Chapter One 流体流动流体流动 Fluid Flow化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件2 2 2 21.1.序言序言流体的定义流体的定义：气体和液体的总称气体和液体的总称.流动性，即抗剪抗张（shearstresses)能力都很小。无固定形状，随容器的形状而变化。在外力作用下流体内部发生相对运动。研究流体流动的重要性研究流体流动的重要性：工业中流体状态多。工业中流体状态多。(管路输送、设备、传热管路输送、设备、传热)单元操作涉及流体多。单元操作涉及流体多。(混合、过滤、传热、传质混合、过滤、传热、传质)2化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件3 3 3 3概述：概述：流体力学是流体力学是力学力学的一个分支，它主要研的一个分支，它主要研究究流体本身流体本身的的静止静止状态和状态和运动运动状态，以及状态，以及流流体和固体界壁间体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和有相对运动时的相互作用和流动的规律。流动的规律。主要基础主要基础是是牛顿运动定律牛顿运动定律和和质量守恒定质量守恒定律律。流体力学流体力学 (fluidmechanics)：3化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件4 4 4 4流体力学理论的形成流体力学理论的形成阿基米德阿基米德牛顿牛顿欧拉欧拉柏努利柏努利与其他学科交叉，发展。与其他学科交叉，发展。4化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件5 5 5 5流体连续性假设流体连续性假设假设流体是由大量假设流体是由大量质点质点组成的彼此间没组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的有空隙，完全充满所占空间的连续介质连续介质。目的：为了摆脱复杂的目的：为了摆脱复杂的分子运动分子运动，而从，而从宏宏观的角度观的角度来研究流体的流动规律。来研究流体的流动规律。大量分子构成的集团，大量分子构成的集团，但其大小与管路线容器但其大小与管路线容器的尺寸相比仍微不足道。的尺寸相比仍微不足道。5化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件6 6 6 6流体流动的实质流体流动的实质实质实质：并非指其内部分子的运动（静止流体：并非指其内部分子的运动（静止流体的分子是运动的）。而是流体内部无数的分子是运动的）。而是流体内部无数质点质点运动的总和运动的总和。6化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件7 7 7 7研究流体流动的重要意义流体的输送：流体的输送：研究流体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；压强、流速及流量的测量：压强、流速及流量的测量：为了了解和控制生产过程，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，这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的；为强化设备提供适宜的流动条件：为强化设备提供适宜的流动条件：化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的，设备的操作效率与流体流动状况有密切的联系7化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件8 8 8 8流体力学研究内容流体力学研究内容fluidstaticsfluiddynamics（流体静力学）（流体动力学）.外力作用下静止的流体外力作用下静止的流体运动的流体运动的流体8化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件9 9 9 9本章研究的内容流体的静止规律；流体的流动规律；压强、流量、流速等的测量；流体输送机械和管道特性和有关计算；如何利用有关规律去强化生产过程，解决实际问题9化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件101010101.pressure2.densityandspecificvolume3.hydrostaticequilibrium4.application2.流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式(Hydrostaticequilibrium）10化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件111111112.1Pressurepressure(P)andforce(F)units:PPa（帕）,FN(牛顿)压强单位的转换压强单位的转换：1atm=101325Pa=10330kgf/m2=10.33mH2O=760mmHg11化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件12121212Differentexpressionofpressure:绝对压力绝对压力(absolutepressure)，真空度真空度(vacuum)，表压表压(gaugepressure)，大气压大气压(atmosphere)绝对压力绝对压力-大气压大气压=表压表压大气压大气压-绝对压力绝对压力=真空度真空度真空度真空度=-表压表压12化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件13131313例题1在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80103Pa。在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为若干？兰州地区的平均大气压强为85.3103Pa，天津地区的平均大气压强为101.33103Pa。解：根据兰州地区的大气压强条件，可求得操作时塔顶的绝对压强为绝对压强=大气压强真空度=85300-80000=5300Pa在天津操作时，要求塔内维持相同的绝对压强，由于大气压强与兰州的不同，则塔顶的真空度也不相同，其值为真空度=大气压强绝对压强=101330-5300=96030Pa化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件141414142.2密度（密度（density）与比容（与比容（specificvolume）=m/Vkg/m3typeoffluid;P;T;14化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件15151515不可压缩性流体不可压缩性流体(Incompressiblefluid)一般一般流体的体积（密度）都是随压强和流体的体积（密度）都是随压强和温度的变化而变化的。温度的变化而变化的。对于液体（如水），压强的变化对其密对于液体（如水），压强的变化对其密度的影响很小，可以忽略不计，流体的度的影响很小，可以忽略不计，流体的特性称为不可压缩性。特性称为不可压缩性。液体被视为不可压缩流体，其密度只与液体被视为不可压缩流体，其密度只与温度有关，即温度有关，即= (T)15化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件16161616可压缩性流体可压缩性流体(Compressiblefluid)它的密度随温度和压强的不同而出现较它的密度随温度和压强的不同而出现较大的差别，气体是可压缩流体。大的差别，气体是可压缩流体。一般在压强不太高，温度不太低的情况一般在压强不太高，温度不太低的情况下，可以按理想气体处理。即下，可以按理想气体处理。即(p,T)化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件171717172.2.1 2.2.1 气体密度的计算气体密度的计算当压力温度适中，按照理想气体状态方程，当压力温度适中，按照理想气体状态方程，pV=mRT/M=pM/RTpkPaTKMkg/kmol（摩尔质量）（摩尔质量）R8.31kJ/kmolK17化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件18181818标准状态下：=pMT0/22.4Tp0质量一定时，温度、压力和体积变化关系：pV/T=pV/T化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件19191919比例法计算比例法计算:=0PT0/P0T0=M/22.4kg/m3(标态下，标态下，T0=273 K, P0=101.325103 Pa, 摩尔体积是摩尔体积是 22.4 m3/kmol )19化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件20202020m= AxVA+ BxVB + nxVn当当P、T适中适中,M用用Mm代替代替，Mm=(Myi),m=pMm/RTorm=(yii)yi摩尔分数摩尔分数混合气体密度计算混合气体密度计算20化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件21212121若若混合前后体积变化不大或不变混合前后体积变化不大或不变，则，则，1Kg混合液的体积混合液的体积=各组分单独存在的各组分单独存在的体积之和，体积之和，1/m=(i /i)ii组分的密度组分的密度,ii组分的质量分率组分的质量分率,2.2.2 2.2.2 液体混合物密度计算液体混合物密度计算21化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件222222222.2.3相对密度（相对密度（relativedensity）/比重比重常压下，常压下，4摄氏度的水的密度为（摄氏度的水的密度为（1000kg/m3）.2.2.4比容（比容（Specificvolume，)v=1/m3/kg22化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件232323232.3 2.3 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式推导推导应用应用23化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件24242424AdZP+dpp推导的前提：推导的前提：不可压缩流体，密度不随压力变化。不可压缩流体，密度不随压力变化。24受力分析：pA-(p+dp)AgAdZ=0同除以A，得dp+gdZ=0化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件25252525Integration(积分分)，得，得or25化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件26262626如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为的压力为p0，液柱，液柱Za-Zbh，则上式可改写为，则上式可改写为p=p0+gh26化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件27272727讨论讨论1）等压面）等压面静止静止的，的，连续连续的的同一液体同一液体内，深度相等的各内，深度相等的各点压力相等。点压力相等。2）P0变化时，内部各点变化值相等。变化时，内部各点变化值相等。3）液柱高度：）液柱高度：h=P2-P0/g4)气体压力温度变化不大时（气体压力温度变化不大时（20%以内），以内），可视为不可压缩流体。可视为不可压缩流体。27化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件28282828(5)energyconservation（能量守恒）（能量守恒）P/g+Z=constant(morJ/N)P/+Zg=constant(NorJ/kg)P+gZ=constant(PaorJ/m3)staticheadstaticenergystaticpresspotentialheadpotentialenergypotentialpressureZ-从基准面算起的从基准面算起的位压头位压头，P/g-从基准面算起的从基准面算起的静压头静压头，28化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件29292929例题21)判断下列两关系是否成立，即pA=pApB=pB计算水在玻璃管内的高度h化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件303030302.3.3 2.3.3 流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用(1)测压强测压强U形管液位压差计（形管液位压差计（U-tubemanometer）.30化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件31313131b. inclined manometer(斜管斜管压差差计)R=R/ sin 31化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件32323232c.two-liquidmanometer(双液压差计双液压差计)P1-P2=Rg(a-b)(a-b)越小越小,R越大越大.32化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件33333333(2)measurementoftheliquidlevelThesmallerR,thehigherliquidlevel.Rx33化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件34343434(3)heightofliquidseal(确定液封高度确定液封高度)？p1(gaugepressure)h=p1/(H2Og)Considerationofsafe,hisshallower(nodeeper)thanthevaluecalculated.34化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件35353535HomeworkP59 思考题思考题1-4，P60 ，习题，习题1-2，1-5，1-8推导题推导题35化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件363636363. 3. 流体流动基本方程流体流动基本方程管道中流动的流体管道中流动的流体1.流量与流速流量与流速2.稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动3.ContinuityEquation( (连续性方程式连续性方程式) )4.BernoulliEquation(柏努利方程式柏努利方程式)5.实际流体机械能衡算式实际流体机械能衡算式36化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件373737373.1 3.1 流量与流速流量与流速3.1.1流量流量(1)Vs(体积流量体积流量)，m3/s(2)ws(质量流量质量流量)，kg/sws = Vs 3.1.2流速流速(1)u(平均流速平均流速)，m/su=Vs /AA-截面积截面积,m2流量与流速的关系：流量与流速的关系：ws =uA37化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件38383838点速度点速度local velocitylocal velocity与平均速度与平均速度average velocityaverage velocity 产生原因产生原因:流体有粘性流体有粘性.38化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件39393939 G 、ws 与与 T 、P无关无关。39(2)G(质量流速质量流速),kg/(m2.s)G=ws/A=uA/A=u化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件404040403.1.3 3.1.3 管道直径的估算管道直径的估算( (d d) )u=Vs/AA=d2/4=0.785d2(Vs/0.785u)1/2一般的一般的u范围见下页范围见下页表表.液体液体0.5-3m/s,气体气体10-30m/s.Examples40化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件414141某些流体在管道中常用的流速范围某些流体在管道中常用的流速范围41液体种类及状况液体种类及状况液体种类及状况液体种类及状况常用流速范围常用流速范围常用流速范围常用流速范围 （ m/sm/s）自来水（3105Pa）1.01.5水及低黏度液体1.53.0高黏度液体0.51.0低压气体8.015易燃易爆的低压气体（如乙炔）此时管壁粗糙度对的影响与滞流时相近Re，b,类似于层流。类似于层流。)156化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件157157157157(3)完全湍流，完全湍流，LWhenReisunchanged,lossofenergyincreaseswith.157化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件1585.4.2因次分析法因次分析法可将几个变量组合成一个无因次数群，它提供了减小变量数的有效手段。例如Re数就是由d、u、和四个变量所组成的无因次数群，这样用无因次数群代替个别变量进行实验。数群的数目总是比变量的数目少。实验次数就可大大减少，关联数据的工作就会有所简化。化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件159因次分析法因次一致性原则和定理因次一致性原则：任何物理方程的等式两边或方程中的每一项均具有相同的因次定理(Buckingham定理)：任何因次一致的物理方程都可以表示为一组无因次数群的零函数。即：f(1、2、3、i)=0无因次数群1、2、3、i的数目i等于原方程的变量数n减去基本因次数m，即：i=n-m化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件160160160160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求：湍流时的摩擦系数求：湍流时的摩擦系数 定理定理N个个物理量，物理量，M个量纲，个量纲，N-M个准数的关系个准数的关系160化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件161161161161影响因素：影响因素：d, l, u, , .Thatisp=f(d,l,u,) N=7；M=3; N-M=4161化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件162162162162量纲分析量纲分析:dimp=M-2L-1dimd=Ldiml=Ldimu=L-1dim=ML-3dim=M-1L-1dim=L162化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件163163163163p=Kdalbucjkq163因次一致原则设以b、k、q表示为a、c、j的函数，则联解得：a=-b-k-q；c2-k；j1-k将a、c、j值代入得：化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件164因次分析湍流阻力将指数相同的物理量合并在一起即得：Euler准数Eu雷诺准数Re由此可见，变量数由原来的7个减少为现在的4个这样按上式进行实验要简便得多待定参数K、b、k、q由实验来确定化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件165因次分析法(Dimensionalanalysis)因次分析法只是从物理量的因次着手，即把以物理量表达的一般函数式演变为以无因次数群表达的函数式。它并不能说明一个物理现象中的各影响因素之间的关系。如果遗漏了必要的物理量，或把不相干购物理量列进去，都会导致错误的结论。经过因次分析得到无因次数群的函数式后，具体函数关系，如式中的系数K与指数b、k、q仍需通过实验才能确定。化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件1661661661665.4.3湍流的摩擦系数湍流的摩擦系数=(Re,/d)166化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件167167167167167摩擦系数的计算式湍流时，在不同的Re值范围内和对不同的管材，的表达式亦不相同光滑管，Re=31031105，(Blasius公式)=0.3164/Re0.25粗糙管，Re4000，1/0.5=1.74-2lg（2/d+18.7/Re/0.5）湍流时的半经验半理论计算式一般都较复杂，用起来不方便，为了简化计算，Moddy绘制了Re、/d、和对应关系（Moddy图）化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件168168168168湍流区： Re4000过渡区：Re=20004000滞流区：Re2000168Moddy图图化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件169169169169该图可分为四个区域：该图可分为四个区域：(1).层层流流区区：Re2000,可可计计算算(=64/Re)，也也可可以以查图查图hf u(2).过过渡渡区区：2000Re4000及及 虚虚 线线 以以 下下 的的 区区 域域=f(Re,/d).(4).完完全全湍湍流流区区（在在图图中中虚虚线线以以上上的的区区域域）=f(/d),与与Re基本无关基本无关.一定，一定，hf u2此区域也称为阻力平方区此区域也称为阻力平方区169化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件1705.5 5.5 流体在非圆形直管内的流动阻力前面讨论的都是圆管圆管圆管圆管圆管是最常用的断面形式，但是工程上也有常用到非圆形管非圆形管非圆形管非圆形管的情况例如通风系统中的风道，有许多就是矩形的如果设法把非圆管折合成圆管来计算，那么根据圆管制定的上述方式和图表也就适用于非圆形管了这种由非圆管折合到圆管的方法是从水力半径水力半径水力半径水力半径的概念出发，通过建立非圆管的当量直径来实现的化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件171水利半径rH定义定义定义定义：流体在流道里的流道截面积A与润湿周边长度之比rH=A/由圆的rH=d2/(4d)=1/4d=0.25d=0.25d则d=4rH，即圆管直径为rH的4倍将此推广到非圆形管，非圆形管的当量直径de=4rH这样流体在圆管中湍流时的流动阻力计算式就可适用于非圆形管的情况，不过必须以de代替d化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件172172172172非圆形管内的当量直径非圆形管内的当量直径d de eA为流通截面积为流通截面积为湿润周边为湿润周边套管环隙外管内径套管环隙外管内径d2,内管外径内管外径d1,矩形管长矩形管长a,宽宽b在层流情况下，当采用当量直径计算阻力时，在层流情况下，当采用当量直径计算阻力时，=c/Re,c可查表。可查表。 ab d2 d1172化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件1731731731735.6局部阻力损失局部阻力损失流体在管路的进口，出口，弯头，阀门，扩大，流体在管路的进口，出口，弯头，阀门，扩大，缩小等局部位置流过时，其流速的大小和方向缩小等局部位置流过时，其流速的大小和方向都发生变化，且流体受到干扰和冲击，使湍流都发生变化，且流体受到干扰和冲击，使湍流现象加剧而消耗能量现象加剧而消耗能量hf=u2/2(阻力系数法阻力系数法)hf=(le/d)(u2/2)(当量长度法当量长度法)173化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件174174174174管件与阀门管件与阀门管路系统管路系统1.pipesAB,2.fittings法兰，直角弯头、三通、法兰，直角弯头、三通、174化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件175175175175阀门阀门1.截止阀截止阀严严密密可可靠靠，而而且且可可较较精精确确地地调调节节流流量量，所所以常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。以常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。2.闸阀闸阀构构造造简简单单，液液体体阻阻力力小小，不不易易为为悬悬浮浮物物所所堵塞，常用于大直径管道。堵塞，常用于大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；检修困难。其缺点是闸阀阀体高；检修困难。3.止逆阀止逆阀当流体自左向右流动时，阀自动开启；如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。175化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件176176176176截止阀截止阀176化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件177177177177闸阀闸阀177化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件178178178178止逆阀止逆阀178化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件1791791791795.6.1局部阻力系数局部阻力系数hf=u2/2179化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件180180180180180化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件181181181181突然扩大时，突然扩大时，突然缩小时，突然缩小时，注注意意：流流速速u均均为为小小管管中中的的流流速速,A1为为较较小小截截面积面积.常用的情况常用的情况:当流体从管道出口当流体从管道出口:A1/A2=0,=1流体自容器进入管的入口流体自容器进入管的入口:A2/A1=0,=0.5181化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件1821821821825.6.2当量长度法当量长度法lehf = ( le/d)( u2/2）182化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件1831831831835.7 5.7 管内流动的总阻力损失管内流动的总阻力损失Examples183化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件184184184184阻力损失阻力损失hf计算小结计算小结1.直管阻力直管阻力:的的计计算算:(1)层层流流:=64/Re(2)湍流湍流:=f(Re,/d),由查图得到由查图得到.2.局部阻力局部阻力:由阻力系数法或当量直径法计算由阻力系数法或当量直径法计算:或或le/d由由查查表表1-3得到得到.另外另外,对对于突然于突然扩扩大或突然大或突然缩缩小小,由由计计算得到算得到:184化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件185185185185Exercises1.流体在圆形直管内作滞流（层流）流动时，流体在圆形直管内作滞流（层流）流动时，其速度分布呈其速度分布呈_形曲线，中心最大形曲线，中心最大速度为平均速度的速度为平均速度的_倍。此时摩倍。此时摩擦系数擦系数与与_无关，只随无关，只随_加大而加大而_。185化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件抛物线，2，/d，Re，减小。2.牛顿粘性定律表达式为牛顿粘性定律表达式为_，它只适，它只适用于用于_型流体。型流体。化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件1871871871873.实验室为了控制流动为定态流动，采用带溢流实验室为了控制流动为定态流动，采用带溢流装置的高位槽。槽内水经装置的高位槽。槽内水经893.5mm的管子送的管子送至密闭设备内。在水平管路上装有压强表，读数至密闭设备内。在水平管路上装有压强表，读数为为6104Pa。已知由高位槽至压强表安装的截面。已知由高位槽至压强表安装的截面间总能量损失间总能量损失105J/kg。每小时需要水。每小时需要水2.85104kg。求高位槽液面至压强表安装处的垂直距离。求高位槽液面至压强表安装处的垂直距离h。187化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件188188188188解：（1）取高位槽水液面为）取高位槽水液面为1-1截面，压强表安装位截面，压强表安装位置为置为2-2截面，以水平管的中心线为基准水平面，截面，以水平管的中心线为基准水平面，如图中所示。如图中所示。（2）可列出柏努利方程：）可列出柏努利方程：各量确定如下：各量确定如下：z1=h（待求值），（待求值），z2=0，P1=0（表压），（表压），P26104Pa（表压），（表压），u10，u2可求出，可求出，we0（3）求）求u2,（4）将以上各值代入柏式）将以上各值代入柏式188化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件1891891891896. 6. 管路计算管路计算1.连续性方程式连续性方程式:qm=constant,qv=consant(为为常数常数)2.柏努利方程式柏努利方程式:3.阻力阻力计计算式算式:=(Re,/d),机械能衡算式机械能衡算式189化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件管路计算的情况管路计算的情况190已知管径、管长、管件和阀门的设置及流体的输送量，求能量损失We。已知管径、管长、管件和阀门的设置及允许的能量损失,求流体的流速(u)和流量。已知管长、管件和阀门的当量长度、流量及允许的能量损失,求管径。化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件191191191191简单管路的计算简单管路的计算没有分支或汇合的单一管路。没有分支或汇合的单一管路。包括：等径管路、不等径管路、循环管路。包括：等径管路、不等径管路、循环管路。循环管路循环管路不等径管路不等径管路等径管路等径管路191化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件192192192192简单管路的特点：简单管路的特点：通过各管段的质量流量不变，服从连通过各管段的质量流量不变，服从连续性方程续性方程对不可压缩流体则体积流量不变对不可压缩流体则体积流量不变整个管路的阻力损失为各管段的阻力整个管路的阻力损失为各管段的阻力损失之和。损失之和。192化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件193已知管径、管长、管件和阀门的设置及流体的输送量，求能量损失We。P59例1-20化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件管路计算常用方法试差法194已知管径、管长、管件和阀门的设置及允许的能量损失,求流体的流速(u)和流量。已知管长、管件和阀门的当量长度、流量及允许的能量损失,求管径。Reu(d)试差法试差法化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件195化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件管路计算试差法196试差法求摩擦系数试差法求摩擦系数h =(l/d) (u2/2g) u= (2H g/)(d/l)1/2 (1) = f(Re) = f (u) (2)u=f()and=f(u)(1)假设u=u0(2)根据Eq.(2)计算0(3)根据Eq.(1)计算u1(4)比较u0与u1.若u1接近于u0,停止;否则，重新假设u1，perform(1)(4)化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件复杂管路的计算简单管路：无分支管路。复杂管路：(并联管路及分支管路，不含管网)197化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件复杂管路的计算内容已知总流量和各分支管尺寸，求各支管的流量。已知各支管的流量、管长及管件、阀门的设置，求合适的管径。在已知输送条件下，计算输送设备应提供的功率。198化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件并联管路的特点=1+2+3；=const；V=V1+V2+V3并联的管段内压强降相等即阻力损失相等，即：（管路长，管径细而阻力较大的管段通过的流量小，反之流量大）并联各支管流量分配具有自协调性。任意两支管i、j的流量分配比为199化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件计算并联管路的阻力时只需考虑其中任一管段的阻力即可，绝不能将并联的各管段阻力全部加和作为并联管路的阻力并联管路在不另加能量的前提下能适当增大流体输送量。(最为经济便利的增大流量的方法，但有限)200化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件例1-22201化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件分支管路的特点主管质量流量等于各支管质量流量之和，对不可压缩流体,可以表示从分支点出发可对各支管列柏努利方程202（分支点处的总机械能是一定值）（分支点处的总机械能是一定值）化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件分支管路的计算无论分流或交汇，分支管路系统各支管与主管之间总是相互牵制的，任何一条支管流动状况的改变都会影响到系统内所有的支管，因此管路计算较为复杂。一般原则是逆着流动方向，由远而近对每一个分支点进行分解，逐一列出方程，编程上机计算。203化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件2042042042047.流速和流量测量流速和流量测量利用机械能内部的相互转化。利用机械能内部的相互转化。1.pitot(皮托管皮托管)2.orificemeter(孔板流量计孔板流量计)3.venturimeter(文丘里流量计文丘里流量计)4.Rotameter(转子流量计转子流量计)204介绍几种根据流体流动时各种机械能相互转换关系而设计的流速计和流量计化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件2052052052057.1 7.1 皮托管皮托管测速管测速管（1 1）结构原理）结构原理21Ru1图图1-31 测速管测速管205由两根弯成直角的同心套管所由两根弯成直角的同心套管所组成，组成，外管外管管口封闭，但侧面管口封闭，但侧面开有一些小孔，开有一些小孔，内管内管口敞开，口敞开，管口截面垂直于与流动方向。管口截面垂直于与流动方向。化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件206206206206p=(0-)gR206化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件207207207207对于气体，对于气体，0,则简化为则简化为 207化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件208208208208平均速度平均速度u 的测定的测定测速管所测的是管道截面上某一点的轴向速度测速管所测的是管道截面上某一点的轴向速度ur。若要测定截面上的平均速度，应测定管中心至管壁若要测定截面上的平均速度，应测定管中心至管壁若干点的速度，然后用积分法求其平均值。若干点的速度，然后用积分法求其平均值。若已知管截面上的速度分布规律，也可根据管中若已知管截面上的速度分布规律，也可根据管中心的速度与平均速度的关系求出平均速度。心的速度与平均速度的关系求出平均速度。u/umax与管内与管内Re的大小有关，如图的大小有关，如图1-20所示。若要求平均所示。若要求平均速度，可将皮托管放在管道中心线上（速度，可将皮托管放在管道中心线上（r =0），测），测出最大流速出最大流速umax，求出，求出Remax=dumax/，查图，查图1-20，求出，求出u/umax再求出再求出u。208化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件209209209209皮托管的安装皮托管的安装 测量点应取在充分发展了的流动管段，保证测量点应取在充分发展了的流动管段，保证位于均匀流段，即测量点距管口或转弯处位于均匀流段，即测量点距管口或转弯处l /L0 50d。 应与流动方向平行安置，保证管口截面应与流动方向平行安置，保证管口截面严格严格垂直垂直于流动方向。于流动方向。 测速管外径测速管外径d0 d/50。209化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件2102102102107.2. 7.2. 孔板流量计孔板流量计(1)工作原理工作原理Bernoulli equationA smaller, u larger, and P smallerp通过通过U型管测量。型管测量。210圆孔的金属板圆孔的金属板插入管插入管道内道内与管轴垂直与管轴垂直孔孔的中心位于管道的中心线上，的中心位于管道的中心线上，孔板称为节流元件。孔板称为节流元件。化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件211211211211u01102233缩脉缩脉 R211化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件212212212212A1A0A2A3(=A1),u1u0u2u3(=u1),P1p0p2p3(被测流体从底部进入，顶部流出在玻璃管外表面上刻有读数，根据转子的停留位置，即可读出被测流体的流量220220220220220化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件测量原理流体在环隙中的速度较大，压强较小，于是在转子的上、下端面形成一压差，转子将“浮起”随着转子的上浮，环隙面积逐渐增大，环隙中的流速将减小，两端压差也随之降低当转子上浮至某一高度时，转子上下端面的压差造成的升力恰好等于转子的净重力时，转子不再上升，悬浮于该高度上221化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件222222222222222化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件223223223223ForceanalysispAf=Vf(f-)gp=Vf(f-)g/Af当浮子不动时，当浮子不动时，p恒定。恒定。223化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件224224224224计算流速：计算流速：A2:环隙面积环隙面积.CR:转子流量计系数转子流量计系数.Vs与与A2有关有关.u恒定恒定p=Vf(f-)g/Af224化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件225225225225修正：修正：转子流量计的安装转子流量计的安装应严格垂直安装应严格垂直安装225化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件226226226226比较：比较：PitottubeOrificemeterRotameter:226化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件习题227化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件2282282282284.某车间丙烯精馏塔的回流系统如附图所示，某车间丙烯精馏塔的回流系统如附图所示，塔内操作压强为塔内操作压强为1304kPa（表压），丙烯贮（表压），丙烯贮槽内液面上方的压强为槽内液面上方的压强为2011kPa（表压），（表压），塔内丙烯出口管距贮槽的高度差为塔内丙烯出口管距贮槽的高度差为30m，管，管内径为内径为145mm，送液量为，送液量为40ton/h。丙烯的。丙烯的密度为密度为600kg/m3，设管路全部能量损失为，设管路全部能量损失为150J/kg。问：将丙烯从贮槽送到塔内是否。问：将丙烯从贮槽送到塔内是否需要用泵？计算后简要说明。需要用泵？计算后简要说明。228化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件229229229229解：（1）将丙烯从贮槽送到塔内是否用泵，必须用）将丙烯从贮槽送到塔内是否用泵，必须用柏努利方程式求出柏努利方程式求出We值后才能判断。值后才能判断。（2）取贮槽液面为）取贮槽液面为1-1截面，且定为基准水平面，截面，且定为基准水平面，取塔内丙烯出口管的管口为取塔内丙烯出口管的管口为2-2截面，如图示。截面，如图示。（3）在两截面间列出柏努利方程：）在两截面间列出柏努利方程：各量确定：各量确定：z1=0，z2=30m，u10，u2可求出，可求出，P1=2011kPa，=600kg/m3，P2=1304kPa，hf=150J/kg。（4）求）求u2及及We。229化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件230230230230（5）说明：）说明：We的涵义是外加功，计算结果的涵义是外加功，计算结果We为负值，说明系统不需要用泵，而依靠贮槽与塔为负值，说明系统不需要用泵，而依靠贮槽与塔两个设备的压强差即可满足输送丙烯的要求。两个设备的压强差即可满足输送丙烯的要求。230化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件2312312312315.右附图所示的侧压分别与三个设备右附图所示的侧压分别与三个设备A、B、C相连通。连通管下部是汞，上部都是水，三个相连通。连通管下部是汞，上部都是水，三个设备内液面在同一水平面上。设备内液面在同一水平面上。问：（问：（1）在同一水平面上的）在同一水平面上的1、2、3三处压强三处压强是否相同，为什么？是否相同，为什么？（2）在同一水平面上的）在同一水平面上的4、5、6三处压强是否三处压强是否相等，为什么？相等，为什么？231化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件232232232232解：解：（1）1、2、3三处压强不等，因为它们虽是三处压强不等，因为它们虽是静止，且在同一水平面上，但这三处都不静止，且在同一水平面上，但这三处都不是连通着的同一种流体。是连通着的同一种流体。（2）4、5、6三处压强相等，因为这三处是三处压强相等，因为这三处是静止的，连通着的同一种流体，并在同一静止的，连通着的同一种流体，并在同一水平面上。水平面上。232化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件233233233233补充习题补充习题1(不讲）不讲）如图1-1所示，容器A、B内=800kg/m3，u型管内流体密度=10400kg/m3，接于a、b两点，读数分别为R1、R2。若将测压点a和压强计一起向下移h=0.5m，R1、R2如何变化？图图1-1233化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件234234234234补充习题补充习题2（不讲）（不讲）如图如图2-1所示，一高位槽下接水管，以便将水所示，一高位槽下接水管，以便将水排至大气中。在管中部有一喉管，喉管内径与排至大气中。在管中部有一喉管，喉管内径与水管内径之比为水管内径之比为0.8。现在喉管处接一垂直小。现在喉管处接一垂直小管与下方管与下方1m处的另一水槽相通，若忽略水在处的另一水槽相通，若忽略水在管中流动时的机械能损失，管中流动时的机械能损失，（1）试判断垂直小管中水的流向；）试判断垂直小管中水的流向；（2）若将垂直小管改为弯头小管，弯头迎着）若将垂直小管改为弯头小管，弯头迎着来流方向，如图来流方向，如图2-2所示，试判断此时弯头小所示，试判断此时弯头小管中水的流向。管中水的流向。234化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件235235235235图图2-1图图2-2235化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件236236236236补充习题补充习题3（不讲）（不讲）如图如图3-1所示，流体从高位槽所示，流体从高位槽A流向槽流向槽B，两槽，两槽液面均维持不变液面均维持不变。若将阀门。若将阀门k1开大，则管内流开大，则管内流量及阀门前后压力表读数量及阀门前后压力表读数pM、pN如何变化？如何变化？图图3-1236化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件系数减小，则流速增大。系数减小，则流速增大。pM减小。减小。pN。237237237237解：解：由两个大截面间柏努力方程，阻力不变。由两个大截面间柏努力方程，阻力不变。237化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件2382382382381.7液体密度液体密度1250kg/m3.大液面上方大液面上方29.4kpa（表压）表压）.问：问：(1)R=？（指示液密度？（指示液密度1400kg/m3);(2)A、B处的表压？处的表压？238化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件2392392392391.8出口管出口管57mm3.5mm.出口阀全关，压力表读数为出口阀全关，压力表读数为30.4kpa.出口阀全开，压力表读数为出口阀全开，压力表读数为20.3kpa.管中压头损失管中压头损失0.5m.问：流量？问：流量？239化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件2402402402402.流体在圆形直管中作层流流动，如果流量流体在圆形直管中作层流流动，如果流量等不变，只是将管径增大一倍，则阻力损失等不变，只是将管径增大一倍，则阻力损失为原来的为原来的_。3.当当20的甘油的甘油(=1261kg/m3,=1499mPa.s)在内径为在内径为100mm的管内流动时的管内流动时,若流若流速为速为2.5m.s-1,则雷诺准数则雷诺准数Re为为,摩擦阻摩擦阻力系数力系数为为.。240化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件2412412412411牛顿粘性定律适用于牛顿型流体，且流体牛顿粘性定律适用于牛顿型流体，且流体应呈（应呈（）（A）层流流动；）层流流动；（B）湍流流动；湍流流动；（C）过过渡型流动；渡型流动；（D）静止状态静止状态2计算管路系统突然扩大和突然缩小的局部计算管路系统突然扩大和突然缩小的局部阻力时，速度值应取为（阻力时，速度值应取为（）（A）上游截面处流速；）上游截面处流速；B）下游截面处流速；）下游截面处流速；（C）小管中流速小管中流速；D）大管中流速）大管中流速241化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件2422422422427流体流过转子流量计时的压强降随流量的流体流过转子流量计时的压强降随流量的增大而（增大而（）（）增大；）降低；）不变；）不确定（）增大；）降低；）不变；）不确定8当管子放置的角度或水流方向改变时，流当管子放置的角度或水流方向改变时，流速不变，其能量损失（速不变，其能量损失（）（）增大；（）增大；）降低；）降低；）不变；）不变；）不确定）不确定9当把皮托管放在管中心处测量时，其当把皮托管放在管中心处测量时，其U形形管压差计的读数反映了管中心处的（管压差计的读数反映了管中心处的（）（）冲压能；（）冲压能；（）静压能；（）静压能；（）位能；（）位能；（）（）动能动能242化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件243243243243本章总结本章总结一、主要概念一、主要概念压强（计量基准、单位）；密度（混合物密压强（计量基准、单位）；密度（混合物密度的计算）；当量直径、当量长度；度的计算）；当量直径、当量长度；二、基本方程式与计算式二、基本方程式与计算式静力学基本方程式（应用）；静力学基本方程式（应用）；p=p0+gh连续性方程式（应用）；连续性方程式（应用）；伯努利方程式（表达式、伯努利方程式（表达式、物理意义，应用）物理意义，应用）243化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件244244244244三、定律三、定律牛顿粘性定律；牛顿粘性定律；四、准数四、准数雷诺准数（表达式、各项单位）；雷诺准数（表达式、各项单位）；五、方法论五、方法论因次分析法；因次分析法；六、系数、参数的查表与查图六、系数、参数的查表与查图摩擦系数摩擦系数；阻力系数；阻力系数；黏度、密度；黏度、密度；总阻力计算表达式（直管、局部阻力计算）；总阻力计算表达式（直管、局部阻力计算）；244化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件245245245245Thats the end!Any questions ?245化工原理天大修订版流体流动课件化工原理天大修订版流体流动课件