化工原理(第二版)第一章流体流动

1、1化工原理Principles of Chemical Engineeringor Unit Operations of Chem. Eng.赵明举 化工系副教授电话：186 2426 1526Email：2Contents (outline) 第一章 流体流动与输送设备 第三章 传热 第五章 气体吸收 第六章 蒸馏 以上为全部授课与考试内容3平时成绩 学院平台课，6个专业的授课、考试内容都一样，授课教师统一出题，考试周，闭卷。 平时成绩占30%（出勤、作业）4Preface 化工历史回顾化工历史回顾 化工工艺；单元操作；传递过程 化工研究的基本问题？化工研究的基本问题？ 过程的平衡和限度 化

2、工热力学 过程的速率和实现过程所需要的设备 化学反应速率和设备化学反应速率和设备化学反应动力学化学反应动力学和和化学反应工程化学反应工程 物理过程速率和设备物理过程速率和设备 化工传递过程化工传递过程和和化工单元操作化工单元操作5 1 Introduction 1 Definitions and Principles Section 2 Fluid Mechanics 2 Fluid Statics and Its Applications 3 Fluid Flow Phenomena 4 Basic Equations of Fluid Flow 5 Incompressible Flow

3、in Pipes and Channels 6 Flow of Compressible Fluids 7 Flow past Immersed Objects 8 Transportation and Metering of Fluids 9 Agitation and Mixing of Liquids Section 3 Heat Transfer and Its Applications 10 Heat Transfer by Conduction 11 Principles of Heat Flow in Fluids 12 Heat Transfer to Fluids witho

4、ut Phase Change 13 Heat Transfer to Fluids with Phase Change 14 Radiation Heat Transfer 15 Heat-Exchange Equipment 16 Evaporation Section 4 Mass Transfer and Its Applications 17 Principles of Diffusion and Mass Transfer between Phases 18 Gas Absorption 19 Humidification Operations 20 Equilibrium-Sta

5、ge Operations 21 Distillation 22 Introduction to Multicomponent Distillation 23 Leaching and Extraction 24 Drying of Solids 25 Fixed-Bed Separatons 26 Membrane Separation Processes 27 Crystallization Section 5 Operations Involving Particulate Solids 28 Properties and Handling of Particulate Solids 2

6、9 Mechanical Separations6第一章 流体流动与输送机械质质量量传传递递热热量量传传递递动动量量传传递递三三传传液体液体气体气体流体流体71.1 流体的基本性质 1连续介质假定（continuum model）：把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。Vs quantum 2.易流动性，无固定形状 3. 压缩性（compressibility）不不可可压压缩缩流流体体可可压压缩缩流流体体81.1 流体的基本性质 4 密度（density） 5. 比容 （specific volume）单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。Vmkg

7、/m3 1mVvm3/kg 9混合液体的密度计算 假设各组分在混合前后体积不变，则有 nnmaaa22111naaa21,液体混合物中各组分的质量分率。例如，酒、牛奶10例题+作业1 Page 75. 1-2 已知20时苯和甲苯的密度分别为879kg/m3和867kg/m3，试计算含苯40 %（质量）【作业：(40+学号后两位)%】及甲苯60%【 (60-学号后两位)%】 的混合密度。871.88790.68670.4867879m8678798790.68670.48676 . 08794 . 01m11混合气体的密度计算 各组分在混合前后质量不变，则有 nnm2211气体混合物中各组分的体

8、积分率。 n21,RTpMmm12例题+作业2 Page 75. 1-1 某烟道气的组成为CO213%，N276%，H2O11%（体积%），试求此混合气体在500 【作业：500-学号后两位10】、101.3kPa时的密度。 解：平均摩尔质量： Mm=440.13+280.76+180.11 =28.98g/mol33457kg/m. 0 88/10009 .2810101.3）（m131.1.5 压力 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。 SI制单位：N/m2或Pa；标准大气压、工程大气压的换算关系：1atm = 1.013105Pa

9、=760mmHg =10.33m H2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar1at = 9.807104Pa =735.6mmHg =10. m H2O=1. kgf/cm2=0.9807bar14或以流体柱高度表示 ：ghp注意注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类， 如600mmHg，10mH2O等。 压力的表示方法压力的表示方法 绝对压力绝对压力absolute pressureabsolute pressure以绝对真空为基准测得的压力。 表压表压gauge pressure或真空度或真空度vacuum 以大气压为基准测得的压力。15表 压 = 绝对压力 大气压力at

10、mosphere真空度 = 大气压力 绝对压力绝对压力绝对压力 绝对压力绝对压力 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 1p2p大气压大气压 16 某地区大气压力为101.3kPa，一操作中的吸收塔塔内表压为130kPa。若在大气压为75kPa【作业：75+学号后两位/2】kPa的高原地区操作该吸收塔，且保持塔内绝对压力相同，则此时的表压为多少？ 解：A地区塔内的绝对压力=101.3+130=231.3kPa，为维持塔内的绝对压力为231.3，在高原B地区的表压=231.3-75=156.3kPa例题+作业3 Page 75. 1-317例例1-3某台离心泵进、出口压力表读数分别为220m

11、mHg(真空度)及1.7kgf/cm2(表压)。若当地大气压力为760mmHg，试求它们的绝对压力各为若干（以法定单位表示）？ 1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O=1.033kgf/cm218解: 泵进口绝对压力P1=760-220=540mmHg=540/7601.013105 Pa=71796 Pa泵出口绝对压力P2=1.7+1.033 = 2.733 kgf/cm2=2.733/1.033*1.013105 Pa=2.680105 Pa 1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O=1.033kgf/cm219例1

12、-4:已知甲地平均大气压为750mmHg,乙地平均大气压为756mmHg,某真空蒸馏塔在甲地操作时,塔顶真空表读数为650mmHg,若把该蒸馏塔移到乙地操作时,若要维持与甲地操作时具有相同的绝压,真空表的读数应是多少帕?201.21.2、流体静力学、流体静力学重力场中对液柱进行受力分析：Ap11F （1）上端面所受总压力 Ap22F （2）下端面所受总压力 （3）液柱的重力)(21zzgAG设流体不可压缩，.Constp0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下21液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:0)(2112zzgAApAp)(2112zzgppgzpgzp2211静力学基本方程静力

13、学基本方程 压力形式能量形式22讨论：讨论：（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）物理意义：物理意义：zg单位质量流体所具有的位能potential energy，J/kg；p单位质量流体所具有的静压能hydrostatic energy，J/kg。 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，但二者可以转换，其总和保持不变 。23（3）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等压面面。（4）压力具有传递性压力具有传递性：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。 24二、二、静力学基本方程的应用静力

14、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 （1）U形压差计形压差计 U-tube manometer设指示液的密度为 ，被测流体的密度为 。 0A与A面 为等压面，即AApp)(1RmgppAgRgmppA02而p1p2mRAA25所以gRgmpRmgp021)(整理得gRpp)(021若被测流体是气体， ，则有0021Rgpp26讨论：讨论：（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形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； 表压真空度p1pap1pa27（2）指示液的选取： 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

15、度。 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。 28思考：思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数 R反映了什么？gzzgRpp)()(12021p1p2z2RAAz129（2）双液体双液体U管压差计管压差计 扩大室内径与U管内径之比应大于10 。)(CA 密度接近但不互溶的两种指示 液A和C ；适用于压差较小的场合。)(21CARgpp30（3） 倒倒U形压差计形压差计 inverted U-Tube manometerRgRgpp)(021 指示剂密度小于被测流体密度，如空气作为指示剂 （5） 复式压差计复式压差计 （4） 倾斜式倾斜式压差计压差计 inclined适用于压差较小的

16、情况。适用于压差较大的情况。31 p1 R p2 R 0 倾倾斜斜式式压压差差计计3233例例1-2 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U形压差计， 指示液为水银，读数 R250mm，m900mm。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。 34解: pA= pA pA=p+mg + 0 RgpA = p0p0 =p+mg + 0 Rgp = p0 -mg -0 Rg =101.3*1000 1000*0.9*9.81 13600*9.81*0.2535例例1-4 如附图所示，蒸

17、汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为 Z0=2.1m, Z2=0.9m, Z4=2.0m, Z6=0.7m, Z7=2.5m。 试计算锅炉内水面上方的蒸汽压力。362. 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R反映出容器内的液面高度。 Rh0 液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，R亦为零。37（2 2）远距离液位测量装置）远距离液位测量装置 BApp 管道中充满氮气，其密度较小，近似认为 ghppaAgRppaB0Rh0而所以 AB383. 液封高度的计算液封高度的

18、计算 液封作用： 确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。gph)(表液封高度：391.2 流体在流体在管内的流动管内的流动1.2.1 流体的流量与流速流体的流量与流速 1.2.2 定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动1.2.3 定态流动系统的质量守恒定态流动系统的质量守恒 连续性方程连续性方程 1.2.4 定态流动系统的能量守恒定态流动系统的能量守恒 柏努利方程柏努利方程 401.3 流体动力学流体动力学 1. 体积流量体积流量volumetric flow rate 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 VSm3/s或m3/h2.2.质量流量质

19、量流量massmass flow rate 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。 mSkg/s或kg/h。 ssVm 二者关系：一、流量一、流量flow rate1.3.1 流体的流量与流速流体的流量与流速41二、流速二、流速2. 2. 质量流速质量流速 mass velocity单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。 流速流速velocityvelocity （平均平均流速）流速）average velocity单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。 AVuskg/（m2s）uAVAmGss流量与流速的关系： GAuAVmssm/s42uVds4对于圆形管道：流量VS一般由生产任务

20、决定。流速选择：三、管径的估算管径的估算 d 设备费用 u 流动阻力 动力消耗 操作费均衡考虑uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费43常用流体适宜流速范围：常用流体适宜流速范围： 水及一般液体 13 m/s粘度较大的液体 0.51 m/s低压气体 815 m/s压力较高的气体 1525 m/s 44【例1-7】 某厂要求安装一根输水量为30m3/h的管路，试选择合适的管径。 45解：根据式1-20计算管径 d= 式中 Vs= m3/s参考表1-1选取水的流速u=1.8m/s 查附录二十二中管子规格，确定选用894（外径89mm，壁厚4mm）的管子，其内径为： d=89（42

21、）=81mm=0.081m因此，水在输送管内的实际流速为： uVs4360030mm77m077.08 .1785.0360030dm/s621081078503600302.u46 1.2.2 定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动定态流动定态流动steady flowsteady flow：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； 非定态流动非定态流动unsteady flowunsteady flow：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。),(,zyxfupT),(,zyxfupT471.2.3 定态流动系统的质量守恒定态流动系统的质量守恒连续

22、性方程连续性方程 对于定态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下： 21ssmm222111AuAu推广至任意截面 常数uAAuAums222111连续性方程连续性方程equation of continuity11 2 248常数uAAuAuVs2211不可压缩性流体，.Const圆形管道 ：2121221ddAAuu 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 。49【例1-8】 在稳定流动系统中，水连续从粗管流入细管。粗管内径d1=10cm，细管内径d2=5cm，当流量为4103m3/s时，求粗管内和细管内水的流速？ 50解：根据式1-20 根据不可压缩流体的连续性方

23、程 u1A1=u2A2由此 u2=4u1=40.51=2.04m/s m/s51.01.041042311AVuS倍4510222112dduu511.2.4 定态流动系统的能量守恒定态流动系统的能量守恒柏努利方程柏努利方程bernoullibernoullis equations equation 一、总能量衡算一、总能量衡算qeWep2,u2,2p1,u1,1221100z2z152（1）内能inner energy 贮存于物质内部的能量。 1kg流体具有的内能为U（J/kg）。衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成 的空间衡算基准：1kg流体基准面：0-0水平面（2）位能poten

24、tial energy 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zg（J/kg）。 53（3）动能kinetic energy 1kg的流体所具有的动能为 (J/kg) 221u（ 4 ） 静 压 能 hgdrostatic energy静压能= pVAVpAFl1kg的流体所具有的静压能为 pmpV(J/kg)（5）热heat 设换热器向1kg流体提供的热量为 (J/kg)。 eqlAV54（6）外功(有效功)external work 1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We (J/kg)。2222221121112121pugzUqWpugzUeepuzgUq

25、Wee221以上能量形式可分为两类： 机械能mechanical energy ：位能、动能、静压能 及外功，可用于输送流体； 内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。552实际流体实际流体real fluidreal fluid的机械能衡的机械能衡算算 假设 流体不可压缩， 则 流动系统无热交换，则 流体温度不变， 则 21 0eq21UU (1) 以单位质量流体为基准 设1kg流体损失的能量为Wf（J/kg），有： feWpugzWpugz222212112121(1)式中各项单位为J/kg。并且实际流体流动时有能量损失。56（2）以单位重量流体为基准 将(1)式各项同除重力加速度g :g

26、WgpugzgWgpugzfe222212112121令 gWHeegWhff则 fehgpugzHgpugz222212112121（2）式中各项单位为mNJkgNkgJ/57z 位压头gu22动压头He外加压头或有效压头。gp静压头总压头hf压头损失58（3）以单位体积流体为基准 将(1)式各项同乘以 :feWpugzWpugz222212112121式中各项单位为PamJmkgkgJ33（3）feppugzWpugz222212112121fp压力损失593理想流体理想流体ideal or perfect fluidideal or perfect fluid的机械能的机械能衡算衡算 理

27、想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。 gpugzgpugz222212112121222212112121pugzpugz（4）（5）柏努利方程式柏努利方程式 604. 4. 柏努利方程的讨论柏努利方程的讨论 （1）若流体处于静止，u=0，Wf=0，We=0，则柏努利方程变为 说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律 。2211pgzpgz（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即.212Constpuzg.212Constgpugz6162 We、Wf 在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。（3）zg、 、 某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静

28、压能 ；p221u有效功率 ：eseWmN 轴功率 ：eNN 63（4）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 时，仍可用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。%20121 ppp644柏努利方程的应用柏努利方程的应用 管内流体的流量； 输送设备的功率； 管路中流体的压力； 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：65（1）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 ；（2）位能基准面的选取 必须与地面平行； 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，则基准面应选过管中心

29、线的水平面。 步骤：66（4）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。 （3）截面的选取 与流体的流动方向相垂直； 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。 67 例例1-8 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hpa管为452.5mm的钢管，要求送液量为4.2m3/h。设料液在管内的压头损失为1.4m（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？68解：取管出口高度的00为基准面，高位槽的液面为11截面，因要求计算高位槽的液面比塔入口处高出多少米，所以把11截面选在此就可以直接

30、算出所求的高度x，同时在此液面处的u1及p1均为已知值。22截面选在管出口处。在11及22截面间列柏努利方程： fhupgZupgZ2222222111式中p1=0（表压），u10，Z1=h；p2=0（表压），u2=V/(d2/4)=4.2/(3.140.042)3600=0.9289m/s，Z2=0， =1.4g将上述各项数值代入，则h=0.0440+1.4=1.44 动能项很小fh9.811.429289. 09.81h2691.4 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701.4.1 流体的流

31、动型态流体的流动型态 一、一、雷诺实验雷诺实验 Reynolds experiment（1883，德国，德国，18421912）71 层流层流（或滞流滞流）laminar flow or viscous flow：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，质点之间互不混合； 湍流湍流（或紊流紊流）turbulent flow ：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方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。二、二、流型判据流型判据雷诺准数雷诺准数Reynolds numberReynolds number udReL0M00无因次数群72判断流型判断流

32、型Re2000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；2000 Re 4000故管中为湍流. (2)因层流最大雷诺数为2000,即 Re=dumax/=2000故管中水保持层流的最大流速. umax=(20000.001005)/(0.025998.2)=0.080m/s761.4.2 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：流体在圆管内流动时,管截面上 质点的速度随半径的变化关系。 一、层流时的速度分布一、层流时的速度分布 X0=0.05dRe77由压力差产生的推力 221)(rpp流体层间内摩擦力page8 drudrldrudAF.)

33、2(drudrlrpp.221)2()(rlppdrud2)(21.)(4)(2221.rRlppu管壁处rR时，0，可得速度分布方程 .u78管中心流速为最大，即r0时， umax .u221max4)(Rlppu2max.1Rruu管截面上的平均速度 :max.uRrdruAVuRS21220即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。 即流体在圆形直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布。79二、湍流时的速度分布二、湍流时的速度分布 剪应力 ：dyude.)(e为湍流粘度，与流体的流动状况有关。 nRruu1max.湍流速度分布的经验式：80)2)(1(212212max02max20m

34、ax20nnurdrRrRuRrdrRruRrdruAVuRn.RnR.SnRruu1max.81101102 . 3Re71,102 . 3Re101 . 161,101 . 1Re10466554nnnn与Re有关，取值如下： 71n当 时，流体的平均速度 :max.uAVuS8208 流体流动边界层流体流动边界层一、边界层的形成与发展一、边界层的形成与发展 流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域， 即流速降为主体流速的99以内的区域。 边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。%uuxy99083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： Re=ux/X

35、指离平壁前沿的距离%uuxy9984 边界层区（边界层内）边界层区（边界层内）boundary layerboundary layer：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。 主流区（边界层外）主流区（边界层外）main flow areamain flow area：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体 。85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。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。 86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 87进口段长度：层流：湍流：Re05. 00dx504

36、00dx88湍流流动时：89 湍流主体湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化； 过渡层过渡层：分子粘度与湍流粘度相当； 层流内层层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向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，层流内层厚度越薄。902. 边界层的分离ABS 91A C：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）；C S：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）；S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的作用下，速度降为0。SS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流

37、回来，形成涡流，出现边界层分离。92边界层分离的后果：边界层分离的后果： 产生大量旋涡； 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： 流体具有粘性； 流动过程中存在逆压梯度。931.5 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 941.5 1.5 流体流动阻力流体流动阻力直管阻力：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；局部阻力：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。 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 95流体在水平等径直管中作定态流动。fW

38、pugzpugz2222121121219621uu 21zz 21ppWf若管道为倾斜管，则 )()(2211gzpgzpWf 流体的流动阻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能之差。 97二、二、直管阻力的通式直管阻力的通式 由于压力差而产生的推动力：4221dpp流体的摩擦力：dlAFdldpp4)(221dlWf42822udluWf令 28u定态流动时21ppWf98直管阻力通式（范宁Fanning公式） 其它形式：摩擦系数（摩擦因数） friction factor 则 22udlWfJ/kg压头损失gudlhf22m压力损失22udlpfPa 该公式层

39、流与湍流均适用； 注意 与 的区别。pfp99三、三、层流时的摩擦系数层流时的摩擦系数 max21uu 221max4)(Rlppu速度分布方程page25 1-282dR 22132)(dlupp232dlupf又哈根哈根-泊谡叶泊谡叶 （Hagen-Poiseuille）方程方程 221)2(4)(2dlppu100232dluWf能量损失 层流时阻力与速度的一次方成正比 。2Re6426432222udludluddluWfRe64变形：比较得ReC正方形 C57套管环隙 C96 101四、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；

40、（2）结果具有普遍性，便于推广。基础基础：因次一致性 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。102基本定理基本定理：白金汉（Buckinghan）定理定理 设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本因次数（量纲数）为m个，则该物理现象可用N（nm）个独立的无因次数群表示。 湍流时压力损失的影响因素：（1）流体性质：，（2）流动的几何尺寸：d，l，（管壁粗糙度）（3）流动条件：u103,ldufpf物理变量 n 7量纲数 m3无因次数群 Nnm4 ddludupf,2无因次化处理式中：2upEuf欧拉（Euler）准数即该过程可用4个无因次数群表示。10

41、4d相对粗糙度dl管道的几何尺寸udRe雷诺数根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即 ddlupfRe,22Re,uddlpWff或)(Re,d105莫狄（Moody）摩擦因数图：106（1）层流区（Re 2000） 与 无关，与Re为直线关系，即 ,即 与u的一次方成正比。dRe64uWffW（2）过渡区（2000Re4000) 将湍流时的曲线延伸查取值 。（3）湍流区（Re4000以及虚线以下的区域） )(Re,df107（4）完全湍流区 （虚线以上的区域） 与Re无关，只与 有关 。d该区又称为阻力平方区。2uWfd一定时，经验公式 ：（1）柏拉修斯（Blasius）式：25. 0R

42、e3164. 0适用光滑管Re5103105（2）考莱布鲁克（Colebrook）式Re7 .182log274. 11d1082.2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响管壁粗糙度对摩擦系数的影响 光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；粗糙管：钢管、铸铁管等。绝对粗糙度绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度相对粗糙度 ： 绝对粗糙度与管内径的比值。d 层流流动时： 流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与 无关，只与Re有关。d109 湍流流动时： 水力光滑管只与Re有关，与 无关。d 完全湍流粗糙管只与 有关，与Re无关。dd110说明：（1）Re与Wf中的直径用de计算；（2）层流时：ReC正

43、方形 C57套管环隙 C96 （3）流速用实际流通面积计算 。2785. 0esdVu 111例1-13: page 33例1-14: page 341121.5.2 局部阻力局部阻力 local resistence一、阻力系数法一、阻力系数法 将局部阻力表示为动能的某一倍数。 22uWf或 guhf22局部阻力系数局部阻力系数 J/kgJ/N=m113小管中的大速度121221u210)1 (uWAAf1. 突然扩大1142.突然缩小7427.021)1(5.0AA突然缩小时， 注意：计算突然扩大或突然缩小的局部阻力损失时，流速u均为小管中的流速1153. 管进口及出口进口：流体自容器进入

44、管内。 进口进口 = 0.5 进口阻力系数进口阻力系数出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外 空间。 出口出口 = 1 出口阻力系数出口阻力系数4 . 管件与阀门116 管管 管子的种类很多，目前已在化工厂中广泛应用的有铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等。钢管又有有缝与无缝之分；有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。有缝钢管多用低碳钢制成；无缝钢管的材料有普通碳钢、优质碳钢以及不锈钢等。不锈钢管价格昂贵选用时应慎重，但是在输送强腐蚀性的液体或某些特殊要求的情况下，应用也不少，如稀硝酸用管、混酸用管等。铸铁管常用于埋在地下的给水总管、煤气管及污水管等。输送浓硝酸、稀

45、硫酸则应分别使用铝管及铅管。管径常以AB表示，其中A指管外径，B指管壁厚度，如108 4即管外径为108mm，管壁厚为4mm。 117118119蝶阀蝶阀120121122阀门 阀门装于管道中用以调节流量。常用的阀门有以下几种。1.截止阀 截止阀，它是依靠阀盘的上升或下降，以改变阀盘与阀座的距离，以达到调节流量的目的。截止阀构造比较复杂，在阀体部分流体流动方向经数次改变，流动阻力较大。但这种阀门严密可靠，而且可较精确地调节流量，所以常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使用。2.闸阀 闸阀又称为闸板阀。闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的流量。闸阀构造简单，

46、液体阻力小，且不易为悬浮物所堵塞，故常用于大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；制造、检修比较困难。3.止逆阀 止逆阀又称为单向阀。其功用在于只允许流体沿单方向流动。当流体自左向右流动时，阀自动开启；如遇到有反向流动时，阀自动关闭。止逆阀只能在单向开关的特殊情况下使用。 123gudlhudlwefef2222或二、当量长度法二、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Le的直管所产生的阻力 。Le 管件或阀门的当量长度，m。124总阻力：2)(222udludllWef减少流动阻力的途径： 管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯； 尽量不安装不必要的管件和阀门等； 管径适当大些

47、。125【例1-16】 page 39 1261.6 管路计算管路计算 1.6.1 简单管路简单管路 1.6.2 复杂管路复杂管路 1271.6 管路计算管路计算 1.6.1 简单管路简单管路 一、特点一、特点 （1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变。 (2) 整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和 。321ffffWWWWVs1,d1Vs3,d3Vs2,d2321SSSVVV不可压缩流体321SSSmmm128二、管路计算二、管路计算基本方程：连续性方程：udVs24柏努利方程：2)(22211udlgzpWgzpe阻力计算（摩擦系数）：dud, 物性、一定

48、时，需给定独立的9个参数，方可求解其它3个未知量。129（1）设计型计算 设计要求：规定输液量Vs，确定一经济的管径及供液点提供的位能z1(或静压能p1)。 给定条件： （1）供液与需液点的距离，即管长l； （2）管道材料与管件的配置，即及 ； （3）需液点的位置z2及压力p2； （4）输送机械 We。选择适宜流速确定经济管径130（2）操作型计算 已知：管子d 、l，管件和阀门 ，供液点z1、p1， 需液点的z2、p2，输送机械 We； 求：流体的流速u及供液量VS。 已知：管子d、 l、管件和阀门 、流量Vs等， 求：供液点的位置z1 ； 或供液点的压力p1； 或输送机械有效功We 。13

49、1 试差法计算流速的步骤：（1）根据柏努利方程列出试差等式；（2）试差：查假设duRe符合？可初设阻力平方区之值注意：若已知流动处于阻力平方区或层流，则无需 试差，可直接解析求解。132三、阻力对管内流动的影响pApBpaF11 22 AB 阀门F开度减小时：（1）阀关小，阀门局部阻力系数 Wf,A-B 流速u 即流量； 133 例题1-17 page42134（2）在1-A之间，由于流速u Wf,1-A pA ； （3）在B-2之间，由于流速u Wf,B-2 pB 。 结论结论：（1）当阀门关小时，其局部阻力增大，将使管路中流量下降；（2）下游阻力的增大使上游压力上升；（3）上游阻力的增大使下游压力下降。 可见，管路中任一处的变化，必将带来总体的变化，因此必须将管路系统当作整体考虑。1351.5.2 复杂管路