第一章流體流動(dòng)與輸送機(jī)械

1、流體流動(dòng)與輸送機(jī)械流體流動(dòng)與輸送機(jī)械第一章第一章材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*2o 熟練掌握的內(nèi)容熟練掌握的內(nèi)容 流體主要物性和壓強(qiáng)的定義、單位及換算；流體靜流體主要物性和壓強(qiáng)的定義、單位及換算；流體靜力學(xué)基本方程式、連續(xù)性方程、機(jī)械能衡算方程及其應(yīng)力學(xué)基本方程式、連續(xù)性方程、機(jī)械能衡算方程及其應(yīng)用；流體的流動(dòng)類型、雷諾準(zhǔn)數(shù)及其計(jì)算；流體在圓形用；流體的流動(dòng)類型、雷諾準(zhǔn)數(shù)及其計(jì)算；流體在圓形直管內(nèi)的阻力及其計(jì)算。直管內(nèi)的阻力及其計(jì)算。2. 2. 理解的內(nèi)容理解的內(nèi)容 邊界層的基本概念；非圓形管內(nèi)的阻力計(jì)算，當(dāng)量邊界層的基本概念；非圓形管內(nèi)的阻力計(jì)算，當(dāng)量直徑；局部阻力的計(jì)算；簡(jiǎn)單管路的計(jì)算；測(cè)速管

2、，孔直徑；局部阻力的計(jì)算；簡(jiǎn)單管路的計(jì)算；測(cè)速管，孔板流量計(jì)、文氏流量計(jì)與轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理板流量計(jì)、文氏流量計(jì)與轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理及使用要求。及使用要求。 3. 3. 了解的內(nèi)容了解的內(nèi)容 圓形管內(nèi)流動(dòng)的速度分布；復(fù)雜管路的計(jì)算。圓形管內(nèi)流動(dòng)的速度分布；復(fù)雜管路的計(jì)算。 本章學(xué)習(xí)要求 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*3學(xué)習(xí)本章的意義：1 流體存在的廣泛性。在化工廠中，管道和設(shè)備中絕大多數(shù)物質(zhì)都是流體 （包括氣體、液體或氣液混合物）。只是到最后，有些產(chǎn)品才是固體。 2 通過研究流體流動(dòng)規(guī)律，可以正確設(shè)計(jì)管路和合理選擇泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等流體輸送設(shè)備，并且計(jì)算其所需的功率。 3 流體流動(dòng)

3、是化工原理各種單元操作的基礎(chǔ)，對(duì)強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)具有重要的實(shí)踐意義。因?yàn)闊崃總鬟f，質(zhì)量傳遞，以及化學(xué)反應(yīng)都在流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，與流體流動(dòng)密切相關(guān)。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*4主要內(nèi)容o 1-1 1-1 流體靜力學(xué)基本方程及其應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程及其應(yīng)用o 1-2 1-2 流體流動(dòng)的基本方程流體流動(dòng)的基本方程o 1-3 1-3 流體流動(dòng)現(xiàn)象流體流動(dòng)現(xiàn)象o 1-4 1-4 流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力o 1-5 1-5 管路計(jì)算與管路布置原則管路計(jì)算與管路布置原則o 1-6 1-6 流體輸送流體輸送材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*5材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*61-1 1-1 流體靜力學(xué)基本方程

4、及其應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程及其應(yīng)用o 1 11-1 1-1 有關(guān)的基本概念有關(guān)的基本概念一流體的密度一流體的密度二流體的靜壓強(qiáng)二流體的靜壓強(qiáng)o 1-1-21-1-2流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程 o 1-1-3 1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用 一壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測(cè)量一壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測(cè)量二液位的測(cè)量二液位的測(cè)量三液封高度的計(jì)算三液封高度的計(jì)算材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*7流體流動(dòng)的考察方法連續(xù)性假定 固體力學(xué)：考察對(duì)象-單個(gè)固體，離散介質(zhì)。 流體力學(xué)：考察對(duì)象-無數(shù)質(zhì)點(diǎn)，連續(xù)介質(zhì)。 例如點(diǎn)壓強(qiáng)的考察 p (正壓力/面積)材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*8質(zhì)點(diǎn)含有大量分子

5、的流體微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸、遠(yuǎn)大于分子平均自由程?？赡苄裕?mm3常溫常壓氣體含2.51015個(gè)分子， 分子平均自由程為0.1m量級(jí)。連續(xù)性假定流體是由無數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的，彼此間沒有間隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)。目的：可用微積分來描述流體的各種參數(shù)。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*91-1-1 1-1-1 有關(guān)的基本概念有關(guān)的基本概念一、流體的密度一、流體的密度1 1定義和單位定義和單位 單位體積流體所具有的流體質(zhì)量稱單位體積流體所具有的流體質(zhì)量稱為密度，以為密度，以表示，單位為表示，單位為kg/m3。11Vm當(dāng)當(dāng)V0時(shí)，時(shí)，m/V的極限值稱為流體內(nèi)部的極限值稱為流體內(nèi)部的某點(diǎn)密度。的某點(diǎn)密度

6、。 2 2、液體的密度、液體的密度不隨壓強(qiáng)而變化，隨溫不隨壓強(qiáng)而變化，隨溫度略有改變。常見純液度略有改變。常見純液體的密度值可查教材附體的密度值可查教材附錄（錄（注意所指溫度注意所指溫度）。）?；旌弦后w的密度，在忽略混合體混合液體的密度，在忽略混合體積變化條件下，可用（積變化條件下，可用（1-2）下式）下式估算（以估算（以1kg混合液為基準(zhǔn)），即混合液為基準(zhǔn)），即（1-2）材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*101-1-1 1-1-1 有關(guān)的基本概念有關(guān)的基本概念其值隨溫度和壓強(qiáng)而變。當(dāng)可當(dāng)作理想氣體處理時(shí)，其值隨溫度和壓強(qiáng)而變。當(dāng)可當(dāng)作理想氣體處理時(shí)，可用下式計(jì)算，即可用下式計(jì)算，即 3 3氣體的密度

7、氣體的密度TppT000RTpM 或或（1-3）（1-3a）對(duì)于混合氣體，可用平均摩爾質(zhì)量對(duì)于混合氣體，可用平均摩爾質(zhì)量Mm代替代替M 。（1-4）式中式中yi -各組分的摩爾分率（體積分率或壓強(qiáng)分率）。各組分的摩爾分率（體積分率或壓強(qiáng)分率）。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*111-1-1 1-1-1 有關(guān)的基本概念有關(guān)的基本概念二、流體的靜壓強(qiáng)二、流體的靜壓強(qiáng)1 1定義和單位定義和單位（1-5）流體作用面上的壓強(qiáng)各處相等時(shí)，則有流體作用面上的壓強(qiáng)各處相等時(shí)，則有（1-5a）在連續(xù)靜止的流體內(nèi)部，壓強(qiáng)為位置的連續(xù)函數(shù)，任一點(diǎn)的壓強(qiáng)與作在連續(xù)靜止的流體內(nèi)部，壓強(qiáng)為位置的連續(xù)函數(shù)，任一點(diǎn)的壓強(qiáng)與作用面垂

8、直，且在各個(gè)方向都有相同的數(shù)值。用面垂直，且在各個(gè)方向都有相同的數(shù)值。垂直作用于流體單位面積上的壓力稱為流體的壓強(qiáng)，以垂直作用于流體單位面積上的壓力稱為流體的壓強(qiáng)，以p表表示，單位為示，單位為Pa。俗稱壓力，表示靜壓力強(qiáng)度。俗稱壓力，表示靜壓力強(qiáng)度。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*122 2、壓強(qiáng)的不同表示方法、壓強(qiáng)的不同表示方法 1-1-1 1-1-1 有關(guān)的基本概念有關(guān)的基本概念（1）壓強(qiáng)的其它表示方法與單位換算）壓強(qiáng)的其它表示方法與單位換算工程上常間接的用液柱高度工程上常間接的用液柱高度h表示壓強(qiáng)，其關(guān)系式為表示壓強(qiáng)，其關(guān)系式為（1-6）1atm=10.33mH2O=760mmHg=1.013

9、3bar=1.0133105Pa換算關(guān)系換算關(guān)系（2）壓強(qiáng)的基準(zhǔn)）壓強(qiáng)的基準(zhǔn)以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)叫絕對(duì)壓強(qiáng)，是流體的真實(shí)壓強(qiáng)。以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)叫絕對(duì)壓強(qiáng)，是流體的真實(shí)壓強(qiáng)。絕對(duì)壓強(qiáng)，表壓強(qiáng)，真空度之間的關(guān)系可用絕對(duì)壓強(qiáng)，表壓強(qiáng)，真空度之間的關(guān)系可用動(dòng)畫動(dòng)畫圖圖1-1表示表示材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*131-1-1 1-1-1 有關(guān)的基本概念有關(guān)的基本概念材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*14例：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔塔頂真空表讀數(shù)為80kPa，在天津操作時(shí)，真空表讀數(shù)應(yīng)為多少？已知蘭州地區(qū)平均大氣壓為85.3kPa，天津地區(qū)為101.33kPa。解：絕壓=85.3-80=5.3kPa 天津操作時(shí)，真

10、空度為 101.33-5.3=96.03kPa材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*151-1-21-1-2流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程靜止流體的規(guī)律就是流體在重力場(chǎng)的作用下流體內(nèi)部壓靜止流體的規(guī)律就是流體在重力場(chǎng)的作用下流體內(nèi)部壓力變化的規(guī)律。該變化規(guī)律的數(shù)學(xué)描述，稱為力變化的規(guī)律。該變化規(guī)律的數(shù)學(xué)描述，稱為流體靜力流體靜力學(xué)基本力程，學(xué)基本力程，簡(jiǎn)稱靜力學(xué)方程。簡(jiǎn)稱靜力學(xué)方程。 靜力學(xué)方程導(dǎo)出的思路：在靜止的流體中取微元體作受靜力學(xué)方程導(dǎo)出的思路：在靜止的流體中取微元體作受力分析，建立微分方程，然后在一定的邊界條件下積分。力分析，建立微分方程，然后在一定的邊界條件下積分。 流體的靜止?fàn)顟B(tài)是流體

11、運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式，它之所以流體的靜止?fàn)顟B(tài)是流體運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式，它之所以能在設(shè)備內(nèi)維持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，是它在重力與壓力作用能在設(shè)備內(nèi)維持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，是它在重力與壓力作用下達(dá)到平衡的結(jié)果。下達(dá)到平衡的結(jié)果。 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)取z 軸方向與重力方向相反。方程的推導(dǎo)xzO左圖所示的容器中盛有密度為的均質(zhì)、連續(xù)不可壓縮靜止液體,流體所受的體積力僅為重力.ZX材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)1p2pAxzO以容器底為基準(zhǔn)水平面，則液柱的上、下底面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為z1、z2 。1z2z現(xiàn)于液體內(nèi)部任意劃出一底面積為A的垂直液柱。（作用于液柱上下表面的壓強(qiáng)如圖所示）ZX材料化工基礎(chǔ)材料化工基

12、礎(chǔ)1p2pppdpAxzO1z2z現(xiàn)如圖所示取一薄層，薄層上下表面所受的壓強(qiáng)如圖所示：（1）向上作用于薄層下底的總壓力：）向上作用于薄層下底的總壓力：pA（2）向下作用于薄層上底的總壓力：（p+dp）AgAdz（3）向下作用的重力， 由于流體處于靜止，其垂直方向所受的力達(dá)平衡，即： pApdp AgAdzzgpdd化簡(jiǎn)得：ZX材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)1p2pppdpAxzO1z2zzgpdd在圖兩個(gè)垂直位置2和1之間對(duì)上式作定積分：1122d- dpzzppg z由于 和 g 是常數(shù)，故若p1面移至液面上（壓強(qiáng)為p0），則上式變?yōu)?2112ppg zz20120ppg zzpghZX材料化工基

13、礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*20 （1-8b）J/kg1212ppzgz g（1-8）Pa2112ppg zz（1-8a）20ppghm統(tǒng)稱靜力學(xué)基本方程材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*21【靜力學(xué)基本方程的物理意義靜力學(xué)基本方程的物理意義】 1 1總勢(shì)能守恒總勢(shì)能守恒 在同一種靜止流體中不同高度上的微元其靜在同一種靜止流體中不同高度上的微元其靜壓能和位能各不相同，但其總勢(shì)能保持不變壓能和位能各不相同，但其總勢(shì)能保持不變 2 2等壓面等壓面 在靜止的、連續(xù)的同一種液體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的在靜止的、連續(xù)的同一種液體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的靜壓強(qiáng)相等（靜壓強(qiáng)僅與垂直高度有關(guān)，與水平位置無關(guān)）。靜壓強(qiáng)相等（靜

14、壓強(qiáng)僅與垂直高度有關(guān)，與水平位置無關(guān)）。等壓面的正確選取是流體靜力學(xué)基本方程應(yīng)用的關(guān)鍵所在。等壓面的正確選取是流體靜力學(xué)基本方程應(yīng)用的關(guān)鍵所在。 3 3傳遞定律傳遞定律 靜止流體內(nèi)部任一處的壓力與其位置及流體密度有關(guān)，所靜止流體內(nèi)部任一處的壓力與其位置及流體密度有關(guān)，所在在位置愈低、密度愈大，則其壓力愈大位置愈低、密度愈大，則其壓力愈大。壓力可以同樣大壓力可以同樣大小和方向進(jìn)行傳遞。小和方向進(jìn)行傳遞。 4 4液柱高度表示壓強(qiáng)（或壓強(qiáng)差）大小液柱高度表示壓強(qiáng)（或壓強(qiáng)差）大小 壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差的大小可用某種液體的液柱高度表示壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差的大小可用某種液體的液柱高度表示 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*221

15、-1-3 1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用連通器和液柱壓差計(jì)工作原理的基礎(chǔ)；連通器和液柱壓差計(jì)工作原理的基礎(chǔ)；容器內(nèi)液柱的測(cè)量；容器內(nèi)液柱的測(cè)量；液封裝置；液封裝置；不互溶液體的重力分離（傾析器）。不互溶液體的重力分離（傾析器）。解題的基本要領(lǐng)是正確確定等壓面。解題的基本要領(lǐng)是正確確定等壓面。流體靜力學(xué)原理的應(yīng)用流體靜力學(xué)原理的應(yīng)用材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*23RapA簡(jiǎn)單測(cè)壓管簡(jiǎn)單測(cè)壓管1 1、簡(jiǎn)單測(cè)壓管、簡(jiǎn)單測(cè)壓管 最簡(jiǎn)單的測(cè)壓管如圖所示。最簡(jiǎn)單的測(cè)壓管如圖所示。 A點(diǎn)的點(diǎn)的絕壓絕壓為：為： A點(diǎn)的點(diǎn)的表壓表壓為：為： 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 只適用于高于大氣壓的液體壓只

16、適用于高于大氣壓的液體壓強(qiáng)的測(cè)定，不能適用于氣體；強(qiáng)的測(cè)定，不能適用于氣體； 若被測(cè)壓強(qiáng)若被測(cè)壓強(qiáng)pA過大，讀數(shù)過大，讀數(shù)R也也將過大，測(cè)壓很不方便。反之，若將過大，測(cè)壓很不方便。反之，若pA與大氣壓與大氣壓pa過于接近，過于接近，R將很小，將很小，使測(cè)量誤差增大。使測(cè)量誤差增大。gRpp aAgRpp aA1-1-3 1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用一一 壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測(cè)量壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測(cè)量材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*242 2、U U形測(cè)壓管形測(cè)壓管U形測(cè)壓管如圖所示。形測(cè)壓管如圖所示。等壓面等壓面在何處？在何處？ A點(diǎn)的點(diǎn)的表壓表壓為：為： 1iaAghgRpp

17、 12面為等壓面，面為等壓面，p1p2 1A1ghpp gRppia2 1iaAghgRpp 由此求得由此求得A點(diǎn)的點(diǎn)的絕壓絕壓為為gRppiaA 若被測(cè)流體為若被測(cè)流體為氣體氣體，因氣體的密度，因氣體的密度很小，則由氣柱很小，則由氣柱h1造造成的靜壓成的靜壓gh1可以忽略，得可以忽略，得A點(diǎn)的表壓為點(diǎn)的表壓為A1hR12apU形測(cè)壓管形測(cè)壓管i材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*251 1）U U形壓差計(jì)可測(cè)系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差，當(dāng)將形壓差計(jì)可測(cè)系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差，當(dāng)將U U形管一端與形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也可測(cè)得流體的表壓或真被測(cè)點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也可測(cè)得流體的表壓或真空

18、度；空度； 表壓表壓真空度真空度討論：討論：papa材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*261-1-3 1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用3、U管壓差計(jì)管壓差計(jì)（1）指示液的選擇依據(jù)：與被測(cè)流）指示液的選擇依據(jù)：與被測(cè)流體不互溶，不起化學(xué)反應(yīng)，密度大體不互溶，不起化學(xué)反應(yīng)，密度大于被測(cè)流體的密度。于被測(cè)流體的密度。 （2）(p1p2)與與R的關(guān)系的關(guān)系（1-9）當(dāng)當(dāng)Z=0，則上式可簡(jiǎn)化為：，則上式可簡(jiǎn)化為： （1-9a）材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*27（3）絕對(duì)壓強(qiáng)的測(cè)量）絕對(duì)壓強(qiáng)的測(cè)量 1-1-3 1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用若若U管一端與設(shè)備或

19、管道某一截面連接，另一端與管一端與設(shè)備或管道某一截面連接，另一端與大氣相通，這時(shí)讀數(shù)大氣相通，這時(shí)讀數(shù)R所反映的是管道中某截面處的所反映的是管道中某截面處的絕對(duì)壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)之差，即為表壓或真空度，從絕對(duì)壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)之差，即為表壓或真空度，從而可求得該截面的絕壓。而可求得該截面的絕壓。例：例：用用U形管壓差計(jì)測(cè)量水平管道中形管壓差計(jì)測(cè)量水平管道中1、2兩點(diǎn)的壓差，兩點(diǎn)的壓差， 分別以分別以Nm2和和mH2O表示。已知管內(nèi)流體為水，表示。已知管內(nèi)流體為水， 水水1 000kgm3，指示液為四氯化碳，指示液為四氯化碳， 示示l 595kgm3，壓差計(jì)讀數(shù)為，壓差計(jì)讀數(shù)為40cm。材料化工基礎(chǔ)材料

20、化工基礎(chǔ)*28解解 因?yàn)闇y(cè)量水平管道的壓差，因?yàn)闇y(cè)量水平管道的壓差，由式由式(1-9a) 可得可得 A示示l 595kgm3， B 水水1 000kgm3 pp1p2(AB)Rg =0.49.81(15951000) 2440(Nm2)0.248(mH2O)1-1-3 1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*29 如附圖所示，蒸汽鍋爐上裝一復(fù)式壓力計(jì)，指示液為水銀，兩如附圖所示，蒸汽鍋爐上裝一復(fù)式壓力計(jì)，指示液為水銀，兩U形壓差計(jì)形壓差計(jì)間充滿水。相對(duì)于某一基準(zhǔn)面，各指示液界面高度分別為間充滿水。相對(duì)于某一基準(zhǔn)面，各指示液界面高度分別為Z0=2.1

21、m,Z1=Z2=0.9m, Z3=Z4=2.0m, Z5= Z6=0.7m, Z7=2.5m。試計(jì)算鍋爐。試計(jì)算鍋爐內(nèi)水面上方的蒸汽壓力。（已知當(dāng)?shù)貎?nèi)水面上方的蒸汽壓力。（已知當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榇髿鈮簽?01.3kPa，水的密度，水的密度1000kg/m3，水銀密度，水銀密度0=13600 kg/m3 ）)(676zzgpp)(54045zzgpp)(1001zzgppa)(2332zzgpp56pp 34pp 12pp )()(672354100zzzzgzzzzgppakPa416.406材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*30煙囪拔煙煙囪拔煙 pA=p2+冷gh pB=p2+熱gh 由于冷熱,則pApB

22、 所以拔風(fēng)材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*31浮力的本質(zhì)浮力的本質(zhì) 物體上下所受壓強(qiáng)不同物體上下所受壓強(qiáng)不同 取微元：取微元： 壓差力壓差力= =(p2-p1)dA=ghdA=gdV排排 V排排=dV排排材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*324、微壓差計(jì)、微壓差計(jì)微壓差計(jì)微壓差計(jì)1-2 1-1-3 1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用工作介質(zhì)為氣體工作介質(zhì)為氣體 傾斜液柱壓差計(jì)傾斜液柱壓差計(jì) SinRR 1材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*33三三 液封高度的計(jì)算液封高度的計(jì)算 1-1-3 1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用液封裝置演示液封裝置演示 問題：管道插入液

23、體中多長(zhǎng)問題：管道插入液體中多長(zhǎng)才能滿足要求？才能滿足要求？水封高度水封高度Z: 氣氣體體材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*341-2 1-2 流體流動(dòng)的基本方程流體流動(dòng)的基本方程o 1-2-1 1-2-1 基本概念基本概念o 1-2-21-2-2物料衡算物料衡算連續(xù)性方程連續(xù)性方程o 1-2-3 1-2-3 能量衡算方程式能量衡算方程式柏努利方程式柏努利方程式o 1-2-4 1-2-4 柏努利方程式的應(yīng)用舉例柏努利方程式的應(yīng)用舉例材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*35一、流量與流速一、流量與流速 體積流量體積流量：流體單位時(shí)間流過管路任一截面的體積，：流體單位時(shí)間流過管路任一截面的體積， Vs=V / (m

24、 (m3 3/s)/s) 質(zhì)量流量質(zhì)量流量：流體單位時(shí)間流過管路任一截面的質(zhì)量，：流體單位時(shí)間流過管路任一截面的質(zhì)量， ms=m / (kg/s) (kg/s) 流速流速：工程上以體積流量除以管截面所得之商作為平均：工程上以體積流量除以管截面所得之商作為平均速度，簡(jiǎn)稱流速，速度，簡(jiǎn)稱流速， u= Vs /A (m/s) (m/s) 質(zhì)量流速質(zhì)量流速：質(zhì)量流量除以管截面，：質(zhì)量流量除以管截面， G = ms /A= = Vs/A= u (m/s) (m/s)1-2-1 1-2-1 基本概念基本概念ssmV材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*36ududVs22785. 04 uVds785. 0 u，d，

25、管內(nèi)阻力，管內(nèi)阻力，能量消耗，能量消耗，泵、風(fēng)機(jī)設(shè)備操作費(fèi)，泵、風(fēng)機(jī)設(shè)備操作費(fèi)用用；但；但d，設(shè)備投資費(fèi)用，設(shè)備投資費(fèi)用，總費(fèi)用有一最小值，因此是個(gè)，總費(fèi)用有一最小值，因此是個(gè)優(yōu)化的問題。優(yōu)化的問題。 操作費(fèi)用操作費(fèi)用最優(yōu)管徑最優(yōu)管徑費(fèi)用費(fèi)用管徑管徑設(shè)備投資費(fèi)用設(shè)備投資費(fèi)用總費(fèi)用總費(fèi)用經(jīng)驗(yàn)值：液體的流速經(jīng)驗(yàn)值：液體的流速0.53 m/s，氣體，氣體1030m/s材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*37材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*38二二. . 定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)1-2-1 1-2-1 基本概念基本概念定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)非定態(tài)流動(dòng)非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)1-5 各截面上流體的有關(guān)參各截

26、面上流體的有關(guān)參數(shù)僅隨位置而變化，不數(shù)僅隨位置而變化，不隨時(shí)間而變隨時(shí)間而變 非定態(tài)流動(dòng)非定態(tài)流動(dòng)1-6流體流動(dòng)有關(guān)物理量隨流體流動(dòng)有關(guān)物理量隨位置和時(shí)間均發(fā)生變化位置和時(shí)間均發(fā)生變化 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*391-2-2 1-2-2 物料衡算物料衡算-連續(xù)性方程連續(xù)性方程 衡算范圍衡算范圍:管道、輸送機(jī)械、管道、輸送機(jī)械、熱交換器的壁面及截面熱交換器的壁面及截面1-1及及2-2所包圍的控制體，基所包圍的控制體，基準(zhǔn)為準(zhǔn)為1s,則有則有: 21mm 222111AuAums（1-18） 常數(shù)uAAuAums222111推廣為推廣為 （1-18a） 不可壓縮流體不可壓縮流體 常數(shù)uAAuAu

27、2211（1-18b） 式式1-18、1-18a、1-18b統(tǒng)稱為管內(nèi)定態(tài)流動(dòng)時(shí)的連續(xù)性方程式統(tǒng)稱為管內(nèi)定態(tài)流動(dòng)時(shí)的連續(xù)性方程式 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*401-2-21-2-2物料衡算物料衡算-連續(xù)性方程連續(xù)性方程 對(duì)于圓形管道內(nèi)不可壓縮流體的定態(tài)流動(dòng)：對(duì)于圓形管道內(nèi)不可壓縮流體的定態(tài)流動(dòng)：22112)(dduu（u與與d平方成反比）平方成反比） 例：設(shè)圖例：設(shè)圖1-18所示的系統(tǒng)中輸送的是水。已知泵的吸入所示的系統(tǒng)中輸送的是水。已知泵的吸入管道管道1的直徑為的直徑為1084mm，系統(tǒng)排出管道，系統(tǒng)排出管道2的直徑為的直徑為762.5mm。水在吸入管內(nèi)的流速為。水在吸入管內(nèi)的流速為1.5m

28、/s，則水在排，則水在排出管中的流速為（水為不可壓縮流體）：出管中的流速為（水為不可壓縮流體）：材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*411-2-31-2-3能量衡算方程式能量衡算方程式柏努利方程式柏努利方程式 一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算算衡算范圍：衡算范圍：1-1與與2-2兩截面及內(nèi)壁面。兩截面及內(nèi)壁面。衡算基準(zhǔn)：衡算基準(zhǔn)：1kg流體。流體?；鶞?zhǔn)水平面：基準(zhǔn)水平面：0-0平面。平面。流動(dòng)流體所具有的能量流動(dòng)流體所具有的能量J/kgJ/kg 1kg流動(dòng)流體所具有的能量如表流動(dòng)流體所具有的能量如表1-2所示所示 z1u1u21 z2we1qe22材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*42位能位能：流

29、體因處于地球重力場(chǎng)中而具有能量，其值等于把質(zhì)：流體因處于地球重力場(chǎng)中而具有能量，其值等于把質(zhì) 量為量為m m的流體由基準(zhǔn)水平面升舉到某高度的流體由基準(zhǔn)水平面升舉到某高度Z Z所做的功。所做的功。位能位能 = =力力 距離距離= m g Z= m g Z單位質(zhì)量流體的位能：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體的位能：mgZ/m = gZmgZ/m = gZ J/kg 動(dòng)能動(dòng)能：流體因運(yùn)動(dòng)而具有的能量。：流體因運(yùn)動(dòng)而具有的能量。 動(dòng)能動(dòng)能=mu=mu2 2/2/2 每每千克流體的動(dòng)能為千克流體的動(dòng)能為: u: u2 2/2/2 J/kg 靜壓能靜壓能： 將流體壓入流體某截面對(duì)抗前方流體的壓力所做的將流體壓入流體某截面對(duì)抗

30、前方流體的壓力所做的功。靜壓能功。靜壓能= =力力 距離距離一千克流體的靜壓能為一千克流體的靜壓能為 PA.m / ( . A) = P/ J/kg 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*43材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*44能量守恒定律能量守恒定律 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，1kg流體為基準(zhǔn)流體為基準(zhǔn)的連續(xù)定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量衡算式為：的連續(xù)定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量衡算式為：（1-19） 或或 （1-19a） 式（式（1-19）、（）、（1-19a）為定態(tài)流動(dòng)過程的總）為定態(tài)流動(dòng)過程的總能量衡算式能量衡算式，也是流動(dòng)系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式。也是流動(dòng)系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*

31、45二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算 1-2-31-2-3能量衡算方程式能量衡算方程式 柏努利方程式柏努利方程式 流體定態(tài)流動(dòng)的機(jī)械能衡算式流體定態(tài)流動(dòng)的機(jī)械能衡算式 機(jī)械能機(jī)械能動(dòng)能、位能、壓力能、外加工，可以相互轉(zhuǎn)化動(dòng)能、位能、壓力能、外加工，可以相互轉(zhuǎn)化 非機(jī)械能非機(jī)械能內(nèi)能和熱，不能直接轉(zhuǎn)化，用于流體的輸送。內(nèi)能和熱，不能直接轉(zhuǎn)化，用于流體的輸送。內(nèi)能的增量等于其所獲得的熱能減去因流體被加熱而引內(nèi)能的增量等于其所獲得的熱能減去因流體被加熱而引起體積膨脹所消耗的功起體積膨脹所消耗的功 ： 21 pdQUe（忽略摩擦力）（忽略摩擦力） （1-20） 21pd1kg流體流經(jīng)兩

32、截面間因被加熱而引起體積膨脹所做的功，流體流經(jīng)兩截面間因被加熱而引起體積膨脹所做的功，J/kg； eQ1kg流體在兩截面間所獲得的熱量，流體在兩截面間所獲得的熱量，J/kg。 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)eQ是由換熱器加入的熱量是由換熱器加入的熱量 eQ及能量損失及能量損失 兩部分組成，兩部分組成，即即:2121ppdppdp（1-21） 上面三式代入式上面三式代入式1-19，得到，得到 fppehdpuZgW2122（1-22） 流體定態(tài)流動(dòng)的流體定態(tài)流動(dòng)的機(jī)械能衡算式機(jī)械能衡算式 2 2、柏努利方程式、柏努利方程式-不可壓縮流體定態(tài)流動(dòng)的機(jī)械能衡算式不可壓縮流體定態(tài)流動(dòng)的機(jī)械能衡算式 對(duì)于不可

33、壓縮流體，對(duì)于不可壓縮流體， 常常數(shù)數(shù)/121ppdp積分可得積分可得fehpuZgW22（1-23） fehpugZWpugZ2222121122或或 （1-23a） 對(duì)于理想流體對(duì)于理想流體 無外功加入時(shí)無外功加入時(shí) 2222121122pugZpugZ （1-24） 柏努利方程式柏努利方程式材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*47 當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)又無外功加入時(shí)，當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)又無外功加入時(shí)， u1=u2 、we=0、0fw 2211pgzpgz 靜力學(xué)基本方程靜力學(xué)基本方程三、柏努利方程的討論三、柏努利方程的討論材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*48 柏努利方程式的物理意義柏努利方程式的物理意義

34、流體在流動(dòng)中，若沒有外功加入又沒有能量消耗，如沒有流體在流動(dòng)中，若沒有外功加入又沒有能量消耗，如沒有外功加入的理想流體則任一截面上的機(jī)械能總量外功加入的理想流體則任一截面上的機(jī)械能總量E為常數(shù)，即為常數(shù)，即常常數(shù)數(shù) pugzE221理想流體流動(dòng)中各種形式的機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)化。理想流體流動(dòng)中各種形式的機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)化。1122 2221212121pupu 則則u1、u2 、p1、p2 的關(guān)系如何？的關(guān)系如何？有外功加入又有能量消耗有外功加入又有能量消耗 fwwEe材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*49 有效功率有效功率eeNmws 有效功率（流體真正得到的功率）有效功率（流體真正得到的功率）J/kg

35、J/kgkg/sW外界輸給電動(dòng)機(jī)的功率外界輸給電動(dòng)機(jī)的功率 流體真正得到的功率流體真正得到的功率即即 軸功率軸功率N 有效功率有效功率Ne效率效率1e NN eNN 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*50 衡算基準(zhǔn)不同時(shí)的柏努利方程衡算基準(zhǔn)不同時(shí)的柏努利方程以單位重量流體為衡算基準(zhǔn)以單位重量流體為衡算基準(zhǔn) fewugzpwugzp222221112121 J/kggwguzgpgwguzgpfe 2222222111 mNJm/skgJ2 令令gwhgwhff ,ee流體輸送機(jī)械對(duì)每牛頓流體所做的功流體輸送機(jī)械對(duì)每牛頓流體所做的功 fehguzgphguzgp2222222111 位頭位頭（位壓頭）（

36、位壓頭）壓力頭壓力頭（靜壓頭）（靜壓頭）速度頭速度頭（動(dòng)壓頭）（動(dòng)壓頭）泵的揚(yáng)程泵的揚(yáng)程壓頭損失壓頭損失總壓頭總壓頭材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*51不穩(wěn)定流動(dòng)不穩(wěn)定流動(dòng) 在工程實(shí)際中有時(shí)會(huì)遇到不穩(wěn)定流動(dòng)的狀態(tài)，如開工在工程實(shí)際中有時(shí)會(huì)遇到不穩(wěn)定流動(dòng)的狀態(tài)，如開工階段，此時(shí)可根據(jù)某個(gè)流動(dòng)的瞬間列出物料衡算式（微分階段，此時(shí)可根據(jù)某個(gè)流動(dòng)的瞬間列出物料衡算式（微分方程），然后進(jìn)行積分。方程），然后進(jìn)行積分。 對(duì)可壓縮流體（如氣體）對(duì)可壓縮流體（如氣體） 對(duì)可壓縮流體，其對(duì)可壓縮流體，其是隨壓力的變化而變化的，在流體是隨壓力的變化而變化的，在流體輸送過程中，輸送過程中，p是變化的，因此是變化的，因此也

37、是變化的，但是對(duì)于也是變化的，但是對(duì)于短距短距離輸送離輸送，可把，可把看作常數(shù)，或者當(dāng)看作常數(shù)，或者當(dāng)2%2021m121 時(shí)時(shí)ppp材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*521-2-4 1-2-4 柏努利方程式的應(yīng)用舉例柏努利方程式的應(yīng)用舉例 一、柏努利方程式解題要點(diǎn)一、柏努利方程式解題要點(diǎn) 1 1）作圖與確定衡算范圍）作圖與確定衡算范圍 根據(jù)題意畫出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，并指明流體的流動(dòng)方向。定出上、根據(jù)題意畫出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，并指明流體的流動(dòng)方向。定出上、下游截面，以明確流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍。下游截面，以明確流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍。2 2）截面的選?。┙孛娴倪x取 兩截面均應(yīng)與流動(dòng)方向相垂直，并且在兩截面間的

38、流體必須是連兩截面均應(yīng)與流動(dòng)方向相垂直，并且在兩截面間的流體必須是連續(xù)的。所求的未知量應(yīng)在截面上或在兩截面之間續(xù)的。所求的未知量應(yīng)在截面上或在兩截面之間 3 3）基準(zhǔn)水平面的選?。┗鶞?zhǔn)水平面的選取 基準(zhǔn)水平面必須與基準(zhǔn)水平面必須與地面平行地面平行。 4 4）兩截面上的壓強(qiáng)）兩截面上的壓強(qiáng) 兩截面的壓強(qiáng)要求單位一致，基準(zhǔn)一致。兩截面的壓強(qiáng)要求單位一致，基準(zhǔn)一致。 5 5）單位必須一致）單位必須一致 用柏努利方程式解題前，應(yīng)把有關(guān)物理量換算成用柏努利方程式解題前，應(yīng)把有關(guān)物理量換算成一致的單位，然后進(jìn)行計(jì)算。一致的單位，然后進(jìn)行計(jì)算。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*531-2-4 1-2-4 柏努利方程

39、式的應(yīng)用舉例柏努利方程式的應(yīng)用舉例 綜上所述，應(yīng)用柏努利方程的要點(diǎn)可歸納如下：綜上所述，應(yīng)用柏努利方程的要點(diǎn)可歸納如下：柏努利方程式，能量衡算是實(shí)質(zhì)；柏努利方程式，能量衡算是實(shí)質(zhì)；兩個(gè)截面劃系統(tǒng)，系統(tǒng)以外不考慮；兩個(gè)截面劃系統(tǒng)，系統(tǒng)以外不考慮；截面垂直流動(dòng)向，基準(zhǔn)平面選合適；截面垂直流動(dòng)向，基準(zhǔn)平面選合適；輸入輸出兩本賬，各項(xiàng)單位要統(tǒng)一；輸入輸出兩本賬，各項(xiàng)單位要統(tǒng)一；外功加在輸入端，損失總是算輸出。外功加在輸入端，損失總是算輸出。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*541-2-4 1-2-4 柏努利方程式的應(yīng)用舉例柏努利方程式的應(yīng)用舉例二、應(yīng)用舉例二、應(yīng)用舉例確定管道中流體的流量確定管道中流體的流量材

40、料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*55確定設(shè)備間的相對(duì)位置確定設(shè)備間的相對(duì)位置解題步驟是：解題步驟是：繪出流程圖，確定上、下游截面及基繪出流程圖，確定上、下游截面及基準(zhǔn)水平面，如本例附圖所示。準(zhǔn)水平面，如本例附圖所示。在兩截面間列柏努利方程式并化簡(jiǎn)在兩截面間列柏努利方程式并化簡(jiǎn) 由由 簡(jiǎn)化得：簡(jiǎn)化得：gHguHZf2221(a)材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*56（1）水箱中水面高于排出口的高度）水箱中水面高于排出口的高度H將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（a）便可求得）便可求得Z1（即（即H）。式中）。式中于是于是（2）輸水量增加）輸水量增加5%后，水箱中水面上升高度后，水箱中水面上升高度 H 輸水量輸水

41、量增加增加5%后，后，u2及及hf分別變?yōu)榉謩e變?yōu)橛谑怯谑?材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*57確定輸送設(shè)備的有效功率確定輸送設(shè)備的有效功率截面，基準(zhǔn)水平面的選取如本例附圖截面，基準(zhǔn)水平面的選取如本例附圖所示。但要注意所示。但要注意2-2截面必須選在排截面必須選在排水管口與噴頭的連接處，以保證水的水管口與噴頭的連接處，以保證水的連續(xù)性。連續(xù)性。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*58材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*592-3 2-3 流體流動(dòng)現(xiàn)象流體流動(dòng)現(xiàn)象o 一一. . 牛頓粘性定律與流體的粘度牛頓粘性定律與流體的粘度o 二二. . 流體類型流體類型o 三三. . 流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)o 四四.

42、. 滯流與湍流滯流與湍流o 五五. . 邊界層的概念邊界層的概念材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*60一一. . 牛頓粘性定律與流體的粘度牛頓粘性定律與流體的粘度在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體具有一種抗拒內(nèi)在的向前運(yùn)動(dòng)的特性，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體具有一種抗拒內(nèi)在的向前運(yùn)動(dòng)的特性，稱為粘性稱為粘性 。在流體流動(dòng)時(shí)才能顯示出來。隨流體狀態(tài)的。在流體流動(dòng)時(shí)才能顯示出來。隨流體狀態(tài)的不同，粘性的差別非常懸殊。不同，粘性的差別非常懸殊。（一）牛頓粘性定律（一）牛頓粘性定律 1、流體的內(nèi)摩擦力運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體間運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體間產(chǎn)生相互作用力，稱為流體的內(nèi)產(chǎn)生相互作用力，稱為流體的內(nèi)摩擦力。它是流體粘性的表

43、現(xiàn)。摩擦力。它是流體粘性的表現(xiàn)。 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*612 2、牛頓粘性定律、牛頓粘性定律一一. . 牛頓粘性定律與流體的粘度牛頓粘性定律與流體的粘度流體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力大流體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力大小與哪些因素有關(guān)？小與哪些因素有關(guān)？ 內(nèi)摩擦力與作用面平行。內(nèi)摩擦力與作用面平行。單位面積上的內(nèi)摩擦力稱單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力，為內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力，以以表示。表示。 平行板間的剪應(yīng)力為：平行板間的剪應(yīng)力為： yuSF（1-26） dydu（1-26a） 流體在圓管內(nèi)以流體在圓管內(nèi)以較低速度流動(dòng)時(shí)：較低速度流動(dòng)時(shí)： 式式1-26及及1-26a所表示的關(guān)系，稱為牛頓粘性定律。所

44、表示的關(guān)系，稱為牛頓粘性定律。 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*62一一. . 牛頓粘性定律與流體的粘度牛頓粘性定律與流體的粘度（二）流體的粘度（二）流體的粘度 1 1、動(dòng)力粘度（簡(jiǎn)稱粘度）、動(dòng)力粘度（簡(jiǎn)稱粘度）動(dòng)力粘度的定義式動(dòng)力粘度的定義式 （1）粘度的物理意義）粘度的物理意義 促使流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生單促使流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。位速度梯度的剪應(yīng)力。 （2）粘度數(shù)據(jù)的獲得）粘度數(shù)據(jù)的獲得常用流體的粘度可從有關(guān)常用流體的粘度可從有關(guān)手冊(cè)和附錄查得。手冊(cè)和附錄查得。常壓混合氣體的粘度：常壓混合氣體的粘度： （1-27） 不締合液體混合物的粘度：不締合液體混合物的粘度： （1-28） 材料化工

45、基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*63 牛頓粘性定律適用于牛頓粘性定律適用于牛頓型流體牛頓型流體（Newtonian fluids），），即速度梯度與剪應(yīng)力成線性關(guān)系；不符合牛頓粘性定律的流即速度梯度與剪應(yīng)力成線性關(guān)系；不符合牛頓粘性定律的流體稱為體稱為非牛頓型流體非牛頓型流體（Non-newtonian fluids）。）。 sPamsNmm/sN/mdd22 yu 動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度(Viscosity) )材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*64 sPamsNmm/sN/mdd22 yu SI制制sPa10cP005. 13C20o 記：記： （泊泊）Pscmgcmsdyncmcm/sdyn/cmdd22 yu c

46、gs制制cP1000P10sPa1P0.01)cP( ，厘泊工程制工程制 1kgf s/m2 = 9810cP（2 2）粘度的單位）粘度的單位 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*65一一. . 牛頓粘性定律與流體的粘度牛頓粘性定律與流體的粘度（4 4）影響粘度值的因素）影響粘度值的因素隨物質(zhì)種類和狀態(tài)而變隨物質(zhì)種類和狀態(tài)而變 ，同一物質(zhì)，液態(tài)粘度比氣，同一物質(zhì)，液態(tài)粘度比氣態(tài)粘度大得多。態(tài)粘度大得多。 液體的粘度是內(nèi)聚力的體現(xiàn)，其值隨溫度升高而減小，液體的粘度是內(nèi)聚力的體現(xiàn)，其值隨溫度升高而減小， 氣體的粘度是分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)互相碰撞的表現(xiàn)，其值氣體的粘度是分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)互相碰撞的表現(xiàn)，其值隨溫度升高而增大

47、。隨溫度升高而增大。2 2運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度 （1-29） 理想流體的粘度為零，不存在內(nèi)摩擦力理想流體的粘度為零，不存在內(nèi)摩擦力 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*66二二. .流體類型流體類型流體分為牛頓型與非牛頓型流體分為牛頓型與非牛頓型 ,服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體 （1-26b） 凡不遵循牛頓粘性定律的流體，稱為非牛頓型流體。凡不遵循牛頓粘性定律的流體，稱為非牛頓型流體。 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*67（1 1）雷諾實(shí)驗(yàn)）雷諾實(shí)驗(yàn)水水水平玻璃管水平玻璃管水箱水箱細(xì)管細(xì)管水水溢流堰溢流堰小瓶（密度與水相近）小瓶（密度與水相近）閥閥雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)圖（圖

48、（a a）層流）層流圖（圖（b b）湍流）湍流三三. 流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*68（2 2）流型的判據(jù)）流型的判據(jù) du Re 0002233smkgsmm/skgkg/mm/smsPakg/mm/smRe ud層流（層流（Laminar Flow）：）：Re 4000；2000 Re 4000時(shí)，有時(shí)出現(xiàn)層流，有時(shí)出現(xiàn)湍流，或者是時(shí)，有時(shí)出現(xiàn)層流，有時(shí)出現(xiàn)湍流，或者是二者交替出現(xiàn)，為外界條件決定，稱為過渡區(qū)。二者交替出現(xiàn)，為外界條件決定，稱為過渡區(qū)。流型只有兩種：流型只有兩種：層流和湍流層流和湍流。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*69（3 3）雷諾數(shù)的物理意義

49、）雷諾數(shù)的物理意義粘粘性性力力慣慣性性力力）（ duuudu Re質(zhì)量流速質(zhì)量流速單位時(shí)間通過單位截面積的動(dòng)量。單位時(shí)間通過單位截面積的動(dòng)量。223222mm/skgmskgmu2222mm/skgmmm/ssm/skgdu單位面積上流體粘性力單位面積上流體粘性力的大小的大小 當(dāng)當(dāng)Re較大時(shí)，流體的慣性力大于粘性力，占主導(dǎo)地位，較大時(shí)，流體的慣性力大于粘性力，占主導(dǎo)地位，流體的湍動(dòng)程度大，流體流動(dòng)形態(tài)為湍流；而當(dāng)流體的湍動(dòng)程度大，流體流動(dòng)形態(tài)為湍流；而當(dāng)Re較小時(shí)，較小時(shí)，流體的粘性力大于慣性力，占主導(dǎo)地位，流體的湍動(dòng)程度小流體的粘性力大于慣性力，占主導(dǎo)地位，流體的湍動(dòng)程度小，流體流動(dòng)狀態(tài)為層

50、流；即，流體流動(dòng)狀態(tài)為層流；即Re越大，流體湍動(dòng)程度越大。越大，流體湍動(dòng)程度越大。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*70四、層流與湍流四、層流與湍流 （一）流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式（一）流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式o 流體在管內(nèi)作流體在管內(nèi)作滯流流動(dòng)滯流流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)沿管軸作時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)沿管軸作有規(guī)則的平有規(guī)則的平行運(yùn)動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)互不碰撞，互不混合行運(yùn)動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)互不碰撞，互不混合。o 流體在管內(nèi)作流體在管內(nèi)作湍流流動(dòng)湍流流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)作時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)，不規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)，并互相碰撞混合，產(chǎn)生大大小小的旋渦并互相碰撞混合，產(chǎn)生大大小小的旋渦。管道截面上某。管道截面上某被考察的質(zhì)點(diǎn)在沿管軸向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，

51、還有徑向運(yùn)動(dòng)。被考察的質(zhì)點(diǎn)在沿管軸向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還有徑向運(yùn)動(dòng)。即在湍流中，流體質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)在主運(yùn)即在湍流中，流體質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)在主運(yùn)動(dòng)之外還有附加的脈動(dòng)。動(dòng)之外還有附加的脈動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)是湍流運(yùn)動(dòng)的最基質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)是湍流運(yùn)動(dòng)的最基本特點(diǎn)。本特點(diǎn)。湍流實(shí)際上是一種非定態(tài)的流動(dòng)。湍流實(shí)際上是一種非定態(tài)的流動(dòng)。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*71四、滯流與湍流四、滯流與湍流（二）流體在圓管內(nèi)的速度分布（二）流體在圓管內(nèi)的速度分布 無論是滯流或湍流，在管道任意截面上，流體質(zhì)點(diǎn)的速度沿管徑而變化，無論是滯流或湍流，在管道任意截面上，流體質(zhì)點(diǎn)的速度沿管徑而變化，管壁處速度為零，離開管壁

52、以后速度漸增，到管中心處速度最大。速度管壁處速度為零，離開管壁以后速度漸增，到管中心處速度最大。速度在管道截面上的分布規(guī)律因流型而異。在管道截面上的分布規(guī)律因流型而異。滯流時(shí)的速度沿管徑按拋物滯流時(shí)的速度沿管徑按拋物線的規(guī)律分布線的規(guī)律分布，截面上各點(diǎn)，截面上各點(diǎn)速度的平均值速度的平均值u等于管中心等于管中心處最大速度處最大速度umax的的0.5倍。倍。湍流時(shí)湍流時(shí)，由于流體質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)烈分離與混合，使截面上靠，由于流體質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)烈分離與混合，使截面上靠管中心部分各點(diǎn)速度彼此扯平，速度分布比較均勻，所管中心部分各點(diǎn)速度彼此扯平，速度分布比較均勻，所以以速度分布曲線不再是嚴(yán)格的拋物線。速度分布曲線不再

53、是嚴(yán)格的拋物線。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*72（二）流體在圓管內(nèi)的速度分布（二）流體在圓管內(nèi)的速度分布速度分布：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)截面上各點(diǎn)速度隨該點(diǎn)與管速度分布：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)截面上各點(diǎn)速度隨該點(diǎn)與管中心的距離的變化關(guān)系。中心的距離的變化關(guān)系。 1）圓管內(nèi)滯流流動(dòng)的速度分布）圓管內(nèi)滯流流動(dòng)的速度分布 作用于流體單元左端的總壓力為作用于流體單元左端的總壓力為：121prP作用于流體單元右端的總壓力為作用于流體單元右端的總壓力為： 222prP材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*73作用于流體單元四周的剪應(yīng)力為作用于流體單元四周的剪應(yīng)力為： rlF2dydu drdurlF2 022212drdurlpr

54、prdrdudrrlpdu2材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*74drrlpdu2crlpu222時(shí)，當(dāng)0 uRr24Rlpc224rRlpumax0uur 時(shí)，代入上式得：2max4Rlpu22max1Rruu滯流流動(dòng)時(shí)圓管內(nèi)速度分布式 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*75 2）圓管內(nèi)湍流流動(dòng)的速度分布）圓管內(nèi)湍流流動(dòng)的速度分布 nRruu1max1 410-4Re1.1105時(shí)，時(shí)，n=6； 110-5Re3.2106時(shí)，時(shí)，n=10 。湍流流動(dòng)時(shí)圓管內(nèi)速度分布式湍流流動(dòng)時(shí)圓管內(nèi)速度分布式 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*763、滯流和湍流的平均速度、滯流和湍流的平均速度 通過管截面的平均速度就是通過管截面的

55、平均速度就是體積流量與管截面積之比體積流量與管截面積之比 1）滯滯流時(shí)的平均速度流時(shí)的平均速度 流體的體積流量為：流體的體積流量為： (a) 2 urdrdVs滯流時(shí)，管截面上滯流時(shí)，管截面上速度分布為：速度分布為：drRruu22max1材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*77drRrrudVs22max12 積分此式可得積分此式可得 drRrruVRrrs022max12 RRrru0242max422 2/max2uRAVusm2max22/RuR2maxu層流時(shí)平均速度等于管中心處最大速度的一半層流時(shí)平均速度等于管中心處最大速度的一半 。材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*782）湍流時(shí)的平均速度）湍流時(shí)

56、的平均速度得：代入drrudVRruusn2 11maxdrRrrudVns1max12積分上式得：max221212uRnnnVs2RVusmmax21212unnn材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*79時(shí)，7nmax82. 0uum71max1Rruu1/7方律 通常遇到的情況下，湍流時(shí)的平均速度大約等于管中心處最大速度的0.82倍。 層流層流湍流湍流材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*80四、層流與湍流四、層流與湍流小結(jié)小結(jié)材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*812-4 2-4 流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力o 一、概述一、概述 1 1流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因 2 2流動(dòng)阻力分類流動(dòng)阻力分類o

57、 二、流體在直管中的流動(dòng)阻力二、流體在直管中的流動(dòng)阻力 （一）圓形直管中的流動(dòng)阻力一）圓形直管中的流動(dòng)阻力 （二）非圓形管的當(dāng)量直徑二）非圓形管的當(dāng)量直徑 o 三、管路上的局部阻力三、管路上的局部阻力 1.1.局部阻力系數(shù)法局部阻力系數(shù)法 2.2.當(dāng)量長(zhǎng)度法當(dāng)量長(zhǎng)度法o 四、管路系統(tǒng)中的總能量損失四、管路系統(tǒng)中的總能量損失 材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*82一一. .概述概述 1 1、流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因、流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因 流體有粘性，流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦流體有粘性，流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦阻力產(chǎn)生根源阻力產(chǎn)生根源固體表面促使流動(dòng)流體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)固體表面促使流動(dòng)流體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)提供了流動(dòng)阻力提供了流動(dòng)

58、阻力產(chǎn)生的條件。產(chǎn)生的條件。流動(dòng)阻力大小與流體本身物性（主要為流動(dòng)阻力大小與流體本身物性（主要為m，r），壁面形狀及流），壁面形狀及流動(dòng)狀況等因素有關(guān)。動(dòng)狀況等因素有關(guān)。2 2、流動(dòng)阻力分類、流動(dòng)阻力分類 流體在管路中流動(dòng)的流體在管路中流動(dòng)的總阻力由直管阻力與局部阻力兩部分構(gòu)成總阻力由直管阻力與局部阻力兩部分構(gòu)成 fffhhh(1-40) fh式中式中、分別為直管阻力損失和各種局部阻力損失，分別為直管阻力損失和各種局部阻力損失，J/kg。fh材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*83二、流體在直管中的流動(dòng)阻力二、流體在直管中的流動(dòng)阻力（一）圓形直管中的流動(dòng)阻力（一）圓形直管中的流動(dòng)阻力 1 1、計(jì)算通式、

59、計(jì)算通式 范寧公式范寧公式在圖中在圖中1-1與與2-2兩截面之間（以管中兩截面之間（以管中心線為基準(zhǔn)水平面）列柏努利方程式心線為基準(zhǔn)水平面）列柏努利方程式并化簡(jiǎn)，得到并化簡(jiǎn)，得到（1-41） 促使流體向前流動(dòng)的推動(dòng)力促使流體向前流動(dòng)的推動(dòng)力 平行作用于流體柱表面上的摩擦力平行作用于流體柱表面上的摩擦力 dlpp 421 即即 4221dpp材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*84由式由式1-41得得（1-42） 從實(shí)驗(yàn)得知，流體在流動(dòng)其它條件相同的情況下，流速增大阻力損失增加，可見阻力損失與流速有關(guān)。由于動(dòng)能u2/2與能量損失hf f單位相同，故常把阻力損失表示為動(dòng)能u2/2的若干倍的關(guān)系：為了便于工程

60、計(jì)算并突出影響流動(dòng)阻力各因素，為了便于工程計(jì)算并突出影響流動(dòng)阻力各因素，將式將式1-421-42進(jìn)行變換，得到進(jìn)行變換，得到令令 28u 則得則得 （1-43） 或或 （1-43a） 式式1-43與式與式1-43a式計(jì)算圓形直管阻力所引起能量損失的通式，式計(jì)算圓形直管阻力所引起能量損失的通式，稱為稱為范寧公式范寧公式 直管阻力通式式中式中 為摩擦系數(shù)，無因次，其值隨流型而變，為摩擦系數(shù)，無因次，其值隨流型而變，湍流時(shí)還湍流時(shí)還受管壁粗糙度的影響。受管壁粗糙度的影響。22422flhduu22ffluphdPa22flhdu材料化工基礎(chǔ)材料化工基礎(chǔ)*85pf 與p 在數(shù)值上并不相等，只有當(dāng)流體在