中农食品工程原理.pptx

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1、内容提要内容提要流体静力学流体静力学流体在管内的流动流体在管内的流动流体的流动现象流体的流动现象流动阻力流动阻力管路计算管路计算流量测量流量测量*1.习题习题要求要求q掌握连续性方程和能量方程掌握连续性方程和能量方程q能进行管路的设计计算能进行管路的设计计算第1页/共163页流体的特征流体的特征：具有流动性。即具有流动性。即q抗剪和抗张的能力很小；抗剪和抗张的能力很小；q无固定形状，随容器的形状而变化；无固定形状，随容器的形状而变化；q在外力作用下其内部发生相对运动在外力作用下其内部发生相对运动。流体流体:在剪应力作用下能产生连续变形的物体称在剪应力作用下能产生连续变形的物体称为流体。如气体和

2、液体。为流体。如气体和液体。第一节概述第2页/共163页q流体的输送流体的输送：根据生产要求，往往要将这些流体按照生产根据生产要求，往往要将这些流体按照生产程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成流体输送流体输送的任的任务，实现生产的连续化务，实现生产的连续化。q压强、流速和流量的测量压强、流速和流量的测量：以便更好的掌握生产状况。以便更好的掌握生产状况。q为强化设备提供适宜的流动条件为强化设备提供适宜的流动条件：除了流体输送外，除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下

3、进行的，以便降低传递阻力，减小设备尺寸。流体流动状态下进行的，以便降低传递阻力，减小设备尺寸。流体流动状态对这些单元操作有较大影响。对这些单元操作有较大影响。流体的研究意义第3页/共163页在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微团在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微团组成的组成的连续介质连续介质。流体微团或流体质点流体微团或流体质点：它的大小与容器或管道相：它的大小与容器或管道相比是微不足道的，但是比起分子自由程长度却要大得比是微不足道的，但是比起分子自由程长度却要大得多，它包含足够多的分子，能够用统计平均的方法来多，它包含足够多的分子，能够用统计平均的方法来求出宏观的参数（如压力、

4、温度），从而使我们可以求出宏观的参数（如压力、温度），从而使我们可以观察这些参数的变化情况。观察这些参数的变化情况。连续性的假设连续性的假设流体介质是由连续的质点组成的；流体介质是由连续的质点组成的；质点运动过程的连续性。质点运动过程的连续性。流体的研究方法第4页/共163页不可压缩流体不可压缩流体：流体的体积如果不随压力及温度变流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体。化，这种流体称为不可压缩流体。实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如果压压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如果压力

5、或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流力或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流体处理。体处理。可压缩流体可压缩流体：流体的体积如果随压力及温度变化，流体的体积如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体。则称为可压缩流体。流体的压缩性第5页/共163页流体静力学流体静力学是研究流体在外力作用下达到平衡的规律。是研究流体在外力作用下达到平衡的规律。作用在流体上的力有质量力和表面力。作用在流体上的力有质量力和表面力。q质量力质量力：作用于流体每个质点上的力，与流体的质量成正：作用于流体每个质点上的力，与流体的质量成正比，如：重力和离心力。比，如：重力和离心力。q表面力表面力：作用于流体质点表

6、面的力，其大小与表面积成正：作用于流体质点表面的力，其大小与表面积成正比，如：压力和剪力。比，如：压力和剪力。第二节流体静力学第6页/共163页单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为（1-11-1）式中式中流体的密度，流体的密度，kg/m3；m流体的质量，流体的质量，kg；v 流体的体积，流体的体积，m3。不同的流体密度是不同的，对一定的流体，密度是压力不同的流体密度是不同的，对一定的流体，密度是压力p和和温度温度T的函数，可用下式表示的函数，可用下式表示：f（p，T）（1-21-2）1流体的物理特性1.1 1.1 密度第7页/共163页液

7、体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），可忽液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），可忽略不计，但其随温度稍有改变。气体的密度随压力和温度的变略不计，但其随温度稍有改变。气体的密度随压力和温度的变化较大。化较大。式中式中 p 气体的压力，气体的压力，kN/m2或或kPa；T 气体的绝对温度，气体的绝对温度，K；M 气体的分子量，气体的分子量，kg/kmol；R 通用气体常数，通用气体常数，8.314kJ/kmolK。(1-3)当压力不太高、温度不太低时，气体的密度可近似地按理当压力不太高、温度不太低时，气体的密度可近似地按理想气体状态方程式计算：想气体状态方程式计算：第8页/共163

8、页上式中的上式中的0 03 3为为标准状态标准状态（即（即T T0 0=273K=273K及及p p0 0=133.3Pa=133.3Pa）下气体）下气体的密度。的密度。气体密度也可按下式计算气体密度也可按下式计算(1-4)在气体压力较高、温度较低时，气体的密度需要采用真实气在气体压力较高、温度较低时，气体的密度需要采用真实气体状态方程式计算。体状态方程式计算。第9页/共163页气体混合物气体混合物:当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用式仍可用式(1-3)计算气体的密度。计算气体的密度。气体混合物的组成通常以体积分率表示。气体混合物的组成通常以

9、体积分率表示。对于理想气体，体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。对于理想气体，体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。Mm My1+M2y2+Mnyn(1-6)式中式中：M、M2、Mn气体混合物各组分的分子量；气体混合物各组分的分子量；y1、y2、yn气体混合物各组分的摩尔分率。气体混合物各组分的摩尔分率。第10页/共163页液体混合物液体混合物:液体混合时，体积往往有所改变。若混合前液体混合时，体积往往有所改变。若混合前后体积不变，则后体积不变，则1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的体混合液的体积等于各组分单独存在时的体积之和，则可由下式求出混合液体的密度积之和，则可由下式求出混合液体的

10、密度m。式中式中1、2、，n 液体混合物中各组分的质量分率；液体混合物中各组分的质量分率；1、2、，n 液体混合物中各组分的密度，液体混合物中各组分的密度，kg/m3；m 液体混合物的平均密度，液体混合物的平均密度，kg/m3。第11页/共163页单位质量流体的体积，称为流体的单位质量流体的体积，称为流体的比容比容，用符号，用符号v表示，表示，单位为单位为m3/kg，则，则亦即流体的比容是密度的倒数。亦即流体的比容是密度的倒数。1.2比容v第12页/共163页例例1-1已知硫酸与水的密度分别为已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与与998kg/m3，试求含硫酸为，试求含硫酸为60%(质量

11、质量)的硫酸水的硫酸水溶液的密度。溶液的密度。解：应用混合液体密度公式，则有解：应用混合液体密度公式，则有第13页/共163页例例1-2已知干空气的组成为：已知干空气的组成为：O221%、N278%和和Ar1%(均为体积均为体积%)。试求干空气在压力为。试求干空气在压力为9.81104Pa、温度为温度为100时的密度。时的密度。解：解：首先将摄氏度换算成开尔文：首先将摄氏度换算成开尔文：100273+100=373K求干空气的平均分子量：求干空气的平均分子量：Mm My1+M2y2+MnynMm=320.21+280气体的平均密度为：气体的平均密度为：第14页/共163页垂直作用于流体单位面积

12、上的力，称为流体的压强，简称压垂直作用于流体单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。习惯上称为压力。作用于整个面上的力称为总压力。强。习惯上称为压力。作用于整个面上的力称为总压力。在静止流体中，从各方向作用于某一点的压力大小均相等。在静止流体中，从各方向作用于某一点的压力大小均相等。压力的单位压力的单位:v帕斯卡帕斯卡,Pa,N/m2(法定单位法定单位);v标准大气压标准大气压,atm;v某流体在柱高度某流体在柱高度;vbar（巴）或（巴）或kgf/cm2等。等。1.3压力第15页/共163页1标准大气压标准大气压(atm)=101300Pa=10330kgf/m2=1.033kgf/cm2

13、(bar,巴巴)=10.33mH2O=760mmHg换算关系：换算关系：第16页/共163页压力可以有不同的计量基准。压力可以有不同的计量基准。p绝对压力绝对压力（absolutepressure）：以绝对真空：以绝对真空(即零大气压即零大气压)为基准。为基准。p表压表压(gaugepressure)：以当地大气压为基准。它与绝对压力以当地大气压为基准。它与绝对压力的关系，可用下式表示：的关系，可用下式表示：表压绝对压力大气压力表压绝对压力大气压力p真空度真空度（vacuum）：当被测流体的绝对压力小于大气压时，）：当被测流体的绝对压力小于大气压时，其低于大气压的数值，即：其低于大气压的数值，

14、即：真空度大气压力绝对压力真空度大气压力绝对压力注意注意：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说明时均可按标准大气压计算。明时均可按标准大气压计算。第17页/共163页图图绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系（a）测定压力）测定压力大气压（大气压（b）测定压力）测定压力大气压大气压绝绝对对压压力力测定压力测定压力表表压压大大气气压压当时当地大气压当时当地大气压（表压为零）（表压为零）绝对压力为零绝对压力为零真真空空度度绝对压力绝对压力测定压力测定压力（a）（b）第18页/共163页流体静力学基本方程式是用于描述静止

15、流体内部流体静力学基本方程式是用于描述静止流体内部的压力沿着高度变化的数学表达式。对于不可压缩流的压力沿着高度变化的数学表达式。对于不可压缩流体，密度不随压力变化，其静力学基本方程可用下述体，密度不随压力变化，其静力学基本方程可用下述方法推导。方法推导。2流体静力学基本方程式第19页/共163页在垂直方向上作用于液柱的力有：在垂直方向上作用于液柱的力有：下底面所受之向上总压力为下底面所受之向上总压力为p2A；上底面所受之向下总压力为上底面所受之向下总压力为p1A；1.1.整个液柱之重力整个液柱之重力GgA(Z1-Z2)。现从静止液体中任意划出一垂直液柱，如图现从静止液体中任意划出一垂直液柱，如

16、图所示。液柱的所示。液柱的横截面积为横截面积为A，液体密度为，液体密度为，若以容器器底为基准水平面，则，若以容器器底为基准水平面，则液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为Z1和和Z2，以，以p1与与p2分别表示高度为分别表示高度为Z1及及Z2处的压力。处的压力。p0p1p2Gz2z1第20页/共163页上两式即为上两式即为液体静力学基本方程式液体静力学基本方程式.p2p1g(Z1-Z2)p2p0gh如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为压力为p0，液柱，液柱Z1-Z2h，则上式可改写为，则上式

17、可改写为在静止液体中，上述三力之合力应为零，即：在静止液体中，上述三力之合力应为零，即：p2Ap1AgA(Z1-Z2)0第21页/共163页由上式可知：由上式可知：当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，与液体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此，在静止与液体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点的压力都的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。此压力相等的水平面，称为相等。此压力相等的水平面，称为等压面等压面。当液面的上方压力当液面的上方压力p0有变化时，

18、必将引起液体内部各点压力有变化时，必将引起液体内部各点压力发生同样大小的变化。发生同样大小的变化。p2p0gh可改写为可改写为由上式可知，压力或压力差的大小可用液柱高度表示。由上式可知，压力或压力差的大小可用液柱高度表示。第22页/共163页或或上式中各项的单位均为上式中各项的单位均为m。静力学基本方程式中各项的意义：静力学基本方程式中各项的意义：将将p2p1g(Z1-Z2)两边除以两边除以g并加以整理可得：并加以整理可得：第23页/共163页位压头位压头（potentialtentialhead）：静压头静压头(statichead)：式中的第二项：式中的第二项p/g 称为静压头，又称为静压

19、头，又称为单位质量流体的称为单位质量流体的静压能静压能(pressureenergy)。第一项第一项Z为流体距基准面的高度，称为位压头。若把重量为流体距基准面的高度，称为位压头。若把重量mg的流体从基准面移到高度的流体从基准面移到高度Z后，该流体所具有的位能为后，该流体所具有的位能为mgZ。单位质量流体的位能，则为。单位质量流体的位能，则为mgz/mg=z。即上式中。即上式中Z（位（位压头）是表示单位重量的流体从基准面算起的压头）是表示单位重量的流体从基准面算起的位能位能(potentialenergy)。第24页/共163页如图所示：密闭容器，内盛如图所示：密闭容器，内盛有液体，液面上方压力

20、为有液体，液面上方压力为p。图图静压能的意义静压能的意义，静压头的意义：静压头的意义：说明说明Z1处的液体对于大气压力来说，具有上升一定高度的能力。处的液体对于大气压力来说，具有上升一定高度的能力。第25页/共163页静压力位压头常数静压力位压头常数也也可将上述方程可将上述方程各项均乘以各项均乘以g，可得，可得 第26页/共163页注：指示剂的选择注：指示剂的选择 指示液密度指示液密度0，被测流体密度，被测流体密度为为，图中，图中a、b两点的压力是相两点的压力是相等的，因为这两点都在同一种静等的，因为这两点都在同一种静止液体（指示液）的同一水平面止液体（指示液）的同一水平面上。通过这个关系，便

21、可求出上。通过这个关系，便可求出p1p2的值。的值。3流体静力学基本方程式一、压力测量1U型管液柱压差计（U-tube manometerU-tube manometer）第27页/共163页根据流体静力学基本方程式则有：根据流体静力学基本方程式则有：U型管右侧型管右侧pap1+(m+R)gU型管左侧型管左侧pbp2+mg+R0gpapbp1p2R（0）g 测测量量气气体体时时，由由于于气气体体的的密密度度比比指指示示液液的的密密度度0小小得得多多，故故00，上式可简化为，上式可简化为p1p2R0g第28页/共163页 下图所示是倒下图所示是倒U型管压差计。该压差计是利用被测量液体本身型管压差

22、计。该压差计是利用被测量液体本身作为指示液的。压力差作为指示液的。压力差p1p2可根据液柱高度差可根据液柱高度差R进行计算。进行计算。第29页/共163页例例1-4如如附附图图所所示示，常常温温水水在在管管道道中中流流过过。为为测测定定a、b两两点点的的压压力力差差，安安装装一一U型型压压差差计计，试试计计算算a、b两两点点的的压压力力差差为为若若干干？已已知水与汞的密度分别为知水与汞的密度分别为1000kg/m3及及13600kg/m3。第30页/共163页解解取取管管道道截截面面a、b处处压压力力分分别别为为pa与与pb。根根据据连连续续、静静止止的的同同一液体内同一水平面上各点压力相等的

23、原理，则一液体内同一水平面上各点压力相等的原理，则p1p1（a）p1paxH2Ogp1=RHgg+p2=RHgg+p2=RHgg+pb（Rx）H2Og根据式（根据式（a）papbxH2OgRHgg（Rx）H2OgRHggRH2Og=1.24 104Pa第31页/共163页当当被被测测量量的的流流体体压压力力或或压压差差不不大大时时，读读数数R必必然然很很小小，为为得到精确的读数，可采用如图所示的斜管压差计。得到精确的读数，可采用如图所示的斜管压差计。R与与R的关系为的关系为:R RR/sinR/sin 式中式中为倾斜角，其值愈小，则为倾斜角，其值愈小，则R值放大为值放大为R的倍数愈大。的倍数愈

24、大。2斜管压差计（inclined manometerinclined manometer）第32页/共163页 式中式中a、b分别表示重、轻两种指示液的分别表示重、轻两种指示液的密度，密度，kg/m3。按静力学基本方程式可推出按静力学基本方程式可推出:P1P1P2P2PPRgRg（aabb）构造如图所示：构造如图所示：指示液：两种指示液密度不同、互不相容；指示液：两种指示液密度不同、互不相容；扩张室：扩张室的截面积远大于扩张室：扩张室的截面积远大于U U型管截面积，当读数型管截面积，当读数R R变化时，变化时，两扩张室中液面不致有明显的变化。两扩张室中液面不致有明显的变化。对于一定的压差，（

25、对于一定的压差，（PaPb）愈小则读数）愈小则读数R愈大，所以应该使用两种密度接近的指示液。愈大，所以应该使用两种密度接近的指示液。3微差压差计（two-liguid manometertwo-liguid manometer）第33页/共163页说明：说明：图中平衡器的小室图中平衡器的小室2中所装的液体与容器里的液体相同。中所装的液体与容器里的液体相同。平衡器里的液面高度维持在容器液面容许到达的最大高度处。平衡器里的液面高度维持在容器液面容许到达的最大高度处。1.容容器器里里的的液液面面高高度度可可根根据据压压差差计计的的读读数数R求求得得。液液面面越越高高，读数越小。当液面达到最大高度时，

26、压差计的读数为零。读数越小。当液面达到最大高度时，压差计的读数为零。1容器；容器；2平衡器的小室；平衡器的小室；3U形管压差计形管压差计二、液面测定第34页/共163页例例1-5为为了了确确定定容容器器中中石石油油产产品品的的液液面面，采采用用如如附附图图所所示示的的装装置置。压压缩缩空空气气用用调调节节阀阀1调调节节流流量量，使使其其流流量量控控制制得得很很小小，只只要要在在鼓鼓泡泡观观察察器器2内内有有气气泡泡缓缓慢慢逸逸出出即即可可。因因此此，气气体体通通过过吹吹气气管管4的的流流动动阻阻力力可可忽忽略略不不计计。吹吹气气管管内内压压力力用用U管管压压差差计计3来来测测量量。压压差差计计

27、读读数数R的的大大小小，反反映映贮贮罐罐5内内液液面面高高度度。指指示示液液为为汞汞。1、分分别别由由a管管或或由由b管管输输送送空空气气时时，压压差差计计读读数数分分别别为为R1或或R2，试试推推导导R1、R2分别同分别同Z1、Z2的关系。的关系。2、当当（Z1Z2）1.5m，R10.15m，R2时时，试试求求石石油油产产品品的的密度密度P及及Z1。第35页/共163页解解（1）在本例附图所示的流程中，由于空气通往石油产品时，）在本例附图所示的流程中，由于空气通往石油产品时，鼓泡速度很慢，可以当作静止流体处理。因此可以从压差计读数鼓泡速度很慢，可以当作静止流体处理。因此可以从压差计读数R1，

28、求出液面高度，求出液面高度Z1，即，即（a）（b）（2）将式（）将式（a）减去式（）减去式（b）并经整理得）并经整理得第36页/共163页为了安全起见，实际安装时管子插入液面下的深度应比上式为了安全起见，实际安装时管子插入液面下的深度应比上式计算值略低。计算值略低。作作用用：控控制制设设备备内内气气压压不不超超过过规规定定的的数数值值，当当设设备备内内压压力力超超过过规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备操作的安全。规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备操作的安全。若若设设备备要要求求压压力力不不超超过过P1（表表压压），按按静静力力学学基基本本方方程程式式，则则水水封封管管插入液面下的深

29、度插入液面下的深度h为为三、确定液封高度第37页/共163页q工业生产中流体大多是沿密闭的管道流动。工业生产中流体大多是沿密闭的管道流动。因此研究管内流体流动的规律是十分必要的。因此研究管内流体流动的规律是十分必要的。q反映管内流体流动规律的基本方程式有：反映管内流体流动规律的基本方程式有：连续性方程连续性方程柏努利方程柏努利方程本节主要围绕这两个方程式进行讨论。本节主要围绕这两个方程式进行讨论。第三节流体在管内的流动(流体动力学)第38页/共163页2.2.质量流量质量流量 (mass flow rate)(mass flow rate)G,kg/sG,kg/s 单位时间内流体流经管道任一截

30、面的质单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称为质量流量，以量，称为质量流量，以G G表示，其单位为表示，其单位为kg/skg/s。体积。体积流量与质量流量之间的关系为：流量与质量流量之间的关系为：G=VG=V （1-141-14）体积流量体积流量（volumetricflowrate）V,m3/s单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为体积流量，以为体积流量，以V表示，其单位为表示，其单位为m3/s。一、流量第39页/共163页实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管道横截面上流体质点速度是

31、沿半径变化的。管道中心流速最大，道横截面上流体质点速度是沿半径变化的。管道中心流速最大，愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁上，其速度等于零。上，其速度等于零。质点的流速质点的流速：单位时间内流体质点在流动方向上所流经单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。的距离。二、流速1平均流速(averagevelocity)u,m/s第40页/共163页 平均速度平均速度:一般以管道截面积除体积流量所得的一般以管道截面积除体积流量所得的值，来表示流体在管道中的速度。此种速度称为平均值，来表示流体在管道中的速度。此种速度称为平均

32、速度，简称速度，简称流速流速。u uV/AV/A (1-15)(1-15)流量与流速关系为：流量与流速关系为：G=V=AuG=V=Au (1-16)(1-16)式中式中 A A 管道的截面积，管道的截面积，m m2 2第41页/共163页单位时间内流体流经管道单位截面积的质量称为质量单位时间内流体流经管道单位截面积的质量称为质量流速。它与流速及流量的关系为：流速。它与流速及流量的关系为：G/A=Au/A=u（1-17）由于气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、由于气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、压力发生变化时，气体的体积流量与其相应的流速也压力发生变化时，气体的体积流量与其相应的

33、流速也将之改变，但其质量流量不变。此时，采用质量流速将之改变，但其质量流量不变。此时，采用质量流速比较方便。比较方便。2 2 质量流速 (mass velocitymass velocity)第42页/共163页 流量一般为生产任务所决定，而合理的流速则应根流量一般为生产任务所决定，而合理的流速则应根据经济权衡决定，一般液体流速为据经济权衡决定，一般液体流速为0.50.53m/s3m/s。气体为。气体为101030m/s30m/s。某些流体在管道中的常用流速范围，可参。某些流体在管道中的常用流速范围，可参阅有关手册。阅有关手册。若以若以d表示管内径，则式表示管内径，则式uV/A可写成可写成3管

34、道直径的估算第43页/共163页例例1-6 1-6 以内径以内径105mm105mm的钢管输送压力为的钢管输送压力为2 atm2 atm、温度、温度为为120120的空气。已知空气在标准状态下的体积流量的空气。已知空气在标准状态下的体积流量为为630m630m3 3/h/h，试求此空气在管内的流速和质量流速。，试求此空气在管内的流速和质量流速。解解:依题意空气在标准状态下的流量应换算为操作状依题意空气在标准状态下的流量应换算为操作状态下的流量。因压力不高，可应用理想气体状态方程态下的流量。因压力不高，可应用理想气体状态方程计算如下：计算如下：第44页/共163页 取空气的平均分子量为取空气的平

35、均分子量为Mm=28.9Mm=28.9，则实际操作状，则实际操作状态下空气的密度为态下空气的密度为 平均流速平均流速依式（依式（1-171-17），得质量流速），得质量流速第45页/共163页例例1-7 1-7 某厂要求安装一根输水量为某厂要求安装一根输水量为30m30m3 3/h/h的管道，试的管道，试选择合适的管径。选择合适的管径。解：依式（解：依式（1-181-18）管内径为）管内径为 选取水在管内的流速选取水在管内的流速u u1.8m/s(1.8m/s(自来水自来水1-1.5,1-1.5,水水及低粘度液体及低粘度液体1.5-3.0)1.5-3.0)第46页/共163页 查附录中管道规格

36、，确定选用查附录中管道规格，确定选用894894（外径（外径89mm89mm，壁厚，壁厚4mm4mm）的管子，则其内径为）的管子，则其内径为 d=89-(42)d=89-(42)81mm81mm0.081m 0.081m 因此，水在输送管内的实际操作流速为：因此，水在输送管内的实际操作流速为：第47页/共163页稳定流动稳定流动(steadyflow)：流体在管道中流动时，在任流体在管道中流动时，在任一点上的流速、压力等有关物理参数都不随时间而改一点上的流速、压力等有关物理参数都不随时间而改变。变。不稳定流动不稳定流动(unsteadyflow)：若流动的流体中，任一若流动的流体中，任一点上的

37、物理参数，有部分或全部随时间而改变。点上的物理参数，有部分或全部随时间而改变。稳定流动与不稳定流动第48页/共163页2112G1G2 若在管道两截面之间无流体漏损，根据质量守恒定若在管道两截面之间无流体漏损，根据质量守恒定律，从截面律，从截面1-11-1进入的流体质量流量进入的流体质量流量G G1 1应等于从截面应等于从截面2-2-2 2流出的流体质量流量流出的流体质量流量G G2 2。设流体在如图所示的管道中设流体在如图所示的管道中:作连续稳定流动作连续稳定流动;从截面从截面1-11-1流入，从截面流入，从截面2-22-2流出；流出；连续性方程(equationofcontinuity)第

38、49页/共163页即即:G1G2（1-19）若流体不可压缩，若流体不可压缩，常数，则上式可简化为常数，则上式可简化为 AuAu常数常数 (1-22)(1-22)1 1A A1 1u u1 12 2A A2 2u u2 2 (1-20)(1-20)此关系可推广到管道的任一截面，即此关系可推广到管道的任一截面，即 Au Au常数常数 (1-21)(1-21)上式称为上式称为连续性方程式连续性方程式。第50页/共163页由此可知，由此可知，在连续稳定的不可压缩流体的流动中，在连续稳定的不可压缩流体的流动中，流体流速与管道的截面积成反比。截面积愈大之处流流体流速与管道的截面积成反比。截面积愈大之处流速

39、愈小，反之亦然速愈小，反之亦然。式中式中d1及及d2分别为管道上截面分别为管道上截面1和截面和截面2处的管内处的管内径。上式说明径。上式说明不可压缩流体在管道中的流速与管道内不可压缩流体在管道中的流速与管道内径的平方成反比径的平方成反比。或或对于圆形管道，有对于圆形管道，有第51页/共163页例例1-8 1-8 如附图所示的输水管道，管内径为：如附图所示的输水管道，管内径为：d d1 1=2.5cm=2.5cm；d d2 2=10cm=10cm；d d3 3=5cm=5cm。（1 1）当流量为）当流量为4L/s4L/s时，各管段的平均流速为若干？时，各管段的平均流速为若干？（2 2）当流量增至

40、）当流量增至8L/s8L/s或减至或减至2L/s2L/s时，平均流速如何时，平均流速如何变化？变化？d1 d2 d3第52页/共163页(2)(2)各截面流速比例保持不变，流量增至各截面流速比例保持不变，流量增至8L/s8L/s时，流量增时，流量增为原来的为原来的2 2倍，则各段流速亦增加至倍，则各段流速亦增加至2 2倍，即倍，即 u u1 116.3m/s16.3m/s，u u2 2=1.02m/s=1.02m/s，u u3 3解解 (1)(1)根据式根据式(1-15)(1-15)，则，则 流量减小至流量减小至2L/s2L/s时，即流量减小时，即流量减小1/21/2，各段流速亦为原值的，各段

41、流速亦为原值的1/21/2，即，即 u u1 14.08m/s4.08m/s，u u2 2=0.26m/s=0.26m/s，u u3 3第53页/共163页柏努利方程式是管内流体流动机械能衡算式。柏努利方程式是管内流体流动机械能衡算式。一、柏努利方程式的推导一、柏努利方程式的推导 假设：假设：l流体无粘性：在流动过程中无摩擦损失；流体无粘性：在流动过程中无摩擦损失；l流体在管道内作稳定流动；流体在管道内作稳定流动；l在管截面上液体质点的速度分布是均匀的；在管截面上液体质点的速度分布是均匀的；l流体的压力、密度都取在管截面上的平均值；流体的压力、密度都取在管截面上的平均值；l流体质量流量为流体质

42、量流量为G G，管截面积为，管截面积为A A。柏努利方程式(Bernoullis equation)第54页/共163页图图柏努利方程式的推导柏努利方程式的推导在管道中取一微管段在管道中取一微管段dx，段中的流体质量为，段中的流体质量为dm。作用此微管段的力有：。作用此微管段的力有：(1)作用于两端的总压力分别为作用于两端的总压力分别为pA和和(p+dp)A；(2)作用于重心的重力为作用于重心的重力为gdm；第55页/共163页由于由于 dm=Adx,dm=Adx,sindxsindxdzdz故作用于重心的重力沿故作用于重心的重力沿x x方向的分力为方向的分力为 gsindm=gAsindx=

43、gAdzgsindm=gAsindx=gAdz 作用于微管段流体上的各力沿作用于微管段流体上的各力沿x x方程方向的分力之和为方程方向的分力之和为:pApA(p+dp)A(p+dp)AgAdzgAdzAdpAdpgAdzgAdz (1-24)(1-24)第56页/共163页流体流进微管段的流速为流体流进微管段的流速为u，流出的流速为（，流出的流速为（udu）。）。由式由式(1-24)与式与式(1-25)得得:AuduAdpgAdz(1-26)流体动量的变化速率为流体动量的变化速率为 GduAudu(1-25)动量原理动量原理：作用于微管段流体上的力的合力等于液体：作用于微管段流体上的力的合力等

44、于液体的的动量变化的速率。动量变化的速率。第57页/共163页对不可压缩流体，对不可压缩流体，为常数，对上式积分得为常数，对上式积分得(1-27)(1-28)AuduAdpgAdz(1-26)上式称为上式称为柏努利方程式柏努利方程式，它适用于不可压缩非粘它适用于不可压缩非粘性的流体性的流体。通常把非粘性的液体称为。通常把非粘性的液体称为理想液体理想液体，故又，故又称上式为称上式为理想液体柏努利方程式理想液体柏努利方程式。第58页/共163页q对于气体，若管道两截面间压力差很小，如对于气体，若管道两截面间压力差很小，如p1p21，密度，密度变化也很小，此时柏努利方程式仍可变化也很小，此时柏努利方

45、程式仍可适用。计算时密度可采用两截面的平均值，可以适用。计算时密度可采用两截面的平均值，可以作为不可压缩流体处理。作为不可压缩流体处理。q当气体在两截面间的压力差较大时，应考虑流体当气体在两截面间的压力差较大时，应考虑流体压缩性的影响，必须根据过程的性质（等温或绝热）压缩性的影响，必须根据过程的性质（等温或绝热）按热力学方法处理，在此不再作进一步讨论。按热力学方法处理，在此不再作进一步讨论。柏努利方程式应用于气体时如何处理？柏努利方程式应用于气体时如何处理？第59页/共163页ugzgz为单位质量流体所具有的为单位质量流体所具有的位能位能；由此知，式由此知，式(1-28)中的每一项都是质量流体

46、的能量。位能、中的每一项都是质量流体的能量。位能、静压能及动能均属于机械能，三者之和称为静压能及动能均属于机械能，三者之和称为总机械能或总总机械能或总能量能量。up/p/为单位质量流体所具有的为单位质量流体所具有的静压能静压能；uu u2 2/2/2为单位质量流体所具有的为单位质量流体所具有的动能动能(kinetic(kinetic energy)energy)。因质量为因质量为m m、速度为、速度为u u的流体所具有的动的流体所具有的动能为能为mumu2 2/2/2 。二、柏努利方程式的物理意义第60页/共163页上式表明：上式表明：三种形式的能量可以相互转换；三种形式的能量可以相互转换；总

47、能量不会有所增减，即三项之和为一常数；总能量不会有所增减，即三项之和为一常数；单位质量单位质量 流体能量守恒方程式。流体能量守恒方程式。第61页/共163页柏努利方程式的其他形式柏努利方程式的其他形式若将式若将式(1-28)各项均除以重力加速度各项均除以重力加速度g，则得，则得上式为单位重量流体能量守恒方程式。上式为单位重量流体能量守恒方程式。z为位压头；为位压头；p/g为静压头；为静压头；u2/2g称为动压头称为动压头（dynamichead）或速度压头或速度压头(velocityhead)。z z+p/g+up/g+u2 2/2g/2g为总压头。为总压头。第62页/共163页实际流体由于有

48、粘性，管截面上流体质点的速实际流体由于有粘性，管截面上流体质点的速度分布是不均匀的从而引起能量的损失。度分布是不均匀的从而引起能量的损失。简单实验简单实验观察流体在等直径观察流体在等直径的直管中流动时的的直管中流动时的能量损失能量损失。三、实际流体机械能衡算式第63页/共163页q两截面处的静压头分别为两截面处的静压头分别为p1/g与与p2/g；q z1z2；qu22/2gu12/2g；q1截面处的机械能之和大于截面处的机械能之和大于2截面处的机械能之和。截面处的机械能之和。两者之差，即为实际流体在这段直管中流动时两者之差，即为实际流体在这段直管中流动时的能量损失。的能量损失。第64页/共16

49、3页因此实际流体在机械能衡算时必须加入能量损失项。因此实际流体在机械能衡算时必须加入能量损失项。由此方程式可知，只有当由此方程式可知，只有当1-1截面处总能量大于截面处总能量大于2-2截面处总能量时，流体就能克服阻力流至截面处总能量时，流体就能克服阻力流至2-2截面。截面。式中式中Hf压头损失，压头损失，m。第65页/共163页流体机械能衡算式在实际生产中的应用流体机械能衡算式在实际生产中的应用（1-31）式中式中 H H 外加压头，外加压头，m m。（1-32）式中式中 hhf fgHgHf f，为单位质量流体的能量损失，为单位质量流体的能量损失，J/kgJ/kg。W WgHgH，为单位质量

50、流体的外加能量，为单位质量流体的外加能量，J/kgJ/kg。式式(1-31)(1-31)及及(1-32)(1-32)均为均为实际流体机械能衡算式实际流体机械能衡算式，习惯上也称它们为柏努利方程式。习惯上也称它们为柏努利方程式。第66页/共163页q分析和解决流体输送有关的问题；分析和解决流体输送有关的问题；柏努利方程是流体流动的基本方程式，它的应用柏努利方程是流体流动的基本方程式，它的应用范围很广。范围很广。q调节阀流通能力的计算等。调节阀流通能力的计算等。q液体流动过程中流量的测定；液体流动过程中流量的测定；四、柏努利方程式的应用第67页/共163页例例1-9用泵将贮槽用泵将贮槽(通大气通大