化工原理第一章 流體力學(xué)

化工原理第一章流體力學(xué)第1頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1概述

化工生產(chǎn)中，經(jīng)常應(yīng)用流體流動的基本原理及其流動規(guī)律解決關(guān)問題。以圖1-1為煤氣洗滌裝置（與油脂車間很多處相似）為例來說明：

流體動力學(xué)問題：流體（水和煤氣）在泵（或鼓風(fēng)機）、流量計以及管道中流動等；流體靜力學(xué)問題：壓差計中流體、水封箱中的水圖1-1煤氣洗滌裝置第2頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1概述

確定流體輸送管路的直徑，計算流動過程產(chǎn)生的阻力和輸送流體所需的動力。

根據(jù)阻力與流量等參數(shù)選擇輸送設(shè)備的類型和型號，以及測定流體的流量和壓強等。流體流動將影響過程系統(tǒng)中的傳熱、傳質(zhì)過程等，是其他單元操作的主要基礎(chǔ)。圖1-1煤氣洗滌裝置第3頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月流體的特征：具有流動性。即抗剪和抗張的能力很??；無固定形狀，隨容器的形狀而變化；在外力作用下其內(nèi)部發(fā)生相對運動。流體:

在剪應(yīng)力作用下能產(chǎn)生連續(xù)變形的物體稱為流體。如氣體和液體。第4頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.1

流體的分類和特性流體有多種分類方法：（1）按狀態(tài)分為氣體、液體和超臨界流體等；（2）按可壓縮性分為不可壓流體和可壓縮流體；（3）按是否可忽略分子之間作用力分為理想流體與粘性流體（或?qū)嶋H流體）；（4）按流變特性可分為牛頓型和非牛傾型流體；

第5頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.1.2流體流動的考察方法

1.1.2.1

連續(xù)性假設(shè)(Continuumhypotheses)

在化工原理中研究流體在靜止和流動狀態(tài)下的規(guī)律性時，常將流體視為由無數(shù)質(zhì)點組成的連續(xù)介質(zhì)。連續(xù)性假設(shè):假定流體是有大量質(zhì)點組成、彼此間沒有間隙、完全充滿所占空間連續(xù)介質(zhì)，流體的物性及運動參數(shù)在空間作連續(xù)分布，從而可以使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具加以描述。質(zhì)點：指一個含有大量分子的流體微團，其尺寸遠小于設(shè)備尺寸，但比分子自由程大得多。（板書）第6頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月定態(tài)流動（穩(wěn)定流動）若空間各點的狀態(tài)不隨時間變化，該流動稱為定態(tài)流動（FlowofStationaryState)。ux,uy,uz,p,……＝f(x,y,z)

與t無關(guān)若空間各點的狀態(tài)隨時間變化，該流動稱為非定態(tài)流動（FlowofUnstationaryState)。系統(tǒng)：是包含眾多流體質(zhì)點的集合。系統(tǒng)與外界可以有力的作用與能量的交換，但沒有質(zhì)量的交換。（板書）第7頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月流體流動中的作用力（1）體積力（bodyforce）與流體的質(zhì)量成正比，對于均質(zhì)的流體也與流體的體積成正比。如流體在重力場中運動時受到的重力(Gravity)和在離心力場中運動時受到的離心力(CentrifugalForce)。（2）表面力(Surfaceforce)與流體的表面積成正比。若取流體中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分為壓力和剪力。第8頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.2流體靜力學(xué)基本方程

流體靜力學(xué)主要研究流體流體靜止時其內(nèi)部壓強變化的規(guī)律。用描述這一規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式，稱為流體靜力學(xué)基本方程式。先介紹有關(guān)概念：1.2.1流體的密度

單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度。以ρ表示，單位為kg/m3。（1-1)式中ρ---流體的密度，kg/m3

；

m---流體的質(zhì)量，kg；

V---流體的體積，m3。當(dāng)ΔV→0時，Δm/ΔV的極限值稱為流體內(nèi)部的某點密度。

第9頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2流體的壓強及其特性

垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的靜壓強,簡稱壓強。流體的壓強具有點特性。工程上習(xí)慣上將壓強稱之為壓力。

在SI中，壓強的單位是帕斯卡，以Pa表示。但習(xí)慣上還采用其它單位，它們之間的換算關(guān)系為：

（2）壓強的基準(zhǔn)壓強有不同的計量基準(zhǔn)：絕對壓強、表壓強、真空度。

1.2.2.1流體的壓強（1）定義和單位.1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133×105Pa

第10頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月絕對壓強以絕對零壓作起點計算的壓強，是流體的真實壓強。表壓強壓強表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對壓強比大氣壓強高出的數(shù)值，即:

表壓強＝絕對壓強－大氣壓強

真空度真空表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對壓強低于大氣壓強的數(shù)值，即:

真空度＝大氣壓強－絕對壓強流體的壓強（板書）第11頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月圖絕對壓力、表壓和真空度的關(guān)系（a）測定壓力>大氣壓（b）測定壓力<大氣壓絕對壓力測定壓力表壓大氣壓當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮海ū韷簽榱悖┙^對壓力為零真空度絕對壓力測定壓力（a）（b）第12頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1.2流體壓強的特性

流體壓強具有以下兩個重要特性：

①流體壓力處處與它的作用面垂直，并且總是指向流體的作用面；

②流體中任一點壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關(guān)。

熟悉壓力的各種計量單位與基準(zhǔn)及換算關(guān)系，對于以后的學(xué)習(xí)和實際工程計算是十分重要的。第13頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月zo1.2.3流體靜力學(xué)基本方程

(Basicequationsoffluidstatics)

推導(dǎo)過程

使用條件

物理意義工程應(yīng)用1.2.3.1方程式推導(dǎo)

圖1-3流體靜力學(xué)基本方程推導(dǎo)（1）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）A

（3）向下作用的重力，由于流體處于靜止，其垂直方向所受到的各力代數(shù)和應(yīng)等于零，簡化可得：第14頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3.1流體靜力學(xué)基本方程式推導(dǎo)

在圖1-4中的兩個垂直位置2和1之間對上式作定積分

由于

和g是常數(shù)，故

（1-5）（1-5a）若將圖1-4中的點1移至液面上（壓強為p0），則式1-5a變?yōu)?

上三式統(tǒng)稱為流體靜力學(xué)基本方程式。圖1-4

靜止液體內(nèi)壓力的分布（1-5b）PaJ/kg第15頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3.2流體靜力學(xué)基本方程式討論

(1)

適用條件重力場中靜止的，連續(xù)的同一種不可壓縮流體(或壓力變化不大的可壓縮流體,密度可近似地取其平均值）。（2）衡算基準(zhǔn)

衡算基準(zhǔn)不同，方程形式不同。

若將（1-5）式各項均除以密度，可得

將式(1-5b)可改寫為：

壓強或壓強差的大小可用某種液體的液柱高度表示，但必須注明是何種液體。mm

（1-5c）

（1-5d）（板書）PaJ/kg第16頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3.2流體靜力學(xué)基本方程式討論

(3)物理意義

(i)總勢能守恒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，但其總能量保持不變。

(ii)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的靜壓強相等---等壓面（靜壓強僅與垂直高度有關(guān)，與水平位置無關(guān)）。要正確確定等壓面。靜止液體內(nèi)任意點處的壓強與該點距液面的距離呈線性關(guān)系，也正比于液面上方的壓強。

(iii)傳遞定律

液面上方的壓強大小相等地傳遍整個液體。J/kg第17頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.4靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用1.2.3.1壓力的測量普通U型管壓差計倒U型管壓差計傾斜U型管壓差計微差壓差計

第18頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月（ａ）普通U型管壓差計p0

p0

0

p1

p2

>

R

b

a

U型管內(nèi)位于同一水平面上的a、b兩點在相連通的同一靜止流體內(nèi)，兩點處靜壓強相等

式中ρ

——工作介質(zhì)密度；

ρ0——

指示劑密度；

R

——U形壓差計指示高度，m；

——側(cè)端壓差，Pa。若被測流體為氣體，其密度較指示液密度小得多，上式可簡化為

（1-6）（1-6a）（板書）第19頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)倒置U型管壓差計（Up-sidedownmanometer）

用于測量液體的壓差，指示劑密度

0小于被測液體密度

，U型管內(nèi)位于同一水平面上的a、b兩點在相連通的同一靜止流體內(nèi)，兩點處靜壓強相等

由指示液高度差R計算壓差若>>0

（1-7）

（1-7a）氣體第20頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(c)微差壓差計

在U形微差壓計兩側(cè)臂的上端裝有擴張室，其直徑與U形管直徑之比大于10。當(dāng)測壓管中兩指示劑分配位置改變時，擴展容器內(nèi)指示劑的可維持在同水平面壓差計內(nèi)裝有密度分別為

01和

02的兩種指示劑。上。

有微壓差p存在時，盡管兩擴大室液面高差很小以致可忽略不計，但U型管內(nèi)卻可得到一個較大的R讀數(shù)。

對一定的壓差

p，R值的大小與所用的指示劑密度有關(guān)，密度差越小，R值就越大，讀數(shù)精度也越高。

（1-8）第21頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.2.3.2液封高度

液封在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用：通過液封裝置的液柱高度，控制器內(nèi)壓力不變或者防止氣體泄漏。

為了控制器內(nèi)氣體壓力不超過給定的數(shù)值，常常使用安全液封裝置（或稱水封裝置）如圖1-6，其目的是確保設(shè)備的安全，若氣體壓力超過給定值，氣體則從液封裝置排出。

圖1-6安全液封第22頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月書上例1-1第23頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體流動的基本方程

(Basicequationsoffluidflow）*本節(jié)內(nèi)容提要主要是研究和學(xué)習(xí)流體流動的宏觀規(guī)律及不同形式的能量的如何轉(zhuǎn)化等問題，其中包括：（1）質(zhì)量守恒定律——連續(xù)性方程式（2）能量守恒守恒定律——柏努利方程式推導(dǎo)思路、適用條件、物理意義、工程應(yīng)用。*本節(jié)學(xué)習(xí)要求學(xué)會運用兩個方程解決流體流動的有關(guān)計算問題

方程式子—牢記靈活應(yīng)用高位槽安裝高度?

物理意義—明確

解決問題輸送設(shè)備的功率?

適用條件—注意第24頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體流動的基本方程

(Basicequationsof

fluidflow）

本節(jié)主要是研究流體流動的宏觀規(guī)律及不同形式的能量的如何轉(zhuǎn)化等問題，先介紹有關(guān)概念：1.3.1流量與流速1.3.1.1流量流量有兩種計量方法：體積流量、質(zhì)量流量

體積流量-----以Vs表示，單位為m3/s。質(zhì)量流量-----以Ws

表示，單位為kg/s。體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為：

（1-10）

由于氣體的體積與其狀態(tài)有關(guān)，因此對氣體的體積流量，須說明它的溫度t和壓強p。通常將其折算到273.15K

、

1.0133×105Ｐa下的體積流量稱之為“標(biāo)準(zhǔn)體積流量（Nm3/h）”。

（板書）第25頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1流量與流速

1.3.1.2流速

a.平均流速（簡稱流速）u

流體質(zhì)點單位時間內(nèi)在流動方向上所流過的距離，稱為流速，以u表示，單位為m/s

。流體在管截面上的速度分布規(guī)律較為復(fù)雜，工程上為計算方便起見，流體的流速通常指整個管截面上的平均流速，其表達式為：

u=Vs/A（1-11）式中，A——垂直于流動方向的管截面積，m2。

故（1-12）（板書）第26頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1.2流速b.質(zhì)量流速G

單位截面積的管道流過的流體的質(zhì)量流量，以G表示，其單位為kg/(m2·s)，其表達式為

（1-13）由于氣體的體積隨溫度和壓強而變化，在管截面積不變的情況下，氣體的流速也要發(fā)生變化，采用質(zhì)量流速為計算帶來方便。第27頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月對于圓形管道流量qV一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇：管徑的估算

↑→d↓→設(shè)備費用↓

流動阻力↑→動力消耗↑

→操作費↑均衡考慮uu適宜費用總費用設(shè)備費操作費第28頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月常用流體適宜流速范圍：

水及一般液體1~3m/s粘度較大的液體0.5~1m/s低壓氣體8~15m/s壓力較高的氣體

15～25m/s第29頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2非穩(wěn)態(tài)流動與穩(wěn)態(tài)流動

非穩(wěn)態(tài)流動：

僅隨空間位置的改變而變化，而除開車和停車外，一般只在很短時間內(nèi)為非穩(wěn)態(tài)操作，多在穩(wěn)態(tài)下操作。本章著重討論穩(wěn)態(tài)流動問題。

圖1-7流動系統(tǒng)示意圖第30頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3連續(xù)性方程

（Equationofcontinuity）

（1）推導(dǎo)在穩(wěn)定連續(xù)流動系統(tǒng)中，對直徑不同的管段作物料衡算,如圖1-8所示。以管內(nèi)壁、截面1-1′與2-2′為衡算范圍。由于把流體視連續(xù)為介質(zhì)，即流體充滿管道，并連續(xù)不斷地從截面1-1′流入、從截面2-2′流出。

對于連續(xù)穩(wěn)態(tài)的一維流動，如果沒有流體的泄漏或補充，由物料衡算的基本關(guān)系：

輸入質(zhì)量流量=輸出質(zhì)量流量

圖1-8連續(xù)性方程的推導(dǎo)第31頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

若以１s為基準(zhǔn)，則物料衡算式為:

ws1=ws2

因ws=uAρ，故上式可寫成:

(1-14)推廣到管路上任何一個截面，即:

(1-14a)

式(1-14)、

(1-14a)都稱為管內(nèi)穩(wěn)定流動的連續(xù)性方程式。它反映了在穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，流體流經(jīng)各截面的質(zhì)量流量不變時，管路各截面上流速的變化規(guī)律。此規(guī)律與管路的安排以及管路上是否裝有管件、閥門或輸送設(shè)備等無關(guān)。1.3.3連續(xù)性方程

（Equationofcontinuity）第32頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3連續(xù)性方程

（Equationofcontinuity）

（2）討論對于不可壓縮的流體即:ρ＝常數(shù)，可得到

(1-15)

(1-15a)

(1-16)

對于在圓管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動的不可壓縮流體：

（3）適用條件流體流動的連續(xù)性方程式僅適用于穩(wěn)定流動時的連續(xù)性流體。

（板書）第33頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4流動系統(tǒng)的總能量衡算（包括熱能和內(nèi)能）

在圖1-9所示的系統(tǒng)中，流體從截面1-1′流入，從截面2-2′流出。管路上裝有對流體作功的泵及向流體輸入或從流體取出熱量的換熱器。并假設(shè)：（a）連續(xù)穩(wěn)定流體；（b）兩截面間無旁路流體輸入、輸出；（c）系統(tǒng)熱損失QL=0。

圖1-9流動系統(tǒng)的總能量衡算第34頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4.1流動系統(tǒng)的總能量衡算（包括熱能和內(nèi)能）

衡算范圍：內(nèi)壁面、1-1′

與2-2′截面間。衡算基準(zhǔn)：1kg流體?；鶞?zhǔn)水平面：o-o′平面。

u1、u2

──流體分別在截面1-1′與2-2′處的流速,m/s；

p1、p2──流體分別在截面1-1′與2-2′處的壓強,N/m２；

Z１、Z２──截面1-1′與2-2′的中心至o-o′的垂直距離,m；

A1、A2

──

截面1-1′與2-2′的面積，m2；

v1、v2──流體分別在截面1-1′與2-2′處的比容,m3/kg；

ρ1

、ρ2──流體分別在截面1-1′與2-2′處的密度,kg/m3。第35頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月能量形式

意義

１kg流體的能量J/kg

輸入

輸出

內(nèi)能物質(zhì)內(nèi)部能量的總和U1

U2

位能將1kg的流體自基準(zhǔn)水平面升舉到某高度Z所作的功gZ1

gZ2

動能將1kg的流體從靜止加速到速度u所作的功

靜壓能1kg流體克服截面壓力p所作的功（注意理解靜壓能的概念）p1v1

p2v2

熱換熱器向1kg流體供應(yīng)的或從1kg流體取出的熱量Qe（外界向系統(tǒng)為正）

外功1kg流體通過泵(或其他輸送設(shè)備)所獲得的有效能量）We

表1-11kg流體進、出系統(tǒng)時輸入和輸出的能量1.3.4.1流動系統(tǒng)的總能量衡算（包括熱能和內(nèi)能）第36頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月371．流動流體本身所具有的機械能(1)位能流體因受重力的作用，在不同的高度處具有不同的位能。計算位能時應(yīng)先規(guī)定一個基準(zhǔn)水平面。假設(shè)流體與基準(zhǔn)面的距離為z，則1kg流體具有的位能為gz，相當(dāng)于將1kg流體從基準(zhǔn)面提升到z(m)高度所做之功，其單位為N·m/kg=J/kg。(2)動能流動著的流體因為有速度所具有的能量，其值等于流體從靜止?fàn)顟B(tài)加速到流速為u所做的功，1kg流體所具有的動能為，其單位為N·m/kg=J/kg。(3)靜壓能靜止流體內(nèi)部任一處都具有相應(yīng)的靜壓強p，流動著的流體內(nèi)部任一位置上也有靜壓強。1kg流體所具有的靜壓能為，其單位為N·m/kg=J/kg。第37頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月38上述三項之和為1kg流體所具有的機械能，用E表示。即（J/kg）第38頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4.3不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)流動的機械能衡算

——柏努利方程式（1）不可壓縮有粘性實際流體、有外功輸入、穩(wěn)態(tài)流動實際流體（粘性流體），流體流動時產(chǎn)生流動阻力；不可壓縮流體的比容v或密度ρ為常數(shù)，

該式是研究和解決不可壓縮流體流動問題的最基本方程式,表明流動系統(tǒng)能量守恒，但機械能不守恒。

（1-20）

以單位質(zhì)量1kg流體為衡算基準(zhǔn):J/kg第39頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）不可壓縮有粘性實際流體、無外功輸入、穩(wěn)態(tài)流動

以單位重量1N流體為衡算基準(zhǔn)。將式(1-20)各項除以g,則得:(1-20a)

式中為輸送設(shè)備對流體1N所提供的有效壓頭，是輸送機械重要的性能參數(shù)之一，為壓頭損失，Z、

u2/2g

、

p/ρg分別稱為位壓頭、動壓頭、靜壓頭。m第40頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）不可壓縮有粘性實際流體、無外功輸入、穩(wěn)態(tài)流動

以單位體積1m3流體為衡算基準(zhǔn)。將式(1-20)各項乘以流體密度ρ,

其中，為輸送設(shè)備（風(fēng)機）對流體1m3所提供的能量（全風(fēng)壓），是選擇輸送設(shè)備的（風(fēng)機）重要的性能參數(shù)之一。

（1-21b）Pa（1-20）第41頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月柏努利方程式J/kg第42頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4.3不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)流動的機械能衡算

——柏努利方程式

（3）不可壓縮不具有粘性的理想流體（或其摩擦損失小到可以忽略）、無外功輸入、穩(wěn)態(tài)流動

理想流體（不具有粘性，假想流體）∑hf=0。若又沒有外功加入We=0時，式(1-21)便可簡化為：

表明流動系統(tǒng)理想流體總機械能E（位能、動能、靜壓能之和）相等，且可相互轉(zhuǎn)換。

(1-22)J/kg第43頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)流體靜止時，u=0；∑hf=0；也無需外功加入，即We=0，故

可見,流體的靜止?fàn)顟B(tài)只不過是流動狀態(tài)的一種特殊形式。J/kg第44頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月柏努利方程的討論及應(yīng)用注意事項

（1）適用條件在衡算范圍內(nèi)是不可壓縮、連續(xù)穩(wěn)態(tài)流體，同時要注意是實際流體還是理想流體，有無外功加入的情況又不同。（2）衡算基準(zhǔn)

J/kgPam1kg1N1m3第45頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

序號

適用條件

方程形式

以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)以單位重量流體為基準(zhǔn)

1①穩(wěn)定流動②有外功輸入③不可壓縮、實際流體

2①穩(wěn)定流動②無外功輸入③不可壓縮理想流體

3①不可壓縮流體②流體處于靜止?fàn)顟B(tài)

表1-1柏努利方程的常用形式及其適用條件第46頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)

式中各項能量所表示的意義

上式中g(shù)Z、

u2/2

、p/ρ是指在某截面上流體本身所具有的能量；∑hf是指流體在兩截面之間所消耗的能量；We是輸送設(shè)備對單位質(zhì)量流體所作的有效功。由We可計算有效功率Ne（J/s或W），

即

(1-23)

ws為流體的質(zhì)量流量。若已知輸送機械的效率η，則可計算軸功率，即第47頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

(4)各物理量取值及采用單位制

方程中的壓強p、速度u是指整個截面的平均值，對大截面；各物理量必須采用一致的單位制。尤其兩截面的壓強不僅要求單位一致，還要求表示方法一致，即均用絕壓、均用表壓表或真空度。

第48頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)截面的選擇截面的正確選擇對于順利進行計算至關(guān)重要，選取截面應(yīng)使：（a）

兩截面間流體必須連續(xù)（b）兩截面與流動方向相垂直（平行流處，不要選取閥門、彎頭等部位）；（c）所求的未知量應(yīng)在截面上或在兩截面之間出現(xiàn)；（d）截面上已知量較多（除所求取的未知量外，都應(yīng)是已知的或能計算出來，且兩截面上的u、p、Z與兩截面間的∑hf都應(yīng)相互對應(yīng)一致)。第49頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

(6)選取基準(zhǔn)水平面原則上基準(zhǔn)水平面可以任意選取，但為了計算方便，常取確定系統(tǒng)的兩個截面中的一個作為基準(zhǔn)水平面。如衡算系統(tǒng)為水平管道，則基準(zhǔn)水平面通過管道的中心線

若所選計算截面平行于基準(zhǔn)面，以兩面間的垂直距離為位頭Z值；若所選計算截面不平行于基準(zhǔn)面，則以截面中心位置到基準(zhǔn)面的距離為Z值。

Z1,Z2可正可負，但要注意正負。第50頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.5柏努利方程式的應(yīng)用1.2.5.1應(yīng)用柏努利方程式解題要點

１．作圖與確定衡算范圍

根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，并指明流體的流動方向。定出上、下游截面，以明確流動系統(tǒng)的衡算范圍；２．正確選取截面；３．選取基準(zhǔn)水平面；４．計算截面上的各能量,求解。第51頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.5柏努利方程式的應(yīng)用

1.

確定容器的相對位置

2.確定流體流量由柏努利方程求流速u(u2或u1)，流量

3.確定輸送設(shè)備的有效功率由柏努利方程求外加功Ｗe，有效功率Ne=We·ws

4.確定流體在某截面處的壓強由柏努利方程求p(p1或p2)。?第52頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月【例2-2】

如圖所示，用泵將水從貯槽送至敞口高位槽，兩槽液面均恒定不變，輸送管路尺寸為83×3.5mm，泵的進出口管道上分別安裝有真空表和壓力表，壓力表安裝位置離貯槽的水面高度H2為5m。當(dāng)輸水量為36m3/h時，進水管道全部阻力損失為1.96J/kg，出水管道全部阻力損失為4.9J/kg，壓力表讀數(shù)為2.452×105Pa，泵的效率為70%，水的密度為1000kg/m3，試求：（1）兩槽液面的高度差H為多少？（2）泵所需的實際功率為多少kW？HH1H2第53頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

解：（1）兩槽液面的高度差H

在壓力表所在截面2-2′與高位槽液面3-3′間列柏努利方程，以貯槽液面為基準(zhǔn)水平面0-0′

，得：其中，H2=5m，u2=Vs/A=2.205m/s，p2=2.452×105Pa，u3=0,p3=0,代入上式得：

【例2-2】HH1H2例2-2附圖第54頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）泵所需的實際功率在貯槽液面0-0′與高位槽液面3-3′間列柏努利方程，以貯槽液面為基準(zhǔn)水平面，有：

其中H0=0，H=29.74m，u2=u3=0,p2=p3=0,代入方程求得：We=298.64J/kg，故,又η=70%，【例2-2】HH1H2第55頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章 流體流動

FluidFlow

--內(nèi)容提要--

流體的基本概念

靜力學(xué)方程及其應(yīng)用

機械能衡算式及柏努利方程流體流動的現(xiàn)象

流動阻力的計算、管路計算

第56頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體流動現(xiàn)象

1.4.1.1流體的粘性和內(nèi)摩擦力

流體的粘性流體在運動的狀態(tài)下,有一種抗拒內(nèi)在的向前運動的特性。粘性是流動性的反面。流體的內(nèi)摩擦力運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力。是流體粘性的表現(xiàn),又稱為粘滯力或粘性摩擦力。由于粘性存在，流體在管內(nèi)流動時，管內(nèi)任一截面上各點的速度并不相同,如圖1-12所示。

1.4.1流體的粘性與牛頓粘性定律

本節(jié)的目的是了解流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便為阻力損失計算打下基礎(chǔ)。第57頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為粘性。

流體粘性越大，其流動性就越小。從桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，這是因為甘油流動時內(nèi)摩擦力比水大的緣故。

牛頓粘性定律第58頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間由于分子運動而產(chǎn)生的相互作用力，稱為流體的內(nèi)摩擦力或粘滯力。流體運動時內(nèi)摩擦力的大小，體現(xiàn)了流體粘性的大小。

設(shè)有上下兩塊平行放置而相距很近的平板，兩板間充滿著靜止的液體，如圖所示。xu=0yu第59頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

實驗證明，兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（或稱為剪應(yīng)力）τ與垂直于流動方向的速度梯度成正比。

yxuu=0⊿u⊿yu/y表示速度沿法線方向上的變化率或速度梯度。

第60頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中μ為比例系數(shù)，稱為粘性系數(shù)，或動力粘度（viscosity），簡稱粘度。上式所表示的關(guān)系，稱為牛頓粘性定律。

（1-33）第61頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月粘性是流體的基本物理特性之一。任何流體都有粘性，粘性只有在流體運動時才會表現(xiàn)出來。u與y也可能時如右圖的關(guān)系，則牛頓粘性定律可寫成：

粘度的單位為Pa·s。常用流體的粘度可查表。dyduoxy

上式中du/dy為速度梯度（1-33）第62頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月粘度的單位為:

從手冊中查得的粘度數(shù)據(jù)，其單位常用CGS制單位。在CGS單位制中，粘度單位為

此單位用符號P表示，稱為泊。

N·s/m2（或Pa·s）、P、

cP與的換算關(guān)系為

第63頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1.2牛頓粘性定律

μ──

比例系數(shù)，其值隨流體的不同而異，流體的粘性愈大，其值愈大，所以稱為粘滯系數(shù)或動力粘度,簡稱為粘度。式(1-24)或(1-24a)所顯示的關(guān)系,稱為牛頓粘性定律。

（2）物理意義牛頓粘性定律說明流體在流動過程中流體層間所產(chǎn)生的剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比，與壓力無關(guān)。

流體的這一規(guī)律與固體表面的摩擦力規(guī)律不同。

第64頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1.2.流體流動的類型---層流及湍流1、雷諾試驗1883年,英國物理學(xué)家OsboneReynolds作了如下實驗。DBAC墨水流線玻璃管雷諾實驗第65頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月第66頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月流體流動狀態(tài)類型過渡：

流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。過渡流不是一種流型。湍流(turbulentflow)或紊流:

當(dāng)流體在管道中流動時，流體質(zhì)點除了沿著管道向前流動外，各質(zhì)點的運動速度在大小和方向上都會發(fā)生變化，質(zhì)點間彼此碰撞并互相混合，這種流動狀態(tài)稱為湍流或紊流。層流(laminarflow)或滯流(viscousflow):

當(dāng)流體在管中流動時，若其質(zhì)點始終沿著與管軸平行的方向作直線運動，質(zhì)點之間沒有遷移，互不混合，整個管的流體就如一層一層的同心圓筒在平行地流動。第67頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月影響流體流動類型的因素：流體的流速u

；管徑d；流體密度ρ；流體的黏度μ。

u、d、ρ越大，μ越小，就越容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。上述中四個因素所組成的復(fù)合數(shù)群duρ/μ，是判斷流體流動類型的準(zhǔn)則。

這數(shù)群稱為雷諾準(zhǔn)數(shù)或雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)，用Re表示。研究為紀(jì)念O.雷諾而命名第68頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月雷諾準(zhǔn)數(shù)的因次

Re數(shù)是一個無因次數(shù)群。第69頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗表明：Re≤2000，流動類型為層流；Re≥4000，流動類型為湍流；2000＜Re＜4000，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。

在兩根不同的管中，當(dāng)流體流動的Re數(shù)相同時，只要流體邊界幾何條件相似，則流體流動狀態(tài)也相同。這稱為流體流動的相似原理。第70頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月雷諾準(zhǔn)數(shù)

Re第71頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月速度分布：流體流動時，管截面上質(zhì)點的軸向速度沿半徑的變化。流動類型不同，速度分布規(guī)律亦不同。

一、流體在圓管中層流時的速度分布

由實驗可以測得層流流動時的速度分布，如圖所示。速度分布為拋物線形狀。管中心的流速最大；速度向管壁的方向漸減；靠管壁的流速為零；平均速度為最大速度的一半。

四、流體在圓管內(nèi)的速度分布第72頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月湍流的速度分布目前還沒有理論推導(dǎo)，但有經(jīng)驗公式。12速度分布有兩個區(qū)域：

中心(較平坦);

近管壁(速度梯度很大);u壁=0.3近管壁有層流底層δ；4中間為湍流區(qū)；5u越大，層流底層越??；；6起始段：特點：湍流層流第73頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2邊界層及邊界層理論1、邊界層概念及普蘭特邊界層理論

u

uuX0第74頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月x邊界層的發(fā)展

層流邊界層

過渡區(qū)

湍流邊界層第75頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

邊界層

umax

Le

充分發(fā)展的流動

(a)層流

邊界層

Le

充分發(fā)展的流動

(b)湍流

圓管內(nèi)邊界層的發(fā)展

第76頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月流型

滯（層）流

湍（紊）流判據(jù)Re≤2000Re≥4000質(zhì)點運動情況沿軸向作直線運動，不存在橫向混合和質(zhì)點碰撞不規(guī)則雜亂運動，質(zhì)點碰撞和劇烈混合。脈動是湍流的基本特點管內(nèi)速度分布

拋物線方程Ｕ＝１／２ｕｍａｘ壁面處uw=0,管中心umax碰撞和混合使速度平均化壁面處uw=0,管中心umax

現(xiàn)象方程

可解析

不可解析

表2兩種流型的比較第77頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5流體管內(nèi)的流動阻力*本節(jié)內(nèi)容提要解決流體在管截面上的速度分布及柏努利方程式中流動阻力Σhf的計算問題。*本節(jié)重點（1）流體在管路中的流動阻力的計算問題。管路阻力又包括包括直管阻力hf和局部阻力hf’

（2）流體在直管中的流動阻力因流型不同而采用不同的工程處理方法。對于層流，通過過程本征方程（牛頓粘性定律）可用解析方法求解管截面上的速度分布及流動阻力；而對于湍流，需借助因次分析方法來規(guī)劃試驗，采用實驗研究方法。

（3）建立“當(dāng)量”的概念（包括當(dāng)量直徑和當(dāng)量長度）?！爱?dāng)量”要具有和原物量在某方面的等效性，并依賴于經(jīng)驗。第78頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

在圖1-9所示的系統(tǒng)中，流體從截面1-1′流入，從截面2-2′流出。管路上裝有對流體作功的泵及向流體輸入或從流體取出熱量的換熱器。并假設(shè)：（a）連續(xù)穩(wěn)定流體；（b）兩截面間無旁路流體輸入、輸出；（c）系統(tǒng)熱損失QL=0。

第79頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月能量損失：流體在管內(nèi)從第一截面流到第二截面時，由于流體層之間或流體之間的湍流產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力，使一部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能。我們把這部分機械能稱為能量損失。能量損失可以通過阻力計算求得。流動阻力：流體在管路中的流動阻力可分為直管阻力和局部阻力兩類。第80頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月直管阻力：或沿程阻力。流體流經(jīng)一定直徑的直管時所產(chǎn)生的阻力。局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門及進出口時，由于受到局部障礙所產(chǎn)生的阻力?？偰芰繐p失：為直管阻力與局部阻力所引起能量損失之總和。第81頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月uP1dFFP211‘22‘l由哈根方程：則能量損失：式中：—摩擦系數(shù)，=64/Re達西公式范寧公式1流體在直管中的阻力

1.1層流時的直管阻力第82頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

實踐證明，湍流運動時，管壁的粗糙度對阻力、能量的損失有較大的影響。絕對粗糙度：管壁粗糙部分的平均高度。相對粗糙度

/d：duε1.2湍流時的直管阻力第83頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月材料與加工精度；光滑管：玻璃管，銅管等；粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。使用時間；絕對粗糙度可查表或相關(guān)手冊。

粗糙度的產(chǎn)生第84頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月duδbbεδb>ε層流運動流體運動速度較慢,與管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系數(shù)與無關(guān)，只與Re有關(guān)。層流時，在粗糙管的流動與在光滑管的流動相同。

粗糙度對流體流動類型的影響第85頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月湍流運動，阻力與層流相似，此時稱為水力光滑管。，Re

δb

質(zhì)點通過凸起部分時產(chǎn)生漩渦能耗。δb<εδb>εδb<εεdδbu邊界層δb第86頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

從理論和實踐上可以證明，湍流運動時流體的直管阻力為：為摩擦系數(shù)，湍流運動時阻力hf在形式上與層流相同。第87頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月第88頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月層流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)完全湍流，粗糙管光滑管Re/d摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)、相對粗糙度的關(guān)系(雙對數(shù)坐標(biāo))第89頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月第90頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月上圖可以分成4個不同區(qū)域。層流區(qū)：Re2000，=64/Re，與/d無關(guān)。過渡區(qū)：2000<Re<4000湍流區(qū)：Re4000,與Re和/d有關(guān)。完全湍流區(qū)(阻力平方區(qū))：與Re無關(guān)，僅與/d有關(guān)。查表舉例1.Re=103，=0.06

Re=104，/d=0.002

=0.034

3.Re=107，/d=0.002

=0.023第91頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月湍流時的為阻力系數(shù)光滑管：２.5×103<Re<105湍流粗糙管：考萊布魯克關(guān)聯(lián)式哈蘭德關(guān)聯(lián)式層流時：與Re及/d的關(guān)聯(lián)式第92頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月為摩擦系數(shù)，第93頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月非圓形管摩擦損失計算式—當(dāng)量直徑第94頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.3局部摩擦損失計算式第95頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

流體流經(jīng)管件時，其速度的大小、方向等發(fā)生變化，出現(xiàn)漩渦，內(nèi)摩擦力增大，形成局部阻力。

局部阻力以湍流為主，層流很少見，因為層流流體受阻后一般不能保持原有的流動狀態(tài)。常見的局部阻力有：突擴突縮彎頭三通第96頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月第97頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月第98頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

第99頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.4管路系統(tǒng)的總阻力損失管入口管出口彎管閥門機械能衡算方程：若出口處控制面取管出口外側(cè)，則hf中應(yīng)包括出口阻力損失，但；若出口處控制面取管出口內(nèi)側(cè)，則hf中應(yīng)不包括出口阻力損失，但。第100頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月11‘22‘15m7m例題：如圖所示,常溫水由一敞口貯罐用泵送入塔內(nèi),水的流量為20m3/h。塔內(nèi)壓力為196kPa(表壓)。泵的吸入管長度為5m,管徑為108mm×4mm；泵出口到塔進口之間的管長為20m,管徑為

57mm×3.5mm。塔進口前的截止閥半開。試求此管路系統(tǒng)輸送水所需的外加機械能,取ε/d=0.001。第101頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月式中，z2-z1=15m,p1=0(表壓),p２=196kPa

，u10,u2

0

∴W=9.81×1５+∑hf解：

依題意，繪出流程示意圖。選取貯槽液面作為截面1，塔內(nèi)液面為截面2，并以截面1作為基準(zhǔn)面，如圖所示，在兩截面間列伯努利方程，則有第102頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月泵吸入管段：常溫下，水的密度ρ＝1000kg/m3，黏度μ＝1mPa.s。水的流量qv＝20m3/hd=108-2×4=100mm,l=5m。查圖，得=0.0235管入口的=0.5，９０°彎頭：le/d=35第103頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月泵出口到塔進口之間段：d=57-2×3.5=50mm,l=20m查圖，得=0.0215第104頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月總阻力：外加機械能為：90°彎頭2個，le/d=35×２＝70，截止閥（半開）le/d＝475，水從管子流入塔內(nèi)=1.0。第105頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5管路計算

*本節(jié)的學(xué)習(xí)目的掌握不同結(jié)構(gòu)管路（簡單管路，并聯(lián)管路及分支管路）的特點，設(shè)計型和操作型管路計算方法和步驟，以達到合理確定流量、管徑和能量之間的關(guān)系。*本節(jié)重點重點為不同結(jié)構(gòu)管路的特點，如簡單管路能量損失具有加和性；并聯(lián)管路中各支管中的壓強降（或能量損失）相等；分支管路中單位質(zhì)量流體流動終了時的總機械能和沿程能量損失之和相等，并且在數(shù)值上等于在分叉點每kg流體具有的總機械能。能夠根據(jù)復(fù)雜管路的特點，分配各支管中流體的流量。第106頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.1簡單管路定義：由等徑或異徑管段串聯(lián)而成的無分支管路系統(tǒng)稱為簡單管路。特點（1）全管路的總阻力等于各段簡單管路阻力之和；（2）各段內(nèi)的質(zhì)量流量均等于總質(zhì)量流量。計算類型：（1）操作型計算對一定的流體輸送管路系統(tǒng)，核算在給定條件下的輸送量或能量損失。（2）設(shè)計型計算需試差法，試差起點一般是先選流速u，然后計算d和We。由于不同的u對應(yīng)一組d與We，需要選擇一組最經(jīng)濟合理的數(shù)據(jù)—優(yōu)化設(shè)計。1.5管路計算

第107頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月阻力對管內(nèi)流動的影響一、簡單管路設(shè)各段管徑相同，高位槽內(nèi)液面恒定，流體作定態(tài)流動。閥門由全開轉(zhuǎn)為半開時流量、閥前壓力、閥后壓力如何變化？第108頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月①管內(nèi)流速減小，即管內(nèi)流量減小增大減小第109頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月不變②閥前壓力增大增大減小第110頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月③閥后壓力減小減小減小第111頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論①任何局部阻力的增加，將使管內(nèi)的流量下降。②下游阻力增大，使上游壓強上升。③上游阻力增大，使下游壓強下降。其他條件不變時：第112頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6.2簡單管路計算一、數(shù)學(xué)描述質(zhì)量守恒式摩擦系數(shù)計算式機械能守恒式第113頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月9個變量：qV，d，u，ψ1，ψ2，λ，l，∑ζ，ε3個方程已知6個變量便可求出另外3個變量問題數(shù)第114頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)設(shè)計出經(jīng)濟合理的設(shè)備或管路2類問題對某個過程或設(shè)備在一定條件下能夠完成的任務(wù)進行計算或核定某個參數(shù)的指標(biāo)設(shè)計型操作型第115頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月①設(shè)計型和操作型的劃分既客觀地反映實際工作的內(nèi)容和性質(zhì)，也有利于研究者聯(lián)系實際去思考問題，避免數(shù)學(xué)游戲式地解題，體現(xiàn)工程科學(xué)的特點。②2類問題具有各自的特點，在解法上也不同，分類后便于掌握這些特點，以利于求解。分類原因:第116頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月三、設(shè)計型計算規(guī)定輸送量qV,確定最經(jīng)濟的管徑d及須由供液點提供的勢能ψ1(1)供液點與需液點間的距離,即管長l(2)管道材料及管件配置,即ε和∑ζ(3)需液點的勢能ψ2設(shè)計要求:給定條件:9個變量：qV，d，u，ψ1，ψ2，λ，l，∑ζ，ε第117頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月解決思路:(2)(3)第118頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月qV一定u↑d↓設(shè)備費用↓hf↑Ψ↑操作費用↑特點：參數(shù)的選擇與優(yōu)化第119頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月120一、特點

（1）Vs1,d1Vs3,d3Vs2,d2不可壓縮流體1.5管路計算1.5.1簡單管路計算(2)第120頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月121二、管路計算基本方程：連續(xù)性方程：柏努利方程：阻力計算（摩擦系數(shù)）：1.5管路計算第121頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月122（1）設(shè)計型計算設(shè)計要求：規(guī)定輸液量Vs，確定一經(jīng)濟的管徑及供液點提供的位能z1(或靜壓能p1)。給定條件：（1）供液與需液點的距離，即管長l；

（2）管道材料與管件的配置，即及；

（3）需液點的位置z2及壓力p2；（4）輸送機械做功We。選擇適宜流速確定經(jīng)濟管徑1.5管路計算第122頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月123（2）操作型計算已知：管子d

、、l，管件和閥門，供液點z1、p1，需液點的z2、p2，輸送機械We；求：流體的流速u及供液量VS。已知：管子d、、

l、管件和閥門、流量Vs等，求：供液點的位置z1

；或供液點的壓力p1；或輸送機械有效功We

。1.5管路計算第123頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月124試差法計算流速的步驟：（見例題1-15）（1）根據(jù)柏努利方程列出試差等式；（2）試差：符合？可初設(shè)阻力平方區(qū)之值注意：若已知流動處于阻力平方區(qū)或?qū)恿?，則無需試差，可直接解析求解。1.5管路計算第124頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月125例1

粘度為30cP、密度為900kg/m3的某油品自容器A流過內(nèi)徑40mm的管路進入容器B。兩容器均為敞口，液面視為不變。管路中有一閥門，閥前管長50m，閥后管長20m（均包括所有局部阻力的當(dāng)量長度）。p1p2ABpapa1.5管路計算第125頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月126當(dāng)閥門全關(guān)時，閥前后的壓力表讀數(shù)分別為8.83kPa和4.42kPa?，F(xiàn)將閥門打開至1/4開度，閥門阻力的當(dāng)量長度為30m。試求：（1）管路中油品的流量；（2）定性分析閥前、閥后的壓力表的讀數(shù)有何變化？1.5管路計算第126頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月127

例2

10C水流過一根水平鋼管，管長為1000m，要求達到的流量為0.05L/h，有2m的壓頭可供克服流動的摩擦損失，試求管徑。1.5管路計算第127頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月128解：閥關(guān)閉時流體靜止，以水平管軸線為位能基準(zhǔn)面，容器A、B液面距基準(zhǔn)面的距離分別用ZA、ZB表示，則：

（m）

（m）第128頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月129當(dāng)閥打開1/4開度時，在A-A'與B-B‘截面間列柏努利方程：

其中：pA=pB=0(表壓)，uA=uB=0（大截面）

則有：

第129頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月130由于該油品的粘度較大，可設(shè)其流動為層流，則：

代入前式：

u=0.736（m/s）

校核：

，假設(shè)成立。

第130頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月131油品的流量：

第131頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月組成：由管、管件、閥門以及輸送機械等組成的。作用：將生產(chǎn)設(shè)備連接起來，擔(dān)負輸送任務(wù)。

當(dāng)流體流經(jīng)管和管件、閥門時，為克服流動阻力而消耗能量。因此，在討論流體在管內(nèi)的流動阻力時，必需對管、管件以及閥門有所了解。補充：管路系統(tǒng)第132頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月分類：按材料：鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬、塑料管及橡膠管等；按加工方法：鋼管又有有縫與無縫之分；按顏色：有色金屬管又可分為紫鋼管、黃銅管、鉛管及鋁管等。表示方法：φA×B，其中A指管外徑，B指管壁厚度，如φ108×4即管外徑為108mm，管壁厚為4mm。1管子(pipe)第133頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月輸送管路的直徑第134頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

流體的體積流量一般由生產(chǎn)任務(wù)所決定，平均流速則需要綜合考慮各種因素后進行合理地選擇。流速選擇的過高，管徑可以減小，但流體流經(jīng)管道的阻力增大，動力消耗大，操作費用隨之增加。反之，流速選擇的過低，操作費用可相應(yīng)的減少，但管徑增大，管路的投資費用隨之增加。因此，適宜的流速需根據(jù)經(jīng)濟權(quán)衡決定。表1-2列出了一些流體在管道中流動時流速的常用范圍。表1-2 某些流體在管道中的常用流速范圍第135頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月流體及其流動類別流速范圍（m/s）流體及其流動類別流速范圍（m/s）自來水（3×105Pa左右）1～1.5高壓空氣15～25水及低粘度液體（1×105Pa～1×106Pa）1.5～3.0一般氣體（常壓）10～20鼓風(fēng)機吸入管10～20高粘度液體0.5～1.0鼓風(fēng)機排出管15～20工業(yè)供水（8×105Pa以下）1.5～3.0離心泵吸入管（水類液體）1.5～2.0鍋爐供水（8×105Pa以下）>3.0離心泵排出管（水類液體）2.5～3.0飽和蒸汽20～40往復(fù)泵吸入管（水類液體）0.75～1.0過熱蒸汽30～50往復(fù)泵排出管（水類液體）1.0～2.0蛇管、螺旋管內(nèi)的冷卻水<1.0液體自流速度（冷凝水等）0.5低壓空氣12～15真空操作下氣體流速<50第136頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月作用：改變管道方向(彎頭);

連接支管(三通);改變管徑(變形管);堵塞管道(管堵)。螺旋接頭卡箍接頭彎頭三通變形管管件：管與管的連接部件。3管件(pipefitting)第137頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月第138頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月球閥旋塞閥截止閥閘閥蝶閥裝于管道中用以開關(guān)管路或調(diào)節(jié)流量。4閥門

(Valve)第139頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月截止閥(globevalve)

特點：構(gòu)造較復(fù)雜。在閥體部分液體流動方向經(jīng)數(shù)次改變，流動阻力較大。但這種閥門嚴密可靠，而且可較精確地調(diào)節(jié)流量。應(yīng)用：常用于蒸汽、壓縮空氣及液體輸送管道。若流體中含有懸浮顆粒時應(yīng)避免使用。結(jié)構(gòu)：依靠閥盤的上升或下降，改變閥