复旦环境工程基础课件02流体流动

第二章

流体流动

2.1概述

流体是气体和液体的总称。流体流动是本门课程的基础，这是因为：（1）在研究受污染的水或气体等的输送时，需要研究它们的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算；（2）为提高去除污染物的效果，常需要提供适宜或最佳的流动条件以提高设备或反应器的效率；（3）为了解和控制流体中污染物去除过程，需要对管路或设备内的压强、流量及流速等一系列的参数进行测量，这些测量仪器仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的；（4）在热量传递和吸收过程中，考察对象也多处于流动状态。综上所述，研究流体流动对提高污染物去除效率，降低成本具有重要的意义。第二章流体流动

曲阳污水处理厂1.地址：虹口区东体育会路430号2.时间：2015-09-21（下周一），下午2:302.交通：1）公共汽车：复旦正门乘坐942、991、854、139等公交，在上农新村站在下车，然后往南（赤峰路地铁站3号口方向）行进，然后进入玉田路一路往东，再往南进入东体育会路，即可到达。2）地铁：不从复旦正门出发的同学也可乘坐3号线在赤峰路站下车，3号口出。第二章流体流动

第二章流体流动

第二章流体流动

初沉池生化反应池二沉池接触池配水井回流泵站团岛污水处理厂改良A2/O工艺流程污泥预浓缩池胶洲湾出水出泥机械浓缩间回用水进水泵站曝气沉砂池进水加氯间回用水间小风机鼓风机房消化池脱水机房沼气火炬及沼气罐污泥后浓缩池厌氧区缺氧区好氧区缺氧区第二章流体流动

2.1概述

流体的特点：（1）流动性，即抗剪抗张能力都很小；（2）无固定形状，随容器的形状而变化；（3）在外力作用下流体内部发生相对运动。

流体的特性：微观性和宏观性

（1）统计物理的方法（2）连续介质假设2.1概述

流体流动的基本方程本节主要讨论流体流动过程中，流速、压强等参数的变化规律，研究流体流动过程中的能量损失以及为输送流体需对流体提供的能量等。反映流体流动规律的主要方程：连续性方程式和柏努利方程式

（2）欧拉(Euler)法

加速度=当地加速度+迁移加速度（2）欧拉(Euler)法1）稳态流（又称恒定流，稳定流，定常流）：流场中任何空间点上的一切运动要素都不随时间而改变2）非稳态流（又称非恒定流，非稳定流，非定常流）：流场中任何空间点上有任何一个运动要素是随时间变化

2.1.2流体流动的基本概念1）流体的密度、比容和比重流体的密度（质量浓度）：单位体积流体所具有的质量，＝m/V，kg/m3。比容：单位质量的体积称为流体的比容，是密度的倒数，m3/kg。比重：物料的密度（或重度）与277K（4oC)时纯水的密度（或重度）之比。2）压力和压强压力：垂直作用于任意流体微元表面的力称为压力，kg•m/s2，N压强：流体单位表面积上所受的压力称压强，kg/(m•s2)，Pa,N/m21atm=1.0133105Pa=1.0133bar=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm21kgf=1kg9.807m·s-2=9.807N表压强=绝对压强–大气压强真空度

=大气压强–绝对压强图2-1

绝对压强、表压强和

真空度的关系

精密真空表仪表名称规格型号测量范围精度等级结构型式精密真空表YB-150B

-40～0kPa

-60～0kPa

-100～0kPa

-0.04～0MPa

-0.06～0MPa

-0.1～0MPa0.4级0.25级0.16级径向不带边

轴向前带边

径向前带边

径向后带边

弹簧管式

2.1.2流体流动的基本概念

3）迹线与流线在流场中，迹线是由一个流体质点在连续时间内在空间所留下的轨迹线。迹线是与拉格朗日法对应。在流场中，流线是一条瞬时曲线，是和一系列质点流速矢量相切的曲线。流线是和欧拉法相对应的。迹线是由一个质点构成的，流线是由无穷多个质点组成的，在一般情况下，流线与迹线是不重合的。只有当稳态流的情况下，由于流体的流速与时间无关，流场中的流线恒定不变，流体质点将沿着流线运动，此时流体质点的运动轨迹与流线相重合。4）过流断面：过流断面是指垂直于流动方向的流体断面，即流场中与流线正交的横截面为过流断面。过流断面一般不是平面，仅在流线相平行时，过流断面才是平面。图2-1-1某城市污水处理厂平流式沉淀池流速矢量分布图图2-1-2某城市污水处理厂平流式沉淀池流线图（或流场图）2.1.2流体流动的基本概念

5）流量和流速流量：单位时间通过任一过流断面的流体量为流量。（1）体积流量(qv,m3/s):单位时间通过任一过流断面的体积称为体积流量。（2）质量流量(qm,kg/s):单位时间通过任一过流断面的质量称为质量流量。它们之间的关系为：qm=

qv，式中——流体密度，kg/m3流速：单位时间内流体在流动方向上流过的距离为流速（m/s）。通常过流断面上各点的流速不相同。如在管流中，在管壁处为零，管中心轴线上的流速最大。平均流速（u，m/s），即过流断面速度的平均值，其定义如下：u=qv/A，式中：qv——体积流量，m3/s；

u——平均流速，m/s；

A——过流面积，m2通常环境工程设施的管道中，液体的经济流速为1m/s，气体为10m/s2.1.2流体流动的基本概念

6）稳态流和非稳态流在流场中，任意空间位置上的运动参数都不随时间而改变，即对时间的偏导数等于零。这种流动称为稳态流。在稳态流中，流速等运动参数仅是位置坐标的函数。在流场中，任意空间位置上只要存在某一运动参数是时间的函数，即对时间的偏导数不等于零，这种流动称为非稳态流。7）均匀流与非均匀流在流场中，流体质点的流速沿流动方向在任何时刻都不随空间位置的变化而改变，此流场为均匀流。否则为非均匀流。均匀流一定是稳态流，而非均匀流既可以是稳态流，也可以是非稳态流。8）管流和明渠流，有压流和无压流没有自由表面的流体为管流，属有压流。有自由表面的流体称为明渠流，属无压流。2.折流式沉淀池流态模拟理论基础与方法介绍

折流式沉淀池设计流态

折流式沉淀池回流比为0时池内流线图

折流式沉淀池回流比为75％时池内流线图

平流式沉淀池回流比为0时池内流线图

平流式沉淀池回流比为75％时池内流线图

2.1.3流体流动的内摩擦力

一、牛顿粘性定律:

内摩擦力F与两流体层的速度差Δu成正比，与两层之间的垂直距离Δy成反比，与两层间的接触面积S成正比，即

图2-2流体流动的内摩擦力

（2-2）牛顿粘性定律

τ——剪应力，Pa；—

2.1.3流体流动的内摩擦力

流体t/℃μ/Pas流体t/℃μ/Pas水01.810-3氢-18.310-6

1000.310-3

2501310-6汞01.710-3二氧化碳01410-6

1001.010-3

3022710-6蓖麻油17.5230010-3空气01810-6

50122510-3

6714210-6表2-1某些流体的粘度（动力粘度）

2.1.4流体流动的类型及其判断

流体流动的类型Reynolds试验图2-3雷诺实验装置1―水箱；2―温度计；3―有色液；4―阀门；5―针形小管；6―玻璃管；7―阀门

图2-4流体流动型态示意图

雷诺数Re2.流动型态的判据

d——管内径，m；

——主体流速或平均流速，m/s；

——流体的粘度，kg/(m•s)，Pas，N•s/m2——流体密度，kg/m3；

2.1.4流体流动的类型及其判断

雷诺准数——判断流体流动型态的准则：(1)当Re≤2000时，为层流区。(2)当2000＜Re＜4000时，有时出现层流，有时出现湍流，此为过渡区。(3)当Re≥4000时，为湍流区。流动类型:2?3?2.1.4流体流动的类型及其判断

2.1.4流体流动的类型及其判断

2)u——平均流速图2-6速度分布与平均流速3)ρ——对于气体，当压力变化不大时，用平均密度代替。

2.1.5流动边界层

一、流动边界层二、边界层的形成与发展三、边界层分离

图2-9边界层分离的几种示例

图2-9边界层分离的几种示例

图2-9边界层分离的几种示例

图2-9边界层分离的几种示例

图2-9边界层分离的几种示例

图2-7流体流过平板的边界层

图2-8圆管入口段中边界层的发展

图2-8圆管入口段中边界层的发展

圆管入口段中边界层的发展

圆管入口段中边界层的发展

速度分布与平均流速

图2-9边界层分离的几种示例

图2-9边界层分离的几种示例

图2-9边界层分离的几种示例

图2-9边界层分离的几种示例2.2流体流动时的阻力损失

一、沿程阻力：流体在直管中流动时，由于流体的内摩擦而产生的能量损失。二、局部阻力：流体通过管路中的管件、阀门、管截面的突然扩大或缩小等局部障碍，引起边界层的分离，产生漩涡而造成的能量损失。

三、流体的流动阻力=沿程阻力hf+局部阻力hf’

∑htf=∑hf+∑hf’

∑hf为全部沿程阻力之和，∑hf’

为全部局部阻力之和2.2流体流动时的阻力损失

四、影响流体阻力损失的因素

：流体本身的物理性质、流动状况、流体流过的管路状况、距离及壁面的形状等

（1）流体粘性、剪切应力、湍流应力、摩擦阻力

（2）边界层分离、倒流和尾涡、压力分布不均

、形体阻力

（3）雷诺数的大小

（4）管壁的摩擦

2.2流体流动时的阻力损失

2.2.2沿程阻力损失1.圆形直管内层流流动时的沿程阻力图2-10层流时的摩擦阻力

二、湍流流动时的沿程阻力损失和量纲分析法（一）量纲分析法量纲分析法依据量纲一致性原理和定理，应用雷莱（LordRylegh）指数法将影响过程的因素组成无量纲数群（1）量纲一致性原则凡是根据基本物理规律，导出的物理方程，其中各项的量纲必须相同。（2）定理任何物理方程必可转化为无量纲形式，即以无量纲数群的关系代替原物理方程，无量纲数群的个数等于原方程的变量数减去基本量纲数2、湍流流动时的沿程阻力损失和量纲分析法（二）用量纲分析法应用举例（1）用雷莱指数法（2）用定理检验2、湍流流动时的沿程阻力损失和量纲分析法（三）用量纲分析法时的注意点：（1）在确定影响因素时，即不能遗漏也不能列入无关系变量。（2）导出的无量纲数群要有一定的物理意义，因为它是在揭示事物的内在规律。（3）无量纲数群关联式的建立和确定，都要与实验相结合，由实验数据回归求取关联式的待定系统和指数，从而得到具体的函数关系式。也被称为“黑箱”模型法，是工程学科的特点。2、湍流流动时的沿程阻力损失和量纲分析法pf=

(d，l，u，，，

)pf=Kdalbucefg

[p]=ML-1T-2，[d]=[l]=L，[u]=LT-1，[]=ML-3，[]=ML-1T-1，[]=LML-1T-2=K[L]a[L]b[LT-1]c[ML-3]e[ML-1T-1]f[L]gML-1T-2=K[M]e+f[L]a+b+c-3e-f+g[T]-c-f二、湍流流动时的沿程阻力损失和量纲分析法

e+f=1

a+b+c–3e–f+g=-1

–c–f=-2

a=–b–f–g

c=2–f

e=1–f

管子材料及使用情况绝对粗糙度ε/mm干净的拉制铜、黄铜、铅管及玻璃管0.0015～0.01橡胶软管0.01～0.03水泥浆粉管0.45～3.0陶上排水管0.35～6新无缝钢管0.04～0.07煤气管路上用过一年的无缝钢管～0.12略受腐蚀的无缝钢管0.2～0.3旧的不锈钢管0.6～0.7镀锌管或新铸铁管0.25～0.4受腐蚀的旧铸铁管>0.85注：一般计算中，对于干净的玻璃、铜、铅等拉制管，可视为光滑管（ε=0）；新建无缝钢管，取ε=0.1；稍受腐蚀的无缝钢管及新有缝钢管取ε=0.35；旧铸铁管或受强烈腐蚀的管，取ε=1.附录19管壁的绝度粗糙度三、圆形直管内湍流流动时的沿程阻力

(Pa)(2-10)(J/kg)(2-11)(mH2O柱)(2-12)λ为摩擦系数，与Re准数及管壁相对粗糙度有关,其数值可由莫狄摩(Moody)擦系数图（图2-7）根据Re和求出

三、圆形直管内湍流流动时的沿程阻力

图2-11管内流体流动时摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系三、圆形直管内湍流流动的阻力损失及摩擦系数摩狄（Moody）摩擦系数图1）层流区：Re20002）过渡区：2000<Re<40003）湍流区：Re40004）完全湍流区

【例2-3】用1084的钢管输送污水，输送量15T/hr，μ=72cp(厘泊)污水从起点站泵出口压力为610kgf/m2（表压），终到处压力为10kgf/m2（表），若管子是水平安装的，途中有90°标准弯头5个，45°标准弯头3个，水表（盘型）1个，闸阀（全开）2个。试求泵出口至终点输水管长度是多少？图2-8例题2-3示意图

【例2-3】用1084的钢管输送污水，输送量15T/hr，μ=7.210-2Pas污水从起点站泵出口压强为610kgf/m2（表压），终到处压强为10kgf/m2（表），若管子是水平安装的，途中有90°标准弯头5个，45°标准弯头3个，水表（盘型）1个，闸阀（全开）2个。试求泵出口至终点输水管长度是多少？

图2-12例题2-3示意图已知：d=108-24=100mm=0.1m,=1000kg/m3

,

p1=610kgf/m2=5978Pa,

p2=10kgf/m2=98Pa

,qv=15T/hr=15m3/hr=4.1710-3m3/s

,μ=7.210-2Pas总=590°弯+345°弯+水表+2闸阀=50.75+30.35+7+20.17=12.14求：l

管路的局部阻力1.P.38，例1-72.习题：用泵将贮槽中20oC的硝基苯（=1200kg/m3,＝2.110-3Pa·S）送入表压强为9810Pa的反应器中，流量为8kg/s，贮液槽面为常压。管路为DN89mm4mm的钢管，总长为45m，管壁粗糙度0.2mm。管路中装有孔板流量计一个，其阻力系数为8.25，全开闸阀2个及90o弯头3个。贮液槽面与反应器入口高度差为15m，求泵的有效功率。管路的局部阻力3.作业：如图1所示，用泵将贮槽中20oC的硝基苯（=1200kg/m3,＝2.110-3Pa·S）送入表压强为9810Pa的反应器中，流量为8kg/s，贮液槽面为常压。管路为DN89mm4mm的钢管，总长为45m，管壁粗糙度0.2mm。管路中装有孔板流量计一个，其阻力系数为8.25，全开闸阀2个及90o弯头3个。求泵的有效功率。如果改为图2所示，则泵的有效功率又为多少？

2.3流体稳态流动时系统的衡算方程及应用

2.3.1质量衡算方程

流入体系的质量流量＝流出体系的质量流量图2-9直径不同的管路衡算

2.3流体稳态流动时系统的衡算方程及应用

2.3.1质量衡算方程

2.3.1质量衡算方程

图2-10有流量流入图2-11有流量流出2.3.1质量衡算方程

2.3.2能量衡算方程

（Bernoulli柏努利方程）

图2-13伯努利方程的推导示意图2.3.2能量衡算方程

（Bernoulli柏努利方程）

流体稳态流动时具有的能量1.内能：物质内部能量的总和

mU1和mU2，单位：J2.位能：流体因处于重力场内而具有的能量mgz1和mgz2,单位：J3.动能：流体因流动所具有的能量。1/2mu12和1/2mu22，单位：J4.静压能（压强能）：流体进入划定体系需要对抗压力所做的功。

p1V1和p2V2，单位：J5.热：流体通过换热器系热（为正值）或放热（为负值）。

mQe,单位：J6.功：管路中划定体系内的泵等流体输送机械向流体做功，把外界的能量输入划定体系（为正值），或流体通过水力机械向外做功，输出能量（为负值）。

mWe,单位：J2.3.2能量衡算方程

（Bernoulli柏努利方程）

流体稳态流动过程的能量衡算(2-21)热力学第一定律Q=E2-E1+A

柏努利(Bernoulli)方程式J/kg（2-27a）J/kg（2-28）单位：J/kg理想流体，在没有外功加入

（2-27b）（2-27c）输送设备对流体所做的有效功率Pe单位：Pa，以体积流量为衡算基准单位：m，以“重量”流体衡算基准（2-28）输送设备的轴功率为P，效率为，则Pe=P

柏努利(Bernoulli)方程的应用时的注意事项1.明确所讨论的流动系统的范围，确定上游截面和下游截面。两截面要垂直于流动方向，流体在两截面间必须是连续的。截面处不允许有急流变动，但所选取的两截面之间允许有。2.原则上基准面可以任意选取，一般多取最低面。3.若容器面很大，则u面04.物理量必须一致。【例题2-6】用离心泵将贮槽中的料液输送到蒸发器内，敞口贮槽内液面维持恒定。已知料液的密度为1200kg/m3，蒸发器上部的蒸发室内操作压力为200mmHg(真空度)，蒸发器进料口高于贮槽内的液面15m，输送管道的直径为Φ68×4mm，送液量为20m3/h。设溶液流经全部管路的能量损失为12.23J/N(不包括出口的能量损失)，若泵的效率为60％，试求泵的功率。已知：=1200kg/m3，p2=-200mmHg，Z2＝15m，Φ68×4mm，qv＝20m3/h，ΣHtf＝12.23J/N=12.23m=60%，d=68-2×4=60mm=0.06m求：Pe和Pa图2-17例题2-6示意图解：取贮槽液面为截面1-1’，管路出口内侧为截面2-2’，以截面1-l’为基准水平面。在截面1-1’和截面2-2’间能量衡算，有：Z1+u12/(2g)+p1/(ρg)+He=Z2+u22/(2g)+p2/(ρg)+ΣHtf式中ZI=0，ul≈0，p

1＝0(表压)；Z2＝15m，因为qv＝20/3600＝5.56×10-3m3/s

S＝π×(0.068-2×0.004)2/4＝2.83×10-3（m)2故

qV/S＝5.56×10-3/2.83×10－3=1.97（m/s）又

p2＝200×1.013×105/760=2.67×104Pa(真空度)=-2.67×104Pa(表压)ΣHtf＝12.23m将上列各数值代入伯努利方程式得：He＝15m＋1.9722/(2×9.81)－2.67×104/(1200×9.81)+12.23＝25.16（m水柱）泵理论功率：Pe＝qmgHe＝ρqvgHe=1200×5.56×10－3×9.81×25.16＝1.65×103W＝1.65kw实际功率：Pa=Pe/η=1.65/0.60=2.75kw

答：泵的实际功率是2.75kw，有效功率是1.65kw。【例2-7】水以7m3/h的流量流过图所示的文丘里管，在候颈处接一支管与下部水槽相通。已知截面1-1处内径为50mm，压强为0.02MPa（表压），候颈内径为15mm。试判断图中垂直支管中水的流向。设流动无阻力损失，水的密度取1000kg/m3。图2-18例题2-7示意图

水以7m3/h的流量流过图所示的文丘里管，在候颈处接一支管与下部水槽相通。已知截面1-1处内径为50mm，压强为0.02MPa（表压），候颈内径为15mm。试判断图中垂直支管中水的流向。设流动无阻力损失，水的密度取1000kg/m3。习题水以10m3/h的流量流过图所示的文丘里管，在候颈处接一支管与下部水槽相通。已知截面1-1处内径为100mm，压强为0.03MPa（表压），候颈内径为10mm。试判断图中垂直支管中水的流向。设流动无阻力损失，水的密度取1000kg/m3。3.作业用泵将溶剂由地面储槽输送至高处的塔中（见图，两液面高差为10m）。地面储槽通大气，塔中喷嘴处压力为0.2atm（表压），流量为6m3/h，输送管道为DN38mm3mm的无缝钢管，管长20m。溶剂流径所有管路的总摩擦阻力为84.46J/kg，输送温度下，溶剂的密度为861kg/m3。试求单位质量流体从输送机械所获得的有效功和泵所做的有效功率。课堂作业图2.3.3管路计算

管路：简单管路和复杂管路管路计算：设计型计算和操作型计算1.管路的设计型计算2.操作型计算3.管路计算的3种情况（1）已知流量、管道尺寸、管件，计算管路系统的阻力损失，用于选泵、风机等。（2）给定流量、管长、所需管件和允许压降，计算管路直径。（3）已知管道尺寸、管件和允许压降，求管道中流体的流速或流量2.3.3管路计算试差法计算过程如下：2.3.3管路计算简单管路的计算1.简单管路：没有分支、串联管路复杂管路：有分支或并联管路2.简单管路的特点（1）通过各管道的流量不变（2）整个管路的阻力等于各段直管阻力与局部阻力之和。【例2-9】

用试差法进行流量计算将水从水塔引入居民家中，管路为Φ114×4mm的钢管。长150m（包括管件及阀门的当量长度，但不包括进、出口损失）。水塔内水面维持恒定，高于排水口12m，水温为12℃时，求管路的输水量为若干m3/h。若绝对粗糙度ε=0.2mm，求流量qv；若绝对粗糙度ε=0.2mm，求流量qv。已知：Φ114×4mm，l=150m，Z2=12m，T=12℃ε=0.2mm=2×10-4m，ε/d=1.89×10-3ε=0.002mm=2×10-6m，ε/d=1.89×10-5求：qv图2-21例2-9示意图

2.3.3管路计算复杂管路的计算

1.并联管路:质量衡算和能量衡算图2-23并联管路进水泵房设备配置图闵行污水厂处理参观记2014.9.23污水厂东区工艺流程污水厂控制室污水厂平面图进水格栅进水泵房设备配置图三槽式氧化沟曝气转刷曝气三槽式氧化沟曝气转刷曝气三槽式氧化沟---反硝化三槽式氧化沟沉淀三槽式氧化沟出水堰沉淀池三角出水堰竖流式沉淀池竖流式沉淀池离心脱水机离心脱水后的污泥脱水前污泥，含水率99%脱水后污泥，含水率80%以下

2.分支管路

图2-24分支管路图2-25汇合管路

【例题2-12】如图2-26所示，从自来水总管接一管段AB向实验楼供水，在B处分成两路各通向一楼和二楼。两支路各安装一球形阀，出口分别为C和D。已知管段AB、BC和BD的长度分别为100m、10m和20m（仅包括管件的当量长度，不包括进出口的损失和D、C阀门的损失），管内径皆为30mm。假定总管在A处外侧的表压为0.343MPa，uA=1m/s，不考虑分支点B处的动能交换和能量损失，且可认为各管段内的流动均进入阻力平方区，摩擦系数皆为0.03，试求：

(1)D阀关闭，C阀全开（

时，BC管的流量为多少？

(2)D阀全开，C阀关小至流量减半时，BD管的流量为多少？A-B流管段流量又为多少？图2-26

.分支管路的计算练习：用离心泵将贮槽内的溶液，同时送到开口的高位槽A和B中，如图所示两条分支管路均与高位槽底部相连。已知从三通处到A槽的管径为ф76mm×3mm，直管部分长为20m，管件与阀门总当量长度为5m。从三通到B槽的管径为ф57mm×3mm，直管部分长为47m，管件与阀门总当量长度为4.2m。A槽液面比B槽液面高1.5m，贮槽及两高位槽液面均维持恒定。总管流量为60m3/h。试求两分支管（在本题条件下流体在两分支管中的摩擦系数均可取0.02）中的流量。2.4明渠均匀流和薄壁堰

明渠:具有自由水面的人工渠道、天然河道及未充满水流的管道的统称明渠流：流动在明渠中的水流，具有自由表面，依靠液体自身重力作用流动稳态流与非稳态流稳态流:均匀流与非均匀流明渠均匀流规律2.4.1明渠均匀流形成条件和特点

1.明渠均匀流形成条件：(1)明渠中水流必须是恒定的(2)明渠必须是棱柱形渠或圆形管道(3)明渠的粗糙系数必须保持沿程不变(4)明渠的底坡必须是顺坡

2.4.1明渠均匀流形成条件和特点

2.明渠均匀流的特点：(1)过水断面的形状、尺寸及水深沿流程不变(2)过水断面上的流速分布、断面平均流速沿流程不变，因而流速水头也沿流程不变(3)水面线与渠底线相互平行(4)压管水头线与总水头线相互平行(5)明渠均匀流的底坡线、水面线、总水头线三者相互平行，即渠底坡度、水面坡度、水力坡度三者相等(6)水流的动能沿程不变，势能沿程减小，在一定距离上因渠底高程降落而引起的势能减小值恰好用于克服水头损失(7)重力沿流动方向的分力和阻力相平衡时产生的流动

2.4.2明渠均匀流计算

紊流阻力平方区

基本公式：谢才公式

2.4.2明渠均匀流计算

过水断面的水力要素2.4.2明渠均匀流计算

过水断面的水力要素梯形过水断面的水力要素

地质边坡系数砖石或混凝土块铺砌1:0.75~1:1粉砂1:3~1:3.5松散的细砂、中砂和粗砂1:2~1:2.5密实的细砂、中砂、粗砂或粘质粉土1:1.5~1:2粉质粘土或粘土砾石或卵石1:1.25~1:1.5半岩性土1:0.5~1:1风化岩石1:0.25~1:0.5岩石1:0.1~1:0.25表2-3明渠边坡系数明渠圆管断面的各项水力要素

q/q1,u/u1图2-29h/d与q/q1及u/u1的关系明渠圆管断面的各项水力要素

管径(d)或暗渠深(H)(mm)最大设计充满度200～300350～450500～900≥10000.550.650.7050.75表2-4最大设计充满度

明渠水力计算中几个问题

1.粗糙系数n的选定：粗糙系数n对谢才系数C同一水力半径，n偏大，谢才系数C偏小，过水断面，或底坡，开挖工作量；水面降落，控制的灌溉面积；实际流速，渠道冲刷。n值偏小，C值偏大，流速，过水断面，渠槽的底坡，流量不足和泥沙淤积。选择粗糙系数n值注意点：(1)正确理解水流阻力和水头损失的各种影响因素及一般规律。(2)尽量参考一些比较成熟的典型粗糙系数资料。(3)尽量参照本地和外地同类型的渠道实测资料和运用情况，使粗糙系数n的选择切合实际。(4)对渠槽的施工质量和运行维护提出有关要求。2.水力最佳断面和实用经济断面水力最佳断面：设计的过水断面形式能使渠道通过的流量为最大，即在给定条件下水流阻力最小的过水断面。在给定的过水断面积条件下，流量为最大，则湿周应最小最好：半圆形断面2.水力最佳断面和实用经济断面图2-30水力最佳的矩形与梯形断面2.水力最佳断面和实用经济断面矩形断面：m=0则βm=2或b=2h，水力最佳矩形断面的底宽为水深的两倍梯形断面：m＞0时，βm值随着m增大而减小(见表2-6中A/Am=1.00的一行)当m＞0.75时βm＜1，是一种底宽较小、水深较大的窄深型断面。同样的流量、粗糙系数和底坡条件下，非水力最佳断面与水力最佳断面的断面参量之间关系3．渠道的允许流速u″＜u＜u′式中：u′——免遭冲刷的最大允许流速，简称不冲允许流速，m/s；u″——免受淤积的最小允许流速，简称不淤允许流速，m/s。最大设计流速最小设计流速金属管非金属管设计充满度下满流时1050.60.75表2-7污水管道的最大或最小设计流速（m/s）

明渠材质设计最大流速（m/s）最小设计流速（m/s）0.4m≤水深≤1m水深＜0.4m1.0m＜水深＜2.0m水深≥2m粗砂或低塑性粉质粘土0.800.681.001.12

0.4粉质粘土1.000.851.251.40粘土1.201.021.501.68草皮护面1.601.362.002.24干砌块石2.001.702.502.80浆砌块石或浆砌砖3.002.553.754.20石灰岩或中砂岩4.003.405.005.60混凝土4.003.405.005.60表2-8排水明渠的最大或最小设计流速

明渠均匀流的水力计算

1）设计型计算：设计新渠道进行水力计算，如确定底宽b，水深h，底坡i等等

2）操作型计算：对已建成的渠道，根据生产运行要求，进行某些必要的水力计算，例如，求流量；求某渠段水流的水力坡度J(=i)；求某渠段通水后的粗糙系数；绘制渠道运用期间的水深流量关系曲线等。对梯形断面渠道

：

明渠均匀流的水力计算

1．直接求解法如果已知其它五个数值，要求流量q，或要求粗糙系数n，或要求底坡i，只要应用基本公式，进行简单的代数运算，就可直接求得解答。

明渠均匀流的水力计算

1．直接求解法

明渠均匀流的水力计算

1．直接求解法

明渠均匀流的水力计算

二、

试算法

明渠均匀流的水力计算

2.试算法

明渠均匀流的水力计算

2.试算法

明渠均匀流的水力计算

2.试算法2.4.3薄壁堰薄壁堰流特性：具有稳态的水头和流量关系用途：出水堰及量测小型流量的装置薄壁堰形式：矩形堰、三角形堰和梯形堰，前两者常用三槽式氧化沟曝气转刷曝气三槽式氧化沟出水堰竖流式沉淀池沉淀池三角出水堰上海石洞口污水处理厂一期

矩形薄壁堰

矩形薄壁堰.三角形薄壁堰薄壁堰安装使用时应注意：a.堰板必须平整、垂直，堰槛中心线应与进水渠道中心线重合；b.堰板用钢板或木板制作，堰口应成45о的锐缘，其倾斜面向下游；c.三角堰的堰槛高及堰肩宽应大于最大过堰水深，矩形堰的最大过堰水深应小于堰槛高，否则会出现淹没流（下游水位高于堰口）；d.水尺可设在缺口两侧堰板上，尽量设在内边水位稳态处；e.堰身周围应与土渠紧密掺合，不能漏水；f.堰板制作要规格标准，安装要规范，安装段应作护底。

2.5常见测量仪器主要有文丘里流量计、三角堰及乌氏粘度计。2.5.2乌氏粘度计乌氏粘度计是测量液体粘度的一种常用仪器

2.5.2乌氏粘度计乌氏粘度计是测量液体粘度的一种常用仪器

2.5.2乌氏粘度计2.6两相流动2.6.1球形颗粒在流体中运动阻力与阻力系数颗粒表面对流体有阻力，流体则对颗粒表面有曳力。阻力与曳力是一对作用力与反作用力。

1、阻力/曳力流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下三种情况：颗粒静止，流体对其做绕流；流体静止，颗粒作沉降运动；颗粒与流体都运动，但保持一定的相对运动。2.6两相流动2.曳力/曳力系数图2-38

颗粒与流体的相对运动

图2-9边界层分离的几种示例

图2-9边界层分离的几种示例

图2-9边界层分离的几种示例

图2-9边界层分离的几种示例三槽式氧化沟沉淀三槽式氧化沟出水堰沉淀池三角出水堰三槽式氧化沟出水堰竖流式沉淀池图2-1-1某城市污水处理厂平流式沉淀池流速矢量分布图图2-1-2某城市污水处理厂平流式沉淀池流线图（或流场图）2.折流式沉淀池流态模拟理论基础与方法介绍

折流式沉淀池设计流态

折流式沉淀池回流比为0时池内流线图

折流式沉淀池回流比为75％时池内流线图

平流式沉淀池回流比为0时池内流线图

平流式沉淀池回流比为75％时池内流线图

2.曳力/曳力系数2.曳力/曳力系数2.曳力/曳力系数2.6两相流动2.曳力/曳力系数2.6.2重力沉降图2-39重力沉降过程中颗粒受到的力2.6.2重力沉降2.6.2重力沉降1）容器的尺寸要远远大于颗粒尺寸（譬如100倍以上）否则器壁会对颗粒的沉降有显著的阻滞作用（自由沉降—是指任一颗粒的沉降不因流体中存在其他颗粒而受到干扰。自由沉降发生在流体中颗粒稀松的情况下，否则颗粒之间便会发生相互影响，使沉降的速度不同于自由沉降速度，这时的沉降称为干扰沉降。干扰沉降多发生在液态非均相系的沉降过程中。）2）颗粒不可过分细微，否则由于流体分子的碰撞将使颗粒发生布朗运动。2.6.2重力沉降1.沉降过程2.沉降速度的计算1）式(2-69)2）沉降速度分区计算（1）层流区：Rep

2（2）过渡区：2<Rep

1000（3）湍流区：1000<Rep

2×105（4）湍流边界层区：Rep

>2×1052.6.2重力沉降2.7流体输送设备流体输送设备：流体输送设备就是向流体做功以提高流体机械能的装置1.输送液体的机械称为泵按输送物质的性质分：水泵、油泵、泥浆泵、耐腐蚀泵、高粘度泵、高温泵、低温泵2.输送气体的机械按不同的工况称为通风机（排风扇）、鼓风机、压缩机和真空泵，其区别在于压强不同。通风机（排风扇）：出口压强<15KPa鼓风机：出口压强15~35KPa压缩机：出口压强>35KPa真空泵：出口压强<0KPa2.7流体输送设备3.选用流体输送设备时需要解决的问题1）定规格：通过计算确定流量、扬程、安装高度、功率、电机的功率；2）选型：根据流体的性质和工况，选择合适的泵。如：耐酸、耐磨的泵；3）选择合适的工作点：寻找方便操作和高效运行的工作点2.7流体输送设备3.按工作原理分（1）叶轮式：利用[高速（低速）]旋转的叶轮使流体的动能增大，继而动能又转变成静压能。典型的是离心泵、轴流泵等。（2）容积式：利用活塞或转子挤压，使流体升压并推动其前进。如往复式、旋转式输送机械。（3）喷射式：利用高速流动的流体带动另一流体流动。如蒸汽喷射泵、水射器、水力循环真空泵等（4）其它形式：如磁力泵等进水泵房设备配置图2.7.1离心泵1.离心泵的主要构件和工作原理1）主要构件：叶轮、泵壳和轴封装置：图2-412）工作原理：图2-41（1）叶轮由电机驱动作高速旋转运动（1000~3000r/min），迫使叶片间的液体也随之作旋转运动。同时因惯性离心力的作用，使液体由叶轮中心向外缘作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程获得能量，并以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳内，由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转化为静压能，达到较高的压强，最后沿切向流入排出管道，达到输送的目的。（2）

叶轮中心处形成真空（3）没有自吸能力的输送设备（4）“气缚”现象图2-41离心泵装置简图1―叶轮；2―泵壳；3―泵轴；4―吸入管；5―底阀；6―压出管；7―出口阀适用温度：-20℃～100℃

安徽江南泵阀有限公司（http://）2.7.1离心泵2.离心泵的主要性能参数：流量、扬程、有效功率和效率1）流量：以体积流量表示的送液能力。一般用qv表示，单位为m3/s2）扬程：离心泵对单位质量液体所提供的能量。以H表示，单位为m。2.7.1离心泵2.离心泵的主要性能参数：流量、扬程、有效功率和效率3）有效功率和效率有效功率：液体实际从泵得到的功率。一般用Pe表示，单位为w，可以用下式表示Pe=qvHg轴功率：泵轴所需的功率，即电动机传给泵的功率，一般用P表示，单位为w。泵的效率：＝Pe/P一般小型泵的效率是50～70％，大型泵的效率是90％左右2.7.1离心泵3.离心泵的主要性能参数和特性曲线1）离心泵的主要性能参数：流程、有效压头（或称扬程）、轴功率（或称功率）、效率、允许吸上真空度、转速、叶轮直径、重量等。2）离心泵的特性曲线：离心泵的压力、轴功率、效率与泵的流量的关系，反映泵的基本性能。离心泵的特性曲线包括：（1）H-qv曲线：表示扬程与流量的关系（2）P-qv曲线：表示轴功率与流量的关系（3）-qv曲线：表示效率与流量的关系3.离心泵的特性曲线、工作点及流量调节

表2-8-1PW型离心污水泵性能表3.离心泵的特性曲线、工作点及流量调节

图2-466PW型离心污水泵的特性曲线（n=1450r/min）型号流量

(m3/h)扬程

(m)汽蚀余量

(m)转速

(m)口径(mm)使用温度

(℃)电机功率

(kw)重量

(kg)进口出口CQB16-12-50F0.62929001612＜800.0255CQB15-15-65F0.83.2629001515＜800.187CQB20-15-75F1.67629002016＜800.188CQB25-20-100F2.510.5629002520＜800.3712CQB32-20-110F3.612.5629003220＜800.5518CQB32-20-1253.620629003220＜800.7520CQB32-20-160F3.632529004025＜801.550CQB40-25-120F6.315529004025＜800.7535CQB40-25-160F6.332529004025＜802.2/355

CQB40-25-200F

6.3

50

5

2900

40

25

＜80

7.5

80CQB40-40-125F6.517.53.729004040＜801.140CQB50-32-125F12203.229005032＜801.545CQB50-32-160F12.5323.529005032＜100480CQB50-32-200F12.5503.529005032＜1007.5150CQB65-50-125F2520429006550＜1004100CQB65-50-150F2025429006550＜1004100CQB65-50-150F(A)17.532429006550＜1007.5100CQB65-50-1602532429006550＜1007.5160CQB65-50-160B2532429006550＜1004\5.5160CQB65-50-180F8385.529006550＜1005.5100CQB65-40-200F2550429006540＜10011180CQB80-65-125F5020429008065＜1007.5160CQB80-65-160F5032429008065

＜10011180CQB80-50-200F5050429008050＜10018.5195CQB100-80-125F

100

20

5

2900

100

80

＜100

11

180CQB100-80-160F100325290010080＜10022220

2.7.1离心泵2.7.1离心泵2.7.1离心泵3.离心泵的主要性能参数和特性曲线3）密度及粘度对特性曲线的影响密度：对H―Q与η―Q曲线无影响

对P―Q有影响粘度：对H―Q、η―Q、P―Q曲线均有影响

4）转速和叶轮直径的影响转速：叶轮直径：

2.7.1离心泵4.离心泵的工作点与流量调节离心泵的工作点由离心泵的特性曲线和管路的特性曲线共同来决定管路的特性曲线：流体通过某特定管路所需要的压头与流体流量的关系流量调节：（1）改变管路特性曲线（2）改变泵的特性曲线图2-48输送系统简图

图2-50改变阀门开度调节流量示意图图2-49管路特性曲线与泵的工作点图2-52例题2-20示意图6.并联与串联操作（1）并联操作:当一台泵的流量不够时，可以用两台泵并联操作，以增大流量。（2）串联操作:当生产厂需要利用原有泵提高泵的压头时，可以考虑将泵串联使用。（3）组合方式的选择如果管路两端势能差大于单泵所能提供的最大扬程，则必须采用串联操作。但在许多情况下，单泵可以输液，只是流量达不到指定要求。此时可针对管路的特性选择适当的组合方式，以增大流量。7.离心泵的安装高度图2-56