2 ul=(80.5/68)21.4ms-11.96 ms-1阐明：当流量一定时，圆管中流体的流速与管径的阐明：当流量一定时，圆管中流体的流速与管径的平方呈反比。平方呈反比。2容器相对位置确实定容器相对位置确实定 例例32 采用虹吸管从高位槽向反响釜中加料。高位槽采用虹吸管

32、从高位槽向反响釜中加料。高位槽和反响釜均与大气相通。要求物料在管内以和反响釜均与大气相通。要求物料在管内以 1.05 ms-1的的速度流动。假设料液在管内流动时的能量损失为速度流动。假设料液在管内流动时的能量损失为 2.25 JN-1，试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少米才干，试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少米才干满足加料要求？满足加料要求？解：作表示图，解：作表示图，取高位槽的液面为截面取高位槽的液面为截面1-1，虹吸管的出口内侧为截面虹吸管的出口内侧为截面22，并取截面，并取截面22为基准程为基准程度面。度面。fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221

33、211虹吸景象虹吸景象 虹吸景象是液态分子间引力与位能差所虹吸景象是液态分子间引力与位能差所呵斥的，即利用水柱压力差，使水上升呵斥的，即利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。由於管口水面接受不同后再流到低处。由於管口水面接受不同的大气压力，水会由压力大的一边流向的大气压力，水会由压力大的一边流向压力小的一边，直到两边的大气压力相压力小的一边，直到两边的大气压力相等，容器内的水面变成一样的高度，水等，容器内的水面变成一样的高度，水就会停顿流动。利用虹吸景象很快就可就会停顿流动。利用虹吸景象很快就可将容器内的水抽出。将容器内的水抽出。 式中式中Z1=h，u1 =0 p1=0 (表压表压)，He =

34、0； Z20，u2=1.05 ms-1，p2=0表压，表压，hf2.25 JN-1在两截面间列出柏努利方程式：在两截面间列出柏努利方程式：代入柏努利方程式，并简化得：代入柏努利方程式，并简化得：h1.052 m2s-2/29.81 ms-22.25m2.31m即高位槽液面应比虹吸管的出口高即高位槽液面应比虹吸管的出口高2.31m，才干满，才干满足加料的要求。足加料的要求。fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(222212113送料用紧缩空气的压力确实定送料用紧缩空气的压力确实定 例例33 某消费车间用紧缩空气压送某消费车间用紧缩空气压送20，wH2SO4=98.3%的浓硫酸。

35、假设每批压送量为的浓硫酸。假设每批压送量为0.36m3，要求在要求在10min内压送终了。管子为内压送终了。管子为383mm钢管，管钢管，管子出口在硫酸罐液面上垂直间隔为子出口在硫酸罐液面上垂直间隔为15m。设硫酸流经。设硫酸流经全部管路的能量损失为全部管路的能量损失为1.22J.N-1(不包括出口的能量不包括出口的能量损失损失)，试求开场送压时，紧缩空气的表压为多少？，试求开场送压时，紧缩空气的表压为多少？解：绘表示图。取硫酸罐内液面为截面解：绘表示图。取硫酸罐内液面为截面1-1,硫酸出硫酸出口管管口内侧为截面口管管口内侧为截面2-2，并以截面，并以截面1-1为基准程度为基准程度面。面。 在

36、两截面间列出柏努利方程式：在两截面间列出柏努利方程式： fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211 式中式中 ZI=0，ul0，Z215 m，u2=qv/S, p2=0, f = 1.22J.N-1由于由于 qv0.36 m3/ (1060 s) 6.010-4m3s-1 S (0.038 - 20.003)2 m2/4 8.04 10-4 m2故故 u2qv/S6.0 10-4 m3s-1/(8.04 10-4m2) =0.746 ms-1由手册查得，由手册查得，20 浓硫酸的密度浓硫酸的密

37、度=1.831 kg.m-3将上列数据代入柏努利方程式：将上列数据代入柏努利方程式：解得：解得：p1= 2.92 105 N.m-2 (表压表压 例例34 用离心泵将贮槽中的料液保送到蒸发器内，用离心泵将贮槽中的料液保送到蒸发器内，敞口贮槽内液面维持恒定。知料液的密度为敞口贮槽内液面维持恒定。知料液的密度为 1200 kgm-3，蒸发器上部的蒸发室内操作压力为，蒸发器上部的蒸发室内操作压力为 200 mm Hg(真空度真空度)，蒸发器进料口高于贮槽内的液面，蒸发器进料口高于贮槽内的液面 15 m，保送管道的直径为保送管道的直径为 68 mm 4mm，送液量为，送液量为 20 m3h-1。设溶液

38、流经全部管路的能量损失为。设溶液流经全部管路的能量损失为12.23 JN-1(不包括出口的能量损失不包括出口的能量损失)，假设泵的效率为，假设泵的效率为60，试求泵的功率。试求泵的功率。 4流体保送设备所需功率确实定流体保送设备所需功率确实定解：取贮槽液面为截面解：取贮槽液面为截面11，管路出口内侧为截面，管路出口内侧为截面22，并以截面，并以截面1一一l为基准程度面。在截面为基准程度面。在截面11和和截面截面22之间进展能量衡算，有：之间进展能量衡算，有：fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211式中式中 ZI=0，ul0，p 10表压；表压；Z215 m，由于

39、由于 qv20/360015.5610-3m3s-1 S(0.06820.004)2 m2/4 2.83 10-3 m2故故 u2Qv/S5.56 10-3m3s-1/2.83 103m2 =1.97 ms-1又又 p2200 1.013 105/760 = 2.67 104Pa真空度真空度 = -2.67 104Pa表压表压 fhgpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(22221211NeqmgHeqvgHe=1200 kgm-35.5610-3 m3s-19.81m/s225.16m1.65103W1.65kwf12.23 JN-1将上列各数值代入拍努利方程式得：将上列各数值代

40、入拍努利方程式得：He15 m1.9722m2s-2/(29.81ms-1)-2.67104kgs-2m-1 /(12009.81 kgs-2m-2) + 12.23 m 25.16 m液柱液柱泵的实际功率：泵的实际功率：实践功率：实践功率：Na=Ne/=1.65kw/0.60=2.75 kw3.3 流体压力和流量的丈量流体压力和流量的丈量 1. 流体压力的丈量流体压力的丈量对处于静止态的流体，柏努利方程简化为：对处于静止态的流体，柏努利方程简化为：)(2112ZZgpp即静止流体内部某两点压力差即静止流体内部某两点压力差 p2-p1与该两点间与该两点间隔差隔差Z1- Z2呈正比。呈正比。fh

41、gpguZHegpguZ)/()2/()/()2/(222212111U形管压力计形管压力计 管中底部盛有与丈量液体不管中底部盛有与丈量液体不互溶、密度为互溶、密度为A的指示剂。的指示剂。U形形管的两侧臂上部及衔接纳内均充管的两侧臂上部及衔接纳内均充溢待测流体溢待测流体B，其密度为，其密度为B。图。图中中a, a两点都在连通着的同一静两点都在连通着的同一静止流体内，且在同一平面上，故止流体内，且在同一平面上，故这两点的压强相等：这两点的压强相等：)(1RmgppBagRmZgppABa)(2于是有：于是有：gRmZgpRmgpABB)()(21gZgRppBBA)(21整理上式，得压强差整理上

42、式，得压强差gRppBA)(21当被测管段程度放置时，当被测管段程度放置时，Z=0，上式简化为：，上式简化为：(3-24)假设被丈量的流体是气体，上式可简化为：假设被丈量的流体是气体，上式可简化为：2倒置倒置U形管压力计形管压力计倒置倒置U形管压力计构造如上图所示。形管压力计构造如上图所示。 gRgRpppABA)(21(3-25)取等压面取等压面ABAB程度、静止、程度、静止、延续、同一流体，可以得延续、同一流体，可以得到：到： PA=PB PA=PB11gZPPA gRgZPPgB 22gRgZPgZPg 2211整理后得：整理后得：gg gRgRPPPg )(213微差压力计微差压力计

43、为丈量微小压力差，常采用微差压为丈量微小压力差，常采用微差压力计。用于气体系统的丈量。构造如以力计。用于气体系统的丈量。构造如以下图所示。主要用于气体的丈量。下图所示。主要用于气体的丈量。假设两种指示液的密度分别为假设两种指示液的密度分别为l和和2，两测压点之间的压力差为：，两测压点之间的压力差为：上述各压力计构造简单，测压准确，上述各压力计构造简单，测压准确，在实验室有广泛的运用。在实验室有广泛的运用。gRppp)(2121ll和和22差值越小差值越小 ，精度越高精度越高 2流体流量的测定流体流量的测定 利用流体机械能相互转换原理设计的流体流量丈量利用流体机械能相互转换原理设计的流体流量丈量

44、仪表有孔板流量计，文丘里流量计和转子流量计等。仪表有孔板流量计，文丘里流量计和转子流量计等。 1孔板流量计孔板流量计 设流体的密度不设流体的密度不变，在孔板前导管上变，在孔板前导管上取一截面取一截面11，孔板，孔板后取另一截面后取另一截面22，列出两截面之间能量列出两截面之间能量衡算式：衡算式： Z1 = Z2u1S1 = u2S2 u1p2 Z1处构成湍流处构成湍流 能量损失严重能量损失严重)/()2/()/()2/(22221211gpguZgpguZ式中：式中：u1流体经过孔板前的流速，流体经过孔板前的流速，即流体在管道中的流速，即流体在管道中的流速，ms-1； u2流体经过孔板时的流速

45、，流体经过孔板时的流速，ms-1； p1流体在管道中的静压力，流体在管道中的静压力，Pa； p2流体经过孔板时的压力流体经过孔板时的压力Pa )(221pp 2122u-ugpgpg212因是程度管道，因是程度管道，Z1= Z2，那么有，那么有=)/()2/()/()2/(22221211gpguZgpguZ(3-27)对于不可紧缩流体或过程中密度变化不大的体系，对于不可紧缩流体或过程中密度变化不大的体系，根据延续性方程可得：根据延续性方程可得： 212212)(1/ )(2SSppu1221/ SSuu 式中：式中：S2，S1分别为孔板的锐孔和管道的横截面积分别为孔板的锐孔和管道的横截面积，

46、m2. 将上式代入将上式代入(3-27)得：得： 实践流体因阻力会引起压头损失，孔板处并有收缩呵斥实践流体因阻力会引起压头损失，孔板处并有收缩呵斥的骚扰，再思索到孔板与导管间的装配能够有误差，归的骚扰，再思索到孔板与导管间的装配能够有误差，归纳为校正系数纳为校正系数c0，并以，并以u0替代替代u2得得 的值为的值为0.610.63。 oc假设液柱压力计的读数为假设液柱压力计的读数为R，指示液的密度为，指示液的密度为i，那，那么么)(20021ppcu)(200iRgcu 流量计算公式为流量计算公式为)(20000ivRgScSuq特点是构造简单，制造方便，运用广泛，缺陷是能特点是构造简单，制造

47、方便，运用广泛，缺陷是能量损耗较大。量损耗较大。 (3-30)(3-29)(3-28) (2) 文丘里流量计文丘里流量计 针对孔板流量计能量损耗较大的缺陷，设计文丘里流针对孔板流量计能量损耗较大的缺陷，设计文丘里流量计如下图。量计如下图。)(2000iVvRgScSuq 式中：式中： 为文丘里为文丘里流量计的流量系数，流量计的流量系数，其值约为其值约为0.98，S0为喉管处的截面积。为喉管处的截面积。 vc(3-31)So (3)转子流量计转子流量计 如下图，转子流量计的主要部件为带刻度线的锥形玻如下图，转子流量计的主要部件为带刻度线的锥形玻璃管，管内装可上下浮动的转子。璃管，管内装可上下浮动

48、的转子。转子的上升力等于转子的净重力时，转子在流体中处于转子的上升力等于转子的净重力时，转子在流体中处于平衡形状平衡形状式中式中 p转子上下转子上下间的压差间的压差, VR转子体积转子体积，AR转子顶端面的横转子顶端面的横截面积截面积, R转子密度转子密度 流体密度。流体密度。gVgVpARRRR转子的上升力等于转子的净重力时，转子在流体中处于转子的上升力等于转子的净重力时，转子在流体中处于平衡形状平衡形状gVgVpARRRR式中式中 p转子上下转子上下间的压差间的压差, VR转子体积转子体积，AR转子顶端面的横转子顶端面的横截面积截面积, R转子密度转子密度 流体密度。流体密度。)(221p

49、p 2122u-ugpgpg212Z1 Z2，那么有，那么有=)/()2/()/()2/(22221211gpguZgpguZ(3-27)1221/ SSuu 2/ )(212221uupp压力差压力差 归因于流体经过环隙时流速的增大归因于流体经过环隙时流速的增大假设流体经过环隙的流速为假设流体经过环隙的流速为uR，根据柏努利方程同样，根据柏努利方程同样可导出：可导出：/2 pcuRR式中式中 cR校正因子，与流体的流形、转子外形等有关。校正因子，与流体的流形、转子外形等有关。qV= uRSR=cRSRRRRAgV/ )(2式中式中 SR转子与玻璃管环隙的面积，转子与玻璃管环隙的面积，m2 q

50、V流体的体积流量，流体的体积流量，m3s1 转子采用不锈钢、铜及塑料等各种抗腐蚀资料制成，转子采用不锈钢、铜及塑料等各种抗腐蚀资料制成，适用于中小流量的测定，常用于适用于中小流量的测定，常用于 2以下管道系统中，耐以下管道系统中，耐压在压在 300400 kPa范围。范围。 流量公式为流量公式为(3-32)3.4 管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力 流体本身具有粘性，流体流动时因产生内摩擦流体本身具有粘性，流体流动时因产生内摩擦力而耗费能量，是流体阻力损失产生的根本缘由。力而耗费能量，是流体阻力损失产生的根本缘由。管道大小、内壁外形、粗糙度等影响着流体流动情管道大小、内壁外形、粗糙度等影响着

51、流体流动情况，是流体产生阻力的外部条件。本节引见管路与况，是流体产生阻力的外部条件。本节引见管路与系统的管、管件、阀门，并讨论流体的流动形状和系统的管、管件、阀门，并讨论流体的流动形状和管内流体流动阻力的定量计算。管内流体流动阻力的定量计算。 常把玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；常把玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；旧钢管和铸铁管称为粗糙管旧钢管和铸铁管称为粗糙管. 钢管分有缝钢管和无缝钢管钢管分有缝钢管和无缝钢管,管子按看管材的性质，管子按看管材的性质，可分为光滑管和粗糙管。可分为光滑管和粗糙管。 1. 管、管件及阀门简介管、管件及阀门简介 铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属管、

52、塑料管铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属管、塑料管及橡胶管等。及橡胶管等。 (1) 管管 管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度，以度，以表示。绝对粗糙度表示。绝对粗糙度与管内径与管内径d的比值，称为相的比值，称为相对粗糙度。表对粗糙度。表31列出了部分管道的绝对粗糙度。列出了部分管道的绝对粗糙度。2管件管件 用来改动管道方向、衔接支管、改动管径及堵塞用来改动管道方向、衔接支管、改动管径及堵塞管道等。管道等。 45弯头弯头90弯头弯头45方弯头方弯头三通三通活接头活接头 3阀门阀门 阀门在管道中用以切断流动或调理流量。常用阀门在管道中用以切断流动或

53、调理流量。常用的阀门有截止阀、闸阀和止逆阀等。的阀门有截止阀、闸阀和止逆阀等。 卡套式截止阀卡套式截止阀明杆弹性座封闸阀明杆弹性座封闸阀 烟道止逆阀烟道止逆阀 2. 流动的形状流动的形状 为了解流体在管内流动情况及影响要素，雷诺为了解流体在管内流动情况及影响要素，雷诺设计的实验可直接察看到不同的流动形状。设计的实验可直接察看到不同的流动形状。1两种流动形状两种流动形状 流速不大时墨水呈一条直线，平稳流过管，质点流速不大时墨水呈一条直线，平稳流过管，质点彼此平行的沿着管轴的方向作直线运动，质点与质点彼此平行的沿着管轴的方向作直线运动，质点与质点之间互不混合。这种流动形状称为滞流或层流。之间互不混

54、合。这种流动形状称为滞流或层流。 阐明水的质点除了沿着管道向前流动以外，各阐明水的质点除了沿着管道向前流动以外，各质点还作不规那么的紊乱运动，且彼此相互碰撞，质点还作不规那么的紊乱运动，且彼此相互碰撞，相互混合，水流质点除了沿管轴方向流动外，还有相互混合，水流质点除了沿管轴方向流动外，还有径向的复杂运动，这种流动形状称为湍流或紊流。径向的复杂运动，这种流动形状称为湍流或紊流。 2流动形状的判据流动形状的判据 影响流体流动的要素除流速影响流体流动的要素除流速u外，还有流体流过的通外，还有流体流过的通道管径道管径d的大小，及流体的物理性质如粘度的大小，及流体的物理性质如粘度和密度和密度。称。称为雷

55、诺数，以符号为雷诺数，以符号Re表示：表示：流体在直管中流动时，当流体在直管中流动时，当Re2000，流体流动形状为滞流；，流体流动形状为滞流；当当 Re4000时，流体流动形状为湍流；时，流体流动形状为湍流；假设将各物理量的量纲代入，那么有：假设将各物理量的量纲代入，那么有：Re=LLT-1ML-3/ML-1T-1=L0M0T0/Redu(3-33)而当而当20002000Re4000Re4000时，流体的流动那么以为处时，流体的流动那么以为处于一种过渡形状，可以是滞流，也可以是湍流于一种过渡形状，可以是滞流，也可以是湍流, ,取取决于流动的外部条件。决于流动的外部条件。流体流动阻力的大小与

56、雷诺数有直接联络，流体流体流动阻力的大小与雷诺数有直接联络，流体流动的雷诺数越大，流体的湍动程度越大，流动流动的雷诺数越大，流体的湍动程度越大，流动阻力也越大。阻力也越大。 3滞流和湍流的特征滞流和湍流的特征 如下图，滞流时流速沿管径呈抛物线分布，管中如下图，滞流时流速沿管径呈抛物线分布，管中心处流速最大，管截面各点速度的平均值为管中心处心处流速最大，管截面各点速度的平均值为管中心处最大速度的最大速度的0.5倍；倍； 湍流时，流体质点剧烈湍动有利于交换能量，湍流时，流体质点剧烈湍动有利于交换能量，使得管截面靠中心部分速度分布比较均匀，流速分使得管截面靠中心部分速度分布比较均匀，流速分布曲线前沿

57、平坦，湍流的流速分布曲线与雷诺数大布曲线前沿平坦，湍流的流速分布曲线与雷诺数大小有关，湍流的平均速度约为最大速度的小有关，湍流的平均速度约为最大速度的0.80.8倍。倍。 湍流流动时在接近管壁处总有一层作滞流流动湍流流动时在接近管壁处总有一层作滞流流动的流体薄层，称之为滞流底层。滞流内层的存在对的流体薄层，称之为滞流底层。滞流内层的存在对传热过程和传质过程有很大的影响。传热过程和传质过程有很大的影响。消费中的流体流动大多数是以湍流形状进展的。消费中的流体流动大多数是以湍流形状进展的。 例例 35 在在168mm5mm的无缝隙钢管中保送原料油，的无缝隙钢管中保送原料油，知油的运动粘度为知油的运动

58、粘度为 90cst，密度为，密度为 910 kgm-3，试求燃料，试求燃料油在管中作滞流时的临界速度。油在管中作滞流时的临界速度。 解：运动粘度解：运动粘度 v=/，层流时，层流时Re的临界值为的临界值为2 000，其中，其中 d168 - 25=158mm=0.158m90 cst9010-2 10-4m2s-1910-5m2s-1代入代入Redu/ 得：得：Redu/du/2 000故临界速度为故临界速度为 u2000910-5m2s-1/0.158m1.14ms-1 计算非圆形管的计算非圆形管的Re值时，要以当量直径值时，要以当量直径de替代替代d。当。当量直径量直径de定义为：定义为：

59、 4流动边境层流动边境层de= 4流体流动截面积流体流动截面积/流道润湿周边长度流道润湿周边长度 在边境层内，由于速度梯度较明显，即使流体的粘性在边境层内，由于速度梯度较明显，即使流体的粘性很小，粘滞力的作用也不容忽视；在边境层外，速度梯很小，粘滞力的作用也不容忽视；在边境层外，速度梯度可忽略，无需思索流体的粘滞力。度可忽略，无需思索流体的粘滞力。 由于流体粘性作用，近壁面处的流体将相继受阻而降由于流体粘性作用，近壁面处的流体将相继受阻而降速。随着流体沿壁面向前运动，流速受影响的区域逐渐扩速。随着流体沿壁面向前运动，流速受影响的区域逐渐扩展。将流体受壁面影响而存在速度梯度的区域称为流体流展。将

60、流体受壁面影响而存在速度梯度的区域称为流体流动的边境层。普通把边境层厚度定义为自壁面到流速到达动的边境层。普通把边境层厚度定义为自壁面到流速到达流体主体流速流体主体流速 99处的区域。处的区域。 当流体流入圆管时，只在进口附近一段间隔内有边境层当流体流入圆管时，只在进口附近一段间隔内有边境层内外之分。经此段间隔后，边境层扩展到管中心，如图内外之分。经此段间隔后，边境层扩展到管中心，如图3-21所所示。在入口段示。在入口段L0内，速度分布沿管长变化，至集合处才开展内，速度分布沿管长变化，至集合处才开展成为定态流动时管流速分布。当管流雷诺数等于成为定态流动时管流速分布。当管流雷诺数等于9 105时