流体流动的资料

流体流动的资料第1页/共89页2第一章流体流动第2页/共89页3第一节流体静力学（FluidStatics）1-1-1流体的密度1-1-2流体的压强1-1-3流体静力学基本方程式1-1-4流体静力学基本方程式的应用第3页/共89页41-1-1流体的密度(Density)单位体积流体所具有的质量一、定义其体积几乎不随压力变化，通常视为不可压缩(Incompressible)流体，ρ=f(T),纯液体的密度可由实验测定或从手册中查取。a液体b气体可压缩，必须标明其状态(T、P）。纯气体的密度一般可计算得到或从手册中查取。第一节流体静力学第4页/共89页5计算：压力不太高温度不太低时，可看作理想气体查取：查得的一般是标态下的密度,需换算成操作条件二、混合物密度a混合气体

可用平均摩尔质量Mm代替上式中的My——混合物中各组分的摩尔分率第一节流体静力学第5页/共89页6四、相对密度b混合液体

假设混合前后体积不变，有：XW——混合物中各组分的质量分率三、比容（比体积）[无因次]φ——气体混合物中各组分的体积分率或者，查得ρ1，ρ2…，根据混合前后质量不变，有：第一节流体静力学第6页/共89页71-1-2流体的压强（Pressure）[Pa]一、定义单位换算（记住！）1atm=1.013×105pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2

垂直作用于流体单位面积上的压力，工程上一般称压力。1at=1kgf/cm2第一节流体静力学第7页/共89页8（真空度为表压的负值）二、压强的表示方法以绝对真空为基准——绝对压强，压强的实际数值以大气压强为基准表压=绝压-大气压真空度=大气压-绝压注意：①大气压随海拔高度、温度和湿度而变；②绝压不必标注，表压和真空度必须注明。第一节流体静力学第8页/共89页9绝对真空大气压绝对压力真空度绝对压力表压绝压、表压、真空度的关系第一节流体静力学第9页/共89页101-1-3流体静力学基本方程式重力：

作用于上底之压力：

作用于下底之压力：一、推导

流体静力学研究流体静止时其内部压强变化的规律。压力形式能量形式第一节流体静力学第10页/共89页11（4）压力具有传递性，（1）适用条件：重力场中静止、连续的同种不可压缩流体（压力变化不大的可压缩流体，取平均密度）二、讨论液面上方：（2）物理意义：重力场中同一种静止流体不同高度上的静压能和位能各不相同，但总势能保持不变（3）

等压面：压强只于垂直位置有关，同一水平面上各点的压强相等（解题要领是正确确定等压面）第一节流体静力学第11页/共89页121-1-4流体静力学基本方程式的应用一、测量压强差与压强（Measuringpressuredifferences）

对指示液要求：与被测流体不互溶，不起化学反应；密度大于被测流体。1、普通U管压差计（U-tubemanometer）

∵第一节流体静力学第12页/共89页13（2）若将U形管一端与被测点连接，另一端与大气相通，此时测得的是流体的表压或真空度。（1）若被测流体是气体，则上式可简化为

推论：表压真空度第一节流体静力学第13页/共89页142、倒U形压差计

若被测流体为液体，也可选用密度比其小的流体（一般为空气）作指示剂。

第一节流体静力学第14页/共89页153、微差压差计a密度接近但不互溶的两种指示液A和C，b扩大室内径与U管内径之比应大于10第一节流体静力学第15页/共89页16例题：用U管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸汽压，U型管压差计的指示液为水银，两U型管的连接管内充满水。已知水银面与基准面的垂直距离分别为h1=2.3m,h2=1.2m,h3=2.5m,h4=1.4m,h5=3m，大气压强pa=745mmHg。试求锅炉上方水蒸汽的压强P0。第一节流体静力学第16页/共89页17二、液位测量（Measuringtheheightofliquid）1.近距离液位测量装置

2中所装的液体与1中相同2中液面维持在容器液面允许到达的最高位置第一节流体静力学第17页/共89页182.远距离液位测量装置

1-调节阀2-鼓泡观察器4-吹气管第一节流体静力学第18页/共89页19[例]储罐中表压为p，求液封高度h=?取等压面为三、计算液封高度第一节流体静力学第19页/共89页20第二节流体在管内的流动第20页/共89页211-2-1流量和流速1-2-2稳态流动与非稳态流动1-2-3流动系统中的质量衡算——连续性方程1-2-4流动系统中的能量衡算——柏努利方程第二节流体在管内的流动第21页/共89页221-2-1流量和流速一、流量(FlowRate)单位时间内流过管道任意截面的流体量质量流量（Mass-）wS[m3/s][kg/s]体积流量(Volumetric-)VS二者关系：第二节流体在管内的流动第22页/共89页23单位时间内流体质点在流动方向上流过的距离，m/s

二、流速u(Velocity)1.

平均流速：单位流通面积上流体的体积流量流量和流速关系：2.质量流速（质量通量）(MassVelocity)[kg/(m2·s)]第二节流体在管内的流动第23页/共89页24[例题]某厂需铺设一条自来水管道，输水量为42000kg/h，设计所需的管道直径。解：查附录p437，选水煤气管三、管径的估算第二节流体在管内的流动第24页/共89页25均衡考虑水及低粘度液体的流速为1～3一般常压气体流速为10饱和蒸汽流速为20～40……密度大或粘度大的流体，流速取小一些对于含有固体杂质的流体，流速宜取得大一些流速的经验值（m.s-1）

Vs一般由生产任务规定;适宜流速则需通过操作费和设备费之间的经济权衡来确定。第二节流体在管内的流动第25页/共89页261.稳态流动：各截面上u、p、ρ等物理量仅随位置变化,不随时间而变2.非稳态流动：各截面上物理量不仅随位置而变，而且随时间而变1-2-2稳态流动与非稳态流动(SteadyFlowandUn-)（化工生产中常见）第二节流体在管内的流动第26页/共89页271-2-3流动系统中的质量衡算——连续性方程(MassBalanceinaFlowingFliud--EquationofContinuity)对于不可压缩流体若管径相同对于圆形管道第二节流体在管内的流动第27页/共89页281-2-4流动系统中的能量衡算——柏努利方程

(EnergyBalanceinaFlowingFliud—bernoulliEquation)衡算基准：1kg流体衡算范围：1-1'截面、2-2'截面及管道设备内壁面之间基准水平面：o-o′面第二节流体在管内的流动第28页/共89页29（2）动能(KineticEnergy)（1）位能(Gravity

Energy)1.能量形式（单位：J/kg）（3）静压能(StaticPressureEnergy)gz一、流动系统的机械能衡算

把1kg流体送入系统所需的功。第二节流体在管内的流动第29页/共89页30（4）由输送机械获得的能量We（5）机械能损失J/kg（1）理想流体，无输送机械3.讨论2、定态不可压缩流体的机械能衡算——柏努利方程第二节流体在管内的流动第30页/共89页31（3）柏努利方程的另外两种形式以单位体积作为衡算基准：以单位重量作为衡算基准：（2）对于静止的不可压缩流体第二节流体在管内的流动第31页/共89页32（4）对可压缩流体，如果，柏努利方程仍适用，（5）We是输送机械对单位质量流体所作的有效功泵的轴功率：有效功率Ne——单位时间内输送机械所作的有效功第二节流体在管内的流动第32页/共89页33二、应用柏努利方程的解题要点（Δ）1.确定衡算范围，实际是选取截面（解题关键）

两截面均应与流动方向垂直。流体必须从1-1截面进入系统，从2-2截面流出系统，两截面间的流体必须是连续的。所求的未知量应在截面上，且其他物理量应已知或能通过其它关系计算出来。还要考虑与给出的∑hf一致。第二节流体在管内的流动第33页/共89页344.大口截面u=0。必须与地面平行。一般是选位能较底的截面为基准面，此时z=0。

水平管确定基准面时，一般是取通过管中心线的水平面为基准面，Δz=02.确定基准面3.各物理量要采用同一单位制，压强的表示形式也要统一，与大气相通截面的表压为零。第二节流体在管内的流动第34页/共89页35三、柏努利方程式的应用

确定输送过程中所需的有效功率

确定设备的相对位置

确定管道中流体的流量

确定管路中流体的压强……第二节流体在管内的流动第35页/共89页36从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为φ45×2.5mm的钢管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为1.2m（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？【例1】确定设备的相对位置第二节流体在管内的流动第36页/共89页37在某水平通风管段中，管直径自300mm渐缩到200mm。为了粗略估算其中空气的流量，在锥形接头两端分别测得粗管截面的表压为1200Pa，细管截面的表压为800Pa。空气流过锥形管的能量损失可以忽略，求空气的体积流量为若干m3·h-1？（设该物系可按不可压缩流体处理，空气密度取为1.29kg·m-3）

【例2】确定管道中流体的流量第二节流体在管内的流动第37页/共89页38某化工厂用泵将敞口碱液池中密度为1100kg/m3的碱液输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出。泵的入口管为φ108×4mm的钢管，管中流速为1.2m/s，出口管为φ76×3mm的钢管。贮液池中碱液的深度为1.5m，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距离为20m。碱液流经所有管路的能量损失为30.8J/kg（不包括喷嘴），在喷嘴入口处的压力为29.4kPa（表压）。设泵的效率为60%，试求泵所需的功率。【例3】确定输送过程中所需的有效功率第二节流体在管内的流动第38页/共89页39某车间用压缩空气来压送98%浓硫酸（比重为1.84），从底层送至15米高处。每批压送量0.3立方米，要求10分钟压完。若压头损失为0.8米硫酸柱，管径为Φ38×3㎜，试求压缩空气的最低表压。【例4】确定管路中流体的压强压缩空气15米第二节流体在管内的流动第39页/共89页40水在虹吸管内作定态流动，各段管径均相等，水流经管路的能量损失可忽略。计算管内截面2-2'、3-3'、4-4'、5-5'上的压强。大气压为1.0133×105pa。解：思考:①4-4截面的最大高度?

②管内流速的最大值?结论：p2>p3>p4，p4<p5<p6【例5】理想流体总机械能的相互转化第二节流体在管内的流动第40页/共89页41第三节流体在管内流动时的摩擦阻力1-3-1牛顿粘性定律与流体的粘度1-3-2流动类型与雷诺准数1-3-3流体在圆管内流动时的阻力计算1-3-4流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力1-3-5管路上的局部阻力第41页/共89页42一、牛顿粘性定律（NewtonianViscosityLaw)

运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力称内摩擦力，这是产生流体阻力的根本原因。这种表明流体流动时产生内摩擦力的特性称为粘性，粘性是流动性的反面。1-3-1牛顿粘性定律与流体的粘度第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第42页/共89页43

实验证明：——剪应力（ShearStress）：单位面积上所受的内摩擦力,N·m-2——速度梯度（VelocityGradient）:垂直于流体运动方向的速度变化率，s-1；

——比例系数，称为粘度（Viscosity)

。第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第43页/共89页441.单位二、粘度2.物理意义

促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是与速度梯度相联系，只有在流动时才显现出来。粘度是流体的物理性质之一，随种类和物态而变化3.粘度值的影响因素液体粘度随T升高而减小，气体粘度随T升高而增大。工程中一般忽略压强对粘度的影响。理想流体流体无粘性第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第44页/共89页455.运动粘度常压混合气体的粘度：4.粘度数据的获得常用流体的粘度可从有关手册和附录查得不缔合混合液体的粘度：xi

、

yi——混合物中组分的摩尔分率第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第45页/共89页461-3-2流动类型与雷诺准数（flowtypesandReynoldsnumber)一、雷诺实验（1883年）雷诺实验装置1

2

流动型态第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第46页/共89页47第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第47页/共89页48第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第48页/共89页49雷诺实验揭示了流体流动可分为两种类型：（2）湍流（紊流）

(TurbulentFlow)：流体质点除了沿管轴向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。（1）层流（滞流）

(LaminarFlow)：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。第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第49页/共89页50Re≤2000为层流；Re≥4000为湍流；2000＜Re＜4000可能是层流，也可能是湍流，处于不稳定的过渡区。二、流型判据——雷诺准数ReRe使用时要注意单位统一。无因次数群（DimensionGroup）

生产中常将Re＞3000的情况按湍流处理。

流动型态只有两种，过渡状态不单独为一流型第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第50页/共89页51三、流体在圆管内的速度分布1.层流理论和实验均证明：层流速度分布呈抛物线。第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第51页/共89页52第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第52页/共89页532.湍流实验测定速度分布曲线如下：经验公式：n与Re有关，Re变大，n在6~10之间变化第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第53页/共89页54Re越大，层流内层越薄

层流内层成为传递过程的主要阻力第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第54页/共89页551-3-3流体在圆管内流动时的阻力计算

流动阻力包括：直管阻力

(沿程阻力）局部阻力：流体流经管件、阀门、等局部地方因流速大小及方向的改变而引起的阻力。层流——解析法湍流——因次分析指导下的实验研究法

直管阻力的计算：第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第55页/共89页56λ——摩擦阻力系数，无因次，与流动类型有关——范宁公式——压力损失，Pa——压头损失，m一、直管摩擦阻力的计算通式（FrictionResistanceinStraightTubes）

第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第56页/共89页57二、管壁粗糙度绝对粗糙度ε：管道壁面凸出部分的平均高度相对粗糙度ε/d：绝对粗糙度与管径的比值光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等粗糙管：钢管、铸铁管等第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第57页/共89页58三、λ的计算——哈根-泊谡叶公式1、层流即：层流时λ只与Re有关，与ε/d无关。2、湍流因次分析指导下的实验结果见下图(包括层流)：∴第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第58页/共89页59重点,必须会查!第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第59页/共89页60（1）层流区

Re≤2000,λ与ε/d无关，只与Re有关，且成直线关系。（3）湍流区

Re≥4000及虚线以下区域，λ与ε/d和Re均有关。

Re一定时,ε/d↑,λ↑；ε/d一定时,Re↑,λ↓。（2）过渡区

Re=2000~4000,将湍流曲线延长查λ。（4）完全湍流区虚线以上区域，λ仅与ε/d有关。摩擦阻力与u2成正比（阻力平方区）。最下面一条曲线为流过“水力光滑管”时的曲线。第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第60页/共89页61δb>ε时,与层流相似,只与Re有关,称水力光滑管。δb<

ε时，只与ε/d有关，为完全湍流粗糙管。

仅从流体输送角度考虑，湍流增加能量消耗，不宜采用太高流速。但传热、传质要尽量增大湍动程度。第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第61页/共89页621-3-5管路上的局部阻力一、局部阻力第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第62页/共89页631.阻力系数法

二、计算方法ξ进口=0.5ξ出口=1.0第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第63页/共89页64把局部阻力折算成相应长度的直管阻力2.当量长度法

说明：（1）le和ξ均由实验测定，可查有关手册和资料得到（2）不管突然扩大还是缩小，u均取细管中的流速（3）当截面选在出口内侧时取动能，选在出口外侧时取能量损失（ξ=1）；第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第64页/共89页65注意：不能以de代替d计算u和Vs。1-3-4流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力对圆形管道：非圆形管内湍流流动，可直接用de代替d计算hf及Re。层流流动，还须对λ进行修正，λ=C/Re。推广到非圆形管道：C值随流通形状而变，如正方形57，环形96第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第65页/共89页66三、系统中的总能量损失当流体流经直径不变的管路时（1）合理布局，尽量减少管长，少装不必要的管件阀门（2）适当加大管径并尽量选用光滑管（3）在允许条件下，将气体压缩或液化后输送根据上述可分析欲降低

，可采取如下的措施：第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第66页/共89页67【例】：用泵将20℃的水送至开口容器中，Vs=25m3/h，各部分高度如图，管径为φ83×3.5mm,只管部分总长度为150m,管路上装有标准弯头3个,全开闸阀1个，直入旁出三通2个,止回底阀1个,η=0.7，求泵的轴功率。第三节流体在管内流动时的摩擦阻力第67页/共89页68第四节管路系统计算1-4-1简单管路的计算1-4-2复杂管路的计算（了解）第68页/共89页69管路计算的基本关系式：第四节管路系统计算第69页/共89页701-4-1简单管路计算一、特点1.流体通过各串联管段的流量相等，2.总阻力损失等于各管段损失之和,第四节管路系统计算第70页/共89页71p36例1-18

给定输送任务，设计经济合理的输送系统，核心是管径的计算。已知，管长l，流速u，求d。二、管路计算试差法：假定λ值→→与假设值比较→由d求出Re→由Re和查出λd可接受重新设λ→是否1.设计型计算第四节管路系统计算第71页/共89页722.操作型计算

（2）对一定的管路系统求流量。（1）对规定的输送流量计算所需能量。已知ρ、μ、l，d，Vs，求。假定λ值→→与假设值比较→求出Re→由Re和查出λd可接受重新设λ→是否p36例1-19第四节管路系统计算第72页/共89页731-4-2并联管路计算1.总管流量等于各并联管段流量之和2.各并联管段的流体阻力（压强降）相等特点：第四节管路系统计算第73页/共89页742.流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等。1-4-3分支管路的计算特点:1.总管流量等于各支管流量之和第四节管路系统