化工原理PPT流体流动

1、化工厂中，管路纵横排列，与各种类型的设备连接，完成着流体输送的任务。化工厂中，管路纵横排列，与各种类型的设备连接，完成着流体输送的任务。2上海石油化工厂3牡丹江石化4青岛石化5第一章第一章流体流动流体流动 流体的基本概念流体的基本概念 静力学方程及其应用静力学方程及其应用 机械能衡算式及柏努机械能衡算式及柏努 利方程利方程 流体流动的现象流体流动的现象 流动阻力的计算、管路计算流动阻力的计算、管路计算 流体流体是指具有流动性的物体，包括是指具有流动性的物体，包括液体液体和和气体气体。 流体输送操作是化工生产中应用流体输送操作是化工生产中应用最普遍的最普遍的单元操作单元操作。流体流动是其它化工过

2、程的流体流动是其它化工过程的基础基础。 在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集团所组成的团所组成的连续介质连续介质 。流体力学流体力学 ：流体静力学流体静力学和和流体动力学流体动力学 8流体的分类和特性流体的分类和特性流体有多种分类方法：流体有多种分类方法： （1）按）按状态状态分为分为气体、液体气体、液体和和超临界流体超临界流体等；等； （2）按）按可压缩性可压缩性分为分为不可压流体不可压流体和和可压缩流体可压缩流体； （3）按）按是否可忽略分子之间作用力是否可忽略分子之间作用力分为分为理想流体理想流体与与粘粘 性流体性流体（或（或实际流体实

3、际流体）；）； （4）按）按流变特性流变特性可分为可分为牛顿型流体牛顿型流体和和非牛倾型流体非牛倾型流体； 流体区别于固体的主要特征是具有流体区别于固体的主要特征是具有流动性流动性，其形状随容器形状而变，其形状随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一了流体力学原理研究的复杂内容之一不可压缩流体不可压缩流体：流体的体积不随压力及温度变化：流体的体积不随压力及温度变化可压缩流体可压缩流体： 流体的体积随压力及温度变化流体的体积随压力及温度变化实际流体都是可压缩的实际流体都是可压

4、缩的一般一般，液体液体可看成是可看成是不可压缩不可压缩的流体的流体 气体气体可看成是可看成是可压缩可压缩流体流体第一节第一节 流体静力学流体静力学 流体静力学流体静力学主要研究主要研究流体流体静止静止时其时其内部内部压强变化压强变化的规律。描述这一规律的的规律。描述这一规律的数学表达式，称为数学表达式，称为流体静力学基本方程流体静力学基本方程式式。先介绍有关概念。先介绍有关概念。一、流体的压力一、流体的压力压强压强流体垂直作用于单位面积上的力称为流流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的压强，工程上体的压强，工程上习惯习惯称为流体的称为流体的压力压力。在在SI中，中，压强的单位压强的单位是是帕斯

5、卡帕斯卡（N/m2），以，以Pa表表示。但习惯上还采用其它单位，它们之间的换算示。但习惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：关系为：1atm=1.033 kgf/cm2 (at)=760mmHg=10.33mH2O =1.0133 bar =1.0133105Pa =101.33kPa（1） 定义和单位定义和单位工程上常用工程上常用兆帕兆帕作压强的计量单位：作压强的计量单位：1MPa=106Pa（2） 压强的基准压强的基准 压强有不同的计量基准：压强有不同的计量基准：绝对压强绝对压强、表压强表压强、真真空度空度。 绝对压强绝对压强 以绝对真空（零压）作起点计算的以绝对真空（零压）作起点计算

6、的压强，是流体的真实压强。压强，是流体的真实压强。 表压强表压强压强表压强表上的读数，表示被测流体的绝对上的读数，表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，即压强比大气压强高出的数值，即: 表压强绝对压强大气压强表压强绝对压强大气压强 真空度真空度 真空表真空表上的读数，表示被测流体的绝对上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，即压强低于大气压强的数值，即:真空度大气压强绝对压强真空度大气压强绝对压强绝对真空绝对真空大气压大气压绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力表压表压真空度真空度p1p2图图1-1 绝对压力、表压与真空度的关系绝对压力、表压与真空度的关系绝对压力、表压与真空度的关

7、系：绝对压力、表压与真空度的关系：图图 绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系（a）测定压力测定压力大气压大气压（b）测定压力测定压力A2, We=0 ，kgJhf/3024dVS2033. 0436005sm/62. 1u1P3P4 ，而P4P5P6，这是由于流体在管内流动时，位能和静压能相互转换的结果。 5）流向的判断）流向的判断 在453mm的管路上装一文丘里管，文丘里管上游接一压强表，其读数为137.5kPa，管内水的流速u1=1.3m/s，文丘里管的喉径为10mm，文丘里管喉部一内径为15mm的玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池内水面到管中心线的垂直距离为3m，若将水

8、视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管中？若能吸入，再求每小时吸入的水量为多少m3/h？分析：判断流向比较总势能求P？柏努利方程 解：在管路上选1-1和2-2截面，并取3-3截面为基准水平面设支管中水为静止状态。在1-1截面和2-2截面间列柏努利方程： 2222121122PugZPugZ式中： mZZ321smu/3 . 11smdduu/77.19)1039(3 . 1)(222112表压）(105 .13751PaP22222112uuPP277.1923 . 11000105 .137223kgJ /08.572-2截面的总势能为 22gZP381. 908.57kgJ /65.273

9、-3截面的总势能为 00gZP 3-3截面的总势能大于2-2截面的总势能，水能被吸入管路中。 求每小时从池中吸入的水量 求管中流速u柏努利方程在池面与玻璃管出口内侧间列柏努利方程式： 0222 2223213uPgZPugZ式中： ，mZ03mZ3200u表压）(00PkgJP/08.572代入柏努利方程中 ：2381. 908.572 2usmu/436. 7 22015. 04436. 73600hVhm /728. 43 6）不稳定流动系统的计算）不稳定流动系统的计算 例：例：附图所示的开口贮槽内液面与排液管出口间的垂直距离hi为9m,贮槽内径D为3m，排液管的内径d0为0.04m，液体

10、流过该系统时的能量损失可按 240uhf 公式计算，式中u为流体在管内的流速，试求经4小时后贮槽内液面下降的高度。 分析：分析：不稳定流动系统瞬间柏努利方程微分物料衡算解：解： 在d时间内对系统作物料衡算，设F为瞬间进料率，D为瞬时出料率，dA为在d时间内的积累量， FdDddA d时间内，槽内液面下降dh，液体在管内瞬间流速为u，0FudD204dhDAd24上式变为： dhDudd22044(1) 20udhdDd 在瞬时液面1-1与管子出口内侧截面2-2间列柏努利方程式，并以截面2-2为基准水平面，得： hfPugZPugZ2222121122式中： ，hmZ 1mZ0201uuu 22

11、1PP 240uhf25 .4081. 9uh (2) 492. 0hu 将（2）式代入（1）式得： hdhdDd492. 020hdh492. 004. 032hdh11433两边积分： ；，mh9011hmhs2236004，hhdhd936004011433hhh912211433360049211433h h=5.62m 经四小时后贮槽内液面下降高度为： 95.62=3.38m 本节将讨论产生本节将讨论产生能量损失能量损失的原因的原因及及管内速度分布管内速度分布等，以便为讨论等，以便为讨论能量损失的计算能量损失的计算提供基础。提供基础。Whzzgfuupp221221212)(（一）牛

12、顿粘性定律（一）牛顿粘性定律运动着的流体内运动着的流体内部相邻两流体层间部相邻两流体层间的作用力，的作用力，称为称为流流体的体的内摩擦力内摩擦力，是，是流体粘性的表现，流体粘性的表现，又称为又称为粘滞力粘滞力或或粘性摩擦力粘性摩擦力。流体流动时的流体流动时的内摩擦内摩擦是流体是流体阻力产生的依据阻力产生的依据。 设想有设想有两块面积很大而相距很近的平板，其间充满液两块面积很大而相距很近的平板，其间充满液体，如图所示：体，如图所示：uFu=0 令下块板保持不动，上板以令下块板保持不动，上板以F力向右推动。此平行于平力向右推动。此平行于平板的切向力使平板以速度板的切向力使平板以速度u做匀速运动，做

13、匀速运动，两板间的液体于是两板间的液体于是分成无数薄层而运动。分成无数薄层而运动。紧贴于上板的流体层以同一速度紧贴于上板的流体层以同一速度u流流动，而以下各层速度逐渐降低，紧贴于下板表面的一薄层速动，而以下各层速度逐渐降低，紧贴于下板表面的一薄层速度为零。度为零。dydu牛顿粘性定律牛顿粘性定律式中：dydu速度梯度：比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为性愈大，其值愈大，称为粘性系数粘性系数或或动力粘度动力粘度，简简称称粘度粘度。 （二）（二）流体的粘度流体的粘度 1、物理意义物理意义 由牛顿粘性定律得由牛顿粘性定律得：

14、dydu物理意义物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是 与速度梯度相联系，只有在与速度梯度相联系，只有在运动运动时时才显现出来。才显现出来。物理本质：物理本质：是分子间的引力和分子的运动与碰撞。是分子间的引力和分子的运动与碰撞。2、粘度与温度、压强的关系粘度与温度、压强的关系a)液体的粘度液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度基本不随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度基本不变。变。b)气体的粘度气体的粘度随温度升高而增大，随压强增加而增随温度升高而增大，随压强增加而增加得很少，在一般的工程计算中可以忽略，只有在加得

15、很少，在一般的工程计算中可以忽略，只有在极低的压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。极低的压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。3、粘度的单位、粘度的单位在SI制中： dydu/msmmN)/(/22.N sm.Pa s在物理单位制中：(P 泊）SI单位制和物理单位制粘度单位的单位制和物理单位制粘度单位的换算关系换算关系为：为：1100010Pa scPP4、运动粘度、运动粘度v单位：单位：SI制：制：m2/s；物理单位制物理单位制：cm2/s，称为，称为斯托克斯斯托克斯，用，用St表示。表示。smcStSt/10100124（三）（三）（1）牛顿型流体牛顿型流体： 服从牛顿粘性定律的流体服从

16、牛顿粘性定律的流体称为称为牛顿型流体。牛顿型流体。实验表明实验表明：对气体及大多数低摩尔质量液体，：对气体及大多数低摩尔质量液体， 属于牛顿型流体。属于牛顿型流体。（2）非牛顿型流体非牛顿型流体 凡不遵循牛顿粘性定律的流体，称凡不遵循牛顿粘性定律的流体，称为非牛顿型流体。如血液、牙膏。为非牛顿型流体。如血液、牙膏。1.1.流体流动型态流体流动型态（1 1）雷诺实验）雷诺实验水水水平玻璃管水平玻璃管水箱水箱细管细管水水溢流堰溢流堰小瓶（密度与水相近）小瓶（密度与水相近）阀阀雷诺实验雷诺实验图（图（a a）层流）层流图（图（b b）湍流）湍流136q流速小时流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条

17、直线。，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。表明表明：水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直：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。线运动，各层之间没有质点的迁移。q当开大阀门使水当开大阀门使水流速逐渐增大流速逐渐增大到一定数值时，有色细到一定数值时，有色细流便出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；流便出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动； q速度再增速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现，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显著均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著的变化。的变化。

18、流体流动状态类型流体流动状态类型过渡流过渡流： 流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。过渡流不是一种过渡流不是一种流型流型。q湍流湍流(turbulent flow)或或紊流紊流: 当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流或紊流。流动状态称为湍流

19、或紊流。q层流层流(laminar flow)或或滞流滞流(viscous flow): 当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。筒在平行地流动。影响流体流动类型的因素影响流体流动类型的因素：流体的流体的流速流速u ；管径管径d；流体流体密度密度；流体的流体的粘度粘度。 u u、d d、越大，越大，越小，就越容易从层流转变为湍越小，就越容易从层流转变为湍流。流。上述中四个因

20、素所组成的复合数群上述中四个因素所组成的复合数群du/，是判断流体流，是判断流体流动类型的准则。动类型的准则。 这数群这数群称为称为雷诺准数或雷诺数雷诺准数或雷诺数( (Reynolds number)Reynolds number)，用用ReRe表示。表示。2 2 流型的判据流型的判据 du Re 0002233smkgsmm/skgkg/mm/smsPakg/mm/smRe ud层流（层流（Laminar Flow）：）：Re 4000；2000 Re 4000时，有时出现层流，有时出现湍流，或者是时，有时出现层流，有时出现湍流，或者是二者交替出现，为外界条件决定，称为二者交替出现，为外界

21、条件决定，称为过渡区过渡区。流型只有两种流型只有两种：层流层流和和湍流湍流。0003)()()(ReTMLTLMLMTLLdu雷诺准数的因次雷诺准数的因次 ReRe数是一个数是一个无因次数群无因次数群。3 3 雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义粘粘性性力力惯惯性性力力）（ duuudu Re质量流速质量流速单位时间通过单位截面积的动量。单位时间通过单位截面积的动量。223222mm/skgmskgmu2222mm/skgmmm/ssm/skgdu单位面积上流体粘性力单位面积上流体粘性力的大小的大小 当当Re较大时较大时，流体的惯性力大于粘性力，占主导地位，流体的惯性力大于粘性力，占主导地位，流体

22、的湍动程度大，流体流动形态为湍流；而流体的湍动程度大，流体流动形态为湍流；而当当Re较小时较小时，流体的粘性力大于惯性力，占主导地位，流体的湍动程度小流体的粘性力大于惯性力，占主导地位，流体的湍动程度小，流体流动状态为层流；即，流体流动状态为层流；即Re越大，流体湍动程度越大越大，流体湍动程度越大。图图1-16速度分布速度分布：流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。 由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。速度分布为速

23、度分布为抛物线形状抛物线形状；管中心的流速最大；管中心的流速最大；速度向管壁的方向渐减；速度向管壁的方向渐减；靠管壁的流速为零；靠管壁的流速为零；平均速度为最大速度的一半。平均速度为最大速度的一半。 实验证明实验证明：层流速度的抛物线分布规律要流过一段：层流速度的抛物线分布规律要流过一段距离后才能充分发展成抛物线的形状。距离后才能充分发展成抛物线的形状。 当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度的两倍时，当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度的两倍时，层流速度分布的抛物线规律才算完全形成。尚未形成层流抛物线规律的这层流速度分布的抛物线规律才算完全形成。尚未形成层流抛物线规

24、律的这一段，称为一段，称为层流起始段层流起始段。X X0 00.05dRe0.05dRe X0滞流边界层滞流边界层RurP1FP2ul1122 如图所示，流体在半径为如图所示，流体在半径为R R 的水平管中作稳定流动。在的水平管中作稳定流动。在流体中取一段长为流体中取一段长为 l l，半径为，半径为r r 的流体圆柱体。在水平方向的流体圆柱体。在水平方向作用于此圆柱体的力有两端的总压力作用于此圆柱体的力有两端的总压力( (P P1 1- P- P2 2) )及圆柱体周围表及圆柱体周围表面上的内摩擦力面上的内摩擦力F F。1 速度分布方程式速度分布方程式 作用于圆柱体两端的总压力分别为作用于圆柱

25、体两端的总压力分别为P1r2p1P2r2p2 式中的式中的p1、p2分别为左、右端面上的压强，分别为左、右端面上的压强，N/m2。式中的式中的负号表示负号表示流速沿半径增加的方向而减小。流速沿半径增加的方向而减小。drdu流体作层流流动时流体作层流流动时内摩擦力内摩擦力服从牛顿粘性定律，即服从牛顿粘性定律，即作用于流体圆柱体周围表面作用于流体圆柱体周围表面2rl上的内摩擦力为上的内摩擦力为 drdurlAF)2(由于流体作由于流体作等速流动等速流动，根据牛顿第二定律，这些力的合力等于零。，根据牛顿第二定律，这些力的合力等于零。故故式中式中 p 两端的压力差两端的压力差(p2p1)。 rlpdr

26、du221PPF即即（1-36）crulp24rdrdulp2利用管壁处的边界条件，利用管壁处的边界条件，rR时，时，u0 ，可得，可得24Rclp（1-37）)(224rRulp积分积分 式式(1-37)(1-37)为流体在圆管中层流时的为流体在圆管中层流时的速度分布方程速度分布方程式式。由此式可知，速度分布为。由此式可知，速度分布为抛物线形状抛物线形状。（1-37）)(224rRulp当当r =0 时，时，最大流速最大流速为：为：24maxRulp（1-38）层流的速度分布与平均速度层流的速度分布与平均速度层流时管内速度分布层流时管内速度分布)1 (22maxRruuumaxR层流时的速度

27、分布层流时的速度分布平均速度平均速度max21uu 224(2)2()pvldqudAur drrRrdr42224800()vqRr pRpvvllqdqRrdr)(224rRulpvqAuRdrruRurP1FP2l11222 流量流量max21822842uulpRRlpRRvq232dlup哈根哈根-泊謖叶方程泊謖叶方程3 平均流速平均流速（1-40）（1-41）（1-39）此式表明此式表明：在层流流动时，用以克服摩擦阻力的：在层流流动时，用以克服摩擦阻力的压力差与流速的一次方成正比。压力差与流速的一次方成正比。24maxRulp 湍流湍流：除沿轴向的运动外，在径向上还有瞬时脉：除沿轴

28、向的运动外，在径向上还有瞬时脉动，从而动，从而产生漩涡产生漩涡。uiuiui12湍流的速度分布与平均速度湍流的速度分布与平均速度其中其中n = 610，与流体的流动状态有关，与流体的流动状态有关，Re越大，越大，n 也越大也越大 。10102 . 3Re7102 . 3Re101 . 16101 . 1Re10466554 nnn时时，时时，时时，湍流时的速度分布湍流时的速度分布drruumaxnRruu1max1速度分布速度分布湍流的速度分布目前还没有理论推导，但湍流的速度分布目前还没有理论推导，但有经验公式有经验公式。1 2 速度分布有两个区域：速度分布有两个区域： 中心中心(较平坦较平坦

29、); 近管壁近管壁(速度梯度很大速度梯度很大); u壁壁=0.3 近管壁有层流底层近管壁有层流底层；4 中间为湍流区；中间为湍流区；5 u越大，层流底层越薄；越大，层流底层越薄； ；6 起始段：起始段：max82. 0uu平均8/72 .64eRddx)5040(0特点特点：湍流湍流滞流滞流流体作湍流流动时的剪应力流体作湍流流动时的剪应力dydue)(1 与流向垂直的脉动速度使得流体产生与流向垂直的脉动速度使得流体产生涡流粘性涡流粘性。 湍流流体内部产生的剪应力湍流流体内部产生的剪应力等于分子粘性（层流等于分子粘性（层流粘性）产生的剪应力粘性）产生的剪应力1和涡流产生的剪应力和涡流产生的剪应力

30、e之和，之和，即即四、四、 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体（1 1）边界层及其形成）边界层及其形成（a）u（b）u（c）u（d）u平壁上边界层的形成平壁上边界层的形成层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流底层层流底层缓冲层缓冲层 层流边界层与湍流边界层层流边界层与湍流边界层 管内边界层的形成及发展管内边界层的形成及发展L0（2 2）边界层分离）边界层分离0u倒流倒流图图1-25 边界层分离示意图边界层分离示意图旋涡旋涡ABC分离点分离点SS由上述可知：由上述可知： 流道扩大时必造成逆压强梯度；流道扩大时必造成逆压强梯度； 逆压强梯度容易造成边界层的分离；逆压强梯度容易造成边界层的分

31、离； 边界层分离造成大量边界层分离造成大量旋涡旋涡，大大，大大增加机械能消耗增加机械能消耗。 流体对球体或圆柱体的绕流会产生边界层分离现象，形流体对球体或圆柱体的绕流会产生边界层分离现象，形成旋涡，造成机械能损耗，表现为流体的成旋涡，造成机械能损耗，表现为流体的阻力损失增大阻力损失增大。这种阻力称为这种阻力称为形体阻力形体阻力。而流体沿管道流过因速度梯度产生。而流体沿管道流过因速度梯度产生剪应力所引起的流动阻力称为剪应力所引起的流动阻力称为表皮阻力表皮阻力（或（或摩擦阻力摩擦阻力）。）。 若流体所经过的流道有弯曲、有突然扩大或缩小，流体若流体所经过的流道有弯曲、有突然扩大或缩小，流体流经管件、

32、阀门等地方，同样会出现边界层分离，产生旋涡，流经管件、阀门等地方，同样会出现边界层分离，产生旋涡，引起能量损耗。故在流体输送中应设法避免或减轻边界层分引起能量损耗。故在流体输送中应设法避免或减轻边界层分离造成的阻力损失。离造成的阻力损失。但边界层分离对传热及混合，却有促进但边界层分离对传热及混合，却有促进作用，有时也要加以利用作用，有时也要加以利用。161162163164 本节是在上节讨论管内流体流动现象基本节是在上节讨论管内流体流动现象基础上，进一步讨论柏努利方程式中能量损失础上，进一步讨论柏努利方程式中能量损失的计算方法。的计算方法。 第四节第四节 流体流动的阻力流体流动的阻力 组成组成

33、：由由管、管件、阀门管、管件、阀门以及以及输送机械输送机械等组成的。等组成的。作用作用：将生产设备连接起来，担负：将生产设备连接起来，担负输送输送任务。任务。 当流体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力当流体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力而消耗能量。因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，而消耗能量。因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，必需对管、管件以及阀门有所了解。必需对管、管件以及阀门有所了解。一、管路系统一、管路系统 阀门阀门管子管子管件管件(弯头弯头)输送机械输送机械(泵泵)麦汁麦汁一级发酵罐一级发酵罐柱式供养器柱式供养器泵泵板式灭菌器板式灭菌器二级发酵罐二级发酵罐酵母分离器酵母分离

34、器搅拌式多罐型啤酒连续发酵流程图搅拌式多罐型啤酒连续发酵流程图菌种菌种啤酒啤酒酵母泥酵母泥分类分类：按按材料材料：铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等；：铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等；按按加工方法加工方法：钢管又有有缝与无缝之分；钢管又有有缝与无缝之分；按按颜色颜色：有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。表示方法表示方法：AAB B，其中，其中A A指管外径，指管外径，B B指管壁厚度，指管壁厚度，如如1081084 4即管外径为即管外径为108mm108mm，管壁厚为，管壁厚为4mm4mm。1 管子

35、管子(pipe)作用作用：改变管道方向改变管道方向(弯头弯头); 连接支管连接支管(三通三通);改变管径改变管径(变形管变形管);堵塞管道堵塞管道(管堵管堵)。螺旋接头螺旋接头卡箍接头卡箍接头弯头弯头三通三通变形管变形管管件管件：管与管的连接部件。管与管的连接部件。2 2 管件管件 (pipe fitting)(pipe fitting)v 截止阀截止阀 (globe valve) v 闸阀闸阀 (gate valve)(gate valve)v止逆阀止逆阀(check valve): (check valve): 单向阀单向阀装于管道中用以装于管道中用以开关管路开关管路或或调节流量调节流量。

36、3 阀门阀门 (Valve)(Valve)v截止阀截止阀 (globe valve)(globe valve) 特点特点：构造较复杂构造较复杂。在阀体部分液。在阀体部分液体流动方向经数次改变，体流动方向经数次改变，流动阻力较流动阻力较大大。但这种阀门。但这种阀门严密可靠严密可靠，而且，而且可较可较精确地调节流量精确地调节流量。应用应用：常用于蒸汽、压缩空气及液体输常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使用。用。结构结构：依靠阀盘的上升或下降，依靠阀盘的上升或下降，改变阀盘与阀座的距离，以达到调改变阀盘与阀座的距离，以达到调节流量的

37、目的。节流量的目的。v 闸阀闸阀 (gate valve)(gate valve)：闸板阀闸板阀特点特点：构造简单，液体阻力小，构造简单，液体阻力小，且不易为悬浮物所堵塞，故常用于且不易为悬浮物所堵塞，故常用于大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；制造、检修比较困难。制造、检修比较困难。应用应用：较大直径管道的开关较大直径管道的开关。结构结构：闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的流量。流量。v止逆阀止逆阀(check valve):(check valve): 单向阀单向阀特点特点：只允许流体单方向流动。只允许流

38、体单方向流动。应用应用：只能在单向开关的特殊情只能在单向开关的特殊情况下使用。况下使用。 结构结构：如图所示。当流体自左向右流动时，阀自动开启；如如图所示。当流体自左向右流动时，阀自动开启；如遇到有反向流动时，阀自动关闭。遇到有反向流动时，阀自动关闭。离心泵离心泵离心离心风机风机高高压压风风机机 4 输送机械输送机械(泵、风机泵、风机)能量损失能量损失：流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体层之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力，使一部分机流体层之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力，使一部分机械能转化为热能，我们把这部分机械能械能转化为热能，我们把

39、这部分机械能称为称为能量损失能量损失。能量损能量损失可以通过阻力计算求得失可以通过阻力计算求得。流动阻力流动阻力：流体在管路中的流动阻力可分为流体在管路中的流动阻力可分为直管阻力直管阻力和和局部阻力局部阻力两类。两类。二、流体在管路中的流动阻力二、流体在管路中的流动阻力两种阻力损失两种阻力损失 直管阻力损失直管阻力损失（wf）：流体流过直管造成的机械能损失）：流体流过直管造成的机械能损失称为称为直管阻力损失。直管阻力损失。 局部阻力损失局部阻力损失（wf）：流体流经管件（弯头、三通、阀）：流体流经管件（弯头、三通、阀门）造成的机械能损失门）造成的机械能损失称为称为局部阻力损失。局部阻力损失。f

40、ffwww直管阻力损失，直管阻力损失，J/kg局部阻力损失局部阻力损失, J/kgfffhhh直管压头损失，直管压头损失，m局部压头损失局部压头损失, mfffppp直管压力降，直管压力降，N/m2局部压力降，局部压力降，N/m2计算圆形直管阻力损失的通式计算圆形直管阻力损失的通式（1 1）压力降）压力降阻力损失的直观表现阻力损失的直观表现 p1 u d l1122 p2 R 流体流过水平直管时压力降流体流过水平直管时压力降ff21pwppp 因流动阻力而引起的压力降因流动阻力而引起的压力降问问:上、下截面的压力差等于上、下截面的压力差等于流体流动的阻力损失，此话流体流动的阻力损失，此话对否？

41、对否？ f22e)(2puzgwp 2)(2fudlp N/m2 或或 J/m32)(2fudlw J/kggudlh2)(2f m 或或J/N范宁公式范宁公式计算计算圆形直管阻力损失圆形直管阻力损失的通式，对层流与的通式，对层流与湍流均适用。适用湍流均适用。适用于于不可压缩流体不可压缩流体的的稳定流动。稳定流动。 注意：注意：范宁公式是在水平等径直管的前提下导出的，此范宁公式是在水平等径直管的前提下导出的，此式对倾斜或垂直放置的管路是否适用？请思考。式对倾斜或垂直放置的管路是否适用？请思考。（2 2）范宁公式范宁公式计算计算圆形直管圆形直管阻力损失的通式阻力损失的通式-摩擦因数摩擦因数三、层

42、流时的直管阻力损失三、层流时的直管阻力损失(1)(1)哈根哈根泊谡叶（泊谡叶（Poiseuille）方程）方程层流时的直管阻力计算式层流时的直管阻力计算式2Re643222udldlupf 哈根哈根- -泊谡叶方程泊谡叶方程 上式不管对水平、倾斜、垂直放置的直管均适用。上式不管对水平、倾斜、垂直放置的直管均适用。(2) (2) 层流时摩擦因数层流时摩擦因数2)(2fudlp 范宁公式：范宁公式： du64Re64 比较以上两式得比较以上两式得四、湍流时的直管阻力损失四、湍流时的直管阻力损失 由于湍流时情况复杂，流体质点的不规则运动与脉动，由于湍流时情况复杂，流体质点的不规则运动与脉动，而且流体

43、内部不断发生旋涡，剪应力比层流时大的多，此时而且流体内部不断发生旋涡，剪应力比层流时大的多，此时 不再服从粘性定律。不再服从粘性定律。 湍流时剪应力不仅与物性有关，还与流动状况有关；无湍流时剪应力不仅与物性有关，还与流动状况有关；无法象层流一样从理论上推导阻力系数的数学表达式，必须用法象层流一样从理论上推导阻力系数的数学表达式，必须用实验的方法来确定摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关联式；实验的方法来确定摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关联式；其中非常重要的方法：其中非常重要的方法：因次分析法因次分析法（基础是（基础是因次一致性原则因次一致性原则和白金汉和白金汉(Buckingham) 定理定理）

44、。）。因次分析法因次分析法又称为又称为量纲分析法。量纲分析法。 实践证明，实践证明，湍流运动时，管壁的粗糙度对湍流运动时，管壁的粗糙度对阻力、能量的损失有较大的影响。阻力、能量的损失有较大的影响。q绝对粗糙度绝对粗糙度 ： 管壁粗糙部分的平均高度。管壁粗糙部分的平均高度。q相对粗糙度相对粗糙度 /d：du因次分析法因次分析法指导实验的研究方法指导实验的研究方法湍流时的摩擦因数湍流时的摩擦因数用因次分析法得到无因次数群关系式：用因次分析法得到无因次数群关系式：将实验数据进行关联，得到各种形式的将实验数据进行关联，得到各种形式的的关联式：的关联式：（1）光滑管）光滑管 = 0 ，= （Re） 柏拉

45、修斯柏拉修斯（Blasius）公式）公式fe2f)()(ddudlaup 25.03164.0Re 适用范围适用范围：Re = 5000105光滑管。光滑管。适用范围：适用范围：Re = 3000 3 106光滑管。光滑管。 顾毓珍公式顾毓珍公式 32. 0500. 00056. 0Re 尼库拉则（尼库拉则（Nikuradse）与卡门）与卡门( (Karman) )公式公式8 . 0log21 Re（2）粗糙管）粗糙管 顾毓珍等公式顾毓珍等公式 38. 0/7543. 001227. 0Re 适用范围：适用范围：Re = 3000 3 106粗糙管（内径为粗糙管（内径为50200mm的新的新钢

46、铁管）。钢铁管）。 柯尔布鲁克柯尔布鲁克（Colebrook）公式）公式 Red35. 9log214. 11Colebrook方程是得到工程界普遍认可、适用范围广：方程是得到工程界普遍认可、适用范围广： Re = 4 103 108， /d = 5 10-2 10-6 其它计算式其它计算式摩擦因数图摩擦因数图（Friction factor chartFriction factor chart） 1944年年莫狄莫狄（Moody）根据实验数据将圆管）根据实验数据将圆管、Re 、 /d关系标绘在关系标绘在双对数坐标双对数坐标上，以便查得摩擦系数，如图所上，以便查得摩擦系数，如图所示。示。 坐标

47、：坐标： 直角坐标直角坐标: 单对数坐标单对数坐标：其中一个坐标为对数坐标，另一个为直角：其中一个坐标为对数坐标，另一个为直角坐标；坐标； 双对数坐标双对数坐标：两个坐标均为对数坐标。：两个坐标均为对数坐标。 本图为双对数坐标，本图为双对数坐标，纵轴纵轴为摩擦系数，为摩擦系数，横轴横轴为雷诺数，其为雷诺数，其刻度按坐标的对数值标绘的，坐标上的刻度即为刻度按坐标的对数值标绘的，坐标上的刻度即为、Re的真实的真实值；其中曲线体现的是对数关系。值；其中曲线体现的是对数关系。 0.050.040.030.020.0150.010.0060.0040.0020.0010.00060.00020.0004

48、0.00010.00005湍流区（图中红色虚线上方为完全湍流区）湍流区（图中红色虚线上方为完全湍流区）层流层流过渡区过渡区1031041051061071080.010.10摩擦因数摩擦因数 雷诺准数雷诺准数Re相对粗糙度相对粗糙度d/24 624 624 624 624 60.0080.020.030.040.050.060.070.08光滑管光滑管图图1-27 摩擦因数摩擦因数与与Re 、 /d的关系曲线的关系曲线对摩擦因数图应掌握好对摩擦因数图应掌握好“二线三区二线三区” （1） Re2000为为层流区层流区，与与/d无关，无关，log随随logRe直线直线下降，其斜率为下降，其斜率为-

49、1。此区内，说明。此区内，说明阻力损失阻力损失wf与流速与流速u的一次的一次方成正比方成正比。 （2） Re=20004000为为过渡区过渡区，在此区域内，流体的流，在此区域内，流体的流型可能是层流，也可能是湍流，视外界条件而定，为安全起型可能是层流，也可能是湍流，视外界条件而定，为安全起见，对流动阻力计算，一般将见，对流动阻力计算，一般将湍流时湍流时的的 Re曲线延伸查取曲线延伸查取的值。的值。 （3） Re4000及虚线以下和光滑管及虚线以下和光滑管 Re曲线以上的区曲线以上的区域为域为湍流粗糙管区湍流粗糙管区。在这个区域内，管内流型为湍流，。在这个区域内，管内流型为湍流， = （ Re

50、， /d）。）。 /d 一定，一定， Re， ； Re一定，一定， /d ， 。 （4） Re4000时的最下面一条时的最下面一条 Re曲线为曲线为湍流光滑管湍流光滑管区区，管内流型为湍流，管内流型为湍流， 0， =（Re）。当）。当Re=5000100000时，时， =0.3164/ Re0.25。 （5） 虚线以上的区域为虚线以上的区域为完全湍流区完全湍流区， Re曲线曲线近似水近似水平平， 与与Re无关，只与无关，只与/d有关。对于一定管道，有关。对于一定管道， /d为定值，为定值， =常数，由范宁公式，可知常数，由范宁公式，可知 22f2uudlp 所以完全湍流区又称所以完全湍流区又称

51、阻力平方区阻力平方区。由图可知，。由图可知，/d ，达到阻力平方区的，达到阻力平方区的 Re 。 用摩擦因数图查用摩擦因数图查误差误差比较大比较大，而前面介绍的，而前面介绍的 计算式如果计算式如果精度高，应用范围广，则形式就复杂，如果形式简单则误差精度高，应用范围广，则形式就复杂，如果形式简单则误差就大。其中就大。其中Colebrook方程方程是得到工程界普遍认可的、精度高是得到工程界普遍认可的、精度高、适用范围广的方程，但是它是隐式方程，计算时要用、适用范围广的方程，但是它是隐式方程，计算时要用试差试差法法求解，使用很不方便。求解，使用很不方便。2004年，王勇和阮奇对他们先前提年，王勇和阮

52、奇对他们先前提出的多元非线性多项式智能拟合法（王勇，阮奇出的多元非线性多项式智能拟合法（王勇，阮奇.多元非线性多元非线性多项式智能拟合法多项式智能拟合法J.计算机与应用化学，计算机与应用化学，2004，21（1）：）：157-162.）稍加改进，将智能拟合法应用于拟合）稍加改进，将智能拟合法应用于拟合Colebrook方方程解的结果，得到：程解的结果，得到：005. 040344. 08856.731176. 0306. 0 dRed 上式的适用范围与上式的适用范围与Colebrook方程一样广，可代替方程一样广，可代替Moody摩摩擦图中湍流区所有曲线，精度高。擦图中湍流区所有曲线，精度高。

53、五、非圆形管内的流动阻力计算五、非圆形管内的流动阻力计算（1 1）当量直径）当量直径de 对内径为对内径为d，长度为，长度为l圆形管路，其内部可供流体流过的圆形管路，其内部可供流体流过的体积为体积为d2l/4，其被流体润湿的内表面积为其被流体润湿的内表面积为dl，则则dddLLdd22444即四倍的流通截面积除以润湿周边即四倍的流通截面积除以润湿周边；因此；因此当量直径作类似的当量直径作类似的定义定义： 润湿周边润湿周边流通截面积流通截面积 4ed a b对于长为对于长为a，宽为，宽为b的矩形管道的矩形管道)(24ebaabd d2 d1对于外管内径为对于外管内径为d1，内管外径为，内管外径为

54、d2的的套管环隙套管环隙：21212221e)(4/ )(4ddddddd 阻力计算：阻力计算： 范宁公式仍可用，但式中及范宁公式仍可用，但式中及Re中的中的d必须以非圆形管道的必须以非圆形管道的当量直径当量直径de代替代替。即。即2)(2efudlp N/m2 或或 J/m32)(2efudlw J/kggudlh2)(2ef J/N或或m udRee 流体流经流体流经管件管件时，其速度的大小、方向等发生变化，时，其速度的大小、方向等发生变化，出现漩涡，内摩擦力增大，形成局部阻力。出现漩涡，内摩擦力增大，形成局部阻力。 局部阻力以局部阻力以湍流为主湍流为主，层流很少见，因为层流流体，层流很少

55、见，因为层流流体受阻后一般不能保持原有的流动状态。受阻后一般不能保持原有的流动状态。常见的局部阻力常见的局部阻力有：有：突扩突扩突缩突缩弯头弯头三通三通六、局部阻力损失的计算六、局部阻力损失的计算 由局部阻力引起的能耗损失的计算方法有由局部阻力引起的能耗损失的计算方法有两种：两种：阻力系数法阻力系数法和和当量长度法当量长度法。22uhf 为局部阻力系数。由实验得出，可查表或图。为局部阻力系数。由实验得出，可查表或图。1.阻力系数法阻力系数法dl u1u21122图图1-29 突然扩大突然扩大00p1p2p1p2FwFwFnFn221e)1(AA 突然扩大突然扩大e eA1/A2=0, e e=

56、 1A1/A2=0.5, e e= 0.25 突然缩小突然缩小c c图图1-30 突然缩小突然缩小u1u2缩脉缩脉0022202)1( AAc 常见局部阻力系数的求法：常见局部阻力系数的求法： 管件与阀门管件与阀门22)(122ooouuwf 管出口管出口:25 . 02)(5 . 022iiiuuwf 管入口管入口: 管出口管出口o o与管入口与管入口i iP40表表1-22.2.当量长度法当量长度法 由直管阻力和局部阻力计算式比较可得：由直管阻力和局部阻力计算式比较可得： dl 即即任一管件的局部阻力与长度为任一管件的局部阻力与长度为le的直管阻力的直管阻力大小相当大小相当，该长度，该长度

57、称为称为当量长度当量长度，用，用le表示；由此表示；由此把局部阻力转化成长度为把局部阻力转化成长度为le的直管的阻力的直管的阻力,所以局部所以局部阻力的计算也可采用当量长度法：阻力的计算也可采用当量长度法： 22eudlpf 22eudlwf gudlhf22e P40表表1-23.3.管路管路总阻力损失总阻力损失的计算的计算 管路总阻力管路总阻力包括包括直管阻力和局部阻力，而直管阻力和局部阻力，而局部阻力局部阻力则包则包括管路上所有的管件阻力之和，即：括管路上所有的管件阻力之和，即： 22udlwwwfff 222e2eudlludll fffppp fffhhh 注意注意：以上各式适用于：

58、以上各式适用于直径相同直径相同的管段或管路系统的计的管段或管路系统的计算，算，式中的式中的流速流速是指管段或管路系统的流速是指管段或管路系统的流速。由于管径相同。由于管径相同，所以流速可以按任一管截面计算。而柏努利方程中动能项，所以流速可以按任一管截面计算。而柏努利方程中动能项中的流速是指相应的衡算截面处的流速。中的流速是指相应的衡算截面处的流速。例题：例题：用泵把用泵把20的苯从地下储罐送到高位槽，流量为的苯从地下储罐送到高位槽，流量为300 l/min。高。高位槽液面比储罐液面高位槽液面比储罐液面高10m。泵吸入管路用。泵吸入管路用894mm的无缝钢管，直的无缝钢管，直管长为管长为15m，

59、管路上装有一个底阀（可粗略的按旋启式止回阀全开时计，管路上装有一个底阀（可粗略的按旋启式止回阀全开时计le=6.3m）、一个标准弯头）、一个标准弯头(le=2.7m)；泵排出管用；泵排出管用573.5mm的的无缝钢管，直管长度为无缝钢管，直管长度为50m，管路上装有一个全开的闸阀，管路上装有一个全开的闸阀(le=0.33m)、一个全开的截止阀一个全开的截止阀(le=17m)和三个标准弯头和三个标准弯头(每个弯头每个弯头le=3m)。储罐。储罐及高位槽液面上方均为大气压。设储罐液面维持恒定。试求泵的轴功率。及高位槽液面上方均为大气压。设储罐液面维持恒定。试求泵的轴功率。设泵的效率为设泵的效率为7

60、0%。（。（苯的密度为苯的密度为880kg/m3，粘度为，粘度为6.510-4Pas，管，管壁的绝对粗糙度壁的绝对粗糙度=0.3mm）1122h=10m分析：分析：求泵的轴功率求泵的轴功率柏努利方程柏努利方程Z、u、P已知已知求求hf管径不同管径不同吸入管路吸入管路排出管路排出管路ffhh范宁公式范宁公式l、d已知已知求求求求Re、/d摩擦因数图摩擦因数图当量长度当量长度阻力系数阻力系数查图查图解：解：取储罐液面为上游截面取储罐液面为上游截面1-1，高位槽液面为下游截面，高位槽液面为下游截面2-2， 并以截面并以截面1-1为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式。为基准水平面。在两截面间列柏努利