第一章 流体流动

1、化工原理胡福田 TEL：E-mail: hftian2002 163. com 第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学流体静力学第二节第二节 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式第三节第三节 管内流体流动现象管内流体流动现象第四节第四节 流动阻力损失流动阻力损失第五节第五节 管路计算管路计算第六节第六节 流量的测定流量的测定第一章 流体流动一、流体的压力一、流体的压力二、流体的密度与比体积二、流体的密度与比体积三、流体静力学基本方程式三、流体静力学基本方程式四、流体静力学基本方程式应用四、流体静力学基本方程式应用第一节 流体静力学一、流体的压力一、流体的

2、压力1.1 压强（流体压力）：流体垂直作用于单位面积上的力 （N/M2 ）称为帕斯卡，以Pa表示。1.2 压强单位 1atm（标准大气压）=101300Pa=101.3kPa=760mmHg=10.33mH2O=10330kg(f)/m2=1.033kg(f)/cm2=1.033个工程大气压一、流体的压力一、流体的压力1.3 表压 P表 以外界大气压为基准测得的压力 负表压称为真空度 绝压P绝 以绝对真空（压力等于0）为基准测得的压力表压绝对压力大气压力真空度大气压力绝对压力二、流体的密度与比体积二、流体的密度与比体积2.1 密度 单位kg/m2 Vm理想气体密度RTPMVm混合气体密度nii

3、imy1混合液体密度niiimw11二、流体的密度与比体积二、流体的密度与比体积2.2 比体积 单位质量流体具有的体积 mV单位是：m3/kg三、流体静力学基本方程式三、流体静力学基本方程式3.1 推导3.2 表达式ghpp03.3 等压面：在静止的、连续的、同一液体内，处于同一水平面上的压力相等 三、流体静力学基本方程式三、流体静力学基本方程式如图所示，密封容器中盛有800kg/m3的油品，U形管中指示液为水(1000kg/m3)，a1、a2、a3恰好在同一水平面上，b1、b2、b3及b4也在同一高度上，h1=100mm，h2=200mm，则各点的表压pa1=_， pa2=_， pb3=_，

4、 pb4=_，h3=_。（表压值，均以mmH2O为单位） 四、静力学方程式应用四、静力学方程式应用4.1 测量压力4.2 U形管压差计第一章 流体流动一、流量与流速一、流量与流速二、稳定流动与不稳定流动二、稳定流动与不稳定流动三、连续性方程三、连续性方程四、伯努利方程式四、伯努利方程式五、实际流体机械能衡算式五、实际流体机械能衡算式第二节 流体流动基本方程式一、流量与流速一、流量与流速1.1 流量体积流量 qv m3/s 质量流量 qm kg/s质量流量体积流量 X 密度一、流量与流速一、流量与流速1.2 流速平均流速 m/s 质量流速 kg/m2s质量流速 =平均流速 x 密度AquvuuA

5、AuAqm一、流量与流速一、流量与流速1.3 管路直径的估算22785. 04dqdqAquvvvuqdv785. 0二、稳定流动与不稳定流动二、稳定流动与不稳定流动2.1 稳定流动流速、压力等物理参数不随时间变化三、连续性方程三、连续性方程222111AuAu3.1由质量守恒由质量守恒3.2连续性方程连续性方程常数Au三、连续性方程三、连续性方程3.1 不可压缩流体常数常数Au22212144udud21221dduu流速与管路内径平方成反比四、伯努利方程式四、伯努利方程式4.1伯努利方程式推导（理想流体）4.2伯努利方程式常数22upgz能量衡算能量衡算四、伯努利方程式四、伯努利方程式4.

6、3伯努利方程式物理意义机械能位能压强能 动能常数常数22upgz能量转换实验能量转换实验四、伯努利方程式四、伯努利方程式4.4伯努利方程式表达方式单位质量流量单位重量流量单位体积流量2222121122pugzpugzgpguzgpguz22221211222222222111upgzupgz五、实际流体机械能衡算式五、实际流体机械能衡算式5.1单位质量流体的机械能衡算式单位质量流体的外加机械能 J/kg单位质量流体的机械能损失 J/kgfeupgzupgz2222222111ef五、实际流体机械能衡算式五、实际流体机械能衡算式5.2机械能衡算式应用1、画示意图、选取截面2、确定基准面3、压力

7、4、外加机械能与阻力损失feupgzupgz2222222111五、实际流体机械能衡算式五、实际流体机械能衡算式图所示为一制冷盐水的循环系统，循环量为45m3/h，盐水流经管路的压头损失为：从A至B的一段为9m，从B至A的一段为12m，盐水的密度为1100kg/m3。试求：（1）泵的轴功率，设其效率为0.65；（2）若A处的压力表度数为0.15Mpa，则B处压力表读数应为多少Mpa？ 7mAB五、实际流体机械能衡算式五、实际流体机械能衡算式BfABBBAAAhgugpzhegugpz2222AfBAAABBBhgugpzgugpz2222mhhhAfBBfAe2175.2829eeghWkwW

8、Ne36. 412221222gPguZgPguZAAABBBaBMPP0227. 0第一章 流体流动一、粘度一、粘度二、流体流动类型和雷诺数二、流体流动类型和雷诺数三、流体在园管的流速分布三、流体在园管的流速分布第三节 管内流体流动现象一、粘度1.1 牛顿粘性定律dydu：粘度uduu dyy平板间流体速度变化：剪应力流体粘性实验流体粘性实验二、流体流动类型和雷诺数流体流动类型和雷诺数2.1 雷诺试验雷诺试验2.2 流动类型 层流或（滞流）区湍流或（紊流）区duRe4000Re 2000Re 过渡区三、流体在园管内的速度分布流体在园管内的速度分布3.1流体在园管中层流时的速度分布特点 呈抛物

9、线形max21uu 232dlup3.2流体在园管中湍流时的速度分布特点层流底层3.3边界层及其分离一、直园形管中流体摩擦阻力损失一、直园形管中流体摩擦阻力损失二、层流的摩擦阻力损失二、层流的摩擦阻力损失三、湍流的摩擦阻力损失三、湍流的摩擦阻力损失四、非圆形管的当量直径四、非圆形管的当量直径五、局部摩擦阻力损失五、局部摩擦阻力损失六、管内流体总摩擦阻力损失六、管内流体总摩擦阻力损失第四节 管内流体流动的阻力损失一、直圆形管中流体摩擦阻力损失一、直圆形管中流体摩擦阻力损失pwf水平等直径管路阻力损失计算公式ABBfABBBAAAwupgzheupgz2222二、层流的摩擦阻力损失二、层流的摩擦阻

10、力损失232dluppwf226432222udludldudluwf数称为摩擦系数或摩擦因Re64三、湍流的摩擦阻力损失三、湍流的摩擦阻力损失3.1 管壁粗糙度 绝对粗糙度 相对粗糙度 d的关联图及与dRe. 1的关联式及与dRe. 23.2 湍流时的摩擦系数四、非圆形管的当量直径四、非圆形管的当量直径润湿周边长度流通截面积水力半径ArH倍水力半径当量直径4ed五、局部摩擦阻力损失五、局部摩擦阻力损失5.1局部阻力系数法22uwf5.2当量长度法22udlwef六、管内流体总摩擦阻力损失六、管内流体总摩擦阻力损失22udllef 总阻力直管阻力+局部阻力一、简单管路一、简单管路二、复杂管路二

11、、复杂管路第五节 管路计算A、通过各管段的质量流量不变、通过各管段的质量流量不变B、整个管路的阻力损失为各段阻力损、整个管路的阻力损失为各段阻力损失之和失之和简单管路特点简单管路特点简单管路计算类型简单管路计算类型fwuddl，求、已知. 1duwlf，求、，、已知. 2A、设计型计算连续性方程、机械能衡算式、阻力损失计算式简单管路最适宜管径gudlHHhHff22，24dquv最适宜管径使设备投资费用与动力操作费用之和为最小简单管路计算类型简单管路计算类型简单管路计算类型简单管路计算类型uwddlf，求、已知操作型计算用试差法A、总流量等于并联支管流量之和、总流量等于并联支管流量之和B、并联

12、各之管的阻力损失相等、并联各之管的阻力损失相等复杂管路复杂管路并联管路分支管路A、总流量等于各分支管流量之和、总流量等于各分支管流量之和B、各分支管路仍满足机械能衡算、各分支管路仍满足机械能衡算思考题思考题例例1某液体在内径为d的水平管路中稳定流动，其平均流速为u1，当它以相同的体积流量通过某内径为d2(d2=d1/2)的管子时，流速将变为原来的_倍；流动为层流时，管子两端压力降Pf 为原来的_倍；湍流时(完全湍流区)Pf 为原来的_倍。(忽略/d的变化影响）(4 16 32)思考题思考题例2： 水流经图示的管路系统从细管喷出。已知d1管段的压头损失Hf1=2 m（包括局部阻力）,d2管段的压

13、头损失Hf2=2.5m（不包括出口损失）。则管口喷出时水的速度 u3=_m/s，d1管段的速度u1=_m/s，水的流量qV=_m3/h，水喷射到地面的水平距离x=_m。5.42 1.355 1.53 6.0 1.水在内径一定的圆管中稳定流动，若水的质量流量保持恒定，当水温升高时，Re值_。 （）变大 （）变小 （）不变 （） 不确定2. 流体流过圆形直管，在流场内剪应力集中在_。近壁处 (B) 管心处 (C) 到处都一样 (D) 根据流动状态确定思考题3、流体在等径管中作稳定水平流动，流体由于流动而有摩擦损失，流体的压强沿管长（ ），流速（ ）。A）增加B）减少C）不变D）不定4、流体在等径水

14、平直管的流动系统中，层流区：压强降与速度（ ）成正比。极度湍流区；压强降与速度（ ）成正比。5.流体在圆管中流动，若Re值小于_，则其流动状态为层流，速度分布曲线为_线，平均流速与最大流速的关系为_；若流体为理想流体，则其摩擦阻力_；速度梯度_。6.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 层流的雷诺数浮力，故转子沉在底部。浮力，故转子沉在底部。当流体流入时，转子受到重力和流体施加的向上的当流体流入时，转子受到重力和流体施加的向上的力（流体摩擦力的反作用力，包括浮力和升力），力（流体摩擦力的反作用力，包括浮力和升力），因（浮力升力）因（浮力升

15、力）重力，故转子将上升。重力，故转子将上升。转子流量计转子流量计测量原理：测量原理： u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 随着转子的上浮，环隙面积逐渐增大，随着转子的上浮，环隙面积逐渐增大，环隙内流速将减小，于是升力也随之减小。环隙内流速将减小，于是升力也随之减小。 当转子上浮至某一高度时，升力与净当转子上浮至某一高度时，升力与净重力（重力浮力）相等，转子受力达重力（重力浮力）相等，转子受力达到平衡，并停留在这一高度上。到平衡，并停留在这一高度上。 转子流量计就是依据这一原理，用转子转子流量计就是依据这一原理，用转子的位置来指示流量大小的。的位置来指示流量大小的。 测量原

16、理：测量原理： u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 fffAuuAzzgApp212010012 重重力力升升力力浮浮力力 fpA gVAppfff 01先按理想流体推导。先按理想流体推导。在在1-11-1面、面、 0-00-0面间列伯努利方程：面间列伯努利方程：若将转子视为一圆柱体，有：若将转子视为一圆柱体，有： fffAuugVApp2120012 对转子作受力分析：对转子作受力分析： gVAuufff 21202 u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 gVAAAufff 21020121100AuAu fffAgVAAu 2112100 fffR

17、AgVCu 20 考虑到实际转子不是圆柱状、流体非理考虑到实际转子不是圆柱状、流体非理想，将上式加一校正系数，得：想，将上式加一校正系数，得： u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 fffRAgVACAuV 2000常 数变量流量系数 000002gRACAuV对照：孔板流量计对照：孔板流量计常数变量-是环隙雷诺数是环隙雷诺数Re0的函数，其值由实验测定，如图所示。的函数，其值由实验测定，如图所示。由图可见，当雷诺数超过一定值后，由图可见，当雷诺数超过一定值后，CR为常数。为常数。 流量系数流量系数CR 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40

18、0.30 10 102 103 104 105 环隙雷诺数 Re0 CRv转子流量计必须垂直安装转子流量计必须垂直安装v应安装旁路以便于检修。应安装旁路以便于检修。 优点：优点：u读取流量方便读取流量方便u流体阻力小，流体阻力小，u测量精确度较高，测量精确度较高，u能用于腐蚀性流体的测量能用于腐蚀性流体的测量u流量计前后无须保留稳定段。流量计前后无须保留稳定段。缺点：缺点：u玻璃管易碎，且不耐高温、高压。玻璃管易碎，且不耐高温、高压。转子流量计使用、安装中注意事项： ffVV fffRAgVACV 20v读数常需换算：读数常需换算： 转子流量计出厂前流量刻度是用转子流量计出厂前流量刻度是用20 C水或水或20 C、101.3 kPa的空气标定的的，如果使用时被测流体物性（的空