化工原理第一章-流体流动

1、石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering q流体的输送流体的输送：根据生产要求，往往要将这些流体按照生产根据生产要求，往往要将这些流体按照生产程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成流体输送流体输送的任的任务，实现生产的连续化务，实现生产的连续化。q压强、流速和流量的测量压强、流速和流量的测量：以便更好的掌握生产状况。以便更好的掌握生产状况。q为强化设备提供适宜的流动条件为强化设备提供适

2、宜的流动条件： 除了流体输送外，除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下进行的，以便降低传递阻力，减小设备尺寸。流体流动状态下进行的，以便降低传递阻力，减小设备尺寸。流体流动状态对这些单元操作有较大影响。对这些单元操作有较大影响。 流体的研究意义流体的研究意义石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 日常生活中流动现象：流动现象：煤 气 洗 涤 塔 工业生产过程中煤气煤气水孔板流量计泵水封填料塔水池石油化工学院石油化工学院-Department

3、of Petrochemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 主要内容主要内容1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式1.3 1.3 流体流动的基本方程流体流动的基本方程1.4 1.4 流体流动现象流体流动现象1.5 1.5 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力1.6 1.6 管路计算管路计算1.7 1.7 流量测量流量测量石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工学院石油化工学

4、院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 流体的特征流体的特征：具有流动性。即具有流动性。即q抗剪和抗张的能力很小；抗剪和抗张的能力很小；q无固定形状，随容器的形状而变化；无固定形状，随容器的形状而变化；q在外力作用下其内部发生相对运动在外力作用下其内部发生相对运动。流体流体: 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称在剪应力作用下能产生连续变形的物体称为流体。如气体和液体。为流体。如气体和液体。第一节第一节 概概 述述石油化工学院石油化工学院-Dep

5、artment of Petrochemical Engineering 但是，人们但是，人们感兴趣的不是单个分子的微观运动，感兴趣的不是单个分子的微观运动，而而是流体宏观的机械运动，故可以取流体质点而不是单个是流体宏观的机械运动，故可以取流体质点而不是单个分子作为最小考虑对象。分子作为最小考虑对象。2 连续性假定：连续性假定： 在研究流体流动规律时，流体流动并非指其内部分子的在研究流体流动规律时，流体流动并非指其内部分子的微观运动，而是流体内部连续的流体质点的宏观运动，微观运动，而是流体内部连续的流体质点的宏观运动，即将即将流体视为无数流体微团流体视为无数流体微团或质点组成或质点组成的连续介

6、质的连续介质。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 4 4 适用范围：适用范围： 绝大多数情况适用，但高真空下的气体不能作为连续绝大多数情况适用，但高真空下的气体不能作为连续性介质。性介质。1 1 拉格朗日法：拉格朗日法：选定一个流体质点，跟踪观察，选定一个流体质点，跟踪观察，描述其运动参数（如：位移，速度等）与时间的描述其运动参数（如：位移，速度等）与时间的关系。关系。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 3. 3. 两种方法的区别：两种方法的区别：拉格朗日

7、法：拉格朗日法：描述的是同一质点不同时刻的状态描述的是同一质点不同时刻的状态。欧拉法：欧拉法：描述空间各点的状态及其与时间的关系描述空间各点的状态及其与时间的关系。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 如：流速如：流速 定态：定态：u=u=f(x,y,zf(x,y,z) ) 桶内液面维持不变放水。桶内液面维持不变放水。 非定态：非定态：u=u=f(x,y,z,tf(x,y,z,t) ) 桶内液面变化放水。桶内液面变化放水。 连续生产过程中的流体流动，多视为稳定流动，连续生产过程中的流体流动，多视为稳定流动，在开工或停工阶段，则

8、可能属于不稳定流动。在开工或停工阶段，则可能属于不稳定流动。生产以生产以稳定流动为主。稳定流动为主。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 系统系统与外界可以有力的作用与能量的交换，与外界可以有力的作用与能量的交换，却无质量交换。却无质量交换。 其边界随流体一起运动，因而其边界随流体一起运动，因而其形状和大其形状和大小可随时间而变化。小可随时间而变化。 拉格朗日法考虑。拉格朗日法考虑。石油化工学院石油化工学院-Departm

9、ent of Petrochemical Engineering u构成控制体的空间界面称为构成控制体的空间界面称为控制面控制面，控制面总是，控制面总是封闭的固定界面；封闭的固定界面；u流体可流体可自由进出自由进出控制体，控制面上可控制体，控制面上可有力的作用有力的作用与能量的交换。与能量的交换。u控制体采用控制体采用欧拉法欧拉法考虑流体。考虑流体。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 一一. . 体积力：体积力：作用与流体的每一个质点上，并与流体作用与流体的每一个质点上，并与流体的质量成正比。所以也称质量力，对于均质流体（的

10、质量成正比。所以也称质量力，对于均质流体（不变）也与流体体积成正比。如：重力，离心力。不变）也与流体体积成正比。如：重力，离心力。二二. . 表面力：表面力：（压力与剪力）表面力与表面积成正比。（压力与剪力）表面力与表面积成正比。作用于流体表面上的表面力可分为：作用于流体表面上的表面力可分为： 垂直于表面的力，即垂直于表面的力，即压力压力，单位面积上的称，单位面积上的称压强压强。平行与表面的力，即平行与表面的力，即剪力剪力，单位面积上称，单位面积上称剪应力剪应力。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 不可压缩流体不可压缩流体：

11、流体的体积如果不随压力及温度变流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体。化，这种流体称为不可压缩流体。 实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如果压压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如果压力或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流力或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流体处理。体处理。 可压缩流体可压缩流体：流体的体积如果随压力及温度变化，流体的体积如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体。则称为可压缩流体。流体的压缩性流体的压缩性石油化工学院石油化工学院-Department

12、 of Petrochemical Engineering 流体静力学流体静力学主要研究流体静止时其内部压强变化的规律。用描述这一规律的数学表达式，称为流体静力学基本方程式。先介绍有关概念。第二节第二节 流体静力学流体静力学石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为vm（1-11-1）式中式中 流体的密度，流体的密度，kg/m3； m 流体的质量，流体的质量，kg； v 流体的体积，流体的体积，m3。 不同的流体密度是不同的，对一定的流体，

13、密度是压力不同的流体密度是不同的，对一定的流体，密度是压力p和和温度温度T的函数，可用下式表示的函数，可用下式表示 ： f（p，T） （1-1-2 2） 1 流体的物理特性1.1 密度石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），可液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），可忽略不计，但其随温度稍有改变。气体的密度随压力和温度的忽略不计，但其随温度稍有改变。气体的密度随压力和温度的变化较大。变化较大。 RTpMvm式中式中 p 气体的压力，气体的压力，kN/m2或或kPa； T 气体的

14、绝对温度，气体的绝对温度，K； M 气体的分子量，气体的分子量，kg/kmol； R 通用气体常数，通用气体常数，8.314kJ/kmolK。(1-3) 当压力不太高、温度不太低时，气体的密度可近似地按理当压力不太高、温度不太低时，气体的密度可近似地按理想气体状态方程式计算：想气体状态方程式计算：石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 上式中的上式中的0 0M/22.4kg/mM/22.4kg/m3 3为为标准状态标准状态（即（即T T0 0=273K=273K及及p p0 0=101.3KPa=101.3KPa）下气体的密度。

15、）下气体的密度。气体密度也可按下式计算气体密度也可按下式计算000 TppT(1-4) 在气体压力较高、温度较低时，气体的密度需要采用真实在气体压力较高、温度较低时，气体的密度需要采用真实气体状态方程式计算。气体状态方程式计算。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用式当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用式(1-3)计计算气体的密度。算气体的密度。气体混合物的组成通常以体积分率表示。气体混合物的组成通常以体积分率表示。对于理想气体，体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。对于

16、理想气体，体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。 Mm My1 + M2y2 + + Mnyn (1-6)式中式中 ：M、M2、 Mn 气体混合物各组分的分子量气体混合物各组分的分子量 m y1 + 2y2 + + nyn (1-5)式中式中 ： 、 2、 n 气体混合物各组分的密度；气体混合物各组分的密度； y1 、 y2 、 yn 气体混合物各组分的摩尔分率。气体混合物各组分的摩尔分率。气体混合物密度计算气体混合物密度计算:石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 液体混合物液体混合物: : 液体混合时，体积往往有所改变。若混

17、合液体混合时，体积往往有所改变。若混合前后体积不变，则前后体积不变，则1kg1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的混合液的体积等于各组分单独存在时的体积之和，则可由下式求出混合液体的密度体积之和，则可由下式求出混合液体的密度m m。式中式中 1、2、，n 液体混合物中各组分的质量分率；液体混合物中各组分的质量分率； 1、2、，n 液体混合物中各组分的密度，液体混合物中各组分的密度，kg/m3； m 液体混合物的平均密度，液体混合物的平均密度，kg/m3。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 1mVv 单位质量流体的体积，称为

18、流体的单位质量流体的体积，称为流体的比容比容，用符号，用符号v表示，表示，单位为单位为m3/kg，则，则亦即流体的比容是密度的倒数。亦即流体的比容是密度的倒数。1.2 1.2 比容比容v v 和比重和比重d d,4水Cd34/1000mkgC水石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 例例1-1 已知硫酸与水的密度分别为已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与与998kg/m3，试求含硫酸为，试求含硫酸为60%(质量质量)的硫酸水的硫酸水溶液的密度。溶液的密度。解：应用混合液体密度公式，则有解：应用混合液体密度公式，则有石油化

19、工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 例例1-2 已知干空气的组成为：已知干空气的组成为：O221%、N278%和和Ar1%(均为体积均为体积%)。试求干空气在压力为。试求干空气在压力为9.81104Pa、温度为温度为100时的密度。时的密度。解：解： 首先将摄氏度换算成开尔文：首先将摄氏度换算成开尔文：100273+100=373K求干空气的平均分子量：求干空气的平均分子量： Mm My1 + M2y2 + + Mnyn Mm =32 0.21+28 0.78+39.9 0.01 =28.96气体的平均密度为：气体的平均密度为：石

20、油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 垂直作用于流体单位面积上的力，称为流体的压强，简称垂直作用于流体单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。习惯上称为压力。作用于整个面上的力称为总压力。压强。习惯上称为压力。作用于整个面上的力称为总压力。在静止流体中，从各方向作用于某一点的压力大小均相等。在静止流体中，从各方向作用于某一点的压力大小均相等。压力的单位压力的单位:v 帕斯卡帕斯卡, Pa, N/m2 (法定单位法定单位);v 标准大气压标准大气压, atm;v 某流体在柱高度某流体在柱高度;v bar（巴）或（巴）或kgf/c

21、m2等。等。1.3 1.3 压力压力石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 1标准大气压标准大气压(atm)=101300Pa =10330kgf/m2 =1.033kgf/cm2 =1.013bar =10.33mH2O =760mmHg换算关系：换算关系：石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 1工程大气压工程大气压(at)=98070Pa =10000kgf/m2 =1kgf/cm2 =0.9807bar =10mH2O =735.6mmHg1kgf/cm2

22、=1工程大气压（工程大气压（at) 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 压力可以有不同的计量基准。压力可以有不同的计量基准。p绝对压力绝对压力（absolute pressure） ：以绝对真空：以绝对真空(即零大气压即零大气压)为基准。为基准。p表压表压(gauge pressure)：以当地大气压为基准。它与绝对压以当地大气压为基准。它与绝对压力的关系，可用下式表示：力的关系，可用下式表示：表压绝对压力大气压力表压绝对压力大气压力p真空度真空度（vacuum）：当被测流体的绝对压力小于大气压时，）：当被测流体的绝对压力小

23、于大气压时，其低于大气压的数值，即：其低于大气压的数值，即：真空度大气压力绝对压力真空度大气压力绝对压力注意注意：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说明时均可按标准大气压计算。明时均可按标准大气压计算。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 图图 绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系（a）测定压力）测定压力大气压（大气压（b）测定压力）测定压力A2, We=0 ，kgJhf/3024dVS2033. 0436005sm/62. 1u1u2,可忽略，

24、u10。将上列数值代入柏努利方程式，并整理得：81. 9/ )308501081. 9262. 1(321zm37. 4石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 3）确定输送设备的有效功率）确定输送设备的有效功率 例：例：如图所示，用泵将河水打入洗涤塔中，喷淋下来后流入下水道，已知道管道内径均为0.1m，流量为84.82m3/h，水在塔前管路中流动的总摩擦损失(从管子口至喷头进入管子的阻力忽略不计)为10J/kg，喷头处的压强较塔内压强高0.02MPa，水从塔中流到下水道的阻力损失可忽略不计，泵的效率为65%，求泵所需的功率。石油

25、化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 分析：分析：求NeNe=WeWs/求We柏努利方程P2=?塔内压强整体流动非连续截面的选取？ 解：解：取塔内水面为截面3-3，下水道截面为截面4-4，取地平面为基准水平面，在3-3和4-4间列柏努利方程：4244323322pugzpugz0 43 uu式中：石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering ，mZmZ2 . 0143

26、?(034PP表压），将已知数据代入柏努利方程式得： 96. 13pg3/1000mkg表压）(117703PaP 计算塔前管路，取河水表面为1-1截面，喷头内侧为2-2截面，在1-1和2-2截面间列柏努利方程。 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering fehpugzWpugz2222221211式中 ：mZmZ6121，01uAVuS2表压），(01P（表压）Pap8230117701002. 062，kgJhf/10?eW21 . 04360082.84sm/3石油化工学院石油化工学院-Department of Petro

27、chemical Engineering 将已知数据代入柏努利方程式 10100082302362gWgekgJWe/4 .91seeWWN .SeVw1000360082.844 .91W2153泵的功率：eNN 65. 02153W3313kW3 . 3石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 4) 管道内流体的内压强及压强计的指示管道内流体的内压强及压强计的指示例例1：如图，一管路由两部分组成，一部分管内径为40mm，另一部分管内径为80mm，流体为水。在管路中的流量为13.57m3/h，两部分管上均有一测压点，测压管之间连

28、一个倒U型管压差计，其间充以一定量的空气。若两测压点所在截面间的摩擦损失为260mm水柱。求倒U型管压差计中水柱的高度R为多少为mm?石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 分析：分析： 求R1、2两点间的压强差柏努利方程式解：解：取两测压点处分别为截面1-1和截面2-2，管道中心线为基准水平面。在截面1-1和截面2-2间列单位重量流体的柏努利方程。fHgpguzgpguz2222121122式中： z1=0， z2=011AVuSu已知204. 04360057.13sm/3石油化工学院石油化工学院-Department of

29、 Petrochemical Engineering 12212.uddu)(26. 0260水柱mmmHf代入柏努利方程式： fHguugpp222211226. 08 . 9275. 0322水柱m17. 0125. 0usm/75. 0石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 因倒U型管中为空气，若不计空气质量，P3=P4=P ghPP水1)(2RhgPP水gRPP12RgPP12gPPR12水柱m17. 0水柱mm170石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering

30、 5）流向的判断）流向的判断 在453mm的管路上装一文丘里管，文丘里管上游接一压强表，其读数为137.5kPa，管内水的流速u1=1.3m/s，文丘里管的喉径为10mm，文丘里管喉部一内径为15mm的玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池内水面到管中心线的垂直距离为3m，若将水视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管中？若能吸入，再求每小时吸入的水量为多少m3/h？石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 分析：判断流向比较总势能求P？柏努利方程 解：在管路上选1-1和2-2截面，并取3-3截面为基准水平面设支管中水为静止状态。在1-1

31、截面和2-2截面间列柏努利方程： 2222121122PugZPugZ石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 式中： mZZ321smu/3 . 11smdduu/77.19)1039(3 . 1)(222112表压）(105 .13751PaP22222112uuPP277.1923 . 11000105 .137223kgJ /08.57石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 2-2截面的总势能为 22gZP381. 908.57kgJ /65.273-3截面

32、的总势能为 00gZP 3-3截面的总势能大于2-2截面的总势能，水能被吸入管路中。 求每小时从池中吸入的水量 求管中流速u柏努利方程在池面与玻璃管出口内侧间列柏努利方程式： 0石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 222 2223213uPgZPugZ式中： ，mZ03mZ3200u表压）(00PkgJP/08.572代入柏努利方程中 ：2381. 908.572 2usmu/436. 7 22015. 04436. 73600hVhm /728. 43石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochem

33、ical Engineering 6）不稳定流动系统的计算）不稳定流动系统的计算 例：例：附图所示的开口贮槽内液面与排液管出口间的垂直距离hi为9m,贮槽内径D为3m，排液管的内径d0为0.04m，液体流过该系统时的能量损失可按 240uhf 公式计算，式中u为流体在管内的流速，试求经4小时后贮槽内液面下降的高度。 分析：分析：不稳定流动系统瞬间柏努利方程微分物料衡算石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 解：解： 在d时间内对系统作物料衡算，设F为瞬间进料率，D为瞬时出料率，dA为在d时间内的积累量， FdDddA d时间内，

34、槽内液面下降dh，液体在管内瞬间流速为u，0FudD204dhDAd24上式变为： dhDudd22044石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering (1) 20udhdDd 在瞬时液面1-1与管子出口内侧截面2-2间列柏努利方程式，并以截面2-2为基准水平面，得： hfPugZPugZ2222121122式中： ，hmZ 1mZ02uu 221PP 240uhf01u石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 25 .4081. 9uh (2) 492. 0hu 将（2

35、）式代入（1）式得： hdhdDd492. 020hdh492. 004. 032hdh11433两边积分： ；，mh9011hmhs2236004，hhdhd936004011433石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering hhh912211433360049211433h h=5.62m 经四小时后贮槽内液面下降高度为： 95.62=3.38m 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 日常生活日常生活应用实例应用实例 w 为何乒乓球掉不下来？为何乒乓球掉不下来？

36、w 为何纸向中间靠拢呢为何纸向中间靠拢呢？石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 在日常生活应用在日常生活应用-喷射式飞机的机翼喷射式飞机的机翼这种飞机的机翼的形状，会使得机翼在空气这种飞机的机翼的形状，会使得机翼在空气中移动时流过上方和下方的流速不一样，因中移动时流过上方和下方的流速不一样，因而产生往上的压力差，如上图。而产生往上的压力差，如上图。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 本节将讨论产生能量损失的原因及管内速度分布本节将讨论产生能量损失的原因及管内

37、速度分布等，以便为下一节讨论能量损失的计算提供基础。等，以便为下一节讨论能量损失的计算提供基础。0)(212212212fuupphzzg第四节第四节 管内流体流动现象管内流体流动现象 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 流体流动类型与雷诺准数流体流动类型与雷诺准数1.1.流体流动型态流体流动型态（1 1）雷诺实验）雷诺实验水水水平玻璃管水平玻璃管水箱水箱细管细管水水溢流堰溢流堰小瓶（密度与水相近）小瓶（密度与水相近）阀阀雷诺实验雷诺实验图（图（a a）层流）层流图（图（b b）湍流）湍流石油化工学院石油化工学院-Depar

38、tment of Petrochemical Engineering 雷诺实验雷诺实验石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering q流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动，各层之间没有质点的迁移。线运动，各层之间没有质点的迁移。q当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，有色细当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，有色细流便出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；流便出现波动而

39、成波浪形细线，并且不规则地波动； q速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著地变化。地变化。 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 流体流动状态类型流体流动状态类型过渡流过渡流： 流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。过渡流不是一种或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。过渡流不是一种流型。流型。q湍

40、流湍流(turbulent flow)或紊流或紊流: 当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流或紊流。流动状态称为湍流或紊流。q层流层流(laminar flow)或滞流或滞流(viscous flow): 当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的

41、流体就如一层一层的同心圆动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。筒在平行地流动。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 影响流体流动类型的因素：影响流体流动类型的因素：流体的流速流体的流速u ；管径管径d；流体密度流体密度；流体的粘度流体的粘度。 u u、d d、越大，越大，越小，就越容易从层流转变为湍越小，就越容易从层流转变为湍流。流。上述中四个因素所组成的复合数群上述中四个因素所组成的复合数群du/，是判断流体流，是判断流体流动类型的准则。动类型的准则。 这数群称为这数群称为雷诺准数或

42、雷诺数雷诺准数或雷诺数( (Reynolds number)Reynolds number)，用用ReRe表示。表示。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 2 2 流型的判据流型的判据 du Re 0002233smkgsmm/skgkg/mm/smsPakg/mm/smRe ud层流（层流（Laminar Flow）：）：Re 4000；2000 Re 4000时，有时出现层流，有时出现湍流，或者是时，有时出现层流，有时出现湍流，或者是二者交替出现，为外界条件决定，称为过渡区。二者交替出现，为外界条件决定，称为过渡区。流型只

43、有两种：流型只有两种：层流和湍流层流和湍流。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 0003)()()(ReTMLTLMLMTLLdu雷诺准数的因次雷诺准数的因次 ReRe数是一个无因次数群。数是一个无因次数群。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 3 3 雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义粘性力粘性力惯性力惯性力）（ duuudu Re质量流速质量流速单位时间通过单位截面积的动量。单位时间通过单位截面积的动量。223222mm/skgmskgmu2222mm/s

44、kgmmm/ssm/skgdu单位面积上流体粘性力单位面积上流体粘性力的大小的大小 当当Re较大时，流体的惯性力大于粘性力，占主导地位，较大时，流体的惯性力大于粘性力，占主导地位，流体的湍动程度大，流体流动形态为湍流；而当流体的湍动程度大，流体流动形态为湍流；而当Re较小时，较小时，流体的粘性力大于惯性力，占主导地位，流体的湍动程度小流体的粘性力大于惯性力，占主导地位，流体的湍动程度小，流体流动状态为层流；即，流体流动状态为层流；即Re越大，流体湍动程度越大。越大，流体湍动程度越大。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 图图1

45、-16速度分布速度分布：流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。 一、流体在圆管中层流时的速度分布一、流体在圆管中层流时的速度分布 由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。速度分布为抛物线形状。速度分布为抛物线形状。管中心的流速最大；管中心的流速最大；速度向管壁的方向渐减；速度向管壁的方向渐减；靠管壁的流速为零；靠管壁的流速为零；平均速度为最大速度的一半。平均速度为最大速度的一半。 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速

46、度分布石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 实验证明，层流速度的抛物线分布规律要流过一段实验证明，层流速度的抛物线分布规律要流过一段距离后才能充分发展成抛物线的形状。距离后才能充分发展成抛物线的形状。 当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度的两倍时，当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度的两倍时，层流速度分布的抛物线规律才算完全形成。尚未形成层流抛物线规律的这层流速度分布的抛物线规律才算完全形成。尚未形成层流抛物线规律的这一段，称为一段，称为层流起始段层流起始段。X X0 00.05dRe0.05dRe

47、 X0滞流边界层滞流边界层石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering RurP1FP2ul1122 如图所示，流体在半径为如图所示，流体在半径为R R 的水平管中作稳定流动。在的水平管中作稳定流动。在流体中取一段长为流体中取一段长为 l l，半径为，半径为r r的流体圆柱体。在水平方向作的流体圆柱体。在水平方向作用于此圆柱体的力有两端的总压力用于此圆柱体的力有两端的总压力( (P P1 1-P-P2 2) )及圆柱体周围表面及圆柱体周围表面上的内摩擦力上的内摩擦力F F。1. 速度分布方程式速度分布方程式石油化工学院石油化工学院-D

48、epartment of Petrochemical Engineering 作用于圆柱体两端的总压力分别为作用于圆柱体两端的总压力分别为P1r2p1P2r2p2式中的式中的p1、p2分别为左、右端面上的压强，分别为左、右端面上的压强，N/m2。式中的负号表示流速沿半径增加的方向而减小。式中的负号表示流速沿半径增加的方向而减小。drdu流体作层流流动时内摩擦力服从牛顿粘性定律，即流体作层流流动时内摩擦力服从牛顿粘性定律，即石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 作用于流体圆柱体周围表面作用于流体圆柱体周围表面2rl上的内摩擦力为

49、上的内摩擦力为 drdurlAF)2(由于流体作等速流动，根据牛顿第二定律，这些力的合力等于零。由于流体作等速流动，根据牛顿第二定律，这些力的合力等于零。故故式中式中 p 两端的压力差两端的压力差(p2p1)。 rlpdrdu221PPF即即石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering crulp24rdrdulp2利用管壁处的边界条件，利用管壁处的边界条件，rR时，时，u0 。可得。可得24Rclp（1-36）)(224rRulp积分积分石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Enginee

50、ring 式式(1-36)(1-36)为速度分布微分方程式。由此式可知，为速度分布微分方程式。由此式可知，速度分布为抛物线形状。速度分布为抛物线形状。（1-36）)(224rRulp当当r =0 时，有时，有24maxRulp石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering （1 1）层流的速度分布与平均速度）层流的速度分布与平均速度层流时管内速度分布层流时管内速度分布)1 (22maxRruuumaxR层流时的速度分布层流时的速度分布平均速度平均速度max21uu 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochem

51、ical Engineering drrRrdrruudSdVlp)(2)2(224lpRRlprVdrrRdVV80224204)()(224rRulpSuV RdrruRurP1FP2l11222. 流量流量石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering max21822842uulpRRRVlpR232dlupAF哈根哈根-泊謖叶方程泊謖叶方程3. 平均流速平均流速石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 湍流：除沿轴向的运动外，在径向上还有瞬时脉湍流：除沿轴向的运动

52、外，在径向上还有瞬时脉动，从而产生漩涡。动，从而产生漩涡。uiuiui12三、流体在圆管中湍流时的速度分布三、流体在圆管中湍流时的速度分布石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 其中其中n = 610与流体的流动状态有关，与流体的流动状态有关，Re越大，越大，n 也越大也越大 。10102 . 3Re7102 . 3Re101 . 16101 . 1Re10466554 nnn时，时，时，时，时，时，湍流时的速度分布湍流时的速度分布drruumaxnRruu1max1速度分布速度分布湍流的速度分布目前还没有理论推导，但有经验公式

53、。湍流的速度分布目前还没有理论推导，但有经验公式。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 1 2 速度分布有两个区域：速度分布有两个区域： 中心中心(较平坦较平坦); 近管壁近管壁(速度梯度很大速度梯度很大); u壁壁=0.3 近管壁有层流底层近管壁有层流底层；4 中间为湍流区；中间为湍流区；5 u越大，层流底层越薄；越大，层流底层越薄； ；6 起始段：起始段：特点：特点：湍流湍流滞流滞流石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 流体作湍流流动时的剪应力流体作湍流流

54、动时的剪应力dydue)(1 与流向垂直的脉动速度使得流体产生涡流粘性。与流向垂直的脉动速度使得流体产生涡流粘性。 湍流流体内部产生的剪应力湍流流体内部产生的剪应力等于分子粘性（层流等于分子粘性（层流粘性）产生的剪应力粘性）产生的剪应力1和涡流产生的剪应力和涡流产生的剪应力e之和，之和，即即石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 4. 4. 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体（1 1）边界层及其形成）边界层及其形成（a）u（b）u（c）u（d）u平壁上边界层的形成平壁上边界层的形成石油化工学院石油化工学院-Department

55、 of Petrochemical Engineering 层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流底层层流底层缓冲层缓冲层 层流边界层与湍流边界层层流边界层与湍流边界层 管内边界层的形成及发展管内边界层的形成及发展L0石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering （2 2）边界层分离）边界层分离0u倒流倒流图图1-25 边界层分离示意图边界层分离示意图旋涡旋涡ABC分离点分离点SS由上述可知：由上述可知： 流道扩大时必造成逆压强梯度；流道扩大时必造成逆压强梯度； 逆压强梯度容易造成边界层的分离；逆压强梯度容易造成边界层的分离；

56、边界层分离造成大量旋涡，大大增加机械能消耗。边界层分离造成大量旋涡，大大增加机械能消耗。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 流体对球体或圆柱体的绕流会产生边界层分离现象，形流体对球体或圆柱体的绕流会产生边界层分离现象，形成旋涡，造成机械能损耗，表现为流体的阻力损失增大。这成旋涡，造成机械能损耗，表现为流体的阻力损失增大。这种阻力称为种阻力称为形体阻力形体阻力。而流体沿管道流过因速度梯度产生剪。而流体沿管道流过因速度梯度产生剪应力所引起的流动阻力称为应力所引起的流动阻力称为表皮阻力表皮阻力（或（或摩擦阻力摩擦阻力）。）。 若流

57、体所经过的流道有弯曲、有突然扩大或缩小，流体若流体所经过的流道有弯曲、有突然扩大或缩小，流体流经管件、阀门等地方，同样会出现边界层分离，产生旋涡，流经管件、阀门等地方，同样会出现边界层分离，产生旋涡，引起能量损耗。故在流体输送中应设法避免或减轻边界层分引起能量损耗。故在流体输送中应设法避免或减轻边界层分离造成的阻力损失。但边界层分离对传热及混合，却有促进离造成的阻力损失。但边界层分离对传热及混合，却有促进作用，有时也要加以利用。作用，有时也要加以利用。石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Depart

58、ment of Petrochemical Engineering 本节是在上节讨论管内流体流动现象基本节是在上节讨论管内流体流动现象基础上，进一步讨论柏努利方程式中能量损失础上，进一步讨论柏努利方程式中能量损失的计算方法。的计算方法。 第五节第五节 流体流动的阻力流体流动的阻力 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 组成组成：由由管、管件、阀门管、管件、阀门以及以及输送机械输送机械等组成的。等组成的。作用作用：将生产设备连接起来，担负输送任务。：将生产设备连接起来，担负输送任务。 当流体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力当

59、流体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力而消耗能量。因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，而消耗能量。因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，必需对管、管件以及阀门有所了解。必需对管、管件以及阀门有所了解。一、管路系统一、管路系统 石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 分类分类：按材料：铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等；按材料：铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等；按加工方法按加工方法：钢管又有有缝与无缝之分；钢管又有有缝与无缝之分；按颜色：按颜色：有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。有色

60、金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。表示方法表示方法：AAB B，其中，其中A A指管外径，指管外径，B B指管壁厚度，指管壁厚度，如如1081084 4即管外径为即管外径为108mm108mm，管壁厚为，管壁厚为4mm4mm。1. 管子管子(pipe)石油化工学院石油化工学院-Department of Petrochemical Engineering 作用作用：改变管道方向改变管道方向(弯头弯头); 连接支管连接支管(三通三通);改变管径改变管径(变形管变形管);堵塞管道堵塞管道(管堵管堵)。螺旋接头螺旋接头卡箍接头卡箍接头弯头弯头三通三通变形管变形管管件管件：管与管的连接部件。