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化工原理第一章 流体流动.ppt

88页
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    • •第一章￿￿￿流体流动教学要求教学要求§1-0 概述概述§1-1 流体静力学基本方程流体静力学基本方程§1-2 流体在管内的流动流体在管内的流动§1-3 流体的流动现象流体的流动现象§1-4 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力§1-5 管路计算管路计算§1-6 流量测量流量测量复习复习 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动2/88教学要求•重重 点:点:连续性方程及柏努利方程式的应用连续性方程及柏努利方程式的应用•覆盖内容:流体的性质(密度、重度、比重、比容、粘度);覆盖内容:流体的性质(密度、重度、比重、比容、粘度);流体的流体的静压强、静力学方程式及其应用静压强、静力学方程式及其应用;流量、流速的各种表达;流量、流速的各种表达方式及计算;定常流动与非定常流动的概念;流动系统的物料衡方式及计算;定常流动与非定常流动的概念;流动系统的物料衡算与连续性方程;算与连续性方程;流动系统的能量衡算与机械能衡算式流动系统的能量衡算与机械能衡算式;牛顿型;牛顿型流体与非牛顿型流体的概念;流动类型及特点;边界层的概念流体与非牛顿型流体的概念;流动类型及特点;边界层的概念(形成、发展与分离);管内流速分布;管路能耗的原因、计算(形成、发展与分离);管内流速分布;管路能耗的原因、计算及影响因素(粗糙度的概念、摩擦系数、因次分析法);及影响因素(粗糙度的概念、摩擦系数、因次分析法);管路计管路计算的方法;流量、流速的测量方法(测速管、孔板流量计、文丘算的方法;流量、流速的测量方法(测速管、孔板流量计、文丘里流量计、转子流量计的结构和原理)。

      里流量计、转子流量计的结构和原理) 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动3/88§1-0 概述¡➢➢流体流体——气体、液体气体、液体 特征:流动性、没有固定的形状、在外力作用下其内部易发生特征:流动性、没有固定的形状、在外力作用下其内部易发生相对运动相对运动分类:按凝聚状态分类,按可压缩性分分类:按凝聚状态分类,按可压缩性分➢➢连续性假设连续性假设——连续介质模型连续介质模型流体质点(或流体微团)流体质点(或流体微团)——流体流体➢➢运动的描述方法运动的描述方法拉格朗日法拉格朗日法——跟踪指定质点跟踪指定质点——空间位置、运动状况空间位置、运动状况~时间时间——轨线轨线欧拉法欧拉法——选择截面选择截面——运动参数运动参数~时间时间——流线流线 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动4/88§1-0 概述¡➢➢流线与轨线流线与轨线轨线:同一流体质点在不同时刻所占空间位置的连线轨线:同一流体质点在不同时刻所占空间位置的连线流线:采用欧拉法观察的结果,表述同一瞬时不同质点的流线:采用欧拉法观察的结果,表述同一瞬时不同质点的速度方向流线的属性:速度方向流线的属性:1)流线互不相交;)流线互不相交;2)在流动区)在流动区域内,通过任意封闭曲线各点引出的流线所围成的空间称域内,通过任意封闭曲线各点引出的流线所围成的空间称为流管。

      为流管•➢➢目的目的•流体输送流体输送•压强、流量与流速测定压强、流量与流速测定•提供适宜的强化设备的条件提供适宜的强化设备的条件 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动5/88§1-1 流体静力学基本方程¡§1-1-1 §1-1-1 流体的密度流体的密度➢➢定义:单位体积流体具有的质量,定义:单位体积流体具有的质量,kg/mkg/m3 3气体密度是温度和压强的函数:气体密度是温度和压强的函数:•➢➢气体密度气体密度混合气体的密度:混合气体的密度:➢➢液体的密度:液体的密度:只与温度有关,而与压力无关只与温度有关,而与压力无关混合液体密度混合液体密度 ——混合前后体积不变混合前后体积不变 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动6/88§1-1 流体静力学基本方程•§1-1-2 §1-1-2 流体的静压强¡➢➢定义:垂直作用在单位面积上的力定义:垂直作用在单位面积上的力,Pa=N/mPa=N/m2 21atm=1.033kgf/cm1atm=1.033kgf/cm2 2=10.33mH=10.33mH2 2O=760mmHgO=760mmHg =1.0133bar=1.013×10 =1.0133bar=1.013×105 5PaPa•➢➢常用单位及换算关系常用单位及换算关系1at=1kgf/cm1at=1kgf/cm2 2=735.6mmHg=10mH=735.6mmHg=10mH2 2O=O=0.9807bar=9.807×100.9807bar=9.807×105 5PaPa•➢➢流体静压强的特征:流体静压强的特征:•1)来自于各方向且指向该点,大小相等;)来自于各方向且指向该点,大小相等;•2)是空间位置的函数。

      是空间位置的函数•➢➢流体静压强的表示流体静压强的表示•绝对压强、表压强、真空度绝对压强、表压强、真空度 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动7/88§1-1 流体静力学基本方程•§1-1-3 §1-1-3 流体静力学基本方程式¡一、流体内力的类型一、流体内力的类型 ➢➢体积力:体积力:——场力(离心力、场力(离心力、重力等)重力等)——分量:分量:X、、Y、、Z•➢➢表面力:与表面积成正表面力:与表面积成正比比——法向和切向两种法向和切向两种二、欧拉平衡方程二、欧拉平衡方程 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动8/88§1-1 流体静力学基本方程¡➢ X X方向受力方向受力➢➢ Y Y方向受力方向受力➢➢ Z Z方向受力方向受力•欧拉平衡方程欧拉平衡方程 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动9/88§1-1 流体静力学基本方程¡三、流体静力学基本方程三、流体静力学基本方程¡重力场:重力场:X=0X=0、、Y=0Y=0,,Z=-gZ=-g•P P1 1•P P2 2 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动10/88§1-1 流体静力学基本方程¡四、讨论四、讨论➢➢等压面:等压面:静止的、连续的、同一液体的同一水平面上静止的、连续的、同一液体的同一水平面上➢➢压力可传递压力可传递——巴斯噶定理、巴斯噶定理、➢➢ h=(ph=(p1 1-p-p2 2)/()/(ρρg)g)➢➢化工设备中可压缩流体内各点压强相等化工设备中可压缩流体内各点压强相等•§1-1-4§1-1-4流体静力学基本方程式的应用一、压差或压强测量一、压差或压强测量 液柱式压差计液柱式压差计 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动11/88§1-1 流体静力学基本方程➢➢ U管压差计管压差计常用指示液有:常用指示液有:汞、四氯化碳、水、油汞、四氯化碳、水、油等。

      等•对水平管道,则:对水平管道,则:•若为气体,对水平管道,则:若为气体,对水平管道,则: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动12/88§1-1 流体静力学基本方程¡➢➢倾斜式液柱压差计倾斜式液柱压差计➢➢微差压差计微差压差计俗称俗称“水库水库” 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动13/88§1-1 流体静力学基本方程要求:要求: 密度相近分别为密度相近分别为ρρ1 1、、ρρ2 2,则:,则: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动14/88§1-1 流体静力学基本方程•二、二、液位的测量液位的测量•三、三、液封液封高度的计算高度的计算 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动15/88§1-2 流体在管内的流动¡§1-2-1§1-2-1流量与流速流量与流速一、一、流量流量➢➢定义定义 Vs(m3/s)、、Ws(kg/s)或或Vh(m3/h)、、Wh(kg/h)二、流速二、流速➢➢点流速点流速(u(ur r) )::流体质点沿流动方向上流过的距离,流体质点沿流动方向上流过的距离,m/s。

      •➢➢平均流速平均流速(u)(u)::同一截面上的同一截面上的流体质点沿流动方向上流过的流体质点沿流动方向上流过的平均距离平均距离,m/s•➢➢质量流速质量流速(G):单位时间内流过单位截面积的流体质量,:单位时间内流过单位截面积的流体质量,kg/m2.s➢➢关系关系::Ws=Ws=ρρVsVs 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动16/88§1-2 流体在管内的流动•三、管径选择三、管径选择•总费用总费用=操作费用操作费用+设备费用设备费用 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动17/88§1-2 流体在管内的流动•➢➢步骤:选流速步骤:选流速 计算管计算管径径• 园整园整 校核流速校核流速 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动18/88§1-2 流体在管内的流动•§1-2-2§1-2-2定态流动与非定态流动•一、非定态流动一、非定态流动•以以X表示任一流动参数,则对非定态流动有:表示任一流动参数,则对非定态流动有:•二、定态流动二、定态流动 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动19/88§1-2 流体在管内的流动¡二、连续性方程二、连续性方程 •§1-2-3§1-2-3连续性方程一、管路系统一、管路系统•简单管路简单管路•串联管路串联管路•分支管路分支管路 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动20/88§1-2 流体在管内的流动•§1-2-4§1-2-4能量衡算方程式¡一、一、流动系统的总能量衡算流动系统的总能量衡算 衡算范围:衡算范围:衡算基准:衡算基准:1kg流体;基准面:流体;基准面:0-0水平面水平面 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动21/88§1-2 流体在管内的流动¡➢➢内能:内能: U U1 1、、U U2 2(J/kg).(J/kg).➢➢机械能:位能(重力势能)、动能、静压能机械能:位能(重力势能)、动能、静压能位能:位能:Z Z1 1g g、、Z Z2 2g(J/kg)g(J/kg)    静压能静压能::p1υ11、、p1υ11 ;单位:;单位:J/kg。

      材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动22/88§1-2￿流体在管内的流动¡➢➢能量交换能量交换¡热:热:Qe;单位:单位:J/kg¡净功(外功):净功(外功):We,其单位:,其单位:J/kg¡➢➢能量衡算方程式:能量衡算方程式:•二、柏努利方程二、柏努利方程•➢➢热力学第一定律:热力学第一定律: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动23/88§1-2￿流体在管内的流动¡Qe’::Qe++∑hf,单位,单位::J/kg➢➢柏努利方程柏努利方程对不可压缩流体,忽略流体因对不可压缩流体,忽略流体因温度变化而引起的比容变化,温度变化而引起的比容变化,即即ρ不变则:不变则: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动24/88§1-2￿流体在管内的流动•理想流体,且理想流体,且We=0¡三、柏努利方程式的讨论三、柏努利方程式的讨论¡➢理想流体的理想流体的机械能守衡方程机械能守衡方程:动能、位能、静压能之:动能、位能、静压能之间可以相互转化间可以相互转化¡➢➢Zg、、u2/2、、p/ρ、、We、、∑hf::Ne=WsWe,η==Ne/N ➢➢静力学基本方程:静力学基本方程:Z1g+p1/ρ= Z2g+p2/ρ。

      ➢➢可压缩流体:可压缩流体:((p1-p2)/max{p1、、p2}<20%•➢➢非定态系统:任一瞬间非定态系统:任一瞬间→柏努利方程柏努利方程 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动25/88§1-2￿流体在管内的流动¡➢➢基准:基准:•§1-2-5§1-2-5柏努利方程式的应用一、使用柏努利方程的注意事项一、使用柏努利方程的注意事项➢➢控制体的选择        控制体的选择        ➢➢基准水平面的选取基准水平面的选取➢➢压力            压力            ➢➢单位单位 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动26/88§1-2￿流体在管内的流动¡二、柏努利方程的应用二、柏努利方程的应用¡➢➢流速或流量          流速或流量          ➢➢设备间的相对位置设备间的相对位置¡➢➢流体输送设备的轴功率     流体输送设备的轴功率     ➢➢管路系统中的压强分管路系统中的压强分布布¡➢➢测量或计算管路的能耗     测量或计算管路的能耗     ➢➢判断流动方向判断流动方向¡➢➢驻点压强驻点压强¡➢➢非定态系统中的瞬时流速或流量非定态系统中的瞬时流速或流量例例 已知管道尺寸为已知管道尺寸为 114 4mm,流量为,流量为85m3/h,水在管路中流,水在管路中流动时的总摩擦损失为动时的总摩擦损失为10J/kg(不包括出口阻力损失),喷头处(不包括出口阻力损失),喷头处压力较塔内压力高压力较塔内压力高20kPa,水从塔中流入下水道的摩擦损失可忽,水从塔中流入下水道的摩擦损失可忽略不计。

      塔的操作压力为常压)略不计塔的操作压力为常压)求:泵的有效功率求:泵的有效功率 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动27/88§1-2￿流体在管内的流动 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动28/88§1-2￿流体在管内的流动¡例例 20℃的水以的水以7m3/h的流量流过的流量流过如图所示的文丘里管,在喉颈处接如图所示的文丘里管,在喉颈处接一支管与下部水槽相通已知一支管与下部水槽相通已知1-1截截面处的压强为(表),管内径为面处的压强为(表),管内径为50mm,喉颈内径为,喉颈内径为15mm设流动无阻力损失,大气压为,水的密度无阻力损失,大气压为,水的密度取取1000kg/m3试判断支管中水的试判断支管中水的流向解:设支管中的水处于静止状态取解:设支管中的水处于静止状态取1-1、、2-2截面,截面, 以以3-3截面(水平面)为基准面,建立柏努利方程截面(水平面)为基准面,建立柏努利方程 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动29/88§1-2￿流体在管内的流动 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动30/88§1-2￿流体在管内的流动• 流体能否流动或流动方向判断的实质是静力学问题。

      流体能否流动或流动方向判断的实质是静力学问题一旦流动,流体中的能量转换服从柏努利方程当水一旦流动,流体中的能量转换服从柏努利方程当水槽中水向上流入文丘里管,则槽中水向上流入文丘里管,则2-2截面的压强将不再为截面的压强将不再为上面的计算值上面的计算值 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动31/88§1-3￿流体的流动现象¡§1-3-1§1-3-1牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度¡一、一、牛顿牛顿粘性粘性定律定律 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动32/88§1-3￿流体的流动现象¡二、流体的粘度二、流体的粘度¡➢➢流体的粘性是流体分子微观作用的宏观表现流体的粘性是流体分子微观作用的宏观表现¡ 液体的粘度随温度升高而减小,气体则相反 液体的粘度随温度升高而减小,气体则相反¡➢➢物理意义:促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力物理意义:促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力¡➢➢单位:单位:SI制:制:;;cgs制:制:P(泊)(泊)=100CP¡➢➢因次因次::M/((L.θ))¡➢➢运动粘度:运动粘度:γ=μ/ρ 单位:单位:SI制:制:m2/s;;cgs制:制:1St=1cm2/s•§1-3-2§1-3-2非牛顿流体•服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体;服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体;•凡不遵从牛顿粘性定律的流体称非牛顿型流体凡不遵从牛顿粘性定律的流体称非牛顿型流体 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动33/88§1-3￿流体的流动现象•§1-3-3§1-3-3流动类型与雷诺准数➢➢雷诺雷诺实验实验层流(滞流)、湍流(紊流)层流(滞流)、湍流(紊流)➢➢雷诺准数雷诺准数Re=duρ/μ[Re]=M0.L0.θ0Re〈〈2000:层流:层流Re〉〉4000:湍流:湍流2000〈〈Re〈〈4000:可能是层流,:可能是层流,也可能是湍流。

      也可能是湍流 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动34/88§1-3￿流体的流动现象•§1-3-4§1-3-4滞流与湍流¡一、流体质点的运动一、流体质点的运动¡➢➢层流:无脉动层流:无脉动¡➢➢湍流湍流:有脉动:有脉动•二、速度分布二、速度分布•➢➢层流层流::ur=umax(1-(r/R)2)•➢➢湍流湍流::ur=umax((1-r)/R)n),,n=1/7~1/10,与,与Re有关有关三、流体阻力三、流体阻力➢➢层流:层流:τ=-μdur/dr➢➢湍流:湍流:τ=-(μ+e)dur/dr e e:涡流系数,与:涡流系数,与ReRe有关 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动35/88§1-3￿流体的流动现象•§1-3-5§1-3-5边界层的概念¡一、边界层的形成一、边界层的形成•➢➢边界层:在流体壁面附近的有明显速度梯度的流体层边界层:在流体壁面附近的有明显速度梯度的流体层•➢➢边界层的厚度边界层的厚度::uδs 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动36/88§1-3￿流体的流动现象¡二、边界层的发展二、边界层的发展¡➢➢流体在平板上的流动:流体在平板上的流动:¡层流边界层的厚度:层流边界层的厚度:σ¡湍流边界层的厚度:湍流边界层的厚度:σ➢➢流体在圆形直管的进口管段内的流动:流体在圆形直管的进口管段内的流动:•从管道进口至边界层在管中心汇合的管段长度称进口稳定段。

      从管道进口至边界层在管中心汇合的管段长度称进口稳定段 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动37/88§1-3￿流体的流动现象¡三、边界层的分离三、边界层的分离•➢➢流体绕过圆柱流体绕过圆柱•后果:产生大量旋涡;导致较大的能量损失后果:产生大量旋涡;导致较大的能量损失➢➢边界层的分离边界层的分离•流体流过管件:流体流过管件:扩大与缩小扩大与缩小、、直角弯头直角弯头、、圆角弯头圆角弯头•              孔板孔板    文丘里管文丘里管    转子转子• 蝶阀蝶阀 隔膜法隔膜法 止回阀止回阀 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动38/88§1-4流体在管内的流动阻力¡➢➢产生流体阻力的内因:流体粘性产生流体阻力的内因:流体粘性¡➢➢产生流体阻力的外因:流体流过固体壁面时,固体壁面促产生流体阻力的外因:流体流过固体壁面时,固体壁面促使流体内部发生相对运动使流体内部发生相对运动¡➢➢基准基准¡单位质量:单位质量:∑hf,,J/kg;单位重量:;单位重量:Hf,,m;;¡单位体积:单位体积:ΔPf,,Pa,,在通常情况下在通常情况下ΔPf不等于不等于ΔP ;;¡关系:关系: ∑hf=gHf= ΔPf/ρ。

      ¡➢➢阻力的分类阻力的分类¡直管阻力直管阻力hf(沿程阻力)(沿程阻力)¡局部阻力局部阻力hf´(流过管件:弯头、活接头、孔板阀等)(流过管件:弯头、活接头、孔板阀等)¡ ∑hf= hf+ hf´ 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动39/88§1-4流体在管内的流动阻力¡一、计算圆形直管阻力的通一、计算圆形直管阻力的通式式•§1-4-1§1-4-1流体在直管中的流动阻力➢➢范围与基准面:范围与基准面:➢➢柏努利方程:柏努利方程: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动40/88§1-4流体在管内的流动阻力 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动41/88§1-4流体在管内的流动阻力•二、粗糙度的影响二、粗糙度的影响•粗糙度:粗糙度:ε       相对粗糙度:相对粗糙度: ε//d 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动42/88§1-4流体在管内的流动阻力¡三、层流时的摩擦系数三、层流时的摩擦系数•➢➢速度分布:取如图所示的控制体速度分布:取如图所示的控制体 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动43/88§1-4流体在管内的流动阻力•➢➢平均流速与最大平均流速与最大流速的关系:流速的关系: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动44/88§1-4流体在管内的流动阻力•➢➢ Hagon——Poiseuille公式:公式: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动45/88§1-4流体在管内的流动阻力四、湍流的摩擦系数与因次分析四、湍流的摩擦系数与因次分析➢➢实验研究方法的基本要求:由小见大,由此及比。

      实验研究方法的基本要求:由小见大,由此及比➢➢因次论指导下的实验研究方法的主要步骤:因次论指导下的实验研究方法的主要步骤:析因实验析因实验→→因次分析因次分析→→组织实验组织实验→→数据处理数据处理→→经验公式经验公式•➢➢影响因素:影响因素:•流体物性:流体物性:μ、、ρ;; 设备:设备:d、、l、、ε;流动条件:;流动条件:u • hf=f(( μ 、、 ρ 、、 d、、l、、 ε 、、 u))•➢➢因次分析:因次分析:•理论基础:理论基础:因次一致性原则因次一致性原则•π定理:定理:i=n-m 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动46/88§1-4流体在管内的流动阻力¡因次分析:将基本变量依次与余下的变量组成无因次数群,因次分析:将基本变量依次与余下的变量组成无因次数群,用待定系数法确定无因次数群的具体表达形式各变量的因次用待定系数法确定无因次数群的具体表达形式各变量的因次表达式如下:表达式如下:过程变量hfuρμdlε因次L2.θ-2L.θ-1M.L-3M.L-1. θ-1LLL基本变量:基本变量:n∈∈m;;条件:条件:1))不含代求的变量;不含代求的变量;2))不含因次相不含因次相同的;同的;3))包括所有变量中出现的量纲。

      选择:包括所有变量中出现的量纲选择:d、、u、、ρ 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动47/88§1-4流体在管内的流动阻力•ΠΠ1 1被称为欧拉准数,可理被称为欧拉准数,可理解为流体阻力与动能之比解为流体阻力与动能之比 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动48/88§1-4流体在管内的流动阻力•ΠΠ2:2:为雷诺准数的倒数为雷诺准数的倒数•特定几何形状的特征尺寸之比特定几何形状的特征尺寸之比•➢➢摩擦系数的经验公式:摩擦系数的经验公式:•光滑管:光滑管:•Blasius公式:公式:λ ;;Re=3×103~105 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动49/88§1-4流体在管内的流动阻力•粗糙管粗糙管: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动50/88§1-4流体在管内的流动阻力•摩擦系数曲线摩擦系数曲线 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动51/88§1-4流体在管内的流动阻力¡五、非圆形直管的流体阻力五、非圆形直管的流体阻力¡引入当量直径,仍按圆形直管计算引入当量直径,仍按圆形直管计算•d•D•R 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动52/88§1-4流体在管内的流动阻力•注意:注意:de只用只用以计算以计算Re和和l/de,不能由,不能由de及及Vs计算计算u。

      •§1-4-2§1-4-2管路上的局部阻力¡ 一、阻力系数法一、阻力系数法¡克服局部阻力所引起的机械能损失,可以表示成动能的函数克服局部阻力所引起的机械能损失,可以表示成动能的函数•ζ:称局部阻力系数,从有关手:称局部阻力系数,从有关手册、图表查取,或由实验测定册、图表查取,或由实验测定 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动53/88§1-4流体在管内的流动阻力•A1•A2•A1•A2•➢➢突然扩大:突然扩大:•hf’=ζu12/2•u•➢➢突然缩小:突然缩小:•hf’=ζu12/2•u 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动54/88§1-4流体在管内的流动阻力•二、当量长度法二、当量长度法• 将流体流过局部管件或阀的机械能损失等效为流过相同将流体流过局部管件或阀的机械能损失等效为流过相同直径长度为直径长度为le的直管的机械能损失的直管的机械能损失le由实验测定或从有关由实验测定或从有关手册查取手册查取•§1-4-3§1-4-3管路系统的总机械能损失➢➢简单管路系统的总机械能损失等于所有管段的直管阻简单管路系统的总机械能损失等于所有管段的直管阻力和所有管件的局部阻力之和。

      力和所有管件的局部阻力之和 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动55/88§1-4流体在管内的流动阻力•例:如图所示,溶剂由敞口高例:如图所示,溶剂由敞口高位槽流入精馏塔进塔处塔中位槽流入精馏塔进塔处塔中的压强为(表压),输送管道的压强为(表压),输送管道为为Φ38Χ3无缝钢管,直管长度无缝钢管,直管长度为为8m8m,管路中装有,管路中装有90°标准弯头标准弯头2 2个,个,180°180°回弯管回弯管1 1个,个,球心阀球心阀(全开)(全开)1个为使液体能以个为使液体能以3m3/h的流量流入塔中,问高位的流量流入塔中,问高位槽应放置的高度槽应放置的高度z应为多少米?应为多少米?(绝对粗糙度为(绝对粗糙度为,操作温度下溶操作温度下溶剂的物性参数为:剂的物性参数为:ρ=861kg/m3;;μ) 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动56/88§1-4流体在管内的流动阻力¡解解:取球心阀所在水平管段的管中线所在水平面为基准面取球心阀所在水平管段的管中线所在水平面为基准面,在在1-1、、2-2(左侧)(右侧)截面间列柏努利方程:(左侧)(右侧)截面间列柏努利方程: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动57/88§1-4流体在管内的流动阻力•若取出口右侧,流体恰好离开管道则若取出口右侧,流体恰好离开管道则u2=0¡ 由由Re、、ε/d查图得查图得λ。

      查局部阻力系数,各个管件的局部阻力查局部阻力系数,各个管件的局部阻力系数如下:系数如下:管件名称局部阻力系数进口0.590°标准弯头0.75180 °回弯管1.5球心阀(全开)6.4出口出口1 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动58/88§1-4流体在管内的流动阻力 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动59/88§1-4流体在管内的流动阻力•➢➢减小阻力的措施减小阻力的措施::•改善固壁对流动的影响:减小管壁粗糙度,防止或推迟流体与改善固壁对流动的影响:减小管壁粗糙度,防止或推迟流体与壁面的分离壁面的分离•优化管路:尽可能减少管件;尽可能排直管优化管路:尽可能减少管件;尽可能排直管•流体:加极少量的添加剂,影响流体运动的内部结构流体:加极少量的添加剂,影响流体运动的内部结构 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动60/88§1-5 管路计算 基本工具基本工具:连续性方程(或物料衡算)、柏努利方程、连续性方程(或物料衡算)、柏努利方程、流体阻力计算式流体阻力计算式一、计算类型一、计算类型•给定输送任务,要求设计出经济、合理的管给定输送任务,要求设计出经济、合理的管路系统,主要是确定最经济的管径路系统,主要是确定最经济的管径d的大小。

      的大小•管路系统已经一定,要求核算出在操作条件管路系统已经一定,要求核算出在操作条件改变时管路的输送能力或某项技术指标改变时管路的输送能力或某项技术指标•设计型设计型•操作型操作型•➢➢按计算的具体内容:按计算的具体内容:•1))已知已知:d、、l、、∑le、、Vh,求:,求:N(We,η)或()或(Z1-Z2))•2))已知:已知:d、、l、、le、、 ∑hf允允•3))已知已知: l、、le、、 ∑hf允允、、 Vh ,求:,求: d 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动61/88§1-5￿管路计算•二、简单管路二、简单管路•➢➢构成:由不同直径的直管段和系列管件串联而成构成:由不同直径的直管段和系列管件串联而成•➢➢特点:稳态流动时,特点:稳态流动时,Ws1=Ws2=Wsi,或:,或:Vs1=Vs2=Vsi ;;•总机械能损失:总机械能损失:Σhf=hf1+hf2+…+hf1´+ hf2´+…•➢➢计算方程:连续性方程、柏努利方程、阻力计算式计算方程:连续性方程、柏努利方程、阻力计算式¡三、试差法三、试差法¡例:如图所示的输水系统,液面例:如图所示的输水系统,液面1-1和和3-3截面间全长(包括截面间全长(包括所有局部阻力的当量长度)共所有局部阻力的当量长度)共300m,截面,截面3-3至至2-2截面有一闸截面有一闸阀,其间直管阻力忽略不计。

      输水管内直为阀,其间直管阻力忽略不计输水管内直为53mm,,ε水温为20℃在闸阀全开时,求:在闸阀全开时,求:1))管路的输水量;管路的输水量;2))3-3的压强的压强((mH2O)) 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动62/88§1-5￿管路计算•解:在解:在1-1、、2-2截面间以截面间以2-2截面基准截面基准面建立柏努利方程:面建立柏努利方程:•思考题:在该管路系统中,改变闸阀的开思考题:在该管路系统中,改变闸阀的开度或增加管件数量,则流体阻力是否变化度或增加管件数量,则流体阻力是否变化??3-3截面的压强是否变化截面的压强是否变化?为什么?为什么?•设流体在阻力平方区流动,由设流体在阻力平方区流动,由εε/d/d查得查得λλ•闸阀全开得局部阻力系数闸阀全开得局部阻力系数ζζ,出口突然扩大得局部阻力系数,出口突然扩大得局部阻力系数ζζ=1=1其流体阻力:其流体阻力: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动63/88§1-5￿管路计算•查查20℃水的物性参数:水的物性参数:ρ=1000kg/m3、、μ=1cP•校核雷诺数:校核雷诺数:Re=((duρ/μ))=58700•由由Re、、ε/d查查λ,即假设值与下的摩擦系数有较大差别。

      重新设,即假设值与下的摩擦系数有较大差别重新设λ,则:重新校核:,则:重新校核:Re=56800由重新计算得到的由重新计算得到的Re、、ε/d查查λ说明假设的说明假设的λλ与实际的与实际的λλ吻合,计算结果有效,吻合,计算结果有效,Vs=2.36×10-3m3/s•在在3-3、、2-2间以间以3-3截面管中心所在水平为基准列柏努利方程:截面管中心所在水平为基准列柏努利方程: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动64/88§1-5￿管路计算•可以计算得到闸阀可以计算得到闸阀1/4开度时,闸阀的开度时,闸阀的ζ=24,, λ,, Vs=2.18×10-3m3/s,,p3/ρ2O(表)(表) 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动65/88§1-5￿管路计算•➢➢试差法求管路系统流量的步骤:试差法求管路系统流量的步骤:•计算流量计算流量•否否•初值初值λ、计算精度、计算精度δ•Re=((duρ/μ))•是是 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动66/88§1-5￿管路计算•四、并联管路四、并联管路•➢➢主管中的质量流量等于并联各支管内质量流量之和:主管中的质量流量等于并联各支管内质量流量之和: •特点:特点:•或或•➢➢从分流点从分流点A至合流点至合流点B,单位质量的流体无论通过哪一根支,单位质量的流体无论通过哪一根支管,阻力损失都相等,即管,阻力损失都相等,即 ::•为什么?为什么? 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动67/88§1-5￿管路计算¡五、五、分支管路分支管路•➢➢并联各支管流量分配具有自协调性,任意两支管并联各支管流量分配具有自协调性,任意两支管i、、j的流的流量分配比为:量分配比为: •➢➢主管质量流量等于主管质量流量等于各支管质量流量之和,各支管质量流量之和,可以表示为可以表示为: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动68/88§1-5￿管路计算•对不可压缩流体:对不可压缩流体: •➢➢分支点出发可对各支管列柏努利方程,对不可压缩流体,分支点出发可对各支管列柏努利方程,对不可压缩流体,有有: •思考题:汇合管路有什么特点?基本的管路计算原则是什么?思考题:汇合管路有什么特点?基本的管路计算原则是什么? 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动69/88§1-5￿管路计算例例 如附图所示的输水管路系统,如附图所示的输水管路系统,泵出口分别与泵出口分别与B,,C两容器相连。

      两容器相连已知泵吸入管路内径为已知泵吸入管路内径为50mm,有,有90°标准弯头和吸水底阀各一个;标准弯头和吸水底阀各一个;AB管段长管段长20m,管内径为,管内径为40mm,,有截止阀一个;有截止阀一个;AC管段长管段长20m,管内径为,管内径为30mm,有,有90°标准弯标准弯头和截止阀各一个水池液面距头和截止阀各一个水池液面距A点和容器点和容器C的液面垂直距离分别为的液面垂直距离分别为2m和和12m容器C内气压为(表)内气压为(表)  材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动70/88§1-5￿管路计算¡试求:试求:1))测得泵送流量为测得泵送流量为15m3/h,,泵的轴功为泵的轴功为¡kW时,两分支管路时,两分支管路AB及及AC的流量¡ 2))泵送流量不变,要使泵送流量不变,要使AC管路流量大小与上,管路流量大小与上,¡问计算值相同但水流方向反向,所需的泵的轴功率问计算值相同但水流方向反向,所需的泵的轴功率¡(取泵的效率为(取泵的效率为60%,水的密度为,水的密度为1000kg/m3,粘度为,粘度为1.0×10-3Pa·s))¡解:解:((1))首先判断两分支管路中水的流向。

      为此,以水池首先判断两分支管路中水的流向为此,以水池液面为基准面,分别在水池液面与液面为基准面,分别在水池液面与A点间、点间、A点与容器点与容器C的液的液面间、面间、A点与管路点与管路B出口间列柏努利方程,有出口间列柏努利方程,有•((1))• ((2)) 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动71/88§1-5￿管路计算•(( 3))•查表得管路局部阻力系数如下:查表得管路局部阻力系数如下:•水泵吸水底阀(管内径水泵吸水底阀(管内径50mm))ζ=10;;• 截止阀(全开)截止阀(全开)ζ;; 90°标准弯头标准弯头ζ;;     管出口(突然扩大)管出口(突然扩大) ζ= 1•泵入口管路流速泵入口管路流速 ::•忽略入口管路直管阻力,则式忽略入口管路直管阻力,则式(1)中中 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动72/88§1-5￿管路计算•所所以以•式式((3))中中•由以上计算可知,由以上计算可知,EC>EA>EB,所以水将由容器,所以水将由容器C流出,与流出,与泵联合向容器泵联合向容器B供水,且由式供水,且由式((2))有有 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动73/88§1-5￿管路计算•将已知数据代入上式,整理将已知数据代入上式,整理得得 •对管壁,取对管壁,取εε•εε/d/dc c•试差计算得:试差计算得:•故容器故容器C流入交汇点流入交汇点A的流量为:的流量为: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动74/88§1-5￿管路计算•因此因此AB管路流量为:管路流量为: •要达到由泵向容器要达到由泵向容器C输水输水3/h,管路系统要求泵提供的轴功率必,管路系统要求泵提供的轴功率必须增加。

      由分支管路特点,在水池液面与容器须增加由分支管路特点,在水池液面与容器C的液面和管路的液面和管路B出口处分别列柏努利方程有出口处分别列柏努利方程有 •((5))•((6))•式(式(5)中,)中, 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动75/88§1-5￿管路计算•此条件下此条件下AB管段流速:管段流速: •所以所以•又又ε/da 由由ε/da和和Re值查图得值查图得λB 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动76/88§1-5￿管路计算•可见,要完成此输送任务可见,要完成此输送任务AC分支管路要求泵提供的能量分支管路要求泵提供的能量heC大于大于AB分支管路的分支管路的heB,泵的轴功率应满足,泵的轴功率应满足AC管路的要管路的要求,所以求,所以•AB管路则通过减小该支管上截止阀的开启度、增加管路管路则通过减小该支管上截止阀的开启度、增加管路阻力,满足流量分配要求阻力,满足流量分配要求 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动77/88§1-6￿流量测量•测量方法:测量方法:•流量:流量:•➢➢直接测量法直接测量法•➢➢间接测量间接测量•处理方法:处理方法:•理想流体理想流体•修正修正•实际流实际流体体•基本方程:基本方程: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动78/88§1-6￿流量测量¡一、测速管一、测速管¡➢➢ 驻点驻点•驻点压强:驻点压强:•➢➢测试原理测试原理•引入校正系引入校正系数数•➢➢测速管测速管 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动79/88§1-6￿流量测量•➢➢流量流量•平均流速:平均流速:u➢➢优点优点: 阻力小,可测量大直径管道中的气体流速或流量。

      阻力小,可测量大直径管道中的气体流速或流量•➢➢缺点缺点:不能直接测得平均流速或流量;读数小,常需配微不能直接测得平均流速或流量;读数小,常需配微差压差计;不适用于含颗粒的流体差压差计;不适用于含颗粒的流体•➢➢安装要求安装要求:必须保证测量点处于均匀流段,即测量点上下必须保证测量点处于均匀流段,即测量点上下游最好各有游最好各有50 d 以上长的直管距离;必须保证管口截面严以上长的直管距离;必须保证管口截面严格垂直于流动方向;皮托管的直径格垂直于流动方向;皮托管的直径d0应小于管径应小于管径d的五十分的五十分之一,即之一,即d0 < d /50 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动80/88§1-6￿流量测量•测测umax平平均均速速度度流量流量 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动81/88§1-6￿流量测量•二、二、孔板孔板流量计流量计•➢➢流体通过流体通过孔板的流动状况孔板的流动状况•➢➢测试原理测试原理•流量系数流量系数:: 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动82/88§1-6￿流量测量•d/D:;最小孔径::;最小孔径:≥;;•直孔部分的厚度:;直孔部分的厚度:;•总厚度总厚度H:;:;•锥面的斜角:锥面的斜角:α=30°~45°。

        材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动83/88§1-6￿流量测量•➢➢优点:容易制造;当流量有较大变化时,为了调整测量条件,优点:容易制造;当流量有较大变化时,为了调整测量条件,调换孔板也很方便;可实现远程测量调换孔板也很方便;可实现远程测量•➢➢特点:恒截面、变压差、变流速特点:恒截面、变压差、变流速——差压流量计差压流量计•➢➢安装:上游应大于安装:上游应大于50d1的直管段,下游直管段应大于的直管段,下游直管段应大于10d1;合理选用压差计的指示液合理选用压差计的指示液•文丘里流量计文丘里流量计 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动84/88§1-6￿流量测量•三、三、转子转子流量流量计计•力平衡力平衡•➢➢结构结构•➢➢测试原理测试原理•流量系数流量系数::CR=F(转子形状、流体阻力)转子形状、流体阻力)•➢➢标定:标定:•测量液体:测量液体:20℃℃清水;测量气体:清水;测量气体:20 ℃℃、、100kPa的空气 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动85/88§1-6￿流量测量•转转子子流流量量计计的的流流量量系系数数曲曲线线 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动86/88§1-6￿流量测量•➢➢流量换算:流量换算:•➢➢特点:恒压差、变截面特点:恒压差、变截面——截面流量计截面流量计•➢➢缺点:缺点:•就地显示、不能用于高温或高压的场所。

      就地显示、不能用于高温或高压的场所•➢➢安装要求:安装要求:•1)必须安装在垂直管路中;)必须安装在垂直管路中;•2)且流体必须向上流动;)且流体必须向上流动;•3)应安装支路以便于检修应安装支路以便于检修•➢➢优点:读数方便,流动阻力很小,优点:读数方便,流动阻力很小,测量范围宽,测量精度较高测量范围宽,测量精度较高 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动87/88复习¡重要概念重要概念¡ 连续介质模型、流体的密度及影响因素;流体静压强的连续介质模型、流体的密度及影响因素;流体静压强的特征、单位、表示方式及等压面;流量、流速的各种表达方特征、单位、表示方式及等压面;流量、流速的各种表达方式及计算;净功、有效功率、轴功率;牛顿粘性定律、式及计算;净功、有效功率、轴功率;牛顿粘性定律、 粘度粘度 及其影响因素;流体的流动类型、雷诺数、层流与湍流的及其影响因素;流体的流动类型、雷诺数、层流与湍流的本质区别;边界层厚度、边界层的形成和发展、边界层分离;本质区别;边界层厚度、边界层的形成和发展、边界层分离;局部阻力与直管阻力、当量直径与当量长度、相对粗糙度、局部阻力与直管阻力、当量直径与当量长度、相对粗糙度、圆形直管内的速度分布、摩擦系数、圆形直管内的速度分布、摩擦系数、 定理与因次分析法、定理与因次分析法、局部阻力系数。

      局部阻力系数 ¡ 设备及仪表设备及仪表¡压差计、流量计等结构及测量原理和计算压差计、流量计等结构及测量原理和计算 材料与化学工程学院化学工程与工艺教研室化工原理流体流动88/88复习•重要公式重要公式•静止静止•柏努利方程、物料衡算式、阻柏努利方程、物料衡算式、阻力计算式用于管路系统力计算式用于管路系统——管管路计算。

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