第一章流体流动1

1、2021-10-13化工原理 绪论1化化 工工 原原 理理主讲人主讲人: : 姜美英姜美英2021-10-13化工原理 绪论2课课 程程 内内 容容流体流动流体流动第一章第一章液体输送机械液体输送机械离心泵离心泵第二章第二章传热传热第三章第三章精馏精馏第四章第四章吸收吸收第五章第五章2021-10-13化工原理 绪论3 化工过程与单元操作化工过程与单元操作 单元操作的特点单元操作的特点 单元操作的分类单元操作的分类 单元操作常用基本概念单元操作常用基本概念绪论绪论2021-10-13化工原理 绪论4化工过程与单元操作化工过程与单元操作原料原料前处理前处理化学加工化学加工后处理后处理产品产品除去

2、杂质、改变除去杂质、改变温度、压力等温度、压力等物理变化过程物理变化过程 生成新的物质，生成新的物质，化学变化过程化学变化过程精制、分离达精制、分离达必要的纯度，必要的纯度，物理变化过程物理变化过程化学反应过程化学反应过程特性特性化工单元过程化工单元过程化工生产过程化工生产过程物理过程物理过程共性共性化工单元操作化工单元操作2021-10-13化工原理 绪论5 化工生产中共有的操作化工生产中共有的操作; 物理性操作：物理性操作：只改变物料状态和物理性质，化学性质变。只改变物料状态和物理性质，化学性质变。 同一操作用于不同的化工生产过程，其作用相同、设备相同一操作用于不同的化工生产过程，其作用相

3、同、设备相似似化工单元操作：化工生产中普遍采用的、遵循共同的物理化工单元操作：化工生产中普遍采用的、遵循共同的物理定律、所用设备相似、作用相同的那些基本操作。定律、所用设备相似、作用相同的那些基本操作。什么叫化工单元操作什么叫化工单元操作?单元操作三大特点：单元操作三大特点：2021-10-13化工原理 绪论6按操作的理论基础划分按操作的理论基础划分 以以动量传递动量传递为基础：流体输送、搅拌、沉降、过滤，离心为基础：流体输送、搅拌、沉降、过滤，离心分离分离 以以热量传递热量传递理论为基础：加热、冷却、蒸发、冷凝理论为基础：加热、冷却、蒸发、冷凝 以以质量传递质量传递理论为基础：蒸馏、吸收、吸

4、附、萃取理论为基础：蒸馏、吸收、吸附、萃取 热、质热、质同时传递：干燥、结晶、增湿、减湿同时传递：干燥、结晶、增湿、减湿 单元操作分类单元操作分类2021-10-13化工原理 绪论7 问题：你车间有哪些化工单元操作？请说出五种问题：你车间有哪些化工单元操作？请说出五种以上？其作用是什么？以上？其作用是什么？单元操作单元操作作用作用所用设备所用设备流体输送输送泵、压缩机等传热改变温度和相态换热器吸收气体分离吸收塔蒸发提浓蒸发器蒸馏液体分离蒸馏塔干燥除湿干燥塔2021-10-13化工原理 绪论8 1 1、物料衡算：、物料衡算： 2 2、能量衡算：、能量衡算： 3 3、平衡关系：、平衡关系： 4 4

5、、传递速率、传递速率 阻力推动力传递速率 单元操作常用基本概念单元操作常用基本概念输入物料量输入物料量=输出物料量输出物料量+物料损失物料损失输入能量输入能量=输出能量输出能量+能量损失能量损失判断过程的方向和极限判断过程的方向和极限2021-10-13化工原理 绪论9第一节：流体静力学第一节：流体静力学第二节：流体动力学第二节：流体动力学第三节：流体在管内流动阻力第三节：流体在管内流动阻力第一章：流体流动第一章：流体流动2021-10-13化工原理 绪论10第一节第一节 流体静力学流体静力学 一、流体的密度、相对密度和比容一、流体的密度、相对密度和比容 二、流体静压强二、流体静压强 三、静力

6、学方程式三、静力学方程式 四、静力学方程式的应用四、静力学方程式的应用2021-10-13化工原理 绪论11一一.密度、相对密度和比容密度、相对密度和比容1、密度：单位体积流体的质量，称为流体的、密度：单位体积流体的质量，称为流体的密度密度。第一节：流体静力学第一节：流体静力学常温下常温下 水的密度：水的密度：1000水银的密度：水银的密度：1360098%硫酸的密度：硫酸的密度：1836kg/m3kg/m3kg/m3Vmkg/m3 定义式：定义式：影响因素：影响因素：温度：温度：T ， 压力：压力：P ， （注意对液体忽略）（注意对液体忽略）常压下水的密度常压下水的密度4时时: 100020

7、时时: 998.2100时时: 958.4kg/m3 kg/m3 kg/m3 2021-10-13化工原理 绪论123 3、比容：单位质量流体具有的体积，、比容：单位质量流体具有的体积，称为比容，称为比容，是是密度的倒数。密度的倒数。1mVvm3/kg 2 2、相对密度：在一定条件下，某种流体的密度与在标准大气、相对密度：在一定条件下，某种流体的密度与在标准大气压和压和44的纯水的密度之比，称为的纯水的密度之比，称为相对密度相对密度，又称比重，用符，又称比重，用符号号d d表示。表示。10002OHd注意注意: 三者关系：三者关系：vd110002021-10-13化工原理 绪论131.从手册

8、中查得从手册中查得293k乙醇的相对密度为乙醇的相对密度为0.789，则其密度为则其密度为 ，500kg乙醇的体积乙醇的体积为为 。例例(789kg/m3 , 0.634 m3 )2021-10-13化工原理 绪论14l 混合液体混合液体（ m） 假设各组分在混合前后体积不变，则有假设各组分在混合前后体积不变，则有 12121nmnwww12,nw ww液体混合物中各组分的质量分数。液体混合物中各组分的质量分数。 l 气体气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：方程计算： RTpMRTMmnRTpV 2021-10-13化工原理

9、绪论15RTpMvm式中式中 p 气体的压力，气体的压力，kPa； T 气体的绝对温度，气体的绝对温度，K； M 气体的分子量，气体的分子量，kg/kmol（千摩千摩 尔质量尔质量） R 通用气体常数，通用气体常数，8.314kJ/kmolK。(1-3)气体密度也可按下式计算气体密度也可按下式计算000 TppT(1-4) 上式中的上式中的0 0M/22.4kg/mM/22.4kg/m3 3为为标准状态标准状态（即（即T T0 0=273K=273K及及p p0 0=1atm=1atm）下气体的密度。）下气体的密度。2021-10-13化工原理 绪论16RTpMmmmM混合气体的平均摩尔质量混

10、合气体的平均摩尔质量 1 122mnnMM xM xM x12,nx xx气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔( (体积体积) )分率。分率。 l 混合气体（混合气体（ m m） 各组分在混合前后质量不变，则有各组分在混合前后质量不变，则有 nnm2211气体混合物中各组分的体积分数。气体混合物中各组分的体积分数。 n21,或或2021-10-13化工原理 绪论17 压力压力: : 流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为强，习惯上又称为压力压力。 1.定义式定义式: : N/m2或或Pa；第一节：流体静力学第一节：流

11、体静力学AFp 2.压力的单位压力的单位由定义导出由定义导出:N/m2 , kgf/m2用在气压表示用在气压表示:物理大气压物理大气压(atm), 工程大气压工程大气压(at)用液柱高度表示用液柱高度表示:mH2O mmHg二、流体静压强二、流体静压强2021-10-13化工原理 绪论181atm = 1.013105Pa=1.033kgf/m2=760mmHg=10.33m H2O1at=98.1kPa =1kgf/m2=735.6mmHg =10m H2O压强的单位换算关系压强的单位换算关系:P178附表附表72021-10-13化工原理 绪论192. 压力的表示方法压力的表示方法 以绝对

12、真空为基准测得的压力称绝对压力以绝对真空为基准测得的压力称绝对压力: :反应真反应真实压力实压力三者关系三者关系:表表 压压 = 绝对压力绝对压力 大气压力大气压力真空度真空度 = 大气压力大气压力 绝对压力绝对压力=-表压表压两种两种基准基准绝对零压绝对零压以大气压为基准比大气压低的部分称真空度以大气压为基准比大气压低的部分称真空度大气压强大气压强以大气压为基准比大气压高的部分称表压。以大气压为基准比大气压高的部分称表压。反应相反应相对压力对压力2021-10-13化工原理 绪论20绝对压力绝对压力 绝对压力绝对压力 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 1p2p大气压大气压 绝对压力绝

13、对压力 =大气压力大气压力+表压表压 绝对压力绝对压力 =大气压力大气压力 真空度真空度P真空度越大，绝对压强真空度越大，绝对压强越小越小2021-10-13化工原理 绪论21 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；流体压力与作用面垂直，并指向该作用面； 任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；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。作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。3.静压力的特性静压力的特性2021-10-13化工原理 绪论22注意几点注意几点:1、压力表的读数为表压强，真空表的读数为真空度。、压力表的读数为表压强，真空表的读数为

14、真空度。2、标注压强时，表压和真空度必须注明，绝对压强、标注压强时，表压和真空度必须注明，绝对压强可不标注。如可不标注。如P=100Pa（表压）、（表压）、P=100Pa（真空度）（真空度）3、大气压强必须以当时当地的大气压强为准、大气压强必须以当时当地的大气压强为准2021-10-13化工原理 绪论232021-10-13化工原理 绪论24例例:PP1、如果当地大气压强以、如果当地大气压强以100kPa计，要计，要求塔顶操作压强控制为求塔顶操作压强控制为5kPa（绝对），（绝对），则塔顶应装真空表还是压力表？表上读则塔顶应装真空表还是压力表？表上读数为多少？数为多少？2、如果塔底压力表的读数

15、为、如果塔底压力表的读数为80kPa，问，问塔顶和塔底两处的绝对压强之差为多少？塔顶和塔底两处的绝对压强之差为多少？真空度真空度=大气压大气压-绝对压强绝对压强 =100-5=95kPa绝对压力绝对压力 =大气压力大气压力+表压表压=100+80=180kPa两处的绝对压强之差两处的绝对压强之差=180-5=175kPa2021-10-13化工原理 绪论25例例:在兰州操作的某精馏塔顶的真空度为在兰州操作的某精馏塔顶的真空度为82KPa，问在天津，问在天津操作时，如果要维持相同的绝对压强，真空表的读数应操作时，如果要维持相同的绝对压强，真空表的读数应为多少？为多少？(兰州地区的大气压强为兰州地

16、区的大气压强为85.33KPa，天津地区的，天津地区的大气压强为大气压强为101.33KPa。)P兰州，绝对兰州，绝对=85.33-82=3.33KPa= P兰州，绝对兰州，绝对P天津，绝对天津，绝对= P兰州，绝对兰州，绝对P天津，真空度天津，真空度=P天津，大气压天津，大气压- P天津，绝对天津，绝对 =101.33-3.33=98KPa2021-10-13化工原理 绪论26在垂直方向上作用于液柱的力有：在垂直方向上作用于液柱的力有：下底面所受之向上总压力为下底面所受之向上总压力为p2A；上底面所受之向下总压力为上底面所受之向下总压力为p1A；1.整个液柱之重力整个液柱之重力GgA(Z1-

17、Z2)。 现从静止液体中任意划出一垂直液柱，如图现从静止液体中任意划出一垂直液柱，如图所示。液柱的横截面积为所示。液柱的横截面积为A，液体密度为液体密度为，若以容器器底为基准水平面，则液柱的上、下底面与基准，若以容器器底为基准水平面，则液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为水平面的垂直距离分别为Z1和和Z2，以，以p1与与p2分别表示高度为分别表示高度为Z1及及Z2处的处的压力压力。 p0p1p2Gz2z11、方程的推导、方程的推导三、流体静力学方程式三、流体静力学方程式2021-10-13化工原理 绪论27上两式即为上两式即为液体静力学基本方程式液体静力学基本方程式.p2p1g(Z1-

18、Z2) （1-10）p2p0gh 如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为p0，液柱，液柱Z1-Z2h，则上式可改写为，则上式可改写为 在静止液体中，上述三力之合力应为零，即在静止液体中，上述三力之合力应为零，即：p2Ap1AgA(Z1-Z2)0（1-11）2021-10-13化工原理 绪论282、静止流体内部压强的变化规律：、静止流体内部压强的变化规律： 1）当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，与液）当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，与液体本身的密度和该点距液面的深度有关。与容器形状无关。体本身的密

19、度和该点距液面的深度有关。与容器形状无关。3）当液面的上方压力）当液面的上方压力p0有变化时，必将引起液体内部各点压力发生同有变化时，必将引起液体内部各点压力发生同样大小的变化。样大小的变化。hgpp0p2p0gh可改写为可改写为 由上式可知，压力或压力差的大小可用液柱高度表示由上式可知，压力或压力差的大小可用液柱高度表示。 2）因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上）因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。此压力相等的水平面的各点的压力都相等。此压力相等的水平面，称为，称为等压面。等压面。 2021-10-13化工原理 绪论29统称统称静力学基本方程

20、静力学基本方程 J/kg1212ppzgz gPa2112ppg zz20ppghmP0P1P2Z1Z2h2021-10-13化工原理 绪论301、某塔高、某塔高30m,现进行水压试验现进行水压试验时，离塔底时，离塔底10m高处的压强计读高处的压强计读数为数为500KPa,如图所示。当地大如图所示。当地大气压强为气压强为100 KPa.求塔底和塔顶求塔底和塔顶处水的压强。处水的压强。例例30m10m1ghpp水底)(12hhgpp水顶解：解：距塔底距塔底10 m高处水的绝对压强高处水的绝对压强P= P表表+ P大大=500+100=600 KPa 已知：已知：h1=10m，h2=30 m，则，

21、则P底底=600+10009.811010-3=698KPa=600-10009.81（30-10）10-3=404 KPa2021-10-13化工原理 绪论313、静力学基本方程式的应用、静力学基本方程式的应用 （一）（一） 压力测量压力测量 测量压强的仪表很多，现仅介绍以流体静力学基本方测量压强的仪表很多，现仅介绍以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器程式为依据的测压仪器-液柱压差计。液柱压差计可测液柱压差计。液柱压差计可测量流体中某点的压力，亦可测量两点之间的压力差。量流体中某点的压力，亦可测量两点之间的压力差。常见的液柱压差计有以下几种：常见的液柱压差计有以下几种：2021-10-13

22、化工原理 绪论32l普通普通 U U 型管压差计型管压差计l倒倒 U U 型管压差计型管压差计l倾斜倾斜 U U 型管压差计型管压差计l微差压差计微差压差计(a)R0(b)a0(c)R10(d)0102p1p2p1p2p1p2p1p2baRbabab常见常见液柱压差计液柱压差计2021-10-13化工原理 绪论331. U形管液柱压差计形管液柱压差计 设指示液的密度为设指示液的密度为 被测流体的密度为被测流体的密度为0A与与A面面 为等压面，即为等压面，即AApp )(1ARmgpp gRgmpp02A 而而p1p2mRAA2021-10-13化工原理 绪论34所以所以gRgmpRmgp021

23、)( 整理得整理得gRpp)(021若被测流体是气体，若被测流体是气体， ，则有则有0 021 Rgppp1p2mRAA2021-10-13化工原理 绪论35讨论：讨论： U形管压差计可测系统内两点的压力差，当将形管压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一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。表压或真空度。p1paR表压表压p1paR真空度真空度01Rgp 001RgppP14例例1-5，1-62021-10-13化工原理 绪论36 指示液的选取：指示液的选取： 指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；指示液与

24、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。其密度要大于被测流体密度。根据根据P一定时，一定时，R与与 成反比，成反比，R， 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。 gRpp)(021)(0)(0注意：用注意：用U管压强计测压强时，所测压强只有指示剂读数、管压强计测压强时，所测压强只有指示剂读数、流体密度、指示剂密度有关，与流体密度、指示剂密度有关，与U管的长短、粗细和连接方式管的长短、粗细和连接方式无关无关2021-10-13化工原理 绪论37若若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数形压差计安装在倾斜管路中，此时读数R反映了什

25、么？反映了什么？p1p2z2RAAz1思考：思考：2021-10-13化工原理 绪论38 gRpp)(02112021ppgRzz g120ppgRzg或或可见可见R反映的是反映的是势能差势能差。只有当管子水平时，才有只有当管子水平时，才有2021-10-13化工原理 绪论392. 倒倒U形管压差计形管压差计 指示剂为被测流体。指示剂为被测流体。 1200ppRgRg适用范围：适用范围：用于测量液体的压差，指示剂密度用于测量液体的压差，指示剂密度 0 小于小于被测液体密度被测液体密度 若若 0gRpp212021-10-13化工原理 绪论403. 斜管斜管压差计压差计 适用于压差较小的情况。适

26、用于压差较小的情况。 sinRR 值越小，读数放大倍数越大。值越小，读数放大倍数越大。 2021-10-13化工原理 绪论414. 微差压差计微差压差计 有微压差有微压差 p 存在时，尽管两扩大室液存在时，尽管两扩大室液面高差很小以致可忽略不计，但面高差很小以致可忽略不计，但U型型管内却可得到一个较大的管内却可得到一个较大的 R 读数。读数。 )(CA21 Rgpp适用于压差较小的场合适用于压差较小的场合密度接近但不互溶的两种指示密度接近但不互溶的两种指示 液液A和和C ；)(CA 扩大室内径与扩大室内径与U管内径之比应大于管内径之比应大于10 。对一定的压差对一定的压差p，R值的大小与所用的

27、指示剂密度有关，密度值的大小与所用的指示剂密度有关，密度差越小，差越小，R值就越大，读数精度也越高。值就越大，读数精度也越高。2021-10-13化工原理 绪论422021-10-13化工原理 绪论43（二）（二） 液位测量液位测量 1.1.近距离液位测量装置近距离液位测量装置 压差计读数压差计读数R反映出容器反映出容器内的液面高度。内的液面高度。 Rh 0 液面越高，液面越高，h越小，压差计读数越小，压差计读数R越小；当液面达到最越小；当液面达到最高时，高时，h为零，为零，R亦为零。亦为零。2021-10-13化工原理 绪论442.2.远距离液位测量装置远距离液位测量装置 BApp管道中充满

28、氮气，其密度管道中充满氮气，其密度较小，近似认为较小，近似认为 ghpp aAgRpp0aB Rh 0而而所以所以 ABP17例例1-72021-10-13化工原理 绪论452021-10-13化工原理 绪论46（三）（三） 液封高度的计算液封高度的计算 确保设备安全：当设备内压确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封力超过规定值时，气体从液封管排出；管排出； 防止气柜内气体泄漏。防止气柜内气体泄漏。gph 2. 液封高度：液封高度：1. 液封作用：液封作用：P17例例1-82021-10-13化工原理 绪论472021-10-13化工原理 绪论48 某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不

29、超过某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过10.7108Pa（表），需在炉外装有安全液封（表），需在炉外装有安全液封装置，某作用是当炉内压强超过规定值时，装置，某作用是当炉内压强超过规定值时，气体就从液封管气体就从液封管2中排出，试求此炉的安全液中排出，试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度封管应插入槽内水面下的深度h。例例:h解：解：以液封管口为基准水平面以液封管口为基准水平面 0 0,并取并取a、b两点，如图所示。两点，如图所示。则则 p a= p b =P所所 以：以： p = p 0+ ghh=p / g=1.09 mp 0Pa bp 0=0（表压）（表压）2021-10-13化工原

30、理 绪论49第二节第二节 流体动力学流体动力学 一、流量与流速一、流量与流速 二、稳定流动与不稳定流动二、稳定流动与不稳定流动 三、稳定流动时的物料衡算三、稳定流动时的物料衡算连续性方程连续性方程 四、稳定流动时的能量衡算四、稳定流动时的能量衡算伯努利方程伯努利方程 五、伯努利方程的应用五、伯努利方程的应用研究流体流动时研究流体流动时的基本规律的基本规律2021-10-13化工原理 绪论502) 质量流量质量流量 :单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称为质量流量，以为质量流量，以qm表示，其单位为表示，其单位为kg/s或者或者 kg/h。1）体积流量

31、）体积流量:单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为体积流量，以体积流量，以qV表示，其单位为表示，其单位为m3/s。 qV, m3/h一、流量与流速一、流量与流速1、流量、流量体积流量与质量流量之间的关系为：体积流量与质量流量之间的关系为： qm=qv （1-14）单位时间内流体流经管道任一截面的流体的量，称为流量，单位时间内流体流经管道任一截面的流体的量，称为流量，以以V表示，其单位为表示，其单位为m3/s。2021-10-13化工原理 绪论51 实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管

32、道横截面上流体质点速度是沿半径变化的。管道中心流速最大，道横截面上流体质点速度是沿半径变化的。管道中心流速最大，愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁上，其速度等于零。上，其速度等于零。 流速流速：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。一般是指平均流速。用一般是指平均流速。用u 表示表示 ,单位为单位为m/s 2、流速、流速2021-10-13化工原理 绪论52流速与流量的关系：流速与流量的关系： 流量与流速关系为：流量与流速关系为： AqAqumvAuqqAuqvvm.式中

33、式中 A 管道的截面积，管道的截面积，m222785. 04ddA圆形管道：圆形管道：2021-10-13化工原理 绪论53单位时间内流体流经管道单位截面积的质量称为质量流速。它单位时间内流体流经管道单位截面积的质量称为质量流速。它与流速及流量的关系为：与流速及流量的关系为： Gqm/A=Au/A=u （1-17） 由于气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、压力发由于气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、压力发生变化时，气体的体积流量与其相应的流速也将之改变，但其生变化时，气体的体积流量与其相应的流速也将之改变，但其质量流量不变。此时，采用质量流速比较方便。质量流量不变。此时，采用质量

34、流速比较方便。 3、质量流速、质量流速2021-10-13化工原理 绪论544Vqdu 对于圆形管道：对于圆形管道：流量流量qV一般由生产任务决定。一般由生产任务决定。流速选择：流速选择：4. 管径的估算管径的估算 d 设备费用设备费用 u 流动阻力流动阻力 动力消耗动力消耗 操作费操作费均衡均衡考虑考虑uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费2021-10-13化工原理 绪论55例例1-7 1-7 某厂要求安装一根输水量为某厂要求安装一根输水量为30m30m3 3/h/h的管道，试的管道，试选择合适的管径。选择合适的管径。mmm77077.08.10.78530/3600d0

35、.785uvd 解：依式（解：依式（1-181-18）管内径为）管内径为 选取水在管内的流速选取水在管内的流速u u1.8m/s (1.8m/s (自来水自来水1-1.5, 1-1.5, 水水及低粘度液体及低粘度液体1.5-3.0 )1.5-3.0 )2021-10-13化工原理 绪论56思考思考?在流量一定的情况下在流量一定的情况下,管径管径是否越小越好是否越小越好?2021-10-13化工原理 绪论57 二、稳态流动与非稳态流动二、稳态流动与非稳态流动稳态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量稳态流动：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；仅随位置变化，而不随时

36、间变化； 不不稳稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位态流动：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。置变化，也随时间变化。稳定流动稳定流动不稳定流动不稳定流动2021-10-13化工原理 绪论58说明说明： 稳定流动中，流速、压强等有关物理参数只随空间稳定流动中，流速、压强等有关物理参数只随空间位置而变，而与时间无关。而不稳定流动中，流速、位置而变，而与时间无关。而不稳定流动中，流速、压强等物理参数除与空间位置有关外，还与时间有关。压强等物理参数除与空间位置有关外，还与时间有关。 在正常情况下，连续生产过程中的流体流动多属于在正常情况下，连续生产过程中的流体流动多属于稳定流

37、动。稳定流动。 本着重讨论稳定流动问题。本着重讨论稳定流动问题。2021-10-13化工原理 绪论59三、连续性方程式三、连续性方程式 如图所示：如图所示： 对于稳态流动系统，对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情在管路中流体没有增加和漏失的情况下：况下： 输入物料量输入物料量=输出物料量输出物料量21mmqq 222111AuAu 推广至任意截面推广至任意截面 常常数数 uAAuAuqm 222111连续性方程式连续性方程式11 2 21 1、流体连续性的假设：、流体连续性的假设：1)1)连续不间断连续不间断;1);1)充满整个管道充满整个管道 2、稳定流动系统的物料衡算、稳定流动

38、系统的物料衡算-连续性方程连续性方程2021-10-13化工原理 绪论60常常数数 uAAuAuqV22111 1、如果流体液体，、如果流体液体，212 2、如果是圆形管道、如果是圆形管道 ：2121221 ddAAuu 结论二：流速与管内径的平方成反比结论二：流速与管内径的平方成反比 。讨论：讨论：结论一：流速与管道截面积成反比结论一：流速与管道截面积成反比注意：流速的变化规律与管路情况无关注意：流速的变化规律与管路情况无关2021-10-13化工原理 绪论61四、稳定流动系统的能量衡算四、稳定流动系统的能量衡算-伯努利方程式伯努利方程式（一）流体在流动过程中的能量分析（一）流体在流动过程中

39、的能量分析1、本身、本身具 有 的具 有 的机械能机械能能能量量2、从外界、从外界获得的能量获得的能量3 、 流 动 过、 流 动 过程中损失的程中损失的能量能量mpmumgz静压能动能位能22pugz静压能动能位能22以每以每Kg为基准为基准外加功：每外加功：每kg流体从外界流体从外界获得的能量用获得的能量用We表示表示能量损失：每能量损失：每kg流体在流动流体在流动过程中损失的能量用过程中损失的能量用hf表示表示2021-10-13化工原理 绪论62220 011z2z111, pu22, puZ1、Z2:分别表示分别表示1-1和和2-2截面截面 与基准面的垂直距离与基准面的垂直距离u1、

40、u2 :分别表示流体在分别表示流体在1-1和和2-2截面处的流速截面处的流速P1、P2 :分别表示流体在分别表示流体在1-1和和2-2截面处的压强截面处的压强2021-10-13化工原理 绪论63衡算基准1-1截面2-2截面位能位能动能动能静压能静压能位能位能动能动能静压静压能能外加外加功功能量能量损失损失1kg(J/kg)1N(m)各种能量的表达式：各种能量的表达式：gz1gz2221u222u1p2pfhw1z2zgu221gu222gp1gp2HfH输入系统输入系统的能量的能量能量损失能量损失输出系统输出系统的能量的能量能量衡算式：能量衡算式：=+2021-10-13化工原理 绪论64（

41、二）稳定系统中的能量衡算（二）稳定系统中的能量衡算输入能量输入能量=输出能量输出能量+能量损失能量损失以每以每kg为为基准基准单 位单 位J/kg（1）zg单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kg；p单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J/kg ；221u单位质量流体所具有的动能，单位质量流体所具有的动能，J/kg。各项意义：各项意义：2021-10-13化工原理 绪论65将将(1)(1)式各项同除重力加速度式各项同除重力加速度g :式中各项单位为式中各项单位为mNJN/kgJ/kg z 位压头位压头gu22动压头动压头gp 静压头静压头总压头总压头压头

42、：单位重量流体所具有的能量。单位是压头：单位重量流体所具有的能量。单位是m2021-10-13化工原理 绪论66221211221122fppzuHzuHgggg WHg ffhHg 其中其中He外加压头或有效压头，外加压头或有效压头，m;hf压头损失，压头损失，m。以每以每N重流体为重流体为衡算基准衡算基准以每以每kg重流重流体为衡算基准体为衡算基准2021-10-13化工原理 绪论67（三）伯努利方程的讨论（三）伯努利方程的讨论 1、如没有能量损失（称理想流体）且没有外加功则：、如没有能量损失（称理想流体）且没有外加功则：2222222111upgZupgZ表明理想流体的机械能守恒，流体流

43、动的过程各种能量表明理想流体的机械能守恒，流体流动的过程各种能量可以相互转化，流体流动的过程也就是能量转化的过程。可以相互转化，流体流动的过程也就是能量转化的过程。常数22upgz2021-10-13化工原理 绪论68思考思考1122 11 2 2 如图所示问流动过程中动能、如图所示问流动过程中动能、位能、静压能如何变化？位能、静压能如何变化？动能：变小动能：变小 位能：不变位能：不变 静压能：静压能增大静压能：静压能增大动能：不变动能：不变 位能：减小位能：减小 静压能：静压能增大静压能：静压能增大2021-10-13化工原理 绪论692、实际流体，如果没有外加能量，其自发流动的方向只、实际

44、流体，如果没有外加能量，其自发流动的方向只能从能从高能量处高能量处向向低能量处低能量处流动，反之必须输入外加能量流动，反之必须输入外加能量泵的有效功率泵的有效功率NeNe ：轴功率轴功率 ：eNN轴vmqgHeqWeNe泵的效率2021-10-13化工原理 绪论703 3、若流体处于静止，、若流体处于静止，u=0，hf=0，W=0，则柏努，则柏努利方程变为利方程变为 说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表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示流体静止状态的规律 。 2211pgzpgz 2021-10-13化工原理 绪论714、伯努利方程式伯努利方程式适用于不可压缩性

45、流体。适用于不可压缩性流体。 对于可压缩性流体，当对于可压缩性流体，当 时，仍可时，仍可用该方程计算，但式中的密度用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均应以两截面的平均密度密度m代替。代替。%20121 ppp221211221122fppz guWz guh 2021-10-13化工原理 绪论72五、伯努利方程的应用五、伯努利方程的应用 管内流体的流量；管内流体的流量； 输送设备的功率；输送设备的功率； 管路中流体的压力；管路中流体的压力； 容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。利用伯努利方程与连续性方程，可以确定：利用伯努利方程与连续性方程，可以确定：2021-10-13化工原理 绪

46、论73（1 1）根据题意根据题意画出流动系统的示意图，画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，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定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围 ；1、应用注意事项、应用注意事项（2 2）选取截面）选取截面目的是目的是确定衡算范围确定衡算范围 原则：原则：1 1、与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应、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；是定态连续流动； 2 2、一律以上游为、一律以上游为1-11-1截面，下游为截面，下游为2-22-2截面；截面； 3 3、截面宜选在已知量多、计算方便处。、截面宜选在已知量多、计算方便处。

47、2021-10-13化工原理 绪论74（4 4）各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，）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。即同为绝压或同为表压。 （3 3）选取基准面）选取基准面确定确定Z Z值值1 1、必须与地面平行；、必须与地面平行； 2 2、宜于选取两截面中位置较低的截面；、宜于选取两截面中位置较低的截面； 3 3、若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过、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。管中心线的水平面。 2021-10-13化工原理 绪论752、伯努利方程式在生产中的应用、伯努利方程式在生产中的应

48、用1)确定容器间的相对位置确定容器间的相对位置2）计算流量、流速）计算流量、流速3）求泵的有效功率）求泵的有效功率4）计算用压缩气体压送液体时气体的压强）计算用压缩气体压送液体时气体的压强2021-10-13化工原理 绪论761、如图所示，水槽液面至出水管口的、如图所示，水槽液面至出水管口的垂直距离保持垂直距离保持6.2m，水管为，水管为1144mm的钢管，能量损失为的钢管，能量损失为58.8J/kg。求水的体积流量。求水的体积流量。例例解解:取取 为为1-2截面截面取取 为为2-2截面截面取取 为基准水为基准水平面平面在在1-1和和2-2截面间列式截面间列式:1 12 26.2m水管出口处水

49、管出口处 水槽液面水槽液面水管出口中心线所水管出口中心线所 在的水平面在的水平面2021-10-13化工原理 绪论77 式中：式中：Z1=6.2m ， Z2=0 ； u1=0 ； P1=P2=0(表压表压) ； hf=58.8J/kg 代入上式：代入上式： 解得解得u2=2.01m/s qv= u2A2=2.01 =0.0177 m3/s =63.9 m3/h8 .58281. 92 . 622u2106. 042021-10-13化工原理 绪论782、有一个二氧化碳水洗塔的供水系统（如图所示），水洗、有一个二氧化碳水洗塔的供水系统（如图所示），水洗塔内绝对压强为塔内绝对压强为2100KPa，

50、贮槽水面绝对压强为，贮槽水面绝对压强为300kPa，塔内水管与喷头连接处高于贮槽水面塔内水管与喷头连接处高于贮槽水面20m，管路为，管路为572.5mm钢管，送水量为钢管，送水量为15m3/h，塔内水管与喷头连接，塔内水管与喷头连接处的绝对压强为处的绝对压强为2250KPa，设能量损失为，设能量损失为49J/Kg，求水泵，求水泵的有效功率。的有效功率。图二解：取水槽水面为解：取水槽水面为1-1截面，截面，取塔内水管与喷头连接处为取塔内水管与喷头连接处为2-2截面，截面，基准面与基准面与1-1截面重合，截面重合，2021-10-13化工原理 绪论79式中：式中：z z1 1=0=0，z z2 2

51、=20m=20m；P P1 1=300KPa=3=300KPa=310105 5PaPa，P P2 2=2250KPa=2.25=2250KPa=2.2510106 6PaPa，=1000kg/m=1000kg/m3 3；u u1 1=0, u=0, u2 2= = m/s hf=49J/Kg 将以上数值代入伯努利方程式中：将以上数值代入伯努利方程式中：fehPugzWPugz2222121122在在1-11-1，和和2-22-2，截面间列伯努利方程式：截面间列伯努利方程式：97. 1052. 04360015422dqv49297. 110001025. 281. 9201000103265

52、eW2021-10-13化工原理 绪论80解得：解得：We=2197J/KgNe=Weqm=We qv = 2197 3600151000= 9154W = 9.15 KW2021-10-13化工原理 绪论81 第三节第三节 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力221211221122fppzuHzuHgggg 1、阻力的表示法：、阻力的表示法：(1) :单位质量流体产生的阻力损失单位质量流体产生的阻力损失(J/kg).fh(2) :单位重量流体产生的阻力损失单位重量流体产生的阻力损失(J/N=m).fH(3) :单位体积流体产生的阻力损失单位体积流体产生的阻力损失(J/m3=Pa).fp

53、一、一、流体阻力的来源流体阻力的来源pgppguuzzHf212221212)(2021-10-13化工原理 绪论82注意：注意：压力损失压力损失 是流体流动能量损失的一种表是流体流动能量损失的一种表示形式，与两截面间的压力差示形式，与两截面间的压力差 意义不同，意义不同，只有当管路为水平、管径不变且无外功加入时，二只有当管路为水平、管径不变且无外功加入时，二者才相等者才相等 。fp)(21ppp2021-10-13化工原理 绪论832、 流体阻力的表现流体阻力的表现 如图所示实验如图所示实验hh1h2第一步：关闭阀门第一步：关闭阀门现象：现象：h=h1=h21 2 ghp根据：根据：h1=h

54、2 P1=P2根据伯努利方程式根据伯努利方程式pgppguuzzHf212221212)(结论一：静止流体没有阻力结论一：静止流体没有阻力=02021-10-13化工原理 绪论842、 流体阻力的表现流体阻力的表现 如图所示实验如图所示实验hh1h2第二步：打开阀门第二步：打开阀门现象：现象：hh1h21 2 ghp根据：根据：h1h2 P1P2根据伯努利方程式根据伯努利方程式pgppguuzzHf212221212)(结论二：只要流动就有阻力结论二：只要流动就有阻力02021-10-13化工原理 绪论852、 流体阻力的表现流体阻力的表现 如图所示实验如图所示实验hh1h2第三步：开大阀门，

55、流速增大第三步：开大阀门，流速增大1 2 现象：现象：h1-h2 根据伯努利方程式根据伯努利方程式pgppHf21结论三：流速越大，阻力越大结论三：流速越大，阻力越大 流体的流动阻力表现为静压能的减少；流体的流动阻力表现为静压能的减少； 水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。 说明说明 P1-P22021-10-13化工原理 绪论863、 流体阻力的来源流体阻力的来源 液体对固体壁液体对固体壁面有附着力面有附着力液体之间有吸液体之间有吸引力引力液 体 分液 体 分层运动层运动层 与 层 之层 与 层 之间 的 作 用间 的 作 用力 称

56、 内 摩力 称 内 摩擦力擦力1）内摩擦力：）内摩擦力：2）产生阻力的原因？）产生阻力的原因？1、内摩擦力是产生阻力的根本原因。也称第一位原因（内因）、内摩擦力是产生阻力的根本原因。也称第一位原因（内因）2、流动状态是产生流动阻力的第二位原因。、流动状态是产生流动阻力的第二位原因。3、管路情况对阻力大小也有影响、管路情况对阻力大小也有影响.(外因外因)2021-10-13化工原理 绪论87二、流体的粘度二、流体的粘度 （动力粘度）（动力粘度） 1.1.粘性：流体具有内摩擦力的性质称粘性粘性：流体具有内摩擦力的性质称粘性. . 2 2、粘度：衡量粘性大小的物理量。用符号、粘度：衡量粘性大小的物理

57、量。用符号 表示。表示。 越大，表明流体的流动性越差，在相同的流动越大，表明流体的流动性越差，在相同的流动情况下，流动阻力越大情况下，流动阻力越大3. 3. 粘度的单位粘度的单位SISI制：制：Pas Pas 或或 kg/(mkg/(ms)s)物理制：物理制：cP(cP(厘泊）厘泊）换算关系换算关系1cP1cP1010-3-3 Pas Pas2021-10-13化工原理 绪论884.4.运动粘度运动粘度 粘度粘度与密度与密度之比。之比。 m2/s5、影响粘度的因素：温度和压强、影响粘度的因素：温度和压强(极小极小,一般可忽略一般可忽略)液体液体 :)(Tf T 气体气体 : 一般一般)(Tf

58、T 超高压超高压),(Tpf p 2021-10-13化工原理 绪论89三、流体流动类型与雷诺准数三、流体流动类型与雷诺准数 1、流体、流体 的流动类型（两种）的流动类型（两种）雷诺实验雷诺实验2021-10-13化工原理 绪论90A图：流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条直图：流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向线。表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动，各层之间没有质点的迁移。作直线运动，各层之间没有质点的迁移。B图：当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，有图：当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，有色细流便出现

59、波动而成波浪形细线，并且不规则地波色细流便出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；动； C图：速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水图：速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了呈现均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著地变化。显著地变化。 2021-10-13化工原理 绪论91 层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直层流（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；线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合； 湍流（或紊流）湍流（或紊流） ：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，：

60、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，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质点互相碰撞和混合。影响流型的因素：影响流型的因素：管径（管径（d) m流速（流速（u) m/s密度密度粘度粘度3/)(mkgspa.)(越大越势于湍流越大越势于湍流越小越势于湍流越小越势于湍流 udRe 2021-10-13化工原理 绪论922、雷诺准数雷诺准数 单位为单位为1的数群称准数的数群称准数 这数群称为这数群称为雷诺准数或雷诺雷诺准数或雷诺准数准数用用ReRe表示。表示。 udRe 3、流型判据：、流型判据：Re2000时，流动