化工原理精要课件

绪论绪论一、化工过程与单元操作二、《化工原理》课程的研究对象、内容与任务三、研究本学科的基本方法四、研究单元过程的四个基本工具五、单位制及单位换算六、要求七、参考书目一、化工过程与单元操作

化工过程——通过对原料进行大规模的加工处理，使其物理性质或/与化学性质发生变化，以生产合格产品的工业过程（又称化学工业的生产过程）。化工过程包含的步骤可分为两大类：（1）以化学反应为主，通常在反应器中进行，如催化裂化，高分子聚合等。（2）不发生化学反应，如蒸馏操作，干燥操作单元操作（UnitOperation)——化工过程中共有的基本物理过程。例如流体输送，蒸馏，吸收，过滤等。化工过程＝若干单元操作＋反应一、化工过程与单元操作化工过程的特点：原料——来源广泛产品——种类繁多加工过程——复杂多样原油泵换热器加热炉汽油煤油轻柴油重柴油重油常压塔例1：常压蒸馏（AtmosphericDistillation)工艺

原油经过沉降罐脱盐、脱水→进入换热器换热→经过加热炉加热→进常压蒸馏塔，得到不同产品。沉降罐

例2：催化裂化(CatalyticCracking)装置两器工艺流程一、化工过程与单元操作单元操作的特点：①单元操作都是物理性操作。在操作过程中只改变了物理状态和物性，并没有发生化学变化。②同一单元操作可以用在不同的工艺过程。③同一工艺过程可以用不同的单元操作来完成。④不同的单元操作有统一的研究对象和统一的研究方法。化工常用单元操作

二、《化工原理》课程的研究对象、内容与任务研究对象：炼油、化工过程。内容：以传递过程和研究方法论为主线，对各单元操作进行系统的研究。经验公式法，数学模拟法任务：培养运用单元操作及与石油加工有关的基本理论，解决石油加工及石油化工单元过程中各种工程实际问题的能力。

单元操作的基本原理；单元操作典型设备的结构；单元操作设备选型设计计算。三、研究本学科的基本方法经验公式法：建立在实验基础上。通过实验直接测得各变量间的关系，得出经验公式。这种方法数学公式较简单，但适用范围窄，没有理论依据。

数学模拟法：对过程的实质有了一定的了解，经过理论分析和数学推导，初步建立数学模型。然后通过实验确定待定参数，得到半经验的定量模型。这种方法是半经验的，但它在一定程度上反映了过程的实质，适用范围较广。

四、研究单元过程的四个基本工具物料衡算：质量守恒原理在化工过程中的应用能量衡算：能量守恒原理在化工中的应用相平衡关系：两相接触时在相间发生物质传递，直至各相的性质（如温度压力和组成等）不再变化为止。化工过程进行的方向和极限。过程速率：指单位时间通过某一指定面积的物质量或热量。主要决定过程设备的尺寸。化工过程进行的快慢。

物料衡算对单元过程：进入的物料量必等于排出的物料量加上该过程积累的量稳定过程（从物料方面）：积累的量ma=0不稳定过程（从物料方面）：积累的量ma≠0例3：在某连续萃取设备中，用循环使用的煤油提取废蜡纸中的蜡。已知：每小时废蜡纸处理量W=200kg/h，其中含25%蜡，75%纸；循环使用的煤油W1中，含3%蜡；用过的煤油为W2，含40.26%蜡；处理过的纸为W3，含11.3%煤油，0.199%蜡。求：①从废纸中提取蜡的质量数；②循环煤油量W1=

？；

③所获得的含蜡煤油量W2=

？

煤油W2kg/h

，含蜡40.26%

循环使用的煤油W1kg/h

，含蜡3%

处理过的蜡纸W3kg/h含蜡0.199%，煤油11.3%

废蜡纸W=200kg/h

含蜡25%

，纸

75%

解：先依题画出示意图（1）每小时从从废纸中提取蜡的质量数在萃取过程中，纯纸的质量不会变化，故在物料计算中，以1kg之为基准会使计算变得比较简单。废纸中含纸的质量数：

200×0.75=150kg/h废蜡纸中蜡对纯纸的质量比：

25/75=0.3333蜡/kg纸处理过的纸中蜡对纯纸的质量比：

每小时提取蜡的质量数：

150×（0.3333-0.00225）=49.66kg/h(2)每小时循环煤油量对图中虚线框作物料衡算，以1h为基准。总物料衡算：

200+W1=W3+W2(A)蜡的衡算：

200×0.25+0.03W1=0.00199W3+0.4026W2(B)前面已算得纯纸量为150

kg/h，因此：将W3的值带入（A)、(B)两式，联解求出每小时循环煤油量W1=100.3kg/h（3）每小时所获得的含蜡煤油量

将W1的值带入式(A)可得W2=130.8kg/hkg/hkg蜡/kg纸根据能量守恒定律，对于连续、稳定的操作过程：

输入系统的总能量

=输出系统的总能量

化工设备中主要涉及机械能衡算和热量衡算，计算方法与物料衡算基本相同，也要确定衡算范围和基准。能量衡算

在炼油和化工生产中，经常会遇到系统处于两相或多相状态，如气液两相共存。当两相接触时，在相与相间会发生物质交换，直到达到平衡状态。这时各相的组成一般是不相等的。我们用xi表示液相组成，yi表示气相组成。我们正是利用这种平衡组成的差别来进行混合物的分离。

相平衡关系

过程速率

指单位时间通过某一指定面积的物质量或热量。它取决于体系的不平衡程度及影响过程变化的诸多其他因素。主要决定过程设备的尺寸。

五、单位制及单位换算（一）单位与单位制一个物理量的大小是通过数值和单位来表示的。通常选定几个必不可少的独立物理量，称之为基本量。所规定的基本量的单位为基本单位。其他物理量的单位可根据其定义或物理方程导出，这些物理量被称为导出量，其单位为导出单位。基本单位和导出单位的和称为单位制。五、单位制及单位换算

1.绝对单位制（物理单位制）厘米·克·秒制(CGS制）及米·千克·秒制（MKS制）2.工程单位制米·千克（力）·秒制3.国际单位制（SI）

7个基本量及其单位，2个辅助单位五、单位制及单位换算

国际单位制的基本单位和辅助单位五、单位制及单位换算（二）单位换算

对同一物理量采用不同单位度量时，需乘以两单位之间的换算因数（不同单位表示时数值大小的关系）例4：将某温度下原油的密度0.9g/cm3换算成kg/m3(SI单位）。解：由于1g=10-3kg,1cm3=10-6m3

则ρ=0.9g/cm3=0.9×10-3kg/(1

×10-6m3)=0.9×103kg/m3例5：将压力P=14.7lbf(磅力)/in2(英寸2)

换算成kPa解：由于1lb=0.454kgf=0.454×9.81N=4.45N1in2=1×(2.54)2cm2=6.45×10-4m2

则1lbf/in2=4.45/6.45×6.45×10-4N/m2=6.9×103Pa=6.9kPaP=14.7lbf/in2=14.7×6.9kPa=101.4kPa六、要求1.出勤率

——三次无故旷课取消考试资格2.作业

——每周一交作业3.成绩评定

——平时成绩：10分（作业及课堂测验）实验成绩：10分 期中考试：20分 期末考试：60分

七、参考书目教材类：1.《化工原理》(第二版）（上、下册），谭天恩、麦本熙、丁惠华编，化学工业出版社，1990.6第二版。2.《化工原理》(上、下册)，天津大学化工原理教研室，姚玉英主编，天津科学技术出版社，1992.11第一版七、参考书目习题类：3.《化工原理示例与练习》，丛德滋、方图南编，华东化工学院出版社，1988.3第一版。4.《化工原理例题与习题》，姚玉英主编，化学工业出版社，1998.5第三版。第一章流体流动习题课作业中存在的问题1.计算时未选取进、出口截面与基准水平面，也未画出图形；2.图形画得太随意，应规范化；3.计算式中不用写量纲，只要保证计算式中的量纲均为SI制即可；4.柏努利方程书写错误；5.压力为表压时，一定要在压力值后面括号内写上“表压”二字；6.g=9.807，最好都与教材上一致；7.在查取当量长度le和摩擦系数λ值时存在误差；8.有同学物理量后边未写量纲；9.对于第19题，有些同学计算中未考虑管径变化引起的局部阻力损失；10.对第20题，有些同学计算中未考虑弯头、闸阀引起的局部阻力损失；11.大多数同学不会做课堂测试的计算题；12.有个别同学抄他人作业的现象。习题13.从容器A用泵B将密度为890kg/m3油品输送到塔C顶部。容器内与塔顶的表压力如本题附图所示，管子的规格为φ114mm×4mm。油品的输送流量为5.4×104kg/h，输送管路的全部阻力损失为122J/kg，试求泵的有效功率。解：取容器A内液面为截面1-1’，管路出口处为截面2-2’，并以O-O’为基准水平面。列截面1-1’和2-2’间的柏努利方程式。已知：p1=0(表压)，p2=2.16×106Pa(表压)，d=114-2×4=106mm=0.106m,z1=2.1m,

z2=36m,u1=0,则泵的有效功率为：习题14.如图1-52所示，从敞口高位槽向精馏塔供料，高位槽内液面维持不

变，塔进料口处的压力为40kPa(表压)，原料液的密度为890kg/m3，

管子直径为φ60mm×3mm，从高位槽至塔的进料管入口处的阻力

损失为22J/kg。试问要维持14m3/h的进料量，高位槽中的液面须高

出塔的进料口多少m?已知：p1=0(表压)，p2=4.0×104Pa(表压)，d=60-2×3=54mm=0.054m,z2=0,u1=0,解：取高位槽液面为1-1’，管子出口处为截面2-2’，并以截面2-2’为基准水平面。列截面1-1’和2-2’间的柏努利方程式。则高位槽中的液面距塔进料口的高度为：

习题16.如本题附图所示，为丙烯精馏塔的回流系统，即回流罐内的丙烯通过回流管返回至精馏塔顶。精馏塔顶的操作压力为1.3MPa(表压)，回流罐内液面上方压力为2.0MPa(表压)。塔内回流管口距回流罐内液面的垂直距离为30m，回流管内径为140mm，丙烯精馏塔的回流量为4×104kg/h，丙烯的密度为600kg/m3，回流管路的全部阻力损失为150J/kg。试问将丙烯从回流罐送到精馏塔顶是否需要泵？解：取回流罐内液面为截面1-1’，塔内回流管出口处为截面

2-2’，并以截面1-1’为基准水平面。列截面1-1’和2-2’

间的柏努利方程式。已知：p1=2.0×106(表压)，p2=1.3×106Pa(表压)，d=0.14m,z1=0,z2=30m,u1=0,该结果表明不需要泵。则：习题19.求如本题附图所示20℃水稳定流动管路的阻力损失(J/kg)。大、小管

的管径分别为φ57mm×2.5mm和φ32mm×2.5mm，绝对粗糙度均为

0.5mm，管路中装有一个全开截止阀，水在大管中的流速为0.5m/s，

其他有关数据如附图所示。解：管路的总阻力损失：

d1=57-2×2.5=52mm=0.052m

d2=32-2×2.5=27mm=0.027m(1)对AC段：由图1-44查得λ1=0.052对A-C段中的弯头，查图1-47得其当量长度为

水由容器进入管AC段的进口局部阻力系数

(2)对CF段：由图1-44查得λ2=0.054查图1-47得全开截止阀的当量长度

DE段中的弯头当量长度为0.8m

查表1-7得管子在C截面处变径的局部阻力系数

所以该管路的总阻力损失为：

习题20.用泵将冷却水从水池输送到冷却塔，已知从水池到泵的吸入口管路的管

径为φ114mm×4mm、长度为10m，在吸入段管路上有1个90o标准弯

头、1个吸滤底阀；从泵的出口到冷却塔顶喷嘴的管路的管径为φ88.5

mm×4mm、长度为36m，在排出段管路上有2个标准90o标准弯头、1个

1/2开度的闸阀。已知水温为20℃，塔内压力为69kPa(表压)，喷嘴进口处

的压力比塔内压力高10kPa，输送管道的绝对粗糙度均为0.2mm，其他数

据如本题附图上所示。要求水的流量为56m3/h，求泵所需的有效功率Ne。

解：取水池内液面为基准水平面，列截面1-1’与截面2-2’间的柏努利方程式:式中：d1=114-2×4=106mm=0.106m，d2=88.5-2×4=80.5mm=0.0805m,z1=0,z2=23m，p1＝0(表压)，p2=79kPa(表压)，u1=0,(1)吸入管A的阻力损失

由图1-44查得λ2=0.027由表1-7查得底阀的局部阻力系数为1.5，进口的局部阻力系数为0.5

由图1-47查得标准弯头的当量长度为3.5m(2)排出管B的阻力损失

由图1-44查得λ2=0.029由图1-47查得1/2开度闸阀的当量长度为12m，2个90o标准弯头的当量长度为7m。(3)整个管路的阻力损失

则泵的有效功率为：习题30.如本题附图所示为一供水系统，高位槽内的水面维持恒定。AB

管段、BC管段和BD管段的内径分别为41mm、25mm和32

mm；它们的管长分别为6m、15m和24m。上述管长均包括各

种局部阻力的当量长度，分流点B处的能量损失可以忽略不计。

全部管路的摩擦系数均可取0.03，且不变化。水的密度和粘度

分别为1000kg/m3和1mPa·s。试计算：

(1)BC、BD两支管路的流量为多少；

(2)当BD支路上的阀门关闭时，BC支路的水流量为多少。

B解：(1)取水槽液面为1-1’截面，C截面处为2-2’截面，并取2-2’截面为基

准水平面。在1-1’截面与2-2’截面之间列柏努利方程：已知：z1=10m，z2=0，p1=0，p2=0，u1=0

B根据分支管路在分流点B处的总比能相等，分支管BC和BD满足以下关系式：已知：zC=zD=0，pC=pD=0(表压），则上式简化为：(a)(b)由(b)、(c)两式，可得到BC管段和BD管段的流量分别为：

VBC＝1.52×10-3m3/sVBD＝2.23×10-3m3/sB(2)取水槽液面为1-1’截面，C截面处为2-2’截面，并取2-2’截面为基准水

平面。在1-1’截面与2-2’截面之间列柏努利方程：已知：z1=10m，z2=0，p1=0，p2=0，u1=0

即V＝1.55×10-3m3/s则BC支路的水流量为B

1.某流体在圆形直管中做层流流动时，其速度分布是_______型曲

线，其管中心最大速度为平均流速的_____倍，摩擦系数λ与Re

的关系为______。

2.流体流动的连续性方程是____________；适用于不可压缩流体流

动的连续性方程是_____________。

3.孔板流量计和转子流量计的最主要区别在于：前者是恒______，

变______；后者是恒______，变_________。

4.流体在管内做湍流流动时（不是阻力平方区），其摩擦系数λ随______和_________而变。

5.处于同一水平面高的流体，维持等压面的条件是_____________。

6.测流体流量时，随着流体流量增加，孔板流量计两侧压差值将

___________，若改用转子流量计测量，当流量增大时，转子两端压差值将_____________。毕托管测量管道中流体的__________,而孔板流量计则用于测量管道中流体的_________________。

水在敞口恒液位的高位槽通过一管道流向压力恒定的反应器，当管道上的阀门开度减小后，水流量将

，阀门的阻力系数将

，摩擦系数

，管道总阻力将

。

有一并联管路，两端管路的流量、流速、管径、管长及流动阻力损失分别为V1,u1,d1,L1,hf1及V2,u2,d2,L2,hf2。若d1=2d2,L1=2L2，则：

(1)hf1/hf2=______;

(2)当两段管路中流体均作层流流动时，V1/V2=______;

(3)当两段管路中流体均作湍流流动时，并取λ1=λ2，则

V1/V2=_______。

从自来水总管引一支路AB向居民楼供水，在端点B分成两路各通向一楼和二楼。已知管段AB、BC和BD的长度(包括管件的当量长度)各为100m，10m和20m，管径皆为30mm，直管摩擦阻力系数皆为0.03，两支路出口各安装一球心阀。假设总管压力为3.43×105Pa(表压)。试求：

(1)当一楼阀门全开(ξ=6.4)，高度为5m的二楼能否有水供应？此时管路AB内流量为多少？

(2)若将一楼阀门关小(ξ=7.5)使其流量减半，二楼最大流量为多少？

解：(1)首先判断二楼是否有水供应，为此，可假设支路BD流量为零，

并在截面A和1-1之间列机械能衡算式：

在截面A与B之间列机械能衡算式，得此结果表明二楼无水供应。此时管路AB内的流量为

(2)设一楼流量减半时，二楼流量为V2，此时管段AB内的流速为：管段BD内的流速为在截面A与2-2之间，列机械能衡算式解得：V2＝8.07×10-4m3/s

在相同的容器1、2内填充高度为1m和0.5m的固体颗粒，并以相同的管路并联组合，两支路的管长皆为5m，管径均为200mm，直管阻力系数为0.02，每支管安装一闸阀，容器1和2的局部阻力系数各为10和5。已知管路的总流量为0.3m3/s，求：

(1)当两阀门同时全开时，两支路的流量比和并联管路的阻力损失。

(2)当两阀门同时关小至ζC=ζD＝30时，两支路的流量比及并联管路的阻力

损失有何变化？

解：由物料守恒关系,得

由机械能衡算式得(1)当两阀门全开时：

(a)(b)由(a)、(b)式得并联管路的阻力损失为(2)当两阀门同时关小时：(c)由(a)、(c)式得并联管路的阻力损失为化工常用单元操作

研究单元过程的四个基本工具物料衡算：质量守恒原理在化工过程中的应用能量衡算：能量守恒原理在化工中的应用相平衡关系：两相接触时在相间发生物质传递，直至各相的性质（如温度压力和组成等）不再变化为止。化工过程进行的方向和极限。过程速率：指单位时间通过某一指定面积的物质量或热量。主要决定过程设备的尺寸。化工过程进行的快慢。

第一章流体流动第一章

流体流动

流体及其主要性质流体静力学基本方程式*机械能平衡方程式——柏努利方程阻力损失计算*复杂管路计算流量测量

第一节流体及其主要性质

流体——液体和气体统称为流体。液体————不可压缩流体气体————可压缩流体

第一节流体及其主要性质

流体及其特点液体：分子间距离小。所以分子间吸引力较大，具有一定的体积，在容器中能形成一定的自由表面。体积随温度、压力的变化很小，可视为不可压缩的流体。气体：没有一定的体积。总是充满容纳它的整个容器。体积随温度、压力的变化较大，可视为可压缩流体。第一节流体及其主要性质

流体流动规律是本门课程的重要基础，主要原因是：①流体的输送；②压强、流速和流量的测量；③为强化设备提供适宜的流动条件。

第一节流体及其主要性质

连续性假设：质点：

指的是一个含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由程却要大得多。

假定流体是由大量质点组成的、彼此之间没有空隙、完全充满所占空间的连续介质。第一节流体及其主要性质流体的物理性质*

流体的密度

*流体的相对密度（比重）和比重指数

*流体的粘度

第一节流体及其主要性质

一、流体的密度单位体积流体具有的质量称为密度，用符号ρ表示。１.纯物质的密度２.混合物的密度

一、流体的密度流体密度的确定方法气体纯物质混合物液体纯物质混合物查图表或测定二、流体的相对密度和比重指数

对于液体，其相对密度是指该流体的密度与277.15K(即4ºC)时纯水的密度之比，也称为流体的比重。

在欧美各国，常用15.6ºC时纯水的密度作为参考物质计算液体的相对密度。在石油行业常采用ºAPI(API度，或比重指数）表示油品的轻重。三、流体的粘度1.流体的粘性

流体抵抗相邻流体层发生相对运动的性质称为流体的粘性。2.牛顿粘性定律3.流体的粘度当流体流动的速度梯度等于1时，单位面积上由于流体的粘性所产生的内摩擦力的大小。粘度的单位未Pa·s(SI制)或P(泊，物理制)。4.流体的运动粘度m2/sFBAyxuΔyΔuu=0平板间流体流速变化图二、流体的压力

流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的静压强，简称压强。工程上有时习惯称压力，用p表示。

第二节流体静力学第二节流体静力学压力的基准： 表压真空度绝对压力绝对压力当时当地大气压绝对真空表压＝绝对压力－大气压力真空度＝大气压力－绝对压力＝－表压 20kPa(表)20kPa(绝)20kPa(真)压力的单位： ①按压力定义：SI单位制中N/m2=Pa；②间接以流体柱高表示，但必须指明流体种类，常用的有mmHg，mH2O柱；③以大气压为计量单位。当地大气压是在变化的，作为计量单位用的是标准物理大气压，atm。工程上以kgf/cm2为单位称工程大气压，at。１atm＝1.013×105Pa＝1.033at＝10.33mH2O＝760mmHg第二节流体静力学

二、流体的压力流体静力学

研究静止状态时流体在外力作用下的平衡规律。

实质上是研究静止流体压力的分布规律。

流体的静压强

流体单位面积上所受的力称为流体的静压强。习惯上称压力。

第二节流体静力学

三、流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式的两种表达形式：。p+dppzdz描述静止流体内部压力分布的数学表达式，称为流体静力学基本方程式第二节流体静力学

三、流体静力学基本方程式1静止液体内部的压力仅是高度的函数，与容器大小和形状无关。2自由液面上的压力p0↑，液体内各点压力p↑。——压力传递原理。3在静止的、连续的同一液体同一水平面上各点的压力相等。4气体为可压缩流体，基本方程式不适用于气体，但在空间小、压力变化不大时，ρ≈常数，可用于气体。因为ρg<<ρL，∴认为整个气体空间p相等。流体静力学方程式的应用

*压强或压强差测量*液面的测量*液封高度的计算对指示液的要求：①不互溶；②不反应；③r0>r。

p1p2z1h1z2h2Rr0

rab●●且对气体：第二节流体静力学

四、流体静力学基本方程式的应用1.Ｕ形管压差计测压强或压强差Ｕ形管压差计测压强或压强差①两取压口不在同一水平面p1p2z1h1z2h2Rρ0ρab●●即：第二节流体静力学

四、流体静力学基本方程式的应用例1-2:敞口容器内装有油和水。

paOO´h1h2BB´AA´h已知：ρ油=800kg/m3

h1

=700mmρ水=1000kg/m3

h2=600mmpa=740mmHg求：(1)

pA=pA´?

pB=pB´?

pO=pO´?

(2)

pA=?

(3)h=?为便于安装、测量，一般要求R<1500mm=1.5m。当R读数过大时，可采取的措施：①可使r０↑→R↓；②可采用复式压差计。1.

Ｕ形管压差计测压强或压强差

②R读数过大 Ｒ１Ｒ２PaPbPba第二节流体静力学

四、流体静力学基本方程式的应用当Ｒ读数过小时，读数的相对误差会较大。此时可采取以下措施：①使r０↓→Ｒ↑；②使用斜管压差计；③使用微差压差计（双液杯式微压计）。1.

Ｕ形管压差计测压强或压强差

③R读数过小 RR′α第二节流体静力学

四、流体静力学基本方程式的应用流体ρ11´2´2z1z2ABRρg倒装U形管压差计

微差压差计最原始的液位计如下图所示：

缺点：①易于破损；

②不便于远处观测。第二节流体静力学

四、流体静力学基本方程式的应用2.液位测量RrArhZ1Z22.液位测量第二节流体静力学

四、流体静力学基本方程式的应用2.液位测量第二节流体静力学

四、流体静力学基本方程式的应用Z气体p塔底液封，应略大于计算的z值；气柜液封，应略小于计算的z值。第二节流体静力学

四、流体静力学基本方程式的应用3.液封 液封例1—4:已知：使用普通U形管压差计测量水平的气体管路上两截面1，2间的压力差，指示液为水，ρ0=1000kg/m3

压差计的读数为

R=12mm,改用微差压差计时，ρ1（酒精）=920kg/m3ρ2（煤油）=850kg/m3求：R可放大到多少？（微差压差计液杯直径为D=60mm,U形管压差计直径为d=6mm）hΔhΔh微压计未与管路相通时，两臂指示液界面位于同一平面。此平面与杯内液面的距离为h。与管路相通后，左侧界面下降了R/2，右侧界面上了R/2，同时，左侧杯内液面下降了右侧杯内液面上升了由p3=p4可得34液封高度的计算

气体pppaRpaΔhpG=2.9t补充习题：一湿式煤气罐如图所示。罐体浮顶内径为6m，浮顶重为2.9吨，外界大气压为735.5mmHg。

求：(1)罐内煤气压力为多少mmH2O(绝)？(2)罐内外水面差Δh=？mm

(3)若使煤气压力p达到1860Pa(表)，罐顶需加多少kg压力？

第一章流体流动1.牛顿粘性定律第四节流体的流动阻力

一、流体的粘度uFu=0内摩擦力——运动着的流体内部相邻两流体层之间的相互作用力。粘性——流体抵抗相邻流体层发生相对运动的性质称为流体的粘性。确定流体流动时内摩擦力大小的物理性质。粘度——当流体流动的速度梯度等于1时，单位面积上由于流体的粘性所产生的内摩擦力的大小。粘度的单位未Pa·s(SI制)或P(泊，物理制)。衡量流体粘性大小的物理量。2.非牛顿型流体牛顿型流体与非牛顿型流体特性类型典型举例特点剪应力表达式

牛顿型流体气体、水、大多数液体剪应力正比于法向速度梯度非牛顿型流体塑性流体牙膏、泥浆、油墨等剪应力超过某临界值后才能流动，剪应力正比于法向速度梯度假塑性流体高分子溶液、油漆等表观粘度随速度梯度的增大而降低涨塑性流体塑料溶液，高固体含量的悬浮液等表观粘度随速度梯度的增大而增加第四节流体的流动阻力

二、流体流动的类型（层流与湍流）1883年英国著名科学家雷诺(OsborneReynolds)进行的实验

——雷诺实验流动型态层流：流速较小时，可看到一条稳定的直线。表明此时流体各个质点互不混杂，平行于管轴向前运动。过渡流：随着流速的增加，有颜色的直线开始出现波浪。湍流：速度再增大，流体质点不仅沿管轴运动，而且还做不规则的横向运动。

45°lgHflguabcdelguclguc´雷诺数的物理意义

雷诺数：由影响流型的管径d、流速u和流体的粘度μ、密度ρ等因素组成的无因次数群,以Re表示。雷诺数的物理意义为流体流动时惯性力与粘性力之比.

层流：Re≤2000

湍流：Re>2000粘性力：使流体保持层流的趋势。惯性力：使流体做不规则的自由运动，流动趋于湍流。边界层概念

在工程上，通常把流速为零的壁面到流速等于主体流速u∞的99%处之间的区域称为边界层。

第四节流体的流动阻力

三、边界层的概念1.边界层的形成与发展第四节流体的流动阻力

三、边界层的概念2.边界层的分离1.直管阻力损失的计算通式 第四节流体的流动阻力

四、直管阻力损失的计算——范宁(Fanning)公式直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力。2.流体层流时的速度分布和摩擦因数

第四节流体的流动阻力

四、直管阻力损失的计算

哈根—泊谡叶(Hagen-Poiseuille)方程3.湍流时的速度分布和摩擦因数

第四节流体的流动阻力

四、直管阻力损失的计算

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：分子粘度与湍流粘度相当；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。

（1）湍流时的速度分布第四节流体的流动阻力

四、流体直管阻力损失的计算圆管内层流与湍流的比较项目层流湍流剪应力速度分布平均速度动能第四节流体的流动阻力

四、流体直管阻力损失的计算（2）湍流时的摩擦因数常见工业管道的绝对粗糙度金属管e/mm非金属管e/mm无缝黄铜管、铜管及铝管0.01～0.05干净玻璃管0.0015～0.01新的无缝钢管或镀锌铁管0.1～0.2橡皮软管0.01～0.03新的铸铁管0.3木管道0.25～1.25具有轻度腐蚀的无缝钢管0.2～0.3陶土排水管0.45～6.0具有显著腐蚀的无缝钢管0.5以上很好整平的水泥管0.33旧的铸铁管0.85以上石棉水泥管0.03～0.8第四节流体的流动阻力

四、流体直管阻力损失的计算3.湍流时的摩擦因数

因次分析法第一步：析因试验——寻找影响过程的主要因素第二步：无因次化——减少变量数第三步：数据处理——实验结果的正确表达摩擦系数λ雷诺数Re相对粗糙度ε/d0.0000010.000010.000050.00020.00060.0020.0060.010.020.05光滑管层流湍流完全湍流过渡区第四节流体的流动阻力

四、流体直管阻力损失的计算

3.湍流时的摩擦因数经验公式Re=(5～100)×103柏拉修斯（Blasius)公式Re=(4～105)×103e/d=1×10-6～0.05柯尔布鲁克（Colebrook)公式1.阻力系数法将局部阻力表示为动能的某一倍数。

第四节流体的流动阻力

五、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。

2.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。常见管件及阀门的阻力系数及当量长度[53]名称zle/d名称zle/d45◦标准弯头0.3517闸阀(全开)0.17990◦标准弯头0.7535闸阀(半开)4.5225180◦回弯头1.575标准阀(全开)6.0300标准三通管150标准阀(半开)9.5475管接头0.042止逆阀(球式)70.03500活接头0.042止逆阀(摇板式)2.0100第一章流体流动1.当量直径de及水力学半径rH第四节流体的流动阻力

五、非圆形直管的阻力损失de=4(流动截面积）/润湿周边长度de=4rH此法一般适用于湍流时的阻力损失计算层流：

非圆形直管的阻力损失时，只能用当量直径de代替雷诺数和计算阻力损失公式中的直径d，而不能用de计算其中的流速u,流速通过实际流动截面积计算。1.阻力系数法将局部阻力表示为动能的某一倍数。

第四节流体的流动阻力

六、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。

第四节流体的流动阻力

六、局部阻力2.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。阻力计算通式为：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。常见管件及阀门的阻力系数及当量长度名称zle/d名称zle/d45◦标准弯头0.3517闸阀(全开)0.17990◦标准弯头0.7535闸阀(半开)4.5225180◦回弯头1.575标准阀(全开)6.0300标准三通管150标准阀(半开)9.5475管接头0.042止逆阀(球式)70.03500活接头0.042止逆阀(摇板式)2.0100简单管路——没有分支与汇合的单一管路复杂管路——有分支与/或汇合的管路，包括最为复杂的管网按管路配置分类：区别：是否有分流或合流第五节管路计算条件：1-1液位恒定，定态流动，管径相同。AB1122阀门关小，A、B点压力如何变化？第五节管路计算

一、阻力对管内流动的影响结论：①任何局部阻力的增加将使管内各处的流速下降；

②下游阻力增大将使上游压强上升；

③上游阻力增大将使下游压强下降。阀门A关小，各参数如何变化？AB1122330结论：关小阀门使所在支管的流量下降，与之平行的支管内流量上升，但总的流量还是减少了。第五节管路计算

一、阻力对管内流动的影响1.简单管路的计算表示简单管路中各参数间关系的方程如下：

连续性方程：Bernoulli方程：阻力计算式：摩擦系数计算式：第五节管路计算

二、管路计算

已知管径、管长、管件和阀门的设置及流体的性质、输送量，求通过管路的能量损失，以便进一步确定输送设备所加入的外功、设备内的压强或设备间的相对位置等。即已知：

求：∑Wf→WS或p2或Dz步骤：①qV,d

,r

,m→Re→流动形态；

②Re,e/d→l→∑Wf

；

③Bernoulli方程→确定一个未知数WS或p2或Dz

。第五节管路计算

二、管路计算1.简单管路的计算第一类问题：顺序求解

已知管径、管长、管件和阀门的设置、流体的性质及允许的能量损失，求流速或流量。即已知：

求：u（qV）步骤：①设l设→②u,d

,r

,m→Re→流动形态

③Re,e/d→l计

④l设≠l计→①/l设=l计→qV=0.785d2u第五节管路计算

二、管路计算1.简单管路的计算第二类问题：迭代求解第五节管路计算

二、管路计算

【例题】——简单管路已知管长为20m，管径为53mm，高位槽的安装高度为4m。管路中有一个标准直角弯头，一个闸阀。已知水温为20℃，高位槽液面上方压强为大气压。当闸阀开度为1/2时，流量为多少？当闸阀全开时，流量又为多少？

已知管长、管件和阀门的设置、流体的性质及流量，求管径。即已知：

求：d第五节管路计算

二、管路计算1.简单管路的计算第三类问题：优化求解如补充已知条件∑Wf，则退化为第二类问题。uuopt设备费总费用费用操作费第五节管路计算

二、管路计算2.复杂管路的计算特点：①总流量等于各支管流量之和，即：

②可对任一支管，列出分支或汇合前后的机械能守恒式。对并联管路：第五节管路计算

二、管路计算

【例题】——并联管路在相同的容器1，2内填充高度为1m和0.5m的固体颗粒，并以相同的管路并联组合。两支路的管长皆为5m，管径皆为200mm。直管阻力系数为0.02。每支管安装一闸阀。容器1和2的局部阻力系数各为10和5。已知管路的总流量为0.3m3/s，试求：①当两阀门全开时，两支路的流量比和并联管路的阻力损失；

②当两阀门同时关小至zC=zD=30时，两支管的流量比及并联管路的阻力损失有何变化？12CDAB第五节管路计算

二、管路计算

【例题】——并联管路

①阀门全开②阀门半开讨论：

①对于并联管路，若各支管阻力不等，即使直径相同，也会导致流