化工原理课件.ppt

1、化 工 原 理,南京理工大学泰州科技学院,化工学院 刘显明,TelEmail:,2,考核方式,提倡并鼓励同学之间讨论作业，但最终应独立完成作业，作业1/3以上未交的不能参加考试。 缺勤3次以上的不能参加考试。 考核方式：期末（70%）+平时成绩（30%）（作业+笔记+考勤+期中+实验）。,3,参考书,化工原理(第三版) ， 陈敏恒。化学工业出版社。 化工原理（新版），姚玉英主编。天津大学出版社。,4,5,6,0 绪论,通过绪论的学习，应了解化工原理课程的主 要内容，单元操作的分类和特点，工程学科的研 究方法，本课程的学习要求，掌握单位制及单位 换算方法。 4,学习目的

2、与要求,7,0 绪论,0.1 化工过程与单元操作,0.3 物理量的单位与量纲,0.4 单元操作中常用的基本概念,0.2 化工原理课程的性质与任务,8,一、化工过程,化学工业 是将自然界的各种物质，经过化学反应和物理方法处理，制造成生产和生活资料的工业。,0.1 化工过程与单元操作,9,二、单元操作,实际的化工生产过程： 食品化工豆腐制作 磷矿石湿法制磷酸 电解食盐水制碱,0.1 化工过程与单元操作,10,浸泡,水,黄豆,1. 豆腐制作,碾磨,加热、搅拌、浸取,纱布过滤,豆浆,硫酸钙,反应,纱布过滤,蒸发浓缩,豆腐,0.1 化工过程与单元操作,11,破碎,2. 磷矿石湿法制磷酸,碾磨,酸解反应,

3、滤布过滤,粗磷酸,精制工艺,蒸发浓缩,医药、食品级磷酸,磷矿石,硫酸,搅拌,0.1 化工过程与单元操作,12,3. 电解食盐水制烧碱,碾磨,加热、搅拌、溶解,澄清、过滤,浑盐水,电解反应,蒸发浓缩结晶,烧碱,大块食盐,水,Cl2,H2,烧碱液,0.1 化工过程与单元操作,13,物理操作在生产过程中占极重要地位。 化工生产中普遍采用、遵循共同操作原理，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”。,0.1 化工过程与单元操作,14,1887年，George Davis以他在碱工业生产中的经验将化工过程分解为独立的操作，也即 “单元操作”。,0.1 化工过程与单元操作,15,

4、单元操作按其遵循的基本规律分类：,（1）遵循流体动力学基本规律的单元操作：包括流体输送、沉降、过滤、固体流态化等； （2）遵循热量传递基本规律的单元操作：包括加热、冷却、冷凝、蒸发等； （3）遵循质量传递基本规律的单元操作：包括蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等；,0.1 化工过程与单元操作,16,三传,0.1 化工过程与单元操作,17,化工原理名称来自1923年Walker-Lewis-MAcdams三人合著 “Principles of Chemical Engineering”的中文直译，该书是第一本系统阐述单元操作原理和计算方法的著作。,Lewis Norton,0.2化工原理课程

5、的性质与任务,18,一、化工原理的性质与任务,性质 化工原理是化工、轻工、医药类专业学生的技术基础课 ，属工程学科，具有工程性和实用性。 内容 讲述化工单元操作的基本原理； 介绍典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。,0.2化工原理课程的性质与任务,19,教学任务 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。 2. 据生产需要，初步进行设备选型和尺寸计算。 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，提高过程和设备的能力、效率。,0.2化工原理课程的性质与任务,20,二、化工原理的特点,0.2化工原理课程的性质与目的,21,一、国际单位制与法定

6、计量单位,基本单位：选择几个独立的物理量，根据方便原则规定单位；,导出单位：由有关基本单位组合而成。,0.3 物理量的单位与量纲,22,基本单位：7个，长度（米），质量（千克），时间（秒），温度（K），物质的量（摩尔），电流（安培），发光强度（坎德拉）,国际单位制 SI制,基本单位：长度（厘米），质量（克），时间（秒）,物理单位制 CGS制,基本单位：长度（米），重量或力（千克力kgf），时间（秒）,工程单位制,我国法定单位制为国际单位制（即SI制）,0.3 物理量的单位与量纲,23,二、量纲,基本物理量的量纲（dimension）为其本身。,0.3 物理量的单位与量纲,导出物理量Q的量纲都是

7、基本量的乘、除、次方后的结果。,24,任何一个物理量方程两边各项的量纲必定相等，这被称为量纲一致性方程。,量纲一致性方程,0.3 物理量的单位与量纲,25,0.3 物理量的单位与量纲,三、单位换算 1定义：同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变，这种换算称为单位换算。 2单位换算的基本方法 例：一标准大气压的压力等于1.033kgf/cm2，将其换算成SI单位。,26,一、物料衡算,对每种物质，一给定体系满足 输入量输出量积累量 连续稳定操作状态 输入量=输出量,0.4 单元操作中常用的基本概念,27,1、画出流程示意图，标出物料流向与流量、组成等；,物料衡算的步骤,2、用虚线划出衡

8、算范围；,3、定出衡算基准；,4、列出衡算式并求解。,0.4 单元操作中常用的基本概念,28,例：物料衡算,已知原料液流量为1000kg/h，含20KNO3，进入蒸发器，蒸出水分后含KNO3 50的溶液进入结晶器结晶，产品中含96 KNO3，剩余母液含37.5KNO3，回到蒸发器再循环。求每小时生产多少KNO3？,0.4 单元操作中常用的基本概念,29,列算式： 总物料：1000=W+P KNO3组分:10000.2=W0+P0.96,W=791.7 kg/h P=208.3 kg/h,1000kg/h,20KNO3,50KNO3,P kg/h,96KNO3,37.5KNO3,I,解：绘简图：

9、,0.4 单元操作中常用的基本概念,30,二、能量衡算,式中：,0.4 单元操作中常用的基本概念,31,三、物系的平衡,0.4 单元操作中常用的基本概念,平衡关系可用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的程度。,32,传递速率是指过程进行的快慢。过程的速率和过程所处状态与过程平衡态的距离及其他很多因素有关。过程所处状态与平衡态之间的距离通常称为过程的推动力。,四、传递速率,0.4 单元操作中常用的基本概念,33,设备费 操作费,0.4 单元操作中常用的基本概念,五、经济核算,34,第一章 流体流动,1.1 流体静力学基本方程式 1.2 流体流动的基本方程式 1.3 管内流体流动现象 1.

10、4 流体流动的阻力损失 1.5 流体输送管路计算,35,本章学习要求,1、学习目的 重点掌握流体流动的基本原理、管内的流动规律，并运用这些原理和规律去分析和解决流体流动的有关问题。 2、学习内容 流体静力学方程式及其应用 连续性方程、伯努利方程的物理意义、适用条件、解题要点 流体的两种流型 流动阻力损失计算 流动管路的计算,36,流体是气体与液体的总称。 流体是可改变形状而具有流动性的一种物质状态。,概述,连续介质假定：假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。 工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究流体。,37,1.1 流体静力学基本方程式,流体

11、密度 流体静压强 流体静力学方程推导及应用,主要内容：,流体静力学是研究流体在外力作用下达到平衡，而处于相对静止状态下的规律。,38,1.1.1 密度 一、定义 单位体积流体的质量，称为流体的密度。,kg/m3,(1),1.1 流体静力学基本方程式,39,液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其 变化关系可从手册中查得。 气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：,(2),1.1 流体静力学基本方程式,二、单组分流体密度,40,三、混合流体密度,混合流体密度的影响因素除了压强p、温度T外，还有其组成xi。 =f(p,T,x1,xN),1.1 流体静力学基本方程式,41,压

12、强p温度T下，各纯净理想流体混合所得相同条件下混合流体，其体积等于混合前各纯流体的体积和。 质量守恒： 混合前后流体的总质量相等。,42,已知各组分体积分率,各组分的体积分率。,(3),1.1 流体静力学基本方程式,43,已知各组分质量分率,液体混合物中各组分的质量分率。,(4),1.1 流体静力学基本方程式,44,已知各组分摩尔分率,液体混合物中各组分的摩尔分率。,(5),1.1 流体静力学基本方程式,45,混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。,(6),对于中低压下的气体,1.1 流体静力学基本方程式,46,四、比容,定义：单位质量流体具有的体积，即密度的倒数称为比

13、容。,m3/kg,(7),1.1 流体静力学基本方程式,47,1.1.2 流体的静压强,一、静压强（压强） p 定义：流体垂直作用于单位面积上的压力。,N/m2或Pa,(8),1.1 流体静力学基本方程式,压强的SI单位是Pa，称为帕斯卡。 习惯上还有一些常用单位，如：标准大气压（atm）、液柱高度、bar（巴）及kgf/cm2等。这些单位间换算关系为： 1atm = 1.013105Pa = 1.0133bar = 760mmHg = 10.33mH2O = 1.033at=1.033kgf/cm2,二、常见压强单位及其换算关系,48,表 压 = 绝对压强 大气压强 真空度 = 大气压强 绝

14、对压强,1.1 流体静力学基本方程式,三、压强的表示方法,绝对压强: 以绝对真空为基准测得的压强。 表压或真空度: 以大气压为基准测得的压强。,49,1.1.3 流体静力学基本方程,流体静力学基本方程是用于描述静止流体内部，流体在重力和压力作用下的平衡规律。描述这一规律的数学表达式称为流体静力学基本方程。 研究推导方法：微元法。,1.1 流体静力学基本方程式,50,一、重力场中液柱受力分析：,（1）上端面所受总压力,（2）下端面所受总压力,z方向,1.1 流体静力学基本方程式,(3)液柱的重力,设流体不可压缩，,51,液柱处于静止时，各方向上液柱受力为零:,流体静力学方程的微分形式。,z方向,

15、(9),1.1 流体静力学基本方程式,52,流体静力学基本方程：,压强形式,(10),能量形式,(11),1.1 流体静力学基本方程式,53,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。,二、基本方程的讨论,适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体 物理意义：,1.1 流体静力学基本方程式,54,3.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。,1.1 流体静力学基本方程式,4.压强具有传递性：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。,55,例1：如图所示，容器内气体表压为p，请问管

16、中液体与容器中液体的高度差为多少？（液体为均匀液体，密度为）,p,1.1 流体静力学基本方程式,56,一. 压强及压强差的测量,（1）U形压差计,1.1.4 静力学基本方程的应用,基本方程,1.1 流体静力学基本方程式,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。,57,1.1 流体静力学基本方程式,58,例2：U形管压差计测水平管中流体压差，如右图所示，请问1、2两截面处流体压强差为多少？（指示液A、管中流体B）,1.1 流体静力学基本方程式,59,所以,整理得,若被测流体是气体， ，则有,1.1 流体静力

17、学基本方程式,60,讨论：,当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，可测得流体的表压或真空度；,表压,真空度,1.1 流体静力学基本方程式,61,思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数R反映了什么？,b,1,2,1.1 流体静力学基本方程式,62,（2）斜管压差计,1.1 流体静力学基本方程式,p1,p2,63,（3）微差压差计,a 两种指示液密度相接近且不互溶。 b U形管的两侧臂顶端各装有扩大室，扩大室内径与U形管内径之比应大于10。,o,O,1.1 流体静力学基本方程式,64,例3 如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准面，

18、各指示液界面高度分别为,Z0=2.1m, Z2=0.9m, Z4=2.0m, Z6=0.7m, Z7=2.5m。 试计算锅炉内水面上方 的蒸汽压力。,1.1 流体静力学基本方程式,65,二. 液位测量,（1）近距离液位测量装置,1.1 流体静力学基本方程式,66,压差计读数R反映出容器内的液面高度。,釜液面越高，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。,1.1 流体静力学基本方程式,0,67,（2）远距离液位测量装置,管道中充满氮气，其流速较小，近似认为,而,所以,1.1 流体静力学基本方程式,68,三. 液封高度的计算,液封高度：,液封作用： 确保设备安全：当设备内压力

19、超过规定值时，气体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。,1.1 流体静力学基本方程式,69,1.2.1 流体的流量与流速 1.2.2 定态流动与非定态流动 1.2.3 定态流动系统的质量守恒连续性方程 1.2.4 定态流动系统的能量守恒柏努利方程,1.2 流体流动的基本方程式,70,1.2.1 流体的流量与流速,一、流量 1. 体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 VS = V/t m3/s或m3/h,1.2 流体流动的基本方程式,2. 质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。 wS m/t kg/s或kg/h。 两流量间关系：,（1）,71,m/s,二、流速 1. (体积

20、)流速（平均流速） 单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。,（2）,1.2 流体流动的基本方程式,72,2. 质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。,kg/（m2s）,流量与流速的关系：,（3）,（4）,1.2 流体流动的基本方程式,73,对于圆形管道：,流量VS由生产确定。,流速选择：,三、管径的估算,1.2 流体流动的基本方程式,74,常用流体适宜流速范围：,水及一般液体 13 m/s 粘度较大的液体 0.51 m/s 低压气体 815 m/s 压力较高的气体 1525 m/s,1.2 流体流动的基本方程式,75,1.2.2 定态流动与非定态流动,非定态流动：流体在各截面

21、上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。,1.2 流体流动的基本方程式,76,定态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；,1.2 流体流动的基本方程式,77,说明： 在化工生产中，正常运行时，系统流动近似为稳态流动。各点各处的流量不随时间变化，近似为常数。 只有在出现波动或是开、停车时，为非稳态流动。,78,定态流动系统,任意截面,连续性方程,（5）,1.2.3 定态流动系统的质量守恒连续性方程,1.2 流体流动的基本方程式,79,不可压缩性流体，,圆形管道 ：,即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 。,（6）,（7）,1.2 流体流动的基

22、本方程式,80,例1 如附图所示，管路由一段894.5mm的管1、一段1084mm的管2和两段573.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以9103m3/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。,1.2 流体流动的基本方程式,81,1.2.4 定态流动系统的能量守恒柏努利方程,一、总能量衡算,1.2 流体流动的基本方程式,82,衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成的空间 衡算基准：1kg流体 基准面：0-0水平面,1.2 流体流动的基本方程式,83,（1）内能 贮存于物质内部的能量。 1kg流体具有的内能为U（J/kg）。,（2）位能 流体受重力作用在不

23、同高度所具有的能量。 1kg的流体所具有的位能为gz（J/kg）。,1.2 流体流动的基本方程式,84,（3）动能 1kg的流体所具有的动能为 (J/kg),1.2 流体流动的基本方程式,85,（5）热 设换热器向1kg流体提供的热量为 qe (J/kg)。,（6）外功(有效功) 1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We (J/kg)。,1.2 流体流动的基本方程式,86,能量守恒,（8）,1.2 流体流动的基本方程式,87,假设 流体不可压缩，则,(1) 以单位质量流体为基准,1kg流体损失的机械能为：hf （J/kg）,式中各项单位为J/kg。,二、实际流体的机械能衡算,（9）,1.2

24、流体流动的基本方程式,88,（2）以单位重量流体为基准,（10）,式中各项单位为m,1.2 流体流动的基本方程式,89,z 位压头,动压头,He外加压头或有效压头。,静压头,Hf压头损失,1.2 流体流动的基本方程式,90,（3）以单位体积流体为基准,式中各项单位为Pa,（11）,压强损失,1.2 流体流动的基本方程式,91,理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。,（12）,（13）,柏努利方程式,三、理想流体的机械能衡算,1.2 流体流动的基本方程式,92,（1）若流体处于静止，u=0，hf=0，We=0，则柏努利方程变为,说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律 。,四

25、、柏努利方程的讨论,1.2 流体流动的基本方程式,93,（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即,1.2 流体流动的基本方程式,实际流体（非理想）系统能量随流动，实际流体的流动条件E入E出或We0,94,We、hf 在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。,（3）zg、 、 某截面上单位质量流体所具有的位能、静压能和动能；,有效功率 ：,轴功率 ：,1.2 流体流动的基本方程式,95,（4）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。 对于可压缩性流体，当 时，仍可用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。,1.2 流体流动的基本方程式,96,管内流体的流量； 输送设备

26、的功率； 管路中流体的压力； 容器间的相对位置等。,利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：,五、柏努利方程的应用,1.2 流体流动的基本方程式,97,1.2 流体流动的基本方程式,记住,98,（1）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围 ；,（2）位能基准面的选取 必须与地面平行； 宜于选取两截面中位置较低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。,1.2 流体流动的基本方程式,99,（4）各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压,不能用真空度。,（3）截面的选取 与流体的流动方向

27、相垂直； 两截面间流体应是定态连续流动； 截面宜选在已知量多、计算方便处。,1.2 流体流动的基本方程式,100,例2 如附图所示，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452.5mm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？,1.2 流体流动的基本方程式,2,2,1,1,0,0,101,例3 在453mm的管路上装一文丘里管，文丘里管的上游接一压力表，其读数为5kPa，压力表轴心与管中心的垂直距离为0.3m，管内水的流速为1.5m/s，文丘里管的喉径为15mm。文丘里

28、喉部接一内径为15mm的玻璃管，玻璃管的下端插入水池中，池内水面到管中心的垂直距离为3m。若将水视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管中。若能吸入，再求每小时吸入的水量为多少m3/h。,1.2 流体流动的基本方程式,102,3.0m,1,1,2,0.3m,2,0,0,u,1.2 流体流动的基本方程式,103,104,式中：,105,106,107,1.3 管内流体流动现象,1.3.1 流体的粘度 1.3.2 流体的流动型态 1.3.3 流体在圆管内的速度分布 1.3.4 流体流动边界层,108,1.3.1 流体的粘度,一、 牛顿粘性定律,或,式中：F内摩擦力，N； 剪应力，Pa； 法向速度梯度

29、，1/s； 比例系数，称为流体的（动力）粘度，Pas 。,1.3 管内流体流动现象,109,牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体； 非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。,1.3 管内流体流动现象,二、流体的粘度 （动力粘度）,1.粘度的物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。,粘度的物理本质：分子间动量传递。分子间作用力和分子碰撞。,110,1.3 管内流体流动现象,111,2. 粘度的单位,1.3 管内流体流动现象,记：,112,一、雷诺实验,1.3.2 流体的流动型态,1.3 管内流体流动现象,1883年, 英国物理学家Osbon

30、e Reynolds作了如下实验。,113,两种稳定的流动状态：层流、湍流。,用红墨水观察管中水的流动状态,114,层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；,湍流（或紊流） ：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动速度，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。,1.3 管内流体流动现象,过渡流： 不是独立流型（层流+湍流）， 流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。,115,二、流型判据雷诺准数,无因次数群,（1）,1.3 管内流体流动现象,116,1. 判断流型 Re2000时，流动为层流，此区称为层流区； Re40

31、00时，一般出现湍流，此区称为湍流区； 2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。,1.3 管内流体流动现象,2. 物理意义 反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。,117,一、层流时的速度分布,1.3.3 流体在圆管内的速度分布,速度分布：流体在管内流动时,管截面上质点的速度随半径的变化关系。,1.3 管内流体流动现象,118,119,由压力差产生的推力,流体层间内摩擦力,1.3 管内流体流动现象,120,匀速运动物体受的合力为零：,1.3 管内流体流动现象,121,1. 管中心流速为最大，即r0时，u umax,1.3

32、 管内流体流动现象,122,层流流动平均速度为管中心最大速度的1/2，即：,1.3 管内流体流动现象,2. 流体在圆直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布。,123,（3）,哈根泊谡叶方程,1.3 管内流体流动现象,124,二、湍流时的速度分布,湍流速度分布的经验式：,1.3 管内流体流动现象,125,一、边界层的形成与发展,1.3.4 流体流动边界层,1.3 管内流体流动现象,普兰特边界层理论的主要内容：,126,边界层流型：层流边界层和湍流边界层。,层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。 湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。,1.3 管内流体流动现象,127,

33、可将管内的流动分为两个区域：一是边界层汇合以前的流动，称之为进口段流动；另一是边界层汇合以后的流动，称之为充分发展了的流动。,128,129,二、边界层的分离,1.3 管内流体流动现象,AC：流道截面积减小，流速增加，压力减小(顺压梯度)； CS：流道截面积增加，流速减小，压力增加(逆压梯度)； S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的作用下，速度降为0。 SS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离。,130,流线型,由上述可知： 流道扩大时必造成逆压强梯度； 逆压强梯度容易造成边界层的分离； 边界层分离造成大量旋涡，大大增加机械能消耗。,131,边界层分离的

34、后果： 产生大量旋涡； 造成较大的能量损失-形体阻力。,边界层分离的必要条件： 流体具有粘性； 流动过程中存在逆压梯度。,1.3 管内流体流动现象,132,实例解答,使人的身体尽可能呈现流线型： 泳装的面料：采用超伸展纤维制成，具有极强的弹性和伸展力。它将运动员从脖子、手腕到脚踝都包裹得密不透风。 中国队员朱颖文说：“游的时候，你小腿上的肌肉肯定会抖动，这就会在水中产生波纹，对前行形成一定的阻力。而穿上鲨鱼装后，它把你的腿都裹起来了，就会最大限度地避免这种波纹的产生，从而减少阻力。” 减少表面粗糙度 泳装的面料表像鲨鱼皮一样光滑 减少边界层分离现象 表面上分布着上百万个细小的鳞片，可以化解水中

35、的涡流。,实例二：游泳天才索普身着为其量身定制的“鲨鱼装”后，创下了非常辉煌的战绩。,实例一：为什么飞机机翼设计成流线型？,避免边界层分离现象,133,作业：习题23,134,1.4 流体流动阻力,1.4.1 直管阻力 1.4.2 局部阻力,135,一、定义：,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； 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。,1.4.1 直管阻力,1.4 流体流动阻力,136,流体在水平等径直管中作定态流动。,1.4 流体流动阻力,若管道为倾斜管，则,流体的流动阻力表现为机械能的减少； 水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的

36、静压能之差。,137,由于压力差而产生的推动力：,流体的摩擦力：,二、直管阻力的通式,1.4 流体流动阻力,138,直管阻力通式（范宁Fanning公式）,摩擦系数（摩擦因数）,则,J/kg,令,1.4 流体流动阻力,139,其它形式：,该公式层流与湍流均适用； 注意 与 的区别。,1.4 流体流动阻力,140,三、层流时的摩擦系数,1.4 流体流动阻力,哈根-泊谡叶方程,能量损失,表明层流时阻力与速度的一次方成正比。,变形：,比较得,141,1. 管壁粗糙度对摩擦系数的影响,光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等； 粗糙管：钢管、铸铁管等。,绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。 相对粗糙

37、度 ： 绝对粗糙度与管内径的比值。,1.4 流体流动阻力,四、湍流时的摩擦系数,主要依靠实验研究,142,层流流动时： 流速较慢，与管壁无碰撞， 阻力与 无关，只与Re有关。,1.4 流体流动阻力,湍流流动时：,水力光滑管：层流底层完全淹没管壁凸起部分。 只与Re有关，与 无关。,143,湍流粗糙管 与 、Re有关。,1.4 流体流动阻力,完全湍流粗糙管 只与 有关，与Re无关。,144,2. 因次分析法,目的：（1）减少实验工作量； （2）结果具有普遍性，便于推广。,基础：因次一致性 即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次。,1.4 流体流动阻力,145,基本定理

38、：白金汉（Buckinghan）定理 设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本因次数为m个，则该物理现象可用N（nm）个独立的无因次数群表示。,1.4 流体流动阻力,146,湍流时压力损失的影响因素： （1）流体性质：， （2）流动的几何尺寸：d，l，（管壁粗糙度） （3）流动条件：u,1.4 流体流动阻力,147,物理变量 n 7 基本因次 m3 无因次数群 Nnm4,无因次化处理,即该过程可用4个无因次数群表示。,1.4 流体流动阻力,148,相对粗糙度,管道的几何尺寸,雷诺数,欧拉（Euler）准数,1.4 流体流动阻力,149,根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即,或

39、,1.4 流体流动阻力,150,莫狄（Moody）摩擦因数图：,1.4 流体流动阻力,151,（1）层流区（Re 2000） 与 无关，与Re为直线关系，即 ,即 与u的一次方成正比。,（2）过渡区（2000Re4000),将湍流时的曲线延伸查取值 。,1.4 流体流动阻力,152,（3）湍流区（Re4000以及虚线以下的区域）,（4）完全湍流区 （虚线以上的区域）,与Re无关，只与 有关 。,该区又称为阻力平方区。,一定时，,1.4 流体流动阻力,153,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：,154,几个粗糙管内湍流经验公式：,此式适用范围为Re 4000， /d0.005

40、,155,当量直径：,3.非圆形管内的流动阻力,1.4 流体流动阻力,对于非圆形管内的湍流流动，仍可用在圆形管内流动阻力的计算式，但需用非圆形管道的当量直径代替圆管直径。,156,套管环隙，内管的外径为d1，外管的内径为d2 :,边长分别为a、b的矩形管 :,1.4 流体流动阻力,157,说明： （1）Re与hf中的直径用de计算； （2）层流时：,正方形 C57 套管环隙 C96,（3）流速用实际流通面积计算 。,1.4 流体流动阻力,158,一、阻力系数法,将局部阻力表示为动能的某一倍数。,或,局部阻力系数(查表),J/kg,J/N=m,1.4.2 局部阻力,1.4 流体流动阻力,159,

41、1. 突然扩大,1.4 流体流动阻力,160,2.突然缩小,1.4 流体流动阻力,161,3. 管进口及出口 进口：流体自容器进入管内。 进口 = 0.5 进口阻力系数 出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外 空间。 出口 = 1 出口阻力系数 4 . 管件与阀门,1.4 流体流动阻力,162,163,164,蝶阀,165,166,二、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 。,u小管中的速度，le - 管件或阀门的当量长度，m。 （查图表）,1.4 流体流动阻力,167,168,总阻力：,1.4 流体流动阻力,减小阻力的措施： 对弯曲管道

42、，应尽量避免采用中心角过大的死弯； 对截面变化之处，尽量采用渐变结构； 管路尽可能短、尽量走直线； 管径适当大些 减小管壁粗糙度 加极少量的添加剂，影响流体运动的内部结构。,169,例1 如图所示，料液由常压高位槽流入精馏塔中。进料处塔中的压力为0.2at（表压），送液管道为452.5mm、长8m的钢管。管路中装有180回弯头一个，全开标准截止阀一个，90标准弯头一个。塔的进料量要维持在5m3/h，试计算高位槽中的液面要高出塔的进料口多少米？,1.4 流体流动阻力,1,2,0,170,（2）在1-A之间，由于流速u hf,1-A pA ；,（3）在B-2之间，由于流速u hf,B-2 pB 。

43、,阀门F开度减小时：,（1）阀关小，阀门局部阻力系数 hf,A-B 流速u 即流量；,pA,pB,pa,F,1,1,2,2,A,B,1.4 流体流动阻力,1.4.3 阻力对管内流动的影响,171,结论： （1）当阀门关小时，其局部阻力增大，将使管路中流量下降； （2）下游阻力的增大使上游压力上升； （3）上游阻力的增大使下游压力下降。 可见，管路中任一处的变化，必将带来总体的变化，因此必须将管路系统当作整体考虑。,1.4 流体流动阻力,172,pA,pA,p1,FA,1,1,2,2,0,A,pB,FB,3,3,B,p2,p3,1.4 流体流动阻力,173,（2）在1-0之间，由于 p0p1-0

44、 hf,1-0u1-0；,（3）在0-3之间，由于p0p0-3 hf, 0-3u0-3。,阀门FA开度减小时：,（1）阀关小，阀门局部阻力系数A hf,0-A 压降p0-A p0 ；,（3）在0-2之间，由于流速u1-0, u0-3 u0-2 。,1.4 流体流动阻力,174,p3,z3,p2,Z2,u3,p1,Z1,0,u2,u1,175,1.5 管路计算,1.5.1 简单管路计算 1.5.2 复杂管路计算,176,一、特点,（1）,不可压缩流体,1.5 管路计算,1.5.1 简单管路计算,(2),177,二、管路计算,基本方程：,连续性方程：,柏努利方程：,阻力计算 （摩擦系数）：,1.5

45、 管路计算,178,（1）设计型计算,设计要求：规定输液量Vs，确定一经济的管径及供液点提供的位能z1(或静压能p1)。 给定条件： （1）供液与需液点的距离，即管长l； （2）管道材料与管件的配置，即及 ； （3）需液点的位置z2及压力p2； （4）输送机械做功 We。,1.5 管路计算,179,（2）操作型计算,已知：管子d 、l，管件和阀门， 供液点z1、p1，需液点的z2、p2，输送机械 We； 求：流体的流速u及供液量VS。,已知：管子d、 、 l、管件和阀门、 流量Vs等， 求：供液点的位置z1 ； 或供液点的压力p1； 或输送机械有效功We 。,1.5 管路计算,180,试差法计

46、算流速的步骤：（见例题1-15） （1）根据柏努利方程列出试差等式； （2）试差：,可初设阻力平方区之值,注意：若已知流动处于阻力平方区或层流，则无需 试差，可直接解析求解。,1.5 管路计算,181,例1 粘度为30cP、密度为900kg/m3的某油品自容器A流过内径40mm的管路进入容器B 。两容器均为敞口，液面视为不变。管路中有一阀门，阀前管长50m，阀后管长20m（均包括所有局部阻力的当量长度）。,pa,1.5 管路计算,182,当阀门全关时，阀前后的压力表读数分别为8.83kPa和4.42kPa。现将阀门打开至1/4开度，阀门阻力的当量长度为30m。试求： （1）管路中油品的流量；

47、（2）定性分析阀前、阀后的压力表的读数有何变化？,1.5 管路计算,183,例2 10C水流过一根水平钢管，管长为1000m，要求达到的流量为0.05L/h，有2m的压头可供克服流动的摩擦损失，试求管径。,1.5 管路计算,184,解：阀关闭时流体静止，以水平管轴线为位能基准面，容器A、B液面距基准面的距离分别用ZA、ZB表示，则： （m） （m）,185,当阀打开1/4开度时，在A-A与B-B 截面间列柏努利方程： 其中：pA=pB=0(表压)，uA=uB=0（大截面）则有：,186,由于该油品的粘度较大，可设其流动为层流， 则： 代入前式： u=0.736（m/s） 校核： ，假设成立。,

48、187,油品的流量：,188,A,一、并联管路,1.5 管路计算,1.5.2 复杂管路计算,189,（2）,不可压缩流体,注意：计算并联管路阻力时，仅取其中一支路即 可，不能重复计算。,1、特点： （1）,1.5 管路计算,190,2. 并联管路的流量分配,而,支管越长、管径越小、阻力系数越大流量越小； 反之 流量越大。,1.5 管路计算,191,二、分支管路与汇合管路,1.5 管路计算,192,1、特点： （1）主管中的流量为各支路流量之和；,不可压缩流体,（2）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。,1.5 管路计算,193,例4 如图所示，从自来水总管接一管段AB向实验楼供水，在B处分成两路各通向一楼和二楼（两楼高度差5m）。两支路各