化工原理绪论.ppt

1、化工原理（1）,学时： 48 参考书:化工原理上册 化学工业出版社 食品工程原理 中国轻工业出版社,绪论,1.概述-化工生产过程与单元操作,化学工业:对原料进行化学加工以获得产品。 化工生产过程:用化工手段将原料加工成产品的生产过程。,该生产过程的核心是化学反应过程，为使化学反应经济有效的进行，反应前物料要达到一定纯度,即需要进行前处理;反应器内必须保持最佳反应条件（压强、温度）;反应后还要进行后处理，使产物与反应物分开、产物精制。前、后处理中，绝大多数过程是纯物理过程。,绪论,化工生产过程：是由若干化学反应和物理操作串联的生产过程。 例：用乙炔和氯化氢生产聚氯乙烯塑料 乙炔 提纯 单体合成

2、单体精制 聚合 脱水干燥 氯化氢 提纯,（反应热）,（反应热）,（压缩，冷凝）,在各种化工生产过程中，除化学反应外的其余物理操作称为单元操作(Unit Operation)：流体的流动与输送，沉降，过滤，搅拌，压缩，传热，蒸发，结晶，干燥，精馏，吸收，萃取，冷冻等。 化工原理：是研究这些单元操作的基础学科，是各个单元操作的综合和集成。,化工原理 食品工程原理,奶粉生产工艺：各个单元操作串联操作的生产过程 牛奶 预热杀菌 真空浓缩 过滤 喷雾干燥,生物化工原料的某些成分如蛋白质、酶之类都是生物活性物质，在加工过程中会引起变性、钝化或破坏。热敏性和氧化变质及易腐性是动、植物原料的共有特点。,食品加

3、工的科学化和工程化的标志-单元操作的引入和应用。 食品工程是在化学工程基础上发展起来的一个新领域-相同的理论基础和单元操作。,2.本课程的性质与任务,本课程是在高等数学、物理学及物理化学、化学等课程的基础上开设的一门专业基础课程，其主要任务是研究化工单元操作的基本原理，典型设备的构造及工艺尺寸的计算或设备选型。,本课程作为化学工程学的一个基础组成部分，是化工、生物、制药、食品等专业的主干课程之一（学科基础课），其在基础课和专业课之间，起着承上启下，由“理”过渡到“工”的桥梁作用。,3.本课程的内容，特点及学习方法,内容：以“三传”-流体流动过程（动量传递）；传热过程（热量传递）；传质过程（质量

4、传递）为核心和主线，讲述单元操作的基本原理，典型设备的结构原理，操作性能和设计计算。 教学环节：理论课教学，实验，课程设计 特点：内容多，范围广，难度大。 学习方法：重点掌握基本概念，基本原理和基本计算。,1）基本量，导出量 （物理量） 任何物理量均可由几个彼此独立的基本量表示其性质和特征。 基本量：长度 L m ；质量 m kg ；时间 t s ；温度 T K 导出量：如速度 u=L/t m/s。 2 ）单位制（基本单位与导出单位的总和） （1）绝对单位制（cgs制）：力，达因，dyn （2）工程单位制：力，公斤（力）, kg(f ) （3）国际单位制（SI）：力，牛顿，N 1N=1kg m

5、/s2 =1/9.81kgf=105dyn,4.单位制与单位换算,SI基本单位,量的名称量的符号单位名称单位符号 长度 l(L) 米 m 质量 m 千克 kg 时间 t 秒 s 电流 I 安（培 ） A 热力学温度 T 开（尔文） K 发光强度 I(IV) 坎（德拉） cd 物质的量 n 摩尔 mol,导出单位：力 （ N）； 压强 Pa（N/m2）； 功 ，能，热（ J）；功率（ W）,1) 流体流动过程（动量传递） 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，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如流体的输送、沉降、过滤、搅拌及固体的流态化等。 2) 传热过程（热量传

6、递） 研究传热的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。,5.传递过程,3) 传质过程（质量传递） 研究物质通过相界面迁移过程的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如液体的蒸馏、气体的吸收、固体的干燥及结晶等。,6.物料衡算与能量衡算,1) 物料衡算 根据质量守恒定律而进行的质量平衡计算。向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质量，必等于积累在设备里的物料质量，即：,输入物料的总和 输出物料的总和 积累物料量,2) 能量衡算 根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。在生产中能量可能是热能、电能、机械能或其它能。如果是热能，则称为热量衡算。,随物料进

7、入系统的总热量，kJ或kW,随物料离开系统的总热量，kJ或kW,向系统周围散失的热量，kJ或kW,7.平衡关系与过程速率,1) 平衡关系 平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。如连通器液面最终达到同一水平面，传热的极限是冷热流体温度相同，气体吸收的极限是当时条件下的饱和溶解度，反应的极限是当时条件下的平衡转化率。,2) 过程速率,第 1 章 流体流动,概述 液体和气体都具有流动性，通常总称为流体。 在化工和食品生产过程中，所处理的原料、半成品、 产品以及辅助材料大多数以流体的状态存在。流体的流动和输送既是一个单元操作，又与其他各种单元操作密切相关。 水、空气、水蒸气 典型流体 牛顿流体（流体力

8、学规律） 牛奶、果汁、盐水 稀薄流体 蜂蜜、脂肪、果酱 稠厚流体 非牛顿流体（流变学规律）,应用流体流动的基本原理和规律可以解决如下工程问题： (1)流体输送：流体流速u，管道直径d，输送设备选择、操作及其功率计算 (2)流体压强，流量和流速的测量 (3)强化设备：为强化其他单元操作（设备）提供适宜条件,1.1 流体的物理性质,1.1.1流体的物理性质与作用力 1 ) 流 体 特 征：易流动，无固定形状 气体：气体分子间距大，相互作用力小，无一定自由表面和体积，充满整个容器。在外力作用或温度变化时，体积改变较大，一般不能忽略（可压缩和膨胀性），称之为可压缩流体。 液体：不可压缩流体。,2 )

9、连续介质模型（1753年，欧拉） 不考虑流体的微观分子运动，把流体看作由无穷多个流体质点稠密无间隙所组成的连续介质，以研究流体的宏观运动规律。,3 ) 流体的密度和比容 单位体积流体所具有的质量 称为密度（kgm3） =m/V 式中 m流体的质量，kg ；V流体的体积，m3 单位质量流体所具有的体积 称为比容（m3kg） =V/m,气体密度随温度，压力的改变有较大变化，通常在温度不太低，压力不太高的情况下，可用理想气体方程式计算： 式中： p气体的绝对压强，Pa M气体的摩尔质量，kgmol R通用气体常数，8.315J(molK) T气体的热力学温度，K,1.1.2 流体的粘度 1.牛顿粘性

10、定律 流体流动时存在内摩擦力，流体流动时必须克服内摩擦力作功。这种内摩擦力就是一种平行于流体微元表面的表面力，通常又称作剪切力。,当各流体层速度不同时，层与层之间会发生相对运动和相互作用力。流体的这种内部相邻层间相互作用力就是流体内部的内摩擦力或粘滞力。单位面积上的内摩擦力就是剪应力。,剪应力，Nm2 F剪力，N S流体层间的接触面积，m2 du/dy法向速度梯度，1s 比例系数，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度,牛顿粘性定律：,粘度单位: SI: = /(du/dy) =N s/ m2 = Pas cgs : = dyn s/cm2 = P（泊） 1泊=100cP（厘泊） Pas = 10P

11、 =1000cP,2.流体的粘度,粘度的物理意义: 促使流体产生单位速度梯度的剪应力,粘性：确定流体流动时内摩擦力大小的物理性质。 粘度：衡量流体粘性大小的物理量称动力粘度，简称粘度。 温度对粘度的影响： 液体：温度上升， 则粘度减小。 气体：温度上升，则粘度增大。,理想流体: 粘度为零的流体 牛顿流体： 服从牛顿粘性定律的流体 非牛顿流体：不服从牛顿粘性定律的流体,3. 理想流体,4. 非牛顿流体简介,非牛顿流体,粘性流体,粘弹性流体,与时间无关,与时间有关,无屈服应力,有屈服应力,触变性流体,流凝性流体,塑性流体（污水泥浆，巧克力浆） = y +du/dy,假(涨)塑性流体（高分子溶液，涂

12、料，蜂密，果浆，淀粉溶液） = k(du/dy)n,牛顿流体（所有气体，大多数液体） = du/dy,du/dy,无屈服应力：假塑性流体，涨塑性流体,有屈服应力：宾汉塑性流体,1.2 流体静力学基本方程式 1.2.1 静止流体的压力,1) 压力与静压强 垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。把流体单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强，用p表示， 即： p=P/A 式中 p静压强，Nm2或Pa（帕） P垂直作用于流体表面的压力，N A作用面的表面积，m2,习惯上还采用一些其他单位，如atm(标准大气压)、某液柱高度、bar(巴)或kgfcm2、工程大气压(at)等。它们之间的换算关系

13、为： latm=1.033kgfcm2760mmHg=10.33mH2O 1.0133bar1.0133105 Pa latlkgfcm2735.6mmHg10mH2O 0.981bar9.81104 Pa,2) 压强表示:按度量压强的基准（零点）,A,B,绝对压强：以绝对零压（真空）为基准（真实压强）,表压强和真空度：以大气压为基准,当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时，所用的测压仪表称为压强表。压强表上的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，即： 表压强= 绝对压强大气压强,当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时，用真空表进行测量。真空表的读数表示被测流体的绝对压强低于当地大气

14、压强的数值，称为真空度，即： 真空度大气压强绝对压强 = 表压强,1.2.2 流体静力学基本方程,流体静力学方程研究处于相对静止的流体在重力和压力作用下，处于平衡状态的规律。 作用于薄层下底 的总压力pA； 作用于薄层上底的总压力(p+dp)A； 向下作用的重力gAdz。 当流体处于静止状态时：,pA(p+dp)AgAdz=0 dp+gdz0,dp+gdz0 若密度为常数，则上式积分得：p/+gz=常数 若积分的上、下限取高度为z1和z2的二个平面， 而作用于这二个平面的压强分别为p1和p2，则得： (p2 p1)/ g = z1 z2 或 p2 p1+g(z1 z2),流体静力学基本方程讨论

15、,pp0+g h 当容器内液面上方的压强p0一定时，静止液体内部任一点压强p的大小与液体本身的密度和该点距液面的深度h有关。 在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点压强都相等。 当液面上方的压强p0改变时，液体内部各点的压强p也发生同样大小的变化。 压强或压强差可以用一定高度的流体柱h表示，即： (p2 p1)/ g = z1 z2=h,p2 p1+g(z1 z2),1。,p0,2。,h,p,p1,p2,点1处于容器的液面上，设液面上方的压强为p0，距液面h处的点2压强为p。,1.2.3 流体静力学方程的应用,1）U形管压差计 （不互溶指示液，指 ） pa=pb pa=p1+hg+

16、Rg pb=p2+hg+R0g p1-p2= g R(0-) 当 0（被测流体为气体时） p1-p2 = g R0,1.压强与压强差的测量,例 水平导管上的两点间接一盛有四氯化碳的U型管压差计，压差计读数R为35cm。若导管内流经的是(1)水，(2)密度为2.5kg/m3气体时，试分别计算两点间压强差。, 解 指示液：0=1630 kg/m3 (1)管内流经水时： =1000 kg/m3 p=p1p2= (0-)g R =(16301000)9.810.35=2163 (N/m2) (2)管内流经气体时： =2.5 kg/m3 p=p1p2= (0-)g R =(16302.5 )9.810.

17、35=5588 (N/m2),2）微差压差计,微差压差计亦称双液体U形管压差计。它在U形管的两股上增设两个扩大室，扩大室内径与U形管内径之比一般应大于10。压差计内装有A、C两种密度稍有差异的指示液。由于扩大室的截面远大于U形管截面，所以即使U形管内指示液A的液面差R很大，两个扩大室内指示液C的液面变化也甚小，可视为等高。根据静力学基本方程，压强差可用下式表示： p1p2 gR(Ac),例 如本题附图所示，为了控制乙炔发生炉a内的压强不超过10.7 103Pa(表压)，需在炉外装有安全液封(又称水封)装置，其作用是当炉内压强超过规定值时，气体就从液封管b中排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水

18、面下的深度h。,解：按炉内允许的最高压强计算液封管插入槽内水面下的深度h 。过液封管口作等压面O-O,并取1，2两点。,3）液封高度计算,故 pa+ 10.7 103 = pa+ 1000 9.81 h 解得：h=1.09 (m),p1=炉内压强=pa+10.7 103 p2=pa+gh= pa+ 10009.81 h 因 p1=p2,例1-9 为了维持真空蒸发操作的真空度，需在其后的冷凝器上方抽真空。同时为了防止外界空气从气压管漏入，致使设备内真空度降低，气压管必须插入液封槽中，水即在管内上升一定高度h(液封)。若真空表的读数为80103 Pa，试求气压管中水上升的高度h。,解：设气压管内水

19、面上方的绝对压强为P,液封槽液面作用大气压强Pa。根据流体静力学基本方程，在液封槽液面等压面上有:,pap+g h,pap+g h,pap=真空度= 80103 Pa,1.3 流体流动的基本方程,1.3.1流量与流速 1) 体积流量：单位时间内通过流道横截面的流体体积。 VsV/t (m3/s) 2) 质量流量：单位时间内流过流道横截面的流体质量。 wsVs (kg/s) 3) 平均流速：体积流量与流道横截面积之比。 u= Vs /A (m/s) 常用流速范围 P26,1.3.2 稳态流动与非稳态流动,稳态流动：流体在管道中流动时，任一截面处的流速、流量和压强等有关物理参数都不随时间而变化。

20、非稳态流动：流动时，任一截面处的有关各物理参数中只要有一项是随时间变化的，则属于不稳定流动。,1.3.3 连续性方程式,1) 物料衡算的一般方法 物料衡算的依据是质量守恒定律。在工业上常用的计算基准有三：以加入设备的一批物料为基准，这种基准用于间歇过程；以单位时间的物料量为基准，常用于连续过程；以单位质量原料或产品为基准。 设：ws1为输入物料量的总和； ws2为输出物料量的总和。 在无物料损失的情况下，根据质量守恒定律应有： 总进料量总出料量 ws1=ws2 (kg)or(kg/s),2) 管内稳定流动连续性方程,不可压缩流体在园管中作稳定流动时，其流速与截面积成反比，与园管的直径平方成反比

21、。,wsu11A1u22A2常数 不可压缩流体： 12 u1A1u2A2常数 流体在圆管内流动时： u2/u1=(d1/d2)2,流体在管道内作稳定流动时，不论其间的流动截面和流动形态如何变化，都服从质量守恒定律。由物料衡算可得 管内稳定流动的连续性方程式：,1 流动系统的总能量衡算,对于稳定流动系统，设在一定时间内进出系统的流体质量为m(kg)，若忽略电能和化学能等不计，则输入和输出系统的能量有： (1)内能：流体（分子）内部能量的总和，EmU (J) 。 (2)位能：是流体受重力作用，在不同高度具有不同的位能。质量为m流体由基准水平面升举到高度z所作的功，mgz(J)。 (3)动能：是流体

22、由于运动而产生的能量。将质量为m流体加速至u所作的功，mu2/2 (J)。,1.3.4 柏努利(Bernoulli)方程式,(4)静压能（压力能）：流体经控制面进入或流出系统时，必须克服静压强作功： FL（pA)V/A=pV=mp，流体带有与此相当的能量，mp或mp/(J)。 (5)外功：外界通过设备对系统作的功，是功的输入（正）。相反，为功的输出（负），Wm We(J)。 (6)热量：系统通过换热器对外界进行的热交换。对系统加热为正，系统对外界加热为负，Q m Qe (J)。,根据能量守恒定律，系统输入总能量等于输出总能量，得：,稳定流动总能量衡算式 内能 静压能 位能 动能 热量 外功 m

23、U1+ mp11+ mgz1 + mu12/2 + Q + W = mU2 +mp2 2+ mgz2 + mu22/2 (J),U1+p11+gz1+u12/2+Qe+We= U2+p2 2+gz2+u22/2 (J/kg),h1+gz1+u12/2+Qe+We = h2+gz2+ u22/2 (J/kg),单位质量流体的焓（复合状态参数，在定压过程中焓的增加值等于所吸收的热量）,Qe+We = h + gz+u2/2 (J/kg),上式说明：外界加给系统的热量和功量，全部用于增加流体的焓、位能和动能。,h1+gz1+u12/2+ Qe+We = h2+gz2+ u22/2 (J/kg),稳定

24、流动总能量方程式应用,Qe+We = h + gz+u2/2 (1)通过换热器的流动：外界对体系的机械功We =0，流体从进口至出口的位能和动能的变化可以忽略， Qe = h 表示此时加热量等于流体焓值增加（冷却放热量为） ( 2 )通过喷嘴的流动：无热功交换Qe =0， We =0；无位能变化， h + u2/2=0,表明流体流过收缩喷嘴后获得的动能等于流体焓值的减少。,(3)通过节流阀的流动：无热功交换Qe =0， We =0；无位能和动能的变化， h =0 可见通过节流前后，流体焓值没有变化。 (4)流过压缩机：设此时对外无热交换， Qe = 0，且位能和动能的变化可以忽略，则方程式简化

25、为： We = h,Qe+We= h + gz+u2/2,说明压缩机所耗的功，等于压缩前后气体焓值的增量,2.柏努利(Bernoulli)方程式,1) 理想流体柏努利方程式 稳定流动总能量方程式是解决工程问题的基础，可以解决广泛的工程问题。 为使解决问题简化：将气体视为不可压缩流体（压强变化范围不大）； 设想流体为无粘性，无摩擦损失的理想流体 实际流体 抽象和假设 不可压缩理想流体,（ 1= 2= ； 1= 2= ；U1=U2 ）,(J/kg),不可压缩理想流体 （ 1= 2= ；1= 2= ；U1=U2 ） 若是单纯的流动问题，无热功交换:We=0；Qe=0 U1+p11+gz1+u12/2

26、+Qe+We=U2+p22+gz2+u22/2 (J/kg) 不可压缩理想流体稳定流动总能量方程式： 柏努利方程式,-流体机械能（位能，压力能，动能）衡算式 机械能转换与总机械能保持不变,(J/kg),(J/kg) 每1kg质量流体能量,(m) 每1kg.m/s2重量流体能量,(N/m2) 每1m3体积流体的能量,2)实际流体柏努利方程式,实际流体：有粘性，流体流动过程发生摩擦，消耗机械能。减少的机械能转化为热力学能，总能量守恒。通常把方程式中的(U2U1)称为机械能损失或摩擦损失（hf），并将方程式写成：,稳定流动总能量方程式,不可压缩实际流体稳定流动的能量衡算：输送系统有泵对外无热交换(Q

27、e0),(J/kg),(J/kg),不可压缩实际流体柏努利方程式,有效功率(Ne)：单位时间内输送设备所作的有效功,(J/kg),(N/m2),3. 柏努利方程式的讨论,1）不可压缩理想流体稳定流动的不同形式机械能互相转化和总机械能守恒。 2）不稳定流动系统的任一瞬间，柏努利方程式成立。 3）可压缩流体：若两截面间的压强变化小于原来的20% (p1 p2)/ p1 20 %，可用柏努利方程式。 m= (1+ 2)/2 4）当流体静止时：u=0，流体静力学基本方程：,=常数 (J/kg),例1-6 如附图所示的开口水箱，其下部一方装有泄水龙头，设水箱上方有维持水位恒定的装置，液面与泄水出口的高差

28、 z10m。试求龙头开启后，水流达稳定时水的流量。已知管内径为12mm。（不计流动阻力）,解 取水箱底面为基准面，液面为1-1截面，龙头出口为2-2截面，1-1截面（大截面)面积远大于2-2截面，其速度相对甚小可以忽略不计，即：u1u2 ，u12/20；p1=p2= pa ；在1-1和2-2截面间列柏努利方程式,1.3.5 柏努利方程式的应用1. 应用柏努利方程式解题步骤及要点,1）作图：根据题意画出 流动系统示意图。 2）基准面选取： 一般取最低面，与地面平行。 3）截面选取：垂直于流动方向；截面间流体连续；未知量最少；“大截面”容器和小管子。 4）在两截面间列柏努利方程式。 5）方程式中各

29、物理量的单位须一致，压强的表示方法一致。,例 水从高位槽通过虹吸管流出，其中：h=8m，H=6m，设槽中水面保持不变，不计流动阻力损失，试求管出口处水的流速及虹吸管最高处的压强。,解 取管口为基准面，水面为1-1截面（大截面） ，管口为2-2截面，管最高处为3-3截面，即有： u1u2，u12/20；p1= p2= pa；,z1=H=6m, z2=0 , z3=h=8m,1）在1-1和2-2截面间列柏努利方程式：,2）在2-2和3-3截面间列柏努利方程式（ u2=u3）：,例1-7 牛奶用泵由真空锅被抽送，经冷却器至位于9m高度的牛奶贮罐中。各段输送管路的长度如图。真空锅内的真空度87800P

30、a(660mmHg)，贮罐开口通大气。牛奶输送量为4.35t/h。整个管路包括冷却器在内的摩擦损失为50J/kg。试近似估计所需泵的能量。估算时将牛奶相对密度视为1。,解 作图，取泵中心为基准面，锅内液面为1-1截面（大截面) ，管出口为2-2截面：u1u2，u12/20；p2= pa,z1=1.5m，z2=9m，hf= 50J/kg,d2=3222=28mm,在1-1和2-2截面间列柏努利方程式：,真空度表压强， p1= 87800Pa （表压强） ； p2= 0（表压强）,例 用泵将贮液池中常温下的水送至吸收塔顶部，贮液池水面维持恒定，各部分的相对位置如图所示。输水管的直径为763mm，排

31、水管出口喷头连接处的压强6.15104Pa(表压)，送水量为34.5m3/h，水流经全部管道的能量损失为160J/kg，试求泵的有效功率。,解 作图，取贮液池水面为为基准面，同为1-1截面（大截面) ，管出口为2-2截面：u1u2，u12/20；,z1=0，z2=2+24=26m，hf=160J/kg，=1000 kg/m3,p1 = pa = 0 （表压强） ； p2= 6.15104Pa （表压强）,d2=7623=70mm,在1-1和2-2截面间列柏努利方程式：,1.4 流体流动现象1.4.1 流动类型与雷诺数,1)稍打开阀门，水流速度很小时，水流中心的有色液体是一条平稳流过的直线，与水

32、完全不相混杂，表明管内水的质点基本成平行的直线运动。 2)当继续提高水流速度到一定时，有色液细线开始出现波纹形。 3)随着速度再提高，细线完全消失，有色液散开使水均匀染色，表明水流不再是平行的直线流，而是在向出口流动的总方向之下，同时有各个方向的不规则运动，彼此碰撞并互相混杂。,1.雷诺实验与雷诺数 1883年，英国学者雷诺(Reynolds)用实验证明，流体运动存在着两种根本不同的形态，即：层流和湍流，其摩擦损失存在着很大区别。,2. 层流和湍流,雷诺实验揭示了流体流动形态与流动速度的关系，发现流体流动形态与以下四个因素有关：流体动力粘度、流体密度、导管直径d和平均流速u。用量纲分析法将这四

33、个因素归纳为一个量纲为一的无因次准数：雷诺数Re ，用以判别流体流动的形态。,临界雷诺数：流动状态发生变化时的雷诺数 下临界雷诺数：湍流变为层流时的雷诺数 Re=2000 上临界雷诺数：层流变为湍流时的雷诺数 Re=4000 两临界雷诺数之间：可能是层流，也可能是湍流（过渡流）。,Re 2000 层流 2000 Re 4000 过渡流 Re 4000 湍流,壁湍流：发生在流体与固体壁面的接触流动时，如流体流经密闭管道、明渠或浸没物体等。 自由湍流：由不同速度运动的两液层之间的接触而产生，如将流体喷射到大量静止流体中等。,湍流流动：流体质点作不规则运动，相互碰撞和混杂，并产生大量旋涡。由质点碰撞

34、产生的附加阻力比由流体粘性产生的摩擦阻力大得多。,时间,脉动速度,1.4.2 流体在圆管内流动时的速度分布1. 层流时的速度分布,园形直管内层流流动时，流体质点沿着与管轴平行方向作直线流动，管轴中心处流速最大，管壁处最小。,R,r,抛物面,2. 湍流时的速度分布,湍流流动时，由于流体质点间的剧烈碰撞和混合，管中心流速分布较平坦，不呈抛物面：,Re=4103 n=6 Re=1.1105 n=7 Re=2.0106 n=10,1.4.3 边界层的概念,1. 边界层的形成 流体边界层：受壁面影响而存在速度梯度的流体层 速度为us的均匀流平行流经固体壁面时，与壁面接触的流体，因分子附着力而静止不动，壁

35、面附近的流体层，由于流体粘性而减速，此减速效应将沿垂直于壁面的流体内部方向逐渐减弱。在离壁面一定距离处，流速已接近于均匀流的速度us，在此层内存在速度梯度，该薄层称为流体边界层。,2.边界层的发展,边界层厚度，是离板前缘距离x的函数，厚度增加。 边界层外：主流区，du/dy0，近似无粘性阻力，与理想流体等效。 边界层内：流动可能是层流，也可能是湍流，取决于雷诺数，=du/dy。 边界层前段：边界层较薄，为层流边界层。,湍流边界层内： 湍流主体 缓冲层：非层流又非完全湍流 层流内层,过度区,边界层后段：在离板前缘距离xc处，由层流转为湍流（过度区），后成湍流边界层。,3.边界层的分离,边界层分离

36、：当流体沿曲面流动或流动中遇障碍物时，不论是层流或湍流，会发生边界层脱离壁面的现象。,A-B:流通截面减小，加速减压,B-C：减速加压,C-D：分离面,C点：分离点,B点:流速最大,压力最小,边界层分离后出现流体空白区，回流形成涡流。,在涡流区，由于流体质点的碰撞和混合而消耗大量能量。 由物体表面形状造成边界层分离而引起的流动阻力和能量损耗，称为形体阻力。,凡是流道发生突然改变时，都会发生边界层分离引起机械能损失，需要避免或减少。,1.5 流体在管内的流动阻力,流动阻力产生的原因与影响因素：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；固定的管壁或其它形状固体壁面，促使流动的流体内部

37、发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。流动阻力的大小与流体的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。,流体在管路中流动时的阻力： 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，这种阻力的大小与路程长度成正比，或称为沿程阻力。 hf 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。hf hf= hf + hf ,1.5.1 流体在直管中的流动阻力(沿程阻力) 1. 计算圆形直管阻力的通式,=du/dy (计算困难),Z1=Z2，u1=u2=u,F=S =dL,范宁公式-圆形直管阻力公式,：无因次摩擦系数，是流体物性和流动状况

38、（雷诺数Re和管壁粗糙度）的函数。 沿程阻力与Re 、L、d、u等因素有关。,(J/kg),2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响 光滑管、粗糙管与管壁粗糙度,光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管 粗糙管：钢管、铸铁管 绝对粗糙度 : 壁面凸出部分的平均高度（表1-2，p49) 相对粗糙度: /d,3. 层流时的摩擦系数,园形直管层流流动时的摩擦系数:,哈根泊谡叶方程：层流时的压强降（摩擦损失）与u的一次方成正比,4. 湍流时的摩擦系数,1）对于光滑管，有布拉修斯(Blasius)公式,湍流流动的摩擦系数除与Re有关外，还受管壁粗糙度的影响，比层流复杂得多，难以从理论上推导得出摩擦系数的计算式，根据实验得到

39、了一些经验公式。,2）对于粗糙管，有柯尔布鲁克(Colebrook)公式,摩擦系数图（以/d为参数，标绘与Re的关系图）,双对数坐标,湍流区：Re4000，在虚线以下，与Re和/d都有关。随/d增加而增加，随Re增大而逐渐缓和下降。Re较小，/d影响较小，Re较大，/d影响较大。 完全湍流区：在虚线以上，与Re无关，hf与u2成正比（阻力平方区）。,层流区： Re2000，=64/Re，与管壁粗糙度无关。,过渡区： Re=20004000 不稳定，可按层流或湍流，工程按湍流延伸查取。,例1-8相对密度1.03，粘度150mPa.s的番茄汁流过长10m的钢管（76mm3.5mm)，流速为1.5m

40、/ s，计算沿程损失。 解 d=7623.5=69mm=0.069m u=1.5m/s =1030kg/m3 =15010-3=0.15Pa.s,流动为层流，由摩擦系数图或计算得： =0.09，计算沿程损失：,例1-8-1已知：Re=7000，/d=0.003 ，求摩擦系数。,=0.038,5. 非圆形管内的流体阻力,在工程实际上有许多非圆形管道或设备，虽然流道截面形状对流速分布及流动阻力都有影响，但实验证明：在湍流情况下，非圆管用当量直径de代替直径d应用圆管阻力公式的误差不大。,1.5.2 管路上的局部阻力,流体流过管路的入口、出口、弯头、阀门、突扩、突缩等局部位置时，其流速和流向发生变化

41、，涡流现象加剧，消耗大量能量。由于流体流过这些局部多数是湍流，所以主要讨论湍流流动时的局部阻力，其计算方法有：当量长度法和阻力系数法。 1. 当量长度法 将流体流过局部位置所产生的局部阻力折合成相当于某个长度（当量长度 Le ）上的圆直管的阻力。 局部阻力： Le ：从手册查取,(J/kg),2. 阻力系数法,将流体流过局部位置所产生的局部阻力表示为流体动能u2/2的某个倍数 （局部阻力系数）。 值由实验测定，可从手册中查得。,(J/kg),例1-9 将5的鲜牛奶以5000kg/h的流量从贮奶罐输送至杀菌器进行杀菌。这条管路系统所用的管子外径为38mm、内径35mm的无缝钢管，管子长度12m，

42、中间有一只摇板式单向阀，3只90弯头，试计算管路进口至出口的摩擦阻力。已知鲜奶5时的粘度为3mPas，密度为1040kg/m3。,解 (1)算流速：,(2)算Re：,(5)求摩擦损失：,(4)局部阻力系数： 1只摇板式单向阀 2.0 3只90弯头 31.1 管子入口 0.5 管子出口 1.0 =6.8,(3)查摩擦系数： 由表1-2查得管子0.25； /d=0.00025/0.035=0.00715； =0.038,1.6 管路计算,(1) 管路计算的基本方法 综合应用连续性方程，柏努利方程式和阻力损失计算式。,(2) 管路的情况 1. 简单管路 hf总hf,i ws,1=ws,2=ws,3

43、当const 则 Vs,1=Vs,2=Vs,3,2. 复杂管路,1) 并联管路 hf,1=hf,2=hf,3 ws,总ws,i 当const 则Vs,总Vs,i 各支管的流量:,C,A,B,2) 分支管路,EA+hf,A= EB+hf,B Vs VsA + VsB,(3)管路计算的类型,1)已知流量Vs、管道尺寸L、d,管件，计算管路系统的能量损失，以及所需输送设备的功率等；(直接计算） 2)给定流量、管长、所需管件和允许的能量损失，计算管路直径；(用试差法计算） 3)已知管道尺寸、管件和允许的能量损失，求管道中流体的流速和流量。(用试差法计算）,(4) 管径的选择,食品工业和化工生产经常需要

44、安装许多管路，其费用占整个设备费和生产费的很大比例，如何选用管子是一个重要的问题。选择管子，除按工艺要求并从经济角度来考虑管路布置和管子的材质以外，主要是如何选用合适的管径，后者仍然是经济衡算问题。 生产费用主要是每年消耗在克服管路阻力的能量费用。在一定流量下，不同管径必然得出不同的流速，不同的雷诺数，从而得出不同的能量损失hf。 用实践经验和综合经济效果及其他因素得到的管内流动的常用流速范围作为选用管径的根据，可以使问题简化。,例1-10 15、20砂糖液用泵将其长距离输送至位于高5m的某处，估计管路长度为150m，要求输送量为60t/h，试求所需泵的能量。,解 考虑到管路甚长，动能及局部损

45、失可忽略不计；又因常压下输送；p1p2，故计算式可简化为：,上式中已知L150m，而d、u、待定，且互相依赖。故问题归结为选择管径和管子。,由表1-1查得：15、20%砂糖液的密度为l080kg/m3，由图l-2查得其粘度为2.2mPas，与水相仿。查阅常用流速范围表，在工业供水1.53.5m/s的流速范围内取u2m/s。按所给的流量计算管径：,从管子规格表选无缝钢管108mm4mm，再计算：,计算Re：,查摩擦系数：由表1-2查得管子0.25mm； /d=0.00025/0.1=0.0025； =0.026,计算需要泵提供的能量：,泵的有效功率为：,例题（试差法）,例从水塔引水至车间，管路为

46、1144mm的无缝钢管，管路的计算长度150m(包括直管长度及局部阻力的当量长度)。水塔内液面维持恒定，并高于排水管口12m，水塔液面及管子出口均通大气。试求水温为20时此管路的输水量。,解：取水塔液面为1-1截面（大截面) ，排水管出口为2-2截面： u1 u2 ，u12/20； 以水管出口中心平面为基准面。,已知：zl12m，z20， p1p20 (表压)， u2 u， L+Le=150m， d=11424=0.106m， hf=( L+Le)u2/2d,在两截面间列出柏努利方程：,(两个未知数),应用试差法先求u：(湍流时，一般=0.020.03),试设：=0.02,计算Re：20水=998kg/m3，=1.00510-3Pa.s,查：查得管子0.20mm；/d=0.2/106=0.0019 =0.0235，与试设值不相符合；,重设：=0.0235，代入前式再计算：u=2.62 m/s ； Re=2.76105,按u=2.62 m/s，计算输水量：,再查表得：=0.0236，与重设值很接近，可不再重算；,3%,1.7流量测量,流量是流体流动和输送的重要参数，无论是工业生产中，为了检查生产操作条件，调节、控制生产过程，还是科学实验都需要对流量的精确测量。流量一般可以采用流量计直接测量，也可以采用