化工基础流体的流动和输送课件

复习化工生产过程是由一系列的______按一定的顺序所组成，在这些单元中，有的主要是______作用,有的主要是_____变化。主要是__________或______________的单元可归纳为传递过程。化学工程中的传递过程包括__________、__________和___________。单元物理化学物理作用物理化学作用动量传递热量传递质量传递复习化工生产过程是由一系列的______按一定的顺序1化工生产中所处理的物料大多数或绝大多数是流体，流体的流动和输送在化工生产中占有非常重要的地位,是必不可少的单元操作之一.第二章流体的流动和输送动量传递过程momentumtransferprocess化工生产中所处理的物料大多数或绝大多数是流体，流体的流动和输2研究的任务：管径选择过小，流体因流动而消耗的能量会显著增大，有时还因此达不到要求的流量；过大，将提高基建费用（1）确定输送流体所需要的能量和设备（2）选择输送流体所需的管径（3）流体流量的测量和控制（4）研究流体的流动形态和条件，作为强化设备和操作的依据研究的任务：管径选择过小，流体因流动而消耗的能量会显著增大，3教学目的：重点难点：掌握流体有关的物理性质和流体静力学方程流体的压强流体的流速和流量流体的粘度流体静力学方程及其应用教学目的：重点难点：掌握流体有关的物理性质和流体静力学方程流42.1.1理想流体和实际流体不具有粘度，因而流动时不产生摩擦阻力的流体。§2.1流体的基本概念及性质流体(fluid)——没有固定形状,能够自由流动理想流体：2.1.1理想流体和实际流体不具有粘度，因而流动时不产生5理想液体：不可压缩，受热不膨胀理想气体：流动时没有摩擦阻力的气体fluid

流体力学(fluidmechanics)流体静力学(hydrostatic)流体动力学(hydrodynamic)实际液体的可压缩性很小，热膨胀系数也不大，但在流动时具有较大的摩擦阻力。理想液体：不可压缩，受热不膨胀理想气体：流动时没有摩擦阻力的6理想气体方程式：以当时条件与标准条件对比时：P是压力,V是气体所占体积,n是摩尔数,R是理想气体常数,T是温度理想气体方程式：以当时条件与标准条件对比时：P是压力,7密度(density):是指单位体积物料所具有的质量,单位液体混合物密度的计算：以1kg混合物为基准混合物中各组分的质量分率液体混合物中各组分的密度Note:忽略体积效应2.1.2流体的基本性质注:流体的密度是温度和压力的函数密度(density):是指单位体积物料所具有的质量,单位液8气体混合物密度的计算：当p不太高,T不太低时,可按理想气体处理Mm—气体平均分子量，或:由于各组分在混合前后质量不变，以1m3混合气体为基准——气体混合物中各组分的体积分率。——在气体混合物的压力下各纯组分的密度，kg/m3。理想气体方程式气体混合物密度的计算：当p不太高,T不太低时,可按理想气体处9比容：比体积(specificvolume)，

是指单位质量物料所具有的体积。单位：比容：比体积(specificvolume)，单位：10压强(pressure):物体单位面积上所受到的流体垂直作用力。压强的单位：国际单位制Pa物理学(cgs制)atm、mmHg、mH2O等。工程单位制千克(力)/厘米2(kgf•cm-2)——工程大气压（atm）工程技术上习用:8公斤蒸汽，是指8kgf•cm-2(表压)的饱和蒸汽；反应釜有5公斤压强，指5kgf•cm-2(表压)的压强。压强的单位换算:1atm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf•cm-21mmHg=0.133kPa1mH2O=9.81kPa1kgf•cm-2=98.1kPa

1bar=100kPa液柱2.1.3流体的压力及其测量压强(pressure):物体单位面积上所受到的流体垂直作用11以液柱表示压强：Ah

[m液柱]Note：①h即为该流体在压力p作用下能上升的高度；②同一p值,因不同流体的密度

不同,其h值也不同，③用液柱高度表示流体的压力时，必须注明是何种流体，必要时还应注明温度以确定流体的密度。以液柱表示压强：Ah[m液柱]Note：①h即为该流体在12压强的基准绝对压(absolutepressure):

以绝对零压为起点的压强称为绝对压强。表压(superatmosphericpressure):

以当时当地大气压为起点的压强。真空度(degreeofvacuum)：

低于当时当地大气压的这部分压强。绝对零压线当时当地大气压(1.0atm)p1(1200mmHg)绝对压表压绝对压真空度p2(500mmHg)绝对压=当时大气压+表压=当时大气压-真空度压强的基准绝对压(absolutepressure):表压13测压仪表机械式的压力表应用流体静力学原理的压力计（1）弹簧管压力表（测表压）测量时，当系统压力大于大气压时，金属弹簧管受压变形而伸张，变形的大小与关内所受的压力成正比。从而带动拨杆拨动齿轮，随之使指针移动，在刻度盘上指出被测量系统的压力。表压测压仪表机械式的压力表应用流体静力学原理的压力计（1）弹簧管14管中盛有与测量流体不互溶的、密度为ρi的指示液。U形管的两侧管分别联接到被测系统的两点。随测量的压力差不同，U形管中指示液显示不同的高度差。当被测的系统中存在的是气体时，由于ρ

ρi，所以

Δp=ρigΔRp1p2

i

Z1Z2△RABZ选取等压面A、B：（2）U型管压强计

——应用流体静力学原理的压强计管中盛有与测量流体不互溶的、密度为ρi的指示液。U形管的两侧15倒置U型管压力计p1p2R以被测液体作为指示液，液体的上方充满空气，空气的进出可通过顶端的旋塞来调节。倒置U型管压力计p1p2R以被测液体作为指示液，液体的上方16（3）微差压力计（测压力差）

主要用于气体系统的测量U形管的两侧管的顶端增设两个小扩大室，其内径与U形管的内径之比>10，其中盛放两种密度相近，并互不相溶的而有明显分界面的液体，如液体石蜡–酒精，水–四氯化碳等。（要求指示液与被测流体互不相溶。）p2–p1=Δp=(ρi–ρi’)gΔRNote:两指示液的密度相差越小，测量的灵敏度越高。

i

i,p2p1△R（3）微差压力计（测压力差）p2–p1=Δp=17例：微差压力计中轻指示液为苯甲醇，密度为1048kg·m-3,重指示液为氯化钙溶液，密度为1400kg·m-3。若将氯化钙溶液密度调整为1200kg·m-3，问测量灵敏度提高多少？解：微差压力计的测压公式为：

Δp=(ρi–ρi’)gΔR当Δp不变时，调整前后的读数变化为：即灵敏度为原来的2.32倍。例：微差压力计中轻指示液为苯甲醇，密度为1048kg·m-18体积流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积，称为体积流量，qv流量(flow,flux)体积流量(volumeflowrate)质量流量(massflowrate)质量流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量，称为质量流量，qm（m3•s-1）。（kg•s-1）。qm=

qv•

摩尔流量:单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量，称为摩尔流量，qn(mol.s-1)

摩尔流量(molarflowrate)2.1.4流量和流速体积流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积，流量(f19流速(velocityofflow)※点速度(spotspeed)：单位时间内流体质点在流动方向上通过的距离，v

r（m•S-1）※平均流速(averageflowrate)：v=qv/A（m•s-1）=4qv/d2※质量流速:单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，kg.s-1.m-2流速(velocityofflow)※点速度(20表2-2工业上管内流体常用的流速范围流动介质流速(m•s-1)液体自然流动粘性流体（油类、硫酸等）一般液体0.1～1.00.5~1.00.5～2.5气体自然流动不大的压强下(鼓风机管路)压缩气体2～48～1515~25蒸汽常压和略高于常压的饱和蒸汽0.1～0.5MPa(表压)饱和水蒸汽15～2520～4021表2-2工业上管内流体常用的流速范围流动介质流速(m•s化工厂中，管道材料在全部材料费中占相当的比重。选用较小管径固然有利于降低基建费用，但在一定的流量条件下，管径越小，流动阻力也随之增大，能耗也将相应增大。因此，合理的管径应综合多方面因素来确定。管径的初选化工厂中，管道材料在全部材料费中占相当的比重。22不是外径，也不是内径，而是近似普通钢管内径的一个名义尺寸。每一公称直径，对应一个外径，其内径数值随厚度不同而不同。公称直径Dg:指标准化以后的标准直径。代表螺纹尺寸的直径，通常指螺纹大径的基本尺寸。无缝钢管、铜管、塑料管：外径规格铸铁管：内径不是外径，也不是内径，而是近似普通钢管内径的一个名义尺寸。每23管径的计算∴qV是由生产任务决定的vd材料费用设备费用阻力能量消耗操作费用优化：两者之和最小一般条件下，可根据选用的流速来对管径进行初步选择，再在此基础上进行多方面的评比来确定使用的管径。v=4qv/d2管径的计算∴qV是由生产任务决定的vd材料费用设备费用24表2-3水管、煤气管的规格公称口径Dg外径mm普通管壁厚mm加厚管壁厚mmmm1015202532401251501721.2526.7533.542.25481401652.252.752.753.253.253.54.54.52.753.253.5444.255.55.5Φa×bmm外径壁厚表2-3水管、煤气管的规格公称口径Dg外径普通管壁厚mm25例：20ºC的水经管道输送，每小时输送72吨。试对出水管

管径进行初选。解：20ºC水的密度为：ρ=998.21000kg·m-3水的体积流量为：按常用流速范围，选择流速为1.5m·s-1，求得管径：流速与流量的关系式为：根据水管、煤气管的规格，可选用Dg125普通管（外径140mm,内径131mm）。d===0.13mv=qv/A=qv/π(d/2)2例：20ºC的水经管道输送，每小时输送72吨。试对出水管26定态流动(steadystate):流体流动的系统中，任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但进水溢流υ=υNOTE：连续操作的化工生产中大多数流动属于定态流动。恒位槽不随时间而改变。空白空白2.1.5定态流动和非定态流动定态流动(steadystate):流体流动的系统中，任一27非定态流动(non-steadystate)=f(t)流动过程中任一截面上流体的性质（如密度、粘度等）和流动参数（如流速、压强等）随时间而改变。NOTE:非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变化，在求算时用微分式子表达，用积分法求解。υ非定态流动(non-steadystate)=f(t282.2.1流体定态流动时的物料衡算

——连续性方程依据：质量守恒定律前提：1、充满导管作定态流动2、没有累积或泄漏截面1截面2qm1=qm2（流体流动的连续性方程）§2.2流体定态流动时的衡算2.2.1流体定态流动时的物料衡算

29导出：

分支管路：总管中的质量流量为各支管质量流量之和。qm=qv•

=A1•v

•

A1•v1•

1

=A2•v2•

2对不可压缩性流体：

1

=

2总管支管1支管2（圆管）导出：分支管路：总管中的质量流量为各支管质量流量之和30123b3a解：

管1的内径为则水在管1中的流速为

管2的内径为则水在管2中的流速为

又水在分支管路3a、3b中的流量相等，则有

即水在管3a和3b中的流速为

管3a及3b的内径为

例:如附图所示，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。123b3a解：管1的内径为则水在管1中的流速为管2的内径312.2.2流体定态流动时的能量衡算流体流动时所具有的机械能：E动=1/2m•v2E位=mgH1）位能(potentialenergy):[J]2）动能(energyofmotion):[J]2.2.2流体定态流动时的能量衡算流体流动时所具有的机械能323）静压能(staticenergy):[J]质量为m、体积为V1的流体，通过1截面所需的作用力F=P1A1，流体推入管内所走的距离s=V1/A1，故与此功相当的静压能1kg的流体所具有的静压能为，其单位为J/kg。1

静压能=F·S=

p3）静压能(staticenergy):[J]质量为m、体33是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的内位能的总和。内能数值的大小随流体的温度和比容的变化而变化。内能（internalenergy）是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成34理想流体(idealfluid)：是指不具有粘度，因而流动时不产生摩擦阻力的流体。理想液体：不可压缩、受热不膨胀理想气体：符合理想气体方程pV=nRT1、理想流体流动的能量衡算若流动过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则理想流体流动时的能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。理想流体(idealfluid)：是指不具有粘度，因而流动35根据连续性方程：m1=m2理想流体的柏努利(Bernoulli)方程[J][J•kg-1][m液柱]对于不可压缩性流体：

1=2截面1截面2依据：能量守恒定律E1=E2理想流体根据连续性方程：m1=m2理想流体的柏努利(Ber36工程上将单位重力的流体所具有的各种形式的能量统称为压头(head)。H位压头(potentialhead)；v2/2g动压头(dynamichead)；p/g静压头(statichead)E/mg工程上将单位重力的流体所具有的各种形式的能量统称37Bernoulli方程的物理意义1、理想流体在导管中作定态流动时，导管任一截面的总能量或总压头为一常数。2、能量在不同形式间可以相互转化，当某一形式的压头的数值因条件而发生变化时，相应地引起其他压头的数值的变化。结论：流体的流动过程实质上是能量的转化过程。流体得以流动的必要条件是系统两端有压强差或位差。Bernoulli方程的物理意义1、理想流体在导管中382、实际流体流动过程的能量衡算实际流体的Bernoulli方程实际流体与理想流体的主要区别：？实际流体流动时存在摩擦阻力HfHeHf每牛顿流体流动时因阻力而消耗的能量，单位m外界加于每牛顿流体的能量，单位mHe2、实际流体流动过程的能量衡算实际流体的Bernoulli方393、Bernoulli方程的应用Bernoulli方程在工程上用以计算流体的流速或流量、流体输送所需的压头和功率以及有关流体流动方面的问题。1、作图：根据题意画出示意图，注明有关参数；2、选截面：正确选取截面，以确定衡算范围；

NOTE：3、Bernoulli方程的应用Bernoulli方程在工程40截面选取必须具备的条件：与流体流动方向垂直；两截面间的流体是连续的；截面应包括题目所给的已知和未知条件3、选基准水平面：任意选取，但常将它与一个截面重合，计算方便。若截面不是水平面，则以中心线进行计算。4、单位要一致：统一使用SI单位；压强的表示方法要一致。截面选取必须具备的条件：与流体流动方向垂直；两截面间的流体是41例1容器间相对位置的计算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。送液管为φ45×2.5mm的钢管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为1.2m（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？？p1=0Pa（表压）；p2=0Pa（表压）例1容器间相对位置的计算从高位槽向塔内进料，高位槽中液位42例2送料用压缩空气压力的确定某车间用压缩空气送20℃的浓硫酸。要求输送量为0.036m3.min-1，管径为Ф383mm，设浓硫酸流经全部管路的能量损失为1.22J.N-1（不包括出口的能量损失），试求压缩空气的压力为多少？15m11’22’压缩空气？例2送料用压缩空气压力的确定某车间用压缩空气送20℃的浓硫43习题流体输送设备所需功率的计算习题用泵将碱液槽中的碱液抽往吸收塔顶，经喷头喷出作吸收剂用。碱池中碱液深度为1.5m,喷头的垂直距离为16m，泵的汲入管为Dg70“，压出管为Dg50“。碱液在喷头口前的静压强按压力指示表为0.3kgf•cm-2(表压)，密度为1100kg•m-3。输送系统中压头损失为3米，碱液柱计划送液量为25t•h-1。若泵的效率为55%，试求泵所需的功率。1.5m16m解：HfHe？12基准面υ1=0m•s-1；υ2=qv/A2=qm/A2•

P1=0Pa(表压)；Hf=3mP2=0.3kgf•cm-2=----Pa(表压)输送所需理论功率（J•S-1）：Pe=He

•g•qm实际需功率：Pa=Pe/

习题流体输送设备所需功率的计算习题用泵将碱液槽中的碱液抽44Bernoulli方程的应用举例6m解：V?v截面1截面2HfHe基准水平面h=0mh1=p1=p2=

1=2=水为不可压缩性流体υ10m•s-1He=0mH2O；Hf=5.7mH2O0Pa（表压）6mh2=0m，？qv=A2•υ2=υ2•d2/4习题高位水槽水面距出水管净垂直距离为6.0m,出水管为Dg70,管道较长,流动过程的压头损失为5.7米水柱,试求每小时可输送水量m3。Bernoulli方程的应用举例6m解：V?v截面1截面2H45Bernoulli方程的应用举例习题喷射泵中水流量为10t•h-1，入口静压强为1.5kgf•cm-2（表压），进口管内径53mm，喷嘴口内径13mm，试求该喷射泵理论上能形成的真空度。设当时外界大气压为101.3kPa，喷嘴很短，且忽略水流动时的摩擦阻力。解：HfHe12喷嘴很短，h1-h20？υ=qv/A压强用绝对压表示：P1=1.598.1+101.3=248.5kPa=0按流动时没有摩擦阻力考虑，Hf=0P2=30.9kPa(绝对压)喷射泵形成的真空度=大气压—绝对压Bernoulli方程的应用举例习题喷射泵中水流量为1046流体静力学基本方程根据用液柱表示压强的方法，p=hg，则在静止液面下面深度h处的压强为：（流体静力学方程）在重力场中，静止流体内任一点的静压力的大小与液体的密度及该点的深度有关，与该点所在的水平位置及容器的形状无关。在连续、静止的同一流体中，在同一水平面上，流体的静压力相等，这样的水平面称为等压面。0ABCDh？液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部,此规律即物理学中的巴斯噶原理.流体静力学基本方程根据用液柱表示压强的方法，p=h47练习水水水Q1:A1、A2、A3的压力是否相同？他们的大小顺序如何？A1A2A3B1B2B3Q2:B1、B2、B3的压力是否相同？C1C2C3Q3:C1、C2、C3的压力是否相同？Q4:D1、D2、D3的压力是否相同？D1D2D3A:A3<A2<A1A:

B3<B2<B1A:

C1>C2=C3A:

D1=D2=D3练习水水水Q1:A1、A2、A3的压力是否相同？A1A2A48乙炔发生器装有水封管,当器内压力过大时通过水封排气至安全处。要控制发生器内压力不超过12kPa（表压）。求水封管应插入水的深度H。乙炔发生器H练习乙炔发生器装有水封管,当器内压力过大时通过水封排气至安全处。49二、流体静力学方程的应用液位计(tankgauge):二、流体静力学方程的应用液位计(tankgauge):50流体静力学方程的应用液封(水封)(waterlute,waterseal,liquidseal):气柜填料Pp0Z气体气体液体液体流体静力学方程的应用液封(水封)(waterlute,wa51pp0P’△R孔板流量计（orificemeter）u0u工作原理：根据流体动力学原理（柏努利方程），流体通过孔口时，因截面积骤然缩小，流体流速随之增大；因流体动压头增大，其静压头骤然缩小。利用U型管压强计测出孔板前后的压强差。三、流体流量的测量pp0P’△R孔板流量计（orificemeter）u52△Ru0u*实际流体流动的阻力损失，孔板处突然收缩造成的扰动以及孔板与导管间装配可能有误差，这些影响因素归纳为孔板流量系数——C0(一般为0.61-0.63)NOTE:

孔板流量计有相当大的压头损失.△Ru0u*实际流体流动的阻力损失，孔板处突然收缩造成的扰53文氏流量计（Venturitube）△Rv0NOTE:压头损失减少到只有读数的10%或更少.文氏流量计（Venturitube）△Rv0NOTE:54毛细管流量计(capillarymanometer)毛细管流量计(capillarymanometer)55转子流量计（flowrator）Note：用于液体的转子流量计按规定是用20℃的水标定的；用于测量气体的转子流量计则是用293K、101.3kPa的空气标定的。当用于测量其他流体的流量时，要加以换算。净压力差=转子重力—流体的浮力转子流量计（flowrator）Note：用于液体的转子流量56转子流量计必须垂直安装在管路上，为便于检修，应设置如图1-38所示的支路。转子流量计读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高，对不同的流体适用性广。缺点是玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。图1-38转子流量计安装示意图转子流量计必须垂直安装在管路上，为便于检修，应设置如图1-357§2-3实际流体的流动实际流体在流过固体壁面时，由于流体对壁面有附着力，将在壁面上粘附一层静止的流体。这层流体的分子仅因扩散作用而运动。同时，实际流体分子间有吸引力，壁面上静止的流体层对其邻近的流体层的流动起约束作用，阻碍该层流体的流动，但离开壁面越远，则约束作用越小。§2-3实际流体的流动实际流体在流过固体壁面时58••流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力，它是流体粘性的表现。流体流动时，必须克服粘性阻力而作功，从而造成能量损失。2.3.1粘度(viscosity)••流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩59牛顿型流体的粘度:粘度是流体内部摩擦力的表现，衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要物性参数之一。流体的粘度越大，流体的流动性越小。F(剪切力)1.牛顿型流体粘度——牛顿粘性定律牛顿型流体的粘度:粘度是流体内部摩擦力的表现，衡量流体粘性60层间距离所应加予的力F与层间接触面积A和相对速度差dv成正比，而与层间距离成反比，这一关系称为”牛顿粘性定律”。速度梯度遵循该定律的流体称为“牛顿型流体”牛顿粘性定律

层间距离所应加予的力F与层间接触面积A和相对速度差dv成正比61粘度的单位：液体的粘度:受压力影响很小，随温度的升高而显著降低。气体的粘度：随温度升高而增大，随压力升高而增加的很少。NOTE：√粘度不仅与分子间的吸引力有关，还与分子热运动有关。√工业上常常遇到各种流体的混合物，它们的粘度一般应用实验的方法测定其数值，或选用适当的经验公式进行估算。泊(P)、厘泊(cP)粘度的单位：液体的粘度:受压力影响很小，随温度的升高而显62运动粘度(kinemeticviscosity):流体的粘度与密度的比值在CGS制中运动粘度的单位为cm2.s-1，称为沲(stoke，st)1st=100cst=10-4m2.s-1运动粘度(kinemeticviscosity):流体的632.非牛顿型流体：不遵循牛顿粘性定律的流体。为使该流体流动，需要先加以一个额外的剪应力，使流体变形，之后流体再随剪应力增加而有相应的剪切速率t牛顿型流体胀流性流体假塑性流体dv/dδ塑性流体表观粘度随剪切速率的增加而更大的增加表观粘度随剪切速率的增加而增加的较少2.非牛顿型流体：不遵循牛顿粘性定律的流体。为使该流体流动642.3.2流体流动的形态和雷诺数雷诺实验装置1-小瓶；2-细管；3-水箱；4-水平玻璃管；5-阀门；6-溢流装置（1）雷诺实验

1883年,英国物理学家OsboneReynolds作了如下实验。2.3.2流体流动的形态和雷诺数雷诺实验装置（1）雷诺实验65（2）雷诺实验现象用红墨水观察管中水的流动状态(a)层流(b)过渡流(c)湍流两种稳定的流动状态：滞流（层流）、湍流（紊流）。（2）雷诺实验现象用红墨水观察管中水的流动状态(a)层流(b66滞流(laminarflow):也称为层流，流体的质点作一层滑过一层的位移，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因扩散而转移。流体的流速沿断面按抛物线分布；管中流体的平均流速为最大流速的1/2。层流时流体在圆管中的速度分布Re≤2000uumaxd滞流(laminarflow):也称为层流，流体的质点作一67湍流(turbulentflow):流体在流动时，流体的质点有剧烈的骚扰涡动，只是靠近管壁处还保留滞流的形态。接近管中央相当大范围内的流体流速接近于最大流速。管内流体的平均流速为管中央最大流速的0.8左右。Re≥4000umaxururRd湍流时流体在圆管中的速度分布湍流(turbulentflow):流体在流动时，流体的68雷诺数滞流湍流过渡状态滞流转变的临界值相应的流速称为临界流速NOTE：工业上输送流体时大多数是以湍流形态进行的。雷诺数滞流湍流过渡状态滞流转变的临界值相应的流速称为临界流速69当量直径(equivalentdiameter)对于非圆形导管，计算Re时，应以当量直径de代替特征数中的直径d：例：直径d1的外套管与直径d2的内套管所形成的环行通道的当量直径为：当量直径(equivalentdiameter)对于非圆70边界层（boundarylayer）边界层：流体的流速低于未受壁面影响的流速的99%的区域。主流区：在边界层以外，速度梯度接近为零的区域。边界层边界层边界层边界层主流区主流区滞流湍流边界层（boundarylayer）边界层：流体的流速低于71湍流流动NOTE：滞流内层的厚度虽然不大，但粘附在壁面，成为传热和传质的主要阻力；Re值越大，滞流内层厚度越小，传递过程的阻力随之减小。湍流流动NOTE：滞流内层的厚度虽然不大，但粘附在壁面，成为72边界层的形成从管口到形成边界层所经历的管长称为稳定段长度，此长度与管的形状、管壁粗糙程度及雷诺数等因素有关。边界层的形成从管口到形成边界层所经历的管长称为稳定段长度，此73边界层分离B流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时，也会发生边界层分离。NOTE：边界层分离会导致流体流动阻力的增大。

AcC点处局部流体产生逆向流动和漩涡边界层分离B流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时，也会发生边74改变物体表面的形状，如汽车、飞机都是流线型减小或避免边界层分离的措施改变物体表面的形状，如汽车、飞机都是流线型减小或避免边界层分75§2.4管内流体流动的阻力实际流体的Bernoulli方程:?§2.4管内流体流动的阻力实际流体的Bernoulli方76流体流动的阻力与流体的性质(如粘度等)、流体流动形态、导管的长度、管径、壁面情况以及流动时的变动状态（如缩小、扩张等）有关。阻力∑hf直管阻力(沿程阻力)——由于内摩擦力而产生的能量损失局部阻力截面骤然变化流动方向改变流经管件、仪表等——由于局部障碍引起边界层分离而造成能量损失流体流动的阻力与流体的性质(如粘度等)、流体流动形态、导管的772.4.1管、管件及阀门简介管:管子铸铁管（水管、煤气管、污水管）钢管（有缝、无缝）特殊钢管有色金属管塑料管橡胶管管子光滑管（玻璃管、铜管、铅管、塑料管等）粗糙管（旧钢管、铸铁管）管壁的相对粗糙度障碍物的高度2.4.1管、管件及阀门简介管:管子铸铁管（水管、煤气管、78管件：弯管（弯头）大小头冲压弯管与管的连接部分，它主要是用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。管件：弯管（弯头）大小头冲压弯管与管的连接部分，它主要是用来79管件承插管件法兰法兰封头管件承插管件法兰法兰封头80阀门:安装于管道中用以切断或调节流量。球阀截止阀闸阀止逆阀阀门:安装于管道中用以切断或调节流量。球阀截止阀闸阀止逆阀81阻力∑hf直管阻力(沿程阻力)hf局部阻力hl

2.4.2流体在圆管内流动时的阻力计算阻力∑hf直管阻力(沿程阻力)hf局部阻力82◆

滞流时的摩擦阻力——主要是流体的内摩擦力服从牛顿粘性定律：2.4.2.1直管阻力的计算要克服此滑动的阻力而使流体流动，管两端必须有一定的压力差：ΔP=p1–p2此压力差而使流体所受的推力为：◆滞流时的摩擦阻力——主要是流体的内摩擦力服从牛顿粘性定律83流体柱所受的推力与其表面滑动的摩擦阻力相等而方向相反：流体柱所受的推力与其表面滑动的摩擦阻力相等而方向相反：84◆湍流时的流动阻力l/d——几何相似数；——摩擦阻力系数，是Re，

的函数。Fanning公式管壁的相对粗糙度:e——管的粗糙度，mm◆湍流时的流动阻力l/d——几何相似数；——摩擦阻力系数85查表：摩擦阻力系数滞流区过渡区湍流区完全湍流区接近一常数,其值主要取决于管壁的粗糙度。查表：摩擦阻力系数滞流区过渡区湍流区完全湍流区接近一常数,86摩擦阻力系数经验公式计算：对光滑管：柏拉相修斯（Blasius）公式柯纳柯夫（KypnaKOB）公式摩擦阻力系数经验公式计算：对光滑管：柏拉相修斯（Blasiu87粗糙管：接近一常数,其值主要取决于管壁的粗糙度。尼库拉则(Nokuradse)公式用沿程阻力系数表示阻力计算公式:柯尔本(Colburn)公式粗糙管：接近一常数,其值主要取决于管壁的粗糙度。尼库拉则(882.4.3局部阻力当流体在管道系统中流经各种管件、阀门、接头、改变方向，导管截面积骤然变化时，流体质点发生扰动而形成涡流，产生摩擦阻力，这类阻力称为局部阻力。2.4.3局部阻力当流体在管道系统中流经各种管件、阀门、89局部阻力的计算：②当量长度法:将局部阻力的压头损失折算成相应长度的管子所造成的压头损失，再并入总管长度来计算。此相应的管子长度称为当量长度le。①阻力系数法:局部阻力的计算：②当量长度法:将局部阻力的压头损失折算成相90管

件

与

阀

门

的

当

量

长

度

共

线

图。管

件

与

阀

门

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当

量

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度

共

线

图。91（一）简单管路特点：管径相同，无分支的管路，定态时，流速恒定、流量恒定。12342.4.4管路的计算（一）简单管路12342.4.4管路的计算92简单管路系统特性分析：阻力损失：质量流量：体积流量：(不可压缩流体)1234Hf1-4=Hf1-2+Hf2-3+Hf3-4或简单管路系统特性分析：阻力损失：质量流量：93

(1)串联管路

特点：管径不同，但无分支；稳态时，不同管段流速不同；系统阻力计算，需分段计算，再加和。（二）复杂管路的计算(1)串联管路（二）复杂管路的计算94（2）分支管路：主管处有分支，但最终不再汇合的管路。分支管路120主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和:qm0=qm1+qm2各分支管路流动终了时，总机械能与该管路中总摩擦阻力之和为常数。机械能衡算式:总管→支管3（2）分支管路：主管处有分支，但最终不再汇合的管路。分支管路95（3）并联管路：在主管某处分为几支，然后又汇合成一主管路。主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和，qm=qm1+qm2+qm3123单位质量流体通过各支管的能量损失均相等，Hf1=Hf2=Hf3=HfAB并联管路AB注意：并联管路，各支路阻力相等。并联段，只能计入一个支路的阻力损失。（3）并联管路：在主管某处分为几支，然后又汇合成一主管路。主96例题例2-18高位水槽引出内径40mm的出水管至B处，此管道连同局部阻力管长为100m。在B处分出内径均为25mm的、水平平行的C和D两管，C管连同局部阻力管长为20m，D管为40m。管内水流动的摩擦阻力系数可取0.03。求(1)C管单独全开时的流量；(2)C管和D管都全开时各自的流量。(可忽略动压头的变化)地面7m1mABCD解：(1)C管单独全开时:例题例2-18高位水槽引出内径40mm的出水管至B处，此97地面7m1mABCD(2)C管和D管都全开时:地面7m1mABCD(2)C管和D管都全开时:98教学目的：重点：难点：熟悉常见流体输送机械，了解流体输送机械的工作原理和操作特点，能够根据实际需要正确选择适宜的流体输送机械。离心泵的工作原理、性能参数、特性曲线离心泵安装高度的计算；往复式压缩机多级压缩和中间冷却的必要性3.5流体输送设备教学目的：重点：难点：熟悉常见流体输送993.5流体输送设备采用流体输送设备操作的目的是为了提高流体的动能、位能或静压能，或用于克服沿程的阻力，也可能几种目的兼而有之。3.5流体输送设备采用流体输送设备操作的目的是为了提高流体100按输送的介质分类：液体——泵气体——风机、压缩机

流体输送设备分类

按工作原理分类：离心式 正位移式(容积式)：往复式、旋转式其它（如喷射式）按输送的介质分类：流体输送设备分类101一、离心泵(centrifugalpump)一、离心泵(centrifugalpump)102

离心泵的构造主要组成部分是叶轮(impeller)和蜗形泵壳(pumpcase)。叶轮安装在泵壳内，液体入口在泵壳中央，正对叶轮中心，并与吸入导管相连。压出口在泵壳旁侧，联结压出导管。离心泵的构造主要组成部分是叶轮(impeller)和蜗形103叶轮：由4～12片向后弯曲的叶片(vane,blade)组成，安装在泵轴上，由电动机带动而快速旋转。叶轮：由4～12片向后弯曲的叶片(vane,blade)组成104流体在离心泵叶轮中的运动离心泵工作原理流体在离心泵叶轮中的运动离心泵工作原理105导轮的作用导轮引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向,减少能量损失,提高能量转换效率.导轮的作用导轮引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向,减少能量损106

气缚(airbind)：NOTE：在开车前应预先将离心泵的泵壳和吸入管路中充满液体，运转过程中也要防止空气漏入。为便于泵内充满液体,吸入管底部安装有止逆底阀。如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。当离心泵启动时，若泵内存在空气，就会形成叶轮空转，这种现象称为“气缚”。气缚(airbind)：NOTE：在开车前应预先将离心107

离心泵的主要性能参数(performanceparameter)离心泵的流量(pumpingoutput)“Q”：单位时间排出液体体积。

与叶轮结构、尺寸和转速有关。扬程(deliverylift)“He”：又称为泵的压头，是指泵对单位重量的流体所做的功。

与流量、叶轮结构、尺寸和转速有关。与转速成正比与转速的平方成正比离心泵的主要性能参数(performancepara108离心泵扬程的测定12两测压点之间的管路很短，其间的流动阻力可忽略不计，即Hf=0m液柱扬程并不等于升举高度△Z，升举高度只是扬程的一部分。离心泵扬程的测定12两测压点之间的管路很短，其间的流动阻力可109功率：在单位时间内，液体自泵实际得到的功称为泵的有效功率，