第3章 流體的流動(dòng)過(guò)程及流體輸送設(shè)備

1、第3章 流體的流動(dòng)過(guò)程及流體輸送設(shè)備3.1 基本的基本性質(zhì)1教學(xué)目的和要求：掌握流體的基本性質(zhì)；推導(dǎo)牛頓粘性定律。2本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn) ：流體的基本性質(zhì)3本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)：粘度及牛頓粘性定律4.教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)研究流體的流動(dòng)和輸送主要解決以下問(wèn)題:確定輸送流體所需管徑。管徑由生產(chǎn)任務(wù)及被輸送流體在流動(dòng)過(guò)程的物料和能量衡算決定；確定輸送流體所需能量和設(shè)備。根據(jù)流體的性質(zhì)、輸送的距離和管路阻力等，計(jì)算所需的能量，選擇合適的輸送設(shè)備；流體性能參數(shù)的測(cè)量和控制。監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，準(zhǔn)確而及時(shí)地測(cè)量流體流動(dòng)時(shí)的各參數(shù)，選用可靠而準(zhǔn)確的測(cè)量和控制儀表；研究流體的流動(dòng)形態(tài)，為強(qiáng)化設(shè)備和操作提供依據(jù)。觀察流動(dòng)形態(tài)，選用合

2、適設(shè)備； 了解輸送設(shè)備的工作原理和性能，正確使用輸送設(shè)備。1密度單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度，表達(dá)式為：=m/V流體的密度隨溫度和壓力的變化而變化。壓力對(duì)液體的密度影響很小，故常將液體稱為不可壓縮流體。氣體具有可壓縮性及熱膨脹性，其密度隨壓力和溫度有較大的變化。在溫度不太低和壓力不太高時(shí)，氣體密度近似用理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即：r=pM/RT在生產(chǎn)中遇到的流體，往往是混合物。對(duì)液體混合物，各組分的濃度用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。設(shè)各組分在混合前后其體積不變，則混合物的體積應(yīng)等于各組分單獨(dú)存在時(shí)的體積之和，即1/rmw1r1w2r2wnrn2.壓力流體垂直作用于單位面積上的力稱為壓力，又稱為流體的

3、壓力或壓強(qiáng)，表達(dá)式為：P =FA壓力的單位Pa(Pascal，帕)，即N·m-2， kg·m-1·S-2。單位換算：l atm760mmHg1.01325×10Pa10.33mH2O1.033kgf·5-2壓力有兩種不同的表達(dá)方式。一是絕對(duì)壓力：以絕對(duì)零壓為起點(diǎn)而計(jì)量的壓力； 另一是表壓或真空度：以大氣壓力為基準(zhǔn)而計(jì)量的壓力。當(dāng)被測(cè)容器的壓力高于大氣壓時(shí)，所測(cè)壓力稱為表壓，當(dāng)測(cè)容器的壓力低于大氣壓時(shí)(工 1程上稱為負(fù)壓)，所測(cè)壓力稱為真空度。壓力的換算關(guān)系：表壓=絕對(duì)壓力-大氣壓力真空度大氣壓力-絕對(duì)壓力3流量和流速流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道

4、任一截面的流體量，稱為流體的流量。若流體量用體積來(lái)計(jì)量，稱為體積流量，以符號(hào)qv表示，單位為m·s；-1若流體量用質(zhì)量來(lái)計(jì)量，則稱為質(zhì)量流量，以符號(hào)qm表示，其單位為kg·s。若流體量用物質(zhì)的量表示，稱為摩爾流量，以符號(hào)qn表示，其單位為mol·s-1。體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為：qm=rqV質(zhì)量流量與摩爾流量的關(guān)系為：qmMqn流速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動(dòng)方向所流過(guò)的距離，稱為流體的流速，以u(píng)表示，單位為 m·s。流速是指流道整個(gè)截面上的平均流速，以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值表示：u=qVS流速的分布：由于流體本身的粘滯性以及流體與

5、管壁之間存在摩擦力，所以流體在管道內(nèi)同一截面上各點(diǎn)的流速是不相同的。管道中心流速最大，離管中心越遠(yuǎn)，流速越小，在緊靠管壁處，流速為零。工業(yè)上流速范圍大致為：液體1.53.0m·s-1，高粘度液體0.51.0 m·s-1；氣體1020 m·s-1，高壓氣體1525 m·s-1；飽和水蒸氣2040 m·s-1，過(guò)熱水蒸氣3050 m·s-1。4粘度粘性是流體內(nèi)部摩擦力的表現(xiàn)，粘度是衡量流體粘性大小的物理量，是流體的重要參數(shù)之一。流體的粘度越大，其流動(dòng)性就越小。-13-1實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于一定的液體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層間的速度差Du呈正比，與

6、兩層間的接觸面積A呈正比，而與兩層間的垂直距離Dy呈反比，即：F (Du/Dy)A引入比例系數(shù)m，則：Fm(Du/Dy)A內(nèi)摩擦力F的方向與作用面平行。單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力，以表示，則有：tFAm(Du/Dy)當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，徑向速度的變化并不是直線關(guān)系，而是曲線關(guān)系，則有： 2tm(du/dy)du/dy與流動(dòng)方向相垂直的y方向上流體速度的變化率m比例系數(shù)，亦稱為粘性系數(shù)，簡(jiǎn)稱粘度。上式稱為牛頓粘性定律。凡符合牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體，所有氣體和大多數(shù)液體都屬于牛頓型流體。反之，為非牛頓型流體，如某些高分子溶液、膠體溶液及泥漿等。液體的粘度隨著溫度的升高而減

7、小，氣體的粘度隨著溫度的升高而增加。壓力變化時(shí)，液體的粘度基本上不變，氣體的粘度隨壓力的增加而增加得很少。粘度的單位為：-2-1-1-2m=t/(du/dy)=(N·m)/(m·s·m)N·s·mPa·s1 P100cP(厘泊)=10-1Pa·s。流體的粘度還用粘度m與密度r的比值來(lái)表示，稱為運(yùn)動(dòng)粘度，以n表示之，即： n=m/r運(yùn)動(dòng)粘度的單位為m·s。1 st100 cst(厘沲)10m·s工業(yè)上各種混合物粘度用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定，缺乏數(shù)值時(shí)，可參考有關(guān)資料以選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。對(duì)氣體混合物的粘度，

8、可采用下式進(jìn)行計(jì)算：mm=(åyimiMiåyiMi1/22-1-42-1對(duì)分子不發(fā)生締合的液體混合物的粘度，可采用下式進(jìn)行計(jì)算：lgmm=åxilgmi3.2 流體流動(dòng)的基本規(guī)律1教學(xué)目的和要求：掌握流體流動(dòng)的基本規(guī)律；掌握流體流動(dòng)過(guò)程中的物料衡算和能量衡算。2本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn) ：流體流動(dòng)過(guò)程中的物料衡算和能量衡算3本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)：流體流動(dòng)過(guò)程中的物料衡算和能量衡算4.教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)1定態(tài)流動(dòng)和非定態(tài)流動(dòng)流體在管道或設(shè)備中流動(dòng)時(shí)，若在任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改變，但不隨時(shí)間而改變，稱為定態(tài)流動(dòng)；只要有一項(xiàng)隨時(shí)間而變化，則稱為非定態(tài)流

9、動(dòng)。如圖。2流體定態(tài)流動(dòng)過(guò)程的物料衡算連續(xù)性方程當(dāng)流體作定態(tài)流動(dòng)時(shí)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，在沒(méi)有物料累積和泄漏情況下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)流動(dòng)系統(tǒng)任一截面的流體的質(zhì)量應(yīng)相等。如圖所示,對(duì)截面11和22之間作衡算，單位時(shí)間流入截面1l的流體質(zhì)量應(yīng)等于流出截面22的流體的質(zhì)量，即：qm,1=qm,2推廣到任何一個(gè)截面，則：qm=r1u1S1r2u2S2rnunSn=常數(shù)對(duì)于不可壓縮流體，即上式r=常數(shù)，則：qV=u1S1=u2S2=unSn=常數(shù)不可壓縮流體不僅流經(jīng)各截面的質(zhì)量流量相等，它們的體積流量也相等。它反映在定態(tài)流動(dòng)體系中，流量一定時(shí)，管路各截面上流體流速的變化規(guī)律。3流體定態(tài)流動(dòng)過(guò)程的能量衡算柏努

10、利方程流動(dòng)體系的能量形式主要有：流體的動(dòng)能、位能、靜壓能以及流體本身的內(nèi)能。前三種又稱為流體的機(jī)械能。(1)理想流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算所謂理想流體是指在流動(dòng)時(shí)內(nèi)部沒(méi)有內(nèi)摩擦力存在的流體，即粘度為零。若過(guò)程中沒(méi)有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒(méi)有變化，則理想流體流動(dòng)時(shí)的能量恒算可以只考慮機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。(1)理想流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算所謂理想流體是指在流動(dòng)時(shí)內(nèi)部沒(méi)有內(nèi)摩擦力存在的流體，即粘度為零。若過(guò)程中沒(méi)有熱量輸入，其溫度和內(nèi)能沒(méi)有變化，則理想流體流動(dòng)時(shí)的能量恒算可以只考慮機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。如圖，根據(jù)能量守恒定律，沒(méi)有外界能量輸入，在截面11”和截面22”之間應(yīng)符合：åE單位質(zhì)量流

11、體，則： 入=åE出 即 mgZ1+m u12/2+p1m/r =mgZ2+m u22/2+p2m/r22 gZ1+ u1/2+p1/r =gZ2+u2/2+p2/r對(duì)于單位重力(重力單位為牛頓)流體，則有：Z1+ u12/(2 g)+p1/(rg) =Z2+u22/(2g)+p2/(rg)上式稱為：理想流體在定態(tài)流動(dòng)時(shí)的能量衡算方程式，又稱為柏努利方程(Bernoulli equation)。工程上，將單位重力的流體所具有的能量單位為J·N-1，即m，稱為“壓頭”，則Z、u2/(2g)和p/(rg)分別是以壓頭形式表示的位能、動(dòng)能和靜壓能，分別稱為位壓頭、動(dòng)壓頭和靜壓頭。

12、理想流體在管道各截面上的每種能量并不一定相等，在流動(dòng)時(shí)可相互轉(zhuǎn)化，但其在管道任一截面上各項(xiàng)能量之和相等，即總能量(或總壓頭)是常數(shù)。(2)實(shí)際流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算實(shí)際流體在流動(dòng)時(shí)，由于流體粘性的存在，必然造成阻力損失。單位重力的流體在定態(tài)流動(dòng)時(shí)因摩擦阻力而損失的能量(壓頭)記為åhf；，單位J·N-1或m。為克服流動(dòng)阻力使流體流動(dòng)，往往需要安裝流體輸送機(jī)械。設(shè)單位重力的流體從流體輸送機(jī)械所獲得的外加壓頭為He，單位J·N-1域m。則實(shí)際流體在流動(dòng)時(shí)的柏努利方程為：Z1+ u1/(2 g)+p1/(rg) +He=Z2+u2/(2g)+p2/(rg)+ 22

13、29;hf (322)以上得到的各種形式柏努利方程僅適用于不可壓縮的液體。對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的流體，u=0，沒(méi)有外加能量，He =0，而且也沒(méi)有因摩擦而造成的阻力損失 5åhf=0，則柏努利方程簡(jiǎn)化為：Z1+ p1/(rg) =Z2+p2/(rg)或 p1- p2=rg(Z1 -Z2)4流體流動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用舉例連續(xù)性方程和柏努利方程可用來(lái)計(jì)算化工生產(chǎn)中流體的流速或流量、流體輸送所需的壓頭和功率等流體流動(dòng)方面的實(shí)際問(wèn)題。在應(yīng)用柏努利方程時(shí)，注意以下幾點(diǎn)。作圖： 根據(jù)題意作出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，注明流體的流動(dòng)方向。截面的選取： 確定出上下游截面以明確對(duì)流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍。基準(zhǔn)水平面的選?。?為了簡(jiǎn)化

14、計(jì)算，通常將所選兩個(gè)截面中位置較低的一個(gè)作為基準(zhǔn)水平面。如果截面與基準(zhǔn)水平面不平行，則Z值是指截面中心點(diǎn)與基準(zhǔn)水平面的垂直距離。單位統(tǒng)一 ：方程式兩側(cè)的各個(gè)物理量單位必須一致，最好均采用國(guó)際單位制。(1)管道流速的確定例 3l 今有一離心水泵，其吸入管規(guī)格為F88.5 mm × 4 mm，壓出管為F75.5 mm ×3.75 mm，吸入管中水的流速為 1.4 m·s，試求壓出管中水的流速為多少？解：吸入管內(nèi)徑dl=88.52 × 480.5 mm壓出管內(nèi)徑 d275.52 × 3.75=68 mm根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性方程u1S1= u2S2

15、圓管的截面積S=pd2/4，于是上式寫成：u2ul=(dld2)故壓出管中水的流速為：u2=(dld2)2 ul=(80.568)2 × 1.4m·s-11.96 m·s-1當(dāng)流量一定時(shí)，圓管中流體的流速與管徑的平方呈反比。(2)容器相對(duì)位置的確定例32 采用虹吸管從高位槽向反應(yīng)釜中加料。高位槽和反應(yīng)釜均與大氣相通。要求物料在管內(nèi)以 1.05 m·s-1的速度流動(dòng)。若料液在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的能量損失為 2.25 J·N-1(不包括出口的能量損失)，試求高位槽的液面應(yīng)比虹吸管的出口高出多少米才能滿足加料要求？解：作示意圖，6 2-1取高位槽的液面為截面

16、11，虹吸管的出口內(nèi)側(cè)為截面22，并取截面22為基準(zhǔn)水平面。在兩截面間列出柏努利方程式：Z1+ u12/(2 g)+p1/(rg) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(rg)+式中Z1=h，u1 =0 p1=0(表壓)，He =0；Z20，u2=1.05 m·s-1，p2=0(表壓)，Nåhf2.25 J·-1 åhf代入柏努利方程式，并簡(jiǎn)化得：h1.052 m2·s-2/2×9.81 m·s-22.25m2.31m即高位槽液面應(yīng)比虹吸管的出口高2.31m，才能滿足加料的要求。(3)送料用壓縮空氣的壓力的確定例 33 某

17、生產(chǎn)車間用壓縮空氣壓送 20，H2SO498.3的濃硫酸。若每批壓送量為0.36 m3，要求在 10 min內(nèi)壓送完畢。管子為 F38 mm × 3 mm鋼管，管子出口在硫酸罐液面上垂直距離為 15 m。設(shè)硫酸流經(jīng)全部管路的能量損失為1.22 J·N(不包括出口的能量損失)，試求開始?jí)核蜁r(shí)，壓縮空氣的表壓力為多少？-1解：繪示意圖。取硫酸罐內(nèi)液面為截面11，硫酸出口管管口內(nèi)側(cè)為截面22，并以截面11為基準(zhǔn)水平面。在兩截面間列出拍努利方程式：Z1+ u12/(2 g)+p1/(rg) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(rg)+ åhf式中 Z1=0，ul0，Z

18、215 m，u2=qVS，P20(表壓)，åhf1.22 J·N-1因?yàn)閝V=0.36 m3(10 × 60 S)6.0 ×104·SlS=p×(0.0382 × 0.003)2 m24=8.04 × 10m424故 u2qVS6.0 ×10m·S(8.04 ×10m)0.746 m·s-1由手冊(cè)查得，20濃硫酸的密度r=1831 kg·m-3 3-1-42將上列數(shù)據(jù)代入拍努利方程式：pl(1831 kg·m3 × 9.81m·s2)1

19、5 m0.7462m·s2(2× 9.81m·s2)1.22m解得：pl2.92 × 105N·m-2(表壓)即開始?jí)核蜁r(shí)，壓縮空氣的表壓力至少為2.92 × 105N·m-2。(4)流體輸送設(shè)備所需功率的確定例34 用離心泵將貯槽中的料液輸送到蒸發(fā)器內(nèi)，敞口貯槽內(nèi)液面維持恒定。已知料液的密度為 1200 kg·m-3，蒸發(fā)器上部的蒸發(fā)室內(nèi)操作壓力為 200 mmHg(真空度)，蒸發(fā)器進(jìn)料口高于貯槽內(nèi)的液面 15 m，輸送管道的直徑為68 min ×4mm，送液量為 20 m·h。設(shè)溶液流經(jīng)全部

20、管路的能量損失為12.23 J·N-1(不包括出口的能量損失)，若泵的效率為60，試求泵的功率。解：取貯槽液面為截面11，管路出口內(nèi)側(cè)為截面22，以截面1一l為基準(zhǔn)水平面。在截面11和截面22間能量衡算，有：Z1+ u12/(2 g)+p1/(rg) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(rg)+式中 ZI=0，ul0，p 10(表壓)；Z215 m，因?yàn)?qv20360015.56 × 10m·sSp×(0.0682 × 0.004)2m242.83 × 10-3 m2故 u2qVS5.56 × 10m·S/2

21、.83 × 10m=1.97 m·s-1又 p2200 × I.013 × 105/760= 2.67 × 104Pa(真空度)= -2.67 × 104Pa(表壓)N-1 åhf12.23 J·將上列各數(shù)值代入拍努利方程式得：He15 m1.9722m2·s2(2 × 9.81m·s-1)2.67 × 104kg·s ·m(1200 × 9.81 kg·s·m)+12.23 m25.16 m液柱泵理論功率：NeqmgHerq

22、vgHe=1200 kg·m-3 × 5.56 × 103 m3·s-1× 9.81 m/s2 × 25.16m1.65×103W1.65kw實(shí)際功率：Na=Ne/h=1.65kw/0.60=2.75 kw-2-1-2-2-33-133-1åhf -33-123.3 流體壓力和流量的測(cè)量1教學(xué)目的和要求：理解各種測(cè)壓儀表的測(cè)壓原理；推導(dǎo)孔板流量計(jì)及其它流量計(jì)測(cè)量流體流量的關(guān)系式；了解介紹管、管件及閥門；2本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn) ：孔板流量計(jì)及其它流量計(jì)測(cè)量流體流量的工作原理和計(jì)算關(guān)系式；3本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)：孔板流量計(jì)及其它流

23、量計(jì)測(cè)量流體流量的關(guān)系式4.教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)1.流體壓力的測(cè)量對(duì)處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體，柏努利方程簡(jiǎn)化為：p2-p1=rgD(Z1 -Z2)(1) U形管壓力計(jì)U形管壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖38所示。管中盛有與測(cè)量液體不互溶、密度為ri的指示劑。U形管的兩個(gè)側(cè)管分別連接到被測(cè)系統(tǒng)的兩點(diǎn)。隨測(cè)量的壓力差的不同U形管中指示液所顯示的高度差亦不相同，根據(jù)(323b)式，可推得：Dp= p2-p1=(ri -r)g (Z1 -Z2)= (ri-r)gDR測(cè)系統(tǒng)中某點(diǎn)壓力時(shí)，若U形管壓力計(jì)的一側(cè)與大氣相通，測(cè)量的是表壓或真空度。 若被測(cè)量的流體是氣體，一般情況下，氣體的密度較指示液的密度小得多，上式簡(jiǎn)化為： Dp=

24、 p2 -p1=rI g(Z1 -Z2)=rI gDR(2) 倒置U形管壓力計(jì)倒置U形管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)如圖示。以被測(cè)液體為指示液，液體的上方充滿空氣，空氣通過(guò)頂端的旋塞調(diào)節(jié)。(3) 微差壓力計(jì)Dpp2pl=(r1-r2)gDR在被測(cè)系統(tǒng)的壓力差Dp也一定時(shí)，若所選用的兩種指示液的密度差(r1-r2)越小，則顯示值DR就越大，即提高了測(cè)量的靈敏度。上述各種壓力計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，測(cè)壓準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)室有廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)是不耐高壓，測(cè)量范圍受到限制。當(dāng)測(cè)量較高壓力時(shí)，可采用彈簧管壓力計(jì)，即通常所說(shuō)的壓力表。 2流體流量的測(cè)定利用流體的機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)的流體流量測(cè)量?jī)x表：孔板流量計(jì)，文丘里流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。

25、 (1) 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，圖所示。若液柱壓力計(jì)的讀數(shù)為DR，指示液的密度為ri，則uo = co2gDR(ri-r)rco 的值由實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定，一般情況下，其值為0.610.63。將上式換算為流量計(jì)算公式為qv=uoSo= coSo2gDR(ri-r)r孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，應(yīng)用較廣泛，缺點(diǎn)是能量損耗較大。 (2)文丘里流量計(jì)文氏流量計(jì)針對(duì)孔板流量計(jì)能量損耗較大的缺點(diǎn)，參照孔板流量計(jì)孔板前后的流體流線形狀設(shè)計(jì)而成的，所示。主要部件為收縮管和擴(kuò)大管，兩者的中心角度依次為15°20°和5°7°，結(jié)合處的截面積最小，稱為“喉管”。文

26、氏流量計(jì)的流量與測(cè)壓仿照孔板流量計(jì)推導(dǎo)出：qv=uoSo= cvSo2gDR(ri-r)r式中：cv為文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)，同樣需要由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在湍流情況下，其值約為0.98，S0為喉管處的截面積。文丘里流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)能量損耗比孔板流量計(jì)要小得多，加工制造比孔板流量計(jì)復(fù)雜。(3) 轉(zhuǎn)子流量計(jì)并求出流量得qV= uRSR=cRSR2gDp/rg式中SR轉(zhuǎn)子與玻璃管環(huán)隙的面積，mqV流體的體積流量，m·s31 2由于環(huán)隙的面積SR隨著流體的流量而改變，其大小則決定于轉(zhuǎn)子位置的高低，因此流體的流量與轉(zhuǎn)子的高度保持一定的關(guān)系。轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子可以采用不銹鋼、銅及塑料等各種抗腐蝕材料制成，使用

27、維護(hù)也很方便，使用廣泛，適用于中小流量的測(cè)定，常用于 2”以下管道系統(tǒng)中，耐壓在 300400 kPa范圍。3.4 管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力1教學(xué)目的和要求：掌握兩種流動(dòng)形態(tài)及其判據(jù)；理解流體流動(dòng)邊界層及其特點(diǎn)；結(jié)合流體流動(dòng)阻力計(jì)算公式的推導(dǎo)，掌握局部管件阻力和直管阻力的計(jì)算方法；掌握簡(jiǎn)單管路的計(jì)算方法；理解流體流動(dòng)管路設(shè)計(jì)的基本方法；了解離心泵的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握離心泵性能曲線的測(cè)定方法；2本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn) ：局部管件阻力和直管阻力的計(jì)算方法，簡(jiǎn)單管路的計(jì)算方法、離心泵性能曲線的測(cè)定方法；3本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)：局部管件阻力和直管阻力的計(jì)算方法。4.教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)1. 管、管件及閥門簡(jiǎn)介（1） 管鑄鐵

28、管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬管、塑料管及橡膠管等。鋼管又分有縫鋼管和無(wú)縫鋼管，前者多用低碳鋼制成；后者的材料有普通碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼以及不銹鋼等。鑄鐵管常用于埋在地下的給水總管、煤氣管及污水管等?；ぶ械墓茏影凑展懿牡男再|(zhì)和加工情況，分為光滑管和粗糙管。通常把玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等稱為光滑管；把舊鋼管和鑄鐵管稱為粗糙管。(2)管件管件為管與管的連接部分，它主要是用來(lái)改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。(3)閥門閥門安裝于管道中用以切斷流動(dòng)或調(diào)節(jié)流量。常用的閥門有截止閥、閘閥和止逆閥等。截止閥，它是依靠閥桿的上升或下降，以改變閥盤與閥座的距離，從而達(dá)到切斷流動(dòng)或調(diào)節(jié)流量的目的。閘閥

29、閘閥又稱為閘板閥。閘閥是利用間板的上升或下降來(lái)調(diào)節(jié)管路中流體的流量。閘閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流體阻力小，且不易為懸浮物所堵塞，所以常用于大直徑管道。其缺點(diǎn)是閘閥閥體高，制造和檢修較困難。止逆閥 止逆閥又稱為單向閥。它只允許流體單向流動(dòng)。當(dāng)流體自左向右流動(dòng)時(shí)，閥 12自動(dòng)開啟；如流體反向流動(dòng)時(shí)，閥自動(dòng)關(guān)閉。止逆閥只在單向開關(guān)的特殊情況下使用。2. 流動(dòng)的形態(tài)(1)兩種流動(dòng)形態(tài)滯流：充滿玻璃管內(nèi)的水流如同一層層平行于管壁的圓筒形薄層，各層以不同的流速向前運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)形態(tài)稱為滯流或?qū)恿?。湍流：表明水的質(zhì)點(diǎn)除了沿著管道向前流動(dòng)以外，各質(zhì)點(diǎn)還作不規(guī)則的紊亂運(yùn)動(dòng)，且彼此相互碰撞，互相混合，水流質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向

30、流動(dòng)外，還有徑向的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)形態(tài)稱為湍流或紊流。(2)流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)雷諾數(shù)，以符號(hào)Re表示：Redurm雷諾數(shù)是量綱為一的數(shù)群，是一個(gè)特征數(shù)，計(jì)算時(shí)注意式中各個(gè)物理量必須采用統(tǒng)一的單位制。雷諾數(shù)可以作為流體流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)。流體在直管中流動(dòng)時(shí)，當(dāng)Re2 000，流體流動(dòng)形態(tài)為滯流；當(dāng) Re4 000時(shí)，流體流動(dòng)形態(tài)為湍流；而當(dāng)2000Re4000時(shí)，流體的流動(dòng)則認(rèn)為處于一種過(guò)渡狀態(tài)，可以是滯流，也可以是湍流，取決于流動(dòng)的外部條件。滯流和湍流是兩種本質(zhì)不同的流動(dòng)形態(tài)，兩者在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。流體流動(dòng)阻力的大小與雷諾數(shù)有直接聯(lián)系，流體流動(dòng)的雷諾數(shù)越大，流體的湍動(dòng)程度越大，流動(dòng)阻力也愈大

31、。(3)滯流和湍流的特征滯流：流速沿管徑呈拋物線分布，管中心處流速最大，管截面各點(diǎn)速度的平均值為管中心處最大速度的0.5倍；湍流：流體質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈湍動(dòng)有利于交換能量，使得管截面靠中心部分速度分布比較均勻流速分布曲線前沿平坦，而近壁部分的質(zhì)點(diǎn)受壁面阻滯，流速分布較為陡峭，顯然，湍流的流速分布曲線與雷諾數(shù)大小有關(guān)，湍流的平均速度約為最大速度的0.8倍。湍流流動(dòng)還有一個(gè)特征，無(wú)論流體主體的湍動(dòng)程度如何劇烈，在靠近管壁處總有一層作滯流流動(dòng)的流體薄層，稱之為滯流底層。其厚度隨雷諾數(shù)的增大而減小，但永遠(yuǎn)不會(huì)消失。滯流內(nèi)層的存在對(duì)傳熱過(guò)程和傳質(zhì)過(guò)程有很大的影響。工業(yè)生產(chǎn)中的流體流動(dòng)大多數(shù)是以湍流形態(tài)進(jìn)行的。例

32、35 在f168 mm × 5 mm的無(wú)縫隙鋼管中輸送原料油，已知油的運(yùn)動(dòng)粘度為 90cst，密度為 910 kg·m-3，試求燃料油在管中作滯流時(shí)的臨界速度。解：因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)粘度v=m/r，又在滯流時(shí)Re的臨界值為2 000，代入Redur/m得：Redur/mdun2 000其中 d168-2 × 5=158 mm=0.158 mn9 0 cst90 × 10-2 × 10-4m2·s-19 × 10-5m2·s-1故臨界速度為 u2000 × 9 × 10-5m2·s-1/0.158

33、m1.14m·s-1計(jì)算非圓形管的Re值時(shí)，要以當(dāng)量直徑de代替d。, 當(dāng)量直徑de定義為：de=4×流體流動(dòng)截面積/流道潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度例如邊長(zhǎng)為a的方形管道的當(dāng)量直徑為：de=4(a24a)a(4)流動(dòng)邊界層（自學(xué)）3管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算管內(nèi)流動(dòng)阻力可分為直管阻力和局部阻力。直管阻力是當(dāng)流體在直管中流動(dòng)時(shí)因內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力；局部阻力是流體在流動(dòng)中，由于管道的局部阻力障礙(管件、閥門、流量計(jì)及管徑的突然擴(kuò)大或收縮等)所引起的阻力。åhf=hfhl流體在管路中流動(dòng)阻力與流速有關(guān)。流速愈快，能量損失就愈大，即阻力損失與流體的動(dòng)壓頭呈正比åhf=xu22g式中z

34、是一比例系數(shù)，稱為阻力系數(shù)。（1） 直管阻力的計(jì)算hf=l或Dpf=rghf=rlld·u22gld·u22g稱為范寧(Fanning)公式，是直管阻力的計(jì)算通式。 滯流時(shí)的摩擦阻力系數(shù) 滯流時(shí)，流體呈一層層平行管壁的圓筒形薄層，以不同速度平滑地向前流動(dòng)，其阻力主要是流體層間的內(nèi)摩擦力，遵從牛頓粘性定律，所以可以通過(guò)理論分析，推導(dǎo)出滯流時(shí)的l.Dp =32muld2或hf=Dprg=64lu2Red2g(3-41)湍流時(shí)的摩擦阻力系數(shù) 湍流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)是不規(guī)則的紊亂運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)間互相碰撞激烈，瞬間改變方向和大小，流動(dòng)狀況比滯流要激烈得多。滯流時(shí)，流體層掩蓋了管道的粗糙面，管壁

35、的粗糙度并未改變其速度分布和內(nèi)摩擦力的規(guī)律，因此對(duì)滯流的流體阻力或摩擦阻力系數(shù)沒(méi)有影響。強(qiáng)烈湍流時(shí)，由于滯流底層很薄，不足以掩蓋壁面的凹凸表面，凹凸部分露出在湍流主體與流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞，使流體阻力或摩擦阻力系數(shù)增大。Re越大，滯流底層越薄，管壁粗糙度。對(duì)湍流阻力的影響越大。因而，湍流的流體阻力或摩擦阻力系數(shù)還與管壁粗糙度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)研究的步驟和方法如下。a析因?qū)嶒?yàn) ：對(duì)所研究的過(guò)程作理論分析和探索實(shí)驗(yàn)，尋找影響過(guò)程的主要因素。 對(duì)于湍流的直管阻力損失，經(jīng)分析和初步實(shí)驗(yàn)，影響的諸因素為：流體本身的物理性質(zhì)：密度r，粘度m；流體流動(dòng)的外部條件：流速u、管徑d、管長(zhǎng) 15l和管壁的粗糙度e等。待求關(guān)系

36、式為：Dp=f(d,l,u,e,m,r)b規(guī)劃實(shí)驗(yàn)： 要確定所研究的物理量與各影響因素的具體關(guān)系，需要在其它變量不變下，多次改變一個(gè)變量的數(shù)值，著自變量個(gè)數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)工作量將很大，同時(shí)要把過(guò)程結(jié)果關(guān)聯(lián)成一個(gè)形式簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用的公式往往是困難的。因此，在實(shí)驗(yàn)前，要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)規(guī)劃。采用正交實(shí)驗(yàn)法、量綱分析法等可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)。Dpru2c.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 =K(l/d)(dur/m)(e /d) b-efa滯流區(qū) Re2 000，l64Re,與ed無(wú)關(guān)。b過(guò)渡區(qū) 2 000Re4000，流形為非定態(tài)l易波動(dòng)。工程上為留有余量，常作湍流處理。l與 Re和ed均有關(guān)。c.湍流區(qū) Re4 000以及虛線以下區(qū)域

37、，該區(qū)域內(nèi)對(duì)于不同ed標(biāo)出一系列曲線，其中最下面的一條曲線為光滑管l與 Re的關(guān)系，表示的關(guān)系一致，hfu1.75，但將Re范圍擴(kuò)寬至107。其余曲線與式(349)表示的關(guān)系一致，此區(qū)域l隨 Re數(shù)的增大而減小，隨ed增加而增大。d. 完全湍流區(qū) Re足夠大(虛線以上區(qū)域)時(shí)，l與 Re無(wú)關(guān)，僅與ed有關(guān)。此區(qū)域，ed一定，l為常數(shù)，當(dāng)ld一定時(shí)，由hf=l(ld)u2/2g知，hfu2，所以又稱阻力平方區(qū)。該區(qū)域的曲線與式(349)表示的關(guān)系也是一致的，此時(shí)式(349)中括號(hào)內(nèi)的第二項(xiàng)可以略去。例36 20的水在直徑為f60mm × 3.5mm的鍍鋅鐵管中以1m·s的流速

38、流動(dòng)，試求水通過(guò)100 m長(zhǎng)度管子的壓力降及壓頭損失為多少。解：查手冊(cè)得水在 20時(shí)，r=9982 kg·s-3，m=1.005 × 103Pa·s又已知 d603.5×253 mm，l=100 m，u1m·s-1所以Re=durm=0.053 × 1 × 998.21.005 × 10-3=5.26 × 104取鍍鋅鐵管的管壁絕對(duì)粗糙度為e0.2 mm則ed0.2530.004在圖 325中的橫坐標(biāo)上找到 Re526 × 104位置，垂直向上，再在右邊縱坐標(biāo)上找到ed0004的線條，由兩者的交

39、點(diǎn)在左邊的縱坐標(biāo)上讀出入的值為l=0.031。 將上述數(shù)據(jù)代入(340a)式，得壓力降：232 2-24 DPf=(ld)(rm2)0.031 ×(100 m0.053 m)×(998.2 kg·m × 1m·s2)=2.92×10 -1N·rn-2故其壓頭損失為：hf=l(ld)m2(2g)=0.031(100 m0.053 m)×(12 m2·s-22 × 9.807 m·s-2)=298 m水柱(2)局部阻力的計(jì)算阻力系數(shù)法 hl=zu2/(2g)式中z為局部阻力系數(shù)，用來(lái)表示局

40、部阻礙的幾何形狀對(duì)局部阻力的影響，其值由實(shí)驗(yàn)確定。下面介紹幾種常見的局部阻力系數(shù)。a突然擴(kuò)大與突然收縮：b進(jìn)口和出口：若截面處在管出口的內(nèi)側(cè)： z=0；截面取在管子出口的外側(cè)z1。當(dāng)量長(zhǎng)度法hl=l(åle/d)u/(2g)例37 要求向精餾塔中以均勻的流速進(jìn)料，現(xiàn)裝設(shè)一高位糟，使得料液自動(dòng)流入精餾塔中，如附圖所示。若高位槽的液面保持1.5m的高度不變，塔內(nèi)操作壓力為0.4kgf·cm(表壓)，塔的進(jìn)料量需維持在50 m3·h-1，則高位槽的液面應(yīng)該高出塔的進(jìn)料口多少米才能達(dá)到要求？若已知料液的粘度為1.5 × 10-3Pa·s，密度為900

41、kg·m-3，連接管的尺寸為f108mm × 4 mm的鋼管，其長(zhǎng)度為h+1.5 m，管道上的管件有 180°的回彎頭、截止閥及 90°的彎頭各一個(gè)。-22解：取高位槽內(nèi)液面為截面1一1，精餾塔的加料口內(nèi)側(cè)為截面22”，并取此加料口的中心線為基準(zhǔn)水平面。在兩截面間列柏努利方程式：Z1+ u12/(2 g)+p1/(rg) =Z2+u22/(2g)+p2/(rg)+式中Z1=h，Z2=0, u10u2(503 600)p(0.1002)1.77 m·s(p2-p1)(rg)=0.4 × 9.807×104(900× 9.807)4.44 m液柱17 2-1åhfåhfhfhll(l+åle)/du/(2g) 2Redurm0.10077 × 9000.0011.06 × 105取e0.3 mm，ed0.3100=0.003，由圖 325查得l0.0