第一章 流体流动化

1、1第一章第一章 流体流动流体流动化工原理化工原理2概述概述化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动物质的三种常规聚集状态物质的三种常规聚集状态：固体、液体和气体：固体、液体和气体分子的随机热运动分子的随机热运动给分子以动能使给分子以动能使之趋于飞散之趋于飞散 分子间相互作用力分子间相互作用力以势能的作用使以势能的作用使之趋于团聚之趋于团聚 3概述概述化工原理化工原理 第一章第一章 流体流动流体流动一、一、流体流体气体及液体气体及液体二、二、流体特性流体特性1.1.流动性：抗剪抗张能力都很小流动性：抗剪抗张能力都很小 3.3.连续性：由无数流体质点组成的连续介质，只研连续性：由无数流体质点

2、组成的连续介质，只研究流体的宏观运动规律究流体的宏观运动规律 2.2.粘性粘性: :在外力作用下发生相对运动，在外力作用下发生相对运动，产生内摩擦力产生内摩擦力 4概述概述l 流体输送流体输送l测量压强、流速、测量压强、流速、 流量流量l 为强化设备提供适宜为强化设备提供适宜 的流动条件的流动条件化工原理化工原理 第一章第一章 流体流动流体流动流体流动的基本规律是化工原理的重要基础流体流动的基本规律是化工原理的重要基础 化工生产中的传热、传质过程都是化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的，设备在流体流动的情况下进行的，设备的操作效率与流体流动状况有密切的操作效率与流体流动状况有

3、密切的联系。的联系。 管路的设计、输送机械的选择及所管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算。需功率的计算。 这些测量仪表的操作原理又多以流这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的。体的静止或流动规律为依据的。 三、三、本章应用：本章应用：5)f(T 1. 1.流体的密度：流体的密度：Vm单位：单位：42333mskgf0.102g/cm10kg/m1 液体液体不可压缩流体不可压缩流体 气体气体可压缩流体可压缩流体),f(Tp 第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程1-1 1-1 流体的密度流体的密度一、基本概念一、基本概念流体流体化工原理化工原理 第一章第一章

4、流体流动流体流动6第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动|密度数据的获取密度数据的获取(1)查手册：化学工程手册查手册：化学工程手册(2)实测：比重瓶、比重计、密度仪（液体）实测：比重瓶、比重计、密度仪（液体）(3)计算：气体计算：气体7第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动技术参数技术参数 1.1.测试范围测试范围 动力粘度动力粘度 0.2-10000mPa.s 0.2-10000mPa.s 密度密度 0.65-2g/cm3 0.65-2g/cm3 温度：温度：40401001

5、00C C 2.2.再现性：再现性： 粘度：测量结果的粘度：测量结果的0.35% 0.35% 密度：密度：0.0005 g/cm3 0.0005 g/cm3 温度：温度：0.020.02C C 3.3.操作压力：大气压操作压力：大气压 4.4.最少样品量：两个样品池约最少样品量：两个样品池约 3 ml 3 ml 5.5.样品测量速度样品测量速度: 20: 20个个/ /小时小时 自动粘度密度仪自动粘度密度仪SVM3000SVM3000（奥地利安东帕公司）（奥地利安东帕公司）8 理想气体状态方程：理想气体状态方程：RTMmnRTpVRTpMVm化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动K)k

6、mol(kJ.R 3148第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程KTkmolkgMkPap-a.气体气体( (标准状态标准状态) )kmolmVTp/4 .22K,15.273kPa,3 .1013000 0004 .22RTMpMVm （理想气体在标准状态下的密度）（理想气体在标准状态下的密度）RTpMVm TTpp000 TTppM004 .229化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动ixw niiinnmxxxx1ww22w11w1 组分的质量分率。组分的质量分率。iixw niiinnmxxxx1VV2V21V1)( 化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流

7、体流动 组分的体积分率。组分的体积分率。iixV第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程b. 混合流体的密度混合流体的密度 混合液体：已知各组份的质量分率混合液体：已知各组份的质量分率 混合气体：已知各组份的体积分率混合气体：已知各组份的体积分率 ixV102. 静压强：垂直作用于单位面积上的静压力静压强：垂直作用于单位面积上的静压力APp (1)(1)单位：单位：SISI制：制： 习惯使用单位：习惯使用单位：OmH33.10at033. 1kgf/cm033. 1bar013. 1Pa10013. 1mmHg760atm1225 化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节

8、第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程(Pa)mN2/mmHg6 .735Pa10807. 9OmH10kgf/cm1at1422 11(2) (2) 计量基准：计量基准：绝对真空绝对真空( (零压零压) )化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程绝对压强绝对压强大气压大气压相对压强相对压强表压强表压强=绝对压强绝对压强大气压强大气压强真空度真空度=大气压强大气压强绝对压强绝对压强app 压强表压强表app 真空表真空表表示方法：表示方法：)kPa( 1023表表压压 )Pa( 1043真真空空度度 真空度真空度= -表压表压12化

9、工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程(3)(3)绝压、表压和真空度绝压、表压和真空度三者之间的关系三者之间的关系大气压线大气压线绝对零压线绝对零压线A大气压大气压表压强表压强绝对压强绝对压强绝对压强绝对压强 真空度真空度B13压力表真空表14化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动例例1:1:将南京操作真空度为将南京操作真空度为740 mmHg740 mmHg的真空蒸馏塔搬的真空蒸馏塔搬至兰州操作时至兰州操作时, ,若要求塔内维持相同的绝对压强若要求塔内维持相同的绝对压强, ,其其真空表读数应控制多少？南京的大气压强为真空

10、表读数应控制多少？南京的大气压强为761mmHg,761mmHg,兰州地区的大气压强为兰州地区的大气压强为640mmHg.640mmHg.例例2:2:海平面处测得的密封容器内表压为海平面处测得的密封容器内表压为5Pa,5Pa,另一容另一容器的真空度为器的真空度为5Pa5Pa。若将二容器连同压力表和真空表。若将二容器连同压力表和真空表一起移至高山一起移至高山, ,其测出的表压强和真空度会变化吗？其测出的表压强和真空度会变化吗？化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程 大气压 真空度 绝压南京 761mmHg 740mmHg 兰州 640mm

11、Hg解：21mmHg21mmHg619mmHg15第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动二、流体静力学基本方程的推导二、流体静力学基本方程的推导 流体静力学：流体静力学： 研究的实质研究的实质: 流体静力学基本方程：流体静力学基本方程： 研究流体在研究流体在外力外力作用下处于平作用下处于平衡的规律。衡的规律。描述静止流体内部压强的变描述静止流体内部压强的变化规律化规律 描述在重力作用下，静止流体内部压描述在重力作用下，静止流体内部压强的变化规律的数学表达式。强的变化规律的数学表达式。16化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体

12、流动1) 重力重力G:)( 2112ZZgpp 即：即：化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程1. 推导过程推导过程:受力受力分析分析)Z-gA(ZG 21 2) 作用于上表面积的压力作用于上表面积的压力P1 3) 作用于下底面积的压力作用于下底面积的压力P2 )ZZ(A2112gPP )( g/2112ZZAPAP ghpp 0流体静力学基本方程流体静力学基本方程 17化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动分析：分析：2) 压强具有可传递性压强具有可传递性 （巴斯噶定理）巴斯噶定理）化工原理化工原理第一章第一章 流体流

13、动流体流动 pph)h,f(pp， 0静止的静止的* *连续的同一种流体连续的同一种流体* *同一水平面同一水平面 压强处处相等压强处处相等 1)一定时一定时hgpp0 3)(液柱高度液柱高度)第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程4) 气体：若高度差不大，压强相等气体：若高度差不大，压强相等5) 适用条件：适用条件：静止的、连续的同一种流体静止的、连续的同一种流体不连续的流体，分段使用不连续的流体，分段使用18化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动例：如图例：如图, ,敞口容器内盛有油和水敞口容器内盛有油和水, ,试判断试判断 , , 及及 、 是否成立？是否成立

14、？答：答：AApp (1)(1)BBpp (2)(2)CCpp (3)(3)AAppBBppCCpp化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动( (非同一种流体非同一种流体) )( (同一种流体同一种流体) )( (同一种流体同一种流体) )第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程19化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动油油又又OH 2AApp 解：解：AApp、CCpp BCOHBCghpp2 )(2同同种种液液体体CAOHACghpp ABOHAABAghpghp2 油油化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动例：试比较上例中例：试比较上例中 的大小。

15、的大小。第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程BCOHgh2 BCOHABOHAghghp22 ABAghp油油 20化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动aa1. 压强和压强差的测量：压强和压强差的测量：(1) (1) 普通普通U U型管压差计型管压差计aapp )(1RmgpB ( ( 等压面等压面) )gZgRppBBA)(21化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程三、流体静力学基本方程的应用三、流体静力学基本方程的应用R)Z(A2gmgpB sin)(gLgRppBBA21即即：21化工原理化工原理课

16、件课件第一章第一章 流体流动流体流动当管道水平当管道水平( (=0o) )时时: :gRppBA)(21当管道垂直时：当管道垂直时：gLgRppBBA)(21gLgRppBBA)(21（=90o）（=-90o）化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 2 2 1 1 2 222 分析：分析：1)1)2) 2) 被测流体为气体，被测流体为气体，3) 3) 测表压及真空度测表压及真空度化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程gRppBA)(21 跟

17、跟U型管的直径无关型管的直径无关; gRA21 pp 表表示示表表压压强强的的大大小小时时，当当表表示示真真空空度度的的大大小小时时，当当大大气气大大气气RppRpp11跟连接管长度无关跟连接管长度无关23化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程24例例1:1:常温水在管道流过。为测常温水在管道流过。为测a a、b b两点压力差两点压力差, ,安装安装U U型压差计型压差计,R=0.1m,R=0.1m,试计算试计算a a、b b两点压力差为若干？两点压力差为若干？已知水与汞的密度分别为已知水与汞的密度分别为1000kg/m1000kg/m

18、3 3及及13600kg/m13600kg/m3 3。解：解：( 和和 等压面等压面) )1111pp gxppOHa21 2222pp 化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程gRppHg 21)(22xRgppOHb (Pa)1024. 11 . 081. 9)100013600(42 gRgRppOHHgba 方方法法一一2511pp gxppOHa21 22pp 化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程gxOH2 gxgROHHg2 Pa1024. 11 . 081. 9)1

19、00013600(42 gRgRppOHHgba gxpOH21 gRpHg 2)(2xRgpOHb 方方法法二二26化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动1) 1) 倒倒U U管压差计：管压差计：结构结构: :AA空气空气,B,B被测液被测液; ;计算计算: :)(1mRgppBa gmppBa 2gRppB 21化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程(2).(2).测小压差差压计：测小压差差压计：aa pp等等压压面面）(aa 待侧流体密度待侧流体密度27化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动例例:

20、:常温水在水平等径管内以一定的流量流过常温水在水平等径管内以一定的流量流过1-11-1 和和2-22-2 截面的压差为截面的压差为2.472kPa,2.472kPa,问采用普通问采用普通U U管水银压差管水银压差计和倒计和倒U U管压差计测量管压差计测量, ,读数读数R R分别为多少？已知水与分别为多少？已知水与汞密度为汞密度为1000kg/m1000kg/m3 3及及13600kg/m13600kg/m3 3。解：解：m020. 081. 9)100013600(10472. 2)(3212 gppROHHg化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静

21、力学基本方程U U管压差计管压差计 ( (水银水银- -水水) )倒倒U U管压差计管压差计 ( (水水- -空气空气) )m252. 081. 9100010472. 23212 gppROH282) 2) 微差压差计：微差压差计：计算计算: :测量测量: :扩张室液位均不变扩张室液位均不变gRppCA)(21化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动结构结构: :两端均有扩张室两端均有扩张室, ,且且 ; ;CA 注意：注意：CA 是两种指示液的密度差，不是指示液与被测流体是两种指示液的密度差，不是指示液与被测流体的密度差。适于更小压差的密度差。适于更小压差( (气流气流) )的测量；

22、的测量；第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程Zmaa29化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程bapp )()(212RRgOHHg (3)(3)测大压差差压计：测大压差差压计：P10:P10:例例1-41-4302.2.液位的测量：液位的测量：化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动1)普通玻璃管液位计普通玻璃管液位计 h=h2)压差法测量液位压差法测量液位第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程31化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程32化工原

23、理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程3)3)远距离液位测量。远距离液位测量。33化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动解：解：bapp gRppHgb 0例：自管口通入压缩氮气例：自管口通入压缩氮气, ,用阀用阀1 1控制气速很小控制气速很小( (通过通过吹气管吹气管4 4的流阻可忽略的流阻可忽略) )。U U管压差计管压差计3 3的读数的读数R,R,可反可反映贮罐映贮罐5 5内液位。已知指示液为水银内液位。已知指示液为水银,R=lOOmm,R=lOOmm,罐内罐内液体密度液体密度125Okg/m125Okg/m3 3, ,

24、贮罐上方与大气相通贮罐上方与大气相通, ,求求h h为若为若干。干。化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动ghppa 0m09. 112501 . 013600 RhHg第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程34化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动3.3.液封高度的计算液封高度的计算化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程(1)(1)防爆防爆g-hamaxpp计算35化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程(2)(2)防泄漏防泄漏gp-pha混合

25、冷凝器混合冷凝器36化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动生产过程中流体的输送都是在密闭的管生产过程中流体的输送都是在密闭的管道中进行的，因此研究流体在管内的流动规律道中进行的，因此研究流体在管内的流动规律是非常必要的。无论是在化工厂、制药厂、生是非常必要的。无论是在化工厂、制药厂、生物发酵工厂，管道是随处可见。要实现流体的物发酵工厂，管道是随处可见。要实现流体的输送这一单元操作，必须了解流体在管道内流输送这一单元操作，必须了解流体在管道内流动的相应规律。反映这一规律的基本关系有动的相应规律。反映这一规律的基本关系有连连续性方程式续性方程式

26、和和 Bernoullis Bernoullis 方程式方程式。37化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动38一、流量和流速一、流量和流速时时间间流流体体量量流流量量 VWss 2.2.流速流速1.1.流量流量截面积截面积时间时间流体量流体量流速流速 截截面面积积体体积积流流量量 uAVs 1)1)平均流速平均流速2)2)质量流速质量流速uAWs 截截面面积积质质量量流流量量 G AGAuVWss 体积流量体积流量质量流量质量流量/sm ,3sVkg/s ,sW单位时间内流体流过的距离单位时间内流体流过的距离化工原理化工原理第一章第一章 流

27、体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动，m/sm/s，kg/s.mkg/s.m2 239化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动40化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动例例: :以内径以内径105mm105mm钢管输送压力钢管输送压力2atm2atm、温度、温度120120的空的空气。已知空气在标态下的体积流量为气。已知空气在标态下的体积流量为630m630m3 3/h/h，求此，求此空气在管内的流速和质量流速。空气在管内的流速和质量流速。解：解：sm54.14105.0126.042 由由PVTPVT

28、方程方程: :uG sm126. 021273)120273(3600630 3 化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动s)kg/(m15.2654.14)120273(273124 .22292 ppTTVVs000 24isdVu uTTppM 004 .2241化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动3.3.管径的估算：管径的估算：化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动uAVs muVdsi,4)( 计计4.4.流速的选择：流速的选择：u u大大, ,则则d di i

29、小小, ,投资费小投资费小, ,操作费用大；操作费用大； 液体流速可取液体流速可取0.5-3m/s0.5-3m/s， 气体流速可取气体流速可取10-30m/s10-30m/s。dVsud24 u投资费投资费操作费操作费总费用总费用$42化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动例例: :某精馏塔进料量为某精馏塔进料量为50000kg/h50000kg/h，料液性质和水相，料液性质和水相近近, ,密度为密度为960kg/m960kg/m3 3，试选择进料管径。，试选择进料管径。解：解：uVdsi 4 /sm0145. 09603600500003 m 0.101 8 . 114. 3

30、0145. 04 id查附录查附录19,19,选用选用 1O81O8 4mm4mm的无缝钢管的无缝钢管, ,其内径为其内径为: : 选取选取u=l.8m/s,u=l.8m/s,可得可得: :m 0.1mm 100 24108 id核算流速核算流速, 即：即：m/s85. 11 . 014. 30145. 042 u化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动 ssWV 其中其中43化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动0u )z,y,x(f)p(u等等或或1.1.稳态流动稳态流动任一点上流速、压强等物理量均任一点上流速、压强等物理

31、量均不不随时间而变随时间而变,仅随位置而变仅随位置而变化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动二、稳态流动与非稳态流动二、稳态流动与非稳态流动44化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动2.2.非稳态流动：非稳态流动： ),z ,y,x(f)p(u 等等或或化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动45第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动对于非稳态流动：对于非稳态流动： 1 1 u uA1A1uuB1B1 2 2 u uA2A2uuB2B2 3 3 u uA3A3uuu

32、A2A2uuA3A3，u uB1B1uuB2B2uuB3B3化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动46化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动constAuAu 2211三、连续性方程三、连续性方程物料衡算物料衡算 对于稳态流动：输入量对于稳态流动：输入量= =输出量输出量 constWWss 21化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动constAuAu 222111 s1W222111 AuAu 推广到任一截面推广到任一截面: 不可压缩流体不可压缩流体 在稳态流动系统中，在稳态流动系统中，流量一定时，管路各流量一定时，管路各截面上截面上流速流速的变化规律的变化规

33、律 圆形管道圆形管道2121221ddAAuu第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动s2W 47化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动m/s 51. 0)1010(410422322 AVusm/s 15. 8)105 . 2(410422311 AVus例例: :输水管道内径为输水管道内径为:d:d1 1=2.5cm;d=2.5cm;d2 2=10cm; d=10cm; d3 3=5cm=5cm。 (1)(1)当流量为当流量为4L/s4L/s时，各管段的平均流速为若干？时，各管段的平均流速为若干？(2)(2)当流量增至当流量增至8L/s8L/s时，平均流速如何变化？时

34、，平均流速如何变化？解：解：（1 1）同理：同理：m/s 04. 23 u（2 2）流量增为原来的流量增为原来的2 2倍，则各段流速亦增加至倍，则各段流速亦增加至2 2倍，即倍，即u u1 116.3m/s16.3m/s，u u2 2=1.02m/s=1.02m/s，u u3 3=4.08m/s=4.08m/s化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动48化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动例例: :某压缩机的吸入管路直径为某压缩机的吸入管路直径为200mm200mm，压出管路直，压出管路

35、直径为径为80mm80mm，吸入管内气体压强为，吸入管内气体压强为9.739.7310104 4PaPa，温度，温度为为3030，压出管路内气体压强为，压出管路内气体压强为5.8865.88610105 5PaPa（表（表压），温度为压），温度为8080，已测得吸入管内气体平均，已测得吸入管内气体平均流速流速为为20m/s20m/s，试求压出管的流速、质量流速和压缩机的，试求压出管的流速、质量流速和压缩机的排气量（以质量流量表示）排气量（以质量流量表示） 3541m/kg12. 110013. 11073. 9302732734 .2229 s .m/kg4 .222012. 1u G2111

36、解：吸入管解：吸入管49化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动35552m/kg81. 610013. 110886. 510013. 1802732734 .2229 s .m/kg14008. 02 . 04 .22ddG G222222112m/s6 .2081. 6/140/G u222 s/kg704. 042 . 04 .22AGw211s 压出管压出管压缩机的排气量压缩机的排气量50化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动 柏努利，柏努利，.（Daniel Bernouli,

37、17001782）瑞士物理学家、数学）瑞士物理学家、数学家、医学家。他是先后获得过哲学硕士学位、医学硕士学位，并成为家、医学家。他是先后获得过哲学硕士学位、医学硕士学位，并成为外科名医并担任过解剖学教授。但在父兄熏陶下最后仍转到数理科学。外科名医并担任过解剖学教授。但在父兄熏陶下最后仍转到数理科学。柏努利成功的领域很广，除流体动力学这一主要领域外，还有天文测柏努利成功的领域很广，除流体动力学这一主要领域外，还有天文测量、引力、行星的不规则量、引力、行星的不规则. 柏努利开辟并命名了流体动力学这一学科，区分了流体静力学与柏努利开辟并命名了流体动力学这一学科，区分了流体静力学与动力学的不同概念。动

38、力学的不同概念。1738年，他发表了十年寒窗写成的年，他发表了十年寒窗写成的流体动力学流体动力学一书。他用流体的压强、密度和流速等作为描写流体运动的基本概念，一书。他用流体的压强、密度和流速等作为描写流体运动的基本概念，引人了引人了“势函数势函数”“”“势能势能”（“位势提高位势提高”）来代替单纯用）来代替单纯用“活力活力讨论，从而表述了关于理想流体稳定流动的伯努利方程，这实质上是讨论，从而表述了关于理想流体稳定流动的伯努利方程，这实质上是机械能守恒定律的另一形式。他还用分子与器壁的碰撞来解释气体压机械能守恒定律的另一形式。他还用分子与器壁的碰撞来解释气体压强，并指出，只要温度不变，气体的压强

39、总与密度成正，与体积成反强，并指出，只要温度不变，气体的压强总与密度成正，与体积成反比，用此解释了玻意耳定律。比，用此解释了玻意耳定律。51第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动四、四、柏努利方程柏努利方程能量衡算能量衡算 衡算范围：衡算范围：1-11-1 至至2-22-2 截面截面 衡算基准：衡算基准：1kg1kg不可压缩流体不可压缩流体 基准水平面：基准水平面：0-00-0 平面平面依据依据: : 输入总能量输入总能量= =输出总能量输出总能量 1. 流动系统的总能量衡算流动系统的总能量衡算 11222100Z1Z252 内能内能 U:

40、 J/kgU: J/kg； 位能位能: : 动能动能: :化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动(1) 流体在流动过程中所具有的能量流体在流动过程中所具有的能量(对于对于1kg流体流体):m kg： 位能位能 = mgZ， Jm kg： 动能动能 = mu2/2， J 静压能静压能( (压强能压强能) )m kg-V m3： , J pV 静静压压能能 pmpV mV1 kg： 位能位能 = gZ， J/kg1 kg： 动能动能 = u2/2 ， J/kg1 kg- m3 ：静压能：静压能 ,J/kg53化工原理化工原理第一章第一章 流体流

41、动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动 在右图所示的管道上开孔，装在右图所示的管道上开孔，装上一垂直于管轴的细玻璃管，管内上一垂直于管轴的细玻璃管，管内流动的液体便会在玻璃管内升起，流动的液体便会在玻璃管内升起，这就是流动着的液体具有静压强的这就是流动着的液体具有静压强的表现。表现。 在管道内取一任意截面在管道内取一任意截面 n ，该处的静压强为该处的静压强为 p ，流体要流过该，流体要流过该截面所受的总阻力即为：截面所受的总阻力即为：流动系统中流体静压能的测定流动系统中流体静压能的测定hLnnpAP 设设 1kg 流体被压过流体被压过 n 截面所经过的距离为截面所经过的距离

42、为 L（ L=v/A，v为流体为流体的比容的比容 ），则对这），则对这 1kg 流体作功为流体作功为pvAvpApALPL)/(此即为此处流体的静压能此即为此处流体的静压能流动流体的静压能流动流体的静压能54化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动(2) 外部环境对流体提供的能量外部环境对流体提供的能量(对于对于1kg流体流体): 外功外功( )( )净功或净功或有效功有效功，J/kgJ/kg；eW热量热量( )( )获得的热量获得的热量，J/kgJ/kg；eQeeQWpugzU 1211

43、121 2222221pugzU seeWWN peNN / 总能量衡算式总能量衡算式55化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动56化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动2.机械能衡算式机械能衡算式热力学第一定律热力学第一定律: : 流体受热而引起体积膨胀所作的流体受热而引起体积膨胀所作的 功功,J/kg ,J/kg 21vvpdv 式中式中 因流阻而损失的能量，因流阻而损失的能量，J/kgJ/kg fh2121vvfvv12pdv-pdv- -hQQUUUe57222222112111

44、22vpugZUQWvpugZUeeeeQWpvuZgU)(22v2v112pdv- -QUUUfhQQev2v1fpdv-hQUep2p1v2v121vdppdv)d(pv)(pvp2p1fvdp)(hQpvUefp2p12vdp2hWuZge58化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动fehpugZWpugZ2222121122化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动机械能衡算式机械能衡算式机械能机械能(E)(E) pugz 221E不可压缩流体：不可压缩流体： 比容比容或密度或密度为常数为常数pp2p1vdp59化工原理化

45、工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动 理想流体理想流体( (即即 ),),若若 , ,则：则：0fh0eWpugZpugZ22221211223. 柏努利方程式柏努利方程式60化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动4. 柏努利方程式的讨论柏努利方程式的讨论 (1) (1)理想流体理想流体( (即即 ),),若若 , ,则则：0fh0eWpugZpugZ222212112221EE 能量之间相互转换能量之间相互转换 各项不一定相等各项不一定相等 总机械能守恒总机械能守恒61例例: :理想流体稳态流

46、经异径的水平管从理想流体稳态流经异径的水平管从1-11-1 截面流至截面流至2-22-2 截面。截面。 21gZgZ pupu2221212222 2221uu 21pp 即部分静压能转化为动能即部分静压能转化为动能化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动pugZpugZ222212112262化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动例例: :理想流体在如图所示的等径管中作稳定流动时理想流体在如图所示的等径管中作稳定流动时, ,机械能将如何转换？机械能将如何转换？解：解：21ZZ 因此，部分位能转化为动能因此，部分位能转化为动能

47、 化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动21pp 22222211ugzugz pugZpugZ222212112221uu 63第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动(2)(2)实际流体实际流体 ( (黏性损耗）黏性损耗）21EE fhpugZpugZ222212112221ZZ 21uu 0 fh21pp 0 fh0eW，若无外功加入，即，若无外功加入，即 ，则，则 f1hEE2上游截面的总机械上游截面的总机械能大于下游截面的能大于下游截面的总机械能总机械能64第二节第二节 流体在管

48、内的流动流体在管内的流动化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动 无外功：无外功： fhEE2121EE 输送条件：输送条件：(3)(3)输送流体的方法输送流体的方法 用压缩空气压送液体，即提高用压缩空气压送液体，即提高p p1 1(1) P(1) P1 1 压缩空气压缩空气(2) Z(2) Z1 1 利用高位槽输送液体，即提高利用高位槽输送液体，即提高Z Z1 165第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动(3) P(3) P2 2(4) W(4) We e00通过泵、风机等输送设备向流体提供能量通过泵、风机等输送设备向流体提供能量W

49、 We e。抽送液体，即降低抽送液体，即降低p266第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动(4)(4)静止时静止时, ,021 uu0fh0eWpgZpgZ2211 ( (静力学方程）静力学方程）(5)(5)对于可压缩流体：对于可压缩流体：%20)(121 ppp2)(21m 若若 , ,则则能量表达方式能量表达方式 )-(-2112zzgpp 压强表达方式压强表达方式 若若(6) gz， ， P，22u为某一截面上流体所具有的机械能，为某一截面上流体所具有的机械能，We，hf为流体在两截面间获得或损失的能量。为流体在两截面间获得或损失的能

50、量。67(7)(7)不同基准的柏努利方程：不同基准的柏努利方程：以单位重量为基准以单位重量为基准ghgpguZgWgpguZfe 2222121122位位压压头头；Z动动压压头头；gu22静静压压头头；gp外外加加压压头头；gWHee 压压头头损损失失ghHff mNmNNJ 单单位位：化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动1N流体流体68化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动以单位体积为基准以单位体积为基准 ；力力外外加加压压强强)(eeWp 损损失失。力力降降或或压压强强力力压压强强)()(ffhpfehpugZWpug

51、Z2222121122流流体体即即kgPamNmmNmJ233 单单位位：化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动1m3流体流体69化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动五、柏努利方程式的应用五、柏努利方程式的应用fehpugZWpugZ2222121122 测定管道中流体的流量（流速）测定管道中流体的流量（流速） 确定设备之间的相对位置确定设备之间的相对位置 确定输送设备的有效功率确定输送设备的有效功率 确定管路中流体的压强确定管路中

52、流体的压强70化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动 1. 1.计算步骤计算步骤（1 1）绘制流程图，标出流向）绘制流程图，标出流向（2 2）确定上下游截面）确定上下游截面（3 3）选择基准水平面）选择基准水平面（4 4）列柏努利方程求解）列柏努利方程求解71化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动 2. 2.注意事项：注意事项：(1) (1) 截面的选取截面的选取 垂直于流动方向垂直于流动方向(2) (2) 基准水平面选取基准水平面选

53、取 v 与地面平行与地面平行 注意对应注意对应fh 连续流体连续流体v Z Z值为垂直距离值为垂直距离v 宜取低水平面宜取低水平面 已知量较多已知量较多72化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动(3)(3)物理量大小及单位：物理量大小及单位：l 大截面处的流速视为大截面处的流速视为0 0；出口管道的截面宜取管内侧出口管道的截面宜取管内侧o u u平均流速平均流速pugZpugZ2222121122o Z,P Z,P以管中心线为基准以管中心线为基准 注意计算单位注意计算单位(1kg,1m(

54、1kg,1m3 3,1N),1N)o 可用绝压或表压可用绝压或表压, ,但两截面须一致但两截面须一致73化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动例例: :求求WeWe 1200kg/m 1200kg/m3 3 P=101325Pa P=101325Pa。蒸发室压强蒸发室压强2OOmmHg(2OOmmHg(真空度真空度) )。15m, 15m, 6868 4mm,2Om4mm,2Om3 3/h, /h, 全部能损为全部能损为12OJ/kg12OJ/kg。求泵的有效功率求泵的有效功率 分析：分

55、析： 上游截面：上游截面： 下游截面：下游截面： 1-11-1，3-33-3，4-44-45-55-5，2-22-2，6-66-674化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动解：由柏努利方程：解：由柏努利方程： fehpugZWpugZ2222121122其中其中),Pa(266661013307602002表表压压 p)(0, 0,0111表压表压 puZm,152 Z3/1200mkg kgJhf/120 m/s97. 1100060436002022 AVuskgJWe/9 .246 skgVWss/67. 63600)120020( W1647 seeWWN75化工原理化工原理第

56、一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动 例例:求求Z Z 小区输水系统小区输水系统水管管径水管管径 6868 4mm,4.0m4mm,4.0m3 3/h, /h, 全部能损为全部能损为2OJ/kg(2OJ/kg(不含出口不含出口) )。求液面距管出口的垂直距离。求液面距管出口的垂直距离。分析：分析： 上游截面：上游截面：1-1 1-1 下游截面：选择管道出口的内侧为下游截面：选择管道出口的内侧为2-22-2截面截面 11 22 基准水平面：出口管轴线所在水平面基准水平面：出口管轴线所在水平面 76解：柏努利方程解：柏努利方程: :其中其中s /m382. 1

57、032. 0414. 336000 . 4d43600Vu22h2202382. 1Z81. 921Z1=2.14m d=0.068-20.004=0.032m fehpugZWpugZ2222121122)(0, )(0,0212表压表压ppZkg/J20hf0u10eW1122化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动77化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动例：例：求求p。某车间用压缩空气。某车间用压缩空气压送稀硫酸压送稀硫酸(密度密度1240kg/m3)，流量为流量为2m3/h，37373.5mm3.5mm的的无缝钢管，总能量损

58、失为无缝钢管，总能量损失为10J/kg(10J/kg(不包括出口损失不包括出口损失) )，贮，贮槽液位恒定，输送管路出口高槽液位恒定，输送管路出口高于贮槽内液面于贮槽内液面10M10M，求所需压，求所需压缩空气的压力。缩空气的压力。78化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动smu/786. 003. 043600/222 fhugZp22221 kgJ /4 .108102786. 01081. 92 Pap511034. 112404 .108 (表压表压)解：取贮槽液面为解：取贮槽液面为1-1截面，管路出口内侧为截面，管路出口内侧为2-

59、2， 在在1-1和和2-2两截面之间列柏努利方程两截面之间列柏努利方程 fhpugzpugz 222212112121mZZ10, 021 0u1 0p2 (表压表压)79第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动理想流体 0真实流体 0静止流体 0 fh小小 结结稳态流动和非稳态流动（与时间的关系）物料衡算连续性方程（Ws=常数）能量衡算伯努利方程输入的能量=输出的能量形式：能量：机械能E、外功we和能量损失 fh应用：u Ws Z, We, P流量、流速、管径估算流体在管内流动 fehEWE21 fehWpuZg 22化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动80第三节第三节 流体

60、在管内流动现象流体在管内流动现象化工原理化工原理第一章第一章 流体流动流体流动* * 本节内容提要本节内容提要 简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构，为流动阻简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构，为流动阻力的计算奠定理论基础。以滞流和湍流两种基本流型的本质力的计算奠定理论基础。以滞流和湍流两种基本流型的本质区别为主线展开讨论。区别为主线展开讨论。 * * 本节重点本节重点 （1 1） 牛顿粘性定律的表达式、适用条件；粘度的物理牛顿粘性定律的表达式、适用条件；粘度的物理 意义及不同单位之间的换算。意义及不同单位之间的换算。 （2 2） 两种流型的判据及本质区别；两种流型的判据及本质区别；Re