化工原理教学资料-第一章流体流动与输送机械ppt课件

1、化工原理化工原理I I绪绪 论论 化工原理是一门非常有用的课程；化工原理是一门非常有用的课程； 它所涉及的理论及处理问题的方法适用于它所涉及的理论及处理问题的方法适用于整个工程学科；整个工程学科； 其意义，不仅局限于其意义，不仅局限于“化学工程化学工程”； 学通之后，对自然界的客观规律的认识得学通之后，对自然界的客观规律的认识得以深化；以深化； 虽然虽然“化工原理是从化工原理是从“单元操作发展起单元操作发展起来的，但不等同于单元操作。来的，但不等同于单元操作。 网络课程： icourses 资源共享课搜索“化工原理” 可在线学习。0.1 化工生产过程与单元操作 0.1.1 化工生产过程 化学工

2、业是将原料进行化学和物理方法加工而获得产品的工业。 化工产品不仅是工业、农业和国防的重要生产资料，同时也是人们日常生活中的重要生活资料。 近年来，传统化学工业向石油化工、精细化工、生物化工、环境、医药、食品、冶金等工业领域延伸与结合，并出现“化工及其相近过程工业的提法，更显见其在国民经济中的重要地位。 化工产品种类繁多，生产过程十分复杂，每种产品的生产过程也各不相同，但加以归纳，均可视为由原料预处理过程、化学反应过程和反应产物后处理3个基本环节组成。 例如，乙烯法制取氯乙烯的生产过程是以乙烯、氯化氢和空气为原料，在压力为0.5MPa、温度为220、CuCl2为催化剂等条件下反应，制取氯乙烯。在

3、反应前，乙烯和氯化氢需经预处理除去有害物质，避免催化剂中毒。反应后产物中，除反应主产物氯乙烯外，还含有未反应的氯化氢、乙烯及副产物，如二氯乙烷、三氯乙烷等。需经后处理过程，如氯化氢的吸收过程,二氯乙烷、三氯乙烷与氯乙烯的分离过程等，最终获得聚合级精制氯乙烯。 其生产过程简图如下。 上述生产过程除单体合成属化学反应过程外，原料和反应产物预处理和后处理环节中的提纯、精制分离，包括为反应过程维持一定的温度、压力需进行的加热、冷却、压缩等均为物理加工过程。 化学与石油化学、制药等工业中，物理加工过程的设备投资约占全厂设备投资的90左右，由此可见它们在化工生产过程中的重要地位。 0.1.2 单元操作(U

4、nit operation) 通常，一种产品的生产过程往往需要几个或数十个物理加工过程。但研究化工生产诸多物理过程后发现，根据这些物理过程的操作原理和特点，可归纳为若干基本的操作过程，如流体流动及输送、沉降、过滤、加热或冷却、蒸发、蒸馏、吸收、枯燥、结晶及吸附等。 流体动力过程(fluid flow process)(动量传递) 遵循流体力学基本规律，以动量传递(momentum transfer)为理论基础的单元操作； 传热过程(heat transfer process) (热量传递) 遵循传热基本规律，以热量传递(heat transfer)为理论基础的单元操作； 传质过程(mass t

5、ransfer process) (质量传递) 遵循传质基本规律，以质量传递(mass transfer)为理论基础的单元操作； 热、质同时传递的过程一一遵循热质同时传递规律的单元操作。 1923年，美国麻省理工学院教授W.H.华克尔等出版了第一部关于单元操作的著作化工原理(Principles of Chemical Engineering)。 解放后，我国也相继出版了以单元操作为主线的等教材，至今仍沿用这一名称。 0.2 化工原理课程的性质、内容及任务 本课程的性质：本课程是继数学、物理、化学、物理化学、计算机基础之后开设的一门技术基础课，它也是一门实践性很强的课程，所讨论的每一单元操作均

6、与生产实践紧密相连。 本课程的内容：主要研究化工生产过程中各单元操作的基本原理、典型设备及其设计计算方法。 流体动力过程 包括流体流动与输送、非均相物系分离等单元操作； 传热过程 包括传热、蒸发等单元操作； 传质过程 包括蒸馏、吸收、吸附、膜分离等单元操作； 热质过程 包括干燥、结晶等单元操作。 本课程的任务：培养学生运用本学科基础理论及技能(如电算技能等)分析和解决化工生产中有关实际问题的能力，特别是要注意培养学生的工程观点、定量计算、设计开发能力和创新理念。 具体要求有以下几点: 选型 根据生产工艺要求、物料特性和技术、经济特点，能合理地选择单元操作及设备； 设计计算 根据选定的单元操作进

7、行工艺计算和设备设计，当缺乏数据时能设法获取，如通过实验测取必要数据； 操作 熟悉操作原理、操作方法和调节参数。具备分析和解决操作中产生故障的基本能力； 开发创新 具备探索强化或优化过程与设备的基本能力。0.3 单元操作中常用的基本概念和观点 4个基本概念和一个观点： 物料衡算、能量衡算、过程平衡和速率这4个基本概念和建立一个经济核算的观点。 (1)物料衡算 根据质量守恒定律，进入与离开某一过程或设备的物料的质量之差应等于积累在该过程或设备中的物料质量，即 GGG出入- (2)能量衡算(energy balance)本教材中讨论的能量衡算主要为机械能和热能衡算。 (3)物系的平衡关系(equi

8、librium relation) 是指物系的传热或传质过程进行的方向和能达到的极限。例如，当两物质温度不同，即温度不平衡时热量就会从高温物质向低温物质传递，直到温度相等为止，此时传热过程达到极限，两物质间不再有热量的净传递。 (4)过程传递速率(rate of transfer process)是指过程进行的快慢，通常用单位时间内过程进行的变化量表示如传热过程速率用单位时间内传递的热量或用单位时间内单位面积传递的热量表示；传质过程速率用单位时间内单位面积传递的物质量表示。 显然，过程传递速率越大，设备生产能力越大，或在完成同样产量时设备的尺寸越小。工程上，过程传递速率问题往往比过程平衡问题更

9、为重要。 (5)经济核算 在设计具有一定生产能力的设备时，根据设备型式、材料不同，可提出若干不同设计方案。对于同一设备，选用不同操作参数，则设备费和操作费也不同，因此，不仅要考虑技术先进，同时还要通过经济核算来确定最经济的设计方案，达到技术和经济的优化，而且，不仅应考虑单一设备的优化，还必须满足过程的系统优化。当今，对于工程技术人员而言，建立优化的技术经济观点十分重要和必要。 第第1章章 流体流动流体流动 1.1 流体基本性质流体基本性质 1.2 流体静力学流体静力学 1.3 流体动力学流体动力学 1.4 流体流动的内部结构流体流动的内部结构 1.5 流体流动阻力流体流动阻力 1.6 管路计算

10、管路计算 1.7 流速与流量的测量流速与流量的测量 1.8 流体输送机械流体输送机械 第第1 1章章 流体流动流体流动 流体是气体与液体的总称。流体是气体与液体的总称。 流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一；流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一； 研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。重要基础。1.1 流体基本性质流体基本性质1.1.1 连续介质假定连续介质假定1.1.2 流体的压缩性流体的压缩性1.1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力1.1.4 质量力与密度质量力与密度1.1.5 压力压力1.1.6 剪切力与黏度剪切力与黏度

11、1.1.1 连续介质假定连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有有间隙的流体质点或微团所组成的连续介质。间隙的流体质点或微团所组成的连续介质。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备设备 尺寸、远大于分子自由程。尺寸、远大于分子自由程。 工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究研究 流体。流体。1.1 流体基本性质流体基本性质 1.1.2 流体的可压缩性流体的可压缩性 不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变 化

12、，如液体；化，如液体； 可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。如气体。 表面力：通过直接接触而作用于流体表面的力，表面力：通过直接接触而作用于流体表面的力， 其大小与流体的表面积成正比。其大小与流体的表面积成正比。 压压 力：垂直于表面的法向力；力：垂直于表面的法向力；剪切力：平行于表面的切向力。剪切力：平行于表面的切向力。压力压力剪切力剪切力1.1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力 质量力质量力: 作用于流体每个质点上的力，其大小与流作用于流体每个质点上的力，其大小与流 体的质量成正比，如重力、离心力等。体的质量成正比，如重力、离心力等

13、。1.1.4 质量力与密度质量力与密度一、密度一、密度 单位体积流体的质量。单位体积流体的质量。Vm kg/m3 二、单组分密度二、单组分密度),(Tpf 液体液体 密度仅随温度变化极高压力除外），其变密度仅随温度变化极高压力除外），其变 化关系可从手册中查得。化关系可从手册中查得。 气体气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：气体状态方程计算： RTpM 留意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度留意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度 下之值，若条件不同，则需进行换算。下之值，若条件不同，则需进行换算。三、混合物的密度三、混合

14、物的密度 混合气体混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有各组分在混合前后质量不变，则有 nn2111m 气体混合物中各组分的体积分数。气体混合物中各组分的体积分数。 n21, 或或RTpMmm mM混合气体的平均摩尔质量；混合气体的平均摩尔质量； nn2211myMyMyMMn21,yyy气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔(体积体积)分数。分数。 混合液体混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有假设各组分在混合前后体积不变，则有 nn2211m1 aaan21,aaa液体混合物中各组分的质量分液体混合物中各组分的质量分数。数。 四、比容四、比容单位质量流体具有的体积，是密度

15、的倒数。单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。 1mVvm3/kg 1.1.5 压力压力 流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。静压强，习惯上又称为压力。 一、压力的单位一、压力的单位 SI制：制：N/m2或或Pa；或以流体柱高度表示或以流体柱高度表示 ：ghp 留意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，留意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类， 如如600mmHg600mmHg，10mH2O10mH2O等。等。 二、二、 压力的表示方法压力的表示方法 绝对压力绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。以绝对真空为基准

16、测得的压力。 表压或真空度表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。以大气压为基准测得的压力。标准大气压的换算关系：标准大气压的换算关系：1atm = 1.0131atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O105Pa =760mmHg =10.33m H2O表表 压压 = 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 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 绝对压力绝对压力 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 1p2p大气压大气压 一、一、 牛顿黏性定律牛顿黏性定律 yuAFdd 或或yudd Fuududy式中：式中：FF内摩擦力，内摩擦

17、力，N N； 剪应力，剪应力，PaPa； 法向速度梯度，法向速度梯度，1/s1/s； 比例系数，称为流体的黏度，比例系数，称为流体的黏度，Pas Pas 。 yudd 1.1.6 剪切力与黏度剪切力与黏度牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 黏性定律的流体；黏性定律的流体；非牛顿型流体：不符合牛顿黏性定律的流体。非牛顿型流体：不符合牛顿黏性定律的流体。 二、流体的黏度二、流体的黏度 （动力黏度）（动力黏度） 1. 1.黏度的物理意义黏度的物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。产

18、生单位速度梯度所需的剪应力。),( Tpf 液体液体 : :)(Tf T 气 体气 体 : : 普通普通)(Tf T 超高压超高压),( Tpf p 黏度的物理本质：分子间的引力和分子的运动黏度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。与碰撞。2. 黏度的单位黏度的单位SI制：制：Pas 或或 kg/(ms)物理制：物理制：cP(厘泊）厘泊）换算关系换算关系 1cP10-3 PasmPas） 流体黏度的大致范围物质（物质（20）黏度黏度 /mPa.s空气空气0.0181水水1.005大豆油大豆油8.5甘油甘油14993.3.运动黏度运动黏度 黏度黏度与密度与密度之比。之比。 单位单位 ：1-

19、23-111121223-1-2smmkg.skg.m:.skg.m:sPa.skg.m:Pakg.m.s:NN.m:PamkgsPasm三、理想流体与实际流体三、理想流体与实际流体 理想流体：黏度为零的流体；理想流体：黏度为零的流体；实际流体或黏性流体：具有黏性的流体。实际流体或黏性流体：具有黏性的流体。1.2 流体静力学流体静力学1.2.1 1.2.1 静压力特性静压力特性1.2.2 1.2.2 流体静力学基本方程流体静力学基本方程 1.2 流体静力学流体静力学 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；流体压力与作用面垂直，并指向该作用面； 任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相任意界面两侧

20、所受压力，大小相等、方向相反；反； 作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。同。1.2.1 静压力特性静压力特性一、静力学基本方程一、静力学基本方程 重力场中对液柱进行受力分析：重力场中对液柱进行受力分析：ApP11 （1上端面所受总压力上端面所受总压力 ApP22 （2下端面所受总压力下端面所受总压力 （3 3液柱的重力液柱的重力)(21zzgAG 设流体不可压缩，设流体不可压缩，.Const p0p2p1z1z2G方向向下方向向下方向向上方向向上方向向下方向向下1.2.2 流体静力学基本方程流体静力学基本方程 液柱处于静止时，上述三项力的合力为零

21、液柱处于静止时，上述三项力的合力为零: :0)(2112zzgAApAp )(2112zzgpp gzpgzp2211 静力学基本方程 压力形式压力形式能量形式能量形式Pa-1kgJ1-3-2kgJkgmNmkgmN-2mN讨论：讨论：（1适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；流体；（2物理意义：物理意义：zg单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kg；p单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J/kg。 在同一静止流体中，处在不同位置流体的位在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转

22、换，其总和能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变保持不变 。（3在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平在静止的、连续的同种流体内，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上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。面。（4 4压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体压力具有传递性：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。内部各点的压力也将发生相应的变化。 二、静力学基本方程的应用二、静力学基本方程的应用 1. 压力及压力差的测量压力及压力差的测量 （1U形压差计形压差计 设指示液的密度为设指示液的密度为 ，被测流体的密度为被测流体的密度为 。

23、 0A与与A面面 为等压面，即为等压面，即AAppgRgmpp02A 而而p1p2mRAA)(1ARmgpp 所以所以gRgmpRmgp021)( 整理得整理得gRpp)(021 若被测流体是气体，若被测流体是气体， ，则有，则有0 021 Rgpp若若0=呢？呢？讨论：讨论：（1U形压差计可测系统内两点的压力差，当将形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；得流体的表压或真空度； 表压表压真空度真空度p1pap1pa（2指示液的选取：指示液的选取： 指示液与被测流体不互溶，不发生

24、化学反应；指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于被测流体密度。其密度要大于被测流体密度。 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。 思索：若思索：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数形压差计安装在倾斜管路中，此时读数 R反映了什么？反映了什么？gzzgRpp)()(12021 p1p2z2RAAz1gRgzzpp)()(01221 密度接近但不互溶的两种指示密度接近但不互溶的两种指示 液液A A和和C C ；)(CA （2双液体双液体U管压差计管压差计 扩大室内径与扩大室内径与U U管内径之比应管内径之比应 大于大于10 10

25、。适用于压差较小的场合。适用于压差较小的场合。)(CA21 Rgpp（3） 倒倒U形压差计形压差计 RgRgpp)(021 指示剂密度小于被测流体密度，指示剂密度小于被测流体密度，如空气作为指示剂如空气作为指示剂 （5） 复式压差计复式压差计 （4） 倾斜式压差计倾斜式压差计 适用于压差较小的情况。适用于压差较小的情况。适用于压差较大的情况。适用于压差较大的情况。例例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一体在某截面处的压力，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 R R2

26、50mm250mm，m m900mm900mm。已。已知当地大气压为知当地大气压为101.3kPa101.3kPa，水，水的密度为的密度为1000kg/m31000kg/m3，水银的密，水银的密度为度为13600kg/m313600kg/m3。试计算该截。试计算该截面处的压力。面处的压力。 59.1kPa1081. 99 . 0100025. 013600-3 .1013-pp解例例1-2 如附图所示，用一复式如附图所示，用一复式U形压差计测量某形压差计测量某种流体流过管路种流体流过管路A、B两点的压力差。已知流体的两点的压力差。已知流体的密度为密度为，指示液的密度为，指示液的密度为0，且两，

27、且两U形管指示液形管指示液之间的流体与管内流体相同。已知两个之间的流体与管内流体相同。已知两个U形压差计的读数分别形压差计的读数分别为为R1、R2，试推导，试推导A、B两点压力差的计算式，两点压力差的计算式，由此可得出什么结论？由此可得出什么结论？10A210A2310A101A- - - 3-3- 2-2 1-1gRgzpRzzggRgzpRzzgppgRgzpgRpppgzppp2111112122111从左向右推从左向右推 等压面上，左等压面上，左px，右，右px 210BA2010AB2022102AB20223B-RRgppgRgRppgRRzggRgzppgRRzgpp3pp 32

28、. 液位测量液位测量 （1 1近距离液位测量装置近距离液位测量装置 压差计读数压差计读数R R反映出容器反映出容器内的液面高度。内的液面高度。 Rh 0 液面越高，液面越高，h越小，压差计读数越小，压差计读数R越小；当液越小；当液面达到最高时，面达到最高时，h为零，为零，R亦为零。亦为零。（2 2远距离液位测量装置远距离液位测量装置 BApp 管道中充满氮管道中充满氮气，其密度较小，气，其密度较小，近似认为近似认为 ghpp aAgRpp0aB Rh 0而而所以所以 AB3. 液封高度的计算 液封作用：液封作用： 确保设备安全：当设备确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气内压力超过规定值时

29、，气体从液封管排出；体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。防止气柜内气体泄漏。gph 液封高度：液封高度：大气大气空空大气大气满满1.3 流体动力学流体动力学1.3.1 流体的流量与流速流体的流量与流速1.3.2 定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动1.3.3 定态流动系统的质量衡算定态流动系统的质量衡算 连续性方程连续性方程1.3.4 定态流动系统的机械能衡算定态流动系统的机械能衡算 柏努利方程柏努利方程 1.3 流体动力学流体动力学 1. 体积流量体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 Vsm3/s或或m3/h 2.质量流量质量流量 单位

30、时间内流经管道任意截面的流体质量。单位时间内流经管道任意截面的流体质量。 mskg/s或或kg/h。 ssVm 二者关系：二者关系：一、流量一、流量1.3.1 流体的流量与流速流体的流量与流速二、流速二、流速2. 2. 质量流速质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。 流速流速 （平均流速）（平均流速） 单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。 AVus kg/（m2s） uAVAmG ss流量与流速的关系：流量与流速的关系： GAuAVm ssm/s 1.3.2 定态流动与非定态流动定态流动：各

31、截面上的温度、压力、流速等物理量定态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；仅随位置变化，而不随时间变化； 非定态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位非定态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。置变化，也随时间变化。),(,zyxfupT ),(, zyxfupT 1.3.3 定态流动系统的质量衡算定态流动系统的质量衡算 连续性方程连续性方程 对于定态流动系统，在对于定态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失管路中流体没有增加和漏失的情况下：的情况下： s2s1mm 222111AuAu 推广至任意截面推广至任意截面 常常数数 uAAuAum

32、 222111s连续性方程连续性方程1122常数常数 uAAuAuV2211s不可压缩性流体，不可压缩性流体，.Const 圆形管道圆形管道 ：2121221 ddAAuu 即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比管内径的平方成反比 。例例1-3 1-3 如附图所示，管路由一段如附图所示，管路由一段89894mm4mm的管的管1 1和和一段一段1081084mm4mm的管的管2 2和两段和两段57573.5mm3.5mm的分支管的分支管3a3a及及3b3b连接而成。若水以连接而成。若水以9 910-3m3/s10-3m3/s的体积流量流动，

33、的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。的速度。 3a123b管子规格的通用表管子规格的通用表示法，外径壁厚示法，外径壁厚1 -221 -33-31 -221 -33-21 -221 -33-1sm29. 2m035. 02-057. 042sm109u3sm15. 1m004. 02-081 . 04sm109u2sm75. 1m004. 02-089. 04sm109u1：管管：管管：管管22120.10.0811.7521dduu2210.050.08121.752313dduu1.3.4 定态流动系统的机械能衡算定

34、态流动系统的机械能衡算 柏努利方程柏努利方程 一、理想流体的机一、理想流体的机械能衡算械能衡算p 2 , u2p 1 , u1z1z211 22 00 衡算范围：衡算范围：1-1、2-2截面以及管截面以及管内壁所围成的空间内壁所围成的空间衡算基准：衡算基准：1kg流体流体基准面：基准面：0-0水平面水平面（1内能内能 贮存于物质内部的能量。贮存于物质内部的能量。 1kg流体具有的内能为流体具有的内能为UJ/kg）。）。（2位能位能 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。流体受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流体所具有的位能为的流体所具有的位能为zgJ/kg）。）。 （3动能动能 1k

35、g的流体所具有的动能为的流体所具有的动能为 (J/kg) 221u（4 4静压能静压能 静压能静压能= = pVAVpAFl 1kg的流体所具有的静压能为的流体所具有的静压能为 pmpV (J/kg)lAV 222212112121pugzpugz （1）柏努利方程式 22222112112121 pugzpugz 不可压缩性流体，不可压缩性流体，.Const 式式1为以单位质量流体为基准的机械能衡为以单位质量流体为基准的机械能衡算式，各项单位均为算式，各项单位均为J/kg。根据能量守恒原则，必有根据能量守恒原则，必有 单位 zgkgJkgmN:kgNkgsmkgsm:m:22zggz221u

36、kgJkgmNsmmsm:212-2-22upkgJkgmNmkgmN:32pgpugzgpugz 222212112121 将将(1)(1)式各项同除重力加速度式各项同除重力加速度g :g :（2）式中各项单位为式中各项单位为mNJN/kgJ/kg 式式2即为以单位重量流体为基准的机械能衡算式。即为以单位重量流体为基准的机械能衡算式。z 位压头位压头gu22动压头动压头gp 静压头静压头总压头总压头二、实际流体的机械能衡算二、实际流体的机械能衡算Wep2,u2p1,u1221100z2z1（2外功外功(有效功有效功) 1kg流体从流体输送机械获得的能量为流体从流体输送机械获得的能量为We (

37、J/kg)。（1能量损失能量损失设设1kg流体损失的能量为流体损失的能量为WfJ/kg）。）。 f222212112121WpugzWpugze f222212112121hgpugzHgpugze （3）（4）或或gWHee gWhff 其中其中 He外加压头或有效压头，外加压头或有效压头，m;hf压头损失，压头损失，m。三、三、 柏努利方程的讨论柏努利方程的讨论 （1 1若流体处于静止，若流体处于静止，u=0u=0，Wf=0Wf=0，We=0We=0，则柏，则柏努利方程变为努利方程变为 说明柏努利方程既表示流体的运动规律，也说明柏努利方程既表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律表示流

38、体静止状态的规律 。 2211pgzpgz （2理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即总压头为常数，即Const.212 puzgConst.212 gpugz gu221gu222gp1gp2Hz2210理想流体理想流体 We、Wf 在两截面间单位质量流体获得在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。或消耗的能量。（3zg、 、 某截面上单位质量流体所某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能具有的位能、动能和静压能 ； p221u有效功率有效功率 ：eseWmN 轴功率轴功率 ： eNN -1-1-1JsJkgkgs W（4柏努利

39、方程式适用于不可压缩性流体。柏努利方程式适用于不可压缩性流体。 对于可压缩性流体，当对于可压缩性流体，当 时，仍可时，仍可用该方程计算，但式中的密度用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均应以两截面的平均密度密度m代替。代替。%20121 ppp四、柏努利方程的应用四、柏努利方程的应用 管内流体的流量；管内流体的流量； 输送设备的功率；输送设备的功率； 管路中流体的压力；管路中流体的压力； 容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：（1根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动

40、方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围算范围 ；（2位能基准面的选取位能基准面的选取 必须与地面平行；必须与地面平行； 宜于选取两截面中位置较低的截面；宜于选取两截面中位置较低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。选过管中心线的水平面。 （4各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。应一致，即同为绝压或同为表压。 （3截面的选取截面的选取 与流体的流动方向相垂直；与流体的流动方向相垂直； 两截面

41、间流体应是定态连续流动；两截面间流体应是定态连续流动； 截面宜选在已知量多、计算方便处。截面宜选在已知量多、计算方便处。 例例1-4 如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽 中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液hpa管为管为452.5mm的钢管，要求的钢管，要求送液量为送液量为3.6m3/h。设料液在管。设料液在管内的压头损失为内的压头损失为1.2m不包括不包括出口能量损失），试问高位槽出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？的液位要高出进料口多少米？hpa1122m.f432141032

42、041802141021000021212121222122221211gzgugggzhgpugzHgpugze122800404360063-sm.u 例例1-5 在在453mm的管路上装一文丘里管，文的管路上装一文丘里管，文丘里管的上游接一压力表，其读数为丘里管的上游接一压力表，其读数为5kPa，压力，压力表轴心与管中心的垂直距离为表轴心与管中心的垂直距离为0.3m，管内水的流，管内水的流速为速为1.5m/s，文丘里管的喉径为，文丘里管的喉径为10mm。文丘里喉。文丘里喉部接一内径为部接一内径为15mm的玻璃管，玻璃管的下端插入的玻璃管，玻璃管的下端插入水池中，池内水面到管中心的垂直距离

43、为水池中，池内水面到管中心的垂直距离为3m。若。若将水视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管将水视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管中。中。3.0m1120.3m200um.-.-.38262518228222105121021212122221222221211gppggpggpggpugzgpugz3.0m1120.3m200u122822103951-sm.u能抽上来能抽上来 续问：喉管直径为多少就抽不上来了？续问：喉管直径为多少就抽不上来了？ p1比大气压高比大气压高5kPa+0.3m，p2要比大气压要比大气压低低3m才能抽上来。也就是说：才能抽上来。也就是说：mm.8.s8m.1m

44、.-1m.-m-0.81m0.3101-3116395178788325183352222211222222121dddduuugupppgp 再续问：第一种情况再续问：第一种情况p2=？m.-m.m.-572581038262121ppgpp 再续问：可能吗？绝对真空才再续问：可能吗？绝对真空才-10.33m 毛病出在哪？毛病出在哪？ 例例1-6 用水吸收混合气中氨的常压逆流吸收流程如用水吸收混合气中氨的常压逆流吸收流程如附图所示。用泵将敞口水池中的水输送至吸收塔塔附图所示。用泵将敞口水池中的水输送至吸收塔塔顶，并经喷嘴喷出，水流量为顶，并经喷嘴喷出，水流量为35m3/h。泵的入口。泵的入口

45、管为管为1084mm无缝钢管，出口管为无缝钢管，出口管为763mm无无缝钢管。池中水深为缝钢管。池中水深为1.5m，池底至塔顶喷嘴入口处，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距离为的垂直距离为20m。水流经所有管路的能量损失为。水流经所有管路的能量损失为42J/kg不包括喷嘴），喷嘴入口处的表压为不包括喷嘴），喷嘴入口处的表压为34kPa。设泵的效率为。设泵的效率为60%，试求泵所需的功率。，试求泵所需的功率。 （水密度以（水密度以1000kg/m3计）计） 20m1.5m气体气体12W./WsJsk.kg260.7Jsk.kg260.7Jkg42Jm1000kgs2.53m0.07436003534k

46、Pa18.5m1.5-20000-1-1-1-1-1-1-f3-1-2222f22f42236025342534729729100036003521212111112221122221211NgNegqWWupzupzWppuugzzWWpugzWpugzveee轴功率有效功率流量1.4 流体流动的内部结构流体流动的内部结构1.4.1 流体的流动型态流体的流动型态1.4.2 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布1.4.3 流体流动边界层流体流动边界层 1.4.1 流体的流动型态流体的流动型态 一、雷诺实验一、雷诺实验1.4 流体流动的内部结构流体流动的内部结构 层流或滞流）：流体质点仅

47、沿着与管轴平行的层流或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；混合； 湍流或紊流）湍流或紊流） ：流体质点除了沿管轴方向向：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。二、流型判据二、流型判据雷诺准数雷诺准数 （Reynolds number）udRe无因次数群无因次数群判断流型判断流型对于直圆管管内流动对于直圆管管内流动Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；

48、时，流动为层流，此区称为层流区；Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000Re4000 时，流动可能是层流，也可能是湍时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。流，该区称为不稳定的过渡区。 例如：判断流型 573.5,20水和空气，0.5m.s-1水空气密度/kg.m-39981.205黏度/Pa.s110-31.8110-51665101.810.51.2050.05Re249501010.59980.05Re5-3-空气水2.物理意义物理意义 Re反映了流体流动中惯性力与黏性力的对比关反映了流体流动中惯性力与黏性力的对比关系，标

49、志着流体流动的湍动程度。系，标志着流体流动的湍动程度。 udRe相当于质量流量相当于质量流量/黏度黏度1.4.2 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布速度分布：显然，流体在圆管内流动时速度分布：显然，流体在圆管内流动时, ,管截面上管截面上质点的速度随半径的变化关系随流速的不同而不质点的速度随半径的变化关系随流速的不同而不同。同。 一、一、 层流流速分布推导层流流速分布推导在直圆管中，在流动方向上取一流体柱半径为在直圆管中，在流动方向上取一流体柱半径为r r，长度为长度为L L，与管子同轴做动量衡算。，与管子同轴做动量衡算。基本假定层流不可压缩流体稳定流动牛顿型流体忽略进口效应连续流体

50、壁面处无滑动LRr由压力强差产生的推力由压力强差产生的推力 N)(221rpp 流体层间内摩擦力流体层间内摩擦力 Ndd)2(ddrurlruAFr=r处的轴向速度梯度处的轴向速度梯度流体柱侧面积流体柱侧面积yuAFdd 牛顿粘性定律牛顿粘性定律rurlrppdd)2()(221 rlppru 2)(dd21 管壁处管壁处r rR R时，时，0 0，可得速度分布方程，可得速度分布方程 u4)(22rRlpu稳定流动体系，作用在流体柱上的合力为稳定流动体系，作用在流体柱上的合力为0 0。即推力差与摩擦力相同。即推力差与摩擦力相同。r0时，即，管中心流速为最大时，即，管中心流速为最大 umax u

51、2max2214-RrurRlpu管截面上的平均速度管截面上的平均速度 : :max20S212uRrdruAVuR 即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/21/2。 即流体在圆形直管内层流流动时即流体在圆形直管内层流流动时,其速度呈抛物线分布。其速度呈抛物线分布。42maxRlpu二、湍流时的速度分布二、湍流时的速度分布 剪应力剪应力 ：yuedd)( e为湍流黏度，与流体的流动状况有关。为湍流黏度，与流体的流动状况有关。 nRruu 1max湍流速度分布湍流速度分布的经验式：的经验式：101102 . 3Re71,102 . 3Re101 .

52、161,101 . 1Re10466554nnnn与与Re有关，取值如下：有关，取值如下： 1/7次方定律次方定律71 n当当 时，流体的平均速度时，流体的平均速度 : :maxs82. 0uAVu 1.4.3 流体流动边界层流体流动边界层一、边界层的形成与发一、边界层的形成与发展展 流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域， 即流速降为主体流即流速降为主体流速的速的9999以内的以内的 区域。区域。 边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。流体在平板上流动时的边界层：流体在平板上流动时的边界层： 边界层

53、区边界层内）：沿板面法向的速度梯度边界层区边界层内）：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑黏度的影响，剪应力不可忽略。很大，需考虑黏度的影响，剪应力不可忽略。 主流区边界层外）：速度梯度很小，剪应力可主流区边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体以忽略，可视为理想流体 。什么是理想流体来着？什么是理想流体来着？边界层流型：层流边界层和湍流边界层。边界层流型：层流边界层和湍流边界层。层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。转

54、为湍流。 流体在圆管内流动时的边界层流体在圆管内流动时的边界层 充分发展的边界层厚度为圆管的半径；充分发展的边界层厚度为圆管的半径； 进口段内有边界层内外之分进口段内有边界层内外之分 。 也分为层流边界层与湍流边界层。也分为层流边界层与湍流边界层。进口段长度进口段长度x0：层流：层流：湍流：湍流：Redx05. 00 50400 dx湍流流动时：湍流流动时： 湍流主体：速度脉动较大，以湍流黏度为主，径向湍流主体：速度脉动较大，以湍流黏度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化；传递因速度的脉动而大大强化； 过渡层：分子黏度与湍流黏度相当；过渡层：分子黏度与湍流黏度相当； 层流内层：速度脉动较小，以

55、分子黏度为主，径向层流内层：速度脉动较小，以分子黏度为主，径向传递只能依赖分子运动。传递只能依赖分子运动。层流内层为传递过程的主要阻力层流内层为传递过程的主要阻力Re越大，湍动程度越高，层流内层越薄。越大，湍动程度越高，层流内层越薄。二、二、 边界层的分离边界层的分离ABSAC：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐渐减小顺压梯度）；力逐渐减小顺压梯度）；CS：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐渐增加逆压梯度）；力逐渐增加逆压梯度）；S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和黏性剪应点：物体表面的流体质点在逆压梯度和

56、黏性剪应力的作用下，速度降为力的作用下，速度降为0。SS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离。形成涡流，出现边界层分离。边界层分离的后果：边界层分离的后果： 产生大量旋涡；产生大量旋涡； 造成较大的能量损失。造成较大的能量损失。边界层分离的必要条件：边界层分离的必要条件： 流体具有黏性；流体具有黏性； 流动过程中存在逆压梯度。流动过程中存在逆压梯度。1.5 流体流动阻力流体流动阻力1.5.1 直管阻力直管阻力1.5.2 局部阻力局部阻力 1.5.3 流体在管路中的总阻力流体在管路中的总阻力1.5 流体流动阻力流体流动阻力直管阻

57、力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而 产生的阻力；产生的阻力；局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速 大小及方向的改变而引起的阻力。大小及方向的改变而引起的阻力。 1.5.1 直管阻力直管阻力一、阻力的表现形式一、阻力的表现形式 流体在水平等径直管中作定态流动。流体在水平等径直管中作定态流动。f222212112121Wpugzpugz 21uu 21zz 21fppW 若管道为倾斜管，那么若管道为倾斜管，那么 )()(2211fgzpgzpW 流体的流动阻力表现为静压能的减少；流体的流动阻

58、力表现为静压能的减少； 水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。能之差。 二、计算直管阻力的通式二、计算直管阻力的通式 由于压力差而产生的推动力：由于压力差而产生的推动力： N4221dpp 流体的摩擦力：流体的摩擦力：ldAFdldpp4)(221 dlW4f 令令 28u 定常态流动时：定常态流动时：Wf:在两截面间单位质量流体消耗的能量。在两截面间单位质量流体消耗的能量。fWpp21282242222udluuudlWf直管阻力通式范宁直管阻力通式范宁Fanning公式）公式） 其它形式：其它形式：摩擦系数摩擦因数）摩擦系数摩擦因数） 那那

59、么么 22fudlW J/kg压头损失压头损失 gWgudlhf2fm2 压力损失压力损失f2fPa2Wudlp 该公式层流与湍流均适用。该公式层流与湍流均适用。p与pf p两截面之间的压力差pf 两截面之间以压力差形式表现的能量损失p= (p1-p2)+pf p=p1-p2+pf 1212三、层流时的摩擦系数三、层流时的摩擦系数 max21uu 221max4)(Rlppu 速度分布方程速度分布方程2dR 22132)(dlupp 2f32dlup 又又哈根-泊谡叶 （Hagen-Poiseuille方程 水平管路水平管路2f32dluW 能量损失能量损失 层流时阻力与速度的一次方成正比层流

60、时阻力与速度的一次方成正比 。2Re6426432222fudludluddluW Re64变形：变形：比较得比较得四、湍流时的摩擦系数四、湍流时的摩擦系数1. 因次分析法因次分析法 目的：（目的：（1减少实验工作量；减少实验工作量； （2结果具有普遍性，便于推广。结果具有普遍性，便于推广。根底：因次一致性根底：因次一致性 即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，即每一个物理方程式的两边不仅数值相等， 而且每一项都应具有相同的因次。而且每一项都应具有相同的因次。基本定理：白金汉基本定理：白金汉Buckinghan定理定理 设影响某一物理现象的独立变量数为设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这个