化工原理课件 1 流体流动

第一章流体流动11.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.5流体在管内的流动阻力1.6管路计算1.7流量测量主要内容2正确理解流体流动过程中的基本原理及流体在管内的流动规律；正确理解流体的流动类型和流动阻力的概念；重点掌握流体静力学基本方程式、连续性方程式及柏努利方程式及其应用；熟练掌握流体流动阻力的计算、简单管路的设计型和操作型计算；了解测速管、文丘里流量计、孔板流量计和转子流量计的工作原理和基本计算。本章要求31.研究流体流动问题的重要性

流体流动是最普遍的化工单元操作之一；流体是气体与液体的总称。概述4化工厂原貌5化工厂原貌6

研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。1.研究流体流动问题的重要性

流体流动是最普遍的化工单元操作之一；流体是气体与液体的总称。概述72.流体的特征流动性无固定形状受外力作用时内部发生相对运动概述83.流体的分类可压缩性流体不可压缩性流体液体可视为不可压缩流体气体在压力变化较小时视为不可压缩流体概述94.连续介质假定

随机波动

确定的极限值

概述10△V0

为质点特征体积，即此微元体积中的所有流体分子的集合称为质点。注意：该假定对绝大多数流体都适用。但是当流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当时，例如高真空稀薄气体的流动，连续介质假定受到限制。4.连续介质假定流体的连续介质模型：流体是由连续分布的流体质点所组成，流体微团连续布满整个流体空间，从而流体的物理性质和运动参数成为空间连续函数。概述11第1章流体流动1.1流体的物理性质1.1.1流体的密度12kg/m3单位体积流体的质量，称为流体的密度。1.定义132.液体的密度混合液体的密度:设定混合液体的体积=分体积之和,即:液体的密度:以1kg混合液体为基准，有其中：xWA为A组分的质量分率,xWB为B组分的质量分率143.气体的密度气体密度：一般可当成理想气体处理:混合气体密度:Mm——混合气体的平均分子量；MA——A组分的分子量；yB——B组分的摩尔分率。MB——B组分的分子量；yA——A组分的摩尔分率。其中：153.气体的密度A组分的体积分率；B组分的体积分率。混合气体的密度：根据质量守恒定律，有：其中：164.比容单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。m3/kg17练习题目思考题作业题:无1.何谓单元操作？如何分类？2.联系各单元操作的两条主线是什么？

3.比较实验研究方法和数学模型的区别。18第1章流体流动1.1流体的物理性质1.1.1流体的密度1.1.2流体的粘度19流体所具有的抵抗相邻流体层相对运动的性质称为流体的粘性。粘性是流体固有的物理性质。流体在运动时，任意相邻两层流体有相互抵抗力,这种相互抵抗的作用力称为内摩擦力（粘滞力，粘性摩擦力）1.牛顿粘性定律202、流体流动的内摩擦力是流动阻力产生的依据。1、流体在流动时有一定的速度分布粘滞力所产生的后果理想流体在管内的速度分布粘性流体在管内的速度分布1.牛顿粘性定律21ux△y固定板u＝0△uy活动板1.牛顿粘性定律F22牛顿粘性定律μ—粘度（粘滞系数，动力粘度）τ—内摩擦应力（剪应力）：单位面积上的内摩擦力，（N/m2），方向：平行于作用面凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体

(如水、空气等),否则为非牛顿型流体。1.牛顿粘性定律23粘度是流体的重要物理性质之一,它是流体组成和状态(压力、温度)的函数。一般而言:气体:液体:物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力2.流体的粘度24μ的单位:1）SI制:2）工程制:泊(P);厘泊(cP

或mPa.s)关系:运动粘度:常用流体的粘度可以查表求得，见p341表14和p344表152.流体的粘度252.流体的粘度混合物粘度的估算：1）常压气体混合物的粘度：其中：yi——组分的摩尔分数；µi——同温度下组分的粘度；Mi——组分的摩尔质量262.流体的粘度混合物粘度的估算：2）非缔合液体混合物的粘度：其中：µm——液体混合物的粘度；µi——液体混合物组分的粘度；xi——混合物组分的摩尔分数273.理想流体理想流体：粘度为零的流体；粘性流体（实际流体）：粘度不为零的流体。实际流体都具有粘性，引入理想流体的概念是为了研究实际流体的需要。28第1章流体流动1.1流体的物理性质1.1.1流体的密度1.1.2流体的粘度1.1.3非理想流体29高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品以及含微细颗粒较多的悬浮体、分散体、乳浊液等流体在层流时并不服从牛顿粘性定律，统称为非牛顿流体。非牛顿流体的粘度μ

不再为一常数，而与dux/dy有关牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体，所有气体和大多数液体属于牛顿型流体。基本概念3031第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.2.1静止流体的压力321.压力的单位1）SI制:N/m2

或Pa；kPa1kPa=1000Pa2）工程制:标准大气压(atm)，工程压力(kgf/cm2),某流体柱高度等。3）关系换算：1atm=101.325kPa=101325N/m2=760mmHg

=1.033kgf/cm2=10.33mH2O1mmHg=133.32Pa1at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.807×104Pa注：工程上习惯称压力为压强。332.真空度与表压当被测流体的压力(或绝对压力)小于大气压时:当被测流体的压力(或绝对压力)大于大气压时:表上读数=大气压－绝对压力表上读数=绝对压力－大气压真空度表压真空表压力表压力表与真空表342.真空度与表压对表压和真空度必须加以标注，如:2000pa（表压），并指明当地大气压。例:有一设备要求绝压为20mmHg,成都,拉萨的大气压分别为720mmHg,459.4mmHg,问真空度各为多少Pa?20mmHg成都的真空度=720－20=700mmHg=700×101325/760=93326Pa解:拉萨的真空度=459.4－20=439.4mmHg=439.4×101325/760=58581Pa1mmHg=133.32Pa表压和真空度与当地大气压有关：35第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.2.1静止流体的压力1.2.2流体静力学基本方程式36重力场中对液柱进行受力分析：1）上端面所受总压力2）下端面所受总压力3）液柱的重力设流体不可压缩，方向向下方向向上方向向下1.方程式推导p0p2p1z1z2G371.方程式推导液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:不可压缩流体的静力学基本方程式反映重力场作用下，静止流体内部压力的变化规律381）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；—单位质量流体所具有的位能，J/kg；—单位质量流体所具有的静压能，J/kg。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。2）物理意义：2.静力学基本方程式的讨论lAV393）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，压力相等的面称为等压面。4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。应用要点:

1)等压面;(静止的、连通的、均匀的、同一水平面压力相等)2)上下压力：2.静力学基本方程式的讨论40pA

与pB

之关系?(4)(3)AB(1)水A(2)油B41pA

与pB

之关系?pC与pD

之关系?ABCD42【例1-3】(p19)（1）判断下列关系是否成立，即：（2）h＝？解：（1）（2）水层h2=0.6m，ρ2=1000kg/m3油层h1=0.8m，ρ1=800kg/m343第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.2.1静止流体的压力1.2.2流体静力学基本方程式1.2.3静力学基本方程式的应用441）普通U型管压差计（U-tubemanometer

）

2）倒置U型管压差计（Up-sidedownmanometer）3）倾斜U型管压差计（Inclinedmanometer）4）双液体U型管压差计（Two-liquidmanometer）(a)(c)(b)(d)1.压强与压强差的测量451）U管压差计（U-tubemanameter）图1-8U管压差计z1z2动画461）普通U型管压差计（U-tubemanometer

）当z1=z2时,U形压差计的读数R反应的是虚拟压强差。只有当管道水平放置时，测量的才是真实的压差！z1z2定义：虚拟压强47讨论：1)U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接,另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；表压真空度p1pap1pa2)指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。482)倾斜U型管压差计读数放大P1－P2=图1-9倾斜液柱压差计49对一定的压差Dp，R

值的大小与所用的指示剂密度差有关，密度差越小，R

值就越大，读数精度也越高。3）双液体U型管压差计（Two-liquidmanometer）ρB略小于ρA读数放大如果双液压差计小室内液面差可忽略，则501）近距离液位测量装置压差计读数R反映出容器内的液面高度。液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，R亦为零。2液位测量1-容器，2-平衡器小室，3-U管压差计图1-11压差法测量液位动画512）远距离液位测量装置管道中充满氮气，其流速很小，近似认为：而所以2液位测量1-调节阀2-鼓泡观察器3-U管压差计4-吹气管5-贮罐动画52液封作用：确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；防止气柜内气体泄漏。液封高度：3.液封高度的计算53例1：如图所示密闭室内装有测定室内气压的U型压差计和监测水位高度的压强表。指示剂为水银的U型压差计读数R为40mm，压强表读数p

为32.5kPa

。试求：水位高度h。54解：表压=绝对压力-大气压其中：绝对压力=大气压=则有：55例2：用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的压差，倒置U型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水,水和空气的密度分别为r=1000kg/m3

和r0=1.2kg/m3

，在某一流量下测得R1=z1-z2=0.32m，R2=z3-z4

=0.5m。试计算A,B两点的压差。56解：根据静力学基本原理，有：57说明：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围58练习题目思考题作业题(P76):2、41.静压强有什么特性？2.不同基准压强之间的换算关系是怎样的？3.流体静力学方程式应用于哪些方面？59第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程

1.3.1流体的流量与流速

601.流量流量的表示方法：体积流量，以Vs表示，单位为m3/s。质量流量，以ws表示，单位为kg/s。体积流量与质量流量的关系为

单位时间内流过管道任一流通截面的流体量，称为流量。612.流速

单位时间内流体在流动方向上所流过的距离称为流速。以u表示，单位m/s。实验表明，流体流经一段管路时，由于流体存在黏性，使得管截面上各点的速度不同。在工程计算上为了方便起见，流体的流速通常指整个管截面上的平均流速。622.流速平均速度

平均速度指体积流量与流通截面面积之比，以u

表示，其单位为m/s。632.流速

由于气体的体积流量随温度和压力变化，因此，采用质量流速较为方便。质量流速定义为单位时间内流体流过管道单位截面面积的质量，亦称为质量通量，以G表示，单位为kg/(m2·s)。质量通量642.流速管径、体积流量和管内流速之间关系:

管路直径

管内流速65对于圆形管道：流速选择：↑→d↓→设备费用↓流动阻力↑→动力消耗↑→操作费↑均衡考虑uu适宜费用总费用设备费操作费3.管径的估算生产任务规定由经济衡算确定663.管径的估算例1-10提示管径的选择管子规格壁厚外径附录23Φ67

水及一般液体1～

3m/s粘度较大的液体0.5～

1m/s低压气体8～

15m/s压力较高的气体15～25m/s适宜流速的大小与流体性质及操作条件有关，如悬浮液不宜低速，高粘度、高密度及易燃易爆流体不宜高流速。4.常用流体适宜流速范围68第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程

1.3.1流体的流量与流速

1.3.2稳态流动与非稳态流动

69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。各截面上的流速、压力、密度等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；化工生产中多属连续定态过程，主要讲稳态流动。基本概念稳态流动非稳态流动70第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程

1.3.1流体的流量与流速

1.3.2稳态流动与非稳态流动

1.3.3连续性方程式

71对于稳态流动系统，根据物料衡算方程：推广至任意截面11

2

2——连续性方程72不可压缩性流体，圆形管道：不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比；流体在均匀直管作定态流动时，平均流速保持定值，不会因内摩擦而减速。73第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程

1.3.1流体的流量与流速

1.3.2稳态流动与非稳态流动

1.3.3连续性方程式

1.3.4柏努利方程

741.流动系统的总能量衡算图1-14柏努利方程式的推导1-换热器2-泵基准面流体从截面1-1′流入从截面2-2′流出泵换热器稳态流动系统751.流动系统的总能量衡算推导思路：总能量衡算机械能衡算不可压缩流体机械能衡算衡算范围:内壁面、1-1′与2-2′截面间。衡算基准:1kg流体。761.流动系统的总能量衡算1kg流体进、出系统时输入和输出的能量有下面各项:内能：由截面1-1′进入由截面2-2′流出位能：由截面1-1′进入由截面2-2′流出(J/kg)(J/kg)(J/kg)(J/kg)动能：由截面1-1′进入由截面2-2′流出(J/kg)(J/kg)771.流动系统的总能量衡算静压能：由截面1-1′进入由截面2-2′流出(J/kg)(J/kg)换热器向控制体内流体所加入的热量速率为输送机械向控制体内流体所加入的外功速率为(J/kg)(J/kg)781.流动系统的总能量衡算根据能量守恒定律，可得上式经整理，可得

稳态流动过程的总能量衡算式，也是流动系统中热力学第一定律的表达式792.流动系统的机械能衡算式与柏努利方程式1）流动系统的机械能衡算式不便于计算，想办法消去其中：（热力学第一定律）克服流动阻力而消耗的机械能1kg流体对外所做的功1kg流体所获得的热换热器向1kg流体提供的热动能位能静压能机械能802.流动系统的机械能衡算式与柏努利方程式代入稳态流动过程的机械能衡算方程中，可得因此812.流动系统的机械能衡算式与柏努利方程式2）柏努利方程式对于不可压缩流体，ρ为常数，则或工程柏努利(Bernoulli)方程适用条件：不可压缩流体提问：柏努利方程中各项的物理意义。822.流动系统的机械能衡算式与柏努利方程式对于理想流体的流动，又无外功加入，则所以或柏努利(Bernoulli)方程适用条件：不可压缩理想流体833.柏努利方程式的讨论该方程表示理想流体在管道内作稳态流动而又没有外功加入时，各种机械能之间可以相互转化，但其总量不变。1）适用条件：不可压缩流体连续、稳态流动。通常用E表示总机械能，则：对理想流体：J/kgJ/kg843.柏努利方程式的讨论说明实际流体由于具有粘性，流动过程中有阻力损失需要消耗机械能，机械能不守恒。对实际流体：J/kgJ/kg对实际流体：J/kg853.柏努利方程式的讨论2）有效功率输送机械在单位时间内所作的有效功称为有效功率，用下式计算

J/s，W质量流量,kg/s有效功,J/kg863.柏努利方程式的讨论3）可压缩流体

对于可压缩流体的流动，若所取系统两截面间的绝对压强变化小于原来绝对压强的20%，即时，仍可用。873.柏努利方程式的讨论4）静止流体流体静止仅是流体运动的特例。883.柏努利方程式的讨论5）柏努利方程的其他形式

以单位重量流体为衡算基准，将柏努利方程式的各项均除以重力加速度g，令则或89位压头速度头动压头静压头压头损失总压头有效压头表示单位重量流体所具有的能量，J/N，m。3.柏努利方程式的讨论90以单位体积流体为衡算基准，将各项乘以流体密度ρ，则表示单位体积流体所具有的能量，J/m3，Pa3.柏努利方程式的讨论91流体静力学基本方程液柱高度相同123阀门关闭时实验现象分析（一）92理想流体，阀门打开时，液柱高度如何变化?13如此变化吗?实验现象分析（一）9313由上可知:流体的动能与静压能可相互转化理想流体阀门打开实验现象分析（一）94阀门关闭时，12实验现象分析（一）实际流体，液柱高度如何变化？阀门打开时，395工厂应用实例:真空蒸发浓缩骨胶水高速从管中流过真空表1100当p0低于pa时，产生真空。实验现象分析（二）96冷水热水11331.为什么热水可从喷头流出？2.热水桶的位置是否可任意？22实验现象分析（三）97第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程

1.3.1流体的流量与流速

1.3.2稳态流动与非稳态流动

1.3.3连续性方程式

1.3.4柏努利方程

1.3.5柏努利方程的应用

98（1）作图与确定衡算范围；（2）截面的选取；应用伯努利方程式解题要点（5）单位必须一致。①截面应与流动方向相垂直，且已知条件最多；②包含待求变量。（3）基准水平面的选取；z2基准面（4）两截面上的压强；用绝压或表压均可，但两边必须统一。必须与地面平行，可任意选取。112299P=10000Pa(表)d=0.027mu为管内流速m/s例1.求:V=?m3/h100求:例2.一定管系，由V求d

要求V=0.03m3/s(阀全开,且包括全部阻力)d为管内径m，u为管内流速m/s解题注意以下处理:关于2-2截面选内侧:选外侧:101解：以高位槽液面为1-1截面，以管出口外侧为2-2截面，以2-2截面所在管的中心线为基准面，在1-1与2-2截面之间列柏努利方程式：102测得:大管小管例3.求：假定R读数在U形管的右侧求:，R读数在U形管的哪一侧?103假定R读数在U形管的右侧解:(1)在如图所示的截面间列柏氏方程：其中：104得R为负说明液柱读数在U形管的左侧。假定R读数在U形管的右侧本例说明:虽然，但读数R反映的是：105思考题作业题（p76）:8、9、101.选择管内流速的依据是什么？2.在应用机械能衡算方程解题时需要注意哪些问题？练习题目106第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.4.1流动类型与雷诺数

107对于水平直管人们发现两种规律雷诺实验表明，存在两种流动类型问题的引出1081.雷诺实验与雷诺数图1-15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-溢流装置动画（雷诺实验）109层流（laminarflow）或滞流（viscousflow）1.雷诺实验与雷诺数过渡流过渡流不是一种单独的流动类型，可能是层流，也可能是湍流；或时而层流，时而湍流。湍流或紊流(turbulentflow)流体具有两种流动类型：层流和湍流。110凡是几个有内在联系的物理量按无量纲条件组合起来的数群，称为准数或无量纲数群。Re为反映流体流动状态的为1数群。雷诺数（Reynoldsnumber）粘度流速密度直径1.雷诺实验与雷诺数量纲：1111.雷诺实验与雷诺数当惯性力较大时，Re数较大;当粘滞力较大时，Re数较小。物理意义：

Re反映了流体流动中惯性力与粘滞力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。1122.层流与湍流流体在管内流动时：数值仅做参考，实际的流动类型还与具体的设备和流动条件有关。Re≤2000稳定的层流区2000<Re<4000过渡区Re≥4000湍流区工程上Re＞3000时按照湍流处理。流型判断依据：113流体在管内作层流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。层流的特点层流与湍流的区分不仅在于各有不同的Re值，更重要的是它们有本质区别。2.层流与湍流湍流的特点质点作不规则的杂乱运动，并互相碰撞混合，产生大大小小的旋涡。质点的脉动是湍流运动的最基本的特点。114时均量与脉动量图1-17点i的流体质点的速度脉动曲线示意图2.层流与湍流时均值脉动值115除流速之外，湍流中的其他物理量，如温度、压力、密度等等也都是脉动的，亦可采用同样的方法来表征。从上图可知,流体质点经过点i的瞬时速度为脉动速度(fluctuationvelocity)瞬时速度(instantaneousvelocity)时均速度(timemeanvelocity)2.层流与湍流116时均速度定义为在稳态系统中，流体作湍流流动时，管道截面上任一点的时均速度不随时间而改变。2.层流与湍流117第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.4.1流动类型与雷诺数1.4.2流体在圆管内流动时的速度分布

118无论是层流还是湍流，在管道任意截面上，流体质点的速度均沿管径而变化，管壁处速度为零，离开管壁以后速度渐增，到管中心处速度最大。速度在管道截面上的分布规律因流型而异。图1-19

圆管内速度分布（a）层流（b）湍流

1191.流体在圆管内层流流动时的速度分布drrtrlp1p2R对管中心流体柱受力分析：推动力：阻力：稳态流动：边界条件：——流体在圆管内层流流动的速度分布式1201.流体在圆管内层流流动时的速度分布流体在管内作层流流动时，速度分布为抛物线，且管截面平均流速为最大流速的一半。平均流速最大流速二者关系1212.流体在圆管内湍流流动时的速度分布湍流时，流体质点的运动情况比较复杂，目前还不能完全采用理论方法得出湍流时的速度分布规律。图1-18圆管内速度分布(b)湍流122图1-20u/umax与Re、Remax的关系2.流体在圆管内湍流流动时的速度分布123层流内层过渡区或缓冲层湍流主体流体在管内湍流流动时的速度分布2.流体在圆管内湍流流动时的速度分布124第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.4.1流动类型与雷诺数1.4.2流体在圆管内流动时的速度分布

1.4.3边界层的概念

1251904年，普兰特（近代流体力学的奠基人）凭他丰富的经验和物理直觉，提出了著名的边界层理论。他在海德贝尔格的数学年会上宣读了“具有很小摩擦的流体运动”，证明了绕固体的流动可以分为两个区域，一是物体附近很薄的一层(边界层)，其中摩擦起着主要的作用；二是该层以外的其余区域，这里摩擦可以忽略不计。126边界层紧贴壁面附近很薄的一层，速度梯度很大的流体层。通常定义为流速将为来流速度99%以内区域的流体层。主流区边界层之外，速度梯度接近于零的区域。1.边界层的形成

us

us

us

us

uu边界层主流区图1-21平板上的流动边界层127远离壁面的大部分区域壁面附近的一层很薄的流体层实际流体与固体壁面间相对运动速度变化很小可视为理想流体必须考虑粘滞力的影响，由于流体的粘性作用，存在速度梯度1.边界层的形成1282.边界层的发展1）流体在平板上的流动图1-21平板上的流动边界层1292.边界层的发展层流边界层过渡区湍流边界层边界层湍流边界层层流内层或层流底层缓冲层湍流主体或湍流核心速度梯度大居中小流体流过光滑平板时，边界层由层流转变为湍流发生在：1302)流体在圆形直管的进口段内的流动图1-22圆管进口段层流边界层内速度分布侧形的发展2.边界层的发展

管壁上已经形成的边界层在管的中心线上汇合，此后边界层占据整个圆管的截面，其厚度维持不变，等于管子半径。131距管进口的距离x0称为稳定段长度或进口段长度。在稳定段以后，各截面速度分布曲线形状不随x而变，称为完全发展了的流动。2.边界层的发展对于层流，进口段长度可采用下式计算进口段长度132(a)层流边界层(b)层流与湍流边界层2.边界层的发展管内流动边界层图1-23圆管进口段流动边界层厚度的变化133测量仪表安装位置：在稳定段以后。层流时，通常取稳定段长度x0=(50～100)d。湍流的稳定段长度，一般比层流的要短些。2.边界层的发展1343.边界层的分离

边界层的一个重要特点是，在某些情况下，会出现边界层与固体壁面相脱离的现象。此时边界层内的流体会倒流并产生旋涡，导致流体的能量损失。此种现象称为边界层分离，它是粘性流体流动时能量损失的重要原因之一。1351361373.边界层的分离边界层分离的必要条件是：逆压、流体具有粘性这两个因素缺一不可。u0

C'

ACBxA-B：加速减压B点以后：减速加压驻点分离点尾涡图1-24流体流过圆柱体表面的边界层分离边界层分离1383.边界层的分离边界层分离的后果：

产生大量旋涡（尾涡）；产生形体阻力：由于固体表面形状造成边界层分离所引起的能量损失粘性流体流过固体表面（管件、阀门、管子进出口、流量计等）的阻力为粘性摩擦阻力与形体阻力之和。两者之和称为局部阻力。139练习题目思考题作业题:12、131.雷诺数的物理意义是什么？

2.湍流用哪些量来表征？3.流体在固体壁面上产生边界层分离的必要条件是什么？140第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.5流体在管内的流动阻力

概述

141概述流动阻力产生的原因流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，是流动阻力产生的根源。层流：流动阻力来自内摩擦湍流：内摩擦湍流应力（附加阻力）：旋涡碰撞产生142概述Σhf

分为两类：局部阻力主要是由于流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力。1）直管阻力直管阻力是流体流经一定管径的直管时，由于流体内摩擦而产生的阻力。2）局部阻力143概述总能量损失（或称总阻力损失）直管阻力局部阻力J/kgJ/N，mJ/m3，Pa144概述定义单位体积流体流动产生的能量损失为流动阻力引起的压强降，即特别强调，与柏努利方程中两截面的压强差是两个截然不同的概念。145概述在一般情况下，Δp与Δpf在数值上不相等，即只有当流体在一段既无外功加入、等径的水平管内流动时，才能得出两截面间的压强差Δp与压强降Δpf在绝对数值上相等。146第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.5流体在管内的流动阻力1.5.1流体在直管中的流动阻力

1471.计算圆形直管阻力的通式由机械能衡算得：由受力的平衡得：引入阻力系数：1122httqp1p2l1481.计算圆形直管阻力的通式长径比，无因次动能该公式层流与湍流均适用；

l——摩擦系数，无因次，是雷诺数与管壁粗糙度的函数。摩擦系数——直管阻力计算通式（范宁公式）1492.管壁粗糙度对摩擦系数的影响实际上，即使是用同一材质的管子铺设的管道，由于使用时间的长短，腐蚀与结垢的程度不同，管壁的粗糙程度也会发生很大的差异。光滑管通常把玻璃管、黄铜管、塑料管等列为光滑管。粗糙管通常把钢管和铸铁管等列为粗糙管。150表1-2列出了某些工业管道的绝对粗糙度值。

绝对粗糙度壁面凸出部分的平均高度，以ε表示，mm。相对粗糙度绝对粗糙度与管径的比值，即ε/d。2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响151ε对l的值无影响。2.管壁粗糙度ε对摩擦系数的影响δuεδ>ε1）层流：2）湍流：δ>ε：与层流相同,ε对l无影响。uδεδ<εδ<ε：粗糙表面的凸出物突出于湍流核心中，阻挡湍流流动而造成阻力损失。此时，ε成为主要影响因素。

Re

越大，层流内层越薄，更多的壁面粗糙物暴露于湍流主体中，加剧旋涡运动和流体质点的碰撞，增加惯性阻力。1523.层流时的摩擦系数流体在圆管内层流流动的平均速度哈根—泊谡叶方程层流时的摩擦系数1534.湍流时的摩擦系数与量纲分析通过因次分析法，可得到某一物理过程的无因次数群的个数及形式。只是一种数学分析方法，它不能代替实验。因次分析法：1544.湍流时的摩擦系数与量纲分析1）通过实验找到所有影响因素：duρμε绝对粗糙度因次分析过程：1554.湍流时的摩擦系数与量纲分析2）根据

定理找到无因次数群个数。上面的关系也可以用幂函数来表示，即无因次数群的个数=变量个数-所涉及到的基本量纲数在SI制中，将长度L，时间

和质量m的量纲作为基本量纲，分别以[L]，[T]和[M]表示。基本量纲1564.湍流时的摩擦系数与量纲分析——（A）3）根据因次一致性原则找到无因次数群。因次一致性原则：物理量方程的等号两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次。1574.湍流时的摩擦系数与量纲分析将a、c、d代入式A得：欧拉(Euler)数，表示压力与惯性力之比。雷诺数表示管壁粗糙度的影响与管尺寸有关的比值，反映流动系统的几何特性1584.湍流时的摩擦系数与量纲分析对照通过实验确定K、e、f、b。1594.湍流时的摩擦系数与量纲分析使用时注意经验式的适用范围几个光滑管内湍流经验公式：160几个粗糙管内湍流经验公式：尼库拉则与卡门公式适用范围：其他公式见教材。161图1-27摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系

162图1-27摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系

层流区1631）层流（滞流）区（Re≤2000）l=f(Re)，与相对粗糙度e/d无关，摩擦阻力与流速一次方成正比，又称为阻力一次方区。四个区：164图1-27摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系

层流区过渡区1651）层流（滞流）区（Re≤2000）l=f(Re)，与相对粗糙度e/d无关，摩擦阻力与流速一次方成正比，又称为阻力一次方区。由于过渡流常常是不稳定的，难于准确判定其流型，工程应用上从可靠的观点出发一般按湍流处理。2）过渡区（2000＜Re＜4000）四个区：166图1-27摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系

层流区过渡区湍流区水力光滑管l=f(Re)1673）湍流区（Re＞4000）（即图中虚线以下）l=f(Re，e/d)

，Re越大，e/d越小，l越小。四个区：168图1-27摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系

层流区过渡区湍流区完全湍流区1693）湍流区（Re＞4000）（即图中虚线以下）l=f(Re，e/d)

，Re越大，e/d越小，l越小。l=f(e/d)，与Re无关，4）完全湍流区（Re＞4000）（即图中虚线以上）四个区：又称为阻力平方区。对一定管系，e/d一定，l＝const，1705.流体在非圆形直管内的流动阻力在湍流情况下，实验表明，对非圆形截面的通道，可以找到一个与圆形管直径d相当的“直径”来代替。式中

Π—流道的润湿周边长度，m；

A—流通截面积，m2。当量直径水力半径1715.流体在非圆形直管内的流动阻力

对非圆形管道，d用de代替；流速u是指流体的真实流速，不能用当量直径de来计算。注：层流流动时，需按下式修正：修正系数，查表1-3172第1章流体流动1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.5流体在管内的流动阻力1.5.1流体在直管中的流动阻力1.5.2管路上的局部阻力

173概述形体阻力：由于流体的流速大小或方向突然发生变化而产生涡流。局部阻力=内摩擦阻力+形体阻力产生局部阻力的位置174产生局部阻力的管件175概述形体阻力：由于流体的流速大小或方向突然发生变化而产生涡流。局部阻力=内摩擦阻力+形体阻力产生局部阻力的位置产生局部阻力的原因：边界层分离176阀门177弯头弯头178三通三通179概述形体阻力：由于流体的流速大小或方向突然发生变化而产生涡流。局部阻力=内摩擦阻力+形体阻力产生局部阻力的位置产生局部阻力的原因：边界层分离局部阻力的计算方法：当量长度法局部阻力系数法180图1-28突然扩大和突然缩小的局部阻力系数(a)突然扩大(b)突然缩小1）突然扩大与突然缩小1.阻力系数法181细管内速度图1-28突然扩大和突然缩小的局部阻力系数

(a)突然扩大(b)突然缩小查图1-281.阻力系数法1822）

进口与出口

管入口管出口3）

管件与阀门

管路上的配件如弯头、三通、活接头等总称为管件。不同管件或阀门的局部阻力系数可从有关手册中查得。1.阻力系数法183

1842.当量长度法100毫米的闸阀1/2关le=22m100毫米的标准三通le=2.2m100毫米的闸阀全开le=0.75m185第1章流体流动1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.5流体在管内的流动阻力1.5.1流体在直管中的流动阻力1.5.2管路上的局部阻力1.5.3管路系统中的总能量损失

186管路系统中的总能量损失管路系统中的总能量损失常称为总阻力损失，是管路上全部直管阻力与局部阻力之和，应包括直管阻力和局部阻力，其计算通式可写为局部阻力直管阻力187当量长度直管阻力局部阻力局部阻力系数管路系统中的总能量损失188管路系统的总能量损失

1）不同管径需分段计算，然后求和；

2）局部阻力可用两种方法计算。若用当量长度法，应包含在Σle内;若用阻力系数法，则应包含在Σζi。注意不要重复计算。注意：189例：用倒U型管压差计测量L管段的阻力损失。已知被测流体r

=900kg/m3，m=1.5×10-3Pa·s；指示剂为空气r0=1.2kg/m3；管内径d=50mm，管壁绝对粗糙度e

=0.3mm。试推导：（1）管路条件（L,d,e）和流速u一定时，a

与R读数的关系以及倾角a与两测点静压差Dp

的关系；（2）流速为2m/s时，R读数的预测值。190解(1)在1-1、2-2两截面间列柏氏方程：对等径直管，压差计读数R实际上是直管阻力损失hf

的度量。191当l、d、e

、u一定时，hf

是定值，因此R也一定，与管路的倾斜角a

无关。192解：根据流体静力学基本原理，有：a=90°时（垂直管）静压差最大a=0°时（水平管）静压差最小Dp

与sina

成线性关系。倾角a

与两测点静压差Dp

的关系193解：在题设条件下（2）流速为2m/s时,R读数的预测值查图1-2719411例:要求向精馏塔中以均匀的速度进料,如图示。高位槽的液面保持距槽底1.5米的高度不变,塔内的操作压力为0.4at(表压),塔的进料量须维持在每小时50m3,x为多少才能达到要求?已知料液的密度为900kg/m3,粘度为1.5cp,连接管的尺寸为

108×5mm的钢管,其长度为〔（x-1.5）+3〕m,管道上的管件有180o回弯管一个,90o弯管一个,截止阀一个及90o弯头一个。195解:取高位槽液面为1-1截面,塔内进料管出口内侧为2-2截面,垂直2-2截面过管中心的面为基准面,在1-1,2-2截面间列柏氏方程:其中：代入上式得:196=直管阻力+局部阻力局部阻力直管阻力

其中：197由图1-27(P54)查得直管阻力损失:由P49表1-2取198=直管阻力+局部阻力局部阻力直管阻力

其中：199局部阻力损失:1.由贮槽到导管2.弯管回弯管(按两个弯管计).4.弯头5.截止阀(按1/2开计)局部阻力系统的200=直管阻力+局部阻力局部阻力直管阻力其中：则：由(1)、(2)解得:201举例说明管径与流量关系:1122实际应用中常见错误分析202实际应用中常见错误分析203练习题目思考题1.试分析流动阻力产生的原因及影响因素。2.什么是量纲分析，将其用于处理复杂的工程问题有什么好处？3.局部阻力的计算方法有哪些？作业题:18、20、22204第1章流体流动1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.5流体在管内的流动阻力1.6管路计算205简单管路复杂管路管路分类直径不变异径管串联分支管路并联管路管路计算206连续性方程：柏努利方程：阻力损失：物性、一定时，需给定独立的9个参数，方可求解其它3个未知量。管路计算管路计算的基本方程：207管路计算问题，归纳起来有以下三种情况:①已知管径、管长、管件和阀门的设置及流体的输送量，求流体通过管路系统的能量损失，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。②已知管径、管长、管件和阀门的设置及允许的能量损失，求流体的流速或流量。③已知管长、管件或阀门的当量长度、流体的流量及允许的能量损失，求管径。管路计算208在前述三种情况的管路计算中，第①种容易求解，对于第②和第③种情况，流速u或管径d为未知量，无法计算Re以判别流动的型态，因此也就无法确定摩擦系数。在这种情况下，需采用试差法求解。管路计算2091.简单管路—没有分支和汇合(2)整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和。(1)质量流量为一常数，对不可压缩流体，体积流量为一常数。特点：210试差法计算举例镀锌水煤气管，阀全开时，全系统：求：d=？解：在如图所示的1-1、2-2两截面间列柏努利方程式，有：又：（2）211试差法计算举例其中，管内流速：（3）联立(1)、(3)得：代入式（2）可得：212其中：试算次数

假设值d的结果

计算值需试差法计算，即假设流速u或假设摩擦系数λ或d为已知量，计算结果再进行校核。查教材P397管子规格,选公称口径25mm,内径d=27mm

。笫一次试算0.0350.021030.03979笫二次试算0.039790.021580.0394笫三次试算0.03940.021540.03943213图1-30并联与分支管路示意图（a)并联管路（b）分支管路2.复杂管路214并联管路与分支管路的计算内容有:①已知总流量和各支管的尺寸，要求计算各支管的流量；②已知各支管的流量、管长及管件、阀门的设置，要求选择合适的管径；③在已知的输送条件下，计算输送设备应提供的功率。2.复杂管路2152.复杂管路并联管路的特点：123

①主管流量等于各支管流量之和，即：②尽管各支管的长度、直径相差悬殊，但单位质量的流体流经各支管的阻力损失必然相等，即2162.复杂管路123对于支管1，有对于支管2，有在A-A′、B-B′两截面间列柏努利方程:对于支管3，有每项的单位：J/kg每项的单位：JAA′BB′2172.复杂管路—有分支和汇合长而细的支管通过的流量小，短而粗的支管则流量大。并联管路的各支管流量分配具有自协调性。218②对于分支管路，单位质量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，即①主管流量等于各支管流量之和，即2.复杂管路分支管路的特点：219

按能量需求最大原则设计分支管路2.复杂管路若：则按We1选用流体输送设备，即：在0-0与3-3截面间列柏氏方程：在0-0与2-2截面间列柏氏方程：220练习题目思考题1.管路计算有哪几种类型？

2.管路计算依据的基本关系式是什么？3.分支管路和并联管路的特性分别是什么？2211.7流量测量流量计分类差压流量计截面流量计测速管孔板流量计文丘里流量计转子流量计2221.测速管测速管又称毕托(Pitot)管。测速管测定的流速是管道截面上某一点的局部值，称为点速度。图1-31测速管AB21Rur223图1-31测速管1-静压管2-冲压管1.测速管测静压能测动能和静压能之和动画02ur224测速管的内管测得的为管口所在位置的局部流体动能与静压能之和，合称为冲压能，即测速管的外管前端壁面四周的测压孔口与管道中流体的流动方向相平行，故测得的是流体的静压能。1.测速管225U管压差计的读数反映的是测量点处的冲压能与静压能之差Δh，即于是测量点处局部流速为1.测速管226若U管压差计内充密度为ρA的指示液，其读数为R，则因此可得1.测速管227测速管的测量准确度与其制造精度有关。一般情况下，需引入一个校正系数C，即对于标准的测速管，C=1;