化工原理1--流体流动课件

第一章第一章 流体流动流体流动 研究流体流动问题的重要性研究流体流动问题的重要性研究流体流动问题的重要性研究流体流动问题的重要性 流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一；流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一；流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一；流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一；研研研研究究究究流流流流体体体体流流流流动动动动问问问问题题题题也也也也是是是是研研研研究究究究其其其其它它它它化化化化工工工工单单单单元元元元操操操操作作作作的的的的重要基础。重要基础。重要基础。重要基础。2024/6/162024/6/161 1第一章第一章 流体流流体流动动 研究流体流研究流体流动问题动问题的重要性的重要性 流体流流体流动动2024/6/162024/6/162 22023/8/922023/8/922024/6/162024/6/163 32023/8/932023/8/93 连续介质假定连续介质假定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、彼此间没有假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有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。间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备质点：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。尺寸、远大于分子自由程。尺寸、远大于分子自由程。尺寸、远大于分子自由程。工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究 流体。流体。流体。流体。2024/6/162024/6/164 4 连续连续介介质质假定假定 2023/8/94 2023/8/94 流体的可压缩性流体的可压缩性流体的可压缩性流体的可压缩性 不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变 化，如液体；化，如液体；化，如液体；化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。如气体。如气体。如气体。2024/6/162024/6/165 5 流体的可流体的可压缩压缩性性 不可不可压缩压缩性流体：流体的体性流体：流体的体积积不随不随压压力力变变化而化而一、一、压力压力 流流流流体体体体垂垂垂垂直直直直作作作作用用用用于于于于单单单单位位位位面面面面积积积积上上上上的的的的力力力力，称称称称为为为为流流流流体体体体的的的的静压强，习惯上又称为压力。静压强，习惯上又称为压力。静压强，习惯上又称为压力。静压强，习惯上又称为压力。1.1.压力的单位压力的单位压力的单位压力的单位 SISI制：制：制：制：N/mN/m2 2或或或或PaPa；标准大气压：标准大气压：标准大气压：标准大气压：1 1atm=1.01310atm=1.013105 5Pa=760mmHg=10.33m HPa=760mmHg=10.33m H2 2OO第一节第一节 流体静力学流体静力学2024/6/162024/6/166 6一、一、压压力力 流体垂直作用于流体垂直作用于单单位面位面积积上的力，称上的力，称为为流体的静流体的静压压2.2.压力的表示方法压力的表示方法压力的表示方法压力的表示方法 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。以绝对真空为基准测得的压力。以绝对真空为基准测得的压力。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表压或真空度表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。以大气压为基准测得的压力。以大气压为基准测得的压力。以大气压为基准测得的压力。2024/6/162024/6/167 72.2.压压力的表示方法力的表示方法 绝对压绝对压力力 以以绝对绝对真空真空为为基准基准测测得的得的表表表表 压压压压=绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 大气压力大气压力大气压力大气压力真空度真空度真空度真空度=大气压力大气压力大气压力大气压力 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 绝对真空绝对真空绝对真空绝对真空 表压表压表压表压 真空度真空度真空度真空度 大气压大气压大气压大气压 2024/6/162024/6/168 8表表 压压=绝对压绝对压力力 大气大气压压力力绝对压绝对压力力 绝对压绝对压力力 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；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、方向相反；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。3.3.静压力的特性静压力的特性静压力的特性静压力的特性2024/6/162024/6/169 93.3.静静压压力的特性力的特性2023/8/992023/8/99二、流体的密度与比体积二、流体的密度与比体积（一）密度（一）密度 单位体积流体的质量。单位体积流体的质量。单位体积流体的质量。单位体积流体的质量。kg/m3 1.1.单组分密度单组分密度单组分密度单组分密度 液体液体液体液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变密度仅随温度变化（极高压力除外），其变密度仅随温度变化（极高压力除外），其变密度仅随温度变化（极高压力除外），其变 化关系可从手册中查得。化关系可从手册中查得。化关系可从手册中查得。化关系可从手册中查得。2024/6/162024/6/161010二、流体的密度与比体二、流体的密度与比体积积kg/m3 1.kg/m3 1.单组单组分密度分密度 液体液体 气体气体气体气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想当压力不太高、温度不太低时，可按理想当压力不太高、温度不太低时，可按理想当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：气体状态方程计算：气体状态方程计算：气体状态方程计算：注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度 下之值，若条件不同，则需进行换算。下之值，若条件不同，则需进行换算。下之值，若条件不同，则需进行换算。下之值，若条件不同，则需进行换算。2024/6/162024/6/161111 气体气体 当当压压力不太高、温度不太低力不太高、温度不太低时时，可按理想注意：手册中，可按理想注意：手册中2.2.混合物的密度混合物的密度混合物的密度混合物的密度 混合气体混合气体混合气体混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有各组分在混合前后质量不变，则有各组分在混合前后质量不变，则有各组分在混合前后质量不变，则有 气体混合物中各组分的体积分数。气体混合物中各组分的体积分数。气体混合物中各组分的体积分数。气体混合物中各组分的体积分数。或或或或混合气体的平均摩尔质量；混合气体的平均摩尔质量；混合气体的平均摩尔质量；混合气体的平均摩尔质量；气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔(体积体积体积体积)分数。分数。分数。分数。2024/6/162024/6/1612122.2.混合物的密度混合物的密度 混合气体混合气体 各各组组分在混合前后分在混合前后质质量不量不变变，混合液体混合液体混合液体混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有假设各组分在混合前后体积不变，则有假设各组分在混合前后体积不变，则有假设各组分在混合前后体积不变，则有 液体混合物中各组分的质量分数。液体混合物中各组分的质量分数。液体混合物中各组分的质量分数。液体混合物中各组分的质量分数。（二）比体积（二）比体积单位质量流体的体积。单位质量流体的体积。m3/kg2024/6/162024/6/161313 混合液体混合液体 假假设设各各组组分在混合前后体分在混合前后体积积不不变变，则则有有 液体液体重力场中对液柱进行受力分析：重力场中对液柱进行受力分析：重力场中对液柱进行受力分析：重力场中对液柱进行受力分析：（1 1）上端面所受总压力）上端面所受总压力）上端面所受总压力）上端面所受总压力 （2 2）下端面所受总压力）下端面所受总压力）下端面所受总压力）下端面所受总压力 （3 3 3 3）液柱的重力）液柱的重力）液柱的重力）液柱的重力设流体不可压缩，设流体不可压缩，设流体不可压缩，设流体不可压缩，p p0 0p p2 2p p1 1z z1 1z z2 2G G方向向下方向向下方向向下方向向下方向向上方向向上方向向上方向向上方向向下方向向下方向向下方向向下三、三、流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 2024/6/162024/6/161414重力重力场场中中对对液柱液柱进进行受力分析：（行受力分析：（1 1）上端面所受）上端面所受总压总压力力 液柱处于静止时，上述三力的合力为零液柱处于静止时，上述三力的合力为零液柱处于静止时，上述三力的合力为零液柱处于静止时，上述三力的合力为零:静力学基本方程静力学基本方程静力学基本方程静力学基本方程 式式式式压力形式压力形式压力形式压力形式能量形式能量形式能量形式能量形式2024/6/162024/6/161515液柱液柱处处于静止于静止时时，上述三力的合力，上述三力的合力为为零零:静力学基本方程静力学基本方程 式式压压讨论：讨论：讨论：讨论：（1 1）适适适适用用用用于于于于重重重重力力力力场场场场中中中中静静静静止止止止、连连连连续续续续的的的的同同同同种种种种不不不不可可可可压压压压缩缩缩缩性性性性流体流体流体流体；（2 2）物理意义：）物理意义：）物理意义：）物理意义：单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kgJ/kgJ/kgJ/kg；单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J/kgJ/kgJ/kgJ/kg。在同一静止流体中，处在不同位置流体的在同一静止流体中，处在不同位置流体的在同一静止流体中，处在不同位置流体的在同一静止流体中，处在不同位置流体的位位位位能和静压能能和静压能能和静压能能和静压能各不相同，但二者可以转换，其各不相同，但二者可以转换，其各不相同，但二者可以转换，其各不相同，但二者可以转换，其总和总和总和总和保持不变保持不变保持不变保持不变 。2024/6/162024/6/161616讨论讨论：（：（1 1）适用于重力）适用于重力场场中静止、中静止、连续连续的同种不可的同种不可压缩压缩性流体；性流体；（3 3）在在在在静静静静止止止止的的的的、连连连连续续续续的的的的同同同同种种种种流流流流体体体体内内内内，处处处处于于于于同同同同一一一一水水水水平平平平面面面面上上上上各各各各点点点点的的的的压压压压力力力力处处处处处处处处相相相相等等等等。压压压压力力力力相相相相等等等等的的的的面面面面称称称称为为为为等等等等压压压压面面面面。（4 4 4 4）压压压压力力力力具具具具有有有有传传传传递递递递性性性性：液液液液面面面面上上上上方方方方压压压压力力力力变变变变化化化化时时时时，液液液液体体体体内部各点的压力也将发生相应的变化。内部各点的压力也将发生相应的变化。内部各点的压力也将发生相应的变化。内部各点的压力也将发生相应的变化。2024/6/162024/6/161717（3 3）在静止的、）在静止的、连续连续的同种流体内，的同种流体内，处处于同一水平面上各点的于同一水平面上各点的压压力力四、静力学基本方程的应用四、静力学基本方程的应用 （一）（一）（一）（一）压力测量压力测量压力测量压力测量 1.U1.U形管液柱压差计形管液柱压差计形管液柱压差计形管液柱压差计 设指示液的密度为设指示液的密度为设指示液的密度为设指示液的密度为 ，被测流体的密度为被测流体的密度为被测流体的密度为被测流体的密度为 。A A与与与与A A面面面面 为等压面，即为等压面，即为等压面，即为等压面，即而而而而p p1 1p p2 2mmR RA AA A 2024/6/162024/6/161818四、静力学基本方程的四、静力学基本方程的应应用用 （一）（一）压压力力测测量量 1.U 1.U形管液形管液所以所以所以所以整理得整理得整理得整理得若被测流体是气体，若被测流体是气体，若被测流体是气体，若被测流体是气体，则有，则有，则有，则有2024/6/162024/6/161919所以整理得若被所以整理得若被测测流体是气体，流体是气体，则则有有2023/8/2023/8/讨论：讨论：讨论：讨论：U U形形形形管管管管压压压压差差差差计计计计可可可可测测测测系系系系统统统统内内内内两两两两点点点点的的的的压压压压力力力力差差差差，当当当当将将将将U U形形形形管管管管一一一一端端端端与与与与被被被被测测测测点点点点连连连连接接接接、另另另另一一一一端端端端与与与与大大大大气气气气相相相相通通通通时时时时，也也也也可可可可测测测测得流体的表压或真空度；得流体的表压或真空度；得流体的表压或真空度；得流体的表压或真空度；指示液的选取：指示液的选取：指示液的选取：指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。其密度要大于被测流体密度。其密度要大于被测流体密度。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。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。2024/6/162024/6/162020讨论讨论：U U形管形管压压差差计计可可测测系系统统内两点的内两点的压压力差，当将力差，当将UU形管一端形管一端2.2.倒倒倒倒U U形管压差计形管压差计形管压差计形管压差计 指示剂密度小于被测流体密度，指示剂密度小于被测流体密度，指示剂密度小于被测流体密度，指示剂密度小于被测流体密度，如如如如空气作为指示剂空气作为指示剂空气作为指示剂空气作为指示剂 2024/6/162024/6/1621212.2.倒倒UU形管形管压压差差计计 指示指示剂剂密度小于被密度小于被测测流体密流体密3.3.斜管斜管斜管斜管压差计压差计压差计压差计 适用于压差较小的情况。适用于压差较小的情况。适用于压差较小的情况。适用于压差较小的情况。值越小，读数放大倍数越大。值越小，读数放大倍数越大。值越小，读数放大倍数越大。值越小，读数放大倍数越大。2024/6/162024/6/1622223.3.斜管斜管压压差差计计 适用于适用于压压差差较较小的情况。小的情况。值值越小，越小，读读数放大数放大 密度接近但不互溶的两种指示密度接近但不互溶的两种指示密度接近但不互溶的两种指示密度接近但不互溶的两种指示 液液液液A A和和和和C C ；4.4.微差压差计微差压差计微差压差计微差压差计 扩扩扩扩大大大大室室室室内内内内径径径径与与与与U U管管管管内内内内径径径径之之之之比比比比应应应应大于大于大于大于10 10。2024/6/162024/6/162323 密度接近但不互溶的两种指示密度接近但不互溶的两种指示4.4.微差微差压压差差计计 扩扩大室内径大室内径（二）（二）（二）（二）液位测量液位测量液位测量液位测量 1.1.1.1.近距离液位测量装置近距离液位测量装置近距离液位测量装置近距离液位测量装置 压差计读数压差计读数压差计读数压差计读数R R反映出容器反映出容器反映出容器反映出容器内的液面高度。内的液面高度。内的液面高度。内的液面高度。液液液液面面面面越越越越高高高高，h h越越越越小小小小，压压压压差差差差计计计计读读读读数数数数R R越越越越小小小小；当当当当液液液液面达到最高时，面达到最高时，面达到最高时，面达到最高时，h h为零，为零，为零，为零，R R亦为零。亦为零。亦为零。亦为零。2024/6/162024/6/162424（二）（二）液位液位测测量量 1.1.近距离液位近距离液位测测量装置量装置 压压差差计读计读2.2.2.2.远距离液位测量装置远距离液位测量装置远距离液位测量装置远距离液位测量装置 管管管管道道道道中中中中充充充充满满满满氮氮氮氮气气气气，其其其其密密密密度度度度较较较较小小小小，近近近近似似似似认为认为认为认为 而而而而所以所以所以所以 A AB B2024/6/162024/6/1625252.2.远远距离液位距离液位测测量装置量装置 管道中充管道中充满满氮气，其密度氮气，其密度较较小，近似小，近似（三）（三）（三）（三）液封高度的计算液封高度的计算液封高度的计算液封高度的计算 液封作用：液封作用：液封作用：液封作用：确确确确保保保保设设设设备备备备安安安安全全全全：当当当当设设设设备备备备内内内内压压压压力力力力超超超超过过过过规规规规定定定定值值值值时时时时，气气气气体从液封管排出；体从液封管排出；体从液封管排出；体从液封管排出；防止气柜内气体泄漏。防止气柜内气体泄漏。防止气柜内气体泄漏。防止气柜内气体泄漏。液封高度：液封高度：液封高度：液封高度：2024/6/162024/6/162626（三）（三）液封高度的液封高度的计计算算 液封作用：液封高度：液封作用：液封高度：2023/8/92023/8/9第二节第二节 管内流体流动的基本方程管内流体流动的基本方程 1.1.体积流量体积流量体积流量体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。单位时间内流经管道任意截面的流体体积。单位时间内流经管道任意截面的流体体积。单位时间内流经管道任意截面的流体体积。q qV Vmm3 3/s/s或或或或mm3 3/h/h2.2.2.2.质量流量质量流量质量流量质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。单位时间内流经管道任意截面的流体质量。单位时间内流经管道任意截面的流体质量。单位时间内流经管道任意截面的流体质量。qmkg/skg/s或或或或kg/hkg/h。二者关系：二者关系：二者关系：二者关系：（一）流量（一）流量（一）流量（一）流量一、一、流量与流速流量与流速2024/6/162024/6/162727第二第二节节 管内流体流管内流体流动动的基本方程的基本方程 1.1.体体积积流量二者流量二者（二）流速（二）流速（二）流速（二）流速2.2.2.2.质量流速质量流速质量流速质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。1.1.流速流速流速流速 （平均平均平均平均流速）流速）流速）流速）2.2.单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。kg/kg/（mm2 2s s）流量与流速的关系：流量与流速的关系：流量与流速的关系：流量与流速的关系：m/sm/s2024/6/162024/6/162828（二）流速（二）流速2.2.质质量流速量流速 流速流速 （平均流速）（平均流速）kg/kg/（m2s m2s对于圆形管道：对于圆形管道：对于圆形管道：对于圆形管道：流量流量流量流量q qV V一般由生产任务决定。一般由生产任务决定。一般由生产任务决定。一般由生产任务决定。流速选择：流速选择：流速选择：流速选择：3.3.管径的估算管径的估算管径的估算管径的估算 d d 设备费用设备费用设备费用设备费用 流动阻力流动阻力流动阻力流动阻力 动力消耗动力消耗动力消耗动力消耗 操作费操作费操作费操作费 均衡均衡均衡均衡考虑考虑考虑考虑u uu u适宜适宜适宜适宜费费费费用用用用总费用总费用总费用总费用设备费设备费设备费设备费操作费操作费操作费操作费2024/6/162024/6/162929对对于于圆圆形管道：流量形管道：流量qV qV一般由生一般由生产产任任务务决定。流速决定。流速选择选择：3.3.管管 二、二、稳态流动与非稳态流动与非稳稳态流动态流动稳稳稳稳态态态态流流流流动动动动：各各各各截截截截面面面面上上上上的的的的温温温温度度度度、压压压压力力力力、流流流流速速速速等等等等物物物物理理理理量量量量仅随位置变化，而不随时间变化；仅随位置变化，而不随时间变化；仅随位置变化，而不随时间变化；仅随位置变化，而不随时间变化；非非非非稳稳稳稳态态态态流流流流动动动动：流流流流体体体体在在在在各各各各截截截截面面面面上上上上的的的的有有有有关关关关物物物物理理理理量量量量既既既既随随随随位位位位置变化，也随时间变化。置变化，也随时间变化。置变化，也随时间变化。置变化，也随时间变化。2024/6/162024/6/163030 二、二、稳态稳态流流动动与非与非稳态稳态流流动稳态动稳态流流动动：各截面上的温度、：各截面上的温度、压压力、力、三、三、连续性方程式连续性方程式 对对对对于于于于稳稳稳稳态态态态流流流流动动动动系系系系统统统统，在在在在管管管管路路路路中中中中流流流流体体体体没没没没有有有有增增增增加加加加和和和和漏漏漏漏失失失失的情况下：的情况下：的情况下：的情况下：推广至任意截面推广至任意截面推广至任意截面推广至任意截面 连续性方程式连续性方程式连续性方程式连续性方程式1 11 1 2 2 2 22024/6/162024/6/163131三、三、连续连续性方程式性方程式 对对于于稳态稳态流流动动系系统统，在管路中流体没有增，在管路中流体没有增不可压缩性流体，不可压缩性流体，不可压缩性流体，不可压缩性流体，圆形管道圆形管道圆形管道圆形管道 ：即即即即不不不不可可可可压压压压缩缩缩缩流流流流体体体体在在在在管管管管路路路路中中中中任任任任意意意意截截截截面面面面的的的的流流流流速速速速与与与与管内径的平方成反比管内径的平方成反比管内径的平方成反比管内径的平方成反比 。2024/6/162024/6/163232不可不可压缩压缩性流体，性流体，圆圆形管道形管道 ：即不可即不可压缩压缩流体在管路中任流体在管路中任四、伯四、伯努利方程式努利方程式（一）伯努利方程式（一）伯努利方程式（一）伯努利方程式（一）伯努利方程式d dx xpApA(p p+d+dp p)A A g gd dmmd dz z在在在在x x方向上对微元段受力分析：方向上对微元段受力分析：方向上对微元段受力分析：方向上对微元段受力分析：（1 1）两端面所受压力分别为）两端面所受压力分别为）两端面所受压力分别为）两端面所受压力分别为及及及及（2 2）重力的分量）重力的分量）重力的分量）重力的分量故合力为故合力为故合力为故合力为2024/6/162024/6/163333四、伯努利方程式（一）伯努利方程式四、伯努利方程式（一）伯努利方程式dxpA(p+dp)AdxpA(p+dp)Ag g动量变化率动量变化率动量变化率动量变化率动量原理动量原理动量原理动量原理伯努利方程式伯努利方程式伯努利方程式伯努利方程式 不可压缩性流体，不可压缩性流体，不可压缩性流体，不可压缩性流体，（1 1）2024/6/162024/6/163434动动量量变变化率化率动动量原理量原理伯努利方程式伯努利方程式 不可不可压缩压缩性流体，（性流体，（1 1）2 2（二）伯努利方程式的物理意义（二）伯努利方程式的物理意义（二）伯努利方程式的物理意义（二）伯努利方程式的物理意义单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kgJ/kg；单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J/kg J/kg；单位质量流体所具有的动能，单位质量流体所具有的动能，单位质量流体所具有的动能，单位质量流体所具有的动能，J/kgJ/kg。各项意义：各项意义：各项意义：各项意义：2024/6/162024/6/163535（二）伯努利方程式的物理意（二）伯努利方程式的物理意义义单单位位质质量流体所具有的位能，量流体所具有的位能，J J将将将将(1)(1)(1)(1)式各项同除重力加速度式各项同除重力加速度式各项同除重力加速度式各项同除重力加速度g g:（2 2）式中各项单位为式中各项单位为式中各项单位为式中各项单位为z z 位压头位压头位压头位压头动压头动压头动压头动压头静压头静压头静压头静压头总压头总压头总压头总压头2024/6/162024/6/163636将将(1)(1)式各式各项项同除重力加速度同除重力加速度g:g:（2 2）式中各）式中各项单项单位位为为z z 式式式式（1 1）为为为为以以以以单单单单位位位位质质质质量量量量流流流流体体体体为为为为基基基基准准准准的的的的机机机机械械械械能能能能衡衡衡衡算算算算式式式式，式式式式（2 2）为为为为以以以以重重重重量量量量流流流流体体体体为为为为基基基基准准准准的的的的机机机机械械械械能能能能衡衡衡衡算算算算式式式式，表表表表明明明明理理理理想想想想流流流流体体体体在在在在流流流流动动动动过过过过程程程程中中中中任任任任意意意意截截截截面面面面上上上上总总总总机机机机械械械械能能能能、总总总总压压压压头头头头为为为为常常常常数数数数，三三三三种种种种能能能能量量量量形形形形式式式式可可可可以以以以相相相相互互互互转转转转换。换。换。换。2024/6/162024/6/163737 式（式（1 1）为为以以单单位位质质量流体量流体为为基准的机械能衡算式，式基准的机械能衡算式，式HHz z2 22 21 10 02024/6/162024/6/163838Hz22102023/8/938Hz22102023/8/938五、五、五、五、实际流体的机械能衡算式实际流体的机械能衡算式（一）实际流体机械能衡算式（一）实际流体机械能衡算式（一）实际流体机械能衡算式（一）实际流体机械能衡算式2024/6/162024/6/163939五、五、实际实际流体的机械能衡算式（一）流体的机械能衡算式（一）实际实际流体机械能衡算式流体机械能衡算式2023 2023（2 2）外加功（）外加功（）外加功（）外加功（外加压头外加压头外加压头外加压头）1 1kgkg流体从流体输送机械所获得的能量为流体从流体输送机械所获得的能量为流体从流体输送机械所获得的能量为流体从流体输送机械所获得的能量为WW (J/kg)J/kg)。（1 1）能量损失（压头损失）能量损失（压头损失）能量损失（压头损失）能量损失（压头损失）设设设设1 1kgkg流体损失的能量为流体损失的能量为流体损失的能量为流体损失的能量为h hf f（J/kgJ/kg）。（3 3）（4 4）或或或或伯努利方程式伯努利方程式伯努利方程式伯努利方程式 2024/6/162024/6/164040（2 2）外加功（外加）外加功（外加压头压头）（）（1 1）能量）能量损损失（失（压头损压头损失）失）设设1kg 1kg流流其中其中其中其中HHe e外加压头或有效压头，外加压头或有效压头，外加压头或有效压头，外加压头或有效压头，m;m;h hf f压头损失，压头损失，压头损失，压头损失，mm。（二）伯努利方程的讨论（二）伯努利方程的讨论（二）伯努利方程的讨论（二）伯努利方程的讨论 （1 1 1 1）若若若若流流流流体体体体处处处处于于于于静静静静止止止止，u u=0=0，h hf f=0=0，WW=0=0，则则则则柏柏柏柏努努努努利方程变为利方程变为利方程变为利方程变为 说说说说明明明明柏柏柏柏努努努努利利利利方方方方程程程程即即即即表表表表示示示示流流流流体体体体的的的的运运运运动动动动规规规规律律律律，也也也也表表表表示流体静止状态的规律示流体静止状态的规律示流体静止状态的规律示流体静止状态的规律 。2024/6/162024/6/164141其中其中He He外加外加压头压头或有效或有效压头压头，m;hfm;hf压头损压头损失，失，mm。WW、h hf f 在在在在两两两两截截截截面面面面间间间间单单单单位位位位质质质质量量量量流流流流体体体体获获获获得得得得或消耗的能量。或消耗的能量。或消耗的能量。或消耗的能量。（2 2）zgzg、某某某某截截截截面面面面上上上上单单单单位位位位质质质质量量量量流流流流体体体体所所所所具有的位能、动能和静压能具有的位能、动能和静压能具有的位能、动能和静压能具有的位能、动能和静压能 ；有效功率有效功率有效功率有效功率 ：轴功率轴功率轴功率轴功率 ：2024/6/162024/6/164242 W W、hf hf 在两截面在两截面间单间单位位质质量流体量流体获获得得（3 3）伯努利方程式伯努利方程式伯努利方程式伯努利方程式适用于不可压缩性流体。适用于不可压缩性流体。适用于不可压缩性流体。适用于不可压缩性流体。对对对对于于于于可可可可压压压压缩缩缩缩性性性性流流流流体体体体，当当当当 时时时时，仍仍仍仍可可可可用用用用该该该该方方方方程程程程计计计计算算算算，但但但但式式式式中中中中的的的的密密密密度度度度 应应应应以以以以两两两两截截截截面面面面的的的的平平平平均均均均密度密度密度密度 mm代替。代替。代替。代替。2024/6/162024/6/164343（3 3）伯努利方程式适用于不可）伯努利方程式适用于不可压缩压缩性流体。性流体。2023/8/9432023/8/943（三）伯努利方程的应用（三）伯努利方程的应用（三）伯努利方程的应用（三）伯努利方程的应用 管内流体的流量；管内流体的流量；管内流体的流量；管内流体的流量；输送设备的功率；输送设备的功率；输送设备的功率；输送设备的功率；管路中流体的压力；管路中流体的压力；管路中流体的压力；管路中流体的压力；容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。利用伯努利方程与连续性方程利用伯努利方程与连续性方程利用伯努利方程与连续性方程利用伯努利方程与连续性方程，可以确定：可以确定：可以确定：可以确定：2024/6/162024/6/164444（三）伯努利方程的（三）伯努利方程的应应用用 管内流体的流量；利用伯努利方程与管内流体的流量；利用伯努利方程与（1 1）根根根根据据据据题题题题意意意意画画画画出出出出流流流流动动动动系系系系统统统统的的的的示示示示意意意意图图图图，标标标标明明明明流流流流体体体体的的的的流流流流动动动动方方方方向向向向，定定定定出出出出上上上上、下下下下游游游游截截截截面面面面，明明明明确确确确流流流流动动动动系系系系统统统统的的的的衡衡衡衡算范围算范围算范围算范围 ；（2 2）位能基准面的选取位能基准面的选取位能基准面的选取位能基准面的选取 必须与地面平行；必须与地面平行；必须与地面平行；必须与地面平行；宜于选取两截面中位置较低的截面；宜于选取两截面中位置较低的截面；宜于选取两截面中位置较低的截面；宜于选取两截面中位置较低的截面；若若若若截截截截面面面面不不不不是是是是水水水水平平平平面面面面，而而而而是是是是垂垂垂垂直直直直于于于于地地地地面面面面，则则则则基基基基准准准准面面面面应选过管中心线的水平面。应选过管中心线的水平面。应选过管中心线的水平面。应选过管中心线的水平面。2024/6/162024/6/164545（1 1）根据）根据题题意画出流意画出流动动系系统统的示意的示意图图，标标明流体的流明流体的流动动方向，定出方向，定出（4 4）各各各各物物物物理理理理量量量量的的的的单单单单位位位位应应应应保保保保持持持持一一一一致致致致，压压压压力力力力表表表表示示示示方方方方法法法法也也也也应一致，即同为绝压或同为表压。应一致，即同为绝压或同为表压。应一致，即同为绝压或同为表压。应一致，即同为绝压或同为表压。（3 3）截面的选取）截面的选取）截面的选取）截面的选取 与流体的流动方向相垂直；与流体的流动方向相垂直；与流体的流动方向相垂直；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；两截面间流体应是定态连续流动；两截面间流体应是定态连续流动；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。截面宜选在已知量多、计算方便处。截面宜选在已知量多、计算方便处。截面宜选在已知量多、计算方便处。2024/6/162024/6/164646（4 4）各物理量的）各物理量的单单位位应应保持一致，保持一致，压压力表示方法也力表示方法也应应一致，即同一致，即同为为（一）（一）（一）（一）牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律 或或或或F Fu uu ud du ud dy y式中：式中：式中：式中：F F内摩擦力，内摩擦力，内摩擦力，内摩擦力，N N；剪应力，剪应力，剪应力，剪应力，PaPa；法向速度梯度，法向速度梯度，法向速度梯度，法向速度梯度，1/1/s s；比例系数，称为流体的粘度，比例系数，称为流体的粘度，比例系数，称为流体的粘度，比例系数，称为流体的粘度，PaPa s s 。一、一、流体的粘度流体的粘度 第三节第三节 管内流体流动现象管内流体流动现象2024/6/162024/6/164747（一）（一）牛牛顿顿粘性定律粘性定律 或或FuuFuududy dudy式中：式中：F F内摩擦力内摩擦力（二）（二）（二）（二）流体的粘度流体的粘度流体的粘度流体的粘度 （动力粘度（动力粘度（动力粘度（动力粘度）1.1.1.1.粘度的物理意义粘度的物理意义粘度的物理意义粘度的物理意义 流流流流体体体体流流流流动动动动时时时时在在在在与与与与流流流流动动动动方方方方向向向向垂垂垂垂直直直直的的的的方方方方向向向向上上上上产产产产生生生生单位速度梯度所需的剪应力。单位速度梯度所需的剪应力。单位速度梯度所需的剪应力。单位速度梯度所需的剪应力。液体液体液体液体:T T 气体气体气体气体:一般一般一般一般T T 超高压超高压超高压超高压p p 粘度的物理本质粘度的物理本质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。分子间的引力和分子的运动与碰撞。分子间的引力和分子的运动与碰撞。分子间的引力和分子的运动与碰撞。2024/6/162024/6/164848（二）流体的粘度（二）流体的粘度 （动动力粘度）力粘度）1.1.粘度的物理意粘度的物理意义义 液体液体 2.2.粘度的单位粘度的单位粘度的单位粘度的单位SISI制：制：制：制：PaPas s 或或或或 kg/(mkg/(ms)s)物理制：物理制：物理制：物理制：cP(cP(厘泊）厘泊）厘泊）厘泊）换算关系换算关系换算关系换算关系1 1cPcP1010-3-3 Pa Pas s3.3.运动粘度运动粘度运动粘度运动粘度 粘度粘度粘度粘度 与密度与密度与密度与密度 之比。之比。之比。之比。mm2 2/s/s2024/6/162024/6/1649492.2.粘度的粘度的单单位位SISI制：制：Pas Pas 或或 kg/(ms)kg/(ms)换换算算（三）剪应力与动量通量（三）剪应力与动量通量（三）剪应力与动量通量（三）剪应力与动量通量 分分分分子子子子动动动动量量量量传传传传递递递递是是是是由由由由于于于于流流流流体体体体层层层层之之之之间间间间速速速速度度度度不不不不同同同同，动动动动量量量量由速度大处向速度小处传递。由速度大处向速度小处传递。由速度大处向速度小处传递。由速度大处向速度小处传递。动量通量：单位时间、通过单位面积传递的动量。动量通量：单位时间、通过单位面积传递的动量。动量通量：单位时间、通过单位面积传递的动量。动量通量：单位时间、通过单位面积传递的动量。剪应力动量通量剪应力动量通量剪应力动量通量剪应力动量通量2024/6/162024/6/165050（三）剪（三）剪应应力与力与动动量通量量通量 分子分子动动量量传递传递是由于流体是由于流体动量浓度梯度动量浓度梯度动量浓度梯度动量浓度梯度运动粘度或动量扩散系数运动粘度或动量扩散系数运动粘度或动量扩散系数运动粘度或动量扩散系数动量通量动量扩散系数动量通量动量扩散系数动量通量动量扩散系数动量通量动量扩散系数 动量浓度梯度动量浓度梯度动量浓度梯度动量浓度梯度2024/6/162024/6/165151动动量量浓浓度梯度度梯度运运动动粘度或粘度或动动量量扩扩散系数散系数动动量通量量通量动动量量扩扩牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体；粘性定律的流体；粘性定律的流体；粘性定律的流体；非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。（四）牛顿型流体与非牛顿型流体（四）牛顿型流体与非牛顿型流体（四）牛顿型流体与非牛顿型流体（四）牛顿型流体与非牛顿型流体 2024/6/162024/6/165252牛牛顿顿型流体：剪型流体：剪应应力与速度梯度的关系符合牛力与速度梯度的关系符合牛顿顿（四）牛（四）牛顿顿型流体与型流体与二、流体流动类型与雷诺数二、流体流动类型与雷诺数（一）雷诺实验（一）雷诺实验（一）雷诺实验（一）雷诺实验2024/6/162024/6/165353二、流体流二、流体流动类动类型与雷型与雷诺诺数数 （一）雷（一）雷诺实验诺实验2023/8/9532023/8/953 层层层层流流流流（或或或或滞滞滞滞流流流流）：流流流流体体体体质质质质点点点点仅仅仅仅沿沿沿沿着着着着与与与与管管管管轴轴轴轴平平平平行行行行的的的的方方方方向向向向作作作作直直直直线线线线运运运运动动动动，质质质质点点点点无无无无径径径径向向向向脉脉脉脉动动动动，质质质质点点点点之之之之间间间间互互互互不不不不混合；混合；混合；混合；湍湍湍湍流流流流（或或或或紊紊紊紊流流流流）：流流流流体体体体质质质质点点点点除除除除了了了了沿沿沿沿管管管管轴轴轴轴方方方方向向向向向向向向前前前前流流流流动动动动外外外外，还还还还有有有有径径径径向向向向脉脉脉脉动动动动，各各各各质质质质点点点点的的的的速速速速度度度度在在在在大大大大小小小小和和和和方方方方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。（二）（二）（二）（二）流型判据流型判据流型判据流型判据雷诺准数雷诺准数雷诺准数雷诺准数 无因次数群无因次数群无因次数群无因次数群2024/6/162024/6/165454 层层流（或滞流）：流体流（或滞流）：流体质质点点仅仅沿着与管沿着与管轴轴平行的方向作直平行的方向作直线线运运动动，1.判断流型判断流型判断流型判断流型ReRe20002000时，流动为层流，此区称为层流区；时，流动为层流，此区称为层流区；时，流动为层流，此区称为层流区；时，流动为层流，此区称为层流区；ReRe40004000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；时，一般出现湍流，此区称为湍流区；时，一般出现湍流，此区称为湍流区；时，一般出现湍流，此区称为湍流区；20002000 Re Re 40004000 时时时时，流流流流动动动动可可可可能能能能是是是是层层层层流流流流，也也也也可可可可能能能能是是是是湍流，该区称为不稳定的过渡区。湍流，该区称为不稳定的过渡区。湍流，该区称为不稳定的过渡区。湍流，该区称为不稳定的过渡区。2.2.物理意义物理意义物理意义物理意义 ReRe反反反反映映映映了了了了流流流流体体体体流流流流动动动动中中中中惯惯惯惯性性性性力力力力与与与与粘粘粘粘性性性性力力力力的的的的对对对对比比比比关关关关系系系系，标志着流体流动的湍动程度。，标志着流体流动的湍动程度。，标志着流体流动的湍动程度。，标志着流体流动的湍动程度。2024/6/162024/6/165555判断流型判断流型2.2.物理意物理意义义 Re Re反映了流体流反映了流体流三、三、流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布（一）层流时的速度分布（一）层流时的速度分布（一）层流时的速度分布（一）层流时的速度分布 2024/6/162024/6/165656三、三、流体在流体在圆圆管内的速度分布（一）管内的速度分布（一）层层流流时时的速度分布的速度分布 2023 2023由压力差产生的推力由压力差产生的推力由压力差产生的推力由压力差产生的推力 流体层间内摩擦力流体层间内摩擦力流体层间内摩擦力流体层间内摩擦力 管壁处管壁处管壁处管壁处r rR R时，时，时，时，0 0，可得速度分布方程，可得速度分布方程，可得速度分布方程，可得速度分布方程 2024/6/162024/6/165757由由压压力差力差产产生的推力生的推力 流体流体层间层间内摩擦力内摩擦力 管壁管壁处处r rRR时时，0 0，管中心流速为最大，即管中心流速为最大，即管中心流速为最大，即管中心流速为最大，即r r0 0时，时，时，时，u umaxmax 管截面上的平均速度管截面上的平均速度管截面上的平均速度管截面上的平均速度:即即即即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的层流流动时的平均速度为管中心最大速度的层流流动时的平均速度为管中心最大速度的层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/21/2。即流体在圆形直管内即流体在圆形直管内即流体在圆形直管内即流体在圆形直管内层流流动层流流动层流流动层流流动时，其速度呈时，其速度呈时，其速度呈时，其速度呈抛物线分布抛物线分布抛物线分布抛物线分布。2024/6/162024/6/165858管中心流速管中心流速为为最大，即最大，即r r0 0时时，umax umax 管截面上的平均速管截面上的平均速（二）湍流时的速度分布（二）湍流时的速度分布（二）湍流时的速度分布（二）湍流时的速度分布 剪应力剪应力剪应力剪应力 ：e e为湍流粘度，与流体的流动状况有关。为湍流粘度，与流体的流动状况有关。为湍流粘度，与流体的流动状况有关。为湍流粘度，与流体的流动状况有关。湍湍湍湍流流流流速速速速度度度度分分分分布布布布的经验式：的经验式：的经验式：的经验式：2024/6/162024/6/165959（二）湍流（二）湍流时时的速度分布的速度分布 剪剪应应力力 ：e e为为湍流粘度，与流体的流湍流粘度，与流体的流动动n n与与与与ReRe有关，取值如下：有关，取值如下：有关，取值如下：有关，取值如下：1/71/7次方定律次方定律次方定律次方定律当当当当 时，流体的平均速度时，流体的平均速度时，流体的平均速度时，流体的平均速度:2024/6/162024/6/166060n n与与Re Re有关，取有关，取值值如下：如下：1/7 1/7次方定律当次方定律当 时时，流体，流体湍流流动时：湍流流动时：湍流流动时：湍流流动时：2024/6/162024/6/166161湍流流湍流流动时动时：2023/8/9612023/8/961湍流流动时沿径向分为三层：湍流流动时沿径向分为三层：湍流流动时沿径向分为三层：湍流流动时沿径向分为三层：湍流主体湍流主体湍流主体湍流主体 过渡层过渡层过渡层过渡层 层流内层层流内层层流内层层流内层2024/6/162024/6/166262湍流流湍流流动时动时沿径向分沿径向分为为三三层层：2023/8/9622023/8/962第四节第四节 管内流体流动的摩擦阻力损失管内流体流动的摩擦阻力损失直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而 产生的阻力；产生的阻力；产生的阻力；产生的阻力；局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速局部阻力：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。大小及方向的改变而引起的阻力。大小及方向的改变而引起的阻力。大小及方向的改变而引起的阻力。一、一、直管阻力直管阻力（一）阻力的表现形式（一）阻力的表现形式（一）阻力的表现形式（一）阻力的表现形式 2024/6/162024/6/166363第四第四节节 管内流体流管内流体流动动的摩擦阻力的摩擦阻力损损失直管阻力：流体流失直管阻力：流体流经经一定一定流体在水平等径直管中作定态流动。流体在水平等径直管中作定态流动。流体在水平等径直管中作定态流动。流体在水平等径直管中作定态流动。2024/6/162024/6/166464流体在水平等径直管中作定流体在水平等径直管中作定态态流流动动。2023/8/9642023/8/964若管道为倾斜管，则若管道为倾斜管，则若管道为倾斜管，则若管道为倾斜管，则 流体的流动阻力表现为静压能的减少；流体的流动阻力表现为静压能的减少；流体的流动阻力表现为静压能的减少；流体的流动阻力表现为静压能的减少；水水水水平平平平安安安安装装装装时时时时，流流流流动动动动阻阻阻阻力力力力恰恰恰恰好好好好等等等等于于于于两两两两截截截截面面面面的的的的静静静静压压压压能之差。能之差。能之差。能之差。2024/6/162024/6/166565若管道若管道为倾为倾斜管，斜管，则则 流体的流流体的流动动阻力表阻力表现为现为静静压压能的减少；能的减少；2020（二）（二）（二）（二）直管阻力的通式直管阻力的通式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：由于压力差而产生的推动力：由于压力差而产生的推动力：由于压力差而产生的推动力：流体的摩擦力：流体的摩擦力：流体的摩擦力：流体的摩擦力：令令令令 定态流动时定态流动时定态流动时定态流动时2024/6/162024/6/166666（二）直管阻力的通式（二）直管阻力的通式 由于由于压压力差而力差而产产生的推生的推动动力：流体的摩擦力力：流体的摩擦力直管阻力通式（范宁直管阻力通式（范宁直管阻力通式（范宁直管阻力通式（范宁FanningFanning公式）公式）公式）公式）其它形式：其它形式：其它形式：其它形式：摩擦系数（摩擦因数）摩擦系数（摩擦因数）摩擦系数（摩擦因数）摩擦系数（摩擦因数）则则则则 J/kgJ/kg压头损失压头损失压头损失压头损失mm压压压压力力力力损损损损失失失失（压力降）（压力降）（压力降）（压力降）PaPa 该公式层流与湍流均适用；该公式层流与湍流均适用；该公式层流与湍流均适用；该公式层流与湍流均适用；注意注意注意注意 与与与与 的区别。的区别。的区别。的区别。2024/6/162024/6/166767直管阻力通式（范宁直管阻力通式（范宁FanningFanning公式）公式）其它形式：其它形式：摩摩（三）（三）（三）（三）层流时的摩擦系数层流时