化工原理鐘秦第二版

第一章流體(liútǐ)流動精品資料本章主要(zhǔyào)內容

1.1流體靜力學基本方程式

1.2流體流動的基本方程式

1.3管內流體流動現(xiàn)象

1.4流體流動的阻力損失

1.5流體輸送管路的計算

1.6流速和流量(liúliàng)的測量

1.7非牛頓流體的流動精品資料1.1流體(liútǐ)靜力學基本方程式1.1.1流體(liútǐ)密度1.1.2流體(liútǐ)靜壓強1.1.3流體(liútǐ)靜力學基本方程式1.1.4流體(liútǐ)靜力學基本方程式的應用精品資料1.1.1流體(liútǐ)的密度一、定義(dìngyì)表達式不可壓縮流體精品資料二、液體(yètǐ)的密度1.純液體(yètǐ)2.

混合液體組分濃度以質量分率x表示精品資料三、氣體(qìtǐ)的密度可壓縮流體(liútǐ)1.

理想氣體2.

實際氣體查手冊、換算

理想氣體3.

混合氣體精品資料精品資料第一章流體輸送(shūsònɡ)第一次課流體靜力學方程81.1.2流體(liútǐ)靜壓強一、靜壓強二、靜壓強的單位

1atm=1.013105

Pa=10.33mH2O=760mmHg

1at=9.81104

Pa=10mH2O=735mmHg三、靜壓強的表示方法絕對壓強（ata）：以絕對真空為基準量得的壓強；表壓強（atg）：以大氣壓強為基準量得的壓強。精品資料精品資料第一章流體輸送(shūsònɡ)第一次課流體靜力學方程10實質：靜止流體內部(nèibù)壓強的變化規(guī)律。1.1.3流體靜力學基本方程式精品資料重點討論：1.方程應用條件：靜止，連續(xù)，同一流體;2.同一高度處靜壓力相等;3.壓強差的大小可以用一定高度的液體柱表示但必須注明(zhùmínɡ)流體的名稱。精品資料4.gz—單位(dānwèi)質量流體所具有的位能;p/ρ—單位(dānwèi)質量流體所具有的靜壓能。精品資料1.1.4流體靜力學基本(jīběn)方程式的應用一、壓強(yāqiáng)與壓強(yāqiáng)差的測量（pA+ρgzA）﹣（pB+ρgzB）=Rg（ρA﹣ρ）兩測壓口等高

pA﹣pB=（ρA﹣ρ）gR

1．U

形壓差計精品資料2．微差壓差(yāchà)計（1）兩種指示液密度相接近(jiējìn)且不互溶。

（2）U形管的兩側臂頂端各裝有擴大室，擴大室內徑與U形管內徑之比應大于10。p1﹣p2=（ρA﹣ρC）gR

精品資料二、液面的測量(cèliáng)遠距離液面計裝置(zhuāngzhì)1－調節(jié)閥；2－鼓泡觀察器瓶；3－U管壓差計；4－通氣管；5－貯罐。pa≈pb

pa=ρgh

pb=ρAgR

精品資料三、液封高度(gāodù)的確定如何控制爐內的壓強不超過(chāoguò)規(guī)定的數(shù)值?液封管插入液面下的深度h

：精品資料1.2流體流動(liúdòng)的基本方程

1.2.1流量與流速一、流量1.定義2.表示體積(tǐjī)流量:Vs,m3/s質量流量:ws,kg/s3.兩者之間的關系精品資料二、流速(liúsù)

定義平均(píngjūn)流速體積流速u：m/s質量流速G:kg/（m2·s）流量與流速關系ws=Vsρ=uAρ精品資料三、管徑的確定(quèdìng)圓整例：Vs=0.02m3/s,u=1.5m/s,求d=?1.計算方法精品資料1.2.2穩(wěn)定(wěndìng)流動與

不穩(wěn)定(wěndìng)流動精品資料1.2.3連續(xù)性方程(fāngchéng)ws=u1A1ρ1=u2A2ρ2=…=uAρ=常數(shù)(chángshù)Vs=u1A1=u2A2=…=uA=常數(shù)

管內不同截面流速之比與其相應管徑的平方成反比若流體不可壓縮，ρ=常數(shù)

精品資料1.2.4伯努利方程(fāngchéng)一、伯努利方程的推導(tuīdǎo)二、伯努利方程的討論三、伯努利方程的應用精品資料二、伯努利方程(fāngchéng)的討論應用伯努利方程(fāngchéng)的條件流體靜止，u=0，方程(fāngchéng)變?yōu)榱黧w靜力學基本方程(fāngchéng)方程(fāngchéng)中每一項均表示一項能量理想流體的伯努利方程(fāngchéng)實際流體的伯努利方程(fāngchéng)可壓縮流體，若管道兩截面間壓力差很小，伯努利方程(fāngchéng)可用，但注意：1）平均密度；2）絕對壓強7.伯努利方程(fāngchéng)有不同的形式精品資料7.伯努利方程的不同形式(1)單位重量(zhòngliàng)流體為基準：z1：位壓頭(yātóu)u12/2g:動壓頭(yātóu)p/ρg：靜壓頭(yātóu)J/N精品資料(2)單位質量(zhìliàng)流體為基準We——輸送機械對流體做功而使單位(dānwèi)質量流體獲得的能量,（J/kg）；——單位質量流體從1-1截面到2-2截面損失的能量（J/kg）J/kg精品資料(3)單位體積流體(liútǐ)為計算基準J/m3精品資料三、伯努利方程(fāngchéng)的應用1.根據(jù)題意繪流程示意圖，標明流體流動方向；2.確定衡算范圍，選取上、下游截面，原則：（1）兩截面應與流體流動方向垂直（2）兩截面之間流體必須是連續(xù)的；（3）截面上已知條件最充分，截面上和截面間包含未知量。3.選基準面，基準面必須與地面平行，若衡算系統(tǒng)為水平管道，則基準面應通過管道中心線；4.各物理量單位一致，兩截面上壓強表示(biǎoshì)方法一致。精品資料1.3管內流體流動(liúdòng)現(xiàn)象1.3.1黏度(niándù)一、牛頓黏性定律

μ——比例系數(shù)，稱黏性系數(shù)或動力粘度，簡稱黏度精品資料二、黏度(niándù)1.表達式:2.單位(dānwèi):物理單位制單位：P精品資料注意(zhùyì)：物理意義：促使流體流動產生單位速度(sùdù)梯度時剪應力的大小黏度與速度(sùdù)梯度相聯(lián)系，只有在運動時才顯現(xiàn)出來黏度是流體物理性質之一，其值由實驗測定精品資料第一章流體輸送(shūsònɡ)第四次課管內流體流動現(xiàn)象31雷

諾

實

驗1.3.2流動(liúdòng)類型與雷諾準數(shù)精品資料雷諾準數(shù)：影響因素:管徑、流速、粘度(zhāndù)、密度物理(wùlǐ)意義:Re=慣性力/黏性力無因次精品資料1.流動(liúdòng)類型流動類型層流(cénɡliú)湍流流型的判定雷諾數(shù)判定1.3.3

層流與湍流精品資料流動類型：層流和湍流雷諾指出(zhǐchū)：（1）當Re≤2000時，出現(xiàn)層流區(qū)，層流是穩(wěn)定的。（2）當2000＜Re＜4000時，有時出現(xiàn)層流，有時出現(xiàn)湍流，決定于外界的擾動，此為過渡區(qū)。（3）當Re≥4000時，出現(xiàn)湍流區(qū)。精品資料2.層流與湍流(tuānliú)的區(qū)別流體(liútǐ)內部質點的運動方式流體(liútǐ)在圓管內的速度分布流體(liútǐ)在直管內的流動阻力精品資料(1)流體內部質點的運動(yùndòng)方式質點的速度(sùdù)脈動曲線精品資料(2)流體在圓管內的速度(sùdù)分布層流:速度沿管徑按拋物線規(guī)律分布平均速度(pínɡjūnsùdù)u等于管中心處最大速度umax的0.5倍。精品資料湍流:速度分布曲線頂部(dǐnɡbù)區(qū)域比較平均，Re數(shù)值愈大，曲線頂部(dǐnɡbù)的區(qū)域就愈平坦;湍流主體與層流底層之間存在著過渡層;Re>4000精品資料(3)直管流動(liúdòng)阻力層流(cénɡliú)：內摩擦力湍流：內摩擦力+流體質點的脈動牛頓型流體精品資料1.3.4邊界層的概念(gàiniàn)邊界層的形成(xíngchéng)與發(fā)展邊界層分離局部阻力損失產生原因

精品資料邊界層的形成(xíngchéng)與發(fā)展 流速降至未受邊壁影響流速的99%以內的區(qū)域為邊界(biānjiè)區(qū)，邊界(biānjiè)層是邊界(biānjiè)影響所及的區(qū)域。特點：可能層流可能湍流，由Re判定精品資料流體在圓形直管進口(jìnkǒu)段的流動１.邊界層厚度為管子半徑(bànjìng)Ｒ；２.邊界層在管中心匯合前，若為層流，則管內流動為層流；若為湍流，則管內流動為湍流。d精品資料3.邊界層分離(fēnlí)A

駐點(zhùdiǎn)B減壓加速u=0p最大減速加壓u最大

p最小C分離點u=0p最大精品資料流道的急劇(jíjù)變化必造成逆壓強梯度;逆壓強梯度使流體邊界層分離;邊界層分離造成大量旋渦，大大增加機 械能消耗。精品資料1.4流體(liútǐ)流動的阻力損失直管阻力(zǔlì)：或沿程阻力(zǔlì)流經直管產生的阻力(zǔlì)局部阻力：流經管件、閥門及進出口時，由于受到局部障礙 所產生的阻力總能量損失：兩種阻力引起能量損失之總和。精品資料1.4.1層流時直管阻力(zǔlì)損失計算流體柱的推動力（p1-p2）πr2剪應力穩(wěn)定流動(liúdòng)，推動力與阻力大小相等，方向相反（p1﹣p2）π

r2=﹣2π

rl

精品資料……哈根—泊謖葉公式(gōngshì)積分(jīfēn)的邊界條件為當r=0時ur=umax當r=R時ur=0精品資料由伯努利方程(fāngchéng)可知，流體的能量損失為令

—范寧公式(gōngshì)—摩擦系數(shù)

精品資料絕對粗糙度：管壁粗糙部分的平均(píngjūn)高度。相對粗糙度/d：1.4.2湍流(tuānliú)時的直管阻力一、管壁粗糙度的影響精品資料材料與加工精度；光滑管：玻璃管，銅管等；粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。使用(shǐyòng)時間；絕對粗糙度可查表或相關手冊。粗糙度的產生(chǎnshēng)精品資料管壁(ɡuǎnbì)粗糙度的影響

層流(cénɡliú)時湍流時決定于層流底層厚度δb與ε的大小ε對λ無影響精品資料二、湍流(tuānliú)時摩擦系數(shù)1.實驗(shíyàn)研究方法2.因次分析法（1）找出主要影響因素（2）因次一致性原理（3）白金漢定理（4）因次分析（5）冪函數(shù)逼近（6）因次歸并，得出無因次數(shù)群精品資料3.準數(shù)意義(yìyì)：4.湍流直管阻力損失(sǔnshī)公式：精品資料摩擦系數(shù)、雷諾數(shù)和粗糙度的關系(guānxì)層流區(qū)：λ=64/Re，與管壁(ɡuǎnbì)粗糙度無關湍流區(qū)：λ=f（ε/d

，

Re）ε/d一定：

Re增加，

λ減小Re一定：ε/d增加，

λ增大完全湍流區(qū)（阻力平方區(qū)）：λ=f（ε/d），對指定管路hf=λ（l/d）（u2/2），即阻力與流速平方成正比。精品資料三、非圓形管道內的流動(liúdòng)阻力當量直徑de=4A/∏A—流通截面積（m2）；∏—潤濕周邊(m)。圓管道與套管(tàoɡuǎn)的當量直徑分別為：**非圓形管道內層流流動時,λ=C/ReC為常數(shù),無因次,由管道截面形狀查表獲得。精品資料1.4.3局部阻力損失(sǔnshī)計算一、產生(chǎnshēng)原因精品資料1.阻力系數(shù)(xìshù)法：2.當量長度法：二、計算方法精品資料阻力系數(shù)精品資料當量長度精品資料注意：在計算局部阻力損失時，公式中的流速(liúsù)u一般為截面積較小的管中的平均流速(liúsù)。3.管道(guǎndào)總阻力或精品資料1.管路(ɡuǎnlù)類型（1）簡單(jiǎndān)管路：（2）復雜管路：并聯(lián)管路、分支管路由直徑相同或不同的管路串聯(lián)組成的單一管線。1.4.4管路阻力對流動的影響

精品資料1—2，ζ↑

hfA-B↑

u↓u

？pA？閥門(fámén)由全開轉為半開

pB？1—A，u↓hf1-A↓pA↑B—2，hfB-2↓pB↓1.4.4管路(ɡuǎnlù)阻力對流動的影響

1.簡單管路(ɡuǎnlù)精品資料結論(jiélùn)：（1）任何局部阻力(zǔlì)系數(shù)的增加將使管內各 處的流速下降；（2）下游阻力(zǔlì)增大將使上游壓強上升；（3）上游阻力(zǔlì)增大將使下游壓強下降。精品資料0—2，hf0-2，u2，p0閥A關小，p0？u0？p2？u2？u3？0—3，p0

，u31—0，p0

，u0↑↓↑↑↑↑↓2.分支(fēnzhī)管路精品資料支管閥門關小，該支管流量下降;其它(qítā)支管流量增加，總管流量減小。結論(jiélùn)：精品資料注意兩種極端(jíduān)情況：總管阻力可以忽略，以支管阻力為主：關小閥A僅使該支管的流量發(fā)生變化，而對支管B的流量幾乎沒有(méiyǒu)影響。城市供水、煤氣管線的鋪設應盡可能屬于這種情況?？偣茏枇橹?，支管阻力可以忽略：總管中的總流量將不因支管情況而變。閥A的啟閉不影響總流量僅改變了各支管間的流量分配。精品資料3.匯合(huìhé)管路閥門(fámén)全開→關小2.閥門繼續(xù)關小至一定程度，使u2降至零；

↓1.u1與u23.繼續(xù)關小，u2將作反向流動。精品資料1.5.1簡單(jiǎndān)管路1.簡單計算型2.操作(cāozuò)型計算3.設計型計算

1.5流體輸送管路的計算

1.5.2復雜管路精品資料一、簡單(jiǎndān)管路

類型已知條件求計算目的

一般型ρ、μ、u、l+le、d、Vs∑hf確定輸入功率

操作型ρ、μ、u、l+le、d、∑hfVs核算流量

設計型ρ、μ、u、l+le、Vs、∑hfD選擇管徑精品資料一、并聯(lián)(bìnglián)管路Vs=Vs1+Vs2+Vs3

hf1=hf2=hf3=hfAB1.5.2復雜(fùzá)管路精品資料二、分支(fēnzhī)管路VsA=VSB+VSC