化工原理課件流體

化工原理課件流體第1頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）流體靜力學(xué)基本方程式及其應(yīng)用；（2）管內(nèi)流動(dòng)的連續(xù)性方程、機(jī)械能衡算方程的物理意義、適用條件及其應(yīng)用；

（3）管路系統(tǒng)的摩擦阻力、局部阻力和總阻力的計(jì)算方法。第一章流體流動(dòng)

本章應(yīng)重點(diǎn)掌握的內(nèi)容2023/7/312第2頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1流體的重要性質(zhì)物質(zhì)三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)

固體、液體和氣體——固體和流體流體：無定形、易于流動(dòng)

液體：不可壓縮流體（*本課程不再強(qiáng)調(diào)）

氣體：可壓縮流體

固體：有一定形狀、不易變形

流體的共性

——流動(dòng)性氣體和液體統(tǒng)稱為流體描述流體性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理量有：

壓力、密度、組成、速度等。2023/7/313第3頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

把流體當(dāng)作是由密集質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的、內(nèi)部無空隙的連續(xù)體來研究，則流體的物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)成為空間連續(xù)函數(shù)。——可利用數(shù)學(xué)工具質(zhì)點(diǎn)：含有大量分子的流體微團(tuán)，其尺寸宏觀上

遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸但分子數(shù)量足夠多、微觀

上遠(yuǎn)大于分子平均自由程（3.3×10-7cm)。

1.1.1

連續(xù)介質(zhì)假定注：本課程所指流體均符合此假定，特別強(qiáng)調(diào)的除外2023/7/314第4頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2流體的密度（kg/m3）和比容（m3/kg）混合氣體的密度常溫、常壓下一般氣體均可按理想氣體處理：式中：ρ——?dú)怏w的密度，kg/m3p——?dú)怏w的絕對(duì)壓力，kPaMm

——?dú)怏w的摩爾質(zhì)量，g/molR——摩爾氣體常數(shù)，其值為：8.314J/mol·KT——熱力學(xué)溫度，K定義：流體空間某點(diǎn)上單

位體積流體的質(zhì)量2023/7/315第5頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月混合氣體的平均摩爾質(zhì)量式中：Mm——混合氣體的平均摩爾質(zhì)量，g/molyn——?dú)怏w混合物中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)混合液體的密度ρm（忽略混合前后體積變化）式中：wi

——混合物中各純組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ρi——混合物中各純組分的密度，kg/m32023/7/316第6頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：上述公式中每個(gè)參數(shù)的物理意義、單位及使用條件ρv≡1式中：v

——流體的比容，m3/kgρ

——流體的密度，kg/m3流體的比容（比體積）v定義：單位質(zhì)量流體的體積2023/7/317第7頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3流體的粘性（p11)1.1.3流體的粘性（p11)

一、粘性：是流體的固有的物理性質(zhì)流動(dòng)性粘性——抵抗流動(dòng)的特性流體在圓管內(nèi)分層流動(dòng)示意圖2023/7/318第8頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月流體的粘性-圖示uyu+duudyy上層對(duì)下層有牽引力下層對(duì)上層有阻滯力速度梯度速度分布這對(duì)力稱為內(nèi)摩擦力。流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，此特性又稱為—

粘性2023/7/319第9頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二、粘度——衡量流體粘性大小的物理量速度梯度：由實(shí)驗(yàn)知：du/dys-1牛頓粘性定律(p11)式中：F——內(nèi)摩擦力，NA——兩流體層間的接觸面積，m2式中：τ——剪應(yīng)力（切向應(yīng)力），N/m2

μ——粘度，動(dòng)量傳導(dǎo)系數(shù)，Ns/m2=Pa·s

（動(dòng)力粘度）2023/7/3110第10頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月粘度的物理意義粘度的物理意義：

當(dāng)du/dy=1時(shí)，

μ=τ

說明在相同的流動(dòng)條件下，流體的粘度越大,內(nèi)摩擦力也就越大，需要克服的阻力越大。理想流體：

μ=0

的流體（自然界中并不存在）

粘性流體：

μ≠0

的流體（自然界中普遍存在）(實(shí)際流體)2023/7/3111第11頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月牛頓型流體與非牛頓流體凡符合牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體

（如水、空氣等）；凡不符合牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓型流體。K≠m注意：非牛頓流體——了解內(nèi)容，同學(xué)們自學(xué)。非牛頓流體2023/7/3112第12頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月粘度的單位SI制溫度、壓力對(duì)粘度的影響壓力對(duì)粘度的影響可忽略不計(jì)（極高壓力除外）；溫度對(duì)粘度的影響很大液體：溫度↑，m↓；氣體：溫度↑,m

↑

。運(yùn)動(dòng)粘度，動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù):習(xí)慣使用單位：1P=1dyn·s/cm2=0.1N·s/m2=100cP（泊）（厘泊）2023/7/3113第13頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1流體的受力一、體積力（場(chǎng)力、質(zhì)量力）非接觸作用力，施加在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力

（重力場(chǎng)、離心力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)）特征：不需要接觸；

受力大小與質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量成正比。1.2流體靜力學(xué)（p13）本課程只涉及地球引力（重力）。2023/7/3114第14頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二、表面力特征：必須直接接觸。二、表面力定義：通過直接接觸，施加在接觸表面的力(法向應(yīng)力)正應(yīng)力p——垂直作用于流體單位表面積的

力，習(xí)慣上稱為壓強(qiáng)，也稱

壓力，N/m2=Pa

切應(yīng)力τ——平行作用于單位表面積的力，習(xí)慣上稱為剪應(yīng)力，N/m2=Pa

表面力2023/7/3115第15頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2靜止流體的壓力特性（p14)一、壓力（壓強(qiáng)）定義：壓力的基本特性1.為外部作用力（包括流體柱自身的重力）在流體中

的傳播2.其方向與作用面相垂直，并指向作用面3.靜止流體中的壓力稱為靜壓力4.在流體空間的任一點(diǎn)處，靜壓力數(shù)值相等地作用于

各個(gè)方向2023/7/3116第16頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二、壓力單位二、壓力單位1at=9.807×104N/m2

=735.6mmHg=10.00mH2O=0.100MPa=1.000kgf

/cm21atm=1.013×105N/m2

=760mmHg=10.33mH2O物理大氣壓工程大氣壓2023/7/3117第17頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月三、壓力的習(xí)慣表述：大氣壓表壓絕對(duì)壓力壓力絕對(duì)壓力真空度0絕對(duì)零壓線絕對(duì)壓力：流體的真實(shí)壓力測(cè)壓表上的讀數(shù)（真實(shí)壓力>大氣壓時(shí)）絕對(duì)壓力=大氣壓+表壓（真實(shí)壓力<大氣壓時(shí)）絕對(duì)壓力=大氣壓-真空度表壓、真空度2023/7/3118第18頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月p0p1p2z1z2hp2=p1+r

hg流體靜力學(xué)基本方程式rzop0z2Hp2p2=p0+r

Hg1.2.3流體靜力學(xué)方程（p14)式中：z——測(cè)壓點(diǎn)距基準(zhǔn)面的高度，m

r

——流體的密度，kg/m3

z1(h=z1-z2)(H=z1-z2)2023/7/3119第19頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月2.靜止的連通著的同一液體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)

的壓力都相等：4.壓力或壓力差的大小可以用一定高度的液柱來表示：

壓力相等的水平面稱為等壓面。1.

p=p0+r

hg3.液面上方的壓力大小相等地傳遍整個(gè)液體。2023/7/3120第20頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月【例1-1】如右圖所示的開口容器中盛有水和油。HA=HA′,

HC=HC′=0,

油層高度H1=0.7m,密度ρ1=800kg/m3水層高度H2=0.6m,密度ρ2=

1000kg/m3

（1）判斷下列關(guān)系式是否成立;

pA=pA′pB=pB′pC=pC′

（2）計(jì)算水在玻璃管內(nèi)的高度

H。注意：流體靜力學(xué)方程只能用于

靜止的、連通的、同一種流體內(nèi)部H1H2H●●AA′●●B′B●●C′C解：（1）pA≠pA′，A、A′雖然是在靜止的連通的流體中，且在同一水平面上，但兩點(diǎn)不在同一流體中；

pB≠pB′，B、B′雖然是在靜止的連通的同一流體(水)中，但不在同一水平面上；

pC=pC′，C、C′在靜止的連通的同一流體（水）中，且在同一水平面上。p0

p02023/7/3121第21頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月pC=p0+r1gH1+r2gH2pC’=p0+r2gHH1H2H●●AA′●●B′B●●C′Cp0p0(2）計(jì)算水在玻璃管內(nèi)的高度

Hr2H

=r1H1+r2H22023/7/3122第22頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.4流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用

一、壓力與壓力差的測(cè)量（p16)(a)普通U型管壓差計(jì)（Simplemanometer）(b)倒置U型管壓差計(jì)（Up-sidedownmanometer）(c)傾斜U型管壓差計(jì)（Inclinedmanometer）(d)雙液體U型管壓差計(jì)（Two-liquidmanometer）（r0

>r）（r0

<

r）（r0

>r）（r0

>r）ρ01>

ρ02>

ρ液柱壓差計(jì)2023/7/3123第23頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月普通U型管壓差計(jì)p0

p0

0

p1

p2

>

R

a

b

要求：⑴指示劑密度r0>被測(cè)流體密度r

；

⑵指示劑不與被測(cè)流體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并不互溶。

由指示液高度差R計(jì)算壓差。若被測(cè)流體為氣體，其密度較指示液密度小得多，上式可簡化為uH

pa

=p1+rg(H+R)pb

=p2+r

gH+r0

gRpa

=pb2023/7/3124第24頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月倒置U型管壓差計(jì)

用于測(cè)量液體的壓差，指示劑密度r0小于被測(cè)液體密度r

，由指示液高度差R

計(jì)算壓差。若>>0Hup1

=pa+rg(R+H)p2=pb+r0

gR+r

gHpa

=pb2023/7/3125第25頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月【例1-2】要控制乙炔發(fā)生爐內(nèi)壓力不超過80mmHg(表壓)，需在爐外設(shè)置安全液封，求液封管插入水中高度h=?二、液封高度的計(jì)算p<p′

h=?解：選等壓面，在圖上取1、2兩點(diǎn)，則有p1=p2。12p1=爐內(nèi)壓力=p’=p0+(80/760)×101.33=

p0+10666Pap2=p0+r水gh;p1=p2p0+10666=p0+r水ghr水gh=106662023/7/3126第26頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體流動(dòng)概述(p20)1.3.1流動(dòng)體系的分類一、定態(tài)與非定態(tài)流動(dòng)（穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)）定態(tài)流動(dòng)—流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化，如：T=f(x,y,z)

非定態(tài)流動(dòng)—流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間變化，如：T=f(x,y,z,θ)

二、一維流動(dòng)與多維流動(dòng)根據(jù)流速及相關(guān)物理參數(shù)隨空間坐標(biāo)變化的特征來區(qū)分。化工類工業(yè)上一維流動(dòng)居多：基本上都在封閉管道內(nèi)流動(dòng)。三、繞流與封閉管道內(nèi)的流動(dòng)繞流：顆粒沉降、在填充床內(nèi)流動(dòng)等；其它均為封閉管道內(nèi)的流動(dòng)。2023/7/3127第27頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)態(tài)流動(dòng)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)示意動(dòng)畫2023/7/3128第28頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月繞流示意動(dòng)畫2023/7/3129第29頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.3.2流量與平均流速（p21)一、流量體積流量qV:m3/s，m3/h

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任一截面的流體體積。質(zhì)量流量qm

：kg/s，kg/h

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任一截面的流體質(zhì)量。二、流速u：單位時(shí)間內(nèi)流體流過的距離，m/s點(diǎn)速：urdurrumaxu平均流速u

:單位時(shí)間單位面積上所流過的流體體積量。

2023/7/3130第30頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月三、質(zhì)量平均流速G四、qV、qm、u、G、A之間的關(guān)系五、管徑d

單位時(shí)間單位面積上所流過的流體質(zhì)量，kg/m2.s。對(duì)于圓管2023/7/3131第31頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：管徑的表示方法

Φ59×4.5

mm

∴管內(nèi)徑

d

=59-2×4.5=50

mmΦ59φ50壁厚外徑2023/7/3132第32頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3流體流動(dòng)類型（層流及湍流）及雷諾數(shù)

一、雷諾實(shí)驗(yàn)

1883年,英國物理學(xué)家OsboneReynolds作了如下實(shí)驗(yàn)DBAC墨水流線玻璃管雷諾實(shí)驗(yàn)2023/7/3133第33頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二、雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：層流、湍流。用紅墨水觀察管中水的流動(dòng)狀態(tài)(a)層流(b)過渡流(c)湍流2023/7/3134第34頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月層流：流體的質(zhì)點(diǎn)平行于管道中心方向作有規(guī)則的

運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生宏觀混合。

過渡流：時(shí)而層流時(shí)而湍流，不穩(wěn)定。湍流：流體的質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的紊亂運(yùn)動(dòng)。管徑d流體性質(zhì)μ、ρ

平均流速

u組成一個(gè)無因次數(shù)群（無單位）Re，稱為雷諾準(zhǔn)數(shù)Reynoldsnumber。三、雷諾數(shù)2023/7/3135第35頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月雷諾數(shù)Re的定義及意義：

ρu：單位時(shí)間流過單位截面積的流體的質(zhì)量，kg/(m2s)u/d：流體內(nèi)部速度梯度，1/s單位時(shí)間流過單位截面積的流體的動(dòng)量，與單位截面積上的慣性力成正比=τ——單位面積上流體的內(nèi)摩擦力2023/7/3136第36頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圓形直管內(nèi)

流動(dòng)類型的判別Re是無因次數(shù)，因此d，u，r。m

必須用同一單位制

層流:

Re<2000

過渡流:

2000<Re<4000

湍流:

Re>4000

三、當(dāng)量直徑的概念對(duì)非圓形管中的特征尺寸可用當(dāng)量直徑代替圓形管直徑d0：de=4rH；rH=A/LP式中：rH——水力半徑，m；

A——流道的截面積，m2；

LP——流道的潤濕周邊長度，m。2023/7/3137第37頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)流體在管內(nèi)作層流流動(dòng)時(shí)，無徑向脈動(dòng)速度，流體內(nèi)部動(dòng)量、熱量和質(zhì)量在徑向上的傳遞依賴于分子擴(kuò)散。因此層流時(shí)只有在流體層兼作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的分子間的動(dòng)量交換所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力

湍流流體內(nèi)部動(dòng)量、熱量和質(zhì)量在徑向上的傳遞除了分子擴(kuò)散還有宏觀渦流擴(kuò)散兩部分產(chǎn)生。與層流相區(qū)別，流體微團(tuán)的湍動(dòng)與混合是湍流的主要特征。

層流與湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)截然不同，但可共存于同一流動(dòng)體系、尤其是固體壁面附近。例如雷諾實(shí)驗(yàn)中，即使管中心部位的流體已經(jīng)處于充分的湍動(dòng)混合，管壁上的一層流體卻被管壁所粘附而處于靜止。受其牽制，管壁附近總有一層流體處于層流狀態(tài)，稱之為層流底層。湍流與層流區(qū)別與聯(lián)系2023/7/3138第38頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月層流邊界層：邊界層內(nèi)的流動(dòng)類型為層流湍流邊界層：邊界層內(nèi)的流動(dòng)類型為湍流層流內(nèi)(底)層：邊界層內(nèi)近壁面處一薄層，無論邊界層內(nèi)的流型為層流或湍流，其流動(dòng)類型均為層流邊界層及層流內(nèi)(底)層應(yīng)用意義:

（1）測(cè)定管內(nèi)流體流速時(shí)，測(cè)定位置應(yīng)在流動(dòng)進(jìn)口段之后；（2）無論流體的湍動(dòng)程度如何，始終存在滯流內(nèi)層。2023/7/3139第39頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1總質(zhì)量衡算——連續(xù)性方程(p25)對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)體系，無生成、無積累、無泄漏、無加入連續(xù)性方程：

流過任一截面的

質(zhì)量流量相等。qm1=r1qV1=qm2

=r2

qV2系統(tǒng)輸出輸入穩(wěn)定過程

積累＝0

輸入＝輸出1.4流體流動(dòng)的基本方程2023/7/3140第40頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于液體：r1=r2

=r

連續(xù)性方程qm=r1qV1=r2qV2qV1=A1u1=qV2

=A2u2（p26）A1

=（π／4）d12

A2

=（π／4）d22

2023/7/3141第41頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2總能量衡算方程（p27）z2z122z2,

u2,p211z1,

u1,

p1換熱器，Q0J/kg泵，WeJ/kg首先做流體流動(dòng)的總能量衡算。右圖為一個(gè)連續(xù)穩(wěn)定的流動(dòng)系統(tǒng)。以1kg流體，對(duì)進(jìn)出系統(tǒng)的能量做衡算。

一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算方程2023/7/3142第42頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月z2z122z2,

u2,p211z1,

u1,

p1換熱器，Q0J/kg泵，WeJ/kg⑴內(nèi)能（internalenergy)

U1

J/kg⑵位能（potentialenergy)

z1g

J/kg

m·m/s2=kg·m2/s2·kg

=N·m/kg⑶動(dòng)能（kineticenergy)：

u12

/2

m2/s2=J/kg⑷壓力能（靜壓能）：p1v1(N/m2)(m3/kg)=J/kg對(duì)于1kg流體，進(jìn)入系統(tǒng)的能量為：

2023/7/3143第43頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月外界加入的能量：

換熱器：1kg流體獲得能量Q0J/kg泵:1kg流體獲得能量We

J/kg1kg流體：流入總能量=流出總能量,則有：

We

+Q0+gz1+u12/2

+p1v1+U1=

gz2+u22/2+p2v2+U2z2z122z2,

u2,p2

11z1,

u1,

p1換熱器，Q0J/kg泵，WeJ/kg1kg流體流入1-1截面帶入能量：

gz1+u12/2

+p1v1+U11kg流體流出2-2截面帶出能量：

gz2+u22/2+p2v2+U22023/7/3144第44頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月單位質(zhì)量流體穩(wěn)定流動(dòng)過程的總能量衡算式。意義：兩截面間流體的各項(xiàng)能量的變化量的代數(shù)和

等于外界加入的能量。形式：流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式。

1kg流體：流入總能量=流出總能量，則有：

We

+Q0+gz1+u12/2

+p1v1+U1=

gz2+u22/2+p2v2+U22023/7/3145第45頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算方程：功或可轉(zhuǎn)換為功的能量機(jī)械能與熱量有關(guān)的能量1kg流體克服流動(dòng)阻力而消耗的機(jī)械能：∑hf，J/kg流體接受總熱量：Q=Q0+∑hfQ0=Q-∑hf流動(dòng)阻力損失對(duì)不可壓縮流體連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)數(shù)學(xué)變換可得：2023/7/3146第46頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

不可壓縮流體連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算方程:如果We=0，∑hf=0(理想流體）伯努利方程:廣義的伯努利方程:令則2023/7/3147第47頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月式中：——壓力降③機(jī)械能衡算方程（廣義的伯努利方程）3種表達(dá)形式及意義機(jī)械能損失①位能靜壓能動(dòng)能有效功壓力頭損失②位頭壓力頭動(dòng)壓頭有效壓頭（速度頭）2023/7/3148第48頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月三、對(duì)伯努利方程的討論非常重要的方程貫穿于流體流動(dòng)及輸送全過程1、式中各項(xiàng)的單位和意義：

單位：J/kg意義：單位質(zhì)量流體所具有的能量或功2023/7/3149第49頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）位能gz

以0-0面為基準(zhǔn)：Dz=z2-z1標(biāo)高基準(zhǔn)面一定是水平面；水平管以管道中心水平面為基準(zhǔn)；取較低面為基準(zhǔn)。1122z2z1z2′0′0′u以0’–0’面為基準(zhǔn)：Dz=z2-02023/7/3150第50頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）壓力能p/ρ：p1、p2

的基準(zhǔn)要相同已知p2=4kPa（表）則以大氣壓為基準(zhǔn)有：

p1=0（表）

p2=4kPa（表）

Dp=4kPa敞口貯液槽吸收塔1122以絕對(duì)零壓為基準(zhǔn)有：

p1=101.3kPa

p2=(101.3+4)kPaDp=4kPa2023/7/3151第51頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）動(dòng)能

Du2/2:Du2

=u22-u12≠(u2-u1

)2（4）機(jī)械能損失（流動(dòng)阻力損失）∑hf：

流體在兩個(gè)截面之間消耗的能量，始終為正值（5）有效功率

Pe：流體真正得到的能量有效功率Pe=qmWe，kg/s·J/kg=J/s=W軸功率P=Pe/h，W輸送機(jī)械的效率（泵、風(fēng)機(jī)）2023/7/3152第52頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月2、兩截面上的機(jī)械能守恒：

若

We=0,∑hf=0,則有靜壓能與位能之間的轉(zhuǎn)換以1-1截面為基準(zhǔn)：1-1：z1=0,p1,u12-2:z2,p2,u2=u1

p1/r=z2g+p2/r

（p1-

p2）/r=z2g>0

2211說明1-1截面上的靜壓能部分轉(zhuǎn)換為2-2截面上的位能2023/7/3153第53頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月靜壓能與動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換z2z12211d2d1000’0’u以0-0截面為基準(zhǔn)：1-1：z1,p1,u12-2：z2=z1,p2,u2>u1

p1/r+u12/2

=p2/r+u22/2

（p1-

p2）/r=(u22-u12）

/2說明1-1截面上的靜壓能部分轉(zhuǎn)換為2-2截面上的動(dòng)能2023/7/3154第54頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月位能與動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換22z211z1說明1-1截面上的位能部分轉(zhuǎn)換為2-2截面上的動(dòng)能以0-0截面為基準(zhǔn)：1-1：z1,p1=p0,u1≈02-2:z2,p2=p0,u2

z1g=z2g+u22/2

（z1-

z2）g=u22/2

2023/7/3155第55頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月3、流體靜力學(xué)基本方程（p15)zop01

2

H

z2z1h

若

We=0,u=0,自然∑hf=0,

z1g+p1/r

=z2g+p2/r

p2=p1+（z1-z2）rg

=p1+hrg將上表面移至液面，則p2=p0+hrg流體靜力學(xué)基本方程——伯努利方程之特例2023/7/3156第56頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月④注意伯努利方程的適用條件；重力場(chǎng)中，連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)的不可壓縮流體。對(duì)可壓縮流體，若開始和終了的壓力變化不超過20%，密度取平均壓力下的數(shù)值，也可應(yīng)用。流體靜止，

關(guān)于伯努利方程小結(jié)：①注意式中各項(xiàng)的意義及單位；②三種形式機(jī)械能（位能、靜壓能和動(dòng)能）的相互轉(zhuǎn)換和守恒；③伯努利方程與靜力學(xué)方程關(guān)系；2023/7/3157第57頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月伯努利方程演示動(dòng)畫2023/7/3158第58頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5機(jī)械能衡算方程的應(yīng)用——流體輸送管路計(jì)算連續(xù)性方程

伯努利方程體積平均流速流體輸送機(jī)械的有效功率軸功率1.5.1基本方程：不可壓縮流體對(duì)于可壓縮流體，當(dāng)（p1-p2）/p1<20%時(shí)，可將其視為不可壓縮流體，但ρm=(ρ1+ρ2)/2包括所選截面間全部管路阻力損失2023/7/3159第59頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.2流體輸送管路計(jì)算類型設(shè)計(jì)型計(jì)算：規(guī)定了輸送任務(wù)，要求設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的管路，即正確確定管路的直徑與流體流速，以及管路布置。吸收塔20m輸送流體4000kg/h（操作型計(jì)算，自學(xué)）2023/7/3160第60頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月若qV

一定：u↑，則d↓；若u

↓，則d

↑。u的大小，反映了操作費(fèi)用（經(jīng)常費(fèi)用）的多少；d的大小，反映了設(shè)備費(fèi)用（固定費(fèi)用）的多少。費(fèi)用u操作費(fèi)設(shè)備費(fèi)總費(fèi)用u最佳首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（p22，表1-1）選擇適當(dāng)?shù)牧魉?，算出管徑，再根?jù)管道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。（參考：p22，【例1-7】）2023/7/3161第61頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.3流體輸送管路計(jì)算步驟二、確定基準(zhǔn)面：一般可以地面為基準(zhǔn)或以低截面為基準(zhǔn)；一、根據(jù)題意畫出簡圖，并標(biāo)出已知數(shù)據(jù)；同時(shí)列出其它已知數(shù)據(jù)和參數(shù)，并統(tǒng)一單位制（SI制）；三、選擇計(jì)算截面：●截面與流體流動(dòng)方向垂直；

●兩截面之間包含未知數(shù)（We)；

●計(jì)算截面上已知量最多。

四、根據(jù)已定基準(zhǔn)，在所選截面之間列伯努利方程，結(jié)合其它方程（如連續(xù)方程）進(jìn)行計(jì)算。2023/7/3162第62頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-3計(jì)算輸送機(jī)械的有效功率32頁

【例1-3】計(jì)算輸送機(jī)械的有效功率（p32）

用泵將貯液池中常溫下的水送至吸收塔頂部，貯液池水面維持恒定，各部分的相對(duì)位置如圖所示，輸水管的直徑為76mm×3mm，排水管出口噴頭連接處的壓力為6.15×104Pa（表壓），送水量為34.5m·h-1，水流經(jīng)全部管道（不包括噴頭）的能量損失為160J·kg-1，試求泵的有效功率。解：以貯液池的水面為上游截面1–1，排水管出口與噴頭連接處為下游截面2–2，并以1–1為基準(zhǔn)水平面1122112112112211z1=26m2211附圖2023/7/3163第63頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-4b或式中：z1=0z2=26m

p1=0（表壓）p2=6.15×104Pa（表壓）

∑hf=160J·kg-1水的密度ρ=1000kg·m-3因貯液池的截面遠(yuǎn)大于管道界面，故u1≈0兩截面之間機(jī)械能衡算方程為2023/7/3164第64頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-4c將上述數(shù)據(jù)代入公式泵的有效功率為2023/7/3165第65頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.4流體在管內(nèi)流動(dòng)的阻力（p41）流體阻力損失∑hf直管阻力損失

hf

：流經(jīng)直管時(shí)由于流體的內(nèi)摩擦產(chǎn)生。局部阻力損失hf’

：流經(jīng)管件閥件時(shí)，流道突變產(chǎn)生的。由管件的阻力特性決定。

一、直管摩擦阻力損失計(jì)算(p59)直管阻力產(chǎn)生原因：流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部存在速度梯度，動(dòng)量將自發(fā)地由高動(dòng)量區(qū)向低動(dòng)量區(qū)進(jìn)行傳遞。由于流體的內(nèi)摩擦力作用，動(dòng)量向壁面?zhèn)鬟f，且有部分傳遞給了管壁，從力學(xué)角度看，應(yīng)該帶著管壁前進(jìn)，但管壁不動(dòng)，這部分能量就變成直管阻力損失。2023/7/3166第66頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月直管摩擦阻力計(jì)算通式——范寧（fanning）公式：式中：

λ

：摩擦系數(shù),包含了所有因素對(duì)直管阻力損失的影

響，流動(dòng)類型不同，計(jì)算方法不同。L/d

:直管的長度與直徑的比值(m/m)，反映設(shè)備條件

對(duì)流動(dòng)阻力損失的影響。u

：流體平均速度，

m/s2023/7/3167第67頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

流體在圓直管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)，其阻力損失與流速的一次方成正比；摩擦系數(shù)l與雷諾數(shù)Re成反比。管內(nèi)層流時(shí)直圓管摩擦系數(shù)計(jì)算式代入可求hfu=0.5umax層流時(shí)的摩擦系數(shù)2023/7/3168第68頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

湍流時(shí)的直圓管摩擦系數(shù)（p49)湍流時(shí)，平均流速與最大點(diǎn)速之關(guān)系:u=0.8umax系數(shù)K

和指數(shù)e、g都需要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)確定，所以目前都采用經(jīng)驗(yàn)公式（p49）。湍流時(shí)的直管摩擦系數(shù)2023/7/3169第69頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月摩擦系數(shù)曲線圖(p50)以Re和/d為參數(shù)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中標(biāo)繪測(cè)定的摩擦系數(shù)l值

Re=105,e/d=0.003

l=0.027湍流時(shí)的直管摩擦系數(shù)2023/7/3170第70頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二、管路上局部阻力損失計(jì)算（p51)局部阻力的產(chǎn)生流速改變（管徑改變，閥門，縮頭、容器接管，管道出口、流量計(jì)等）流速發(fā)生改變之處流動(dòng)方向改變之處u流動(dòng)方向改變：彎管、三通等。局部阻力損失2023/7/3171第71頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月阻力系數(shù)法：

當(dāng)量長度法：——

局部阻力系數(shù)，p53，表1-3

Le

——

當(dāng)量長度,把局部阻力折換為相應(yīng)的管道長度

p54，圖124

局部阻力損失計(jì)算方法2023/7/3172第72頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月100mm的閘閥1/2關(guān)Le

=

22m100mm的標(biāo)準(zhǔn)三通

Le

=

2.2m100mm的閘閥全開

Le

=

0.75m局部阻力損失當(dāng)量長度共線圖的使用（p54)2023/7/3173第73頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

【例】某溶劑在位差推動(dòng)下由容器A流入容器B。為保證流量恒定，容器A設(shè)置溢流管，兩容器間用均壓管連通來保持液面上方壓力相等。溶劑由容器A底部一具有液封作用的倒U型管排出，該管頂部與均壓管相通。容器A液面距排液管下端6.0m，排液管為60×3.5mm鋼管，由容器A至倒U型管中心處，水平管段總長3.5m，其間有球閥1個(gè)(全開)，90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭3個(gè)。試求：要達(dá)到12m3/h的流量，倒U型管最高點(diǎn)距容器A內(nèi)液面的高差H。（溶劑的密度為900kg/m3，粘度為0.6×10-3Pa·s）。2023/7/3174第74頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月解：溶劑在管中的流速為1-1：u1=0p1

z1=H

2-2:u2=u

p2=p1,z2=0以倒U形管頂部為基準(zhǔn)，在1-1與2-2截面之間列伯氏方程：Δu

=1.51m/s

Δp=0Δz=–H

We=0∑hf0=-Hg+u2/2+∑hf2023/7/3175第75頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月為湍流，

Re=F(

l，e/d)。取鋼管絕對(duì)粗糙度

∴H=(u2/2+∑hf)/g查圖得摩擦系數(shù)(p50)

l=0.032○○○○○>4000局部阻力損失2023/7/3176第76頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

H=(1.51