1、化工原理化工原理流体流体流动流动第一章第一章 流体流体流动流动1.1 1.1 概述概述 流体流动是各单元操作的基础。化工生产中主要应用流体流动基本原理及其流动规律的方面有： 流体流动阻力及流速、流量测量流体流动阻力及流速、流量测量 流动对传热、传质及化学反应的影响流动对传热、传质及化学反应的影响 流体的混合流体的混合化工原理化工原理流体流体流动流动 流程分析：流程分析： 流体在泵（或鼓风机）、流流体在泵（或鼓风机）、流量计以及管道中流动等，是量计以及管道中流动等，是流体动流体动力学问题力学问题。流体在压差计，水封箱中的水处于流体在压差计，水封箱中的水处于静止状态，则是静止状态，则是流体静力学问
2、题流体静力学问题。 为了确定流体输送管路的直径，为了确定流体输送管路的直径，计算流动过程产生的计算流动过程产生的阻力阻力和输送流和输送流体所需的体所需的动力动力。选择输送设备选择输送设备的类型和型号，以及的类型和型号，以及测定流体的测定流体的流量和压强流量和压强等。等。 流体流动将影响过程系统中的传热、流体流动将影响过程系统中的传热、传质过程等，是其他单元操作的主传质过程等，是其他单元操作的主要基础。要基础。 化工原理化工原理流体流体流动流动1.1.1 1.1.1 流体流动的考察方法流体流动的考察方法1. 1. 连续性假定连续性假定化工原理化工原理流体流体流动流动连续性假定对绝大多数情况是适合
3、的，但高真空下的气体除外。目的：可用微积分和连续函数来描述流体的各种参数。连续性假定流体是由无数质点组成，彼此间没有间隙，完全充满所占空间的连续介质。1.1.1 1.1.1 流体流动的考察方法流体流动的考察方法化工原理化工原理流体流体流动流动2.运动的描述方法欧拉法描述各有关参数在空间各点的分布情况和随时间的变化。该固定空间称为控制体。 在控制体的控制面上有力的作用和能量、质量交换。1.1.1 1.1.1 流体流动的考察方法流体流动的考察方法拉格朗日法选定流体质点，跟踪观察描述运动参数。 （微观考察方法）欧拉法固定空间位置，考察经过此地的流体运动参数。 （宏观考察方法）化工原理化工原理流体流体
4、流动流动3.3.流线与轨线流线与轨线由于同一点在指定某一时刻只有一个速度（矢量），所以各流线不会相交。1.1.1 1.1.1 流体流动的考察方法流体流动的考察方法轨线是同一流体质点在不同时刻所占空间位置的连线。流线是同一瞬时不同流体质点的速度方向连线。化工原理化工原理流体流体流动流动1.1.2 1.1.2 流体流动中的作用力流体流动中的作用力 在流体中任取一微元体积作为研究对象，它受到的力有质量力和表面力两类。1. 质量力施加于流体所有质点上，且与质量成正比的力。 对于均质流体质量力与流体的体积成正比，因此也称为体积力。例如：流体在重力场中所受到的重力、在离心力场中所受到的离心力、带电流体受到
5、的静电力、电流通过流体产生的电磁力等都是体积力。在化学工程中，通常只考虑重力。化工原理化工原理流体流体流动流动mFZmFYmFXzyx/ 其数值也就分别等于自由落体加速度g在x、y、z轴上的分量，则：xzygmmgZYX/01.1.2 流体流动中的作用力 若设作用在质量为m的流体上的重力为F，则单位质量的质量力为F/m，从物理学可知其数值就等于自由落体加速度g，若用 分别表示单位质量的质量力在x、y、z轴上的分量，则：ZyxFFF,化工原理化工原理流体流体流动流动2. 表面力与流体微元接触的外界（器壁、或指定的流体微元周围的其他流体）施加于该流体微元之力。表面力与作用的表面积成正比，单位面积上
6、的表面力称之为应力。通常可以将表面力分解为法向分力与切向分力，如图所示。单位面积上的法向力又称之为压强。单位面积上的切向力称之为剪切应力静止流体：表观为静压力运动流体：压力和粘性力1.1.2 流体流动中的作用力化工原理化工原理流体流体流动流动1.2 流体静力学基本方程式1.2.1 流体的密度流体的密度 1. 气体的密度气体的密度 压强不太高，温度不太低压强不太高，温度不太低时，可按理想气体处理。但气时，可按理想气体处理。但气体密度随体密度随P、T 而变，因而须标而变，因而须标明其状态。明其状态。若手册中查出若手册中查出P,T 下的下的 操作状态操作状态P,T的的，则，则TPPT某状态下理想气体
7、的密度：某状态下理想气体的密度：RTPM或或004 .22TPPTMp:Pa气体的绝对压强气体的绝对压强p0:Pa气体的绝对压强（标准状态下）气体的绝对压强（标准状态下）T:K气体的绝对温度气体的绝对温度本节讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律本节讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律化工原理化工原理流体流体流动流动 2. 液体的密度液体的密度 压力的变化对其密度的影响很小，可以忽略不计，故通常可压力的变化对其密度的影响很小，可以忽略不计，故通常可视液体为不可压缩流体。但视液体为不可压缩流体。但T 影响较大，一般查手册可得。影响较大，一般查手册可得。3. 混合物的密度混合物的密度 气体混合物的密
8、度气体混合物的密度 以以1m3 混合气体为基准，各混合气体为基准，各组分混合后其质量不变，则组分混合后其质量不变，则vnnvbBvaAmxxx同样，也可由下式求得：同样，也可由下式求得：004 .22TPPTMmm 液体混合物的密度液体混合物的密度 以以1kg液体混合物为基准，液体混合物为基准，各组分混合后其体积不变，则各组分混合后其体积不变，则nwnBwBAwAmxxx11.2.1 1.2.1 流体的密度流体的密度化工原理化工原理流体流体流动流动1.2.2 1.2.2 静止流体的压强分布静止流体的压强分布流动的流体流动的流体的静压强垂直于流动方向的静压强垂直于流动方向1. 静压强的特性静压强
9、的特性化工原理化工原理流体流体流动流动1.2.3 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式1. 取控制体作力衡算化工原理化工原理流体流体流动流动2. 结合本过程解微分方程化工原理化工原理流体流体流动流动化工原理化工原理流体流体流动流动2. 静力学方程应用条件3. 流体的总势能流体的总势能化工原理化工原理流体流体流动流动绝对压强：以绝对零压为基准，是流体的真实压强绝对压强：以绝对零压为基准，是流体的真实压强表压强：以大气压为基准表压强：以大气压为基准真空度：负的表压强真空度：负的表压强表压强表压强绝绝对对压压强强大气压线大气压线绝对零压线绝对零压线绝绝对对压压强强真空度真空度1.2.4 压强的表
10、示方法化工原理化工原理流体流体流动流动1atm=1.033kgf/cm2 =760mmHg=10.33mH2O =1.0133105 N/m2 1kgf/cm2 =735.6mmHg=10mH2O =9.807104 N/m2 换算关系：换算关系：单位表示： SI制制：N/m2Pa 制外单位：制外单位：物理大气压，物理大气压，atm工程大气压，工程大气压，at(kgf/cm2) mmHg柱，柱，mH2O柱柱1.2.4 压强的表示方法化工原理化工原理流体流体流动流动1.2.5 1.2.5 静力学基本方程式的应用静力学基本方程式的应用1. U形管压差计可测量流体中某点的压力亦可测量两点之间的压力差
11、 在正U形管中要求指示剂密度大于工作介质密度 在倒U形管中，则反之（通常用空气）。化工原理化工原理流体流体流动流动AB12h1Rh2112212() () ()() ()ABiAABBiABippghppg hRgRpppghpghRgppRg整理得：化工原理化工原理流体流体流动流动倾斜液柱压差计 倾斜液柱压差计又称斜管压差计，被测系统压力差很小时使用。 1sinRR1sinRR1sinRR化工原理化工原理流体流体流动流动1.2.5 静力学基本方程式的应用静力学基本方程式的应用化工原理化工原理流体流体流动流动1.2.5 静力学基本方程式的应用静力学基本方程式的应用3.液封 如图，为了控制器内气
12、体压力不超过给定的数值，常常使用安全液封装置（或称水封装置）。其目的是确保设备的安全，若气体压力超过给定值，气体则从液封装置排出。化工原理化工原理流体流体流动流动液封还可达到防止气体泄漏的目的，而且它的密封效果极佳，甚至比阀门还要严密。例如煤气柜通常用水来封住，以防止煤气泄漏，如图所示。化工原理化工原理流体流体流动流动4.微差压差计p12pBCAaaRh其特点为：张室及U形管内装有互不相溶的两种指示液A和C，为了将读数放大，应尽可能使两种指示液的密度相接近。两U形管两端顶部装两扩大室，亦称“水库”，其直径比管径大10倍以上。这样可忽略扩大室中的液面变化。可得下式：gRppCA)(21化工原理化
13、工原理流体流体流动流动1.2.5 静力学基本方程式的应用静力学基本方程式的应用化工原理化工原理流体流体流动流动1.3 流体动力学1. 流速与流率流速与流率 流速流速即流体流动的速度。对于任意流动状态速度即流体流动的速度。对于任意流动状态速度为一空间向量，以为一空间向量，以u表示。（表示。（ux，uy、uz）在流动截面上各点的流速称为在流动截面上各点的流速称为点流速。点流速。一般，各点流速不相等，在同一截面上的点流速的一般，各点流速不相等，在同一截面上的点流速的变化规律称为变化规律称为速度分布速度分布1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念化工原理化工原理流体流体流动流动 流率流率 单位
14、时间内流体通过流动截面的量。单位时间内流体通过流动截面的量。 以流体的体积计量的称为以流体的体积计量的称为体积流率（流量）体积流率（流量） 以质量计量称为以质量计量称为质量流率质量流率 二者关系：二者关系：1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念smqV3,skgqm,VmqquAquAqudAdqmVV 其他：化工原理化工原理流体流体流动流动2. 稳态流动与不稳态流动 流体流动和热量、质量传递过程中，流体质点的所有物理量流体流动和热量、质量传递过程中，流体质点的所有物理量都可能是空间坐标（都可能是空间坐标（x、y、z）和时间）和时间t的函数。但实际过程中，的函数。但实际过
15、程中，物理量不一定都随时间变化，故有稳态与非稳态过程之分。物理量不一定都随时间变化，故有稳态与非稳态过程之分。 当流体流过任一截面时，流速、流率和压力等其他有关的物当流体流过任一截面时，流速、流率和压力等其他有关的物理量不随时间而变化，称为理量不随时间而变化，称为稳态流动或定常流动稳态流动或定常流动。 流体流动时，任一截面处的有关物理量中只要有一个随时流体流动时，任一截面处的有关物理量中只要有一个随时间而变化，则称为间而变化，则称为不稳态流动或不定常流动不稳态流动或不定常流动。1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念化工原理化工原理流体流体流动流动3. 粘性定律和粘度 流体
16、具有粘性，表现在流体流动时，由于粘性作用，流体层之流体具有粘性，表现在流体流动时，由于粘性作用，流体层之间会产生剪应力；而且当流体与固体壁面接触时，它会附着于壁间会产生剪应力；而且当流体与固体壁面接触时，它会附着于壁面上不滑脱。流体运动时的粘性作用，可用牛顿粘性定律描述。面上不滑脱。流体运动时的粘性作用，可用牛顿粘性定律描述。流体在圆管内分层流动示意图流体在圆管内分层流动示意图1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念 牛顿粘性定律牛顿粘性定律化工原理化工原理流体流体流动流动dydudyduxx 牛顿粘性定律表明，流体的剪应力与法向速度梯队成正比，和法向压牛顿粘性定律表明，流
17、体的剪应力与法向速度梯队成正比，和法向压力无关。满足牛顿粘性定律的流体力无关。满足牛顿粘性定律的流体( 为常数的流体为常数的流体)称为牛顿型流体。称为牛顿型流体。流动中的流体，相邻两流体间的相互作用称为流体间的流动中的流体，相邻两流体间的相互作用称为流体间的内摩擦力内摩擦力F F( (剪力）剪力）。此力的方向平行于表面。此力的方向平行于表面。单位面积上所受的剪力称为剪应力单位面积上所受的剪力称为剪应力 即即 =F/A=F/AN/mN/m2 2 1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念化工原理化工原理流体流体流动流动 粘度粘度流体流动的特征流体流动的特征 粘性系数或粘度是流体
18、的一种物性。表示单位接触表面积上粘性系数或粘度是流体的一种物性。表示单位接触表面积上法向速度梯队为法向速度梯队为1时，由于流体粘性所引起的内摩擦力或剪应力时，由于流体粘性所引起的内摩擦力或剪应力的大小。的大小。dydu1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念化工原理化工原理流体流体流动流动换算如下：换算如下：1厘泊（厘泊（cP）102 泊（泊（P）103 Ns/m2103 Pas 运动粘度：运动粘度： 单位：SI制spmsNmsmmNa22C.G.S制）（ 泊Pcmscmcmdyn21.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念化工原理化工原理流体流体流动流动
19、 温度对粘度的影响：温度对粘度的影响： 气体的粘度比液体的粘度大约小两个数量级。气体的粘度比液体的粘度大约小两个数量级。 压力对粘度的影响一般可以忽略不计压力对粘度的影响一般可以忽略不计 混合物的粘度混合物的粘度 对于不缔合混合液体：对于不缔合混合液体：iniimxlglg1 对于低压混合气体：对于低压混合气体：niiiniiiimMyMy1121211.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念化工原理化工原理流体流体流动流动4. 粘性流体与理想流体粘性流体与理想流体 自然界中的流体都具有粘性，具有粘性的流体统称为自然界中的流体都具有粘性，具有粘性的流体统称为粘性流体或粘性流体
20、或实际流体实际流体。完全没有粘性即。完全没有粘性即0 的流体称为的流体称为理想流体理想流体。 理想流体实际上不存在，但引入理想流体的概念在研究实际流体理想流体实际上不存在，但引入理想流体的概念在研究实际流体流动时很重要。因为粘性的存在给流体流动的数学描述和处理带来很流动时很重要。因为粘性的存在给流体流动的数学描述和处理带来很大困难，因此对于粘度较小的流体如水和空气等，在某些情况下可首大困难，因此对于粘度较小的流体如水和空气等，在某些情况下可首先将其视为理想流体。但当粘性对流动起主导作用时，则实际流体不先将其视为理想流体。但当粘性对流动起主导作用时，则实际流体不能按理想流体处理。能按理想流体处理
21、。5. 非牛顿型流体非牛顿型流体 不为不为常数的流体称为非牛顿型流体常数的流体称为非牛顿型流体。讨论非牛顿型流体时常取剪讨论非牛顿型流体时常取剪应力和法向速度梯度之比为表观粘度。应力和法向速度梯度之比为表观粘度。1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念化工原理化工原理流体流体流动流动类型类型典型举例典型举例特点特点牛顿型流体牛顿型流体气体、水、气体、水、大多数液体大多数液体剪应力正比于法向速度剪应力正比于法向速度梯度梯度非非牛牛顿顿型型流流体体塑性流体塑性流体油墨、泥浆油墨、泥浆剪应力超过某临界值后剪应力超过某临界值后才能才能流动，剪应力正比流动，剪应力正比于法向速度梯度于
22、法向速度梯度假塑性流体假塑性流体高分子溶液、高分子溶液、油漆油漆表观粘度随速度梯度的表观粘度随速度梯度的增大而降低增大而降低涨塑性流体涨塑性流体高固体含量高固体含量的悬浮液的悬浮液表观粘度随速度梯度的表观粘度随速度梯度的增大而增加增大而增加表表1 牛顿型流体与非牛顿型流体特性牛顿型流体与非牛顿型流体特性化工原理化工原理流体流体流动流动1.3.2 连续性方程式 对于一个稳定流动系统，系统内任意位置上均无物料累积，所有物料衡算关系可以写为： 流入体系的质量流量流出体系的质量流量u1u2222111AuAu推广到管路系统中的任意截面，则有：常数uAAuAu222111（1-1）化工原理化工原理流体流
23、体流动流动 若流体不可压缩，为常数，则上式化为常数uAAuAu2211（1-2）（1-1）和（1-2）称为一维稳态流动的连续性方程式。对于圆形管道，不可压缩流体稳态流动的连续性方程可写为：22112222211 44dduududu即1.3.2 连续性方程式化工原理化工原理流体流体流动流动1.3.3 机械能守恒1. 假设流体为理想流体，沿轨线取微元作受力分析：dtdudVz化工原理化工原理流体流体流动流动dtduzpZz1dtduxpXx1dtduypYy1整理得：同理有：dxdtdudxxpXdxx1dydtdudyypYdyy1dzdtdudzzpZdzz1等式两边乘以dx、dy、dz，得
24、： 化工原理化工原理流体流体流动流动按照速度的定义，有： 代入上式，得： dtdxux2211xdudxxpXdx2211ydudyypYdy2211zdudzzpZdz三式相加，得： )2()(2uddpZdzYdyXdx1.3.3 机械能守恒化工原理化工原理流体流体流动流动0,XYZg 202dpugdzd积分（、g为常数），得： CupgZ22此即沿轨线的柏努利方程 1.3.3 机械能守恒化工原理化工原理流体流体流动流动1.3.3 机械能守恒化工原理化工原理流体流体流动流动2. 理想流体管流的机械能守恒管流：流体充满圆管内空间且沿管轴向流动均匀管流，即流线平行，则截面为平面。流线流线p+
25、dppdzngdzdpdzgdApdAdAdpp 0)(化简得：直接应用：1.3.3 机械能守恒化工原理化工原理流体流体流动流动3. 实际流体管流的机械能衡算实际流体在应用柏努利方程时要有一些修正： 理想流体粘性流体 引入阻力损失 hf 流体输送机械外加功 引入 he由此得到扩展的柏努利方程式：2211221222efupupgzhgzh化工原理化工原理流体流体流动流动22222 2 22 AuudAuuAuu令： 动能校正系数生产中常见的管流情况下（湍流）生产中常见的管流情况下（湍流） 1生产中少数管流情况下（层流）生产中少数管流情况下（层流） 2此时，动能项的值很小，一般允许均此时，动能项
26、的值很小，一般允许均以以 表示截面上单位质量流体的表示截面上单位质量流体的平均动能。平均动能。2/2ufehpugzhpugz2222121122通常位能及压强能均取管流轴心线上的值。1.3.3 机械能守恒化工原理化工原理流体流体流动流动(1) gz、u2/2、p/与与he、hf 的区别；的区别； 有效功率有效功率：Ne=he qm = he qV 轴功率：轴功率：N=Ne/ (2) 对不稳定流动系统的任一瞬间，柏努利方程式亦成立。对不稳定流动系统的任一瞬间，柏努利方程式亦成立。(3) 当体系无外功，且处于静止状态，当体系无外功，且处于静止状态，则变为：则变为： gz1+p1/= gz2+p2
27、/ 4. 柏努利方程式的讨论时 2 . 0121ppp (4) (4) 对于可压缩流体的流动系统，当对于可压缩流体的流动系统，当 仍适用，但流仍适用，但流体密度应以两截面的平均密度代替。体密度应以两截面的平均密度代替。fhgpgp21(5)(5) 对于实际流体对于实际流体，he = 0时时 p1p2 流动系统机械能不守恒流动系统机械能不守恒.化工原理化工原理流体流体流动流动(6) 柏努利方程式的三种形式：柏努利方程式的三种形式：以单位质量流体为基准：以单位质量流体为基准：22112212 (J/kg)22efupupgzhgzh以单位重量流体为基准：以单位重量流体为基准：)/( 2222221
28、211mNJHgpguzHegpguzf以单位体积流体为基准：以单位体积流体为基准：)( 22322221211PamJhpuzghpuzgfe化工原理化工原理流体流体流动流动5. 柏努利方程式的几何意义柏努利方程式的几何意义化工原理化工原理流体流体流动流动6. 应用时应注意：应用时应注意：化工原理化工原理流体流体流动流动1.3.4 柏努利方程的应用 解释虹吸现象解释虹吸现象水为何会自动流出？水为何会自动流出？ 欲提高管子出口的流速，采取的措施？欲提高管子出口的流速，采取的措施？ 比较比较1-1，2-2，3-3截面压力的大小？截面压力的大小？ 3-3截面的极限压力？出口的极限速度？截面的极限压
29、力？出口的极限速度？化工原理化工原理流体流体流动流动思考：恒速器的原理？思考：恒速器的原理？化工原理化工原理流体流体流动流动（3）确定管道中流体的流量）确定管道中流体的流量已知：已知：R=20mm，hf= (单位，单位，m），），解：解题思路：解：解题思路：21dd21uu1-2间列柏努利方程间列柏努利方程1122Rgu2/22212dd d1=600mm 求求qV？U形压差计方程形压差计方程12pp u1qv课本：课本：P21-22 重力射流重力射流 压力射流压力射流化工原理化工原理流体流体流动流动zh2h1基准面zR21ABAB用用U型管压差计测定稳定流动的均匀管道上型管压差计测定稳定流动
30、的均匀管道上A、B两点的压差，读数两点的压差，读数R代表的真实意义？代表的真实意义？)( )()()( )(212211aRggzpgzpppgRRhgppghppiBBAAiBA整理得：取截面取截面A-A和和B-B，列柏努利方程：，列柏努利方程：b)( )(),2222fBBAABAfBBBAAAhgzpgzpuuhugzpugzp（则：对于均匀管路，)(ifgRh(a)式表明，压差计的读数式表明，压差计的读数R直接直接反映的不是两测压点之间的静压反映的不是两测压点之间的静压差，而是两处位能与静压能总和差，而是两处位能与静压能总和之差，即虚拟压差。只有当管路之差，即虚拟压差。只有当管路处于水
31、平状态时，才能直接测得处于水平状态时，才能直接测得两测压点之间的压差。两测压点之间的压差。比较比较(a)、(b)式，对于均匀管路，不式，对于均匀管路，不论两测压口是否处于等高面，压差计论两测压口是否处于等高面，压差计的读数的读数R均反映出两测压点之间由于均反映出两测压点之间由于摩擦力所造成的能量损失。摩擦力所造成的能量损失。化工原理化工原理流体流体流动流动（4）管道内流体的压力及压差计指示）管道内流体的压力及压差计指示dDR1122D=80mm,d=40mm, qv=13.57m3/h ,两测压点所在截两测压点所在截面之间的摩擦损失为面之间的摩擦损失为260mm水柱，求水柱，求R？取截面取截面
32、1-1，2-2：z1=z2=0)(17. 02 222-21-1/75. 0 /3422211222212121221水柱间列柏努利方程：和在mHguugppHgpgugpgusmDduusmdquffvmmgppR17012化工原理化工原理流体流体流动流动（5）确定管道中流体的流量）确定管道中流体的流量已知：已知：R=40mm，hf=2.5 (单位，单位，m），），解：解题思路：解：解题思路：21dd21uu1-2间列柏努利方程间列柏努利方程gu2/22212dd d1=600mm 求求qv？U形压差计方程形压差计方程21pp u1qvR1122dd12化工原理化工原理流体流体流动流动212
33、uu 1-1, 2-2间列柏努利方程，得：间列柏努利方程，得：25 . 2210002100021222211uupup由由U形管压差计计算式，得：形管压差计计算式，得：)(21iRgpp化工原理化工原理流体流体流动流动（6）功率的计算）功率的计算储液池水面维持恒定，输水管径为储液池水面维持恒定，输水管径为76763mm 3mm , 喷咀处的压力为喷咀处的压力为6.156.1510104 4 PaPa（表压），（表压）， 34.5kg/h 34.5kg/h ，水流经，水流经所有管路（不包括喷头）的总阻力为所有管路（不包括喷头）的总阻力为160/kg160/kg，试求：泵的有效功率和轴功率。试求
34、：泵的有效功率和轴功率。 Vq化工原理化工原理流体流体流动流动以以1-11-1为基准水平面，在为基准水平面，在1一一1与与2-2两截面间列柏努利方程：两截面间列柏努利方程： fehgpgugzhgpgugz22221211220,1015. 6, 0,26, 0142121upppmzza（表压）kgJhsmAqufv/160/49. 22/evemeeeNNqhqhNh化工原理化工原理流体流体流动流动1. 画示意图，标明方向，选取合适的截面。画示意图，标明方向，选取合适的截面。2. 选取截面，应注意：选取截面，应注意： （a）连续流、满流）连续流、满流 （b）截面应与流向垂直）截面应与流向垂
35、直 （c）截面上的已知量尽可能多或易求。大截面，）截面上的已知量尽可能多或易求。大截面，u0 （d）两截面上的）两截面上的z、u、p应与截面间应与截面间 hf 相对应。相对应。3. 单位一致，截面上的压强表示方法应一致（绝压或表压）。单位一致，截面上的压强表示方法应一致（绝压或表压）。1.3.5 柏努利方程的应用要点化工原理化工原理流体流体流动流动1.4.1 流动形态1. 雷诺实验1.4 流体流动的内部结构化工原理化工原理流体流体流动流动3. 流型的判据雷诺数 1300011 ReLLTMLduLMTML T 2.两种流型 层流 (laminar flow) 湍流 (turbulent flo
36、w)化工原理化工原理流体流体流动流动粘滞力惯性力duduu/Re2化工原理化工原理流体流体流动流动1.4.2 湍流的基本特征化工原理化工原理流体流体流动流动1. 层流时的速度分布）（ 1 drdu 1.4.3 流体在圆管内的速度分布化工原理化工原理流体流体流动流动)(sinsin2122zzgrglrFg）（2 2 22212121212221rlpplzzgpprlzzgrrpp则外表面所受剪应力：则外表面所受剪应力：rlpp2drdu- 21把（把（2）代入（）代入（1）得：）得：化工原理化工原理流体流体流动流动rlpp2drdu- 21积分：积分：0 0maxuRruur，）（3 4 2
37、221rRlppu）（）（5 1uu4 R42max221maxRrlppu化工原理化工原理流体流体流动流动2. 湍流时的速度分布实验研究结果：实验研究结果：化工原理化工原理流体流体流动流动3. 平均速度和动能校正系数 层流的层流的u和和2max02212max121 28RrurdrudARuARppuRl323max320122.0RurrdruRR化工原理化工原理流体流体流动流动 湍流的湍流的u和和0 . 18 . 0maxuu化工原理化工原理流体流体流动流动uoouuoouuuu平板上边界层的形成平板上边界层的形成1. 边界层（boundary layer)主流区主流区边界层边界层u=
38、0.99uox1.4.4 边界层及边界层脱体化工原理化工原理流体流体流动流动2. 边界层的发展湍流区：湍流区：层流内层：层流内层： 过渡层：过渡层： xu0Re 化工原理化工原理流体流体流动流动圆管入口段边界层的发展圆管入口段边界层的发展 d/2化工原理化工原理流体流体流动流动3. 边界层分离A点：点：u=0，Pmax AB 流道缩小，加速减压，流道缩小，加速减压，0dxdpBC： 减速加压，减速加压，0dxdpC 点：点： u迅速下降至迅速下降至0，CC ： u=0，C化工原理化工原理流体流体流动流动化工原理化工原理流体流体流动流动1.5 流体流动阻力1.5.1 直管阻力损失化工原理化工原理
39、流体流体流动流动1. 层流时直管阻力损失化工原理化工原理流体流体流动流动2. 湍流时直管阻力损失106 规划实验规划实验减少工作量减少工作量（1）化工原理化工原理流体流体流动流动以层流的阻力损失计算式为例：可以写为：dudluhf322（2）未处理前函数形式为：处理后可写为：化工原理化工原理流体流体流动流动可推测湍流时可推测湍流时的无因次形式为：的无因次形式为：106 103线性化处理：线性化处理：可求出可求出K、a、b、ccbaK43214321lglglglglgcbaKddluhf，Re2化工原理化工原理流体流体流动流动关键：1. 必须无一遗漏地找出影响过程的主要因素2. 经过因次分析法
40、组成有一定物理意义的无因次数群。因次分析法的基础：量纲一致性原则基本定理：定理化工原理化工原理流体流体流动流动1.5.2 直管阻力损失的计算式1. 统一的表达形式：（层）（层）（湍）（湍）范宁公式范宁公式化工原理化工原理流体流体流动流动化工原理化工原理流体流体流动流动2. 摩擦系数 层流（Re2000）Re64 23222udldluhf 湍流考莱布鲁克式（考莱布鲁克式（Colebrook)化工原理化工原理流体流体流动流动实际管的当量实际管的当量化工原理化工原理流体流体流动流动化工原理化工原理流体流体流动流动化工原理化工原理流体流体流动流动化工原理化工原理流体流体流动流动1.5.3 局部阻力损
41、失化工原理化工原理流体流体流动流动1. 局部阻力系数法1.5.3 局部阻力损失2.当量长度法化工原理化工原理流体流体流动流动突然扩大突然扩大A1A2u1u2A1u1A2u22 /15 . 02 /1221221221uhAAuhAAff突然缩小突然缩小容器的进口：容器的进口：1.0 容器出口：容器出口：0.5几种典型的局部阻力化工原理化工原理流体流体流动流动1.5.3 局部阻力损失化工原理化工原理流体流体流动流动化工原理化工原理流体流体流动流动化工原理化工原理流体流体流动流动化工原理化工原理流体流体流动流动1.5.4 管路总阻力损失的计算不同管径：2212121222eeffflllluuhh
42、hdd相同管径：22udllhef2)(2udlhf化工原理化工原理流体流体流动流动1.6 流体输送管路的计算简单管路：单一管线，串联管路，循环管路复杂管路：有分支或合流化工原理化工原理流体流体流动流动1l2l22液面恒定，将阀门关小，分析管内流量及A、B处压力表如何变化？2)(2222122222111udllupgzupgz22221122111AAAAAudlupgzupgz22222222222udlupgzupgzBBBB1.6.1 阻力对管内流动的影响1. 简单管路11化工原理化工原理流体流体流动流动结论： 其他条件不变时，管内任何局部阻力的增大将使该管内的流速下降，反之亦然。 其
43、他条件不变时，关小阀门必将导致阀前（或阀上游）压力上升，阀后（或阀下游）压力下降，反之亦然。讨论：用机械能衡算式分析某处静压力的变化时，不宜将局部阻力系数已起变化的部分包括在衡算式内。如A处压力：22222222222udlupgzupgzAAAA化工原理化工原理流体流体流动流动2. 分支管路液面恒定，将A关小，总管和各支管的流量及支点前O处压力表如何变化？11）（ 1 88 2)(2)(2522522221vAAeAAAvooeoooAAeAAAooeoooqdllqdlludlludllEE）（2 88 2)(2)(2522522231vBBeBBBvooeoooBBeBBBooeoooq
44、dllqdlludlludllEE化工原理化工原理流体流体流动流动）（）（4 3 22312221vBBvoovAAvooqBqBEEqBqBEE）（5 VBvAvoqqq）（6 231221BvooAovoBqBEEBqBEEqVo化工原理化工原理流体流体流动流动O处压力变化分析 2221voqBupgzEoooovBovAvoqpqq，后小关阀 A 2231vBBvooqBqBEE11化工原理化工原理流体流体流动流动化工原理化工原理流体流体流动流动K1K2K33. 汇合管路）（）（2 1 2332223223321131vvvvqBqBEEqBqBEE）（3 321vvvqqq）（4 22
45、33321233133BqBEEBqBEEqvvVK2开大，各管内流量和O点压力变化？化工原理化工原理流体流体流动流动O点压力变化分析K1K2K32222333332332oeoaoooudllugzpugzpK3 关小，则关小，则 p0 , u3 上游支路上游支路 u1 , u2 但但 1-1的位头大于的位头大于2-2，若阀门继续关小，可能出现由于，若阀门继续关小，可能出现由于p0 而而使使u2=0 ; 再关小，流体将倒流至低位槽再关小，流体将倒流至低位槽 中。中。化工原理化工原理流体流体流动流动化工原理化工原理流体流体流动流动1.6.2 管路计算2 14V qd u （）222222222
46、111udlupgzhupgze(2)(3)（层流） Re642= 2fl u h d化工原理化工原理流体流体流动流动 设计型计算设计要求：为完成qV ，确定d，11 pzNe或或供液点的给定条件：)(,2211eVlpzNepzlq）为待求量，（若流速的选择化工原理化工原理流体流体流动流动 操作型计算a 已知流量和管道尺寸、管件，计算管路系统的阻力损失b 给定流量、管长、管件和允许压降，计算管径c 已知管道尺寸、管件和允许压降，求流速或流量1.6.2 管路计算化工原理化工原理流体流体流动流动1. 简单管路计算循环管路：efhh化工原理化工原理流体流体流动流动例例1 一油田用一油田用60025
47、、长、长L100km、水平铺设的管线将原油送至某油库。、水平铺设的管线将原油送至某油库。原油：原油：0.187Pas，890kg/m3。因油管允许承受的最高压力为。因油管允许承受的最高压力为6 MPa（表），故全程需设两个泵站。第一个泵站设在油田处，问要使油管达到最（表），故全程需设两个泵站。第一个泵站设在油田处，问要使油管达到最大输送能力，第二个泵站应设在何处？此时输送量为多少？假设局部阻力损大输送能力，第二个泵站应设在何处？此时输送量为多少？假设局部阻力损失忽略不计，失忽略不计，0.1mm油田油田油库油库化工原理化工原理流体流体流动流动解：假设第二个泵站设在距第一个泵站解：假设第二个泵站设
48、在距第一个泵站L1米处。米处。）（1 2221211udLup）（2 2221233udLLup整个系统稳定且管径均一，故：整个系统稳定且管径均一，故：21 ，uu又管线很长，上式中动能项可忽略，又管线很长，上式中动能项可忽略，故（故（1）、（）、（2）简化为：）简化为：）（3 2211udLp）（4 2213udLLp当式中当式中 各自取最大值时，各自取最大值时，u达到最大。达到最大。31pp、油田油田油库油库4 4112233化工原理化工原理流体流体流动流动由题意知，由题意知， 代入代入(3),(4)得：得：（表）Papp6max3max110622212121LLudLLudL把把p1，
49、L1，d代入代入(3)，整理得：，整理得：385. 0maxu假设流动处于完全湍流区，设初值假设流动处于完全湍流区，设初值maxuRemaxuRe化工原理化工原理流体流体流动流动本题：本题：41082. 15501 . 0d试差结果为：试差结果为：smu/0 . 2max最大输送能力为：最大输送能力为：hmudqv/1071. 136000 . 255. 041 360041332max2max化工原理化工原理流体流体流动流动2.分支与汇合管路的计算 总管流量等于各支管流量之和：总管流量等于各支管流量之和：12134VVVVVVqqqqqq 主管的阻力损失须分段考察：主管的阻力损失须分段考察：
50、fA GfA BfB DfD GhhhhA1VqVqB2VqCDGF3Vq4Vq化工原理化工原理流体流体流动流动A1VqVqB2VqCDGF3Vq4Vq 流体在某一支点处无论以后向何处分流，其总机械能为一定值，即流体在某一支点处无论以后向何处分流，其总机械能为一定值，即BCfB CDfB DDFfD FGfD GEEhEhEEhEh化工原理化工原理流体流体流动流动A1VqVqB2VqCDGF3Vq4Vq已知各参数求已知各参数求EA：maxmaxFfFDDGfGDDDfB DBCfB CBBfA BAEhEEhEEhEEhEEhEmaxDEmaxBE化工原理化工原理流体流体流动流动3. 并联管路
