1、中 南 大 学 化 工 原 理 课 件第一章第一章 流体流动与输送机械流体流动与输送机械1.研究流体流动问题的重要性研究流体流动问题的重要性流体是气体与液体的总称。流体流动是最普遍的化工单元操作之一；研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件中 南 大 学 化 工 原 理 课 件2.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、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质连续介质。质点质点：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。工程意义工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究 流体。中 南 大 学 化
2、 工 原 理 课 件3.流体的特征流体的特征 具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。不可压缩流体不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.1 流体静力学流体静力学1.1.1 密度密度一、定义 单位体积流体的质量，称为流体的密度。Vmkg/m3 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 化关系可从手册中查得。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件 气体气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：R
3、TpM注意：注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度 下之值，若条件不同，则密度需进行换算。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件 混合液体混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有 四、四、比容比容单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。1mVvm3/kg NnBBAAwwwm1A、B、n-各纯组分的密度，kg/m3wA、wB、wn-各组分的质量分数。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件 1.1.2 压力压力 流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。压力。一、压力的特性一、压力的特性 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向
4、相反；作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。二、二、压力的单位压力的单位 SI制：N/m2或Pa；中 南 大 学 化 工 原 理 课 件或以流体柱高度表示：ghp注意注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等。标准大气压的换算关系：1atm=1.013105Pa=760mmHg=10.33m H2O三、三、压力的表示方法压力的表示方法 绝对压力绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。表压或真空度表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件表 压=绝对压力 大气压力真空度=大气压力 绝对压力绝对压力绝对压力 绝对压力绝对
5、压力 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 1p2p大气压大气压 中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.1.3 流体静力学平衡方程流体静力学平衡方程 一、静力学基本方程一、静力学基本方程 重力场中对液柱进行受力分析：ApP11（1）上端面所受总压力 ApP22（2）下端面所受总压力 （3）液柱的重力)(21zzgAG设流体不可压缩，.Constp0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下中 南 大 学 化 工 原 理 课 件液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:0)(2112zzgAApAp)(2112zzgppgzpgzp2211静力学基本方程静力学基本方程 压力形式能量形式中 南
6、 大 学 化 工 原 理 课 件讨论：讨论：（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）物理意义：物理意义：zg单位质量流体所具有的位能，J/kg；p单位质量流体所具有的静压能，J/kg。在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压等压面面。（4）压力具有传递性压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件二、二、静力学基本方程的应用静力学基本
7、方程的应用 1.压力及压力差的测量压力及压力差的测量（1）U形压差计形压差计 设指示液的密度为 ，被测流体的密度为 。0A与A面 为等压面，即AApp)(1RmgppAgRgmppA02而p1p2mRAA中 南 大 学 化 工 原 理 课 件所以gRgmpRmgp021)(整理得gRpp)(021若被测流体是气体，则有0021Rgpp中 南 大 学 化 工 原 理 课 件讨论：讨论：（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；表压真空度p1pap1pa中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（2）指示液的选取：指示液与被测流
8、体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件思考：思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数 R反映了什么？gzzgRpp)()(12021p1p2z2RAAz1中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（2）双液体双液体U管压差计管压差计 扩大室内径与U管内径之比应大于10。)(CA 密度接近但不互溶的两种指示 液A和C ；适用于压差较小的场合。)(21CARgpp中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（3）倒倒U形压差计形压差计 RgRgpp)(021 指示剂密度小于被测流体密度，如空气作为指示剂（5）
9、复式压差计复式压差计（4）倾斜式倾斜式压差计压差计 适用于压差较小的情况。适用于压差较大的情况。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，指示液为水银，读数 R250mm，h900mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3。试计算该截面处的压力。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件2.液位测量液位测量（1 1）近距离液位测量装置）近距离液位测量装置 压差计读数R反映出容器内的液面高度。Rh0 液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，
10、R亦为零。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（2 2）远距离液位测量装置）远距离液位测量装置 BApp 管道中充满氮气，其密度较小，近似认为 ghppaAgRppaB0Rh0而所以 AB中 南 大 学 化 工 原 理 课 件3.液封高度的计算液封高度的计算 液封作用：确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；防止气柜内气体泄漏。gph)(表液封高度：中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.2 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。Qm3/s或m3/h2.2.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。Wkg/s或kg
11、/h。QW 二者关系：一、流量一、流量1.2.1 流体的流量与流速流体的流量与流速中 南 大 学 化 工 原 理 课 件二、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。1.1.流速流速（平均平均流速）流速）2.单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。AQu kg/（m2s）uAQAWG流量与流速的关系：GAuAQWm/s中 南 大 学 化 工 原 理 课 件uQd4对于圆形管道：流量Q一般由生产任务决定。流速选择：三、管径的估算管径的估算 d 设备费用 u 流动阻力 动力消耗 操作费均衡考虑uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费中 南 大
12、 学 化 工 原 理 课 件常用流体适宜流速范围：常用流体适宜流速范围：水及一般液体 13 m/s粘度较大的液体 0.51 m/s低压气体 815 m/s压力较高的气体 1525 m/s 中 南 大 学 化 工 原 理 课 件 1.2.2 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；非定态流动非定态流动：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。),(,zyxfupT),(,zyxfupT中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.2.3 定态流动系统的质量守恒定态流动系统的质量守恒连续性方程连续性方程 对
13、于定态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：21ssWW 222111AuAu推广至任意截面 常数uAAuAuWs222111连续性方程连续性方程112 2ws1ws2中 南 大 学 化 工 原 理 课 件常数uAAuAuQ2211不可压缩性流体，.Const圆形管道：2121221ddAAuu 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。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件例例 如附图所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和两段573.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以9103m/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的
14、速度。3a123b中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.2.4 伯努利方程伯努利方程 一、总能量衡算一、总能量衡算qeWep2,u2,2p1,u1,1221100z2z1中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（1）内能 贮存于物质内部的能量。1kg流体具有的内能为U（J/kg）。衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成 的空间衡算基准：1kg流体基准面：0-0水平面（2）位能 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zg（J/kg）。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（3）动能 1kg的流体所具有的动能为 (J/kg)221u（4）静压能 静压能=pVAVp
15、AFl1kg的流体所具有的静压能为 pmpV(J/kg)（5）热 设换热器向1kg流体提供的热量为 (J/kg)。eqlAV中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（6）外功(有效功)1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We(J/kg)。2222221121112121pugzUqWpugzUeepuzgUqWee221以上能量形式可分为两类：机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输 送流体；内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件2实际流体的机械能衡算实际流体的机械能衡算 假设 流体不可压缩，则 流动系统无热交换，则 流体温度不变，则 21 0eq21
16、UU(1)以单位质量流体为基准 设1kg流体损失的能量为Wf（J/kg），有：feWpugzWpugz222212112121(1)式中各项单位为J/kg。并且实际流体流动时有能量损失。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（2）以单位重量流体为基准 将(1)式各项同除重力加速度g:gWgpugzgWgpugzfe222212112121令 gWHeegWHff则 feHgpugzHgpugz222212112121（2）式中各项单位为mNJkgNkgJ/中 南 大 学 化 工 原 理 课 件z 位压头gu22动压头He外加压头或有效压头。gp静压头总压头Hf压头损失中 南 大 学 化 工 原
17、 理 课 件（3）以单位体积流体为基准 将(1)式各项同乘以 :feWpugzWpugz222212112121式中各项单位为PamJmkgkgJ33（3）feppugzWpugz222212112121fp压力损失中 南 大 学 化 工 原 理 课 件3理想流体的机械能衡算理想流体的机械能衡算 理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。gpugzgpugz222212112121222212112121pugzpugz（4）（5）柏努利方程式柏努利方程式 中 南 大 学 化 工 原 理 课 件4.4.柏努利方程的讨论柏努利方程的讨论（1）若流体处于静止，u=0，Wf=0，We=0，则柏努利方程变
18、为 说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也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、总压头为常数，即.212Constpuzg.212Constgpugz中 南 大 学 化 工 原 理 课 件gu221gu222gp1gp2Hz2210中 南 大 学 化 工 原 理 课 件 We、Wf 在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。（3）zg、某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能；p221u有效功率：eseWmN 轴功率：eNN 中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（4）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。对于可压缩性流体，当 时，仍可用该方
19、程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。%20121 ppp中 南 大 学 化 工 原 理 课 件4柏努利方程的应用柏努利方程的应用 管内流体的流量；输送设备的功率；管路中流体的压力；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：中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（1）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，明确流动系统的衡算范围；（2）位能基准面的选取 必须与地面平行；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，则基准面应选过管中心线的水平面。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（4）各物理量的单位应保持一致，压力表
20、示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。（3）截面的选取 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；截面宜选在已知量多、计算方便处。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件例1-3 将高位槽内料液向塔内加料。高位槽和塔内的压力均为大气压。要求料液在管内以0.5 m/s的速度流动。设料液在管内压头损失为1.2 m（不包括出口压头损失），试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米？解：在1-1及2-2截面间列柏努利方程：fWupgzupgz22222221112.1gWfp1=0（表压）即u10，z1=x，p2=0（表压）u2=0.5 m/s，z2=0，x=1.2 m中 南 大 学 化 工
21、原 理 课 件例1-4 用泵将贮槽中密度为1200 kg/m3的溶液送到蒸发器内，贮槽内液面维持恒定，其上方压强为101.33 kPa，蒸发器上部的蒸发室内操作压强为26.67 kPa（真空度），蒸发器进料口高于贮槽内液面15 m，进料量为20 m3/h，溶液流经全部管路的能量损失为120 J/kg，管路直径为60 mm，求泵的有效功率。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.3 流体流动现象流体流动现象一、一、牛顿粘性定律牛顿粘性定律 1.3.1 流体的粘度流体的粘度 dyudAF.或dyud.Fuududy式中：F内摩擦力，N；剪应力，Pa；法向速度梯度，1/s；比例系数，称为流体的粘度
22、，Pas。dyud.中 南 大 学 化 工 原 理 课 件牛顿型流体：牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体；非牛顿型流体：非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。二、二、流体的粘度流体的粘度（动力粘度（动力粘度）1.1.粘度的物理意义粘度的物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件粘度的物理本质粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。2.粘度的单位粘度的单位SI制：Pas 或 kg/(ms)物理制：cP(厘泊）换算关系1cP10-3 Pas3.3.运动粘度运动粘度 粘度与密度的之比。m2/s中
23、南 大 学 化 工 原 理 课 件1.3.2 流体的流动型态流体的流动型态 一、雷诺实验一、雷诺实验中 南 大 学 化 工 原 理 课 件 层流层流（或滞流滞流）：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，质点之间互不混合；湍流湍流（或紊流紊流）：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无因次数群中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.判断流型判断流型Re2000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；2000 Re 400
24、0 时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。2.物理意义物理意义 Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.3.3 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布 速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上 质点的速度随半径的变化关系。一、层流时的速度分布一、层流时的速度分布 中 南 大 学 化 工 原 理 课 件由压力差产生的推力 221)(rpp流体层间内摩擦力 drudrldrudAF.)2(drudrlrpp.221)2()(rlppdrud2)(21.)(4)(2221.rRlppu管壁处rR时，0，
25、可得速度分布方程.u中 南 大 学 化 工 原 理 课 件管中心流速为最大，即r0时，umax.u221max4)(Rlppu2max.1Rruu管截面上的平均速度:max.uRrdruAVuRS21220即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。即流体在圆形直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件二、湍流时的速度分布二、湍流时的速度分布 剪应力：dyude.)(e为湍流粘度，与流体的流动状况有关。nRruu1max.湍流速度分布的经验式：中 南 大 学 化 工 原 理 课 件101102.3Re71,102.3Re101.161,101.1Re104
26、66554nnnn与Re有关，取值如下：1/7次方定律71n当 时，流体的平均速度:max.uAVuS820中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.3.4 流体流动边界层流体流动边界层一、边界层的形成与发展一、边界层的形成与发展 流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99以内的区域。边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件流体在平板上流动时的边界层：流体在平板上流动时的边界层：中 南 大 学 化 工 原 理 课 件 边界层区（边界层内）边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。主流区（边
27、界层外）主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件边界层流型：层流边界层和湍流边界层。层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件流体在圆管内流动时的边界层流体在圆管内流动时的边界层 中 南 大 学 化 工 原 理 课 件 充分发展的边界层厚度为圆管的半径；进口段内有边界层内外之分。也分为层流边界层与湍流边界层。进口段长度：层流：湍流：Re05.00dx50400dx中 南 大 学 化 工 原 理 课 件湍流流动时：中 南 大 学 化
28、 工 原 理 课 件 湍流主体湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化；过渡层过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；层流内层层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。层流内层为传递过程的主要阻力层流内层为传递过程的主要阻力Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件2.边界层的分离ABS 中 南 大 学 化 工 原 理 课 件A C：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐渐减小（顺压梯度）；C S：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐渐增加（逆压梯度）；S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的作用
29、下，速度降为0。SS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件边界层分离的后果：边界层分离的后果：产生大量旋涡；造成较大的能量损失。边界层分离的必要条件：边界层分离的必要条件：流体具有粘性；流动过程中存在逆压梯度。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.4 1.4 流动阻力计算流动阻力计算直管阻力：直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而 产生的阻力；局部阻力：局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速 大小及方向的改变而引起的阻力。1.4.1 直管阻力直管阻力一、阻力的表现形式一、阻力的表现形式 中 南 大 学 化 工
30、 原 理 课 件流体在水平等径直管中作定态流动。fhgpugzHgpugz222212112121中 南 大 学 化 工 原 理 课 件21uu 21zz gpphf21 流体的流动阻力表现为静压能的减少；水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。0H中 南 大 学 化 工 原 理 课 件二、二、直管阻力的通式直管阻力的通式 由于压力差而产生的推动力：4221dpp流体的摩擦力：dlAFdldpp4)(2212822udluhf令 28u定态流动时中 南 大 学 化 工 原 理 课 件直管阻力通式（范宁Fanning公式）其它形式：摩擦系数（摩擦因数）则 gudlhf22m能量损失22u
31、dlwfJ/kg压力损失22udlpfPa 该公式层流与湍流均适用；注意 与 的区别。pfp中 南 大 学 化 工 原 理 课 件三、三、层流时的摩擦系数层流时的摩擦系数 max21uu 221max4)(Rlppu速度分布方程2dR 22132)(dlupp232dlupf又哈根哈根-泊谡叶泊谡叶 （Hagen-Poiseuille）方程方程 中 南 大 学 化 工 原 理 课 件232dluWf能量损失 层流时阻力与速度的一次方成正比。2Re6426432222udludluddluWfRe64变形：比较得中 南 大 学 化 工 原 理 课 件四、湍流时的摩擦系数四、湍流时的摩擦系数1.因
32、次分析法因次分析法 目的目的：（1）减少实验工作量；（2）结果具有普遍性，便于推广。基础基础：因次一致性 即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件基本定理基本定理：白金汉（Buckinghan）定理定理 设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本因次数为m个，则该物理现象可用N（nm）个独立的无因次数群表示。湍流时压力损失的影响因素：（1）流体性质：，（2）流动的几何尺寸：d，l，（管壁粗糙度）（3）流动条件：u中 南 大 学 化 工 原 理 课 件,ldufpf物理变量 n 7基本因次 m3无因次数群 Nnm4 dd
33、ludupf,2无因次化处理式中：2upEuf欧拉（Euler）准数即该过程可用4个无因次数群表示。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件d相对粗糙度dl管道的几何尺寸udRe雷诺数根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即 ddlupfRe,22Re,uddlpWff或)(Re,d中 南 大 学 化 工 原 理 课 件莫狄（Moody）摩擦因数图：中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（1）层流区（Re 2000）与 无关，与Re为直线关系，即 ,即 与u的一次方成正比。dRe64uWffW（2）过渡区（2000Re4000)将湍流时的曲线延伸查取值。（3）湍流区（Re4000以及虚线以下的
34、区域）)(Re,df中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（4）完全湍流区（虚线以上的区域）与Re无关，只与 有关。d该区又称为阻力平方区。2uWfd一定时，经验公式：（1）柏拉修斯（Blasius）式：25.0Re3164.0适用光滑管Re5103105（2）考莱布鲁克（Colebrook）式Re7.182log274.11d中 南 大 学 化 工 原 理 课 件2.2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响管壁粗糙度对摩擦系数的影响 光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；粗糙管：钢管、铸铁管等。绝对粗糙度绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度相对粗糙度 ：绝对粗糙度与管内径的比值。d 层
35、流流动时：流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与 无关，只与Re有关。d中 南 大 学 化 工 原 理 课 件 湍流流动时：水力光滑管只与Re有关，与 无关。d 完全湍流粗糙管只与 有关，与Re无关。dd中 南 大 学 化 工 原 理 课 件例1-6 如附图所示，生产中需将高位槽的水输送到低位槽中，流量为36.0 m3/h。管径893.5 mm，管长为138 m（含管件的当量长度），管壁相对粗糙度为110-4，水的密度为103 kg/m3，黏度为10-3 Pas。试求两水槽液面的高度差。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件例1-7 料液自高位槽流入精馏塔，如附图所示。塔内压强为1.96104 Pa（
36、表压），输送管道为362 mm无缝钢管，管长8 m。管路中装有90标准弯头两个，180回弯头一个，球心阀（全开）一个。为使料液以5 m3/h的流量流入塔中，问高位槽应安置多高？（即位差Z应为多少米）。料液在操作温度下的物性：密度=861 kg/m3；粘度=0.643103 Pas。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件五、五、非圆形管内的流动阻力非圆形管内的流动阻力 当量直径：当量直径：Ade44润湿周边流通截面积 套管环隙，内管的外径为d1，外管的内径为d2:1212212244ddddddde 边长分别为a、b的矩形管:baabbaabde2)(24中 南 大 学 化 工 原 理 课 件说
37、明：（1）Re与Wf中的直径用de计算；（2）层流时：ReC正方形 C57套管环隙 C96（3）流速用实际流通面积计算。2785.0esdVu 中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.4.2 局部阻力局部阻力 一、阻力系数法一、阻力系数法 将局部阻力表示为动能的某一倍数。22uWf或 guhf22局部阻力系数局部阻力系数 J/kgJ/N=m中 南 大 学 化 工 原 理 课 件小管中的大速度121221u210)1(uWAAf1.突然扩大中 南 大 学 化 工 原 理 课 件小管中的大速度22220225.00)1(uuWAAf2.突然缩小中 南 大 学 化 工 原 理 课 件3.管进口及出
38、口进口：流体自容器进入管内。进口进口=0.5 进口阻力系数进口阻力系数出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外 空间。出口出口=1 出口阻力系数出口阻力系数4.管件与阀门中 南 大 学 化 工 原 理 课 件中 南 大 学 化 工 原 理 课 件中 南 大 学 化 工 原 理 课 件蝶阀蝶阀中 南 大 学 化 工 原 理 课 件中 南 大 学 化 工 原 理 课 件中 南 大 学 化 工 原 理 课 件gudlhudlwefef2222或二、当量长度法二、当量长度法 将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为Le的直管所产生的阻力。Le 管件或阀门的当量长度，m。中 南 大 学
39、化 工 原 理 课 件总阻力：2)(222udludllWef减少流动阻力的途径：管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件例例1-8 如图所示，料液由常压高位槽流入精馏塔中。进料处塔中的压力为0.2at（表压），送液管道为452.5mm、长8m的钢管。管路中装有180回弯头一个，全开标准截止阀一个，90标准弯头一个。塔的进料量要维持在5m3/h，试计算高位槽中的液面要高出塔的进料口多少米？hpa中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.6 流量的测量流量的测量 1.6.1 1.6.1 测速管（皮托管）测速管（皮托管）
40、一、结构一、结构二、原理二、原理 内管A处.221uppA外管B处ppB中 南 大 学 化 工 原 理 课 件点速度：pu2.)(2.Rgu即讨论：讨论：（1）皮托管测量流体的点速度，可测速度分布曲线；.2.221)21(upuppppBA中 南 大 学 化 工 原 理 课 件三、安装三、安装（1）测量点位于均匀流段，上、下游各有50d直管距离；（2）皮托管管口截面严格垂直于流动方向；（3）皮托管外径d0不应超过管内径d的1/50，即d0Re临界时，)(100AAfC(3)测量范围一般 C0=0.60.7RVS2SVR 孔板流量计的测量范围受U形压差计量程决定。dRe0C10AARe临界值中
41、南 大 学 化 工 原 理 课 件三、安装及优缺点（1）安装在稳定流段，上游l10d，下游l5d；（2）结构简单，制造与安装方便；（3）能量损失较大。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.6.3 文丘里（文丘里（Venturi）流量计流量计 属差压式流量计；能量损失小，造价高。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件)(20RgACVVSCV流量系数（0.980.99）A0喉管处截面积中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.6.4 转子流量计转子流量计 一、结构与原理一、结构与原理 从转子的悬浮高度直接读取流量数值。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件二、流量方程二、流量方程 gVApp
42、fff)(01转子受力平衡gzupgzup0200121122)(2)(21201001uugzzpp在1-1和0-0截面间列柏努利方程 00111 10 0中 南 大 学 化 工 原 理 课 件)(2)()(21201001uuAgzzAAppfffgVf流体的浮力 动能差)(2)(2120uuAgVfff由连续性方程 1001AAuu fffRfffAgVCAgVAAu)(2)(2112100CR流量系数 中 南 大 学 化 工 原 理 课 件fffRRAgVACVs)(2体积流量（1）特点特点：恒压差、恒流速、变截面截面式流量计。讨论：讨论：（2）刻度换算标定流体：20水（1000kg/
43、m3）20、101.3kPa下空气（1.2kg/m3）中 南 大 学 化 工 原 理 课 件CR相同,同刻度时)()(122112ffSSVV式中：1标定流体；2被测流体。气体转子流量计 2112SSVV中 南 大 学 化 工 原 理 课 件三、安装及优缺点（1）永远垂直安装，且下进、上出，安装支路，以便于检修。（2）读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高；（3）玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件例1-10 30的空气在直径为90 mm的水平管流过。现于管路中接一文丘里管，如本题附图所示。上游接一水银U管压差计，喉颈处接一细
44、管，其下部插入水槽中，喉颈的直径为30 mm。空气流过文丘里管的能量损失可忽略不计。当U管压差计读数R=35 mm、h=0.6 m时，试求此时空气的体积流量（m3/h）。当地大气压强为101.33 kPa。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1.7 流体输送机械供料点需料点，B.E.fhgugpzH22输送机械的作用：流体的动能，或位能，静压能，克服沿程阻力，或兼而有之 对流体做功，使流体E,结果中 南 大 学 化 工 原 理 课 件流体输送机械分类 介质：液体泵气体风机、压缩机工作原理：离心式 正位移式：往复式、旋转式 其它（如喷射式）中 南 大 学 化 工 原 理 课 件 离心泵离心泵的
45、外观中 南 大 学 化 工 原 理 课 件一 主要部件和工作原理（1）叶轮 叶片（+盖板）中 南 大 学 化 工 原 理 课 件4-8个叶片（前弯、后弯，径向）液体通道。前盖板、后盖板，无盖板闭式叶轮半开式开式 液体入口中心（2）泵壳：泵体的外壳，包围叶轮截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道出口切线（3）泵轴：垂直叶轮面，叶轮中心。中 南 大 学 化 工 原 理 课 件离心泵装置简图中 南 大 学 化 工 原 理 课 件2离心泵的工作原理 原动机轴叶轮，旋转（1）离心力叶片间液体中心外围液体被做功动能高速离开叶轮中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（2）泵壳：液体的汇集与能量的转换（动静）（3）吸上
46、原理与气缚现象叶轮中心低压的形成p泵内有气，则泵入口压力液体不能吸上气缚启动前灌泵液体高速离开（4）轴封的作用（5）平衡孔的作用消除轴向推力中 南 大 学 化 工 原 理 课 件（6）导轮的作用减少能量损失中 南 大 学 化 工 原 理 课 件1离心泵的主要性能参数（1）(叶轮)转速n：10003000rpm；2900rpm常见（2）(体积)流量Q:m3/h，叶轮结构、尺寸和转速（3）压头（扬程）H：1N流体通过泵获得的机械能。J/N,mQ、叶轮结构、尺寸和n有关。Hz（4）轴功率N：单位时间原动机输入泵轴的能量有效功率Ne：单位时间液体获得的能量gHQNe二 离心泵的性能参数与特性曲线中 南
47、 大 学 化 工 原 理 课 件（5）效率：=Ne/N100%容积损失，水力损失，机械损失2离心泵的性能曲线HQNQQ厂家实验测定产品说明书20C清水中 南 大 学 化 工 原 理 课 件hmQ/,3mH,NQN QH Q离心泵特性曲线中 南 大 学 化 工 原 理 课 件说明：HQ曲线，Q，H。Q很小时可能例外NQ曲线：Q，N 。大流量大电机关闭出口阀启动泵，启动电流最小Q曲线：小Q，；大Q，。max泵的铭牌与max对应的性能参数选型时 max中 南 大 学 化 工 原 理 课 件3离心泵特性的影响因素（1）流体的性质：密度：,(N、Ne)（H，Q，）与无关；粘度：，（H，Q，）;N 工作流
48、体20水差别大 参数和曲线变化（2）转速比例定律1212nnQQ21212nnHH31212nnNN中 南 大 学 化 工 原 理 课 件 n 20%以内(3)叶轮直径切割定律1212DDQQ21212DDHH31212DDNND-5%以内三 离心泵的工作点和流量调节问题：工作时，Q,H,N,=?1.管路特性曲线中 南 大 学 化 工 原 理 课 件外加压头fHgugpzH22Q，Hf，H H Q管路特性(方程)管路流量所需外加压头管路压头损失2452282QddllggudllHeef管路&流体一定Q令252282)(QdllgguQfe gpzH0中 南 大 学 化 工 原 理 课 件于是
49、)(0QfHH管路特性方程(曲线)说明：gpzH0曲线在H轴上截距；管路所需最小外加压头 阻力平方区，与Q无关，并忽略动能差20kQHH其中4528ddllgke高阻管路，曲线较陡；低阻管路曲线较平缓。管路特性系数中 南 大 学 化 工 原 理 课 件2离心泵的工作点泵的HQ与管路的HQ曲线的交点中 南 大 学 化 工 原 理 课 件说明工作点 泵的特性&管路的特性工作点确定：联解两特性方程作图，两曲线交点泵装于管路工作点（H,Q)Q=泵供流量=管得流量Q=泵供压头=流体得压头工作点（Q,H,N,）泵的实际工作状态中 南 大 学 化 工 原 理 课 件3离心泵的流量调节 改变流量 改变泵的特性
50、改变工作点改变管路特性（1）改变出口阀开度管路特性关小出口阀 le H ，Q 管特线变陡 工作点左上移开大出口阀 le H ，Q 管特线变缓 工作点右下移（2）改变叶轮转速改变泵的特性中 南 大 学 化 工 原 理 课 件n泵HQ曲线上移 工作点右上移，H ，Q 例1-11 有一台离心泵，额定转速n=1450 r/min，泵的特性曲线为：H=20-0.01Q2，管路特性曲线为：H=15+0.02Q2，两式中Q的单位是m3/h，泵的效率取75，现因生产的需要将流量减小到原来的65，求：若采用节流调节法，节流损失的压头H；若采用变速调节时，泵的转速n；节流调节与变速调节相比，多消耗多少轴功率N；若
