化工第二章流体流动与输送

化工第二章流体流动与输送第一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日第二章流体流动与输送§2.1流体静力学§2.2流体流动§2.3流体流动系统的质量衡算§2.4流体流动系统的能量衡算§2.5管内流动阻力§2.6流体流量的测量§2.7流体输送设备第二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日3本章主要内容：1.主要讨论流体处于相对静止和流动过程的基本原理和基本规律：流体静力学基本方程、连续性方程、机械能衡算方程、流动阻力及能量损失的计算；2.流体在输送系统中压强的变化与测量；3.输送管路设计与所需功率的计算；4.流量测量；5.输送设备的选型与操作；第三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日掌握：流体的密度、粘度和压强的定义、单位和换算流体静力学基本方程式、流量方程式、连续性方程式、柏努利方程式及其应用流体的流动类型及其判定，雷诺数及其计算流体在圆形直管内阻力及其计算了解：圆形直管内流体流动的速度分布，边界层的基本概念局部阻力的计算孔板流量计、转子流量计的基本结构、测量原理了解典型流体输送设备——离心泵第四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2.1流体静力学基本名词流体的静力学属性及静力学方程流体静力学方程的应用第五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/176§2.1流体静力学2.1.1基本名词1.流体是否仅指液体？承受任何微小切向应力都会发生连续变形的物质。流体

气体

液体流体质点与连续介质模型把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型。第六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/177流体微团（或流体质点）：宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；同时微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质.第七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/178流体的特征1．易流动性

流体受到外部切向力作用时，易于变形而产生流动。2．可压缩性

流体在外部温度和压力作用下，流体分子间的距离会发生一定的改变，表现为流体密度大小的变化。工程上：流体

可压缩流体

不可压缩流体密度为常数气体液体第八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日92.流体的静力学属性1)流体的密度流体的密度：单位体积流体的质量，，属于物性。影响因素：流体种类、浓度、温度、压力

获得方法：（1）查物性数据手册 （2）公式计算：第九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1710液体混合物：(无体积效应)气体：----------理想气体状态方程气体混合物：(wn：质量分数)(n：体积分数)2)相对密度相对密度为物质密度与4C时纯水密度之比，用d表示，量纲为一。如：第十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日113）流体的压强及其表示方法

流体的压强：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。用p表示，工程上习惯称之为压力。（1）压强单位SI制中，N/m2=Pa，称为帕斯卡1atm(标准大气压)=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.013×105N/m2=1.013bar1at(工程大气压)=735.6mmHg=10mH2O=1kgf/cm2 =9.807×104N/m2=0.9807bar=9.807×104Pa1bar(巴)=105Pa1torr(托)=1mmHg第十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日12表压＝绝对压力-

当地大气压真空度＝当地大气压-绝对压力（2）压强大小的两种表征方法绝对压强表压强第十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日【例】：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80kPa，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气压85.3kPa，天津地区为101.33kPa。分析：维持操作的正常进行，应保持相同的绝对压，根据兰州地区的压强条件，可求得操作时的绝对压。解:绝压=大气压-

真空度

=85300–80000=5300[Pa]真空度=大气压-绝压

=101330-5300=96030[Pa]第十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日142.1.2流体静力学基本方程式流体受力质量力表面力如重力、离心力等，属于非接触性的力。法向力(压力)切向力(剪力)静止流体受力质量力法向力----单位面积上的压力称为压强,习惯上称为静压力。----重力场中单位质量流体所受质量力,即为重力加速度。反映了流体不受水平外力作用，只在重力作用下流体内部压力（压强）的变化规律。第十四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日15流体静力学方程的推导如图所示，取一垂直流体柱，其底面积为A，在距底面高度为z的水平面上作用的压强为p，分析此水平面上厚度为dz的薄层流体所受的力为：(1)向上作用于薄层底面的总压力p·A；(2)向下作用于薄层顶面的总压力(p+dp)A；(3)薄层向下作用的重力ρgdz·Adzp+dppAg第十五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日16流体静止时，作用于流体柱的力处于平衡状态，三力之和应等于零，即：简化得：pA

-(p+dp)A

-

gAdz=0

dp

+

gdz=0

若ρ为常数，上式的不定积分：如取z1和z2为积分下、上限，而作用于z1和z2两个平面上的压强分别为p1、p2，则：流体静力学方程第十六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日17适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体流体静力学基本方程式的讨论压强可以用液柱高度表示；静止流体内部任一点的压强仅为深度的函数同种流体，同一水平面上的压强相等；液面上方的压强能够以同样的大小传递到流体内部；静止流体内部任一点，位能与静压能之和为一常数。hp1p2=p1+ghz1z2第十七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/17180U形管压强计p1-p2=(ρ0-ρ)gRp1-p2=

ρ0gR？？2.1.3流体静力学基本方程式的应用若ρ

<<ρ0第十八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1719液位计p1=p2h1

=

h2化工生产中为了了解容器里物料的储存量，需要使用液位计进行液位的测量。第十九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1720液封p=pA+水ghh

=(p–pA)/水g第二十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1721例：如图所示，蒸气锅炉安装一复式U型水银测压计，截面2-4，6-7之间充水，其余为Hg，已知对基准面而言，各点的标高为：z0=1.8m,z2=0.9m,z4=2.0m,z6=0.7m,z7=2.5m,试计算锅炉内水面上蒸气压强p（表压和绝对压强）第二十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1722解：根据流体静力学方程，p1=p2,p3=p4,p5=p6对于水平面1-2：p2=p1=pa+Hgg(z0–z1)对于水平面3-4：p4=p3=p2

-

H2Og(z4–z2)对于水平面5-6：p6=p5=p4+Hgg(z4–z6)锅炉上方蒸气压强p=p6

-

H2Og(z7–z6)=pa+Hgg(z0–z1)-

H2Og(z4–z2)+Hgg(z4–z6)-

H2Og(z7–z6)=3.66×105Pap–pa=2.65×105Pa第二十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2.2流体流动流体的流量和流速稳态流动与非稳态流动流体型态牛顿粘性定律边界层及边界层分离流体在管内的速度分布第二十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1724§2.2流体流动2.2.1流体的流量和流速

体积流量qV＝Vtm3/s质量流量mqm＝tkg/sqm

＝

qV流量：单位时间内通过导管任一横截面积的流体量qmw＝A流速：单位时间内流体在导管内流过的距离体积流速u＝qVA质量流速平均流速m/skg/(m2s)

w

＝uqm

＝wA＝

uA第二十四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1725管路直径的估算与选择流体种类及状况常用流速范围m/s流体种类及状况常用流速范围m/s水及一般液体1～3压力较高的气体15～25黏度较大的液体0.5～18大气压以下饱和水蒸汽40～60低压气体8～153大气压以下饱和水蒸气20～40易燃、易爆的低压气体（如乙炔等）<8过热水蒸汽30～50流体在管道中的常用流速范围

一般，流量由生产任务决定，而合理的流速则由经济效益决定第二十五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日262.2.2稳态流动与非稳态流动

(1)稳态流动（定常态流动）

流体流动过程中，任一截面上与流动相关的物理量(流速、压强、密度等)不随时间变化的流动。(2)非稳态流动（非定常态流动）

在流动过程中，流体在任一截面上的物理量随时间而变化的流动。化工生产多属于连续稳定过程第二十六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日27(1)雷诺实验2.2.3流动型态

层流过渡流湍流第二十七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日28(2).流动型态层流、湍流(3).流型的判断1)雷诺准数（无量纲量）2)流型的判断层流湍流过渡流d:管道直径u:流速:流体密度:流体粘度注！过渡流不是一种流型第二十八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日292.2.4牛顿粘性定律粘性：流体流动时，产生阻碍流体流动的内摩擦力的一种流动特性，其大小用粘度来衡量oyx江心第二十九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日30uyoyxu=uu=

0面积A推力平板间流体速度变化牛顿粘性定律def牛顿粘性定律：计算层流流体粘度引起的流体内摩擦力F第三十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1731du/dy:

法向速度梯度，s-1:

比例系数,(动力)粘度,N·s/m2内摩擦应力（剪应力）：单位面积上的内摩擦力（N/m2）牛顿粘性定律：流体层间的内摩擦应力或剪应力与法向速度梯度成正比第三十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1732的物理意义：当速度梯度du/dy=1时，=，即因流体粘性而产生的剪应力，反映了流体的粘性；其数值一般由实验测定，与压强关系不大，受温度影响较大。液体：T、；气体：

T、。粘度的常用单位1P(泊)

=100cP(厘泊)

=0.1N·s·m-2=0.1Pa·s第三十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日33牛顿粘性流体粘性流体在管中的速度分布理想流体在管中的速度分布凡服从牛顿粘性定律的流体，如水、空气、一般气体和低分子量溶液等，称为牛顿型流体；而相对分子质量大的高聚物熔融体等，不服从牛顿粘性定律，则称为非牛顿型流体。本章仅讨论牛顿型流体。第三十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日342.2.5流动边界层及边界层分离(1)边界层的形成xy0u=0u=0u0u0u0流体流动边界层的形成过程流动边界层界限湍流边界层层流内层流动边界层厚度实际流体沿壁面流动时，流体中存在：边界层和主流区速度梯度和内摩擦阻力主要集中于边界层第三十四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日35(2)边界层的发展圆管内层流边界层的形成过程L0umaxumaxumaxumax层流内层的厚度与管内流体流动的雷诺数有关，Re=105时，b=0.026d稳定段长度L0

(入口至边界层汇合处)第三十五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日36圆管内湍流边界层的结构湍流层过渡层层流内层(2)边界层的发展稳定段长度L0

(入口至边界层汇合处)也与Re有关，对于层流：L0/d=0.0575Re，湍流：50~100d第三十六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日37(3)边界层的分离指：流体通过曲面流动时，出现的边界层脱离固体壁面的流动现象.产生漩涡属于形体阻力第三十七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日38u(a)u(b)(c)u(d)u边界层分离示例第三十八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1739流体的粘性决定：圆形管道截面上，流体质点的流速沿管道半径方向不同，且管壁处质点速度=0，而管道中心处其速度最大管内层流流速分布管内湍流流速分布2.2.6流体在管内的速度分布第三十九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日40(1)层流速度分布（匀速）rdrlRp1p212umaxu=0urFp1Fp2FW流体柱的受力分析:第四十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1741整理得(a)(b)当r=R时，ur

=0，在r到R之间积分上式得：=0匀速第四十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日42（b）（c）相除得：(c)在管中心，r=0，流速最大umax=:表明管内流体作稳态层流流动时的流速呈抛物线分布umax第四十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日43(2)湍流速度分布湍流的速度分布RR0umax第四十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日44(3)平均流速层流湍流湍流时，雷诺数越大，平均流速越接近于管中心的最大速度第四十四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1745§2.3流体流动系统的质量衡算流体流动过程中涉及三大守恒定律：质量守恒动量守恒能量守恒

质量衡算

能量衡算第四十五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日46流体定常态流动时的质量衡算根据质量守恒定律有：连续性方程式（仅适用于定常态流动）流入系统的流体质量流量=流出系统的流体质量流量u1A1u2A2qm1qm2qm1＝qm2＝qm＝常数1

qV1

＝2

qV2

＝常数

——连续性方程式1

u1A1＝2

u2A2＝常数

u1A1＝u2A2不可压缩流体恒定：或=

u1u2

A2A1qV1

＝qV2

＝qV＝常数

第四十六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日47思考：

如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？第四十七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日内能位能动能压力能功热阻力损失qmUqmgzqmu2/2pqVWQeE失J/s或W温度、比热容垂直高度外界对流体>0流体对外界<0吸热>0放热<0内摩擦、旋涡

柏努利方程的推导§2.4流体流动系统的能量衡算流体入流体出换热器泵1122u1,p1u2

,p2z2WQez1基准面1.伯努利方程式：能量衡算式第四十八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日49压力能的概念：在静止和流动流体内部都存在着静压强，因此，系统的任一截面上都具有压力。当流体要通过某一截面进入系统时，必须要对流体做功，才能克服该截面的压力，把流体压入系统内。这样通过该截面的流体便带着与此功相当的能量进入系统，流体所具有的这种能量称为压力能或静压能。压力能的计算式：设：流体体积流量为qV,流体通过管道某截面所受压力为F。则：流体通过该截面所走的距离：l=

qV/A流体具有的压力能：压力能＝F×l＝pA×qV/A=

pqV=qmp/第四十九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日50流体稳定流动时的能量衡算qmU1+qmgz1+qmu12/2+qmp1/1

+Qe+W输入能量＝输出能量＝qmU2+qm

gz2+qmu22/2+qm

p2/2+E失=p1qV总能量衡算式：Qe′

=Qe/qm,J·kg-1He=W/qm,J·kg-1∑hf

=E失/qm,J·kg-1,摩擦损失>0z:位压头,mu2/2g:动压头,mp/g:静压头,m总压头第五十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/17511)理想流体流动过程的能量衡算理想流体：a.流体在流动时无摩擦，无能量损失b.不可压缩流体假设：T、U、不变Qe＝0、W＝0理想流体伯努利方程式：单位质量流体的机械能第五十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日522).实际流体流动过程的能量衡算假设：T、U、不变Qe＝0能量损失：∑hf(J/kg)……由摩擦阻力引起能量补充：He(J/kg)……由流体输送设备提供实际流体伯努利方程式：——机械能衡算方程（柏努利方程）第五十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日53对实际流体的能量衡算：有效压头静压头动压头位压头压头损失可写成：第五十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日54机械能衡算方程（柏努利方程）讨论：(1)适用条件：不可压缩（压强变化<20%）、连续、均质流体、等温流动--------静力学方程(2)对静止流体,u=0,Hf=0,He=0：(3)理想流体的柏努利方程表明，理想流体在等温流动过程中任意截面上的总机械能或总压头为常数，但不同截面上各形式的能量不一定相等，相互间可转换第五十四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日55伯努利方程式的应用使用机械能衡算方程时，应注意以下几点：系统的选取：基准水平面的选取

压力用绝压或表压均可，但两边必须统一。系统的流体必须连续、均质；有流体进出的那些流通截面应与流动方向相垂直，且已知条件最多；包含待求变量通常选两截面之一为基准面……(m)第五十五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1756例：从一水池中用虹吸管吸水，系统的尺寸如图所示。所用的虹吸管直径为38mm2.5mm。1）求水管每小时的输水量(qV)（设管道的阻力可忽略）；2）A点位于进水口水管的中心，B点位于水管顶端的中心。求输水过程中A,B两点的静压强。（水的密度取1000kg·m-3）1122基准水平面z1=3mz2=0u1=0u2=?待求p1=0p2=0He=0hf=0第五十六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1757第五十七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/17582)求A,B两点的静压强：在水池液面与水管进口A截面处列出柏努利方程式（以水池液面为基准面）同理：在水池液面与水管最高点B界面间列出柏努利方程得：pB=-39.2kPa112222第五十八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2.5管内流动阻力直管阻力损失计算通式层流流动的阻力损失计算湍流摩擦阻力计算与量纲分析法非圆型管内的流动阻力*局部阻力损失计算第五十九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1760流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。化工管路系统主要由两部分组成，一部分是直管，另一部分是管件、阀门等。相应流体流动阻力也分为两种：直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力,hf；局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力,hf’

。总阻力损失：hf

=hf

+hf’第六十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日61若1kg流体流动时产生的阻力损失为∑hf

(J·kg-1)，则流体密度为ρ时，1

m3流体流动时的阻力损失为ρ∑hf，其单位与压强的单位一致，故此时阻力损失可用压强降来表示：hf

=hf

+hf’总阻力损失：p=hf

=(hf

+hf’)第六十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日62范宁公式范宁公式适用于不可压缩流体的定常态流动，可用于层流、湍流，计算阻力损失的关键是确定不同流动型态下的摩擦系数。2.5.1.直管阻力损失计算通式管内流体流动时压力降与剪切力平衡关系1122p1p2FWuld阻力损失来源：靠近管壁处流体内产生的摩擦应力第六十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1763管内流体流动时压力降与剪切力平衡关系1122p1p2FWuld管壁处的剪应力W与压强降p=p1–p2关系的推导:截面1-1、2-2间流体的受力：①压强差p引起：②管壁处剪切力Fw引起：Fw=W·A=W·(dl)第六十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日64即：流体作定常态流动时，受力平衡：改写上式：（p

~

W关系）令：摩擦系数，与剪应力有关，是流体物理性质和流动状况的函数，量纲为1第六十四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日65显然有：摩擦阻力损失压头损失令范宁因子f：——以上几式均称为范宁公式注意：压力损失Δp是流体流动能量损失的一种表示形式，与两截面间的压力差Δp=p1−p2意义不同，只有当管路为水平时，二者才相等第六十五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日662.5.2层流流动的阻力损失计算(1)层流速度分布（匀速）rdrlRp1p212umaxuR=0ur管中心r=0处最大流速umax:距管中心r处流体流速：管内平均流速：第六十六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日672.5.2层流流动的阻力损失计算设厚度为dr的流体薄层的截面积为dA，半径r处的流速为ur，则该流体的体积流量dqV为：层流阻力损失计算dqV=ur·2rdr当r从0R时，dqV从0qV，上式两边积分得：圆环截面dA第六十七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日68则，管内流体的平均流速u为：（d:管道内径）——Hagen-Poiseuille方程，表示管内流体作层流运动时平均流速u与压强降p的关系第六十八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日69则，管内流体的平均流速u为：（d:管道内径）——Hagen-Poiseuille方程，表示管内流体作层流运动时平均流速u与压强降p的关系第六十九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日70对比：牢记！第七十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日712.5.3湍流摩擦阻力计算与量纲分析法用量纲分析法确定湍流的摩擦阻力系数原因：湍流的剪应力不能用牛顿粘性定律表示。若按照常规方法，固定其中四个变量而改变一个变量来研究每个变量对摩擦系数的影响，则需作55=3125次实验。分析，摩擦系数λ的影响因素：流体密度ρ和粘度μ，流体平均流速u，管道直径d和管壁粗糙度ε。因此，摩控系数λ为多个变量的函数，即λ=f(,,u,d,)第七十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日72为了减少实验次数，应用量纲分析法来处理。量纲分析法：将许多影响因素，归纳整理成为数不多的几个特征数，然后以这几个特征数为变量，即可使实验的次数大为减少。如：暂不考虑管壁粗糙度的影响，则有：λ=Adaubce根据两边量纲相等的原则有：[L0M0T0]=

[L]a[L∙T-1]b

[M∙L-3]c[M∙L-1∙T-1]e

=La+b-3c-e·Mc+e·T-b-e式中L、M、T依次为表示长度、质量和时间的量纲符号第七十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日73根据量纲一致性原则，上式两边每个基本量纲的量纲指数应相等，故有：L：

a+b-3c-e=0M：

c+e=0T：

-b-e=0解得：a=-e;b=-e;c=-e

代入：λ=Adaubce得λ

=Ad–eu–e–ee=ARe–e第七十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日74由此可见可将量d,u,,等四个变量简化为特征数Re一个变量式中ε/d为管壁粗糙度ε

和管径d之比，称为相对粗糙度，量纲为1。若考虑管壁的粗糙度对于摩擦系数的影响，也只有两个量纲为1的变量Re和/d,即：第七十四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日75对于光滑管，经实验测定，有以下两种结果：一：——柏拉修斯式，适用于Re:5k~100k二：适用范围为Re：3k~3000k，但只限于钢管或铁管。对于粗糙管，经顾毓珍等测得：第七十五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1776摩擦系数与雷诺数Re和相对粗糙度/d的关系莫狄(Moody)摩擦系数图层流:~Re湍流时受Re影响大,受/d影响小Re

湍流时同时受Re、/d影响大Re过大时,其对的影响减弱第七十六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日77例：用一直径32mm3mm，长度l=30m的不锈钢管输送密度=1.84103kg·m-3、粘度

=2.510-2Pa·s的浓硫酸，当管内流速分别用u=0.50m·s-1和2.3m·s-1时，试分别计算管道所产生的压强降p（不锈钢管道的粗糙度=0.3mm）解：管路内产生的压强降源于克服阻力损失，可用范宁公式计算：管内径d=(32–32)10-3m=2.610-2m关键在于求首先要确定流动型态第七十七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日78第七十八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日79第七十九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日80(1)当量长度法(2)阻力系数法当量长度法：局部阻力损失折算成与其相当的直管长度的摩擦阻力损失来计算。即：“当量长度”，以le表示。阻力系数法：局部阻力引起的能量损失用动能倍数表示，：局部阻力系数，量纲为1，实验测定。2.5.5局部损失计算第八十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日导致局部阻力的部分管件阀门闸阀止逆阀第八十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日82例：用泵将溶剂由地面贮槽输送至距槽内液面10m高处的塔中。地面贮槽通大气，塔内压力为0.2atm（表压），流量qV=6m3·h-1时，输送管道为32mm3mm的无缝钢管，管长l=20m，泵的吸入管路底部有一摇板式止逆底阀，管路中有10个标准90

弯头，一个标准截止阀（全开），一个闸阀（全开）。求输送单位质量流体需要提供的机械能。（输送温度下溶剂的物性：

=861kg·m3，

=6.4310-4Pa·s）

第八十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日83解：取贮槽液面为截面1-1，管路出口端面为截面2-2，并以1-1面为基准面，在两截面间列能量衡算式：第八十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日84p2–p1=0.2atm=2.026104N·m-2溶剂在管中的流速：取管壁粗糙度

=0.3mm，则/d=0.00938查图得：摩擦系数

=0.038第八十四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日85查表得各管件的局部阻力系数值分别为：因此，单位质量流体需获得的能量为：90标准弯头

=0.75摇板式止逆底阀

=2闸阀（全开）

=0.17标准截止阀（全开）

=6.0第八十五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日86

工程上计算流体流动阻力时，若能估计出管路在使用中的腐蚀情况，则应按估计的ε值查取λ

而不能用新管的ε

，较常用的办法是采用安全系数，即按使用情况将根据新管的ε查出的λ乘以大于1的安全系数。一般平均使用5—10年的钢管，其安全系数可取1.2~1.3，以适应粗糙度的变化。第八十六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日p70习题7：如图所示，高位水槽液面恒定，距地面10m，水从108mm×4mm钢管流出。钢管出口中心线与地面的距离为2m，管路的总阻力（包括进、出口等局部阻力损失）可按hf=16.15u2J∙kg-1计算，式中u为水在管内的流速（m∙s-1）。求：（1）A-A'截面处的流速为多少？（2）水的流量为多少?水10m2mA-A'第八十七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日88例：液体由高位槽流向一密闭的连续流动反应器，反应器内压强为4.5104Pa(表压)，输送管道为108mm4mm的无缝钢管，管长l=30m，流速u=0.8m·s-1时。求计算高位槽液面与反应器液面之间的垂直高度(两液面保持不变)。(输送温度下溶剂的物性：

=720kg·m3，

=1.710-3Pa·s)已知：钢管绝对粗糙度

=0.3mm孔板流量计le/d=200由储槽进入导管处le/d=20其余均为标准件2个全开闸阀2个90弯头1个三通1个截止阀（半开）第八十八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日89第八十九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日90（2）求Σle：查表孔板流量计:

le/d=200由储槽进入导管处:

le/d=202个全开闸阀: le/d=9×2=182个90弯头: le/d=35×2=701个三通: le/d=501个截止阀（半开）

le/d=475

Σle

=833第九十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日91（3）求ΣHf：第九十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日92第九十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2.6流体流量的测量孔板流量计转子流量计第九十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日942.6.1孔板流量计孔板流量计操作示意图1122R00uab流量测量是化工生产中的一个重要操作0-0：带圆孔的孔板1-1：流体截面尚未收缩处2-2：流体截面收缩至最小处（缩脉）a,b：孔板前后，接U型管压强计第九十四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1795(1)测量原理（机械能守恒）(2)计算公式（能量衡算）列1-1，2-2面柏努利方程1122R00uab数据：1-1：p1,u1,z1,A1

2-2：p2,u2,z2,A20-0：p0,u0,z0,A0第九十五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日96根据流体流动性方程：qV=u1A1=u2A2第九十六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日97用孔板0-0截面处数据代替缩脉2-2截面数据，即：u0和A0代替u2和A2，pa和pb代替p1和p2，并作校正得：令：C0：孔流系数，量纲为1，由实验测定，通常为0.6~0.71122R00uab第九十七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/1798若U型管压强计中液体密度为0，读数为R，则：1122R00uab第九十八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日99结构简单，制作容易；采用不同孔口直径的孔板可测量不同流量范围的流量，应用广泛；缺点是阻力损失大，若孔口边缘受流体腐蚀或磨损，应定期校正，实际生产常用文丘里流量计。孔板流量计的优缺点：文丘里流量计第九十九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/171002.6.2转子流量计构造：由一个倒锥形的玻璃管和一个能上下移动并且比流体密度大的转子构成，流体自下而上流动，转子的上浮高度，表示流体的流量第一百页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/17101测量原理和计算公式垂直向上的推动力，等于流体流经转子与锥管间的环形截面所产生的压力差；垂直向下的净重力，等于转子所受的重力减去流体对转子的浮力.转子受到两个力的作用：转子上下端压强差造成的升力

=转子的重力–转子所受浮力第一百零一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/17102设：转子体积Vf，密度f，最大截面Af，流体密度，当转子处于平衡状态时，则有：第一百零二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日103转子处于平衡状态时，转子稳定在锥管中某一高度，管壁与转子之间的环形面积不变，这种情况与流体流过孔板流量计的孔口情况相似，故计算转子流量计流量的公式可仿照孔板流量计的流量公式表示为：第一百零三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日104AR：转子与管壁之间的环隙面积，m2，实际生产中的唯一变量CR：转子流量计的流量系数，量纲为1，由实验测定第一百零四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日105其他流体流量的校正：（1）液体（2）气体转子流量计的结构简单，读数方便，精度较高，阻力损失较小，故应用较为普遍。但不能经受高温高压，在安装时注意保持垂直。1：标定用液体2：被测流体f：转子1：标定用气体2：被测气体第一百零五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2.7流体输送设备离心泵的构造及工作原理往复泵旋转泵真空泵第一百零六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日107输送液体——泵输送气体——鼓风机或压缩机。离心式流体输送设备往复式流体输送设备旋转式流体输送设备用来输送流体并向流体提供能量的机械设备分类：根据介质分类按照工作原理分：第一百零七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/171081.离心泵构造（1）叶轮：离心泵核心部件，由6-12片叶片组成，构成数目相同的液体通道。按有无盖板分为开式、闭式和半开式。开式：输送含较多固体的悬浮液或浆状、糊状物料。半开式：输送含固体颗粒、杂质流体。闭式：输送洁净的流体，扬程高。第一百零八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日109（2）泵壳：泵体的外壳，在叶轮四周形成一个截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道。此外，泵壳还设有与叶轮所在平面垂直的入口和切线出口。（3）泵轴：位于叶轮中心且与叶轮所在平面垂直的一根轴。它由电机带动旋转，以带动叶轮旋转。第一百零九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日110离心泵的工作原理从轴心至叶轮边缘，提速进入叶轮与泵壳间的通道，且截面渐大动能静压能（压强增大）轴心处形成负压，流体吸入叶轮旋转，液体甩向叶轮边缘，中心液体减少气缚现象如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上第一百一十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日111离心泵的特性参数离心泵的主要性能参数有扬程、流量、轴功率和效率扬程：又称泵的压头，指泵对每牛顿重力的液体提供的机械能，He，单位m，

与流量、叶轮结构、尺寸和转速有关。扬程不是升举高度！第一百一十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日112测定：1-1，2-2截面间能量衡算He——泵的扬程，mH0——（z2–z1）,mH1——真空表度数,mH2——压强计度数,m扬程He第一百一十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日113流量：指泵在单位时间内输送流体的体积，又称送液能力，qV,单位m3·s-1或m3·h-1，由实验测定功率和效率：泵的功率分轴功率和有效功率两种表示法轴功率：电动机等传递给泵轴的功率，P，J·s-1或WP=U·I第一百一十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日114效率：反映泵内各种能量损失，离心泵:50%~70%,大型泵:>80%有效功率：流体实际获得的功率，Pe，J·s-1或WqV——泵的流量,m3·s-1He——泵的扬程，m

——输送液体的密度,kg·m-3g

——重力加速度,m·s-2第一百一十四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日115离心泵的特性曲线表征离心泵He、P、、qV间的关系，反映泵的性能，是分析和选用泵的重要依据He

~qV~qVP~qVqV/m3·h-1P/W/%He/mHe

~qV曲线流量qV泵的压头He,即流量越大，泵给单位重量流体提供的机械能越小。但是，这一规律对流量很小的情况可能不适用。曲线具体形态与泵结构有关。P

~qV曲线流量qV轴功率P

qV

=0时P

=0

，所以大流量输送一定对应着大的配套电机，且离心泵应启动时应关闭出口阀，这样可以使电机的启动电流最小。

~qV曲线流量qV效率

先后，qV

=0时

=0

，根据生产任务选泵时，应使泵在最高效率点附近工作。第一百一十五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日116例：用泵将地面贮槽中密度为1840kg·m-3的液体以1.5kg·s-1的流量送至贮罐中。地面贮槽内液面恒定，贮罐高出地面贮槽液面10m，地面贮槽和贮罐皆通大气。输送管道内径25mm，流动过程的能量损失为52.0J·kg-1，若泵的效率为50%，计算泵所需的轴功率。分析：轴功率P=？效率为

=50%有效功率Pe=P即求：扬程He能量衡算：1-1，2-2截面间，且1-1面为基准面第一百一十六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日117解：以1-1截面为基准面，在两截面间应用柏努利方程：已知：d=25mm=1840kg·m-3z1=0,z2=10mp1=p2=0(均通大气)u1=0，u2=？qm=1.5kg·s-1g·Hf=52.0J·kg-1第一百一十七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日118有效功率：所以轴功率：效率为

=50%P=Pe/

=454.4W第一百一十八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日119例：用泵将温度为20C的水，以qV

=10.8m3⋅h-1的流量通过48mm3.5mm的管道由低位贮槽送到高位贮槽，两槽均通大气。入口管不伸到高位槽液面内。管道的水平距离为150m，垂直高度为10m其中各种管件和阀门的当量长度为管径的260倍，管壁的绝对粗糙度为0.3mm，若泵的效率为60%，问需要多大功率的离心泵？分析：轴功率P=？效率为

=60%有效功率Pe=P即求：扬程He能量衡算：1-1，2-2截面间，且1-1面为基准面第一百一十九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日120解：以1-1截面为基准面，在两截面间应用柏努利方程：已知：d=48–23.5=41(mm)=0.041(m)qV=10.8m3·h-1=3.010-3m3·s-1=1000kg·m-3z1=0,z2=10mp1=p2=0(均通大气)u1=0，u2=？le=260d=10.66ml=160m=0.3mm水=10-3Pa·s管路总阻力损失：第一百二十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日121判断流型：流动型态为湍流相对粗糙度：查表得：=0.034以上数据代入式：得扬程：第一百二十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日122有效功率：所以轴功率：效率为

=60%P=Pe/

=2.3kW第一百二十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日123例：某车间要将密度为

=1200kg·m-3的溶液以qV

=100m3⋅h-1的流量从贮槽送到高10m（从贮槽的液面向上计算）的高位槽内，贮槽内的压强为0.1MPa（绝对压强），高位槽内的压强为0.05MPa（表压），导管的直径为159mm4.5mm，管路的长度为150m（直管长度加上局部阻力的当量长度）。假设管路的摩擦系数为

=0.03，问能否选用扬程He′=17.1m，送液能力为0.0306m3·s-1的离心泵？第一百二十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日124解：判断泵是否使用主要看其扬程和送液能力是否满足要求。所需送液流量：qV

=100m3⋅h-1

=0.0278m3·s-1<0.0306m3·s-1

送液符合要求第一百二十四页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日125所需泵的扬程：以两贮槽内液面分别为1-1、2-2截面，且取1-1截面为基准面，在两截面间应用柏努利方程，得：已知：

=1200kg·m-3qV

=100m3⋅h-1z1=0m,z2=10mp1=0.1MPa,p2

p1+0.05MPau1

u2=0d=159–24.5=150(mm)=0.15(m)l+le=150m=0.03管路总阻力损失：式中u：管路中的流速第一百二十五页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日126相关数据代入，得：>17.1m此离心泵的扬程不符合要求，泵不适用。第一百二十六页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日127离心泵的安装高度如图：若增加泵的安装高度Hg，则叶轮中心处的压力p必然下降。当Hg增加，而p下降至被输送流体在操作温度下的饱和蒸气压时，将在泵内产生：被输送流体在叶轮中心处发生气化，产生大量气泡；气泡由中心向周边运动，由于压力增加而急剧凝结，产生局部真空，周围液体高速冲向真空区域；气泡冷凝发生在叶片表面时，众多液滴高频撞击叶片；加速叶片的腐蚀。气蚀现象第一百二十七页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日128安装高度如图：取泵吸入贮槽水面为截面0-0，水流方向垂直面为截面1-1，并以0-0截面为基准面，进行能量衡算z0=0,z1=Hg,pa:槽面大气压强，p1：泵入口压强u0=0，u1：入口流速第一百二十八页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日129设：Hs=(pa–p1)/g得离心泵的安装高度Hg：而：z1=Hg第一百二十九页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日130u12/(2g):吸入管路上的流体动压头，u1Hg，故离心泵的吸入管径常大于压出管径，以减小u1Hf：吸入管路的阻力损失，管路上尽量减少管件、阀门等可减小Hf，增大安装高度Hg最大安装高度：开始发生气蚀时的安装高度，

Hg,max=(pa–p1)/(g)=Hs习惯用Hs=(pa–p1)/(g)液柱高度：允许吸上真空高度；实验测定；产品说明书上常为98.1kPa下输送20℃清水时的结果开始发生气蚀时的(pa–p1)：允许吸入压差；第一百三十页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日131例：某工段领到一台离心泵，泵的铭牌上标着：流量qV

=20m3⋅h-1，扬程He′=30.8mH2O，转速n=2900r·min-1，允许吸上真空高度Hs

=7.2m，泵的流量和扬程均符合要求，若已知管路的全部阻力为1.8mH2O，当时当地大气压为736

mmHg，试计算：

(1)输送20℃水时泵的安装高度为多少？(2)输送90℃水时泵的安装高度又为多少？第一百三十一页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/17132解：(1)求输送20℃水时泵的安装高度已知：Hs

=7.2m，Hf

=1.8mH2O，u12/(2g)通常数值较小，忽略不计，当时当地大气压为736

mmHg≈10

mH2O，与泵出厂时实验条件基本符合，故Hs不用换算即：Hg

=7.2−1.8=5.4m第一百三十二页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日133(2)输送90℃水时的安装高度此时由于水温高,允许吸上真空高度会有很大变化,应进行换算：已知：大气压为736

mmHg≈10

mH2O，查表得90℃时水的饱和蒸汽压pt=70.1kPa，该温度下水的密度为965.3kg·m-3计算出的Hg为负值，这说明此离心泵在输送90℃的水时，其安装位置应在贮槽液面以下的2.0m处.第一百三十三页，共一百五十一页，编辑于2023年，星期日134水泵：适用于输送清水或物性与水相近、无腐蚀性且杂质较少的液体。结构简单，操作容易。耐腐蚀泵：用于输送具有腐蚀性的液体，接触液体的部件用耐腐蚀的材料制成，要求密封可靠。油泵：输送石油产品的泵，要求有良好的密封性。泥浆泵：输送含固体颗粒的液体、稠厚的浆液，叶轮流道宽，叶片数少。离心泵的类型离心泵结构简单，流量均匀操作方便，易于调节和控制，适用于输送各类液体或浆液，应用范围广泛，在化工生产中，约占用泵数量的80%~90%第一百三十四