环境工程原理第三章1-2节(NXPowerLite).ppt

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1、第三章 流体流动 流流体体是是气气体体与与液液体体的的总总称称，流流体体流流动动是是环环境境工工程程中中最最普普遍遍的的单单元元操操作作之之一一。研研究究流流体体流流动是分析系统质量和能量转换过程的重要基础。动是分析系统质量和能量转换过程的重要基础。本章主要内容第一节第一节 流体静力学方程流体静力学方程第二节第二节 稳定流动系统的衡算方程稳定流动系统的衡算方程第三节第三节 流体流动的内摩擦力流体流动的内摩擦力第四节第四节 边界层理论边界层理论第五节第五节 流体流动的阻力损失流体流动的阻力损失第六节第六节 管路计算管路计算第七节第七节 流体测量流体测量第三章 流体流动 第一节 流体静力学方程流体

2、静力学方程一、流体的性质一、流体的性质1 1不能承受拉力，具有流动性；不能承受拉力，具有流动性；3 3受外力作用时内部产生相对运动。受外力作用时内部产生相对运动。2 2无固定形状，随容器形状而变化；无固定形状，随容器形状而变化；不可压缩流体：不可压缩流体：流体体积不随流体体积不随压力压力压力压力变化而变化，一般变化而变化，一般 指液体；指液体；可压缩流体：可压缩流体：流体体积随压力变化而变化，一般指流体体积随压力变化而变化，一般指 气体；气体；物质的宏观性质由物质内部的微观结构和分子间作用物质的宏观性质由物质内部的微观结构和分子间作用力所决定力所决定分子的热运动分子的热运动和相互碰撞和相互碰撞

3、给分子以动能使给分子以动能使之趋于飞散之趋于飞散 分子间相互作分子间相互作用力的约束用力的约束 以势能的作用使以势能的作用使之趋于团聚之趋于团聚 两种力竞争的结果决定了物质的外在宏观性质。而两种力竞争的结果决定了物质的外在宏观性质。而这两种力的大小与分子间距有很大关系。这两种力的大小与分子间距有很大关系。约约为为110-8 cm（分分子子尺尺度度的的量量级级），分分子子间间相相互互作作用用势势能能出出现现一一个个极极值值称称为为“势势阱阱”，即即分分子子结结合合能能，其其值值远远远远大大于于分分子子平平均均动动能能。分分子子力力占占主主导导地地位位，分分子子呈呈固固定定排排列列，分分子子热热运

4、运动动仅仅表表现现为为平衡位置附近的振荡。有一定形状且不易变形。平衡位置附近的振荡。有一定形状且不易变形。液体：分子热运动动能与分子间相互作用势能的竞液体：分子热运动动能与分子间相互作用势能的竞争势均力敌，分子间距比固体大争势均力敌，分子间距比固体大1/3左右。左右。不可压缩、易流动。不可压缩、易流动。气气体体：分分子子间间距距约约为为3.310-7cm（为为分分子子尺尺度度的的10倍倍）。分分子子平平均均动动能能远远远远大大于于分分子子间间相相互互作作用用势势能能，分分子子近近似似作作自自由由的的无无规规则则运运动动。易流动、可压缩。易流动、可压缩。超临界流体、等离子体超临界流体、等离子体流

5、体固体二、连续介质假定二、连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密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。点（或微团）所组成的连续介质。所谓质点是指由大量分子构成的微团，其尺所谓质点是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。这些寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，为连续介质。体充满所占空间，为连续介质。当当把把流流体体看看作作是是连连续续介介质质后后，流流体体微微团团连连续续布布满满整整个

6、个流流体体空空间间，流流体体的的物物理理性性质质和和运运动动参参数数成成为为空空间间的的连连续续函函数数，可可以以引引用用连连续续函函数数的的解解析析方方法法等等数学工具来研究流体的平衡和运动规律。数学工具来研究流体的平衡和运动规律。该该假假定定对对绝绝大大部部分分工工程程技技术术问问题题都都适适用用。但但当当流流动动体体系系的的特特征征尺尺度度与与分分子子的的平平均均自自由由程程相相当当时时，例例如如高高真真空空稀稀薄薄气气体体的的流流动动，连连续续介介质质假假定定受受到到限限制制，需需要要用用分分子子动动力力学学理理论论的的微微观观方方法法来来研研究究。本本书只研究连续介质的力学规律。书只

7、研究连续介质的力学规律。三、流体的受力三、流体的受力三、流体的受力三、流体的受力1、场场力：非接触力，大小与流体的力：非接触力，大小与流体的质质量成正比，例量成正比，例 如：重如：重 力，离心力，力，离心力，电电磁力等。磁力等。2、表面力：接触力，大小与和流体接触物体、表面力：接触力，大小与和流体接触物体(包括流包括流 体本身体本身)的表面的表面积积成正比，例如：成正比，例如：压压强强和和应应力。力。处于重力场中的流体，处于重力场中的流体，处于重力场中的流体，处于重力场中的流体，无论运动与否都受到力无论运动与否都受到力无论运动与否都受到力无论运动与否都受到力的作用，连续介质的受力服从牛顿定律。

8、的作用，连续介质的受力服从牛顿定律。的作用，连续介质的受力服从牛顿定律。的作用，连续介质的受力服从牛顿定律。（2 2）压力）压力(强强)的两种表征方法的两种表征方法（1 1）压压强强被被视视为为外外部部作作用用力力（包包括括流流体体柱柱自自身身的的重重力力），在在流流体体中中传传播播，其其方方向向始始终终与与作作用用面面相相垂垂直直；无无论论流流体体运运动动与与否否，压压强强始始终终存存在在，静静止止流流体体中中的的压压强强称称为为静静压压强强。在在流流体体空空间间任任一一点点处处，各各方方向的静压强相等。向的静压强相等。压力的大小常以两种不同的基准来表示：压力的大小常以两种不同的基准来表示：

9、一是绝一是绝对真空对真空；另一个是大气压力另一个是大气压力。基准不同，表示方。基准不同，表示方法也不同。以绝对真空为基准测得的压力称为绝法也不同。以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力，是流体的真实压力；以大气压为基准测对压力，是流体的真实压力；以大气压为基准测得的压力称为表压或真空度。得的压力称为表压或真空度。真空度真空度=p0 p 绝对压强绝对压强 表压表压=p p0绝对压强绝对压强绝对压强、表压和真空度间的关系绝对压强、表压和真空度间的关系绝对绝对真空真空 p=0大气大气压压强强 p0绝对压绝对压强强 p p0绝对压绝对压强强 p p0p例例：某某水水泵泵进进口口管管处处真真空空表表读读

10、数数为为650mmHg柱柱，出出 口口管管处处压压力力表表读读数数为为250Kpa，当当地地大大气气压压为为 1atm，试求水泵进出口处的绝对压力各为多少？，试求水泵进出口处的绝对压力各为多少？解：解：四、流体静力学基本方程四、流体静力学基本方程。容容器器内内装装有有密密度度为为的的液液体体，在在液液体体中中取取一一截截面面积积为为A的的液液柱柱，液液柱柱的的上上、下下表表面面与与容容器器底底的的距距离离分分别别为为Z1和和Z2。作作用用在在上上、下下表表面面的的压压强强分分别别为为P1和和P2。垂直方向对液柱进行受力分析：垂直方向对液柱进行受力分析：液柱重力液柱重力G=gA(Z1Z2)，上表

11、面受到向下的压力上表面受到向下的压力F1 =p1A，下表面受到向上的压力下表面受到向上的压力F2 =p2A，液柱处于静止状态，所受合力为零，液柱处于静止状态，所受合力为零，压力形式压力形式（1-1）能量形式能量形式（1-2）将液柱的上表面取在容器内的液面上，设液面上方的将液柱的上表面取在容器内的液面上，设液面上方的压强为压强为p0，液柱高度为，液柱高度为h，则式（，则式（1-1）可改写为）可改写为（1-3）流体静流体静力学基力学基本方程本方程1、静静力力学学方方程程适适用用于于在在重重力力场场中中静静止止、连连续续且且连连通的同种不可压缩流体，通的同种不可压缩流体，如液体。如液体。适用范围：适

12、用范围：2、对对于于气气体体，密密度度随随压压力力变变化化，若若气气体体的的压压力力变变化化不不大大，密密度度近近似似地地取取平平均均值值且且视视为为常常数数时时，式式(1-1)、(1-2)和和(1-3)也适用。也适用。讨论：讨论：（1）Zg、分别为单位质量流体所具有的位能和静压分别为单位质量流体所具有的位能和静压能能，即即在在同同一一静静止止流流体体中中，处处在在不不同同位位置置流流体体的的位位能能和和静静压压能各不相同，但能各不相同，但Zg和和 可以转换可以转换，其总和为常量。其总和为常量。因因此此，静静力力学学基基本本方方程程也也反反映映了了静静止止流流体体内内部部能能量量守守恒恒与转换

13、的关系。与转换的关系。（2）式（）式（1-2）可改写为）可改写为 压力或压力差可用液柱高度表示压力或压力差可用液柱高度表示，但需注明液，但需注明液体的种类。体的种类。（3）在静止、连续的同种液体内，在静止、连续的同种液体内，同一水平面各点的同一水平面各点的压强处处相等。压强处处相等。压强相等的面称为等压面。压强相等的面称为等压面。系统中任意一点只有一个压强；系统中任意一点只有一个压强；与大气连同的两个液面必定是等压面。与大气连同的两个液面必定是等压面。五、静力学基本方程的五、静力学基本方程的应应用用 利用静力学基本原理可以利用静力学基本原理可以测测量流体的量流体的压压力、容力、容器中的液位及器

14、中的液位及计计算液封的高度等。算液封的高度等。第二节 稳定流动系统的衡算方程 化化工工及及环环境境工工程程中中常常采采用用管管道道输输送送流流体体。管管流流系系统统的的质质量量衡衡算算和和能能量量衡衡算算方方程程是是解解决决管管路路计计算算、流流体体输输送送机机械械的的选选择择及及流流量量测测定定等等实实际际问问题题的的重重要要基基础础和和方方法法。本本节节学学习习流流体体流流动动的的规规律律，重重点点研研究究流体在管道内的流动规律。流体在管道内的流动规律。一、流动系统的质量衡算方程一、流动系统的质量衡算方程二、流动系统的能量衡算方程二、流动系统的能量衡算方程本节主要内容本节主要内容第二节 稳

15、定流动系统的衡算方程一、流体流动的状态一、流体流动的状态 在流动流体系统中，物理量是空间坐标和时间在流动流体系统中，物理量是空间坐标和时间的函数。的函数。稳态流动：稳态流动：流体流动系统中，各截面上的压力、流体流动系统中，各截面上的压力、流速、流量等物理量仅随位置变化，流速、流量等物理量仅随位置变化，而不随时间变化而不随时间变化。非稳态流动：非稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随流体在各截面上的有关物理量既随 位置变化，又随时间变化。位置变化，又随时间变化。qV2、u2、p2qV1、u1、p1qV2、u2、p2(a)恒位槽恒位槽(稳定流动稳定流动)(b)普通贮槽普通贮槽(不稳定流动不稳定流

16、动)二、流动系统的质量衡算方程二、流动系统的质量衡算方程在稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算。1、衡算范围：3、衡算基准：取管内壁截面取管内壁截面1-1 与与2-2 间的管段。间的管段。1s(单单位位时间时间)输入系统的质量流量：输出系统的质量流量：4、写出质量衡算方程：(3.1.1)2、衡算对象：管段内的流体管段内的流体 对于稳态过程对于稳态过程 对不可压缩流体，对不可压缩流体，为常数为常数不可压缩流体管内流动的连续性方程(3.1.2)(3.1.3)不可压缩流体作稳态流动时平均速度um仅随管截面积而变化。对于圆形管道()表明：表明：当体积流量一定时，管内流体的流速与管道当体积流量一定

17、时，管内流体的流速与管道直径的平方成反比；流体在均匀直管内作稳态流动直径的平方成反比；流体在均匀直管内作稳态流动时，平均速度恒定不变。时，平均速度恒定不变。思考：思考：如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程 又如何？又如何？三、流动系统的能量衡算方程三、流动系统的能量衡算方程1122系统与外界交换能量流体携带能量（一）总能量衡算（一）总能量衡算 衡算范衡算范围围：截面截面1-1与与 2-2间间的管道和的管道和设备设备。衡算基准：衡算基准：1kg流体。流体。取取0-0为为基准水平面。基准水平面。1、流体携带能量静压能静压能位能位能动能动能内能内能EEEE

18、E+=输出输出系统的物质的总能量系统的物质的总能量输入输入系统的物质的总能量系统的物质的总能量从外界从外界吸收的热量吸收的热量对外界所作的功对外界所作的功 稳态流动下，系统内部无能量积累，则能量衡算方程为(1)(1)内能：温度的函数，单位质量流体单位质量流体 的内能用的内能用e表示表示，单位 kJ/kg(2)(2)动能：流体流动时具有的能量(3)(3)位能：流体受重力作用具有的能量 ，取决于相对基准水平面的高度。单位质量流体具有的动能 单位质量流体的位能单位质量流体的位能单位质量流体的位能单位质量流体的位能 (4)静压能（流动功）静压能（流动功）流体内部任何位置具有一定的静压力。流体进入系统需

19、要对抗压力做功，这部分功成为流体静压能输入系统。流体在截面处具有的压力流体在截面处具有的压力 流体通过截面的距离为流体通过截面的距离为 流体通过截面的静压能流体通过截面的静压能 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 AF质量体积质量体积单位质量流体的总能量为单位质量流体的总能量为2、与外界交换的能量(1)功：单位质量流体对输送机械作功We，kJ/kg，We 为负值，表示输送机械对系统内流体作功。(2)热：单位质量流体在通过系统过程中与环境交换热量为Qe，kJ/kg，吸热为正值，放热为负值。3 3、总能量方程、总能量方程流体本身所具有能量和热、功就是流动系统的总能量流体本身所具有

20、能量和热、功就是流动系统的总能量1122单位质量流体稳定流动过程的总能量衡算式(3.1.10)功功机械能机械能内能内能 动能动能 位能位能 静压能静压能 热热注意：A.实际应用时密度、压力、高度可以采用截面处的平 均值。B.对于实际流体，截面上各点的速度不同，应用能量 衡算方程时应以截面上的平均动能代替方程中的动 能项，而不能以平均速度代替方程中的速度。?由于工程上常采用平均速度，为应用方便，引入动能校正系数，(3.1.10)引入动能校正系数后，(3.1.11)流体输送过程各种机械能相互转换，可用于输送流体可用于输送流体机械消耗过程转化为内能转化为内能，使流体温度略有升高从流体输送角度这部分机

21、械能“损失”（二）机械能衡算方程(柏努利方程柏努利方程)将总能量衡算方程中将总能量衡算方程中热和内能热和内能项消去，用项消去，用机械机械能和机械能损失能和机械能损失表示。表示。通过适当变换机械能衡算方程。机械能衡算方程。内能和热：不能直接转化为机械能用于流体输送1、机械能衡算方程、机械能衡算方程假设流动为稳态过程。根据热力学第一定律：单位质量流体从截面1-1流到2-2时因体积膨胀做的机械功单位质量流体从截面1-1流到2-2获得的热量流体克服流动阻力做功，消耗机械能转化成的热。流体通过环境直接获得的热阻力损失阻力损失(3.1.12)(3.1.13)单位质量流体的机械能衡算方程单位质量流体的机械能

22、衡算方程变换(3.1.15)(3.1.11)(3.1.14)变换适用于不可压缩流体和可压缩流体稳态流动过程适用于不可压缩流体和可压缩流体稳态流动过程2、柏努利方程柏努利方程对于不可压缩流体，比体积v或密度为常数，代入(3.1.15)式流体输送过程流体流态几乎都为湍流，令流体输送过程流体流态几乎都为湍流，令1 拓展的伯努利方程拓展的伯努利方程 伯努利方程伯努利方程 对于理想流体，无因黏性引起的摩擦阻力，若无外功加入 理想流体在管路中作稳态流动且无外功加入时，任一截面单位质量流体所具有的总机械能相等，即任一截面单位质量流体所具有的总机械能相等，即各种机械能之间可以相互转化，但总量不变。各种机械能之

23、间可以相互转化，但总量不变。常数3、机械能衡算方程机械能衡算方程(柏努利方程柏努利方程)的讨论的讨论 （2）实际流体在管路内流动时，）实际流体在管路内流动时，上游截面处总机械上游截面处总机械能大于下游截面处总机械能。能大于下游截面处总机械能。（4）当体系无外功，且处于静止状态）当体系无外功，且处于静止状态 流体静力平衡是流体流动状态的一个特例流体静力平衡是流体流动状态的一个特例（3）柏努利方程具有不同形式）柏努利方程具有不同形式（课本（课本p56-57）（1）适用条件：不可压缩、连续、均质流体）适用条件：不可压缩、连续、均质流体 确定输送设备的有效功率；确定输送设备的有效功率；，管道中流体的流

24、量；判断流体的流动方向；4、机械能衡算方程机械能衡算方程(柏努利方程柏努利方程)的应用的应用 We：输送设备对单位质量流体所做的输送设备对单位质量流体所做的有效功有效功，Ne：单位时间输送设备对流体所做的单位时间输送设备对流体所做的有效功有效功(功率功率)管路计算。(1)应用柏努利方程的注意事项应用柏努利方程的注意事项 1）作）作图图并确定衡算范并确定衡算范围围 根据根据题题意意画出流画出流动动系系统统示意示意图图，指明流体流指明流体流动动 方方 向，向，选择选择上下截面上下截面，明确衡算范，明确衡算范围围。2）截面的截取）截面的截取 截面截面应应与与流流动动方向垂直方向垂直，通，通过过截面截

25、面流体必流体必须连须连续续，所求所求未知量未知量应应在两截面上或两截面之在两截面上或两截面之间间。4）单单位必位必须须一致一致 应应用用柏柏努努利利方方程程前前，统统一一单单位位。两两截截面面的的压压强强除除 要求单位一致外，还要求表示方法一致要求单位一致外，还要求表示方法一致。3）基准水平面的）基准水平面的选选取取 基基准准水水平平面面的的位位置置可可任任意意选选取取，但但必必须须与与地地面面平平行行，为为计计算算方方便便，通通常常取取衡衡算算范范围围两两个个截截面面中中的的任任意意一一个个截截面面。如如衡衡算算范范围围为为水水平平管管道道，则则基基准准水平面通水平面通过过管道中心管道中心线

26、线，Z=0。例例1：化化工工厂厂用用泵泵将将敞敞口口碱碱液液池池中中的的碱碱液液(密密度度为为1100kg/m3)送送至至吸吸收收塔塔顶顶，经经喷喷嘴嘴喷喷出出。泵泵入入口口管管为为1084mm、出出口口管管为为763mm的的钢钢管管，管管中中流流速速1.2m/s。贮贮液液池池中中碱碱液液深深1.5m，池池底底至至塔塔顶顶喷喷嘴嘴入入口口处处距距离离为为20m。碱碱液液流流经经所所有有管管路路的的能能量量损损失失为为30.8J/kg(不不包包括括喷喷嘴嘴)，喷喷嘴嘴入入口口处处压压力力29.4kPa(表表压压)。设设泵泵的的效率效率为为60%，试试求求泵泵所需的功率。所需的功率。分析：分析：截

27、面的截面的选选取？取？u2=?连续连续性方程性方程柏努利方程柏努利方程N=Ne=Weqm/u2A2？米制管径米制管径：763 mm，d内内=76 32=70 mm解解：取取碱碱液液池池中中液液面面为为1-1、塔塔顶顶喷喷嘴嘴入入口口处处2-2为为截截面面，以以1-1为为基基准准水水平平面面。在在1-1和和2-2截截面面间间列列柏柏努努利利方方程程其中：其中：z1=0；p1=0（表（表压压）；）；u10 z2=20-1.5=18.5m；p2=29.4103 Pa（表（表压压）20m1.5m已知泵入口管尺寸及碱液流速，根据连续性方程计算泵出口管已知泵入口管尺寸及碱液流速，根据连续性方程计算泵出口管

28、碱液流速：碱液流速：m/s =1100 kg/m3，Wf=30.8 J/kg，将将以以上上各各值值代代入入方方程，求输送碱液所需的外加能量程，求输送碱液所需的外加能量J/kg碱液的质量流量碱液的质量流量kg/s泵的有效功率泵的有效功率则泵的轴功率则泵的轴功率kW 例例2：在在453mm的的管管路路上上装装一一文文丘丘里里管管，文文丘丘里里管管上上游游接接一一压压强强表表，其其读读数数为为137.5kPa，管管内内水水流流速速u1=1.3m/s，文文丘丘里里管管喉喉径径10mm，文文丘丘里里管管喉喉部部一一内内径径15mm的的玻玻璃璃管管，下下端端插插入入水水池池中中，池池内内水水面面到到管管中

29、中心心线线的的距距离离为为3m，若若将将水水视视为为理理想想流流体体，试试判判断断池池中中水水能能否否被被吸吸入入管管中中？若若能能吸吸入入，求求每每小小时时吸吸入入的的水水量量为为多少多少m3/h？分析：分析：比较总势能比较总势能求求P柏努利方程柏努利方程判断流向判断流向？解解：在在管管路路上上选选1-1和和2-2截截面面，取取3-3截截面面为为基基准准水水平平面面。设设支支管管中中水水为为静静止止状状态态。在在1-1截截面面和和2-2截面截面间间列柏努利方程：列柏努利方程：式中：式中：2-2截面的总势能为截面的总势能为 3-3截面的截面的总势总势能能为为 3-33-3 截面总势能大于截面总

30、势能大于截面总势能大于截面总势能大于2-22-2 截面总势能，水能被吸入管路中。截面总势能，水能被吸入管路中。截面总势能，水能被吸入管路中。截面总势能，水能被吸入管路中。在池面与玻璃管出口内侧间列柏努利方程：在池面与玻璃管出口内侧间列柏努利方程：求每小时从池中吸入的水量求每小时从池中吸入的水量 柏努利方程柏努利方程求管中流速求管中流速u式中：代入柏努利方程：（1）用圆管道输送水，流量增加1倍，若流速不变或管径不变，则管径或流速如何变化？（2）当布水孔板的开孔率为30时，流过布水孔的流速增加多少？（3）拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系，试简述这种关系，并说明该方程的适用条件。（4）在管流系统中，机械能的损耗转变成什么形式的能量？其宏观的表现形式是什么？（5）对于实际流体，流动过程中若无外功加入，则流体将向哪个方向流动？（6）如何确定流体输送管路系统所需要的输送机械的功率？思考题工厂全貌工厂设备1工厂设备2