《流体力学2》全册配套完整教学课件.pptx

1、流体力学流体力学2全册配套全册配套完整教学课件完整教学课件流体力学与传热流体力学与传热 教材及参考书教材及参考书 教材教材 钟理，伍钦，马四朋主编，钟理，伍钦，马四朋主编，化工原理化工原理上册，化学上册，化学工业出版社，工业出版社，2008年第年第1版。版。 主要参考书主要参考书1. Warren L. McCabe, Julian C. Smith and Peter Harriott. Unit Operations of Chemical Engineering, Seventh Edition. International Edition, McGRAW-HILL.2. 夏清，陈常贵主

2、编，姚玉英主审，夏清，陈常贵主编，姚玉英主审，化工原理化工原理上册，上册，修订版，天津大学出版社。修订版，天津大学出版社。2005年第年第1版。版。3. 姚玉英，陈常贵，柴诚敬编著，姚玉英，陈常贵，柴诚敬编著，化工原理学习指化工原理学习指南南，天津大学出版社，天津大学出版社，2003年。年。 课程有关事项课程有关事项 考试考试 期末考试，期末考试，75%出勤出勤 提前请假，旷课一次扣提前请假，旷课一次扣3分。共分。共9%。课后作业课后作业 约约10次，每周一次，占总成绩的次，每周一次，占总成绩的10%。 要求要求:(1)按布置题量完成，按时上交；（按布置题量完成，按时上交；（2）抄题目，画图，

3、（）抄题目，画图，（3）字）字迹端正，有中间运算过程；（迹端正，有中间运算过程；（4）不抄袭。缺一项，降一等级，从）不抄袭。缺一项，降一等级，从A，A-，B+，B，B-课堂表现课堂表现 3% (1)积极回答问题，不论正确与否，总成绩的积极回答问题，不论正确与否，总成绩的3%；（；（2）被动回答，）被动回答，按回答正确程度给分，共占总成绩的按回答正确程度给分，共占总成绩的3%；l 课堂作业课堂作业 根据正确程度，占总成绩的根据正确程度，占总成绩的3% 与本课程有关的其它课程与本课程有关的其它课程 化工原理实验化工原理实验 雷诺和柏努利方程、泵性能和阻力、相分离演雷诺和柏努利方程、泵性能和阻力、相

4、分离演示、传热实验。示、传热实验。 实验前的准备工作：预习，撰写实验报告实验前的准备工作：预习，撰写实验报告 实验中：根据实验操作步骤，进行实验实验中：根据实验操作步骤，进行实验 实验后：进行数据整理及补充完善实验报告实验后：进行数据整理及补充完善实验报告考核方式考核方式 平时及实验报告平时及实验报告40%，（，（评定依据参见作业部分评定依据参见作业部分） 期末考试；期末考试；60% 0 0 绪论绪论 0.1 概述概述 0.1.1 课程的基本内容课程的基本内容 化工生产过程泛指对原料进行化学加工，最终化工生产过程泛指对原料进行化学加工，最终获得有价值产品的生产过程。获得有价值产品的生产过程。

5、化学（生物）反应化学（生物）反应 （核心）（核心） 物理操作：为化学（生物）反应准备适宜的反物理操作：为化学（生物）反应准备适宜的反应条件及将反应物分离提纯而获得最终产品。应条件及将反应物分离提纯而获得最终产品。 单元操作单元操作一、单元操作的分类一、单元操作的分类遵循流体动力学基本规律的单元操作遵循流体动力学基本规律的单元操作 流体输送、沉降、过滤、物料混合等。流体输送、沉降、过滤、物料混合等。遵循热量传递的基本规律的单元操作遵循热量传递的基本规律的单元操作 加热、冷却、冷凝、蒸发。加热、冷却、冷凝、蒸发。遵循质量传递基本规律的单元操作遵循质量传递基本规律的单元操作 蒸馏、吸收、萃取、吸附、

6、膜分离等。（分离操蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。（分离操作）作）同时遵循热质传递规律的单元操作同时遵循热质传递规律的单元操作 气体的增湿与减湿、结晶、干燥。气体的增湿与减湿、结晶、干燥。二、单元操作的理论二、单元操作的理论三传理论三传理论 动量传递、热量传递、质量传递动量传递、热量传递、质量传递动量传递动量传递热量传递热量传递质量传递质量传递0.1.2 课程的研究方法课程的研究方法 实验研究方法（经验法）实验研究方法（经验法） 量纲分析、相似理论、无量纲数群（准数）量纲分析、相似理论、无量纲数群（准数） 数学模拟法（半经验半理论方法）数学模拟法（半经验半理论方法） 通过合理简化，建立物理模

7、型，进行数学描述，通过合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得到数学模型，通过实验测定模型参数。得到数学模型，通过实验测定模型参数。解析法解析法 建立数学模型及方程式，直接进行求解。建立数学模型及方程式，直接进行求解。0.1.3 课程的学习要求课程的学习要求 “科学科学”与与“技术技术”的融合。强调理论联系实的融合。强调理论联系实际。际。 单元操作和设备选择的能力；单元操作和设备选择的能力； 工程设计能力；设计计算，化工原理课程设计工程设计能力；设计计算，化工原理课程设计 操作和调节生产过程的能力；操作计算操作和调节生产过程的能力；操作计算 过程开发或科学研究能力。过程开发或科学研究能力。0.

8、2 单位制与单位换算单位制与单位换算 0.2.1 物理量的单位物理量的单位 基本量（基本量（primary quantity）和基本单位）和基本单位 长度，时间，质量，温度等长度，时间，质量，温度等 导出量和导出单位导出量和导出单位 速度，加速度，力等速度，加速度，力等0.2.2 单位制单位制 国际单位制（国际单位制（SI制）制） 基本量：基本量： 长度（米长度（米m） ，质量（千克，质量（千克kg） ，时间（秒，时间（秒s），），温度（开尔文温度（开尔文K），元素的单位（摩尔），元素的单位（摩尔mol） 导出量：导出量： 力（牛顿力（牛顿N），），1N=1kgms-2 功、能和热（焦耳功、能

9、和热（焦耳J），），1J=1Nm=1kgm2s-2 功率，压力（大气压功率，压力（大气压atm，bar)，标准重力加速度，标准重力加速度(gn) 英制单位制（英制单位制（fps制）制） 基本量基本量: 长度（英尺长度（英尺ft），质量（磅），质量（磅lbm） ，时间，时间（秒（秒s）, 温度（温度（ F） 导出量导出量: 重力加速度（重力加速度（g），），g=32.174fts-2 力（磅力（磅lblbf f），），1lb1lbf f= 1lb= 1lbm mgc=32.174 lbmfts-2 压力压力psi（pound per square inch)，1psi=1lbfin-2 功率（功

10、率（1hp），），1hp=550ftlbfs-1 热，功，能（热，功，能（Btu），），1Btulbm-1F-1=1calITg-1C-1 物理单位制（物理单位制（CGS系统）系统） 基本量基本量 长度（厘米长度（厘米cm） ，质量（克，质量（克g） ，时间（秒，时间（秒s） 导出量导出量 力（达因力（达因dyn），），1dyn=1gcms-2 热量（尔格热量（尔格erg），），1erg=1dyncm 重力加速度（重力加速度（g），），1g=980.665cms-20.2.3 单位换算单位换算CGS制与制与SI制的关系制的关系 1g=110-3kg 1cm=1 10-2m 1dyn=1gcms

11、-2=1 10-5N 1erg（尔格）（尔格） =1dyncm=1 10-7J fps制与制与SI制的关系制的关系 1lbm=0.45359kg 1ft=12inch=0.30480m 1lbf=4.4482N 1ftlbf=1.35582Nm=1.35582J 1hp=745.7W 1Btu(British thermal unit)=1.05418 103J TF=32+t1.8C，1C=1.8F 物理量单位的换算物理量单位的换算【例例0-1】以英制单位制表示的常温下苯的热导率为以英制单位制表示的常温下苯的热导率为0.0919Btuft-1h-1F-1，将该热导率的单位换算成，将该热导率的

12、单位换算成Wm-1C-1。解：根据单位的换算关系，有：解：根据单位的换算关系，有： 1Btu=1.05418 103J，1ft=0.30480m，1h=3600s ，1C=1.8F 所以，苯的热导率为：所以，苯的热导率为：101000101131011CmW15892. 0CsmJ15892. 0CF1.8F3600shh0.30480mftftBtuJ101.05418Btu0.0919FhftBtu0919. 0公式的换算公式的换算*【例例0-2】在在SI制中，牛顿第二定律的表达式为制中，牛顿第二定律的表达式为F=ma，式，式中中F为物体所受的力，为物体所受的力，N ，m为物体质量，为物体

13、质量，kg，a为物体的为物体的运动加速度，运动加速度，ms-2；试将上式变换为英制单位制，即；试将上式变换为英制单位制，即F的的单位改为单位改为lbf，m的单位改为的单位改为lbm，a的单位改为的单位改为fts-2。解：根据单位的换算关系，有：解：根据单位的换算关系，有： 1lbf=4.4482N，1ft=0.30480m，1lbm=0.45359kg FFFF4482. 4lbNfaaaammmm3048. 0sftsm45359. 0lb(kg)22mmaFamamFammaFF174.321174.321031. 03048. 045359. 04482. 40.3 单元操作的几个基本定

14、律及关系单元操作的几个基本定律及关系 0.3.1 质量衡算质量衡算 质量守恒定律质量守恒定律 进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量于该过程中累积的物料质量 F为输入量的总和；为输入量的总和； D为输出量的总和；为输出量的总和；A为为累积量。累积量。对于稳态，有对于稳态，有ADFDF【例例0-3】在生产在生产KNO3的过程中，的过程中，20%的的KNO3纯水溶液以纯水溶液以1000kgh-1的的流量送入蒸发器，在流量送入蒸发器，在422K下蒸发出部分水而得到下蒸发出部分水而得到50%的的KNO3浓溶液，浓溶液，然后送入冷却结晶器

15、，在然后送入冷却结晶器，在311K结晶，得到含水结晶，得到含水4%的的KNO3结晶和含结晶和含37.5%的饱和溶液。前者作为产品取出，后者循环回到蒸发器。过程为的饱和溶液。前者作为产品取出，后者循环回到蒸发器。过程为定态操作。试计算定态操作。试计算KNO3结晶产品量结晶产品量P、水蒸发量、水蒸发量W和循环的饱和溶液量和循环的饱和溶液量R。解：首先给出物料流程解：首先给出物料流程 （1）结晶产量）结晶产量P 以总系统为研究对象，以溶质（以总系统为研究对象，以溶质（KNO3）的量做衡算：的量做衡算：1000 20%=(1-4%) P，P=208.3kgh-1（2）水蒸发量）水蒸发量W以总系统为研究

16、对象，根据总物料的平衡，有以总系统为研究对象，根据总物料的平衡，有1000=W+P，W=1000-P=791.1kgh-1（3）循环的饱和溶液量）循环的饱和溶液量R以冷凝结晶器为研究对象，分别对物料总量和溶质量进行质量衡算以冷凝结晶器为研究对象，分别对物料总量和溶质量进行质量衡算S=P+R （S=208.3+R）S 50%=P （1-4%）+R 37.5% （ S 50%=208.3 （1-4%）+R 37.5% ）得到：得到：S= 974.9kgh-1 ，R=766.6kgh-10.3.2 能量衡算能量衡算 能量守恒定律能量守恒定律 进入与离开某一化工过程的物料能量之差，等于进入与离开某一化

17、工过程的物料能量之差，等于该过程中累积的物料能量该过程中累积的物料能量 QI为输入能量的总和；为输入能量的总和； QO为输出能量的总和；为输出能量的总和； QL 为系统向外损失的能量；为系统向外损失的能量；QA为系统中累积的为系统中累积的能量。能量。对于稳态，有对于稳态，有ALOIQQQQLOIQQQ【例例0-4】在换热器里将平均比热容为在换热器里将平均比热容为3.56kJkg-1C-1的某种溶液自的某种溶液自25C加热到加热到80C，溶液流量为，溶液流量为1.0kgs-1。加热介质为。加热介质为120C的饱和水蒸汽，其的饱和水蒸汽，其消耗量为消耗量为0.095kgs-1，蒸汽冷凝成同温度的饱

18、和水后排出。试计算此换，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算此换热器的热损失占水蒸汽所提供热量的百分比。热器的热损失占水蒸汽所提供热量的百分比。解：首先给出过程示意图解：首先给出过程示意图 查表，得到查表，得到120C的饱和水蒸汽的焓为：的饱和水蒸汽的焓为： 2708.9kJkg-1，120C饱和水饱和水的焓为：的焓为： 503.67kJkg-1 物料进入系统输入的能量物料进入系统输入的能量物料流出系统输出的能量物料流出系统输出的能量 kW35.34602556. 30 . 19 .2708095. 021QQQI kW65.33208056. 30 . 167.503095. 043QQQ

19、OkW7 .1365.33235.346OILQQQ%54. 650.2097 .1367.5039 .2708095. 07 .1331QQQL根据能量守恒方程，热量损失为：根据能量守恒方程，热量损失为：热损失占水蒸汽所提供热量的百分比为热损失占水蒸汽所提供热量的百分比为:0.3.3 过程的平衡与速率过程的平衡与速率 过程的平衡过程的平衡 传热过程传热过程 吸收过程吸收过程 过程的速率过程的速率 过程进行的快慢，传递速率。过程进行的快慢，传递速率。阻力推动力传递速率作业作业 将将A，B，C，D四种组分各为四种组分各为0.25（摩尔分数，下同）的（摩尔分数，下同）的混合溶液，以混合溶液，以10

20、00molh-1的流量送入精馏塔内分离，得到的流量送入精馏塔内分离，得到塔顶与塔釜两股产品，其中塔顶产品中包含进料的全部塔顶与塔釜两股产品，其中塔顶产品中包含进料的全部A组分，组分，96%B组分及组分及4%C组分；全部组分；全部D组分存在于塔釜产组分存在于塔釜产品中。试计算塔顶和塔釜产品的流量及组成。品中。试计算塔顶和塔釜产品的流量及组成。每小时将每小时将200kg过热氨气（压强为过热氨气（压强为1200kPa）从）从95C冷却、冷却、冷凝为饱和液氨。已知冷凝温度为冷凝为饱和液氨。已知冷凝温度为30C。采用冷冻盐水为。采用冷冻盐水为冷凝、冷却剂，盐水与冷凝、冷却剂，盐水与2C下进入冷凝、冷却器

21、，离开时下进入冷凝、冷却器，离开时为为10C。求每小时盐水的用量。求每小时盐水的用量。 热损失忽略不计，数据：热损失忽略不计，数据： 95C过热氨气的焓：过热氨气的焓：1647kJkg-1 ；30C饱和液氨的焓：饱和液氨的焓：323kJkg-1 2C盐水的焓：盐水的焓：6.8kJkg-1 ； 10C盐水的焓：盐水的焓：34kJkg-1 第第1章章 流体流动流体流动 1.1 流体基本性质流体基本性质 1.2 流体静力学流体静力学 1.3 流体动力学流体动力学 1.4 流体流动现象流体流动现象 1.5 流体流动阻力流体流动阻力 1.6 管路计算管路计算 1.7 流速与流量的测量流速与流量的测量 第

22、第1 1章章 流体流动流体流动 流体是指一切在应力作用下能够流动、没有固定流体是指一切在应力作用下能够流动、没有固定形状的物体。形状的物体。气体与液体，等离子体，膏体（牙膏、熔融的橡气体与液体，等离子体，膏体（牙膏、熔融的橡胶塑料）、悬浮液（水煤浆）、胶体等。胶塑料）、悬浮液（水煤浆）、胶体等。 流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一；流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一； 压强、流速及流量的测量；压强、流速及流量的测量； 研究流体流动问题也是研究其他化工单元操作的研究流体流动问题也是研究其他化工单元操作的重要基础。重要基础。1.1 流体基本性质流体基本性质1.1.1 连续介质假定连续介

23、质假定1.1.2 流体的可压缩性流体的可压缩性1.1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力1.1.4 密度密度1.1.5 剪切力与黏度剪切力与黏度1.1.1 连续介质假定连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。尺寸、远大于分子自由程。 工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究 流体。流体。高度真空下

24、的气体不能视为连续介质高度真空下的气体不能视为连续介质1.1 流体基本性质流体基本性质 1.1.2 流体的可压缩性流体的可压缩性 不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变 化，如液体；化，如液体； 可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。如气体。 描述流体可压缩性的参数：体积压缩系数描述流体可压缩性的参数：体积压缩系数 dpdvv1dpd1 表面力：通过直接接触而作用于流体表面的力，表面力：通过直接接触而作用于流体表面的力， 其大小与流体的表面积成正比。其大小与流体的表面积成正比。 压压 力：垂直于表

25、面的法向力；力：垂直于表面的法向力；剪切力：平行于表面的切向力。剪切力：平行于表面的切向力。压力压力剪切力剪切力1.1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力 质量力质量力: 作用于流体每个质点上的力，其大小与流作用于流体每个质点上的力，其大小与流 体的质量成正比，如重力、离心力等。体的质量成正比，如重力、离心力等。1.1.4 密度密度一、密度一、密度 单位体积流体的质量。单位体积流体的质量。Vmkgm-3 二、单组分密度二、单组分密度),(Tpf 液体液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变密度仅随温度变化（极高压力除外），其变 化关系可从手册中查得。化关系可从手册中查得。 气体气体 当压

26、力不太高、温度不太低时，可按理想当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：气体状态方程计算： RTpM 注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度 下之值，若条件不同，则需进行换算。下之值，若条件不同，则需进行换算。三、混合物的密度三、混合物的密度 混合气体混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有各组分在混合前后质量不变，则有 nn2111m 气体混合物中各组分的体积分数。气体混合物中各组分的体积分数。 n21, 或或RTpMmm mM混合气体的平均摩尔质量；混合气体的平均摩尔质量； nn2211myMyMyMMn21,yyy气体混合

27、物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔( (体积体积) )分数。分数。 混合液体混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有假设各组分在混合前后体积不变，则有 nn2211m1 aaan21,aaa液体混合物中各组分的质量分数。液体混合物中各组分的质量分数。 四、四、比容（比体积）比容（比体积）单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。 1mVvm3kg-1 一、一、 牛顿黏性定律牛顿黏性定律 yuAFdd或或yuddFuududy式中：式中：F内摩擦力，内摩擦力，N； 剪应力，剪应力，Pa； 法向速度梯度，法向速度梯度，s-1； 比例系数，称为流体的黏度，

28、比例系数，称为流体的黏度，Pas 。 yudd1.1.5 剪切力与黏度剪切力与黏度牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 黏性定律的流体；黏性定律的流体；非牛顿型流体：不符合牛顿黏性定律的流体。非牛顿型流体：不符合牛顿黏性定律的流体。 二、二、流体的黏度流体的黏度 （动力黏度（动力黏度） 1. .黏度的物理意义黏度的物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。单位速度梯度所需的剪应力。),(Tpf 液体液体 :)(Tf T 气体气体 : 一般一般)(Tf T 超高压超高压),(Tp

29、f p 黏度的物理本质黏度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。分子间的引力和分子的运动与碰撞。2. 黏度的单位黏度的单位SI制：制：Pas 或或 kgm-1s-1物理制：物理制：P ( (泊）泊） gcm-1s-1 ，cP(厘泊）厘泊）换算关系换算关系1cP10-3 Pas3. .运动黏度运动黏度 黏度黏度与密度与密度之比。之比。 m2s-1三、理想流体与实际流体三、理想流体与实际流体 理想流体：黏度为零的流体；理想流体：黏度为零的流体；实际流体或黏性流体：具有黏性的流体。实际流体或黏性流体：具有黏性的流体。【例【例1-1】图】图1-2所示间距为所示间距为1m的两个平面间充满某种润的两

30、个平面间充满某种润滑油，可看成牛顿型流体。要把一块面积为滑油，可看成牛顿型流体。要把一块面积为0.4m2的薄的薄板以板以20mmin-1的速度在油中拖动，问需要多大的力？的速度在油中拖动，问需要多大的力？已知润滑油的黏度为已知润滑油的黏度为0.0063Pas。解解:1 = 0.0063 (20 60) 0.33 = 0.00636Pa 2 = 0.0063 (20 60) 0.67 = 0.00313PaF1 = 1A = 0.9168 0.4 = 0.002547N F2 = 2A = 0.4728 0.4 = 0.00125N F = F1 + F2 = 0.00379N1.3 流体动力学

31、流体动力学1.3.1 流体的流量与流速流体的流量与流速 1.3.2 定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动1.3.3 定态流动系统的质量衡算定态流动系统的质量衡算 连续性方程连续性方程 1.3.4 定态流动系统的机械能衡算定态流动系统的机械能衡算 柏努利方程柏努利方程 1.3 流体动力学流体动力学 1. 体积流量体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 qvm3s-1或或m3h-1 2. 2.质量流量质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。单位时间内流经管道任意截面的流体质量。 qmkgs-1或或kgh-1。 vmqq二者关系：二者关系：

32、一、流量一、流量1.3.1 流体的流量与流速流体的流量与流速二、流速二、流速2. 2. 质量流速质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。1.1. 流速流速 （平均平均流速）流速）单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。 Aquvkgm-2s-1uAqAqGvm流量与流速的关系：流量与流速的关系： GAuAqqvmms-1 1.3.2 定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动定态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量定态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；仅随位置

33、变化，而不随时间变化； 非定态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位非定态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。置变化，也随时间变化。),(,zyxfupT ),(,tzyxfupT1.3.3 定态流动系统的质量衡算定态流动系统的质量衡算 连续性方程连续性方程 对于定态流动系统，在对于定态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失管路中流体没有增加和漏失的情况下：的情况下： m2m1qq222111AuAu推广至任意截面推广至任意截面 常数uAAuAuq222111m连续性方程连续性方程11 2 2常数uAAuAuq2211v不可压缩性流体，不可压缩性流体，.Const 圆形管

34、道圆形管道 ：2121221 ddAAuu 即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比管内径的平方成反比 。如何根据上面公式确定管径如何根据上面公式确定管径?对一般液体对一般液体,u=0.5-3ms-1, 气气体的体的u=5-15ms-1【例例1-6】 如附图所示，管路由一段如附图所示，管路由一段894mm的的管管1和一段和一段1084mm的管的管2和两段和两段573.5mm的的分支管分支管3a及及3b连接而成。若水以连接而成。若水以910-3m3s-1的体积的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水流量流动，且在两段分支管内的流量相

35、等，试求水在各段管内的速度。在各段管内的速度。 3a123b1.3.4 定态流动系统的机械能衡算定态流动系统的机械能衡算 柏努利方程柏努利方程 一、一、理想流体理想流体的机械能衡算的机械能衡算p2, u2p1, u1z1z211 22 00 衡算范围：衡算范围：1-1、2-2截面以及截面以及管内壁所围成的空间管内壁所围成的空间衡算基准：衡算基准：1kg流体流体基准面：基准面：0-0水平面水平面（1）位能）位能 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。流体受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流体所具有的位能为的流体所具有的位能为zg（Jkg-1）。 （2）动能）动能 1kg的流体所具有的动

36、能为的流体所具有的动能为 ( (Jkg-1) 221u（3）静压能）静压能 静压能静压能= pVAVpAFl 1kg的流体所具有的静压能为的流体所具有的静压能为 pmpV (Jkg-1) 222212112121pugzpugz （1）柏努利方程式柏努利方程式 22222112112121 pugzpugz 不可压缩性流体，不可压缩性流体，.Const 式（式（1）为以单位质量流体为基准的机械能衡）为以单位质量流体为基准的机械能衡算式，各项单位均为算式，各项单位均为Jkg-1。根据能量守恒原则，必有根据能量守恒原则，必有gpugzgpugz 222212112121 将将(1)(1)式各项同除

37、重力加速度式各项同除重力加速度g :（2）式中各项单位为式中各项单位为mNJkgNkgJ11 -1式（式（2）即为以单位重量的流体为基准的机械能衡算式。）即为以单位重量的流体为基准的机械能衡算式。z 位压头位压头gu22动压头动压头gp 静压头静压头总压头总压头二、二、实际流体实际流体的机械能衡算的机械能衡算Wep2,u2p1,u1221100z2z1（2）外功）外功(有效功有效功) 1kg流体从流体输送机械获得的能量为流体从流体输送机械获得的能量为We (Jkg-1)。（1）能量损失）能量损失设设1kg流体损失的能量为流体损失的能量为hf（Jkg-1）。）。 f222212112121hpu

38、gzWpugzef222212112121HgpugzHgpugze（3）（4）或或gWHee ghHff其中其中 He外加压头或有效压头，外加压头或有效压头，m;Hf压头损失，压头损失，m。三、三、 柏努利方程的讨论柏努利方程的讨论 （1 1）若流体处于静止，）若流体处于静止，u=0，hf=0，We=0，则柏，则柏努利方程变为努利方程变为 说明柏努利方程既表示流体的运动规律，也说明柏努利方程既表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律表示流体静止状态的规律 。 2211pgzpgz （2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即总压

39、头为常数，即Const.212 puzgConst.212 gpugz gu221gu222gp1gp2Hz2210 We、hf 在两截面间单位质量流体获得在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。或消耗的能量。（3）zg、 、 某某截面上单位质量流体所截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能具有的位能、动能和静压能 ； p221u有效功率有效功率 ：emeWqN 轴功率轴功率( (电机输入离电机输入离心泵的功率）心泵的功率） ： eNN （4）柏努利方程式柏努利方程式适用于不可压缩性流体。适用于不可压缩性流体。 对于可压缩性流体，当对于可压缩性流体，当 时，仍可时，仍可用该方程计算，但式中

40、的密度用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均应以两截面的平均密度密度m代替。代替。%20121 ppp四、四、柏努利方程的应用柏努利方程的应用 管内流体的流量；管内流体的流量； 输送设备的功率；输送设备的功率； 管路中流体的压力；管路中流体的压力； 容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：（1）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围算范围 ；（2）位能基准面的选取位能基准面的选取

41、必须与地面平行；必须与地面平行； 宜于选取两截面中位置较低的截面；宜于选取两截面中位置较低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。应选过管中心线的水平面。 （4）各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。应一致，即同为绝压或同为表压。 （3）截面的选取）截面的选取 与流体的流动方向相垂直；与流体的流动方向相垂直； 两截面间流体应是定态连续流动；两截面间流体应是定态连续流动； 截面宜选在已知量多、计算方便处。截面宜选在已知量多、计算方便处。 【例例1-

42、7】 如附图所示，从高位槽向塔内进料，高如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。hpa送液管为送液管为452.5mm的钢管，的钢管，要求送液量为要求送液量为3.6m3h-1。设料液。设料液在管内的压头损失为在管内的压头损失为1.2m（不（不包括出口能量损失），试问高包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少位槽的液位要高出进料口多少米？米？ m/s796. 004. 036006 . 344, 0, 0, 0, 0212122212121f22221211dqAquhzzHuppHgpugzHgpu

43、gzvvee m23. 12 . 1796. 08 . 921212f22Hugh 【例例1-8】 在在453mm的管路上装一文丘里的管路上装一文丘里管，文丘里管的上游接一压力表，其读数为管，文丘里管的上游接一压力表，其读数为137.5kPa，压力表轴心与管中心的垂直距离为，压力表轴心与管中心的垂直距离为0.3m，管内水的流速为，管内水的流速为1.3ms-1，文丘里管的喉径，文丘里管的喉径为为10mm。文丘里喉部接一内径为。文丘里喉部接一内径为20mm的玻璃管，的玻璃管，玻璃管的下端插入水池中，池内水面到管中心的玻璃管的下端插入水池中，池内水面到管中心的垂直距离为垂直距离为3m。若将水视为理想

44、流体，试判断池。若将水视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管中。若能吸入，再求每小时吸中水能否被吸入管中。若能吸入，再求每小时吸入的水量为多少立方米？入的水量为多少立方米？3.0m1120.3m200ukPa14.54 m/s,77.1910393 . 1m/s3 . 10, 00 kPa,44.1403 . 08 . 91000137500021212222112121f1f22221211pdduuuzzHHpHgpugzHgpugzee/hm96. 7/sm1021. 203. 7402. 0m/s03. 7kPa14.54, 0, 0m3, 0, 0, 0 21213332222002

45、0ff22220200AuquppuzzHHHgpugzHgpugzveekPa14.54, 0 0m52. 28 . 910001014.5432000322ppgpzgpz 【例例1-9】 用水吸收混合气中氨的常压逆流吸收流用水吸收混合气中氨的常压逆流吸收流程如附图所示。用泵将敞口水池中的水输送至吸收程如附图所示。用泵将敞口水池中的水输送至吸收塔塔顶，并经喷嘴喷出，水流量为塔塔顶，并经喷嘴喷出，水流量为35m3h-1。泵的。泵的入口管为入口管为1084mm无缝钢管，出口管为无缝钢管，出口管为763 3mm无缝钢管。池中水深为无缝钢管。池中水深为1.5m，池底至，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距

46、离为塔顶喷嘴入口处的垂直距离为20m。水流经所有管。水流经所有管路的能量损失为路的能量损失为42Jkg-1（不包括喷嘴），喷嘴入（不包括喷嘴），喷嘴入口处的表压为口处的表压为34kPa。设泵的效率为。设泵的效率为60%，试求泵，试求泵所需的功率。所需的功率。 （水密度以（水密度以1000kgm-3计）计） 20m1.5m气体气体 KW221. 4W42216 . 036001000355 .260J/kg5 .260kPa34m/s526. 207. 03600435, 0m20,m5 . 1,J/kg42 , 02121ee2222121f1f22221211mveqWNWpAquuzzhp

47、hpugzWpugz作业：作业：1-4、1-51.4.1 流体的流动型态流体的流动型态 1.4.2 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布1.4.3 流体流动边界层流体流动边界层1.4 流体流动的内部结构流体流动的内部结构 1.4.1 流体的流动型态流体的流动型态(Flash)(Flash) 一、雷诺实验一、雷诺实验1.4 流体流动的内部结构流体流动的内部结构 层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；混合； 湍流（或紊流）湍流（或紊流） ：流体质点除了

48、沿管轴方向向前：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。二、二、流型判据流型判据雷诺准数雷诺准数 udRe 无因次数群无因次数群1. 判断流型判断流型Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；时，流动为层流，此区称为层流区；Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000Re90o 前弯叶片前弯叶片 0 b、r、 , 则则H Q ，则，则H （线性规律）（线性规律）（3）理论压头）理论压头H 与流体的性质无关

49、与流体的性质无关（4）H与与H 的差距的差距叶片间环流；阻力损失；冲击叶片间环流；阻力损失；冲击损失损失二、离心泵的主要性能参数二、离心泵的主要性能参数1. ( (叶轮叶轮) )转速转速n： 10003000rpm；2900rpm常见常见 2. ( (体积体积) )流量流量Q: : m3h-1，与叶轮结构、尺寸和转速有关，与叶轮结构、尺寸和转速有关 3. 压头（扬程）压头（扬程）H： 1N流体通过泵获得的机械能。流体通过泵获得的机械能。JN-1=m 与与Q、叶轮结构、尺寸和、叶轮结构、尺寸和n有关有关。 Hz4. 轴功率轴功率N： 单位时间单位时间原动原动机输入泵轴的能量机输入泵轴的能量有效功

50、率有效功率Ne：单位时间液体获得的能量单位时间液体获得的能量5. 效率效率 ： = = Ne e/ /N 100%容积损失（容积损失（0.85-0.95），水力损失），水力损失（0.8-0.9），机械损失（），机械损失（0.96-0.99）三、离心泵的性能曲线三、离心泵的性能曲线HQNQ Q厂家实验测定厂家实验测定产品说明书产品说明书 20 C清水清水离心泵特性曲线离心泵特性曲线n一定一定说明：说明：HQ曲线，曲线，Q ，H 。Q 很小时可能例外很小时可能例外NQ曲线：曲线：Q ，N 。大流量大流量大电机大电机关闭出口阀启动泵关闭出口阀启动泵，启动电流最小，启动电流最小 Q曲线曲线 ：小：小Q