福州大学化工原理教案- 流体流动

1流体流动流体流动规律是本门课程的重要基础，主要原因又以下三个方面：（1）流动阻力及流量计算（2）流动对传热、传质及化学反应的影响（3）流体的混合效果1.1概述1.1.1流体流动的考察方法气体合液体统称为流体。流体是由大量的彼此间有一定间隙的单个分子所组成。不同的考察方法对流体流动情况的理解也就不同。在物理化学重（气体分子运动论）是考察单个分子的微观运动，分子的运动是随机的、不规则的混乱运动，在某一方向上有时有分子通过，有时没有。因此这种考察方法认为流体是不连续的介质，所需处理的运动是一种随机的运动，问题将是非常复杂的。（1）连续性假设在化工原理中是考察液体质点的宏观运动，流体质点是由大量分子组成的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由路程却要大的多。这样，可以假定流体是有大量质点组成、彼此间没有间隙、完全充满所占空间连续介质。流体的物性及运动参数在空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。在绝大多数情况下流体的连续性假设是成立的，只是高真空稀薄气体的情况下连续性假定不成立。（2）流体运动的描述方法①拉格朗日法选定一个流体质点，对其跟踪观察，描述其运动参数（位移、数度等）与时间的关系。可见，拉格朗日法描述的是同一质点在不同时刻的状态。②欧拉法在固定的空间位置上观察流体质点的运动情况，直接描述各有关参数在空间各点的分布情况合随时间的变化，例如对速度u，可作如下描述：可见，欧拉法描述的是空间各点的状态及其与时间的关系。（3）定态流动（稳定流动，定常流动）若空间各点的状态不随时间变化，改流动称为定态流动。，，，，……，=，与t无关（4）流线与轨线①流线是采用欧拉法考察的结果，流线上各点的切线表示同一时刻各点的速度方向。如图1-1所示。流线上四个箭头分别表示在同一时间四个不同空间位置上a、b、c、d、四个流体质点（不是真正几何意义上的点，而是具有质点尺寸的点）的速度方向。由于同一点在指定某一时刻只有一个速度，所以各流线不会相交。轨线是采用拉格朗日法考察流体运动所的的结果，轨线是某一流体质点的流动轨迹，轨线上各点表示同一质点在不同时刻的空间位置。显然，轨线与流线是完全不同的。轨线描述的是同一质点在不同时，间的位置，而流线表示的则是同一瞬间不同质点的速度方向。（5）系统与控制体（6）考察方法的选择1.1.2流体流动中的作用力（1）体积力（质量力）与流体的质量成正比，对于均质的流体也与流体的体积成正比。如流体在重力场中运动时受到的重力就是一种体积力，F＝mg。（2）表面力与流体的表面积成正比。若取流体中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分为①垂直与表面的力P，称为压力。单位面积上所受的压力称为压强p。1MPa（兆帕）＝106Pa（帕斯卡）注意：国内许多教材习惯上把压强称为压力。②平行于表面的力F，称为剪力（切力）。单位面积上所受的剪力称为应力τ。（3）牛顿粘性定律P8，图1-2式中：——流体的粘度，Pa·s（N·s/m2）；——法向速度梯度，1/s。③体与固体的力学特性两个不同点（一般了解）不同之一：固体表面的剪应力τ∝剪切变形（角变形）流体内部的剪应力τ∝剪切变形速率（角变形速率）（见图1-3）这是由于流体在剪切力的作用下其变形是无止境的，只要作用力存在，变形与运动将一直维持下去，只能在剪应力τ与变形的快慢（即变形速率）之间建立关系，牛顿粘性定律就是这种关系，式中的速率梯度就是剪切变形速率。不同之二：静止流体不能承受剪应力（哪怕是非常微小的剪应力）和抵抗剪切变形。固体可以承受很大的剪应力和抵抗剪切变形。④流体的剪应力与动量传递固体的摩擦仅发生在接触的表面，而流体的摩擦发生在流体的内部，这种内摩擦产生的阻力将消耗流体的机械能。流体的内摩擦是如何产生的呢？粘度是流体的物性。根据牛顿粘性定律，对一定，，；，。τ及μ只是有限值，故也只能是有限值，由此可知，相邻流体层的速度只能连续变化。两块平行的平板间的流体速度变化如图1-2所示，若流体在圆形管道内流动，速度变化的规律又将如何呢？（举江水流动情况的启发）流体在管道内的速度分布如图1-4所示。两图均说明，流动的流体内部相邻的速度不同的两流体层间存在相互作用力，即速度快的流体层有着拖动与之相邻的速度慢的流体层向前运动的力，而同时速度慢的流体层有着阻碍与之相邻的速度快的流体层向前运动的力。流体内部速度不同的相邻两流体层之间的这种相互作用力就称为流体的内摩擦力或粘性力F，单位面积上的F即为。理想流体（实际上不存在），，＝0其速度分布如图1－5所示。τ实际上反映了动量传递。度μ的单位及换算关系SI制：CGS制：cP（厘泊）运动粘度SI制的单位为m2/s粘度μ又称为动力粘度。μ的变化规律液体：μ＝f（t），与压强p无关，温度t↑，↓，水（20℃），cp，要记住，油的粘度可达几十。到几百Cp,输送原油加热目的？气体：p<40atm时μ＝f（t）与p无关，温度t↑，μ↑μ＝0，流体无粘性（理想流体，p9图1-5，实际不存在），服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体（大多数如水、空气），本章主要研究牛顿型流体的流动规律，非牛顿型流体（血液、牙膏等）的τ与速度梯度关系见本章第8节。图1-4：u——半径r处的点速度，m/s。1.1.3流体流动中的机械能（1）内能：内能是贮存于液体内部的能量，是由于原子与分子的运动及其相互作用存在的能量。因此液体的内能与其状态有关。内能大小主要决定于液体的温度，而液体的压力影响可以忽略。单位质量流体所具有的内能U＝f（t），J/Kg（2）位能：在重力场中，液体高于某基准面所具有的能量称为液体的位能。液体在距离基准面高度为z时的位能相当于流体从基准面提升高度为z时重力对液体所作的功。单位质量流体所具有的位能gz（3）动能：液体因运动而具有的能量，称为动能。单位质量流体所具有的动能（4）压强能：流体自低压向高压对抗压力流动时，流体由此获得的能量称为压强能，单位质量流体所具有的压强能，v——流体的比容（比体积），机械能（位能、动能、压强能）在流动过程可以互相转换，亦可转变为热或流体的内能。但热和内能在流体流动过程不能直接转变为机械能而用于流体输送。1.2流体静力学1.2.1静压强在空间的分布（1）静压强空间各点。（2）流体微元的受力平衡如图1－6所示，作用于立方体流体微元上的力有两种①表面力abcd表面的压力（N）为：式中：p——六面体中心点A点静压强；——p在x方向的变化率；——该面距A点的距离；——压强N/m2；——面积m2。a’b’c’d’表面的压力（N）为：对于其他表面，也可以写出相应的表达式。②体积力设单位质量流体上的体积力在x方向的分量为x（N/Kg），则微元所受的体积力在x方向的分量为，该流体处于静止状态，外力之和必等于零、对x方向，有与x方向相同的力取“＋”号，相反取“－”号。上式两边同除以得：同理欧拉平衡方程若将该微元流体移动dl距离，此距离对x，y，z轴的分量为dx、dy、dz，将上列方程组分别乘以dx、dy、dz并相加得：表示两种力对微元流体作功之和为零。由于静止流体压强仅与空间位置有关，即与时间无关。所以上式左侧括号内即为压强的全微分，于是：式中：——压力作的功——体积力作的功（3）平衡方程在重力场中的应用如流体所受的体积力仅为重力，并取z轴方向与重力方向相反，则：将此式代入流体平衡的一般表达式有：设流体不可压缩，即密度ρ与压力无关，可将上式积分得：对于静止流体中任意两点1和2，如图1-7所示：或必须指出，以上三式仅适用于在重力场中静止的不可压缩流体。上列各式表明静压强仅与垂直位置有关，而与水平位置无关。这是由于流体仅处于重力场中的缘故。流体中，液体的密度随压强的变化很小，可以认为是不可压缩的流体；气体则不然，具有较大的可压缩性，原则上上式不成立，但是若压强的变化不大，密度可近似地取其平均值而视为常数时，以上各式仍可用。流体流动中的守恒原理以管流为主讨论流体质量守恒、能量守恒和动量守恒，从而得到流速、压强等运动参数在流动过程中的变化规律。1.3.1质量守恒（1）流量：单位时间内流过管道某一截面的物质量称为流量。一般有体积流量和质量流量两种表示方法。体积流量(或)，解题指南用表示。由于气体的体积与其状态有关，因此对气体的体积流量，须说明它的温度t和压强p质量流量（Kg/s或Kg/h）,解题指南用表示。与的关系为：式中：ρ——流体的密度，气体的ρ亦与温度t、压强p有关，但t、p对ρ及的影响刚好相反，相互抵消，故气体与t、p无关。气体，。另外对气体，经常说“标态体积流量（Nm3/h）”是指标准状态（0℃，1atm）下的体积流量，由于标态下气体的摩尔体积为22.4m3/kmol,因此实际就是告诉我们气体的摩尔流量（或质量流量）。（2）平均流速（简称流速）u单位时间内流体在流动方向上所流过的距离称为流速u（m/s）。流体在管截面上的速度分布规律较为复杂，如在工程上为计算方便起见，流体的流速通常指整个管截面上的平均流速，其表达式为：常用A——垂直于流动方向的管截面积，m2。式中的u教材中用平均速度表示，但后面有关公式中又写成u（p49式1-90），以后u均指平均流速。已知速度分布ur的表达式，求平均流速：qm=qVρ=uAρ（3）质量流速G单位时间内流体流过管道单位截面积的流体质量称为质量流速G，其单位为。由于气体的体积流量qV随温度、压强而变，所以气体流速亦随t、p而变，因此，对于气体在管内流动的有关计算，采用不随状态变化的质量流速较为方便，如计算气体雷诺准数，哪个方便？（4）质量守恒方程取截面1-1至2-2之间的管段作为控制体（欧拉法，截面固定）式中V为控制体容积。定态流动时对不可压缩流体对圆形截面管道1.3.2机械能守恒根据牛顿第二定律固体质点运动，无摩擦（理想条件）机械能＝位能＋动能＝常数流体流动，无摩擦（理想流体，无粘性μ＝0、F＝0、τ＝0）机械能＝位能＋动能＋压强能＝常数单位质量流体所具有的机械能＝下面讨论如何导出上式（1）沿轨线（拉格朗日考察法，是某一流体质点的轨迹）的机械能守恒回顾在静止流体中，立方体微元所受各力平衡（静止）式中：——单位质量流体体积力在方向的分量；——单位质量流体在方向的表面力。在运动流体中，立方体微元表面不受剪应力（∵设μ＝0），微元受力与静止流体相同（体积力＋表面力）但受力不平衡造成加速度（力＝质量×加速度，力/质量＝加速度），即设流体微元在dt时间力位移dl，它在x轴上的分量位dx，将dx乘上式各项得：功＝力×位移＝N/Kg×m=J/Kg能同理在y，z方向上有：以上三式相加得若流体仅在重力场中流动，取z轴垂直向上，则：上式成为对不可压缩流体，ρ＝常数，积分上式得（以单元质量流体为基准，式中每项单位均为J/Kg）上式适用于理想流体（＝0），沿轨线机械能守恒（2）沿流线（欧拉考擦法，固定截面上考擦）的机械能守恒定态流动，流线与轨迹线重合，上式仍适用。（3）理想流体管流的机械能守恒。（4）实际流体管流的机械能守恒。简单回顾上节课内容（5）理想流体管流的机械能衡算理想流体（＝0，τ＝0，无阻力损失）或SHAPE（6）实际流体管流的机械能衡算实际流体（）式中：——动能的平均值，不好求，平均速度好求，＝，但，引入动能校正系数α——截面1至截面2外加的机械能J/Kg；——流体在两截面间的流体阻力；以后计算均取，误差不大。（以后可以把上的－去掉，u表示平均速度）习惯上也把上式称为实际流体的柏努利方程或扩展了的柏努利方程。（7）柏努利方程的应用重力射流压力射流（8）柏努利方程的几何意义以单位重量流体为衡算基准，有：理想每项式中：——位头；——压头；——速度头。实际流体（）以单位体积位衡算基准注意②柏努利方程解题应注意的事项，截面、基准面的选取、压强的表示方法。1.3.3动量守恒有兴趣自学，一般了解。仅在阻力损失无法计算或本身要求流体对壁面的作用力时才用动量守恒定律解题。1.4流体流动的内部结构本节的目的时为了了解流体流动的内部结构以便为阻力损失计算打下基础。1.4.1流体的形态（1）两种流型——层流和湍流（2）流型的判据——雷诺数Re1.4.2湍流的基本特征一般了解（自学），湍流时流体质点总体上沿轴向运动，但在径向上还有脉动，流体质点彼此间碰撞剧烈，阻力损失比大的多，也大的多。（3）湍流粘度层流时，式中是指分子粘度，反映了分子引力和分子运动造成的动量传递湍流时，动量传递不仅起因于分子运动，且来源于流体质点的横向脉动，故不服从牛顿粘性定律，如仍希望用其形式，则：式中：——湍流粘度，不是流体的物理性，是表示速度脉动的一个特征，与流场即流体质点的位置有关，无法试验测定或理论计算，上式好看不好用。1.4.3边界层及边界层脱体（分离）（1）边界层①流体在平板上流动是的边界层②管流时的边界层（2）湍流时的层流内层和过渡层不管是平板上的流动还是管内流动，若流体主体为湍流，都可分为以下几个区域：湍流区（远离壁面的湍流核心）：，流体质点的脉动剧烈，流动充分显示其湍流特征。层流内层（靠近壁面附近一层很薄的流体层）：，主要由分子运动造成动量传递，可以忽略湍流粘度的影响。过渡层（在湍流区和层流区之间）：，流体质点的脉动和分子运动对流动都有影响。为简化起见，常忽略过渡层，将湍流动分为湍流核心和层流内层两部分。层流内层一般很薄，其厚度随Re的增大而减小。在湍流核心内，径向的传递过程因速的的脉动而大大强化。而在层流内层中，径向的传递只能依赖于分子运动。因此，层流内层成为传递过程主要阻力之所在。举传热的例子。（3）边界层的分离现象。1.4.4圆管内流体运动的数学描述（1）流体的力平衡左端面的力：右端面的力：外表面的剪切力：圆柱体的重力：因流体在均匀直管内作等速运动，各外力之和必为零，即：（2）剪应力分布将、、、代入上式，并整理此式表示圆管中沿管截面上的剪应力分布。由以上推导可知，剪应力分布与流动截面的几何形状有关，与流体种类、层流或湍流无关，即对层流和湍流皆适用。由此式可看出，，其值最大。（3）层流时的速度分布层流时服从牛顿粘性定律为负，为保证为正，加负号。管中心r＝0，所以层流时圆管截面上的速度是抛物线分布（4）层流时的平均速度和动能校正系数类似可得＝2（5）湍流时的速度分布层流湍流不是物性，其值与Re及流体质点位置有关，故湍流时速度分布不能像层流一样通过流体柱受力分析从理论上导出，只能将试验结果用经验式表示：n与Re有关，在不同Re范围内取不同的值：（见p36）不论n取1/6或1/10，湍流的速度分布可作如下推想：近管中心部分剪应力不大而湍流粘度数值很大，由式（1-61）可知湍流核心处的速度梯度必定很小。而在壁面附近很薄的层流内层中，剪应力相当大且以分子粘度的作用为主；但的数值又远较湍流核心处的为小，故此薄层中的速度梯度必定很大。图1-32表示湍流时的速度分布。Re数愈大，近壁区以外的速度分布愈均匀。（6）湍流时的平均速度及动能校正系数取积分：u与的关系与n有关以后计算不论层流还是湍流均取1.5阻力损失1.5.1两种阻力损失（1）直管阻力和局部阻力（2）阻力损失表现为流体势能的降低（无外加机械能），（等径）由此式可知，对于通常的管路，无论是直管阻力或是局部阻力，也不论是层流或是湍流，阻力损失均主要表现为流体势能的降低，既。该式同时表明，只有水平管道（），才能以代替表达。解题指南例10-3讨论。（3）泛流时的直管阻力损失式中是指平均速度（1-73）1.5.2湍流时直管阻力损失的试验研究方法——因次分析法（1）析因试验——寻找影响过程的主要因素（靠初步试验和经验）（1-74）式中：——管壁绝对粗糙度，在解题指南及试验讲义中用e表示，通常给定的单位为mm，计算时化为m。（2）规划试验——减少试验工作量，试验结果易总结整理，有物理意义。正交设计法，因次分析法等。一个完整物理量＝数值×单位，如。因次分析法将物理量因次（单位）抽出分析（不考虑数值部分），将影响过程的物理量组合成几个无因次的数群（准数），数群的数目将少于自变量的数目，试验工作量减少，但数群前的系数及各数群的指数因次分析法无法确定（为什么？因为不考虑物理量的数值部分），仍要靠试验确定，这种研究方法就是在绪论课中提到的半经验半理论的研究方法。因次分析法的基础是：任何物理方程的等式两边或方程中的没一项均具有相同的因次，此称为因次和谐或因次一次性。从这一基本点出发，任何物理方程都可以转化成无因次形式。以层流时的阻力损失为例，不难看出，式（1-73）可以写成如下形式（1-75）式中没一项都为无因次项，称为无因次数群。换言之，未作无因次处理前，层流时阻力的函数为：（1-76）作无因次处理后，可写成（1-77）对照式（1-74）与式（1-75），不难推测，湍流时的式（1-74）也可写成如下的无因次形式（1-78）式中即为雷诺数（Re），称为相对粗糙度。将式（1-74）作比较可以看出，经变量组合和无因次化后，自变量数目由原来的6个减少到3个。这样进行实验时无需一个个地改变原式中的6个变量，而只要逐个改变即可。显然，所需实验次数将大大减少，避免了大量的实验工作量。尤其重要的式，若按式（1-74）进行实验时，为改变，实验中必须换多种液体；为改变d，必须改变实验装置。而应用因次分析所得的式（1-78）指导实验时，要改变只需改变流速；要改变，只需改变测量段的距离，即两测压点的距离。这是一个极为重要的特性，从而可以将水、空气等的实验结果推广应用于其他流体，将小尺寸模型的实验结果应用于大型装置。（3）数据处理——实验结果的正确表达获得无因次数群后，各无因次数群之间的函数关系仍需由实验并经分析去定。方法之一是将各无因次数群之间的函数关系近似地用幂函数的形式表达（1-79）此函数可线性化为此后不难将的实验值，用线性回归的方法求出系数的值，同时也检验了是（1-79）的函数形式是否适用。对式（1-78）而言，根据经验，阻力损失与管长成正比，该式可改写为：（1-81）函数的具体形式可按实验结果用图线或方程表达。1.5.3直管阻力损失的计算式由以上分析可知，直管阻力损失，无论式层流还是湍流，都与雷诺数、速度的平方以及有关。因此，我们可以将其写成以下统一的表达式：（1）统一的表达式或或式中，称为摩擦系数，由式（1-81）可知，是Re和相对粗糙度的函数，即（2）摩擦系数①层流当时，流体在管内作层流流动，由式可以得到②湍流当时，或流体作湍流流动时，摩擦系数怎么求呢？前人通过大量的实验，得到了各种各样的的关联式，如书上的式（1-85）此式由于在等式的左、右两边都有，因此要用此式要进行迭代，不方便。下面我们介绍另外1个公式：《指南》p41式（10-22）当流体在光滑管中运动时，的影响可忽略，我们可以用柏拉修斯公式：适用范围顾毓珍公式：适用范围（3）摩擦因数图前面学过的摩擦因数，除了层流时和光滑管的柏拉修斯公式比较简单外，其余各公式都比较复杂，用起来比较不方便。在工程计算中为了避免试差，一般是将通过实验测出的与和的关系，以为参变量，以为纵坐标，以为横坐标，标绘在双对数坐标纸上。如图1-34所示，此图称为莫狄摩擦因数图。由图可以看出，摩擦因数图可以分为以下五个区：①层流区：，与无关，与成直线关系，即。则流体的流动阻力损失与流速的关系为。②过渡区。在此区内，流体的流型可能是层流，也可能是湍流，视外界的条件而定，在管路计算时，为安全起见，对流动阻力的计算一般将湍流时的曲线延伸查取的数值。③湍流粗糙管区。及虚线以下和光滑管曲线以上的区域。这个区域内，管内流型为湍流，因此。由图中曲线分析可知，当一定时，↑，↓；当一定时，↑，↑。④湍流光滑管区。时的最下面一条曲线。这是管内流型为湍流。由于光滑管表面凸起的高度很小，，因此与无关，而仅与有关。当时，。⑤完全湍流区——阻力平方区图中虚线以上的区域。此区域内曲线近似为水平线，即与无关，只于有关，。这是由于增加至这一区域，层流底层厚度，凸出的部分都伸到湍流主体中，质点的碰撞更加剧烈，时流体中的粘性力已不起作用。固包括的不再影响的大小。此时压力降(阻力损失)完全由惯性力造成的。我们把它称为完全湍流区。对于一定的管道，为定值，＝常数，由范宁公式。所以完全湍流区又称阻力平方区。由图可知，↑，达到阻力平方区的↓（4）粗糙度对的影响由可以看出，除流型对有影响外，管壁的粗糙度对也有影响，但其影响因流型不同而异。流体输送用的管道，按其材料的性质和加工情况大致可以分为二类：光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管粗糙管：钢管、铸铁管、水泥管管壁粗糙度可用：绝对粗糙度（指壁面凸出部分的平均高度）,相对粗糙度。相同的管道，直径不同，对的影响就不同。故一般用相对粗糙度来考虑对的影响。①层流：层流时，管壁上凹凸不平的地方都被有规则的流体层所覆盖，而流速又比较缓慢，流体质点对管壁凸出部分不会有碰撞作用，所以层流时与无关，粗糙度的大小并未改变层流的速度分布和内摩擦规律。②湍流时，前面我们已知道，湍流时靠管壁处总是存在一层层流内层，其厚度设为，若，则此时管壁粗糙度对的影响与层流相近，若则管壁突出部分便伸入湍流区与流体质点发生碰撞，便湍流加剧，此时对的影响便成的主要因素。越大，层流内层越薄，这种影响越显著。当增大到一定程度，层流内层薄得使表面得凸出完全暴露在湍流区内，则在增大，只要一定，就一定了，此时就进入了阻力平方区，即阻力损失与成正比：。（5）实际管得当量粗糙度管壁粗糙度对阻力系数得影响首先是在人工粗糙管中测定得。人工粗糙管是将大小相同得砂粒均匀地粘着在普通管壁上，认为地造成粗糙度，因而其粗糙度可以精确测定。工业管道内壁得凸出物形状不同，高度也参差不齐，粗糙度无法精确测定。实践上通过试验测得阻力损失并计算值，然后由图1-34反求处相当得相对粗糙度，称为实际管道得当量相对粗糙度。由当量相对粗糙度可以求出当量得绝对粗糙度。（6）非圆形管得当量直径前面讨论得都是圆形管道。在工业生产中经常会遇到非圆形截面得管道或设备。如套管换热器环隙，列管换热器管间，长方形得通分管等。对于非圆形管内的流体流动，必须找到一个与直径相当的量，使、等才有可能进行计算，为此类似当量粗糙度引入当量直径的概念，以表示非圆形管相当与直径为多少的圆形管。当量直径用表示我们来看一下圆管的直径：内径为，长为，其内部可供流体流过的体积为，其被润湿的内表面积为，因此有下列关系。对非圆形管：可以类比上式而得到其当量直径为：对长，宽为的矩形管道当时，此式误差比较大。对于外管内径为，内管外径的的套管环隙当量直径的定义是经验性的，并无充分的理论依据。将求阻力损失中的改成即可求；但对于层流流动图1-34中的层流摩擦因数图不可用。因为查图得到的不可靠。可用下式求，套管环隙。正方形截面。长为，宽为的矩形截面：时，；时，注：非圆形管道的截面积不能用求，还有，也不能用求。用当量直径计算的用以判断非圆形管中的流型。非圆形管中稳定层流的临界雷诺数用样是2000。1.5.4局部阻力的损失化工管路中的管件种类繁多，常见的管件如表1-2所示。流体流过各种管件都会产生阻力损失。和直管阻力的沿程均匀分布不同，这种阻力损失是由管件内的流道多变所造成，因而称为局部阻力损失。局部阻力损失是由于流道的急剧变化使流动边界层分离，所产生的大量漩涡，使流体质点运动受到干扰，因此即使流体在直管内是层流流动，但当它通过管件或阀门时也是很容易变成湍流。（1）突然扩大与突然缩小①突然扩大流体流过如图所示的突然扩大管道时，由于流股离开壁面成一射流注入了扩大的截面中，然后才扩张道充满整个截面。由于流道突然扩大，下游压强上升，流体在逆压强梯度下流动，射流与壁面间出现边界层分离，产生漩涡，因此有能量损失。②突然缩小突然缩小时，流体在顺压强梯度下流动，不致于发生边界层脱离现象，因此在收缩部分不会发生明显的阻力损失。但流体有惯性，流道将继续收缩至A-A面后又扩大。这时，流体在逆压强梯度下流动，也就产生了边界层分离和漩涡。因此也就产生了机械能损失，由此可见，突然缩小造成的阻力主要还在于突然扩大。其他管件，如阀门都会由于流道的急剧改变而发生类似现象，造成局部阻力损失。（2）局部阻力损失的计算在湍流情况下，为克服局部阻力所引起的能量损失，是一个复杂的问题，而且管件种类繁多，规格不一，难于精确计算。通常要用以下两种方法：①阻力系数法近似地将克服局部阻力引起的能量损失表示成动能的一个倍数。这个倍数称为局部阻力系数，用符号表示，即（J/Kg）突然扩大的阻力系数可从表1-2查得，也可用式来求。突然缩小的阻力系数也可从表1-2查得，也可用式来求。下面有两种极端情况：其中：管出口和管入口：流体自管出口进入容器，可看作很小的截面突然扩大道很大的截面，相当于突然扩大时的情况，故管出口，流体自容器流进管的入口，是自很大的截面突然缩小到很小的截面，相当于突然缩小时的情况，故管入口，，②当量长度法把流体流过某一管件或阀门的局部阻力折算成相当于流过一段与它直径相同，长度为的直管阻力。所折算的直管长度称为该管件或阀门的当量长度，以表示，单位为m。那么局部阻力损失为：，见图1-38管件和阀门的当量长度的共线图。（共线图的用法）。如闸阀1/2关时，管径为60mm时的当量长度，由图上查得（或14）注：上述求局部阻力中的速度是用小管截面的平均速度。显然，上述两种方法在计算局部阻力时，由于与定义不同，从而使两种计算方法所得的结果不会一致，它们都是工程计算中的近似估算值，注：当我们进行设计计算时，实际应用时，长距离输送是以直管阻力损失为主；车间管路常以局部阻力为主。由此，管路的总阻力损失的直管阻力损失与局部阻力损失之和，即或式中为局部阻力损失。有时，由于或的数据不全，可将两者结合起来混合应用，即注意：以上各式适用于直径相同的管段或管路系统的计算，式中的流速是指管段或管路系统的流速。由于管径相同，所以可以按任一截面来计算。而机械能衡算式中动能项中的流速是指相应的衡算截面处的流速。当管路由若干直径不同的管段组成是，由于各段的流速不同，此时管路的总能量损失应分段计算，然后再求和。例1-3阻力损失的计算。1.6流体输送管路的计算前面几节我们已导出了连续性方程式，机械能衡算式以及阻力损失的计算式。据此，可以进行不可压缩流体输送管路的计算。化工管路按其布置情况可分为简单管路与复杂管路两种，下面我们分别讨论其计算方法。1.6.1简单管路计算简单管路是指灭有分支或汇合的单一管路。在实际计算中碰到的有三种情况：一是管径不变的单一管路；二是不同管径的管道串联组成的单一管路；三是循环管路。在简单管路计算中，实际是连续性方程，机械能衡算式和阻力损失计算式的具体运用。即联立求解这些方程：连续性方程：或机械能衡算式:摩擦系数计算式(或图)下面我们先分析一下管径不变的简单管路计算⑴等径管路计算如图所示为一管径不变的管路。当被输送的流体已定，其物性，已定，上面给出的三个方程中已包含有9个变量即、、、、、、、(或)、。从数学上知道，需给定6独立变量，才能解出3个未知量。由于已知量与未知量情况不同，因而计算的方法有所不同。工程计算中按管路计算的目的可分为设计型计算与操作型计算两类。①简单管路的设计型计算设计型计算是给定输送任务，要求设计经济上合理的管路。典型的设计型命题如下：设计要求：为完成一定量的流体输送任务，需设计经济上合理的管道尺寸（一般指管径）及供液点所提供的势能。给定条件：、、（需液点的势能）、管道材料及管道配件、、(或)等5个量。在以上命题中只给定了5个变量，上述三个方程求4个未知量仍无定解。要使问题有定解，还需设计者另外补充一个条件，这是设计型问题的主要特点。对以上命题剩下的4个待求量是：、、、。工程上往往是通过选择一流速，继而通过上述方程组达到确定与的目的。由于不同的对应一组不同的、，设计者的任务在于选择一组经济上最合适的数据，即设计计算存在变量优化的问题。什么样的数据才是最合适的呢？对一定，与成反比，↑，↓，设备费用↓，但↑使流动阻力↑，操作费用↑；反之，↓，↑，设备费用↑，但↓使流动阻力↓，操作费用↓。因此，必存在一最佳流速，使输送系统的总费用（设备费用＋操作费用）最小。原则上说可以通过将总费用作为目标函数，通过取目标函数的最小值来求出最优管径（或流速），但对于车间内部规模较小的管路设计问题，往往采取P50，表1-3列出经验流速以确定管径再根据管道标准进行调整。（管道标准，P390，图）注：再选择流速时，应考虑流体的性质。粘度较大的流体（如油类）流速应取得低；含有固体悬浮物的流体，为了防止管路的堵塞，流速不能取得太低。密度较大的液体，流速应取得低，而密度小的液体，流速则可取得壁液体大的多。气体输送中，容易获得压强的气体，流速可以取高些；而一般气体输送的压强不易获得，流速不宜取太高。还有对于真空管路，流速的选择必须保证产生的压降低于允许值。管径的选择也要受到结构上的限制，如支撑再跨距5m以上的普通钢管，管径不应小于40mm。下面我们来看一道设计型计算的命题：例10-11钢管总长为100m，200C的水在其中的流率为27m3/h。输送过程中允许摩擦阻力为40J/kg，试确定管路的直径。解：本题为简单管路的设计型计算问题，待求量为管径。由于未知，即使已知，也无法求，无法计算，不能确定，故须用试差法计算。根据题给条件，有将、、、代入上式并整理，得(a)200C水的密度为1000kg/m3，粘度为1.005cP（200C水的粘度是一个很特殊的数据，许多出题者不会将200C水的作为已知条件给出，读者必须记住，近似计算可将其取为1cP）。把已知数据代入表达式，得（b）粗糙管湍流时可用下式计算（c）本题取管壁绝对粗糙度=0.2mm=0.2×10-3m，湍流时值约在0.02~0.03左右，故易于假设值，而管径的变化范围较大不易假设。本题设初值=0.028，由式(a)求出，再由式(b)求出，计算相对粗糙度,把及值代入式(c)求，比较与初设入，若两者不符，则将作为下一轮迭代的初值，重复上述步骤，直至为止。表10-1为迭代结果。表10-1例10-11计算结果0.0280.07971.192×1052.51×10－30.02640.00180.02640.07881.207×1052.54×10－30.02650.001经过两轮迭代即收敛，故计算的管道内径为0.0788m，实际上市场上没有此规格的管子，必须根据教材附录提供的管子规格选用合适的标准管。本题输送水，题目没有给出水压值，故认为水压不会太高，根据教材提供的有缝钢管（即水、煤气管，最高承受压力可达16kgf/cm2）规格，选用普通水、煤气管，其具体尺寸为，内径。由于所选与计算不一致，必须验算采用此管时的摩擦阻力是否超过允许值。＜计算结果说明，采用水、煤气管时的摩擦阻力小于允许值40J/kg，故认为所选的管子合适。②简单管路的操作型计算操作型计算问题是管路已定，要求核算在某给定条件下管路的输送能力或某项技术指标。这类问题的命题如下：给定条件：、、(或)、、、等6个量；计算目的：求输送量；或给定条件：、、(或)、、、等6个量；计算目的：计算的目的不同，命题中须给定的条件亦不同。但是，在各种操作型问题中，有一点是完全一致的，即都给定了6个变量，方程组有唯一解。在第一种命题中，由于未知，未知，无法确定流型，不知道，必须用试差法求解。先假设或（变化范围比变化范围小，先假设求解比较方便，因为一般情况下）；通常可取进入阻力平方区的作为初值。假设或或确定流型与假设值比较，若假设，则重新假设进行试差计算直至假设。若已知阻力损失服从平方或一次方定律时，则可以解析求解，无需试差。（如层流，）。讲了这么多简单管路的操作型计算，下面我们通过两个例子来说明。《指南》P15510－8，10－9⑵串联管路：由不同直径的管道串联组成的不等径管路。如图：对于不可压缩流体，由连续性方程得，其流过串联管路内各段得体积流量相等。＝＝（不可压缩流体）串联管路的阻力损失等于各段管路阻力损失之和，即⑶循环管路的计算如图所示，循环管路，在管路中任取一截面同时作为上游1-1`截面和下游2-2`截面，则,机械能衡算式化为：上式说明，对循环管路，外加的能量全部用于克服流动阻力，这是循环管路的特点，后面解题时常用到。由以上分析我们可以看出：对于简单管路，通过各管段的质量流量相等，对于不可压缩流体，体积流量相等；整个管路的阻力损失等于各管段阻力损失之和。1.6.2复杂管路计算前面我们已经得到简单管路是没有分支或汇合的单一管路，它包括等径的、不等径的以及循环管路，那么对于有分支、汇合的管路，我们称之为复杂管路，常见的复杂管路有分支管路、汇合管路和并联管路三种。下面我们分别介绍它们的特点和计算方法。⑴分支挂路与汇合管路特点：①流量由上图分支或汇合管路，我们可以看出，不管是分支管路还是汇合管路，对于稳态流动，他们的流量关系为：即总管流量等于各支管流量之和②分支点或汇合点O处的总机械能不管是分支还是汇合，在交点O处都存在有能量交换与损失。（为什么）？如果弄清楚O点处的能量损失及交换，那么前面讲到的对于单一管路机械能衡算式同样可以用于分支或汇合管路，工程上采用两种方法解决交点处的能量交换和损失。A．交点O处的能量交换和损失与各流股流向和流速大小都有关系，可将单位质量流体跨越交点的能量变化看作流出管件（三通）的局部阻力损失，由实验测定在不同情况下三通的局部阻力系数。当流过交点时能量有所增加，则值为负，能量减少，则为正。见图1-36，1-37,只要各流股的流向明确，仍可跨越交点列出机械能衡算式。B．若输送管路的其他部分的阻力较大，如对于大于1000的长管，三通阻力所占的比例很小，而可以忽略，可不计三通阻力而跨越交点，列出机械能衡算式。对于图所示分支管路，我们对其列机械能衡算式可得即对于分支或汇合管路，无论各支管内的流量是否相等，在分支点O或汇合点处的总机械能为定值。分支管路所需的外加能量可根据上式，不同的分支算出的结果不一样，我们应该取哪一个呢？应该由远到近，分别求出满足各支管输送要求的，然后加以比较，取其中最大的作为确定输送机械功率的依据。这样确定的对需要能量较小的支路而言太大，此时可通过该支路上的阀门进行调节，让多余的能量消耗在阀门上。若分支管路AO间没有泵，则式中=O。由高位槽A向B、C两个设备送液就属于这种情况，此时所需的高位槽的液面高度（或）亦按输送要求高的支路确定。对汇合管路，同样可以根据汇合点的总机械能的定值进行分析。即对于图示汇合管路P55例1-6.P16110－1310－14上面我们讨论的是分支或汇合管路，那么对于复杂管路的另一种情况－并联管路的情况又如何呢？⑵并联管路若上述分支管路的B,C两端合二为一，之后再往前延伸，便成为并联管路。如图特点：（1）主管的流量等于各支管流量之和。或（2）各支管的阻力损失相等。各支管的阻力损失：在分流点O和汇合点Q处两截面可以列机械能衡算式得O1QO2QO3Q比较上面三式可知：即并联管路各支管阻力损失相等，这是并联管路得主要特征。即单位质量流体从OQ，不论通过哪一支管，阻力损失应是相等得。若O、Q点在同一水平面上，且O、Q处管径相等，则并联管路各支管流动阻力损失相等，那么各支路得流量是否相等呢？或者说各支路流量得关系又如何？与什么有关？如果并联管路中有个支路，各管段得阻力损失可以写为：式中包括局部阻力的当量长度。一般情况各支管的长度、直径及粗糙度是不相同的，但各支管的流体流动的推动力是相同的，因此各支管的流速也不同。那么流体在各支管中如何分配呢？将代入上式并经整理得因为相等，所以可以得到各支管流量分配的关系式：同时应满足：如果总流量、各支管的、、均已知，由以上两式即可联立求出、、……。选任一支管用即可求出O,Q两点间的阻力损失.如果考虑的变化，那么上述问题可能需要试差或迭代求解。例1-7复杂管路计算的注意事项：①在设计计算分支管路所需能量时，为了保证将流体输送至需用能量最大的支管，就需要按照耗用能量最大的那支管路计算。通常是从最远的支管开始，有远及近，依次进行各支管的计算。如在按已知的流量和管路（管路上阀门全开）计算出的能量不等时，应取能量最大者为依据。②在计算管路的总阻力时，如果管路上有并联管路存在，则总阻力损失应为主管部分与并联部分的串联阻力损失。在计算并联管路的阻力时，只需考虑其中任一管段的阻力即可，绝不能将并联的各段阻力全部加在一起，以作为并联管路的阻力。1.6.3可压缩流体的管路计算前面我们所讲的都是不可压缩流体的流动，由此而退到出了不可压缩流体的机械能衡算式，阻力损失的计算。但是工程上经常会碰到可压缩流体的输送，那么对于可压缩流体的管路计算又是如何的呢？①无粘性可压缩流体的机械能衡算。可压缩流体一般都是指气体。气体具有较大的压缩性，其密度随压强而变。对于无粘性可压缩流体，则管路中1，2截面的机械能衡算式为式中有积分项，流动过程中气体的密度式随的变化而变化的。对理想气体，有等温、绝热、多变过程，对于这些过程我们可以根据与的关系来积分上式，具体内容见书P58②粘性可压缩气体的管路计算对于粘性可压缩气体由于存在粘性，因此在机械能衡算式的右边应加上阻力损失,沿管长是变化的，单位管长的阻力损失也是变化的，将上式改写成微分形式：流速沿管长是变化的，但是对于气体的稳态流动，它的质量流速是一常数，因此我们可以将上式中的用来代替，且气体的密度很小，因此可忽略位能项,经过积分我们可以得到其中时的密度为。当很小时，第二项可忽略，上式可简化为不可压缩流体的能量衡算式。判断气体流动是否可以作为不可压缩流体来处理，不在于气体压强的绝对值大小，而是衡算式右边第二项与第一项的相对大小。当，，，则第二项约占第一项的1％，因此可忽略第二项，可按不可压缩流体计算不会引起很大的误差。对于高压气体的输送，很小，可作为不可压缩的流体处理；对于低压气体的输送，较大，不可作为不可压缩的流体处理，往往必须考虑其压缩性。一般在的变化在20％以内时，我们可将其按不可压缩流体来处理，但要取时的密度。补充：管件和阀门的的查法。突然扩大，突然缩小的，P43，图1-36,1-37单位质量流体流过阀件（三通）的阻力损失。局部阻力什么时候该计算，什么时候不计算。例10-13如图10-13所示，高位水箱下面接一32×2.5的水管，将水引向一楼某车间，其中，ABC段短管长为15m。假设摩擦因数约为0.025，球心阀全开及半开时的阻力系数分别为6.4和9.5，其他局部阻力可忽略。试问：（1）当球心阀全开时，一楼水管内水的流量为多少？（2）今若在C处接一相同直径的管子（如图中虚线所示），也装有同样的球心阀且全开，以便将水引向离底层3m处的二楼。计算当一楼水管上阀门全开或半开时，一、二楼水管及总管内水的流量各为多少？解：（1）求一楼水管内水的流量。可先在水箱水面1-1＇至一楼管出口截面2-2＇间列柏努利方程求出，然后再求。(a)本题、、（表压）、、、而为将上述数值代入式(a)，得解得所以（2）分别考虑阀门全开与半开时情况①当一楼水管上阀门全开时这是一个典型的分支管路的问题，必然遵循分支管路的两个特点：一是单位质量流体在两支管流动终了时的总机械能与阻力损失之和必相等，且等于分支点的总机械能，即服从式（10-34）；二是主管流量等于支管流量之和。下面根据分支管路（本题图10.22中C点为分支点）上述特点解题。对一楼及二楼管出口截面2-2＇、3-3＇，由式（10-34）可得（b）本题、、（表压）、而及分别为（c）（d）把已知数值及式(c)、式(d)代入式(b)，得（e）整理式(e)，得（f）总管流量应为两支管流量之和，设总管流速为，由于总管和支管管径相同，有（g）即待求量为、，而式(f)和式(g)中有3个未知量，无法求解，还需再找一个关系式。由1-1＇截面到2-2＇截面列柏努利方程，得（h）式中、、（表压）、、、，而为将已知数值代入式(h)，得整理上式，得联立式(f)、式(g)、式(i)经试差得，，相应流量为，，从计算结果可以看出，接上支管CE后，由于其分流降阻作用使总管AC流量有所提高（由6.57m3/h提高到7.19m3/h），支管CD流量则有所下降（由6.57m3/h降至5.52m3/h）。②当一楼水管上阀门半开时将式(c)中的改为，并代入数据=9.5，整理得，其它与①同理可得如下3个方程联立以上三式经试差得，，相应流量为，，与阀全开时相比，总管AC及支管CD中的流量均下降，而支管CE流量增大。本例通过具体数据计算得出上述结论，对于分支管路操作型问题的定性分析，没有具体的计算数据，如何进行定性分析呢？下面通过例10-14加以说明。例10-14如图所示，一高位槽通过一总管及两支管A、B分别向水槽C、D供水。假设总管和支管上的阀门KO、KA、KB均处在全开状态，三个水槽液面保持恒定。试分析，当将阀门KA关小时，总管和支管的流量及分支点前O处的压力如何变化？解：（1）总管和支管A流量及O处压力变化分析。严格的分析可分别在液面1-1＇与2-2＇间和1-1＇与3-3＇间列机械能衡算式并结合分支点O处的质量衡算式共三个方程式，判别总管流量和两个支管流量、的变化情况。由于各变量之间的关系复杂且相互制约，上述分析要用排除法，比较繁琐，有兴趣的读者可参阅文献[10]。下面利用文献[10]的结论，即例10