第1章化工原理课件

第1章流体流动与输送机械

1.2流体静力学1.3流体流动的内部结构1.4流体动力学1.5流体流动阻力1.6管路计算1.7流速与流量的测量1.1流体基本性质1.8流体输送机械1.1

流体基本性质流体—气体和液体1.1.1研究的必要性

⑴流体输送----最常见单元操作;①管路配置②W的计算③

F的测量④设备选择流体流动基本原理⑵其它单元操作的重要基础

过程速率—

流动状况放大效应1.1.2连续介质假定

质点

由大量分子构成的微团工程意义：利用连续函数的数学工具,宏观研究流体。足够小，远小于设备的尺寸；足够大，远大于分子自由程。可相对运动，流体任意形变。说明:

将流体视为充满所占空间的、由无数彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。1.1.3流体的压缩性

不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。1.1.4作用在流体上的力

质量力如重力、离心力；表面力

—

作用于流体面压力—垂直剪力—平行—

作用于每个质点，质量

如液体；1.1.5质量力与密度

1、定义：kg/m3说明：不可压缩流体—

与p无关—

液体可压缩性流体—

与p相关—

气体理想气体的密度标态下(1atm,0C)非标态(p,T时)比容m3/kg1.1.6压力（与压强）

1、压力的特性：①流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；②界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；③任意点不同方向上的压力在数值上均相同。2．压强换算：1标准大气压=1atm=1.013105Pa=101.3kPa=1.013bar

=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg(1)单位换算SI单位制：N/m2或Pa；流体柱高度：(2)基准换算——三种表示法①绝对压强②表压强=真实压强-绝对真空③真空度=绝对压强-当地大气压=当地大气压-绝对压强关系图图1-2P9工程测量绝压>1atm压力表表压绝压<1atm真空表真空度说明：表压和真空度是以大气压为基准，要指明大气压;1.2

流体静力学1.2.1流体静力学基本方程

微元受力分析力平衡方程不定积分：z1z2,p1p2定积分：应用于重力场：变形为：压力形式能量形式——流体静力学基本方程说明：适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；

液体——适用,气体——近似适用物理意义：gz—单位质量流体的位能p/—单位质量流体的压强能

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。等压面——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；

p或p可表示为某流体高度：要指明液体种类压力具有传递性：液面上方的压力变化静止流体内不同截面位能与静压能之和相同。多种不互溶流体并存若不同，将流动，高低。【1-1】敞口容器内有不互溶的油和水:

油层高度为h1＝700mm，1＝800kg/m3;

水层高度为h2＝600mm，2＝1000kg/m3。判断

pA与pB,pC与pD

的关系;

h=?hh1h2ABCD1.2.2静力学基本方程的应用1、压力和压差的测量p1p2mRAA’（1）U形压差计

设指示液的密度为被测流体的密度为

说明:

指示液与被测流体不互溶，不反应，大于流体密度；U形压差计也可测得流体的表压或真空度；

p与U型管子的粗细无关；读数R与和0相关，和0越接近，误差越小；常用的指示液：Hg13600kg/m3，H2O1000kg/m3CCl41590kg/m3，煤油850kg/m3被测为气体两式管路水平时:管路倾斜时:（2）双液体U管压差计适用于压差较小的场合密度接近,不互溶两种指示液（3）倾斜式压差计（4）倒U形压差计（5）复式压差计适用于压差较大的情况适用于压差较小的情况指示剂密度小于流体,如空气【1-2】复式U形压差计12332z1z2如图，复式U形压差计,知液体ρ、指示剂ρ0，两读数差R1、R2。试求A、B两点压力差。2、液位测量

（1）近距离液位测量压差计读数反映容器内液面高度液面最高，h为零，R为零。液面越高，h越小，R越小；（2）远距离液位测量AB3、液封高度的计算

液封作用：液封高度：

确保设备安全；防止气柜内气体泄漏。1.3

流体流动的内部结构1.3.1流体的黏性与黏度1.3.3雷诺实验与流型判别1.3.4流体在圆管内的流动1.3.5流体流动边界层1.3.2流体的流量与流速1.3.1

流体的黏性与黏度1．对黏性的感性认识被搅动的液体最终停下颗粒沉降速度，液<<气流体有阻碍自身和它物运动的性质

——黏性2．黏性的本质—动量传递和分子间的引力流过壁面:分子热运动→层间分子交换→层间动量交换→层间作用力→黏性—“内摩擦力”

(黏性力、剪力)说明：①黏性—

分子热运动的宏观表现流动中表现②还取决于分子间引力引力↑，黏性↑③剪力—动量传递速率3、牛顿黏性定律xyua最上层(ux=ua)最下层(ux=0)速度梯度牛顿黏性定律:说明：②牛顿型流体←遵循牛顿黏性定律，

非牛顿型流体←不遵循牛顿黏性定律;①剪应力∝法向速度梯度，比例系数—黏度；③理想流体=0，实际流体

≠0。4、流体的黏度物理意义：与流动相垂直方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。单位换算：SI制

—Pa·sc.g.s制—P(泊)=dyn·s/cm2

影响因素：液体，t↑,↓,P忽略

气体，t↑,↑,P忽略

比较：液体>>气体运动黏度：m2/s1.3.2流体的流量与流速1.流量单位时间内流经管路任意截面的流体量。体积流量qvm3/s,m3/h质量流量

qmkg/s,kg/h平均流速m/s2.流速单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。

对圆形管质量流速

kg/（m2·s）单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。说明：表达气体u时，T,P指明;u为管路截面上的平均流速;常用流体适宜流速范围：

水及一般液体1～3m/s高粘度液体0.5～1m/s低压气体8～15m/s高压气体15～25m/s1.3.3

雷诺实验与流型判别1.雷诺实验现象雷诺实验与层流速度分布2、雷诺实验结论

层流（或滞流）湍流（或紊流）①两种流型流体质点沿轴平行运动质点无径向脉动质点之间互不混合流体质点还有径向脉动各质点的速度随时变化质点互相碰撞和混合②流型判别相关因素：u、d、、量纲分析：无因次数群——雷诺数Re<2000管内总层流——层流区2000<Re<4000管内可层流、可湍流——过渡区

雷诺数（Reynoldsnumber）

判别规律

Re>4000管内总湍流——湍流区说明：②

Re是一个无量纲的准数；③

计算Re时，各物理量要单位一致。

三个流动区域，两种流动型态;

物理意义反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系。Re越大，流体湍动越剧烈。1.3.4流体在圆管内的流动层流：沿流动方向规则一维流动，分层，不混杂；层流：e为湍流黏度,与流动状况有关

2、剪应力湍流：沿流动方向运动外，随机脉动，互混、碰撞。湍流：为不同半径处的点速度1、流体质点运动方式（基本特征）①层流时的速度分布推动力:摩擦力:联立整理:

速度分布方程3、速度分布流动时管截面上质点的速度随半径的变化关系共性：u壁面＝0；壁面管中心u；u中心＝uMAX联立整理:流量平均流速②湍流时的速度分布速度分布方程平均流速经验式:速度分布特点顶部宽，u扯平，均匀;壁面处，速度梯度大当n=7时,1.3.5流体流动边界层1、背景介绍（学派之争）水力学派水动力学派经验地处理工程问题理论地研究理想流体经验方程难于计算理论计算与实际不吻合边界层理论Prandtl,1904基本思想统一的流场不同的制约因素不同的流动特性不同的流体力学模型两个区域边界层、主流区2、边界层的形成与发展平板,来流速度贴壁层u=0---邻近层减速再邻近层减速速度分布流体层相继减速—

离壁，受影响弱基本不受影响外流区—

u受影响的区域边界层—

来流流速的99%说明：流场

=壁附近的边界层

+远壁处的外流区边界层的发展

—

沿流动方向边界厚度层增加du/dy大,考虑du/dy0,0

边界层—

存在着较大速度梯度的流体层区域，流速降为主体流速的99％以内的区域;边界层厚度

—

边界层外缘与垂直壁面间的距离。粘性流体理想流体层流边界层→湍流边界层随x

，，层内du/dy↓粘性力↓层内u惯性力层流→湍流层流边界层边界层的类型湍流边界层—

在平板的前段，边界层内为层流。—

一段距离后，边界层内转为湍流。3、圆管内流动的边界层说明：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；边界层也分为层流边界层与湍流边界层；进口段长度：湍流x0=(40~50)d。湍流边界层湍流主体：

以湍流粘度为主;

过渡层:

分子粘度与湍流粘度相当层流内层（层流底层）：以分子粘度为主。说明：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。4、边界层分离A→C：

A，u，p；C→D：

A，u，p；C点：

速度降为0，S为驻点；CC’以下：

边界层脱离固体壁面倒流,形成涡流,边界层分离边界层分离的必要条件产生大量旋涡；表皮阻力流体具有粘性；

流动过程中存在逆压梯度。边界层分离的后果造成较大的能量损失。流体流动阻力（摩擦阻力）沿壁面流过的流动阻力；形体阻力因固体形状和压力分布不均,造成边界层分离的能量损失。5、小结流型层流湍流判据质点运动方式剪应力与动量通量管内速度分布平均速度边界层小结流型

层流（滞流）

湍流（紊流）

质点运动方式平行于管轴的直线运动

质点无径向混合和碰撞

不规则杂乱运动质点彼此碰撞和混合判据Re≤2000Re≥4000剪应力与动量通量粘性应力；动量传递由分子运动造成，通量小粘性应力+湍流应力；动量传递由分子运动与质点脉动造成,通量大流型

层流（滞流）

湍流（紊流）

管内速度分布

n=7

平均速度

n=7

边界层边界层厚度等于管半径边界层内均为层流流动边界层厚度等于管半径边界层包括:层流内层

—过渡层—湍流主体

1.4

流体流动中的守恒原理1.4.1定态流动与非定态流动1.4.2定态流动系统的质量衡算

——

连续性方程

1.4.3定态流动系统的机械能衡算

——

柏努利方程

1.4.4定态流动系统的动量衡算1.4.1定态流动与非定态流动1、定态流动：2、非定态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，不随时间变化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。1.4.2

定态流动系统的质量衡算对于定态流动系统：1122——

连续性方程定态流动在均匀直管的液体，因摩擦流速下降，对否？问题?——

连续性方程【1-3】如图所示,管路由一段φ89×4mm的管1、一段φ108×4mm的管2和两段φ57×3.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以9×10－3m3/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等,试求水在各段管内的速度。3a123b1.4.3

定态流动系统的机械能衡算——伯努利方程1、理想流体的机械能衡算１１′22′p1,u1p2,u2z1z200′

流体机械能的表达形式位能：zg

[J/kg]动能：u2/2

[J/kg]静压能：ｐ/ρ

[J/kg]②伯努利方程对于不可压缩流体ρ=Const：2、实际流体的机械能衡算外功：We

[J/kg]能量损失：ΣWf

[J/kg]单位重量单位体积[m,J/N][Pa,J/m3]说明：①有效功率[W,J/s]单位时间内流体所得机械功②若流体静止状态，u=0，We=0，ΣWf=0静力学基本方程③—

上游多出的E用于“∑Wf”—

输送机械的作用在于提升上游E流动条件（流向判据）④机械能量守恒与转换Hz2210理想流体E1=E2细→粗:动能→静压能

低→高:静压能→势能可压缩性流体，当时，⑤柏努利方程式适用于不可压缩性流体3、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；计算流出时间。判断流动方向；方程应用说明：

明确流动系统的衡算范围，定出上、下游截面，标明流体的流动方向；选取位能基准面，必须与地面平行；各物理量的单位应保持一致；压力表示方法也应一致，同为绝压或同为表压。【1-4】水在直径为φ32×2.5mm的虹吸管内流动，设管内能量损失忽略不计，po=101.3kPa,试求：管内水的流速及体积流量；

2－2′3－3′4－4′5－5′处流体的压强；

虹吸管高度再提高，会产生什么现象？13′22′31′44′5′6′561.5m0.4m0.6m图1-23例1-13附图1.5m【1-5】如图所示，敞口高位槽A中的水流经文丘里管，其喉径为14mm，将槽B中密度为1400kg/m3的浓碱液抽吸至管内混合成稀碱液送入C槽。输水管的规格尺寸为φ57×3mm，忽略系统能量损失。试确定：当水量为8m3/h时，文丘里管喉部M处的真空度为多少？B槽的浓碱液能否被抽吸至文丘里管内。【1-6】如图有一段等径管路，用U型压差记测定其能量损失。压差计的读数为R，指示剂密度0管内流体的密度为,从A至B的能量损失为hf。试推导一用R表示的hf的表达式。RAB1122【1-7】用泵将水由敞口罐送至吸收塔顶，流量为35m3/h。已知泵的入口管为φ108×4mm,出口管为φ76×3mm，池中水深1.5m,喷淋口高度为20m。水流经所有管路的能量损失为42J/kg（不包括喷嘴)，喷嘴入口处表压为34kPa。设泵效率为60%

，试求泵所需功率。(水密度为1000kg/m3)1.5

流体流动阻力1.5.1直管阻力1.5.2局部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1、阻力的表现形式

流体在等径直管中作定态流动，列出B.E.:有,则：若水平放置:说明:水平安装，流动阻力等于两截面的静压能之差;同一直管，垂直或水平安装的能量损失均相同。2、直管阻力的通式

推动力：摩擦力：令

[J/kg]——

摩擦系数（摩擦因数）其它形式：压头损失压力损失[m][Pa]范宁公式（直管阻力通式）说明：该公式层流与湍流均适用；注意∆p

与∆pf

的区别。3、层流时的摩擦系数速度分布方程式（1-30）若管路水平，有又R=d/2——哈跟－泊谡叶公式（适用于层流、牛顿型流体）说明：呈直线关系；层流，l、d

一定，；

层流，l、VS

一定，。【1-8】

乌氏黏度计通过测量一定体积

V

的流体,流过长度为l的毛细管的时间t，计算流体黏度。现已知:毛细管直径为d=1mm,被测流体密度为1050kg/m3，流体的体积为3.5cm3，流过毛细管的时间为100s，此时液体黏度为多少？解：在毛细管的b截面与c截面处列B.E.，并以C截面为基准面，得：假设毛细管内为层流：检验Re是否在层流范围：在层流范围内，计算结果成立。4、湍流时的摩擦系数湍流的复杂性无法精确计算实验研究①量纲分析法

目的：基础：减少实验工作量；结果具有普遍性，便于推广。量纲一致性,即每个物理方程式的两边不仅数值相等,且每一项都应具有相同的量纲。②白金汉（Buckinghan）π定理

设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本量纲数为m个，则该物理现象可用N＝（n－m）个独立的无量纲数群表示。③湍流时压力损失的影响因素流体性质：，几何尺寸：d，l，（管壁粗糙度）流动条件：u④量纲分析——

欧拉数，表征压力与惯性力之比——雷诺数，表征惯性力与黏性力之比根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即：或——

管道的几何尺寸——

相对粗糙度⑤莫狄（Moody）摩擦因数图过渡区（2000<Re<4000)

将湍流时的曲线延伸查取λ值湍流区（Re≥4000以及虚线以下的区域）

层流区（Re≤2000）λ与无关，与Re为直线关系完全湍流区（虚线以上的区域）

（阻力平方区）λ与Re无关，只与有关

即：一定时，VS一定时，即⑥经验公式

柏拉修斯式（Blasius）适用：光滑管

Re＝5×103～105考莱布鲁克式

Colebrook适用：光滑管与粗糙管湍流区至完全湍流区【1-9】

某输送管线，管长为100m（包括所有阻力的当量长度），管径为100mm，若分别输送如下液体：（1）20℃的水（ρ=1000m3/h，μ=1cP）（2）20℃的硫酸（ρ=1830m3/h，μ=23cP）（3）20℃的甘油（ρ=1260m3/h，μ=1500cP）试计算管内流速为1.0m/s时，三种流体在光滑管路中的阻力损失。解：（1）20℃的水：查图1-36，得：=0.0175

（2）20℃的硫酸：查图1-36，得：=0.033

（3）20℃的甘油：讨论与思考：管壁粗糙度对摩擦系数的影响水力光滑管λ与无关，与Re相关完全湍流粗糙管λ与有关，与Re无关Re，u，hf

？层流时u-1但Fannig中u2hfu

湍流时-1<k<0hfu2+k

1<2+k<2u，hfukhf⑥非圆形管内的流动阻力

当量直径de

套管环隙

内管的外径为d1

外管的内径为d2矩形管

边长分别为a、b说明：②层流时：①Re与Wf中的直径用当量直径计算；正方形C＝57

套管环隙C＝96③流速用实际流通面积计算。1.5.2局部阻力1、局部阻力的计算①阻力系数法表示为动能的某一倍数ζ(局部阻力系数)或②当量长度法将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

即为当量长度，单位m。或(长管输送)(车间管路)②局部阻力系数管件与阀门（详见P43表1-3）突然扩大ζ=0~1管出口ζ出口=1ζ=0~0.5管进口

ζ进口=0.5说明：计算局部阻力时，均以小管中的速度为准。突然缩小②减少流动阻力的途径管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；1.5.2流体在管路中的总阻力①总阻力的计算尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些。经济衡算，经济合理【1-10】

空气经鼓风机送至缓冲罐内稳压后，流经一段出口管段，管内径为d=300mm、l=30m（新无缝钢管），管口以外为大气。各处气体可视为相同,取为1.2kg/m3,粘度为0.018cP。若体积流量为6000m3/h，管路中安装有一个半开的闸阀。试求缓冲罐内空气表压。解：取截面1-1（入口外侧）、2-2（出口内侧），列B.E.：阻力项：1）管入口i=0.52）阀门=4.5查教材P38，表1-1知：新无缝钢管查教材P37，图1-36得：λ=0.01851.6

管路计算1.6.1简单管路1.6.2复杂管路流体从入口到出口是在一条管路中流动,无分支或汇合。并联管路和分支与汇合管路。1.6.1简单管路1、管路特点不可压缩流体管路流量管路阻力2、基本方程连续性方程柏努利方程阻力计算式设计型问题管路不存在输送任务确定d，z&

N操作型问题管路情况确定3、计算类型核算管路输送能力（流量）或某项技术指标。给定管路情况、相对位置及外加功供液量给定管路情况、相对位置及供液量外加功试差12′1′【思考】如图所示输水管路,液面1至截面3的全长300m

(包括所有阻力),截面3至液面2间有闸阀，其余管的直管阻力可以忽略。输水管为603.5mm的水煤气管,其相对粗糙度为0.004，水温20℃。试求闸阀全开和1/4开时：10m20.5m343′4′管路的输水流量；截面3和4处表压。(闸阀1/4开时的局部阻力系数ζ为24)12′1′2343′4′1~2B.E.(z1-z2)恒定关阀u(qV)1~3B.E.

ΣWf,1-3

p3u(qV)4~2B.E.同理可得

p41.6.2复杂管路1、并联管路qVqV1qV2BAqV3①特点主管中的流量为并联的各支路流量之和；并联管路中各支路的能量损失均相等。注意：计算并联管路阻力时，仅取其中一支路即可，不能重复计算。②

流量分配2、分支管路与汇合管路主管中的流量为各支路流量之和；流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等。【1-11】粗汽油，=710kg/m3，用泵抽出，分为两路。一路至分馏塔顶，最大流量为10800kg/h；另一路至解吸塔中部，最大流量为6400kg/h。管路的压头损失为自①至③为2m，自③至④为6m，自③至⑤为5m。这些都是假定各段管路上阀全开，流量达到规定最大值时所算出的值。粗汽油在管内流动时的动压头很小，可忽略。求泵所需有效功率。解：取截面1-1与截面4-4，以地面为基准水平面，列B.E.：取截面1-1与截面5-5，以地面为基准水平面，列B.E.：1.7

流速与流量的测量1.7.1测速管（皮托管