化工原理学习指导(上学期)(07).docx

化工原理学习指导（1）1. 流体流动与输送学习要点1. 1流体静力学基木方稈式1.1.1流体的密度与静压强1. 1. 1. 1流体的密度单位体积的流体所具有的流体质量称为密度，以P表示，单位为kg/n?1）流体的密度基木上不随压强变化，随温度略有改变，可视为不可压缩流体纯液体密度值可杳教材附录或手册混合液的密度，以lkg为基准，可按下式估算: 丄=乞+乞+ ... +玉Pm P\ Pl Pn（2）气体的密度随温度和压强而变，可视为可压缩流体当可当作理想气体处理时，用 下式估算：PM~RT或对于混合气体，可采用平均摩尔质量Mm代替上式中的M,即Mn, +必2儿 +••• + "〃儿1. 1. 1. 2流体的静压强垂岚作用于流体单位面积上的表面力称为流体的静压强，简称压强，俗称压力，以p 表示，单位为Pa压强可有不同的表示方法：（1） 根据压强基准选择的不同，可用绝压、表压、真空度（负表压）表示表压和真空 度分别用圧强表和真空表度量表压强二绝对压强-大气压强；真空度=大气压强-绝对压强（2） 工程上常采用液柱高度h表示压强，其关系式为p二P gh10.33/hH2O = 160minHg = 101.33匕1. 1. 2流体静力学基木方程式1. 1. 2. 1基木方程的表达式对于不可压缩流体，有：卩丄 7 卩2 丄 7 十 “2 = Pl +Q?（Z| —Z?）P P P = Po+ pgh1. 1. 2. 2流体静力学基木方程的应用条件及意义流体静力学基木方稈式貝适用于静止的连通着的同一连续的流体。

该类式了说明在重 力场作用下，静止液体内部的压强变化规律平衡方程的物理意义为：（1）总势能守恒 流体静力学基本方程式表明，在同一静止流体中不同高度的流体微 元，其静压能和位能各不相同，但其两项和（称为总势能）却保持定值2） 等压面的概念 当液血上方压强po —定时，p的大小是液体密度卩和深度h的函 数在静止的连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强都相等3） 传递定律 当po变化时，液体内部备点的压强p也发生同样大小的变化4） 液柱高度表示压强或压强差改写流体静力学基木方程式可得：Pg上式说明压强并（或压强）可用一定高度的液体柱表示，但一定注明是何种液体1. 1. 3流体静力学基木方程式的应用以流体静力学基木方程式为依据可设计出各种液柱压差计、液位计，可进行液封高度 （ \计算，根据 上+gz的大小判断流向但需特别注意，u形管压差计读数反映的是两测量 \p 丿点位能和静压能两项和的差值应用静力学基本方稈式进行计算时，关键一环是等压面的准确选取1. 2流体流动的基本原理1. 2. 1定态流动系统的连续性方程式在定态流动系统中，对直径不同的管段作物料衡算，以Is为基准，则得到=^\A\p\ =n2A2pi =・..=“4/?=常数当流体可视为不可压缩时，密度可视为常数，则有qv = WjA] = u2A2 =••• = uA =常数应用连续性方程时，应注意如下两点：（1） 在衡算范围内，流体充满管道，并连续不断地从上游截面流入，从下游截面流出。

2） 连续性方稈式反映了定态流动系统中，流量一定时，管路各截面上流速的变化规 律此规律与管路的安排和管路上是否装有管件、阀门及输送机械无关这里的流速指单位 管道横截面上的体积流量，即 u=9%2对于不可压缩流体，流速和管径的关系为 也=2当流量一定且选定适宜流速时，利川连续性方程可求算输送管路的管径，即用上式计算岀管径后，要根据管了系列规格选用标准管径1. 2. 2机械能衡算方程式——柏努利方程式1. 2. 2. 1具有外功加入、不可压缩粘性流体定态流动的柏努利方稈为2 2gZ] + 牛 + 山 + 肥 =gZ2 + 牛 + 厶 + 工hf2 p 2 p式中的We为输送机械对1kg流体所作的有效功，或1kg流体从输送机械获得的有效能量式中各项单位均为J/kg1. 2. 2. 2理想流体的柏努利方程式理想流体作定态流动时不产生流动阻力，即工的=0,若又无外功加入，即也=0,P1P则得理想流体定态流动的机械能衡算方程式（理想流体的柏努利方程式）:gZ| +此式表明，理想流体作定态流动时，任一截jfti lkg流体所具有的位能、静压能与动能 Z和为定值，但各种形式的机械能可以互相转换1. 2. 2. 3柏努利方程式的讨论（1）柏努利方程式的适用条件 由推导过程可知，柏努利方程式适用于不可压缩流体定态连续流动。

2）理想流体的机械能守恒和转化lkg理想流体流动时的总机械能是守恒的，但不 同形式的机械能可互相转化3）注意区别式gZ| +乞+ d + We=gZ2+乞+ △ + Yhf中各项能量所2 p 2 p J表示的意义 式中的gZ、J/2、p/p指某截血上lkg流体所具有的能量；工何为两截面间沿程的能量消耗，它不能再转化为加他机械能；肥是lkg流体在两截面间获得的能量, 是输送机械重要参数之一由We可选择输送机械并计算其有效功率，即Pe =WeXQm若已知输送机械的效率n,则可计算轴功率，即：P = Pjr1（4） 柏努利方稈式的基准2 21N流体（工程制柏努利方程式）：Z, +^ + ^ + He=Z9+^ + -^ + Hf 2g pg 2g pg式中备项单位均为J/N或mHe为输送机械的有效压头，Hf为压头损失，Z、u2/2g. p/pg分别称为位压头、动压头和静压头2 2In?流体：QgZ| 牛+ 门 +”丁 = pgZ2 + p^- + p2 + p^hf式中各项单位均为J/n?或P“Ht称为风机的全风压，是选择风机的重要参数Z-o（5） 柏努利方稈式的推广① 可压缩流体的流动：若索取系统中两截瓯间气体压强变化小于原来绝对压强的20% 时，则用两截面间流体的平均密度代替。

② 非定态流动：对于非定态流动的任一瞬间，柏努利方程式仍成立1 • 3流体在管内的流动规律及流动阻力1. 3. I两种流型1. 3. 1. 1雷诺实验和雷诺准数雷诺于1空3年设计了雷诺实验实验中发现三种因素影响流型，即流体的性质（主要为卩、口）、设备情况（主要为d）及操作参数（主要为U）对一定的流体和设备，可调参数为II雷诺综合如上因素整理出一个无因次数群——雷诺准数：出=哑Re是一个无因次数群，可作为流动类型的判据，当Re ^2000时为滞流，当Re >4000 时为湍流1. 3. 1. 2牛顿粘性定律及流体的粘性T流体在◎内沛流流动旳‘内摩•擦丿、/Jj可用"峽曲性疋律表贰 即：厂二"石遵福牛顿粘性定律得流体为牛顿型流体，所有的气体和大多数液体属于这一类型不服从牛顿粘 性定律的流体则为非牛顿型流体由上式可得流体动力粘度（简称粘度）的表达式：使流体产生单位速度梯度的剪应力即为流体的粘度，它是流体的物理性质之一单位换算:lcP = 0.01P = lxl07巴1. 3. 2. 3滞流与湍流的比较流型滞（层）流湍（^）流判据Re W2000Re >2000质点的运动情况沿轴向作育线运动，不存在横向 混合和质点碰撞不规则杂乱运动,质点碰撞和剧烈混 合。

脉动是湍流的基木特点管内速度分布U = Wmax 1 d2\ K J1W=-Wmax1z \ —| I r \n= Wmax\ K丿u = 0.82wmax (n=7)边界层滞流层厚度等于管了的半径层流底层一缓冲层一湍流主体直管阻力粘性内摩擦力,即牛顿粘性定律工= —dr粘性应力*湍流应力,即T = —（“ +幺）——（e为涡流粘度, dr不是物性，与流动状况有关）1. 3. 2流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力由右•管阻力和局部足联两部分构成，即工心=hf + h，f阻力产生的根源是流体具有粘性，流动时产生内摩擦；固体表面促使流体流动时其内 部发生相对运动，提供了流动阻力产生的条件流动阻力大小与流体性质（卩、u）、壁面 情况（或 / d）及流动状况（u或Re ）有关流动阻力消耗了机械能，表现为静压能的降低，称为压强降，用表示注意区别压强降与两个截面的压强羌△“的概念1） 直管阻力f 上① 直管阻力的通式（范宁公式）：/?, =A- —y cl 2② 层流时的摩擦系数入（解析法）层流时的摩擦系数入仅是Re的函数而与相对粗糙度 /d无关，可用解析法找出「与Re的关系，同时对滞流流动取得内部结构作一分析。

层流时的摩擦系数：A = 64x/?；1③ 湍流时的摩擦系数入对于水力光滑管，当心=3000〜IO：时，实验测得：2 = 0.3164 V25 拉修斯公式）又如考莱布鲁克公式： 丄 =1.74-21』兰+ —^1],此式适用于湍流区的光滑管V A \ d Re J 2 丿与粗糙管直至完全湍流区在完全湍流区Re对入的煤响小，式中含Re项可忽略对于粗糙管，为使工稈计算方便，在双对数坐标中，以 / d为参数，标绘入与Re的关系，得到教材上所示的关系图在完全湍流区，压强降或能量损失与速度的平方成正比2-Re--的关系1111线适用于牛顿流体cl④ 圆形管内实验结果的推广——非圆形管的当量宜径• 2流体在非圆形管内作定态流动时，其阻力损失仍可用h, =A- —计算，但应将式中及 f d 2Re中的圆管育径d以当量直径心来代替de = 4rH ,巾=流通截血积A/润湿周边□2） 局部阻力为克服局部阻力所引起的能量损火有两种计算方法，即局部阻力系数法和当量长度法，2 1 2其计算公式为：h\.=<— 及hf o常用管件、阀门、突然扩大或缩小的局部7 2 y d 2阻力系数匚值和当量长度一值可杏有关教材。

在工程计算中，一般取入口的局部阻力系数 为0.5,而出口的局部阻力系数匚为1.0计算局部阻力时应注意两点:① 若流动系统的下游截瓯取在管道出M,则柏努利方程式中的动能项和出口阻力系数4 值即为l.Oo? I 9② 用公式方;=佥或叫"玮计算突然扩大或缩小的局部阻力时,式中的U均应取细管中的流速值3)管路系统的总能量损失③ 确泄输送机械的有效轴功率④确定管路中流体的压强⑤ 进行管路计算⑥根据流通力学原理设计备种流量计应用柏努利方程解题步骤：① 根据题恵绘出流程示意图，标明流体流动方向② 确定衡算范围，选取上、下游截面，选取截面的原则是：两截面均与流体流动方向相垂 直；其次，两截面Z间流体必须是连续的；第三，待求的物理量应该在某截面上或两截血间 出现；第四，截血上的已知条件最充分，且两截面上的u、p、Z两截面间的工付都应相 对应一致③ 选取基准水平面，基准面必须与地面平行；为简化计算，常使所选的基准面通过某一衡 算截面④ 各物理量必须采用一致的单位制，同时，两截面上压强的表示方法要i致1. 4. 1管路计算（1） 简单管路计算简单管路是由等径或异径管段串联而成的管路流通经过各管段的流量相等，总阻力损 失等于各管段损失Z和。

2） 并联管路计算流体流经如图所示的并联管路系统时，遵循如下原则：主管总流量等于备并联分管段Z和，即％ =qvl +%2 +%3备并联管段的压强降相等，即工△〃八。