化工原理第一章.ppt

1、2020/10/12,1,绪 论,一、化工过程与单元操作,2020/10/12,2,按照操作的主要物理特性和基本原理，单元操作大致可分为6类： （1）流体动力过程。 （2）传热过程。 （3）传质过程。 （4）热质传递过程。 （5）热力过程。 （6）机械过程。,2020/10/12,3,单元过程中发生的过程是多种多样的，本质来说属于以下3种： （1）动量传递过程-单相或多相流动； （2）热量传递过程-传热； （3）质量传递过程-传质；,2020/10/12,4,二、本课程的任务 讨论单元操作的理论基础、操作原理、典型设备的机构与操作特性、过程和设备的设计计算、设备的改进与强化。 三、物理量的单位

2、与量纲,2020/10/12,5,四、混合物浓度的表示方法 1、物质的量浓度ci与物质的量分数xi 2、物质的质量浓度i与物质的质量分数i 3、摩尔比X与质量比X/,2020/10/12,6,4、气体混合物组成的表示方法 摩尔分数 压力分数 体积分数,2020/10/12,7,五、单元操作中常用的基本概念 1、过程的平衡与速率 过程的平衡问题说明过程进行的方向和所能到达的极限。 过程的速率是指过程进行的快慢。 2、三种衡算 1）质量衡算 F=D+A,2020/10/12,8,例题：在生产KNO3的过程中，质量分数为0.2的纯的KNO3水溶液以1000kg/h的流量送入蒸发器，在422K下蒸发出

3、部分水分而得到50%的浓KNO3溶液，然后送入冷却结晶器，在311K下结晶，得到含水0.04的KNO3结晶和含KNO3 0.375的饱和溶液。前者作为产品取走，后者循环回到蒸发器。过程为稳态操作。试计算KNO3结晶产品量、水蒸发量和循环的饱和溶液量。,2020/10/12,9,2）热量衡算 HF+q= HP+Aq 例题：在一列管式换热器中，用373K的饱和水蒸汽加热某溶液，溶液流量为1000kg/h。从298K加热到353K，溶液的平均比热容为3.56kJ/(kg.K)。饱和水蒸汽冷凝放热后以373K的饱和水排出。换热器向四周的散热速率为10000kJ/h。稳态操作。试计算所需的加热蒸汽用量。

4、,2020/10/12,10,1.1 流体静力学,1.1.1 密度,1.1.2 压力,1.1.3 流体静力学平衡方程,第一章 流体流动,2020/10/12,11,2020/10/12,12,2020/10/12,13,1. 研究流体流动问题的重要性 流体是气体与液体的总称。,流体流动是最普遍的化工单元操作之一； 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。,2020/10/12,14,2 . 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。 质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。 工程意义：利用连续函数

5、的数学工具，从宏观研究 流体。,2020/10/12,15,3. 流体的特征,具有流动性； 无固定形状，随容器形状而变化； 受外力作用时内部产生相对运动。,不可压缩流体：流体的体积不随压力及温度变化而变化，如液体； 可压缩性流体：流体的体积随压力和温度发生变化，如气体。,2020/10/12,16,1.1 流体静力学,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/m3,二、单组分密度,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。,2020/10/12,17,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：,注意：手册中查得的气体密

6、度都是在一定压力与温度 下之值，若条件不同，则密度需进行换算。,2020/10/12,18,三、混合物的密度,混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有,气体混合物中各组分的体积分率。,或,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。,2020/10/12,19,混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有,液体混合物中各组分的质量分率。,四、比容（比体积）,单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。,m3/kg,2020/10/12,20,1.1.2 压力,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。,一、压力的特性 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；

7、任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反； 作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。,二、压力的单位,SI制：N/m2或Pa；,2020/10/12,21,或以流体柱高度表示 ：,注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类， 如600mmHg，10mH2O等。,标准大气压的换算关系： 1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O,三、 压力的表示方法,绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。 表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。,2020/10/12,22,表 压 = 绝对压力 大气压力 真空度 = 大气压力 绝对压力,2020/10/12,23,例1

8、-1：用真空表测量某台离心泵进口的真空度为30kPa，出口用压力表测量的表压为170kPa。若当地的大气压力为101kPa，试求他们的绝对压力各为若干？,2020/10/12,24,1.1.3 流体静力学平衡方程,一、静力学基本方程,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,2020/10/12,25,液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:,静力学基本方程,压力形式,能量形式,2020/10/12,26,讨论：,（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体； （2）物理意义：,单位质量流

9、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 。,2020/10/12,27,（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。 （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。,2020/10/12,28,二、静力学基本方程的应用,1. 压力及压力差的测量,（1）U形压差计,设指示液的密度为 ， 被测流体的密度为 。,A与A面 为等压面，即,而,2020/10/12,29,所以,整理得,若被测流体是气体，

10、，则有,2020/10/12,30,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,2020/10/12,31,（2）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。,2020/10/12,32,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？,2020/10/12,33,（2）双液体U管压差计,扩大室内径与U管内径之比应大于10 。,密度接近但不互溶的两种指示 液A和C ；,适用于压差较小的场合。,2020/

11、10/12,34,（3） 倒U形压差计,该压差计是利用被测量液体本身作为指示液的。,（5） 复式压差计,（4） 倾斜式压差计,适用于压差较小的情况。,适用于压差较大的情况。,2020/10/12,35,例1-2 用三种压差计测量气体的微小压差p=100kPa，试问： （1）用普通U型管压差计，以苯作为指示液，其读数R为多少？ （2）若用倾斜U型管压差计，=30，以苯作指示液，其读数R为多少？ （3）若用微差压差计，其中加入苯和水两种指示液，扩大室截面远远大于U 型管截面积，此时读数R为多少？ R是用苯作指示剂的普通U型管压差计读数的多少倍？苯的密度为879kg/m3,水的密度998kg/m3。

12、,2020/10/12,36,例1-3 如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，,指示液为水银，读数 R250mm，h900mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3。试计算该截面处的压力。,2020/10/12,37,例1-4 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，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。,2020/10/12,3

13、8,2. 液位测量,（1）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。,2020/10/12,39,（2）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,2020/10/12,40,例1-5 利用远距离测量控制装置测定一分相槽内油和水的两相界面位置。已知两吹气管出口的间距为H=1m ，压差计中指示液为水银。煤油、水、水银的密度分别为820kg/m3，1000kg/m3，13600kg/m3。求当压差计指示R=67mm时，界面距离上吹气管出口端距离。,2020/10/12,41,3. 液封

14、高度的计算,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：,2020/10/12,42,1.2 流体动力学,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,2020/10/12,43,1.2 流体动力学,1. 体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 qvm3/s或m3/h 2.质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。 qmkg/s或kg/h。,二者关系：,一、流量,1.2.1 流体的流量与流速,2020/10

15、/12,44,二、流速,2. 质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。,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。,kg/（m2s）,流量与流速的关系：,m/s,2020/10/12,45,对于圆形管道：,流量VS一般由生产任务决定。,流速选择：,三、管径的估算,2020/10/12,46,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,2020/10/12,47,1.2.2 定态流动与非定态流动,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

16、变化；,非定态流动：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。,2020/10/12,48,1.2.3 定态流动系统的质量守恒连续性方程,对于定态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：,推广至任意截面,连续性方程,2020/10/12,49,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 。,2020/10/12,50,例1-6 如附图所示，管路由一段894mm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9103m/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。,202

17、0/10/12,51,1.2.4 定态流动系统的能量守恒柏努利方程,一、总能量衡算,2020/10/12,52,流体进出划定体积时输入和输出的能量包括以下几项： （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）。,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,（2）位能 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。,2020/10/12,53,（3）动能 1kg的流体所具有的动能为 (J/kg),（4）静压能,静压能=,（5）热 设换热器向1kg流体提供的热量为 (J/kg)。,2

18、020/10/12,54,（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)。,以上能量形式可分为两类：,机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输 送流体； 内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。,2020/10/12,55,2实际流体的机械能衡算,假设 流体不可压缩， 则 流动系统无热交换，则 流体温度不变， 则,(1) 以单位质量流体为基准,设1kg流体损失的能量为Wf（J/kg），有：,(1),式中各项单位为J/kg。,并且实际流体流动时有能量损失。,2020/10/12,56,（2）以单位重量流体为基准,将(1)式各项同除重力加速度g :,令,式中各项单

19、位为,2020/10/12,57,z 位压头,动压头,He外加压头或有效压头,静压头,总压头,hf压头损失,2020/10/12,58,（3）以单位体积流体为基准,将(1)式各项同乘以 :,式中各项单位为,（3）,压力损失,2020/10/12,59,3理想流体的机械能衡算,理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。,（4）,（5）,柏努利方程式,2020/10/12,60,4. 柏努利方程的讨论,（1）若流体处于静止，u=0，Wf=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 。,（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,20

20、20/10/12,61,2020/10/12,62,We、Wf 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、动能和静压能 ；,有效功率 ：,轴功率 ：,2020/10/12,63,（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。,2020/10/12,64,4柏努利方程的应用,管内流体的流量； 输送设备的功率； 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：,2020/10/12,65,（1）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流

21、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。,2020/10/12,66,（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。,（3）截面的选取 与流体的流动方向相垂直； 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。,2020/10/12,67,例1-7 有一垂直管道，内径由d1=300mm渐缩至d2=150mm。水从下而上自粗管流入细管。测得水在粗管和细管内的静压力分别为0.2MPa和0.16MPa

22、（表压）。测压点的垂直距离为1.5m。如两测压点之间的摩擦阻力不计，试求水的流量为多少m3/h？,2020/10/12,68,例1-8 水以7m3/h的流量流过如图所示的文丘里管，在喉颈处接一支管与下部水槽相通。已知截面1-1处内径为50mm，压力为0.02MPa（表压），喉颈处内径为15mm。试判断图中垂直支管中水的流向。（假设流动无阻力损失，水的密度取1000kg/m3。）,2020/10/12,69,例1-9 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

23、出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？,2020/10/12,70,例1-10 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？,2020/10/12,71,例1-11 某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密度为1100kg/m3）输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出，如附图所示。泵的入口管为1084mm的钢管，管中的流速为1.2m/s，出口管为763mm的钢管。贮液池中碱液的深度为1.5m，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距离为20m。碱液流经所有管路的能量损失为30.8J/kg（不包括喷嘴），在喷嘴入口处的压力为29.4kPa（表压）。设泵的效率为60%，试求泵所需的功率。,2020

24、/10/12,72,2020/10/12,73,例12、有一输水系统，如图所示，水箱内水面维持恒定，输水管直径为60mm3mm，输水量为18.3m3/h，水流经全部管道（不包括排出口）的能量损失可按hf=15u2计算，式中u为管道内水的流速(m/s)。试求： （1）水箱中水面必须高于排出口的高度H； （2）若输水量增加5%，管路地直径及布置不变，管路的能量损失仍可按上述公式计算，则水箱内的水面将升高多少米？,2020/10/12,74,1.3 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,2020/10/1

25、2,75,1.3 管内流体流动现象,一、 牛顿粘性定律,1.3.1 流体的粘度,或,F,u,udu,dy,式中：F内摩擦力，N； 剪应力，Pa； 法向速度梯度，1/s； 比例系数，称为流体的粘度，Pas 。,2020/10/12,76,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。,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。,2020/10/12,77,粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。,2. 粘度的单位,SI制：Pas 或 kg/(ms) 物理制：cP

26、(厘泊）,2020/10/12,78,3.运动粘度 粘度与密度的之比。 （二）流体中的动量传递 为单位体积的动量， 为动量梯度。,m2/s,2020/10/12,79,1.3.2 流体的流动型态,一、雷诺实验,2020/10/12,80,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，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。,二、流型判据雷诺准数,无因次数群,2020/10/12,81,判断流型 Re2000时，流动为层流，此区称为层流区； Re4000时，一般出现

27、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。,2.物理意义,Re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。,2020/10/12,82,例1-11 有一内径为25mm的水管，如管中流速为1.0m/s，水温为20。求（1）管路中水的流动类型。（2）管路内水保持层流状态的最大流速。,2020/10/12,83,1.3.3 流体在圆管内的速度分布,速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上 质点的速度随半径的变化关系。,一、层流时的速度分布,2020/10/12,84,2020/10/12,85,由压力差产生的推力

28、,流体层间内摩擦力,管壁处rR时，0，可得速度分布方程,2020/10/12,86,管中心流速为最大，即r0时， umax,流量 环形截面积的体积流量为：,R,r,dr,即流体在圆形直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布。,2020/10/12,87,以管径d代替平均流速中的半径R，并改写为 称为哈根泊谡叶方程式,管截面上的平均速度 :,即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。,2020/10/12,88,二、湍流时的速度分布,剪应力 ：,e为湍流粘度，与流体的流动状况有关。,湍流速度分布的经验式：,2020/10/12,89,n与Re有关，取值如下：,当 时，流体的平均速度 :,202

29、0/10/12,90,1.3.4 流体流动边界层 一、边界层的形成与发展,流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域， 即流速降为主体流速的99以内的区域。 边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。,2020/10/12,91,流体在平板上流动时的边界层：,2020/10/12,92,边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。 主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体 。,2020/10/12,93,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

30、的流型转为湍流。,2020/10/12,94,流体在圆管内流动时的边界层,2020/10/12,95,充分发展的边界层厚度为圆管的半径； 进口段内有边界层内外之分 。 也分为层流边界层与湍流边界层。,进口段长度： 层流： 湍流：,2020/10/12,96,湍流流动时：,2020/10/12,97,湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化； 过渡层：分子粘度与湍流粘度相当； 层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。,层流内层为传递过程的主要阻力,Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。,2020/10/12,98,2. 边界层的分离,2

31、020/10/12,99,流体到达A点时，受到壁面的阻滞流速为零，点A称为驻点或停滞点。此时压强最大。 A C：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐渐减小；减小的静压能一部分转为动能，另一部分消耗用于流动阻力。C点处动能最大，静压能最低。 C S：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐渐增加； S点：物体表面的流体质点在静压力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。,2020/10/12,100,边界层分离的后果： 产生大量旋涡； 造成较大的能量损失。,边界层分离的必要条件： 流体具有粘性； 流动过程中存在静压梯度。,20

32、20/10/12,101,1.4 流体流动阻力,1.4.1 直管阻力,1.4.2 局部阻力,2020/10/12,102,1.4 流体流动阻力,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,一、阻力的表现形式,2020/10/12,103,流体在等径直管中作定态流动。,对于水平等直径管路，流体的摩擦阻力损失应为：,流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。,流体的流动阻力表现为静压能与位能之和的减少,2020/10/12,104,二、层流时的摩擦阻力损失计算,速度分布方程,又,哈根-

33、泊谡叶 （Hagen-Poiseuille）方程,2020/10/12,105,能量损失,层流时阻力与速度的一次方成正比 。,变形：,比较得 故流体摩擦阻力损失计算式为,2020/10/12,106,直管阻力通式（范宁Fanning公式）,其它形式：,摩擦系数（摩擦因数）,该公式层流与湍流均适用； 注意 与 的区别。,2020/10/12,107,三、湍流的摩擦阻力损失 （一）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。 相对粗糙度 ： 绝对粗糙度与管内径的比值。,层流流动时： 流速较慢，与管壁无碰撞，

34、阻力与 无关，只与Re有关。,2020/10/12,108,湍流流动时：,水力光滑管 只与Re有关，与 无关。,完全湍流粗糙管 只与 有关，与Re无关。,2020/10/12,109,（二）、 量纲分析法,目的：（1）减少实验工作量； （2）结果具有普遍性，便于推广。,基础：量纲一致性 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。,2020/10/12,110,基本定理：白金汉（Buckinghan）定理 设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本量纲数为m个，则该物理现象可用N（nm）个独立的量纲数为一的数群表示。,用量纲分析法求取湍流时摩擦损失计算式：

35、流体内摩擦产生的压力降p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,2020/10/12,111,这七个物理量的量纲分别为 dimp=MT-2L-1 dim=L dimd=L diml=L dimu=LT-1 dim=ML-3 dim=MT-1L-1 其中只有M、T、L3个基本量纲。 物理变量 n 7 基本量纲 m3 量纲为一的数群 Nnm4,即该过程可用4个量纲为一的数群表示。,2020/10/12,112,可以求得四个量纲为一的量之间的关系式 令,欧拉（Euler）准数。它表示压力降与惯性力之比。,2020/10/12,113,相对粗糙

36、度,管道的几何尺寸,雷诺数,根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即,或,2020/10/12,114,（三）湍流时的摩擦系数 1.莫狄（Moody）摩擦因数图：,2020/10/12,115,（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 。,（3）湍流区（Re4000以及虚线以下的区域）,2020/10/12,116,（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，,2、经验公式 ：,（1）柏拉修斯（Blasius）式：,适用光滑管

37、 Re2.5103105,（2）考莱布鲁克（Colebrook）式,2020/10/12,117,例1-12 分别计算下列情况下，流体流过763mm、长10m的水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。 （1）密度为910kg/m3、粘度为72cP的油品，流速为1.1m/s； （2）20的水，流速为2.2 m/s。,2020/10/12,118,四、 非圆形管内的流动阻力,当量直径：,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 :,2020/10/12,119,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

38、速用实际流通面积计算 。,2020/10/12,120,1.4.2、 局部摩擦阻力损失,（一）、阻力系数法,局部摩擦阻力通常与动能成正比。,或,局部阻力系数,J/kg,J/N=m,2020/10/12,121,1. 突然扩大,2020/10/12,122,2.突然缩小,2020/10/12,123,3. 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,2020/10/12,124,2020/10/12,125,2020/10/12,126,蝶阀,2020/10/12,1

39、27,2020/10/12,128,2020/10/12,129,二、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 。,Le 管件或阀门的当量长度，m,2020/10/12,130,总阻力：,减少流动阻力的途径：,管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯； 尽量不安装不必要的管件和阀门等； 管径适当大些。,2020/10/12,131,例1-13 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，

40、试计算高位槽中的液面要高出塔的进料口多少米？,2020/10/12,132,课本第44页的例题,2020/10/12,133,课本第45页的例题,2020/10/12,134,1.5 管路计算,1.5.1 简单管路,1.5.2 复杂管路,2020/10/12,135,1.5 管路计算,1.5.1 简单管路,一、特点,（1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变。,（2） 整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和 。,不可压缩流体,2020/10/12,136,二、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）：,物性、一定时，需给定独立的9个

41、参数，方可求解其它3个未知量。,2020/10/12,137,（1）设计型计算,设计要求：规定输液量qv，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 We。,2020/10/12,138,（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qv。,已知：管子d、 l、管件和阀门 、流量qv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

42、 。,2020/10/12,139,已知：管子d 、l，管件和阀门，流速u或供液量 qv，供液点z1、p1， 需液点的z2、p2，输送机械 We； 求：摩擦损失 。,2020/10/12,140,试差法计算流速的步骤： （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。,2020/10/12,141,例1-14 已知流量、管径求阻力损失。 一根水平直管，材质为铸铁，管长为800m，内径为50cm，以1000m3/h的稳定流量输送水。已知水的密度为1000kg/m3，粘度为10-3pa.s，=1.2mm。求

43、沿管程的阻力损失pf。 例1-15 已知阻力损失、流量，计算管径。一管路总长70m，要求输水量为30m3/h，输送过程的容许压头损失为4.5m水柱，已知水的密度为1000kg/m3，粘度为10-3pa.s，=0.2mm。求管子直径。,2020/10/12,142,例1-16 已知阻力损失、管径，求流量。用内径为100mm的钢管输送原油，管路总长为2000m，管路中允许的压降为0.2MPa，已知原油的密度为850kg/m3，粘度为5.010-3pa.s，钢管的粗糙度为=0.2mm。求管路中的流量。,2020/10/12,143,三、阻力对管内流动的影响 1、简单管路,阀门F开度减小时：,（1）阀

44、关小，阀门局部阻力系数 hf,A-B 流速u 即流量；,2020/10/12,144,（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 。,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。,2020/10/12,145,2、分支管路 假设两根支管上的阀门A和B 原来是全开的，现将阀门A关小，分析 各管路流体流动的变化。 结论： （1）阀门A关小，阻力损失hf 增大，

45、支管中的流速u2将出现下降的趋势，O点处的静压力将上升； （2） O点处的静压力上升将使总流速u0下降； （3） O点处的静压力上升使另一支管流速u3出现上升趋势；,A,B,u1,u2,u3,u0,p0,O,1,1,2,3,2020/10/12,146,例： 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）。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

46、路中油品的流量； （2）定性分析阀前、阀后的压力表的读数有何变化?,pa,2020/10/12,147,1.5.2 复杂管路,一、并联管路,A,1、特点： （1）主管中的流量为并联的各支路流量之和；,2020/10/12,148,（2）并联管路中各支路的能量损失均相等。,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。,2020/10/12,149,2. 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。,2020/10/12,150,二、分支管路与汇合管路,2020/10/12,151,1、特点： （1）主管中的流量为各支路流量之

47、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。,2020/10/12,152,例 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。两支路各安装一球形阀，出口分别为C和D。已知管段AB、BC和BD的长度分别为100m、10m和20m（仅包括管件的当量长度），管内径皆为30mm。假定总管在A处的表压为0.343MPa，不考虑分支点B处的动能交换和能量损失，且可认为各管段内的流动均进入阻力平方区，摩擦系数皆为0.03，试求：,2020/10/12,153,（1）D阀关闭，C阀全开（ ）时，BC管的流量为多少？ （2）D阀全开，C阀关小至

48、流量减半时，BD管的流量为多少？总管流量又为多少？,2020/10/12,154,习题1 一管道直径由2196mm逐渐缩小到1594.5mm，管道中有甲烷流过，其流量在操作压力及温度下为1700m3/h，在大小管道相距为1m的A，B两截面间与阻力损失相应的压差为20mmH2O（约196Pa）,在A,B间连一U形管压差计，指示液为水，问读数为多少？设甲烷的平均密度为1.43kg/m3。,2020/10/12,155,习题2 如图所示，一垂直水管，从相距5m的A,B两点处接测压管至一倒U形管压差计上，压差计的指示液为苯，压差计读数为0.2m，试问管中水的流向？A,B两点间的压差为多少？,2020/

49、10/12,156,习题3 用离心泵从井中抽水，吸水量为20m3/h,吸水管直径为1084mm，吸水管路阻力损失为0.5m水柱。求泵入口处的真空度为多少？,2020/10/12,157,习题4：某液体在内管直径为252.0mm ，外管直径512.5mm组成的水平套管环隙间作定态流动。已知液体的质量流量为3730kg/h，密度为1150kg/m3，粘度为1.2mpa.s 。试求液体在环隙内的体积流量、平均流速、质量平均流速，并判断流动的型态。,2020/10/12,158,习题5 某车间用压缩空气将密封容器（酸蛋）中98%的浓硫酸（密度为1840kg/m3 ）压送至高位槽，要求输送量为3m3/h，输送管道采用373.5mm的无缝钢管，酸蛋中的液面与压出管口之间的位差为10米，在压送过程中保持不变。总机械能损失为hf=15J/kg（包括所有局部阻力，但不包括出口）。试求所需压缩空气的压力。,10m,压缩空气,2020/10/12,159,习题6 某油田60025mm用钢管将原油输送到码头油库。管路总长1600km，送油量为1000t/h，油温为50。此时油的粘度为0.187pa