化学工程基础kj3ppt课件

1、 流体流动流体流动辽阳化纤厂辽阳化纤厂 第一节第一节 概述概述一、流体的特性一、流体的特性 1 1、流动性；、流动性； 2 2、没有固定形状，形状随容器而变；、没有固定形状，形状随容器而变； 3 3、流体流动、流体流动外力作用的结果；外力作用的结果； 4 4、连续性除高度真空情况）。、连续性除高度真空情况）。二、流体的宏观参数二、流体的宏观参数 能宏观测定的平均参数 研究流体质点微团）三、可压缩性流体与不可压缩性流体 可压缩性流体气体 不可压缩性流体液体四、研究内容 （1流体流动的规律 （2设备提供的能量 （3压力、流速、流量的测定流体流动的典型流程流体流动的典型流程计算内容：计算内容：流速、

2、流量、压强、管径、扬程、功率流速、流量、压强、管径、扬程、功率转子流量转子流量计计阀门阀门贮槽贮槽离心泵离心泵贮槽贮槽 第二节 流体静力学基本方程式 研究外力作用下的平衡规律 1-1 密度 一、密度 1.定义：单位体积流体所具有的质量。 = m / V kg / m32、影响因素：温度和压力（1液体 为不可压缩的流体，与压力无关，温度升高，密度降低。（2 2气体气体 为可压缩性的流体，通常压力不太高，温为可压缩性的流体，通常压力不太高，温度不太低时可按理想气体处理，否则按真实气度不太低时可按理想气体处理，否则按真实气体状态方程处理。体状态方程处理。RTMP 000TPPT 3 3、混合物密度、

3、混合物密度（1 1气体气体 RTPMmm mmmMyMyMyM 2211（2 2液体混合物密度液体混合物密度nnmaaa 22111 a 质量分率应用条件：* 混合物的体积应等于各组分单独存在时的体积之和。二、比容 单位质量的流体所具有的体积。/13kgmmV 三、相对密度与比重三、相对密度与比重1.相对密度相对密度d2.2.重度重度 1000204 OHCd/3mkgfVG 重度值重度值= =密度值密度值 ( (值相同但意义不同值相同但意义不同) ) 12 压力压力 一、定义：一、定义： 流体垂直作用于单位面积上的力。流体垂直作用于单位面积上的力。AFP 2PamN二二. . 压力的单位压力

4、的单位 1. SI 1. SI 单位单位 N/m2 N/m2 PaPa 2. 2. 工程单位工程单位 kg/m2 at mmHg kg/m2 at mmHg mmH20 mH20 mmH20 mH20 3.换算换算 1atm = 1.0133105 N/m2 = 101.3 kPa = 10330 kgf/m2 = 10.33 mH20 = 760 mmHg 1at = 1 kgf/cm2 = 10 mH20 = 735.5 mmHg = 98.1 kPa 三三. . 压力的基准及表示形式压力的基准及表示形式 1.以绝对真空为基准以绝对真空为基准 2.以当时当地压力为基准以当时当地压力为基准

5、绝对压绝对压表压表压真空度真空度绝压余压）绝压余压） 表压绝对压表压绝对压- -大气压大气压 真空度大气压真空度大气压 - - 绝对压绝对压绝对零压绝对零压大气压大气压实测压力实测压力实测压力实测压力例题：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶例题：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为真空表读数为80kPa80kPa，在天津操作时，真空，在天津操作时，真空表读数应为多少？已知兰州地区的平均大表读数应为多少？已知兰州地区的平均大气压气压85.3kPa85.3kPa，天津地区为，天津地区为101.33kPa101.33kPa。解：维持操作的正常进行，应保持相同的绝解：维持操作的正常进行，应保持相

6、同的绝对压，对压，根据兰州地区的压强条件，可求得操作时的根据兰州地区的压强条件，可求得操作时的绝对绝对压。压。 解解: : 绝压绝压= =大气压大气压 - - 真空度真空度 = 85300 = 85300 80000 = 5300Pa 80000 = 5300Pa 真空度真空度= =大气压大气压- -绝压绝压 =101330 - 5300 =96030Pa=101330 - 5300 =96030Pa1-3 流体静力学基本方程流体静力学基本方程 一一. .相对静止状态流体受力情相对静止状态流体受力情况况 上表面作用力：上表面作用力： F1= P1 AF1= P1 A下表面作用力：下表面作用力：

7、 F2= P2 AF2= P2 A重力：重力：G = G = g A (Z1 - g A (Z1 - Z2)Z2)1PG2P1Z2Z F1 + G = F2 P1 A + g A ( Z1 - Z2 ) = P2 A P2= P1 + g ( Z1 - Z2 ) 或或 P2= P0+ g ( Z1 - Z2 ) = P0+ g h 或或 1PG2P1Z2ZgPZgPZ 2211 2211PgZPgZ F1 P1 A F2 P2 AG g A( Z1 - Z2 ) 二二. . 静力学方程及巴斯葛定律静力学方程及巴斯葛定律三三. .讨论讨论1.1.流体某一深处的压力与深度和密度有关。流体某一深处的

8、压力与深度和密度有关。2.2.液面上方流体压力改变，液体内部压力随着改液面上方流体压力改变，液体内部压力随着改变且变化值相同巴斯葛定律）。变且变化值相同巴斯葛定律）。3.3.静止的、连续的同一流体内、同一水平面处各静止的、连续的同一流体内、同一水平面处各点压力相等。点压力相等。( ( 等压面等压面 ) )4.4.压力或压差可用液柱高度表示。压力或压差可用液柱高度表示。 H =H =（P2 - P0P2 - P0）/ / g ggPZgPZ 2211 P2= P0+ g h 5.可用不同液柱高度表示压力，换算关系可用不同液柱高度表示压力，换算关系为：为： H= H / 6. 静压头与位压头之和为

9、常数。静压头与位压头之和为常数。 Z 表示把单位重量流体由基准面移至表示把单位重量流体由基准面移至Z高度高度 后具有的位能。后具有的位能。gP 静压头。静压头。例例: P0 P1 P2 P1= ? P2=? 2P0P1Ph1h例题例题:1.:1.判断下面各式是否成立判断下面各式是否成立 PA=PA PB=PB PC=PC 2.细管液面高度。 1 = 800kg/m3 2 =1000kg/m3 H1= 0.7m H2= 0.6m 3.当细管水位下降多高时,槽内水将放净?油油水水1HAA2HCCBB解解: :利用等压面原理求解利用等压面原理求解 1. PA=PA PB=PB 油油水水AACC1H2

10、HBB 2. 2 g h+p0= 1 gH1+ 2 gH2+p0 3. 2 g h= 1 gH11-4 1-4 流体静力学基本方程的应用流体静力学基本方程的应用一一. .压力测定压力测定1.U1.U型管压差计型管压差计 A-A为等压面为等压面PA=PAPA= P1+ g ( H+R )PA=P2+ g R+ gH P1 - P2= R g (- )如测量气体如测量气体 0 P1 - P2= R g 一臂通大气一臂通大气?H RAAP1 P22. 微差压差计微差压差计 放大读数放大读数 P1 P2 a R b 特点：特点：（1 1内装两种密度相内装两种密度相近且不互溶的指示近且不互溶的指示剂；剂

11、；（2 2U U型管两臂各装型管两臂各装扩大室水库）。扩大室水库）。P1-P2=P1-P2=（a- a- b bRgRgR3.倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计1R R1=R/sin R= R1 sin 例题：用普通例题：用普通U U型管压差计测量气体管路上两点压型管压差计测量气体管路上两点压差，指示液为水，读数差，指示液为水，读数R R为为1.2cm1.2cm，为扩大读数，为扩大读数 改为微差计，一指示液密度为改为微差计，一指示液密度为920kg/m3920kg/m3，另一，另一 指示液密度为指示液密度为850kg/m3850kg/m3，读数可放大多少倍？，读数可放大多少倍？ 解：解： （水水-

12、- 气气gR =gR =（ 1- 1- 2 2gR gR 21 水水RRmm171850920100012 新读数为原读数的新读数为原读数的171/1214.3倍倍例题：常温水在管道中流动，用双例题：常温水在管道中流动，用双U U型管测两型管测两点压差，指示液为汞，其高度差为点压差，指示液为汞，其高度差为100mmHg100mmHg，计算两处压力差如图：计算两处压力差如图： P1= P1 P2= P2Pa= P1+水水 g xP1= 汞汞 g R+ P2Pb = 水水 g x +水水 g R + P2Pa- Pb= R g ( 汞汞 - 水水 ) = 0.19.81(13600 -1000)

13、= 1.24 103 Pa22R 111bax二二. .液位的测量液位的测量 R例题：远距离测液位装置如下，例题：远距离测液位装置如下，U U型管指示液型管指示液为汞，高度差为汞，高度差100mm,100mm,料液密度为料液密度为1250kg/m31250kg/m3，求贮槽内料液深。求贮槽内料液深。 PA= PBPA= gh + P0PB= Hg g R+P0 h = 13600 0.1 / 1250 如接另一稍短如接另一稍短X米米的管子可测料液的的管子可测料液的密度密度? ABRh三.液封 气体气体R真空表真空表气气气气水水RRp pp p知：抽真空装置的真空表读数为知：抽真空装置的真空表读

14、数为80kPa80kPa，求气压，求气压管中水上升的高度。管中水上升的高度。P0= P + g RP为装置内的绝对压为装置内的绝对压 P0 RgPPR 0mR15. 881. 910008000 P = P0 - 真空度真空度第三节：管内流体流动的基本方程第三节：管内流体流动的基本方程1-5 流量与流速流量与流速一一.流量流量1.体积流量体积流量 VSm3/s2.质量流量质量流量 G = VS kg/s 二二.流速流速1.平均流速平均流速 u = V / A m / s 2.质量流速质量流速 W= G /A= ukg/m2.s 3.管径管径 uVdS 4 液体液体: 0.53m/s 气体：气体

15、：1030m/s # 管径应进行园整管径应进行园整例例: :安装一根输水量为安装一根输水量为30m3/h30m3/h的管道的管道, ,试选择合试选择合适的管道。适的管道。 查书中附录查书中附录20 (P323) (2)普通无缝钢管普通无缝钢管 外径外径 = 89mm 壁厚壁厚 = 4mm即即 894的管子的管子内径为内径为 d = 81mm = 0.081m实际流速为实际流速为: uVdS 4 8 . 14/14. 33600/30 mmm77077. 0 解：选择管内水的经验流速解：选择管内水的经验流速u = 1.8m/ss/m62. 1)081. 0(785. 03600/30u2 1-6

16、 稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动一一.稳定流动稳定流动流体流动过程中，在任意截面，流流体流动过程中，在任意截面，流体的参数不随时间改变。体的参数不随时间改变。二二.不稳定流动不稳定流动流体流动过程中，在任意截面流体流动过程中，在任意截面,流体的任一参数随时间而改变。流体的任一参数随时间而改变。AB 1 2 1 2 G1 = G2 G =V = u A u1 A1 1= u2 A2 2=常数对于不可压缩性流体,密度可视为不变 u1 A1= u2 A2 u1 /u2 = (d2/d1)2 1-7 1-7 连续性方程连续性方程 1 2 3D1= 2.5cm D2=10cmD3= 5cm(1

17、)当流量为当流量为4升升/秒时秒时,各段流各段流速速?(2)当流量为当流量为8升升/秒时秒时,各段流各段流速速?22112)(dduu 2)1005 . 2(785. 0004. 0 AVu 1sm/15. 8 2)105 . 2(15. 8 sm /51. 0 例题例题: :如下图的变径管路如下图的变径管路 1 2 3D1=2.5cm D2=10cmD3=5cm(1)当流量为当流量为4升升/秒时秒时,各段流各段流速速?(2)当流量为当流量为8升升/秒时秒时,各段流各段流速速? 2.04 m/s V = 2V u = 2u u1 = 2u u1= 16.3m/s23113)(dduu 例题例题

18、: :如下图的变径管路例题如下图的变径管路例题: : 1-8 柏努力方程# 稳定流动，单位时稳定流动，单位时间，间， 质量为质量为M的流体的流体 截面截面1截面截面2位能：流体因处于地球位能：流体因处于地球重力场中而具有能量，重力场中而具有能量，其值等于把质量为其值等于把质量为M M的的流体由基准水平面升举流体由基准水平面升举到某高度到某高度Z Z所做的功。所做的功。位能位能 = =力力间隔间隔= m g Z= m g Z单位质量流体的位能：单位质量流体的位能： m g Z / m = g Zm g Z / m = g Z J/kg J/kg 1Z2Z12一一. .柏努力方程柏努力方程3. 静

19、压能：静压能：将流体压入流体某截将流体压入流体某截面对抗前方流体的压面对抗前方流体的压力所做的功。力所做的功。静压能静压能=力力间隔间隔 2.动能：流体因运动而动能：流体因运动而具有的能量。具有的能量。 动能动能 = mu2/2每公斤流体的动能为每公斤流体的动能为: # # 截面在基准面之上，位能值为正，在基准截面在基准面之上，位能值为正，在基准面之下其值为负。面之下其值为负。 2/2122ummu /kgJ一公斤流体的静压能为一公斤流体的静压能为 PA.V/A /m = P/ J/kg 当流体为理想流体时，两界面上的上述三种当流体为理想流体时，两界面上的上述三种能量之和相等。即：能量之和相等

20、。即： 2222222111uPgZuPgZ 各截面上的三种能量之和为常数各截面上的三种能量之和为常数 柏努力方程柏努力方程二二. . 柏努利方程讨论柏努利方程讨论1.柏努利方程表示理想流体在管道内作稳定流动柏努利方程表示理想流体在管道内作稳定流动,无外加能量无外加能量,在任一截面上单位质量流体所具有在任一截面上单位质量流体所具有的位能、动能、静压能称为机械能之和为的位能、动能、静压能称为机械能之和为常数，称为总机械能，各种形式的机械能可互常数，称为总机械能，各种形式的机械能可互相转换。相转换。2.各项机械能的单位皆为各项机械能的单位皆为J/kg。3.当当P1-P2）/ P2 20%,密度用平

21、均值密度用平均值,不稳定系不稳定系统的瞬间亦可用。统的瞬间亦可用。4.流体静止流体静止,此方程即为静力学方程此方程即为静力学方程; 各项单位为各项单位为m m：表示单位重量流体具有的机械：表示单位重量流体具有的机械能能, ,相当把单位重量流体升举的高度。相当把单位重量流体升举的高度。 各项称为压头。各项称为压头。gPguZgPguZ 2222121122 2uPgZ2uPgZ22222111 5.亦可用单位重量和单位体积流体为基准亦可用单位重量和单位体积流体为基准:1-9 实际流体的机械能衡算实际流体的机械能衡算 H H 扬程；扬程； Z2- Z1Z2- Z1升杨高度；升杨高度； 压力差压力差

22、压力降压力降 ( (* *何时两者相等何时两者相等) )f22222111h2uPgZW2uPgZ fHgugPZHgugPZ 2222222111 能量的转换能量的转换连通变径管连通变径管 h2h1h3h4二二. .柏努利方程的应用柏努利方程的应用解题要点解题要点1.1.作图并确定能量衡算作图并确定能量衡算范围范围; ;2.2.截面的选取；截面的选取；(1)(1)截面应与流体的流动截面应与流体的流动方向垂直；方向垂直；(2)(2)两截面之间的流体是两截面之间的流体是连续的；所求未知量连续的；所求未知量应在截面上或截面之应在截面上或截面之间；间； 12m5 . 1m16例题：如图，碱液例题：如

23、图，碱液(d=1.1)(d=1.1)，塔内压力为，塔内压力为0.3atm,0.3atm,管径管径60603.5, 3.5, 送液量送液量25T/h,25T/h,能量损失为能量损失为29.43J/kg, 29.43J/kg, 求外界输送的能量。求外界输送的能量。 Z1=1.5m, Z2=16m P1 (表表) = 0 P2= 0.3atm = 0.3101330pa u1= 0 hf = 29.43J/kg 16m1.5mVS=W/ =25000 / 3600 / 1100 = 0.0063 m3/su2 =Vs/A =0.0063/(0.7850.0532) =0.86m/sZ1+ We=Z2

24、+P2/+u22/2+hf =203 J / kg 例题例题: :泵进口管泵进口管89893.53.5，出口管径，出口管径76762.52.5流速流速1.5 m/s1.5 m/s，压力，压力0.2 kg f 0.2 kg f /cm2(/cm2(表表),),能量损失能量损失40 J/kg40 J/kg，密度，密度1100 kg/m3, 1100 kg/m3, 求外加的能量。求外加的能量。 Z1= 0 Z2= 7m P 1= 0P2= 0.298100 Pau1= 0 hf = 40 J/kgu2 = u0 ( d0 / d2 )2 =1.5 ( 82 / 71 )2 =2 m/s m712fh

25、uPgZWe 22222 kgJ /128 例例: :管内流体流速为管内流体流速为0.5m/s,0.5m/s,压头损失压头损失1.2m,1.2m,求高位求高位槽的液面应比塔入口高出多少米槽的液面应比塔入口高出多少米? ? 1 Z 2 P1= P2 = 0 (表表)u1= 0 u2= 0.5 m/sZ1= Z Z2=0Z1= u22/ 2g + Hf = 0.52/ (29.81) +1.2 =1.21m1. A阀不开阀不开 ,求求A处的表压强处的表压强; 2. 阀开阀开,求求A处的流处的流速速,(阻力不计阻力不计); 3. A阀开阀开,流量为零流量为零,压力计读数压力计读数?解解:1. PA=

26、 P +g H P =Hg g R = 13600 9.8176/1000 =10133Pa (真空度真空度) PA= -10133+1000 9.81 2 = 9487 Pa(表压表压) P 1m76mmHg 1mA2. 根据柏努力方程根据柏努力方程 Z1=1+1=2m Z2=0 P1 = - 10133 Pa P0=0 u1= 0 hf = 0 29.81 - 10133 / 1000 = u22/ 2 u2 = 4.35 m/s3. u2 = 0 2 9.81 P x /1000 = 0 P x = 19620 Pa 19620 / 101330 760 = 147mmHg通风管道通风管

27、道, ,直径自直径自300mm300mm缩至缩至200mm,200mm,粗管、细管表粗管、细管表压分别为压分别为12001200、800Pa800Pa，求空气的体积流量。，求空气的体积流量。已知空气温度为已知空气温度为20 20 ，当地气压为，当地气压为101.33101.33千帕。千帕。 解解: 400 /1200 = 33%本题是粗略估算本题是粗略估算,可按不可压缩流体计算。可按不可压缩流体计算。 hf = 0 W = 0 Z1=Z2 P1 =1200Pa P2 = 800Pa )20273(31. 83 .101)10002/()8001200( 29 m =1.22 kg / m322

28、. 1800222. 1120022221 uusmu/71.121 1214udV 21212)(dduu 21)2 .03 .0(u hmVh/32343 125. 2u 第四节第四节 管内流体流动现象管内流体流动现象一一. .牛顿粘性定律牛顿粘性定律1.1.粘性粘性: :流体在流动中产流体在流动中产生内摩擦力的性质生内摩擦力的性质, ,粘粘性是能量损失的原因。性是能量损失的原因。实验：实验： 内摩擦力内摩擦力F剪应力：单位面积上剪应力：单位面积上的内摩擦力的内摩擦力）。）。= F/Adu/dydu/dr） 速度梯度速度梯度速度沿法线上的变化率。速度沿法线上的变化率。 duu uduu u

29、110 110 粘度粘度 剪切力剪切力 ：单位面积上的内摩擦力：单位面积上的内摩擦力. ：粘度系数：粘度系数动力粘度动力粘度粘度。粘度。 粘度的物理意义：粘度的物理意义： 当速度梯度为当速度梯度为1时，单位面积上产生的时，单位面积上产生的内摩擦内摩擦力的大小。力的大小。 粘度的单位粘度的单位dyduAF drdu 或或msmmN/2 2mNssPa 牛顿粘性定律牛顿粘性定律cm/s/cmcm/dyn2 p1cp100 samPcp 113. 运动粘度运动粘度 =/单位单位: SIm2/s : SIm2/s cgscm2/s cgscm2/s 斯托克斯斯托克斯4. 4. 影响粘度的因素影响粘度的

30、因素: :温度温度: : 液体液体温度温度，粘度下降，粘度下降； 气体气体温度温度，粘度，粘度。压力：液体压力：液体受压力影响很小；受压力影响很小； 气体气体压力压力，粘度，粘度；但只有在压力极高或极低时有影响。但只有在压力极高或极低时有影响。 二二. . 流体的动量传递流体的动量传递 三三.非牛顿性流体非牛顿性流体 不符合牛顿粘性定律的流体为非牛顿性流体。不符合牛顿粘性定律的流体为非牛顿性流体。 如油等高粘度的流体。如油等高粘度的流体。dyuddyud)()( dyud)(: 动动量量梯梯度度动量质量动量质量速度速度mu单位体积流体的动量单位体积流体的动量mu/V=u1-11 1-11 流体

31、流动类型与雷诺准数流体流动类型与雷诺准数影响因素影响因素: :管径、流速、粘度、密度管径、流速、粘度、密度一一. .实验实验1.1.层流层流( (滞流滞流) )过渡流过渡流2.2.湍流湍流( (紊流紊流) )二二. .雷诺值雷诺值ReRe 无因次数群准数 三.流动类型的判断 1.层流 Re 2000 2.湍流 Re 4000 四. 流体流动的相似原理 相似原理：当管径不同，雷诺数相同，流体边界形状相似，则流体流动状态也相同。 du Re 为研究操作过程的能量损失为研究操作过程的能量损失, ,问问: :实验设备中实验设备中空气流速应为多少空气流速应为多少? ?解解: : Re1 = Re2 Re

32、1 = Re222221111 udud 12212112 dduu例例: :操作条件操作条件:D1 :D1 ，1atm 1atm ，8080，u1=2.5m/s ,u1=2.5m/s ,空气，空气， 实验条件实验条件: D2 = 1/10 D1 : D2 = 1/10 D1 ，1atm 1atm ， 20 20 。 20 : 2= 0.018Pa.s 80 : 1= 0.025 Pa.s837. 0025. 0018. 012 smu/4 .17837. 02 . 11211 . 015 . 22 112212RTMPRTMP 21TT 2.1 1.012 dd例题例题: :内径内径25mm

33、25mm的水管的水管, ,水流速为水流速为1m/s,1m/s,水温水温2020度度, , 求求:1.:1.水的流动类型水的流动类型; ; 2. 2.当水的流动类型为层流时的最大流速当水的流动类型为层流时的最大流速? ?解：解：1. 20 =1cP = 998.2kg/m3 du Re max2000duRe. 2smu/08. 0max 001. 02 .9981025. 0 25000 001. 02 .998025. 0max u2000 112 流体在园管内的速度分布流体在园管内的速度分布 F1=r 2 P1 F2 = r 2 P2 F = F1 - F2 = ( P1-P2 ) r 2

34、 =Pr 2 =F/A 剪切力剪应力强度）剪切力剪应力强度） F =A=drduA 21PPFdrdurL)2( 一一.层流时的速度分布层流时的速度分布1. 速度分布曲线速度分布曲线Rr2.最大、最小速度最大、最小速度 dv = 2r dr u 积分得：积分得： Ldrdu 2Pr rLpRV 84 LrRPu 4)(22 rRudrLdu2Pr00min uRrLRpur 402max Rdrr 3.3.流量流量4.4.平均流速平均流速2RVu 228RLpR LpR 82 LpRLpRuu 4822max 21 max5 . 0 uu 层流速度分布曲线层流速度分布曲线 rumaxu5.哈根

35、哈根泊素叶方程泊素叶方程哈根哈根泊素叶方程：泊素叶方程： 表示流体层流流动时用以克服表示流体层流流动时用以克服摩擦阻力摩擦阻力的压力差，与速度的一次方成正比。的压力差，与速度的一次方成正比。LpRu 82 232dLup Rd2 Lpd 8)2(2 二二. . 流体在园管中湍流流动时的速度分布流体在园管中湍流流动时的速度分布1. 管中心部分速度为最大速度管中心部分速度为最大速度umax。 点速度点速度: = umax ( 1- r / R )1/72. 层流底层层流底层管壁处为层流。速度大，湍流程管壁处为层流。速度大，湍流程度大，层流底层薄；粘度大，层流底层厚。度大，层流底层薄；粘度大，层流底

36、层厚。3. 平均速度约为最大速度的平均速度约为最大速度的0.82倍倍湍流流动的速度分布曲线湍流流动的速度分布曲线rumaxu 第二节第二节 流体流动阻力流体流动阻力1.对于同一直管，不管水平或垂直放置对于同一直管，不管水平或垂直放置,所测能所测能 量损失相等。量损失相等。2.只有水平放置的直管只有水平放置的直管,能量损失等于两截面的能量损失等于两截面的 压能之差。压能之差。fhpgZpgZ )()(2211 ppphf 211-14 流体在直管中的流动阻力流体在直管中的流动阻力对于等径直管柏努力方程为对于等径直管柏努力方程为115 层流的摩擦阻力层流的摩擦阻力由哈根泊素叶方程得由哈根泊素叶方程

37、得 摩迪摩擦系数摩迪摩擦系数 f 范宁系数范宁系数 = 4f 232dLuphf uudLd22322 2Re642udL 22udL Re64 2642udLdu 116 湍流的摩擦阻力湍流的摩擦阻力一一.管壁粗糙度的影响管壁粗糙度的影响 1.绝对粗糙度绝对粗糙度 ： 管壁突出部分的平均高度。管壁突出部分的平均高度。2.2.相对粗糙度：相对粗糙度：绝对粗糙度与管径的比值绝对粗糙度与管径的比值/d /d 。二二. 量纲分析法量纲分析法 量纲分析法的基础量纲分析法的基础量纲的一致性。量纲的一致性。 即：每个物理方程式的两边不仅数值相等，且即：每个物理方程式的两边不仅数值相等，且量纲也必需相等。量

38、纲也必需相等。量纲为量纲为1：量纲指数为零的量。：量纲指数为零的量。 定理：当某现象的物理量数为定理：当某现象的物理量数为n个，这些物个，这些物理量的基本量纲数为理量的基本量纲数为m个，则该物理现象可用个，则该物理现象可用N（n-m个独立的量纲为个独立的量纲为1的量之间的关系的量之间的关系式表示，即可用式表示，即可用N（n-m个准数表示。个准数表示。用量纲分析法确定湍流时摩擦阻力中的准数用量纲分析法确定湍流时摩擦阻力中的准数物理量：压力降物理量：压力降P、管径、管径d、管长、管长l、流速、流速u、 密度密度、粘度、粘度、粗糙度、粗糙度 P = fd、l、u、）量纲分别为：量纲分别为： = MT

39、 1 L1 基本量纲：基本量纲： M、T、L （三个基本量纲）（三个基本量纲） 准数个数：准数个数：N = 7 3 = 4 P =M T -2 L-1 d = L l = L u = LT-1=L= M L-3幂函数形式：幂函数形式： P = K d a l b ucd e f M L-1 T -2 = L a L b （LT -1c（ M L3d （ MT 1 L1 ）e Lf 整理得：整理得： M L-1 T -2 = M d+eL a+b-c-3d-e+fT c-e 根据量纲一致性根据量纲一致性 M ：d + e = 1 L ：a + b - c - 3d e + f = -1 T ：-

40、 c - e = - 2幂函数形式：幂函数形式： P = K d a l b ucd e f M ：d + e = 1 (1) L ：a + b + c - 3d e + f = -1 (2) T ：- c - e = - 2 (3)由由(1)得得 d =1- e (4) 由由(3)得得 c = 2 - e (5) 将将(4)、(5)带入带入(2) 得得 a = - b -e f (6)将结果带入原幂函数得将结果带入原幂函数得:P = K d -b-e-f l b u2-e1-e e fP = K d -b-e-f l b u2-e1-eef变换为准数式变换为准数式(将指数相同的物理量合并将指

41、数相同的物理量合并):febddudlKup)()()(2 欧欧拉拉准准数数 2upEu 雷雷诺诺准准数数 )(Re du1, blp成成正正比比与与 febddudlKup)()()(2 )2)()(Re,22udldKpe )2)()(Re,2udldphef )d(Re, 22udLhf 三三. .湍流时的摩擦系数湍流时的摩擦系数p38p381. 1. 层流层流:=64/Re:=64/Re 与相对粗糙度无关。与相对粗糙度无关。2. 2. 过渡区不稳定过渡区不稳定3. 3. 湍流区湍流区与与ReRe、/d/d有关。有关。4. 4. 完全湍流区完全湍流区阻力平方区；阻力平方区；与与ReRe无

42、关。无关。22udLhf 117 非圆形管道内的流动阻力非圆形管道内的流动阻力当量直径当量直径 de = 4 A / A流通截面积流通截面积m2）；）；润湿周边润湿周边(m)。圆形管道与套管的当量直径分别为：圆形管道与套管的当量直径分别为： ddde 244 dDdDde 44422dD d *非圆形管道内层流流动时非圆形管道内层流流动时,= C / ReC为常数为常数,无因次无因次,由管道截面形状查表获得。由管道截面形状查表获得。例题：有正方形管道、宽为高三倍的长方形管道例题：有正方形管道、宽为高三倍的长方形管道和圆形管道，截面积皆为和圆形管道，截面积皆为0.48m2，分别求它们的，分别求它

43、们的润湿周边和当量直径。润湿周边和当量直径。解：解：(1)正方形管道正方形管道 边长：边长： a = 0.481/2= 0.692 润湿周边：润湿周边： = 4d = 40.692 = 2.77m 当量直径：当量直径： de = 4A / = 40.48 / 2.77 = 0.693m（2长方形管道短边长长方形管道短边长a： 3 a . a = 0.48 m边长边长: a = 0.4m润湿周边：润湿周边： = 2 (a + 3a) = 3.2m当量直径：当量直径： de = 40.48 /3.2= 0.6m (3) 圆形管道圆形管道 直径直径: d2= 0.48 d = 0.78m 润湿周边：

44、润湿周边： =d =3.140.78 = 2.45 当量直径：当量直径： de = d = 0.78mde长方形长方形(0.6) de正方形正方形(0.693) hf正方形正方形 hf 园形园形 118 管路的局部阻力管路的局部阻力一一. .局部阻力系数法局部阻力系数法将克服阻力消耗的能量表示成流体动能的倍数。将克服阻力消耗的能量表示成流体动能的倍数。 h f =u2/2h f =u2/21.1.扩大与缩小的阻力系数扩大与缩小的阻力系数 扩大：扩大： 221)/1(AA 21AA缩小：查表缩小：查表 2.进口与出口进口与出口 容器容器管道管道 A1/A2 0 = 0.5 221)A/A1(5

45、. 0 12AA管道管道容器容器 A1 / A20 = 1 流体由管道直接排放至管外大空间，管出口流体由管道直接排放至管外大空间，管出口内侧截面上的压强可取为与管外空间相同。截面内侧截面上的压强可取为与管外空间相同。截面取在内侧，出口损失不计，动能不为零；截面选取在内侧，出口损失不计，动能不为零；截面选在外侧，截面上的动能为零，但出口损失不计。在外侧，截面上的动能为零，但出口损失不计。 两种结果相同。两种结果相同。 3. 管件与阀门管件与阀门 由手册查取由手册查取 Le 当量长度，表示由管件引起的局部阻力损当量长度，表示由管件引起的局部阻力损失。相当于流过一段直径相同，长度为失。相当于流过一段

46、直径相同，长度为Le的直管的直管所损失的能量，其值可查共线图和列线图。所损失的能量，其值可查共线图和列线图。管路阻力计算的应用管路阻力计算的应用:乌氏粘度计测粘度的原理乌氏粘度计测粘度的原理22udLehf 二二. .当量长度法当量长度法1-19 流体在管内流动的总阻力损失计算流体在管内流动的总阻力损失计算然扩大和缩小分别为然扩大和缩小分别为40、20、50m,管径分别管径分别为为573.5，1084，573.5，求：所需外，求：所需外加能量。加能量。(/d = 0.001） A例题：例题： 常温水由贮罐用泵送入塔内，水流量为常温水由贮罐用泵送入塔内，水流量为20m3/h，塔内压力为，塔内压力

47、为196.2 kpa表压），表压），AB，BC，CD，管长包括当量长度，不包括突，管长包括当量长度，不包括突15m12B CD解：求各段速度解：求各段速度 A21785. 0dV 21 . 0785. 03600/20 BCu205. 0785. 03600/20 12uAB= uCD= 2.83 m/s= 0.71 m/sDCB 2.求能量损失：求能量损失： (1) (1) 槽面至管的能量损失槽面至管的能量损失 hf = 0.5 u2AB/2hf = 0.5 u2AB/2 = 2.0 J/kg = 2.0 J/kg(2) AB(2) AB直管段直管段 =1cp =1cp L+ Le = 40

48、 L+ Le = 40Re = d u/= 1.42Re = d u/= 1.42105105查得查得= 0.0215= 0.0215 A22,ABABfudLLeh = 68.9 J/kg21BCD 2.求能量损失：求能量损失： (3) B端扩大端扩大h B =(1-AA/AB)2. u2AB/2 =2.25 (4) BC管段管段 Re = 71000 = 0.0235 hBC = 1.185J/kg(5) C点缩小点缩小AC /AD =(0.05/0.1)2 =0.25查得查得= 0.33hC =1.32J/kg A12BCD 2.求能量损失：求能量损失： (6) CD 管段管段 h AB

49、 =86.1J/kg (7) D 点入口点入口 =1 hD =4 J/kg (8) 总能量损失总能量损失 hf=165.7J/kg (9) 外加能量外加能量 W= 159.81+196. 2 1000/1000+ 165.7 = 509 J/kg A12BCD例题例题 有一段内径为有一段内径为100mm100mm的管道，管长的管道，管长16m16m，其，其中有两个中有两个9090度弯头，管道摩擦系数为度弯头，管道摩擦系数为0.0250.025，若，若拆拆除这两个弯头，管道长度不变，两端总压头不变，除这两个弯头，管道长度不变，两端总压头不变，管道中流量能增加的百分数。管道中流量能增加的百分数。

50、解：弯头拆除前解：弯头拆除前 900900弯头弯头=0.75=0.752)2(21udLhf 2)1 .016025.0(22uhf 2)75. 021 . 016025. 0(2u 25 . 52u 2422u 弯头拆除后弯头拆除后原总压头差原总压头差E1=现总压头差现总压头差 E2E1=(Z1+P1/g+ u2/2g)- (Z2+P2/g+ u2/2g) = 5.5u2/2E2=(Z1+P1/g+ u22/2g)- (Z2+P2/g+ u22/2g) =4u2 2/2 E1+W=hf1 E2+W=hf2 hf1 =hf2 即即 5.5u2/2=4u2 2/2 (u2/u) 2=5.5/4 V 2/V= （u2/u)=(5.5/4)1/2 =1.17 *流量增加了流量增加了17%第六节第六节 管路计算管路计算1 - 20 简单管路简单管路一、简单管路计算一、简单管路计算1.已知已知L、d、V，求，求hf ;2.知知hf、L、d，求，求u或或V 22322Re Lhdf 22udLhf 试差法：试差法：