化工流体流动与传热课件

化工原理（上）

The

PrincipleofChemicalEngineering(1st)**几点说明环节：理论、实践成绩：考试80%；作业、实验20%作业：16开活页纸纪律：上课关手机、不许说话，可以睡觉、看其它书学习方法：预习→听讲→复习记忆方法：记忆原始公式：公式特点：图形记忆：联系日常生活：洗衣服采用去湿方法*第0章绪论*/240.1化学工程(ChemicalEngineering

)学科的进展0.1.1化学工程学及其进展化学工程学：以化学、物理和数学原理为基础，研究物料在工业规模条件下，它所发生物理或化学状态变化的工业过程及这类工业过程所用装置的设计和操作的一门技术学科。化学工程学的进展：三阶段：单元操作：20世纪初期。单元操作的物理化学原理及定量计算方法，奠定了化学工程做为一门独立工程学科的基础。“三传一反”概念：20世纪60年代多分支：20世纪60年代末。形成了单元操作、传递过程、反应工程、化工热力学、化工系统工程、过程动态学及控制等完整体系。*第0章绪论*/240.1.2单元操作(TheUnitOperations)化工生产是以化学变化或化学处理为主要特征的工业生产过程。在化学工业中，对原料进行大规模的加工处理，使其不仅在状态与物理性质上发生变化，而且在化学性质生也发生变化，成为合乎要求的产品，这个过程即叫化工生产过程。以氯碱生产为例说明化工生产过程的基本步骤。可见，虽然电解反应为核心过程，但大量的物理操作占有很大比重。另外象传热过程，不仅在制碱中，在制糖、制药、化肥中都需要，在传热过程物料的化学性质不变，遵循热量传递规律，通过热量交换的方式实现，所用设备均为换热器，作用都是提高或降低物料温度，为一普遍采用的操作方式。

因此我们将整个化工生产中(包括冶金、轻工、制药等)那些普遍采用的、遵循共同的操作原理，所用设备相近，具有相同作用的一些基本的物理性操作，称为“化工单元操作”。*第0章绪论*/24一个化工生产过程所包括的步骤分为两类：1.化学反应过程：通常在反应器中进行，以化学反应为主。不同化学工业中的化学反应不同，反应机理千差万别，其反应器在构造与操作原理上有很大差别。2.单元操作过程：化工生产中基本的物理处理过程。一个化工生产过程由若干单元操作与化学反应串联组合而成。单元操作特点：1.都是物理操作。2.都是化工生产过程中共有的操作。3.用于不同化工生产过程的同一单元操作，其原理相同，所用设备亦通用。*第0章绪论*/240.2本课程的性质、任务和内容、研究方法0.2.1性质化工原理是在高等数学、物理学、物理化学等课程的基础上开设的一门技术基础课程，属工程学科，具有工程性和实用性。0.2.2任务1掌握化工单元操作过程的基本原理，并能进行过程的选择和计算(即对指定的产品，选择一个适宜的过程，经济而有效地满足工艺过程要求)。2据生产需要，进行设备工艺尺寸的计算及其设备选型计算。3依据过程的不同要求，进行操作调节和控制。4掌握强化过程途径，以提高过程和设备的能力、效率。*第0章绪论*/240.2.3内容化工单元操作的目的是：①物料的输送；②物料物理状态的改变；③混合物料的分离。因而据其所发生的过程和遵循的物理共性而言，可按其进行的物理本质和理论基础分为三类：1流体动力过程(传动)：研究流体流动及流体和与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律，以及受其支配的若干单元操作(包括输送、沉降、过滤等)。2热量传递过程(传热)：研究传热的基本规律及受其支配的单元操作(包括热交换、蒸发)。3质量传递过程(传质)：研究物质通过相界面迁移过程的规律及受其支配的单元操作(包括吸收、蒸馏等)。三种传递过程既有联系又有区别。化工原理课程的内容，就是讨论这三种传递过程的基本规律及受其支配的单元操作过程及其设备。

*第0章绪论*/240.2.4研究方法实验研究方法（经验法）：用量纲分析和相似论为指导，依靠实验来确定过程变量之间的关系，通常用无量纲数群(或称准数)构成的关系来表达。实验研究方法可避免建立数学方程，是工程上通用的研究方法。数学模型法（半经验半理论方法）：在对实际过程的机理进行深入分析的基础上，抓住过程的本质，作出某些合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型，通过实验确定模型参数。*第0章绪论*/240.2.5本课程与传统理论的联系和区别*第0章绪论*/240.3单元操作进行的方式1.间歇操作：每次操作之初向设备内投入一批物料，经过一番处理后，排除全部产物，再重新投料。间歇操作设备内，同一位置上，在不同时刻进行着不同的操作步骤，因而同一位置上，物料组成、温度、压强、流速等参数都随时间变化，属非定态过程，即参数＝f(x,y,z,θ)2.连续操作：原料不断地从设备一端送入，产品不断从另一端送出。连续操作设备内，各个位置上，物料组成、温度、压强、流速等参数可互不相同，但在任一固定位置上，这些参数一般不随时间变化，属定态过程，即参数＝f(x,y,z)*第0章绪论*/240.4单位制与单位换算0.4.1单位制任何物理量都由数字和单位联合表达的。运算时，数字与单位一并纳入运算。如：5m+8m=(5+8)m;5m×8m=(5×8)(m×m)=40m2物理量单位选择时，先选定几个独立的物理量，叫基本量，并根据使用方便的原则，定出这些量的单位，叫基本单位；其它各量的单位通过它们与基本量之间的关系来确定，这些物理量叫导出量，单位叫导出单位；导出单位是由基本单位乘除构成的。*第0章绪论*/24国际单位制(SI单位制)：7个基本量：长度:m；时间:s；质量:kg；电磁强度:A(安培)；发光强度:cd(烛光)；物质的量:mol(摩尔)；热力学温度:K。2个辅助量：平面角:rad(弧度)；立体角:sr(球面度)。特点：1.通用性。2.一贯性。任何一个SI导出单位，在由基本单位导出时，都不需引入比例系数。我国法定计量单位国际单位制选定的非国际单位制*第0章绪论*/240.4.2单位换算1.物理量：由一种单位换算成另一种单位时，量本身并不变化，只是数值要变化，换算时要乘或除以两单位间的换算因数。换算因数：彼此相等而单位不同的两个物理量包括单位在内的比值。如；1m＝100cm，则换算因数为100cm/m或0.01m/cm例0-1：已知1atm=1.033kgf/cm2,试用Pa表示。解：查附录1知：1kgf=9.81N,1cm2=10-4m2换算因数：9.81N/kgf,10-4m2/cm2*第0章绪论*/242.经验公式(数字公式)借助实验或半实验、半理论的方法处理得到的公式。它只反映各有关物理量之间的数字关系，每个符号只代表物理量的数字部分，而这些数字又与特定单位对应。因此，使用经验公式时，各物理量必须采用指定单位。经验公式的单位换算，也可采用换算因数将规定单位换算成所要求单位。例0-2:水蒸汽在空气中扩散系数为：式中：D－扩散系数，ft2/h；P－压强，atm；T－兰氏温度，oR。试将式中各符号单位换算成D:m2/s；P:Pa；T:K*第0章绪论*/24解：查附录二：1ft=0.3048m；1h=3600s；1atm=1.0133×105Pa；1oR=5/9K以D’、P’、T’代表扩散系数、压强和温度三个物理量，则：

引入换算因子：整理，得：*第0章绪论*/240.5物料衡算遵循质量守恒定律通式：ΣGi＝ΣGo+GA

适用于：1.任何指定的空间范围；2.过程所涉及的全部变化：无化学变化；混合物任一组分都符合此通式；有化学变化：各元素符合此通式；3.间歇、连续操作：间歇操作：GA≠0连续操作：GA＝0*第0章绪论*/24物料衡算的步骤：1.绘简图：方框表设备，箭头表输入输出物流方向，箭头旁注明条件。2.定基准：间歇操作：以一批物料为基准；连续操作：以单位时间为基准。3.划范围：其边界要与待计算的物流相交4.列算式：总物料衡算式，1个某组分物料衡算式，N-1个*第0章绪论*/24物料衡算举例例0-3:已知原料液流量为1000kg/h，含20％KNO3，进入蒸发器，蒸出水分Wkg/h，浓缩液为Skg/h，含KNO350％进入结晶器，结晶产品为Pkg/h，含96％KNO3，循环母液Rkg/h，含37.5％KNO3，回到蒸发器再循环，求W,S,P,R各为多少kg/h？蒸发器结晶器1000kg/h20％KNO3Wkg/hSkg/h50％KNO3Pkg/h96％KNO3Rkg/h37.5％KNO3IIIIII解：1.绘简图：2.定基准：1h3.划范围：范围I，II，III见图*第0章绪论*/244.列算式：方框I：总物料：1000=W+PKNO3组分:1000×0.2=W×0+P×0.96蒸发器结晶器1000kg/h20％KNO3Wkg/hSkg/h50％KNO3Pkg/h96％KNO3Rkg/h37.5％KNO3IIIIIIW=791.7kg/hP=208.3kg/h方框II：总物料：S=P+RKNO3组分:S×0.5=P×0.96+R×0.375S=974.8kg/hR=766.5kg/h思考：比较R流股在I内外的情况有何不同？

I，III或II，III范围列算式时计算结果有何不同？*第0章绪论*/240.6热量衡算遵循能量守恒定律同物料衡算一样，绘简图、定基准、划范围、列算式，但有两点不同：1物料所具有的热量由显热与潜热两部分组成，称为焓(H，kJ/kg)。焓值为一相对值，且与状态有关，所以热量衡算时必须规定基准温度和基准状态，通常基准选273K液态(即此时H＝０)。2热量除了伴随物料进出系统外，还可通过设备外壳、管壁由系统向外界散失或由外界传入系统，只要系统与外界存在温度差，就有热量的散失或传入，称热损失QL。热量衡算通式：ΣQi=ΣQo+QＬΣ(wH)i=Σ(wH)o+QＬ

*第0章绪论*/24热量衡算举例例0-4:在换热器中将平均比热为3.56kJ/(kg.℃)的某种溶液自25℃加热到80℃，溶液流量为1.0kg/s。加热介质为120℃的饱和水蒸汽，其消耗量为0.065kg/s，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算换热器的热损失占水蒸汽所提供热量的百分数。换热器25℃溶液1.0kg/s80℃溶液1.0kg/s120℃饱和水蒸汽0.095kg/s120℃饱和水0.095kg/s解：1.绘简图2.定基准：1s，0℃，液体3.划范围：以换热器为衡算范围*第0章绪论*/244.列算式：查附录九：120℃饱和水蒸汽H=2708.9kJ/kg，120℃饱和水H=503.67kJ/kg，则：1.0×3.56×(25-0)+0.095×2708.9=1.0×3.56×(80-0)+0.095×503.67+QL换热器25℃溶液1.0kg/s80℃溶液1.0kg/s120℃饱和水蒸汽0.095kg/s120℃饱和水0.095kg/sQL=13.70kW水蒸汽提供热量：Q=0.095×(2708.9-503.67)＝209.5kW∴热损失百分数＝13.70/209.5=6.54％*第0章绪论*/24本章总结掌握单元操作与化工生产过程的概念掌握物料衡算、热量衡算、单位制与单位换算了解本课程的性质、任务与内容*第0章绪论*/24THEENDThanks*第0章绪论*/24氯处理NaOH溶液蒸发氢处理阳极室阴极室Cl2H2烧碱液冷却过程气液分离传热过程换热器离心机蒸发器过程步骤操作方式典型设备化盐水盐搅拌、溶解、传热化盐桶加热器电解精盐水电解反应2NaCl+2H2O=H2+Cl2+2NaOH电解槽澄清浑盐水悬浮液沉降分离澄清桶过滤机杂质返回*第0章绪论*/24第一章流体流动1.0概述1.1流体的物理性质1.2流体静止的基本方程1.3流体流动的基本概念1.4流体流动的总衡算方程1.10流动阻力的计算1.11管路计算与流量测量本章总结－联系图*第一章流体流动*/1461.0概述流体：气体和液体的统称。流体的特性：流动性；无固定形状，随容器的形状而变化；在外力作用下其内部发生相对运动。流体流动规律在化工生产中的应用：解决流体的输送问题；压力、流速、流量的测量；为强化设备能力提供适宜的条件。*第一章流体流动*/1461.1流体的物理性质1.1.1连续介质的假定1.1.1.1连续介质P(x,y,z)体积ΔV质量ΔmyxzΔm/ΔVΔV0ΔV’ρ当包含点P(x,y,z)的微元体积ΔV<ΔV’时，随机进入和跃出此体积的分子数不能时时平衡，即产生分子数的随机波动，从而导致了ΔV内的流体的平均密度也随机波动，此时流动表现出分子的个性。ΔV≥ΔV’时，平均密度逐渐趋于一个确定的极限值，且不随微元体积的增大而改变。可见，ΔV’是一特征体积，它表示当几何尺寸很小但包含足够多分子时的体积。其流体的宏观特性即为其中的分子统计平均特性，此微元体积中的所有流体分子的集合称为流体质点。而流体就是由连续分布的流体质点所组成。将大量分子构成的集团称为质点，其大小与容器或管路的尺寸相比微不足道。流体就是由无数个质点所构成的，质点在流体内部一个紧挨一个，之间无间隙，所以流体是连续的，叫连续介质。*第一章流体流动*/1461.1.1.2.流体的物理量任意空间点上流体质点的物理量在任意时刻都有确定的数值，即流体的物理量是空间位置和时间的函数，如：

ρ=ρ(x,y,z,θ)；u=u(x,y,z,θ)；t=t(x,y,z,θ)

密度场速度场温度场描述流体性质及其运动规律的物理量很多，如密度、压力、组成、速度、温度等。据连续介质假定，任何空间点上流体的物理量都是指位于该点上的流体质点的物理量。如密度：*第一章流体流动*/1461.1.2流体的密度定义：单位体积流体所具有的质量称为密度，用ρ表示，单位kg/m３。其表达式：

密度为流体的物性参数，随温度、压力而变化。1.1.2.1.纯液体的密度液体的密度一般只随温度而变化，压力的影响可忽略不计。纯液体的密度可从有关手册中查取。*第一章流体流动*/1461.1.2.2.纯气体的密度

气体的密度与温度和压力有关。一般当压力不太高、温度不太低的情况下，可按理想气体处理。这样，纯气体的密度计算公式为：1.根据查得状态计算2.根据标准状态计算上标“′”表查的状态无上标表操作状态下标“0”表标准状态无下标表操作状态*第一章流体流动*/1463.根据操作状态计算1.1.2.3液体混合物的平均密度对理想溶液，各组分混合前后体积不变，则1kg混合液体的体积等于各组分单独存在时的体积之和。即混合液体的密度ρm可按下式计算：1/ρm=Σai/ρi

式中：ai－组分i在混合物中的质量分率；

ρi－组分i单独存在时密度，kg/m3。*第一章流体流动*/1461.1.2.4气体混合物的平均密度1.对理想气体，各组分混合前后质量不变，则1m3混合液体的质量等于各组分单独存在时的质量之和。即混合气体的密度ρm可按下式计算：ρm=Σyiρi

式中：yi－组分i在混合物中的体积分率(摩尔分率)；

ρi－组分i单独存在时密度，kg/m3。*第一章流体流动*/1463.仿照纯气体密度的计算：2.仿照纯气体密度的计算：式中：Mm－混合物平均分子量，kg/kmol。

Mm=∑Miyi

Mi－组分i的分子量，kg/kmol；

yi－组分i的摩尔分率。*第一章流体流动*/1461.1.3流体的粘性和理想流体1.1.3.1牛顿粘性定律流体具有的特性：一方面，具有流动性，即无固定形状，在外力作用下其内部产生相对运动。另一方面，在运动的状态下，流体还具有抗拒内在向前运动的特性，称为粘性。这两方面是互为矛盾的两方面。粘性的存在使得流体流过固体壁面时，对壁面有粘附力作用，因而形成了一层静止的流体层。同时由于流体内部分子间的相互作用，静止的流体层对与其相邻的流体层的流动有着约束作用，使其流速变慢，这种约束作用随壁面远离而减弱，这种流速的差异造成了流体内部各层之间的相对运动。yxu*第一章流体流动*/146故，流体在圆管内流动时，实际上是被分割成无数极薄的圆筒层，一层套着一层，称为流体层，各层以不同的速度向前运动，如图示，由于层间的相对运动，流得快的流体层对与其相邻流得慢的流体层产生一种牵引力，而流得慢的流体层对相邻的流得快的流体层则产生一种阻碍力。这两种力大小相等方向相反，因此流动时流体内部相邻两层间必有上述相互作用的剪应力存在，这种运动流体内部相邻两流体层间的相互作用，称为内摩擦力，或粘性力、剪力。正是这种内摩擦力的存在，产生了流动阻力，流体流动时必须克服内摩擦力而作功，从而将流动的一部分机械能转变为热而损耗掉。*第一章流体流动*/146影响剪力大小的因素：设有两块平行平板，其间距甚小且充满液体，下板固定，上板施加一平行于平板的外力，使此平板以速度u0作匀速运动。此时两板间的液体就会分成无数平行的薄层而运动，紧贴在上板上的一层液体以速度u0运动，其下各层液体速度依次降低，粘附在下板表面的液层速度为零，其速度分布如图示。实验证明，对一定的液体，剪力F与两流体层的速度差Δu成正比，与两层间的垂直距离Δy成反比，与两层间的接触面积A成正比，即：yxu*第一章流体流动*/146对u与y成曲线关系，以剪应力的形式表示为：称为牛顿粘性定律，它揭示了流体的剪应力与速度梯度的一次方成正比。根据牛顿粘性定律，将实际流体分为：牛顿型流体，指服从牛顿粘性定律的流体，所有的气体和大部分液体属于此；非牛顿型流体，指不服从牛顿粘性定律的流体，如一些高分子溶液、胶体溶液属于此类。*第一章流体流动*/1461.1.3.2流体的粘度1.粘度：牛顿粘性定律中的比例系数μ称为动力粘度，简称粘度。用于衡量流体粘性大小的物理量，其直观表现是流体的粘度愈大，流动性愈差。只有在运动时才表现出来。粘度是流体的物理性质之一，其值由实验测定。液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升高而增大。压力变化时液体的粘度基本不变，气体的粘度随压力增加略有增大，在工程计算中可忽略不计，只有在极高或极低的压力下才考虑其影响。在SI制中，粘度的单位为Pa·s。但在某些手册中查得的粘度单位为泊(P)，单位g/cm·s;或厘泊(cP)，为非法定单位，其换算关系为：1cP＝10-3Pa·s*第一章流体流动*/1462.运动粘度粘度μ与密度ρ的比值来表示，称为运动粘度，以符号ν表示，单位为m２/s。即：ν＝μ/ρ

3.混合物平均粘度yi－组分i摩尔分率常压气体混合物分子不缔合的液体混合物xi－组分i摩尔分率*第一章流体流动*/1461.1.3.3理想流体与粘性流体理想流体：完全没有粘性的流体，即μ=0的流体。粘性流体(实际流体)：具有粘性的流体，即μ≠0的流体。自然界中存在的所有流体均具有粘性，故并不存在真正的理想流体，其概念的引入是为简化计算。粘度很小的流体：可视为理想流体；粘度较小的流体：通常首先将其视为理想流体，待找出规律后，再考虑粘度的影响，对理想流体的分析结果加以修正；粘度较大的流体：不能按以上两种方法处理。*第一章流体流动*/1461.1.4流体的可压缩性、可压缩流体、不可压缩流体1.1.4.1流体的可压缩性定义：当作用于流体上的外力发生变化时，流体的体积随之变化的特性。用压缩系数β表示：式中：υ－流体的比容，m3/kgβ↑→流体愈容易被压缩*第一章流体流动*/1461.1.4.2不可压缩流体定义：流体的压缩性可以忽略(β≈0)的流体。对于不可压缩流体，β≈0→dρ/dp=0→密度不随压力改变，换言之，密度为常数的流体为不可压缩流体。1.1.4.3可压缩流体定义：流体的压缩性不可以忽略(β≠0)的流体。对于可压缩流体，β≠0→dρ/dp≠0→密度随压力改变，换言之，密度不为常数的流体为可压缩流体。可见：液体属不可压缩流体，气体属可压缩流体。若气体在输送过程中压力变化不大，因而密度改变亦不大时，可按不可压缩流体处理。*第一章流体流动*/1461.2流体静止的基本方程流体静力学是研究流体在外力作用下处于相对静止状态下的平衡规律。在重力场中，由于重力是不变的，静止时变化的仅仅是压力，因此其实质是讨论静止流体内部压力(压力)分布的规律。1.2.1作用在流体上的力流体在流动时所受的作用力分为两种1.2.1.1体积力定义：作用于流体质点上的非接触力，与流体质量成正比，称为质量力。因流体质量与体积成正比，又称体积力，如重力、离心力、静电力、电磁力等；1.2.1.2表面力定义：作用于流体表面上的接触力，与其表面积成正比，称表面力。如压力、剪力等。垂直作用于表面的力称为压力，而平行作用于表面的力称为剪力。*第一章流体流动*/1461.2.2静止流体的压力特性

静止流体中只有压力，而无剪力。压力的定义：在静止流体中，流体单位表面积上所受的法向力，用p表示，即：1.流体压力的特性①流体压力的方向和作用面垂直，并指向作用面；②在静止流体内部，任一点处流体压力在各个方向上都是相等的。*第一章流体流动*/1462..压力的单位及其换算压力的单位是N/m2，称为帕斯卡，符号为Pa但过去用的压力单位很多，如标准大气压(atm)，工程大气压(kgf/cm2，符号at)，毫米汞柱(mmHg)，米水柱(mH2O)，巴(bar)等，其换算关系为：1atm＝1.033kgf/cm2＝1.0133×105Pa＝760mmHg＝10.33mH2O＝1.013bar(P18)

1at＝1kgf/cm2＝0.9807×105Pa=10mH2O=0.9807bar3.压力的表示方法①绝对压力(绝压)：以绝对真空为起点计算的压力，是流体的实际、真实压力，不随大气压力的变化而变化。②表压力(表压)：当被测流体的绝压大于外界大气压力时，用压力表进行测量。压力表上的读数(指示值)反映被测流体的绝压比大气压力高出的数值，称为表压力，即：表压力＝绝对压力-大气压力

*第一章流体流动*/1463.真空度(负压)：当被测流体的绝压小于外界大气压力时，采用真空表测量。真空表上的读数反映被测流体的绝压低于大气压力的差值，称为真空度，即：真空度＝大气压力-绝对压力

很显然：真空度＝－表压力绝压，表压，真空度和大气压力之间的关系见图：〖说明〗由于外界大气压力随大气温度、湿度和当地海拔高度而变，故在计算中除对表压和真空度进行标注外，还应指明当地大气压力数值。表压A绝压A真空度B绝压B大气压力Pa绝对真空*第一章流体流动*/1461.2.3流体静力学方程式描述静止流体内部压力变化规律的数学表达式。1.2.3.1方程式的推导在密度为ρ的静止液体中取底面积为A的液柱。受力分析：P1－作用于上底面的法向力，方向向下P2－作用于下底面的法向力，方向向上W－作用于整个液柱的重力，方向向下P1Z2P2WZ1*第一章流体流动*/146当取液柱上表面为液面，表面上方压力为p0，则液柱高度为h处压力为：p=p0+ρgh

静止流体内部压力变化规律敞口时，p0为大气压；密闭时，p0为液体蒸汽压1.2.3.2方程式的讨论1.静止流体内部两点间压力差的大小，只与其垂直距离和流体的密度有关，而与其水平位置和容器的形状无关。2.在静止液体中，当位置1处压力p1发生变化时，位置2处压力p2亦发生同样大小的变化，即压力具有传递性(在液体中)。3.当p0=const时，ρ↑，p↑；h↑，p↑*第一章流体流动*/1464.将方程式写成h=(p-p0)/ρg，知压力差的大小可用液体柱高度表示，但需注明液体种类。5.静止、连续的同一流体中，处于同一水平面上各点的压力相等，称为等压面。6.对于气体，因密度随所处位置高度而变化，该方程式不适用。但在化工容器中这种变化甚小，故可认为仍然适用，而且近似认为p2=p1。7.前述方程式适用场合：静止、连续、同种流体相对静止、连续、同种流体*第一章流体流动*/1461.2.4静力学方程式的应用1.2.4.1压力及压力差的测量以流体静力学方程式为依据，用于测量流体的压力和压力差的测压仪器称为液柱压差计，典型的有两种：1.U型管压差计如图示，在U型玻璃管内装入密度为ρA的指示液A(要求A与被测流体不互溶，无化学反应，且ρA＞ρ，常用Hg、CCl4、水等)。测量时分别将U管两端与被测口相连，若p1＞p2，则U管两侧便出现指示液面高度差R，称为压差计读数，其值大小反映了两测压口间压力差的大小。选a-a′所在平面为等压面，并且分别在等压面上列静力学方程式：pa=p1+ρg(m+R)，pa′=p2+ρgm+ρAgR

由于pa=pa′∴p1-p2=(ρA-ρ)gR

*第一章流体流动*/146p1-p2=(ρA-ρ)gR

〖说明〗①若管道中的流体为气体时：ρA>>ρ，p1-p2≈ρAgR

②测管道中表压力时，只将U管右端与大气相通即可，此时p1-pa=ρgx+ρAgR

③测管道中真空度时，只将U管左端与大气相通即可，此时pa-p2=ρgx+ρAgR

*第一章流体流动*/146为提高读数精度，除选用密度小的指示液外，亦可采用微差压差计。其结构为在U型管的两端部增设两扩大室，扩大室内径应大于U型管内径的10倍以上，压差计内装有密度相近，不互溶、无化学反应的两指示液A、C，且ρA>ρC。测量时将两端分别与被测点相连，由于扩大室截面积远远大于U管截面，即使U型管内指示液A的液面差很大时，两扩大室内指示液C的液面变化也甚微，计算时基本上可认为两室液面在同一高度。

选等压面，列静力学方程式得：p1-p2=(ρA-ρC)gR

只要所选的指示液A、C密度较为接近，便可将R放大到普通U型管的几倍以上

2.微差压差计*第一章流体流动*/146例1-1在某设备上装置一复式U型水银压差计，截面间充满水，已知对某基准面而言，各点的标高分别为：h0=2.1m，h2=0.9m，h4=2.0m，h6=0.7m,h7=2.5m，求设备内水面上方的表压力p。解：从右自左，选等压面2-2′，4-4′和6-6′，并在其上列静力学基本方程式：22′66′44′*第一章流体流动*/1461.2.4.2液位的测量最原始的液位计是根据连通器原理，在容器底壁和液面上方器壁处开孔，用玻璃管相连，玻璃管中液面即为容器中液位高度。1.近距离液位测量装置在设备外安装一带有平衡室的U型管压差计，下部装指示液并与设备底部连通，平衡室与设备上方相接并装有与设备内相同的液体，其液面高度维持在设备内液面允许达到的最大高度，由压差计中指示液读数R即可知道设备中液位的高度。当设备内压力为p时，在a-a′等压面上列静力学方程：p+ρgx+ρAgR=p+ρg(△h+x+R)当R=0时，△h=0，液位达到要求；当R≠0时，△h≠0，可据R大小判断△h值。paa′xΔh*第一章流体流动*/1462.远距离液位测量装置

管道中充满氮气，其密度较小，近似认为

而所以

AB*第一章流体流动*/146例1-2密闭容器内盛有油(ρ1=800kg/m3)和水(ρ2=1000kg/m3)，在其底部和顶部用一玻璃管连通，已知油和水总高度(h1+h2)=1.4m，玻璃管中液面h=1.2m，求容器内油层高度h1。解：选a-a′为等压面，在等压面上列静力学方程式：pa=p+ρ1gh1+ρ2gh2=p+ρ1gh1+ρ2g(1.4-h1)

pa′=p+ρ2gh

pa=pa′

ph1h2hρ1h1+1.4ρ2-ρ2h1=ρ2h

故：h1=(h-1.4)ρ2/(ρ1-ρ2)=(1.2-1.4)×1000/(800-1000)=1.0m

*第一章流体流动*/1461.2.4.3液封高度的计算生产中为了安全生产等问题常设置一段液体柱高度封闭气体，称为液封。作用：①保持设备内压力不超过某一值；②防止容器内气体逸出；③真空操作时不使外界空气漏入。该液体柱高度主要根据流体静力学方程式确定。*第一章流体流动*/146例1-3为保证设备内某气体压力不超过119.6kPa，在其外部装设安全水封(如图)，计算水封管应插入水面以下高度h0，当地大气压为100kPa。解：按要求当设备内气体压力达到119.6kPa时，使气体由出口管逸出，以此作为计算依据。选等压面0-0′，在其上列静力学方程式：papp0=p=pa+ρgh0

h0=(p-pa)/ρg=(119.6-100)×103/(1000×9.81)=2.0m*第一章流体流动*/1461.3流体流动的基本概念

1.3.1稳态流动与非稳态流动按照流体的流速、压力、密度等有关物料是否随时间而变化，可以将流体的流体分为稳态流动和非稳态流动。1.稳态流动如图示流动系统，选两截面。经测定，两截面的流速和压力虽不相等，但在同一截面处，各自流速、压力并不随时间变化，此种流动为定态流动。稳态流动：在流动系统中，流体在各截面上的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置变化，而不随时间变化的流动。如u=f(x,y,z)*第一章流体流动*/1462.非稳态流动当不再向水箱内注水时，水箱内的水位不断降低。此时，经测定，两截面的流速和压力各不相等，在同一截面处，各自流速、压力在不同时间下也不同，此种流动为非定态流动。非稳态流动：在流动系统中，流体在各截面上的流速、压力、密度等有关物理量既随位置变化，又随时间变化的流动。如u=f(x,y,z,θ)*第一章流体流动*/1461.3.3流率与平均流速前面讨论了静止流体内部压力的变化规律，本节讨论流体在流动过程中各种参数的变化规律，推导出流体在管内流动时的基本方程式。1.3.3.1流率(流量)

流率：单位时间内流过管道任一截面的流体量，有两种：1.体积流率(体积流量)Vs：单位时间内流体流过管道任一截面的体积数，单位m3/s。2.质量流率(质量流量)W：单位时间内流体流过管道任一截面的质量数，单位kg/s。两者之间关系：W=Vsρ

*第一章流体流动*/1461.3.3.2平均流速ub单位时间内流体在流动方向上流过的距离，单位m/s，反映其快慢程度。严格地讲，管道任一截面上各点的流速各不相等，但工程上为计算方便，通常是指在整个管截面上流速的平均值，即ub=Vs/A。

∴W=Vsρ＝ubAρ

对于气体由于其体积流量随温度、压力而变化，从而导致流速发生变化，故引入另一概念：1.3.3.3质量流速G：单位时间内流体流过单位管道截面积的质量，kg/m2·s，又称质量通量。G=W

/A=ubAρ/A=ubρ

〖说明〗流量和流速的大小反映管道内流体流动的数量和快慢程度，为操作参数。*第一章流体流动*/1461.3.3.4管径的计算利用圆形管路流量计量公式得到，即：Vs由生产任务指定，关键在于流速的选择：ub↓，d↑，操作费↓，设备费↑ub↑，d↓，操作费↑，设备费↓∴适宜的流速按总费用最低的原则选取，但经济衡算非常复杂，故常通过经验值选择。见表1-1管径计算步骤：1.据经验值选择一适宜的流速ub；2.计算管内径d；3.按照管子规格选用具体的管路。管子规格表示方法为φ圆管外径×壁厚。4.核算流速*第一章流体流动*/146管路计算示例例1-4:以7m3/h的流量输送自来水，试选择合适的管路。解：1.据P29表1-1，选择流速u=1.2m/s2.计算管内径d3.查附录二十四(热轧无缝钢管)，选择管子规格为φ57×5mm的管路。4.核算流速：

ub=Vs/A=4Vs/(πd2)=4×7/(3600×π×0.0472)=1.12m/s流速在1～1.5m/s范围内，故管路选择合适。*第一章流体流动*/146牛顿粘性定律曾指出流体是分层流动的情况，但实际上流体流动的情形并不总是分层状态。1883年英国物理学家奥斯本·雷诺(Osb·Reynolds)进行的实验揭示了流体流动时存在两种截然不同的流动形态，即著名的雷诺实验。1.3.4.1雷诺实验如图。在水位恒定的水箱下部装一带喇叭形进口的玻璃管，下游用阀门调节管内水的流速，玻璃管进口处中心有一针形小管，与水密度相近的着色液体由针形管流出。实验现象：管内流率改变时红色液体流动型态。1.3.4流动型态与雷诺数*第一章流体流动*/146直线：层流或滞流波浪线：过渡流水流均匀颜色：湍流或紊流说明流体在流动时存在两种截然不同的流型：层流和湍流。层流：流体质点是层状向前流动，与周围质点无任何宏观混合。湍流：流体质点总体上沿轴向流动，但出现不规则的脉动，湍动剧烈。

*第一章流体流动*/1461.3.4.2雷诺数流型的不同对流体间进行的混合、传热、化学反应等过程影响不同，在一个过程进行之前，工程上就需要知道流型。由上实验可知管内流动型态，似乎由流速所决定。但对不同流体、不同管路进行的大量实验表明，流体的性质、管路和操作条件均对流型产生影响。可用流速ub、密度ρ、粘度μ、管径d这四个物理量组成如下形式，称为雷诺准数，用Re表示，即：雷诺数无量纲，称准数或无量纲数群：*第一章流体流动*/146〖说明〗圆管雷诺数的计算：非圆管雷诺数的计算：当量直径de代替圆管直径d，而de用水力半径计算。de:当量直径；rH：水力半径；A:流通截面积；Lp:润湿周边长用雷诺数判断流型：(1)当Re<2000时，流动是层流，称为层流区；(2)当Re>4000时，流动是湍流，称为湍流区；(3)当Re=2000～4000时，有时出现层流，有时出现湍流，称为过渡区。

*第一章流体流动*/146流动虽由Re划分为三个区，但流型只有两种：层流和湍流。过渡区并不代表一种流型，只是一种不确定区域，是否为湍流取决于外界干扰条件。如流道截面和方向的改变，外来震动等都易导致湍流的发生。所谓准数是指几个有内在联系的物理量按无量纲条件组合起来的数群，它既反映所含物理量之间的内在联系，又能说明某一现象或过程的本质。Re数实际上反映了流体流动中惯性力(ρub2)与剪应力(ubμ/d)的对比关系，Re愈大，说明惯性力愈占主导地位，湍动程度就愈大。

*第一章流体流动*/146流型判断例题例1-5已知常温下，水平均流速为2m/s，水的密度和粘度分别为998.2kg/m3和100.5×10-5Pa.s，试判断水在以下流道内流动的型态。(1)内径为50mm的圆管内;(2)宽为40mm，高为60mm的矩形流道；(3)内管外径为25mm，外管内径为70mm的环隙流道。解(1)Re>4000故流动为湍流*第一章流体流动*/146(2)设宽为a，高为b，则：(3)设内管外径为d1，外管内径为d2，则：abd1d2*第一章流体流动*/1461.3.4.3层流和湍流(P791.8.1)1.流体内部质点的运动方式层流时，流体质点沿管轴方向作有规则的平行流动，质点层次分明，互不混合。

湍流时，流体质点是杂乱无章地在各个方向以大小不同的流速运动，称为“脉动”。质点的脉动使得碰撞、混合程度（湍动）大大加剧，但总的流动方向还是向前的。而且质点速度的大小和方向不断变化，描述运动参数时必须采用平均的方法。因此质点的脉动是湍流的基本特征。*第一章流体流动*/1462.流体在圆管内的速度分布不同无论是层流还是湍流，流体在管内流动时截面上各点的速度随该点与管中心的距离而变化，这种变化关系称速度分布。一般管壁处流体质点流速为零，离开管壁后渐增，到管中心处达到最大，但具体分布规律依流型而异。1.层流速度分布呈抛物线状，管中心处速度最大，平均速度ub为最大速度umax的一半。即：ub=0.5umax*第一章流体流动*/1462.流体在圆管内的速度分布不同（续）2.湍流实验测定得到的速度分布曲线如图示。流体质点的强烈分离与混合，使靠近管中心部分各点速度彼此扯平，速度分布较均匀。实验证明，Re越大，曲线顶部越广阔平坦，但靠管壁处质点速度骤然下降。ub=(0.8~0.82)umax既然湍流时管壁处流速为零，则靠近管壁的流体必然仍作层流流动，这一作层流流动的薄层，称为层流内层，其厚度随Re的增加而减小。从层流底层往管中心推移，速度渐增，因而在层流内层与湍流主体之间存在着一层过渡层(此层内既非层流也不是湍流)。再往中心才是湍流主体区。层流内层虽然很薄，但它对传热、传质、化学反应等过程都有较大的影响。*第一章流体流动*/1461.3.4.4边界层的概念（P751.7.5）1.边界层的形成以流体在平板上方流过为例。当实际流体以均匀的流速uS到达平板后，由于板面的影响，紧贴壁面的一层流体速度降为零。流体相互间的拖曳力使靠近壁面的流体也相继受阻而减速，这样在流动的垂直方向上产生了速度梯度。流体愈远离壁面，这种影响愈小，流速变化也愈不明显，直至其流速基本上与主体流速uS相一致。由于粘性，在壁面附近形成速度梯度较大的流体层，称为边界层。*第一章流体流动*/146这样在平板上方流动的流体分为两个区域：一是壁面处速度变化较大的区域，即边界层区域，粘性阻力主要集中在该区域；一是远离壁面速度基本不变的区域，称为主流区，其中的粘性阻力可以忽略。一般以速度达到主体流速的99%处规定为两区域的分界线，如图所示。*第一章流体流动*/146边界层的形成主要是由于流体具有粘性又能完全润湿壁面，因而粘附在壁面上静止的流体层与其相邻的流体层间产生内摩擦，而使其减速逐步形成的。边界层形成后一般不再改变，边界层内的流动可为层流，亦可为湍流，但在近壁处总有一层流内层存在。边界层的存在对传热、传质有重要影响，对其研究主要包括：边界层厚度δ，边界层内的流动状态及产生剪应力等。

*第一章流体流动*/1462.边界层的发展由于摩擦力对外流区流体的持续作用，使得边界层厚度随距离的增长而逐渐变厚，称为边界层的发展。在发展过程中，边界层中可能保持层流，也可能转变为湍流，因此流速的分布发生变化，为一不稳定流动阶段。只有当达到一定距离后，才保持流动稳定。因此在测定管内流速或压力等参数时，测点不能选在进口处，应选在流速分布保持不变的平直部分，才能得到准确的结果，一般稳定段长度xc=(50～100)d处，湍流时该段要短些。

*第一章流体流动*/1461.4流体流动的总衡算方程1.4.1概述流体动力学：研究流体在运动过程中流速、压力等有关物理量的变化规律。衡算方法：通过质量守恒、能量守恒及动量守恒原理对过程进行质量、能量及动量衡算，从而获得物理量之间的内在联系和变化规律。是流体动力学的研究方法。控制体：衡算时，预先指定的衡算的空间范围。任意选择。控制面：衡算时，包围控制体的封闭边界。衡算分总衡算(宏观衡算)和微分衡算。总衡算的特点是由宏观尺度的控制体的外部(进、出口及环境)各有关物理量的变化来考察控制体内部物理量的平均变化。解决化工过程中的物料衡算、能量的转换与消耗以及设备受力情况等许多有实际意义的问题。*第一章流体流动*/1461.4.2总质量衡算

1.4.2.1总质量衡算的通用表达式考察图示的控制体，设总体积为V，控制面的总面积为A，控制面上微元面积dA，dA上流体的密度为ρ，流速为，dA的法线方向为，速度与微元面积法线间夹角为α，则流过此微元面积的质量流率为ρucosαdA，则流过整个控制面的质量流率为：*第一章流体流动*/146在控制体V内任取一微元体积dV，其质量为ρdV，对整个控制体进行体积分，可得整个控制体的瞬时质量：故，控制体内的质量积累速率为：质量守恒定律：输入总质量＝输出总质量＋过程积累量则：输入质量流率＝输出质量流率＋过程质量积累速率即：输出质量流率－输入质量流率＋过程质量积累速率=0所以：上式即为总质量衡算方程的通用形式*第一章流体流动*/146[说明]为正值时，有质量的净输出为负值时，有质量的净输入为零值时，无质量得输入与输出或输入、输出量相等稳态流动时，*第一章流体流动*/1461.4.2.2连续性方程化工生产中，更多的是流体通过管路或容器的流动，如图。此时，流体得流动方向与所通过的截面垂直，流体自截面1流入后从截面2流出。*第一章流体流动*/146推广到任意截面，则有：ω=ub1A1ρ1=ub2A2ρ2=…=ubAρ=常数〖结论〗流体流经各截面的质量流量不变。若流体不可压缩，ρ为常数，上式化为：Vs=ub1A1=ub2A2=…=ubA=常数对圆形管道，A=πd2/4，连续性方程可写为：ub2/ub1=(d1/d2)2

〖结论〗不可压缩流体流经各截面的体积流量也不变；流量一定时，不可压缩流体的流速与管内径平方成反比。〖说明〗1.上述管路各截面上流速的变化规律与管路的安排及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关；2.上述公式适用于连续介质。*第一章流体流动*/1461.4.3总能量衡算1.4.3.1进出系统的能量如图示系统。1kg流体进、出系统时输入和输出的能量有下面各项：1.内能：物质内部能量的总和。1kg流体具有的内能用U表示，单位J/kg。2.热：系统从环境中获得的热量。1kg流体从环境中获得的热量用Q表示，单位J/kg3.外功(净功)：1kg流体通过输送设备获得的能量，用We表示，单位J/kg。*第一章流体流动*/1464.位能：流体因处于地球重力场而具有的能量，为质量为m的流体自基准水平面升举到某高度Z所做的功，即：位能=mgZ

位能单位=kg·m/s2·m=N·m=J1kg流体的位能为gZ，单位为J/kg流体受重力作用，在不同高度具有不同的位能，且位能是一个相对值，随所选的基准水平面位置而定，在基准面以上为正值，以下为负值。5.动能：流体因流动而具有的能量，为将流体从静止加速到流速ub所做的功，即：动能=mub2/2

动能单位=kg·(m/s)2=N·m=J1kg流体的动能为ub2/2，单位为J/kg*第一章流体流动*/1466.静压能(压力能)：流体因静压力而具有的能量，为将流体压进划定体积时对抗压力所做的功。如图，将质量为mkg，体积为Vm3，截面积为Am2的流体压入划定体积所做的功为：PL=pA·V/A=pV则1kg流体的静压能为：pV/m=p/ρ=pv静压能单位=Pa·m3/kg=J/kg流体通过入口截面后，这种功便成为流体的静压能而输入划定体积。通过出口截面，将流体压出去时所做的功也成为流体的静压能从划定体积输出。上述三种能量：位能、动能、静压能合称为机械能，三者之和称为总机械能。*第一章流体流动*/1461.4.3.2流动系统的总能量衡算式据能量守恒定律，假设系统保温良好。稳态流动系统的总能量衡算式，也是流动系统中热力学第一定律的表达式。*第一章流体流动*/1461.4.3.3流动系统的机械能衡算式据热力学第一定律：实际上，Qe由两部分组成：一部分是流体与环境所交换的热Q；另一部分是由于液体在两截面间流动时，由于粘性引起的能量损失。设1kg流体在系统中流动时的能量损失为∑hf，单位J/kg，则：Qe=Q+∑hf

代入上式，得：*第一章流体流动*/146稳态流动时的机械能衡算式。表示1kg流体流动时的机械能的变化关系。适用于可压缩流体和不可压缩流体。将上式与稳态流动系统的总机械能衡算式联立：*第一章流体流动*/1461.4.3.4柏努利方程式对不可压缩流体，比容υ或密度ρ为常数，则：不可压缩流体的柏努利方程*第一章流体流动*/1461.4.3.5柏努利方程式的讨论1.理想流体的柏努利方程式的讨论理想流体：∑hf=0；We=0理想流体在管道内定态流动，且没有外功加入时，在任一截面上单位质量的流体所具有的位能、动能、静压能之和为常数，以E表示，即：常数意味着1kg理想流体在各截面上所具有的总机械能相等，而每一种形式的机械能不一定相等，但各种形式的机械能可以相互转换。*第一章流体流动*/146例如：如图示系统H1′2′12以2-2′为基准面，在1-1′，2-2′间列柏努利方程式：式中，Z1=H,p1=pa,ub1=0,z2=0,p2=pa,ub2=ub∴gH=ub2/2〖结论〗位能逐渐减小，动能逐渐增加，位能转化成动能*第一章流体流动*/1462.实际流体的柏努利方程式的讨论方程式中gZ、ub2/2、p/ρ指某截面流体具有的能量，We、∑hf指流体在两截面间所获得和消耗的能量。能量损失(阻力损失)∑hf

：总机械能从某一截面到另一截面的损失量；是永久损失，不能恢复；“∑”指直管和局部阻力损失量。外功We：补充流体的总机械能；是输送设备对单位质量流体所做的有效功。因此，根据这一数据可以选择流体输送设备。*第一章流体流动*/146输送设备有效功率、轴功率的计算：有效功率Ne：单位时间内输送设备所做的有效功，kW；、轴功率N：泵轴所需功率，Kw。计算公式：Ne=We·W

N=Ne/η3.可压缩流体的柏努利方程式的讨论对于可压缩流体，当两截面压力变化小于原来绝对压力的20％，即(p1-p2)/p1<20%时，仍可使用，但式中密度一项应采用平均密度ρm代替，即：ρm的获得：ρm=(ρ1+ρ2)/2Pm=(p1+p2)/2→

ρm*第一章流体流动*/1464.静止流体的讨论静止流体：ub1=ub2=0,Σhf=0,We=0,即：

整理：p2=p1+ρg(z1-z2)方程式即为静力学基本方程式。可见，静止为流动的一种特例。

*第一章流体流动*/1465.衡算基准不同的讨论①以单位重量(1N)流体为基准：将前述方程式各项除以g，得：令He=We/g,Hf=∑hf/g，则：各项单位为N·m/(kg·m/s2)=N·m/N=J/N=m，表示单位重量流体所具有的能量。物理意义：单位重量流体所具有的能量，可以将自身从基准水平面升举的高度。Z、ub2/(2g)、p/(ρg)、He、Hf称为位压头、动压头、静压头、有效压头、压头损失。*第一章流体流动*/146②以单位体积(1m3)流体为基准：将以单位质量流体为衡算基准的柏努利方程式的各项乘以流体密度，得：各项单位为(N·m/kg)·(kg/m3)=N·m/m3=J/m3=Pa，表示单位体积流体所具有的能量。1.4.3.6柏努利方程式的应用(一)应用柏努利方程式解题要点1.做图并标明流向及有关数据2.截面的选取应注意：两截面应与流向相垂直两截面间流体应连续两截面应选在已知量多的地方*第一章流体流动*/146两截面应包括待求解的未知量两截面应与阻力损失∑hf相一致方程式左端的机械能为起始截面处流体的机械能，右端的机械能为终止截面处流体的机械能3.基准水平面的选取应注意：两截面应选用同一基准水平面尽量使其中某一截面的位能为零4.单位及压力的表示法要一致：单位：各物理量采用同一单位制即可压力：表压、绝压均可，但两截面必须一致。5.对可压缩流动系统，要判断压力变化

*第一章流体流动*/146(二)柏努利方程式的应用1.确定管路中流体的流量[例1-5]20℃空气流过水平通风管道，在内径自300mm渐缩到200mm处的锥形段测得表压为1200Pa和800Pa，空气流过锥形段的能量损失为1.60J/kg，当地大气压力为100kPa，求空气流量。解：因气体属可压缩流体，故先判断压力变化(p1-p2)/p1=(1200-800)/(100×103+1200)=0.4%<20%故可应用柏努利方程。选粗管压力表处为1-1′截面，细管压力表处为2-2′截面，并以管中心线截面所在平面为基准水平面，在两截面间列柏努利方程：gz1+ub12/2+p1/ρm+We=gz2+ub22/2+p2/ρm+Σhf

其中：z1=0,p1=1200Pa(表压)，We=0，z2=0,p2=800Pa(表压)，Σhf=1.60J/kg

*第一章流体流动*/146(二)柏努利方程式的应用(续)

联立(1)(2)解得：ub1=12.8m/s,ub2=28.8m/s

空气体积流量*第一章流体流动*/1462.确定容器间的相对位置[例1-6]将密度为900kg/m3的料液从高位槽送入塔中，高位槽内液面恒定，塔内真空度为8.0kPa，进料量为6m3/h，输送管规格为φ45×2.5mm钢管，料液在管内流动能量损失为30J/kg(不包括出口)，计算高位槽内液面至出口管高度h。解：选高位槽液面为1-1′截面，管出口内侧为2-2′截面，并以2-2′截面为基准水平面，在两截面间列柏努利方程：gz1+ub12/2+p1/ρ+We=gz2+ub22/2+p2/ρ+Σhf

其中：z1=h,ub1≈0,p1=0(表压)，We=0,z2=0，ub2=6/(3600×π/4×0.042)=1.33m/s，p2=-8.0×103Pa(表压)，Σhf=30J/kg

h=(ub22/2+p2/ρ+Σhf)/g

=(1.332/2-8.0×103/900+30)/9.81=2.24m

其高度是为了提高位能，用于提供动能和克服流动阻力。h*第一章流体流动*/1463.确定输送设备的功率[例1-7]用泵将贮槽内1100kg/m3的液体送入表压为0.2MPa的高位槽中，管出口处高于贮槽液面20m，输送管道为φ68×4mm钢管，送液量30m3/h，溶液流经全部管道的能量损失为120J/kg(不包括出口),求泵的轴功率(泵的效率为65%).解：选贮槽液面为1-1′截面，管出口内侧为2-2′截面，并以1-1′截面为基准水平面，在两截面间列柏氏方程：gz1+ub12/2+p1/ρ+We=gz2+ub22/2+p2/ρ+Σhf

其中：z1＝0,ub1≈0，p1=0(表压)，z2=20m,ub2=30/(3600×π/4×0.062)=2.95m/s，p2=0.2×106Pa(表压)，Σhf=120J/kg

We=9.81×20+2.952/2+0.2×106/1100+120=502.37J/kg

W=30×1100/3600=9.17kg/s

N=Ne/η=WeW/η=502.37×9.17/(0.65×1000)=7.08kW30m*第一章流体流动*/1464.确定管路中流体的压力[例1-8]泵送水量为50m3/h,进口管为φ114×4mm的钢管，进口管路中全部能量损失为10J/kg，泵入口处高出水面4.5m，求泵进口处真空表的读数。解：选水槽液面为1-1′截面，泵进口真空表处为2-2′截面，以1-1′截面为基准水平面，在两截面间列柏努利方程：gz1+ub12/2+p1/ρ+We=gz2+ub22/2+p2/ρ+Σhf

其中：z1＝0,ub1≈0，p1=0(表压)，We=0，z2=4.5m

ub2=50/(3600×π/4×0.1062)=1.58m/s

p2=-ρ(gz2+ub22/2+Σhf)=-1000×(9.81×4.5+1.582/2+10)=-55393Pa(表压)

故真空表读数：p=-p2=5.54×104Pa(真空度)

4.5m*第一章流体流动*/1461.10流动阻力计算1.10.1阻力产生的机理流动阻力产生的原因在于：流体具有粘性，流动时存在内摩擦现象，这是流动阻力产生的根源——即内因；流体与其相接触的固体壁面之间的作用，是促使流体内部发生相对运动，提供阻力产生的条件——即外因。因而流动阻力产生的大小与流体的性质、流动类型、流过距离、壁面形状等有关。*第一章流体流动*/1461.10.2管内流动阻力计算1.10.2.1概述柏努利方程中的∑hf是指管路系统的总能量损失，它包括直管阻力和局部阻力。直管阻力：流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力损失，用hf表示。管件阻力：流体流经管件、阀门及管截面突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力损失，用hf′表示。∑hf=hf+hf′*第一章流体流动*/146流体衡算基准不同，柏努利方程式有不同形式，阻力损失也有不同表示方式：∑hf：1kg流体流动时所损失的机械能，J/kg；Hf=∑hf/g：1N流体流动时所损失的机械能，J/N=m;Δpf=ρ∑hf：1m3流动时所损失的机械能，J/m3=Pa。常称为因流动阻力而引起的压力降，也可用mmHg等流体柱高度表示其单位。与Δp的区别：①概念不同①数值不等：将柏努利方程式变换为：Δp=p1-p2=-ρWe-ρgΔZ-ρΔub2/2+Δpf当We=0,ΔZ=0,Δub2=0时，Δp=Δpf*第一章流体流动*/1461.10.2.2直管中的摩擦阻力1.计算圆形直管阻力的通式图示稳态流动系统中受力情况：推动力：P１-P２＝(p１-p２)πd２/4方向：与流动方向相同摩擦阻力：F=τs=τ·π·d·l

方向：与流动方向相反流体在管内匀速流动：推动力=摩擦阻力：(p１-p２)πd２/4=τ·π·d·l

(1)在1-1′与2-2′截面间列柏努利方程，且据前述，水平放置的等径直管的流体在无外功输入时：Δp=p１-p２

=Δpf

(2)联立(1)(2)式，得：该式即为圆形直管内阻力损失与摩擦应力关系式，但由于τ与流动类型有关，无直接的关系式，因此计算困难。*第一章流体流动*/146从实验得知，流体在流动情况下才产生阻力，在流体物性、管径与管长相同情况下，流速增大阻力损失增加，可见阻力损失与流速有关。由于动能ub2/2与能量损失hf单位相同，故常把阻力损失表示为动能ub2/2的若干倍的关系：上式为计算圆形直管摩擦阻力的通式－范宁(Fanning)公式λ:摩擦系数，无量纲，它与流型和管壁粗糙状况有关。*第一章流体流动*/1462.管壁粗糙度对摩擦系数的影响管道按其材质和加工情况的不同分为光滑管和粗糙管。通常把玻璃管、黄铜管、塑料管等视为光滑管，而把钢管、铸铁管等列为粗糙管，以区别其管壁状况。实际上管壁的粗糙程度与使用时间、腐蚀结垢程度等有关。管壁状况用管壁粗糙度表示，分：①绝对粗糙度e，是指壁面凸出部分的平均高度；②相对粗糙度，是指e与管径d之比即e/d，它能更好地反映e对管中流动状况的影响，因而更常使用。

*第一章流体流动*/1462.管壁粗糙度对摩擦系数的影响(续)层流时流体分层流动，管壁上凹凸不平的部分被有规则的流体所覆盖，e的大小并未改变层流的速度分布和内摩擦规律，因而对流动阻力不产生影响，故λ与e无关。湍流时若层流底层厚度δb大于e，则λ与e无关；若δb＜e，由于湍流流动本身存在的脉动，加之壁面凸出部分与质点发生碰撞，促使湍动加剧，因而e对λ的影响不容忽视，而且Re愈大，δb愈小，这种影响愈显著。*第一章流体流动*/1463.层流时的摩擦系数λ水平等径管路内在管轴心处取流体柱推动力：(p1-p2)πr2=Δpfπr2积分上式：积分限：r=r~R,u=ur~0流体在圆管中层流流动时速度分布表达式，为抛物线方程。r=0,ur=ΔpfR2/(4μl)管中心，流速最大r=R,ur=0管壁处，流速最小*第一章流体流动*/146工程中常以管截面上的平均流速计算压力降。环形截面积：dA=2πrdr通过环形截面积体积流量：dVs=urdA=ur2πrdr积分限：r=0~R,Vs=0~Vs哈根·泊谡叶公式Hagon-Poiseuille〖说明〗两边取对数：lgλ=lg64－lgRe

令y=lgλ

，x=lgRe

，则