化工原理钟秦第二版

第一章流体(liútǐ)流动精品资料本章主要(zhǔyào)内容

1.1流体静力学基本方程式

1.2流体流动的基本方程式

1.3管内流体流动现象

1.4流体流动的阻力损失

1.5流体输送管路的计算

1.6流速和流量(liúliàng)的测量

1.7非牛顿流体的流动精品资料1.1流体(liútǐ)静力学基本方程式1.1.1流体(liútǐ)密度1.1.2流体(liútǐ)静压强1.1.3流体(liútǐ)静力学基本方程式1.1.4流体(liútǐ)静力学基本方程式的应用精品资料1.1.1流体(liútǐ)的密度一、定义(dìngyì)表达式不可压缩流体精品资料二、液体(yètǐ)的密度1.纯液体(yètǐ)2.

混合液体组分浓度以质量分率x表示精品资料三、气体(qìtǐ)的密度可压缩流体(liútǐ)1.

理想气体2.

实际气体查手册、换算

理想气体3.

混合气体精品资料精品资料第一章流体输送(shūsònɡ)第一次课流体静力学方程81.1.2流体(liútǐ)静压强一、静压强二、静压强的单位

1atm=1.013105

Pa=10.33mH2O=760mmHg

1at=9.81104

Pa=10mH2O=735mmHg三、静压强的表示方法绝对压强（ata）：以绝对真空为基准量得的压强；表压强（atg）：以大气压强为基准量得的压强。精品资料精品资料第一章流体输送(shūsònɡ)第一次课流体静力学方程10实质：静止流体内部(nèibù)压强的变化规律。1.1.3流体静力学基本方程式精品资料重点讨论：1.方程应用条件：静止，连续，同一流体;2.同一高度处静压力相等;3.压强差的大小可以用一定高度的液体柱表示但必须注明(zhùmínɡ)流体的名称。精品资料4.gz—单位(dānwèi)质量流体所具有的位能;p/ρ—单位(dānwèi)质量流体所具有的静压能。精品资料1.1.4流体静力学基本(jīběn)方程式的应用一、压强(yāqiáng)与压强(yāqiáng)差的测量（pA+ρgzA）﹣（pB+ρgzB）=Rg（ρA﹣ρ）两测压口等高

pA﹣pB=（ρA﹣ρ）gR

1．U

形压差计精品资料2．微差压差(yāchà)计（1）两种指示液密度相接近(jiējìn)且不互溶。

（2）U形管的两侧臂顶端各装有扩大室，扩大室内径与U形管内径之比应大于10。p1﹣p2=（ρA﹣ρC）gR

精品资料二、液面的测量(cèliáng)远距离液面计装置(zhuāngzhì)1－调节阀；2－鼓泡观察器瓶；3－U管压差计；4－通气管；5－贮罐。pa≈pb

pa=ρgh

pb=ρAgR

精品资料三、液封高度(gāodù)的确定如何控制炉内的压强不超过(chāoguò)规定的数值?液封管插入液面下的深度h

：精品资料1.2流体流动(liúdòng)的基本方程

1.2.1流量与流速一、流量1.定义2.表示体积(tǐjī)流量:Vs,m3/s质量流量:ws,kg/s3.两者之间的关系精品资料二、流速(liúsù)

定义平均(píngjūn)流速体积流速u：m/s质量流速G:kg/（m2·s）流量与流速关系ws=Vsρ=uAρ精品资料三、管径的确定(quèdìng)圆整例：Vs=0.02m3/s,u=1.5m/s,求d=?1.计算方法精品资料1.2.2稳定(wěndìng)流动与

不稳定(wěndìng)流动精品资料1.2.3连续性方程(fāngchéng)ws=u1A1ρ1=u2A2ρ2=…=uAρ=常数(chángshù)Vs=u1A1=u2A2=…=uA=常数

管内不同截面流速之比与其相应管径的平方成反比若流体不可压缩，ρ=常数

精品资料1.2.4伯努利方程(fāngchéng)一、伯努利方程的推导(tuīdǎo)二、伯努利方程的讨论三、伯努利方程的应用精品资料二、伯努利方程(fāngchéng)的讨论应用伯努利方程(fāngchéng)的条件流体静止，u=0，方程(fāngchéng)变为流体静力学基本方程(fāngchéng)方程(fāngchéng)中每一项均表示一项能量理想流体的伯努利方程(fāngchéng)实际流体的伯努利方程(fāngchéng)可压缩流体，若管道两截面间压力差很小，伯努利方程(fāngchéng)可用，但注意：1）平均密度；2）绝对压强7.伯努利方程(fāngchéng)有不同的形式精品资料7.伯努利方程的不同形式(1)单位重量(zhòngliàng)流体为基准：z1：位压头(yātóu)u12/2g:动压头(yātóu)p/ρg：静压头(yātóu)J/N精品资料(2)单位质量(zhìliàng)流体为基准We——输送机械对流体做功而使单位(dānwèi)质量流体获得的能量,（J/kg）；——单位质量流体从1-1截面到2-2截面损失的能量（J/kg）J/kg精品资料(3)单位体积流体(liútǐ)为计算基准J/m3精品资料三、伯努利方程(fāngchéng)的应用1.根据题意绘流程示意图，标明流体流动方向；2.确定衡算范围，选取上、下游截面，原则：（1）两截面应与流体流动方向垂直（2）两截面之间流体必须是连续的；（3）截面上已知条件最充分，截面上和截面间包含未知量。3.选基准面，基准面必须与地面平行，若衡算系统为水平管道，则基准面应通过管道中心线；4.各物理量单位一致，两截面上压强表示(biǎoshì)方法一致。精品资料1.3管内流体流动(liúdòng)现象1.3.1黏度(niándù)一、牛顿黏性定律

μ——比例系数，称黏性系数或动力粘度，简称黏度精品资料二、黏度(niándù)1.表达式:2.单位(dānwèi):物理单位制单位：P精品资料注意(zhùyì)：物理意义：促使流体流动产生单位速度(sùdù)梯度时剪应力的大小黏度与速度(sùdù)梯度相联系，只有在运动时才显现出来黏度是流体物理性质之一，其值由实验测定精品资料第一章流体输送(shūsònɡ)第四次课管内流体流动现象31雷

诺

实

验1.3.2流动(liúdòng)类型与雷诺准数精品资料雷诺准数：影响因素:管径、流速、粘度(zhāndù)、密度物理(wùlǐ)意义:Re=惯性力/黏性力无因次精品资料1.流动(liúdòng)类型流动类型层流(cénɡliú)湍流流型的判定雷诺数判定1.3.3

层流与湍流精品资料流动类型：层流和湍流雷诺指出(zhǐchū)：（1）当Re≤2000时，出现层流区，层流是稳定的。（2）当2000＜Re＜4000时，有时出现层流，有时出现湍流，决定于外界的扰动，此为过渡区。（3）当Re≥4000时，出现湍流区。精品资料2.层流与湍流(tuānliú)的区别流体(liútǐ)内部质点的运动方式流体(liútǐ)在圆管内的速度分布流体(liútǐ)在直管内的流动阻力精品资料(1)流体内部质点的运动(yùndòng)方式质点的速度(sùdù)脉动曲线精品资料(2)流体在圆管内的速度(sùdù)分布层流:速度沿管径按抛物线规律分布平均速度(pínɡjūnsùdù)u等于管中心处最大速度umax的0.5倍。精品资料湍流:速度分布曲线顶部(dǐnɡbù)区域比较平均，Re数值愈大，曲线顶部(dǐnɡbù)的区域就愈平坦;湍流主体与层流底层之间存在着过渡层;Re>4000精品资料(3)直管流动(liúdòng)阻力层流(cénɡliú)：内摩擦力湍流：内摩擦力+流体质点的脉动牛顿型流体精品资料1.3.4边界层的概念(gàiniàn)边界层的形成(xíngchéng)与发展边界层分离局部阻力损失产生原因

精品资料边界层的形成(xíngchéng)与发展 流速降至未受边壁影响流速的99%以内的区域为边界(biānjiè)区，边界(biānjiè)层是边界(biānjiè)影响所及的区域。特点：可能层流可能湍流，由Re判定精品资料流体在圆形直管进口(jìnkǒu)段的流动１.边界层厚度为管子半径(bànjìng)Ｒ；２.边界层在管中心汇合前，若为层流，则管内流动为层流；若为湍流，则管内流动为湍流。d精品资料3.边界层分离(fēnlí)A

驻点(zhùdiǎn)B减压加速u=0p最大减速加压u最大

p最小C分离点u=0p最大精品资料流道的急剧(jíjù)变化必造成逆压强梯度;逆压强梯度使流体边界层分离;边界层分离造成大量旋涡，大大增加机 械能消耗。精品资料1.4流体(liútǐ)流动的阻力损失直管阻力(zǔlì)：或沿程阻力(zǔlì)流经直管产生的阻力(zǔlì)局部阻力：流经管件、阀门及进出口时，由于受到局部障碍 所产生的阻力总能量损失：两种阻力引起能量损失之总和。精品资料1.4.1层流时直管阻力(zǔlì)损失计算流体柱的推动力（p1-p2）πr2剪应力稳定流动(liúdòng)，推动力与阻力大小相等，方向相反（p1﹣p2）π

r2=﹣2π

rl

精品资料……哈根—泊谡叶公式(gōngshì)积分(jīfēn)的边界条件为当r=0时ur=umax当r=R时ur=0精品资料由伯努利方程(fāngchéng)可知，流体的能量损失为令

—范宁公式(gōngshì)—摩擦系数

精品资料绝对粗糙度：管壁粗糙部分的平均(píngjūn)高度。相对粗糙度/d：1.4.2湍流(tuānliú)时的直管阻力一、管壁粗糙度的影响精品资料材料与加工精度；光滑管：玻璃管，铜管等；粗糙管：钢管、铸铁管等。使用(shǐyòng)时间；绝对粗糙度可查表或相关手册。粗糙度的产生(chǎnshēng)精品资料管壁(ɡuǎnbì)粗糙度的影响

层流(cénɡliú)时湍流时决定于层流底层厚度δb与ε的大小ε对λ无影响精品资料二、湍流(tuānliú)时摩擦系数1.实验(shíyàn)研究方法2.因次分析法（1）找出主要影响因素（2）因次一致性原理（3）白金汉定理（4）因次分析（5）幂函数逼近（6）因次归并，得出无因次数群精品资料3.准数意义(yìyì)：4.湍流直管阻力损失(sǔnshī)公式：精品资料摩擦系数、雷诺数和粗糙度的关系(guānxì)层流区：λ=64/Re，与管壁(ɡuǎnbì)粗糙度无关湍流区：λ=f（ε/d

，

Re）ε/d一定：

Re增加，

λ减小Re一定：ε/d增加，

λ增大完全湍流区（阻力平方区）：λ=f（ε/d），对指定管路hf=λ（l/d）（u2/2），即阻力与流速平方成正比。精品资料三、非圆形管道内的流动(liúdòng)阻力当量直径de=4A/∏A—流通截面积（m2）；∏—润湿周边(m)。圆管道与套管(tàoɡuǎn)的当量直径分别为：**非圆形管道内层流流动时,λ=C/ReC为常数,无因次,由管道截面形状查表获得。精品资料1.4.3局部阻力损失(sǔnshī)计算一、产生(chǎnshēng)原因精品资料1.阻力系数(xìshù)法：2.当量长度法：二、计算方法精品资料阻力系数精品资料当量长度精品资料注意：在计算局部阻力损失时，公式中的流速(liúsù)u一般为截面积较小的管中的平均流速(liúsù)。3.管道(guǎndào)总阻力或精品资料1.管路(ɡuǎnlù)类型（1）简单(jiǎndān)管路：（2）复杂管路：并联管路、分支管路由直径相同或不同的管路串联组成的单一管线。1.4.4管路阻力对流动的影响

精品资料1—2，ζ↑

hfA-B↑

u↓u

？pA？阀门(fámén)由全开转为半开

pB？1—A，u↓hf1-A↓pA↑B—2，hfB-2↓pB↓1.4.4管路(ɡuǎnlù)阻力对流动的影响

1.简单管路(ɡuǎnlù)精品资料结论(jiélùn)：（1）任何局部阻力(zǔlì)系数的增加将使管内各 处的流速下降；（2）下游阻力(zǔlì)增大将使上游压强上升；（3）上游阻力(zǔlì)增大将使下游压强下降。精品资料0—2，hf0-2，u2，p0阀A关小，p0？u0？p2？u2？u3？0—3，p0

，u31—0，p0

，u0↑↓↑↑↑↑↓2.分支(fēnzhī)管路精品资料支管阀门关小，该支管流量下降;其它(qítā)支管流量增加，总管流量减小。结论(jiélùn)：精品资料注意两种极端(jíduān)情况：总管阻力可以忽略，以支管阻力为主：关小阀A仅使该支管的流量发生变化，而对支管B的流量几乎没有(méiyǒu)影响。城市供水、煤气管线的铺设应尽可能属于这种情况。总管阻力为主，支管阻力可以忽略：总管中的总流量将不因支管情况而变。阀A的启闭不影响总流量仅改变了各支管间的流量分配。精品资料3.汇合(huìhé)管路阀门(fámén)全开→关小2.阀门继续关小至一定程度，使u2降至零；

↓1.u1与u23.继续关小，u2将作反向流动。精品资料1.5.1简单(jiǎndān)管路1.简单计算型2.操作(cāozuò)型计算3.设计型计算

1.5流体输送管路的计算

1.5.2复杂管路精品资料一、简单(jiǎndān)管路

类型已知条件求计算目的

一般型ρ、μ、u、l+le、d、Vs∑hf确定输入功率

操作型ρ、μ、u、l+le、d、∑hfVs核算流量

设计型ρ、μ、u、l+le、Vs、∑hfD选择管径精品资料一、并联(bìnglián)管路Vs=Vs1+Vs2+Vs3

hf1=hf2=hf3=hfAB1.5.2复杂(fùzá)管路精品资料二、分支(fēnzhī)管路VsA=VSB+VSC