化工原理复习(精品).ppt

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1、流体流动习题课内容提要内容提要机械能衡算方程的应用机械能衡算方程的应用非稳态流动非稳态流动流动阻力计算流动阻力计算管路计算管路计算一、牛顿粘性定律一、牛顿粘性定律粘度，单位粘度，单位PasT，气体黏度，气体黏度T，液体黏度，液体黏度黏度值一般不随压力而变化黏度值一般不随压力而变化第第1节节 流体流动的基本方程流体流动的基本方程第一章第一章 流体流动流体流动二、连续性方程二、连续性方程对于连续流体，在管路系统的任一截面上有：对于连续流体，在管路系统的任一截面上有：三、能量衡算方程三、能量衡算方程J/m3=pa第第2节节 流体流动现象流体流动现象一、流动类型与雷诺数一、流动类型与雷诺数层流：层流：

2、Re4000特征？特征？二、流体在圆管内的速度分布二、流体在圆管内的速度分布 2）圆管内湍流流动的速度分布）圆管内湍流流动的速度分布1）圆管内层流流动的速度分布）圆管内层流流动的速度分布雷诺数的物理意义？雷诺数的物理意义？4104Re1105时，时，n=6；1105Re3.2106时，时，n=10。第第3节节 流体在管内流动阻力流体在管内流动阻力一、圆管内流动阻力的计算一、圆管内流动阻力的计算或或范宁公式范宁公式摩擦系数1.层流时的摩擦系数层流时的摩擦系数2、湍流时的摩擦系数、湍流时的摩擦系数1.1.光滑管光滑管尼古拉则卡门公式尼古拉则卡门公式 2.2.粗糙管粗糙管适用范围：适用范围：Re40

3、00，/d0.005二、非圆形管内流动阻力的计算二、非圆形管内流动阻力的计算 定义：定义：de=4流道截面积流道截面积/润湿周边长度润湿周边长度三、局部阻力损失：三、局部阻力损失：1）阻力系数法）阻力系数法 2）当量长度法）当量长度法 le为管件的当量长度。为管件的当量长度。1、机械能衡算方程的应用、机械能衡算方程的应用（1）如图所示，小区居民楼高如图所示，小区居民楼高12m，要求生活用水能够以，要求生活用水能够以50m3/h的流量送至各层用户，水管内径为的流量送至各层用户，水管内径为100mm，水在管路中流动的阻力损，水在管路中流动的阻力损失为失为25J/kg（包括出口阻力损失），（包括出口

4、阻力损失），水的密度取水的密度取1000kg/m3。求：。求：（1）离心泵出口的水压？）离心泵出口的水压？（2）离心泵的功率？）离心泵的功率？已知离心泵的效率已知离心泵的效率=70%习习 题题分析：分析：解：解：以以离离心心泵泵的的出出口口作作为为1-1截截面面，以以楼楼顶顶居居民民水水管管出出口口外外侧侧为为2-2截截面面,并以并以1-1截面截面作为水平基准面作为水平基准面已知已知VSu、z已知已知求求p机机械械能能衡衡算算方方程程u1,u2wf已知已知1122在两截面间列机械能衡算方程有：在两截面间列机械能衡算方程有：式中：式中：z1=0 ；z2=12m p2=0(表压表压)；p1=？wf

5、=25J/kg将上列数值代入机械能衡算方程式，并整理得：将上列数值代入机械能衡算方程式，并整理得：由于由于2-2截面选在出口管的外侧，因此截面选在出口管的外侧，因此 u2=0由此解得：由此解得：(2)求离心泵的功率？求离心泵的功率？有效功率有效功率实际功率实际功率（2）已知某型号飞机的机）已知某型号飞机的机翼面积为翼面积为18.5m2，机翼高度，机翼高度为为0.5m，匀速水平飞行时，匀速水平飞行时，机翼下方空气的流速为机翼下方空气的流速为200m/s，机翼上方空气的流，机翼上方空气的流速为速为225m/s，空气的密度为，空气的密度为1.205kg/m3，求机翼产生的，求机翼产生的升力？升力？分

6、析：分析：求求p机械能衡算方程机械能衡算方程已知已知u1,u2已知已知z1,z2 解：解：取取机机翼翼下下表表面面作作为为1-1截截面面，取取机机翼翼上上表表面面作作为为2-2截截面面，并以，并以1-1截面截面作为水平基准面作为水平基准面，列机械能衡算方程有：，列机械能衡算方程有：由于空气的密度很低，且空气沿机翼表面流动距离很由于空气的密度很低，且空气沿机翼表面流动距离很短，因此短，因此wf 0所以，上式可简化为：所以，上式可简化为：式中：式中：代入上式有：代入上式有：所以，升力所以，升力F一保温桶，内径一保温桶，内径D=0.5m，桶内，桶内盛有盛有20的水，出口处有一弯管，的水，出口处有一弯

7、管，弯管上有一标准阀，弯管的规格弯管上有一标准阀，弯管的规格为为202.5mm，弯管中心线在液，弯管中心线在液面以下面以下0.4m处，试求当出口阀全处，试求当出口阀全开时，桶内的水需要多长时间才开时，桶内的水需要多长时间才能全部流出来？因弯管长度较短，能全部流出来？因弯管长度较短，直管阻力损失可以忽略。弯头的直管阻力损失可以忽略。弯头的局部阻力系数局部阻力系数=0.75，标准阀的，标准阀的局部阻力系数局部阻力系数=6.0水的密度取水的密度取1000kg/m3，水的粘度取水的粘度取1.0mPas2、非稳态流动问题、非稳态流动问题分析：分析：随着液面高度的下降，水从弯管中流出的速度也越随着液面高度

8、的下降，水从弯管中流出的速度也越来越慢，单位体积的水流出所需的时间就越来越长，因此来越慢，单位体积的水流出所需的时间就越来越长，因此该问题属于典型的非稳态流动过程。因此需要考虑采用积该问题属于典型的非稳态流动过程。因此需要考虑采用积分的方法进行求解。分的方法进行求解。0.4m0.5m解：解：假设假设t时刻时，液面下降到了时刻时，液面下降到了 距弯管中心线距弯管中心线z位置处，位置处，于是于是zdz在过了在过了dt时间段以后，液面下降时间段以后，液面下降了了dz高度，则有：高度，则有：u与与z之间的关系怎样得到之间的关系怎样得到？0.5m0.4m2211z以以t时刻时的液面作为时刻时的液面作为1

9、1面，面，以弯管出口以弯管出口内侧内侧作为作为22面，并面，并以以22面作为零势能面，在面作为零势能面，在11面和面和22面之间列机械能衡面之间列机械能衡算方程有：算方程有：于是机械能衡算方程可简化为：于是机械能衡算方程可简化为：解得：解得：代入代入(1)式中，有：式中，有：思考题：思考题：1、为什么流出时间与粘度无关？对于很粘的流体，比为什么流出时间与粘度无关？对于很粘的流体，比如蜂蜜，流出时间也不变么？如蜂蜜，流出时间也不变么？2、如果桶内是甘油如果桶内是甘油(=1.5Pas)，弯管总长度为，弯管总长度为5cm，求全部流出时间？，求全部流出时间？AB图图1（1）一一高高位位槽槽A利利用用流

10、流体体的的位位能能向向设设备备B送送水水，设设备备B内内的的压压力力为为35kPa（表表压压），管管道道为为50mm2.5mm的的不不锈锈钢钢管管，内内壁壁粗粗糙糙度度为为0.3mm，管管路路布布局局如如图图1所所示示。总总管管上上有有两两个个弯弯头头(=0.75)，一一 个个 标标 准准 阀阀(=6.0)，管管路路的的总总长长度度为为40m，若若要要求求管管内内的的流流速速达达到到2m/s，求求两两设设备备之之间间的的高高度度差差z。已已知知水水的的密密度度为为1000kg/m3，水的粘度为水的粘度为1.0mPas。3、流动阻力计算、流动阻力计算解：解：以以高高位位槽槽的的液液面面作作为为A

11、-A面面（输输入入面面），以以设设备备B的的出出口口内侧内侧作为作为B-B面（输出面），并以面（输出面），并以B-B面作为零势能面面作为零势能面 在在A-A面与面与B-B面之间列机械能衡算方程面之间列机械能衡算方程 式中式中(表表压压)，由于圆管内径：由于圆管内径：d=50-2.52=45mm流体在管中流动的雷诺数流体在管中流动的雷诺数 管壁的相对粗糙度：管壁的相对粗糙度：/d=0.3/45=6.6710-3 0.005所以所以应该选用科尔布鲁克公式来计算应该选用科尔布鲁克公式来计算为了便于采用迭代法进行计算，将上式变形为为了便于采用迭代法进行计算，将上式变形为假设假设的初值的初值0.03，代

12、入上式，采用迭代法解得，代入上式，采用迭代法解得的真值的真值0.034 总局部阻力系数：总局部阻力系数：所以总阻力损失所以总阻力损失:将上述结果代入机械能衡算式有将上述结果代入机械能衡算式有 AB图图1(2)一一高高位位槽槽A利利用用流流体体的的位位能能向向设设备备B送送水水，设设备备B内内的的压压力力为为35kPa（表表压压），管管道道为为50mm2.5mm的的不不锈锈钢钢管管，内内壁壁粗粗糙糙度度为为0.2mm，管管路路布布局局如如图图1所所示示。总总管管上上有有两两个个弯弯头头(=0.75)，一一个个标标准准阀阀(=6.0)，管管路路的的总总长长度度为为40m，已已知知两两设设备备之之间

13、间的的高高度度差差为为10m，求求管管内内的的流流速速。已知水的密度为已知水的密度为1000kg/m3，水的粘度为，水的粘度为1.0mPas。解：解：以以高高位位槽槽的的液液面面作作为为A-A面面（输输入入面面），以以设设备备B的的出出口口内侧内侧作为作为B-B面（输出面），并以面（输出面），并以B-B面作为零势能面面作为零势能面 在在A-A面与面与B-B面之间列机械能衡算方程面之间列机械能衡算方程 式中式中(表表压压)，所以，上式可化简为：所以，上式可化简为：式中：式中：由于圆管内径：由于圆管内径：d=50-2.52=45mm管壁的相对粗糙度：管壁的相对粗糙度：/d=0.2/45=4.441

14、0-3 0.005因此因此将（将（3）式和（）式和（4）式代入（）式代入（2）式中，有：）式中，有：将（将（5）式代入（）式代入（1）式中，有：）式中，有：整理得：整理得：将已知数据代入得：将已知数据代入得：流速流速u可采用迭代法求解，为此先将上式变形为：可采用迭代法求解，为此先将上式变形为：最后验算一下雷诺数最后验算一下雷诺数 假设假设u0=2m/s代入（代入（7）式右端，解得）式右端，解得u1=1.89m/s再将再将u1=1.89m/s 代入（代入（7）式右端，解得）式右端，解得u2=1.88m/s所以可取所以可取u=1.88m/s所以公式（所以公式（4）是适用的。）是适用的。如图所示，一

15、水库大坝坝顶水面比坝底泄洪槽高出如图所示，一水库大坝坝顶水面比坝底泄洪槽高出138m，泄，泄洪槽流道为矩形，尺寸洪槽流道为矩形，尺寸5m3m，共十个流道，每个流道底部，共十个流道，每个流道底部安装有一台水轮机进行水力发电，已知水经泄洪槽的体积流安装有一台水轮机进行水力发电，已知水经泄洪槽的体积流量为量为1600m3/s，流道长度为，流道长度为200m，流道壁面粗糙度为，流道壁面粗糙度为3mm，水轮机的能量转换效率为，水轮机的能量转换效率为60%，求发电机组的功率？求发电机组的功率？138m11224、管路计算、管路计算分析：分析：实质是流体的机械能实质是流体的机械能电能电能需要用到能量转化与守恒定律需要用到能量转化与守恒定律以坝顶水平面作为以坝顶水平面作为1-1面，以坝底泄洪槽出口面，以坝底泄洪槽出口内侧内侧作为作为2-2面，并以面，并以2-2面作为水平基准面，列机械能衡算方程面作为水平基准面，列机械能衡算方程作业：作业：1-22