第一章

流體流動(dòng)第一章

流體流動(dòng)流體是指具有流動(dòng)性的物體，包括液體和氣體。

流體輸送操作是化工生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍的單元操作。流體流動(dòng)是其它化工過程的基礎(chǔ)。

在研究流體流動(dòng)時(shí)，常將流體看成是由無數(shù)分子集團(tuán)所組成的連續(xù)介質(zhì)。流體力學(xué)：流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)

流體是指具有流動(dòng)性的物體，包括液體和氣體。流體靜力學(xué)

流體靜力學(xué)研究流體靜止或平衡的基本規(guī)律，以及這些規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用。在工程實(shí)際中的主要應(yīng)用如：流體在設(shè)備或管路內(nèi)壓強(qiáng)的變化與測(cè)量，液體在設(shè)備內(nèi)液位的測(cè)量，設(shè)備的液封等。

流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)研究流體靜止或平衡的基本規(guī)律，以及這些流體的密度

、密度：在均質(zhì)流體中，單位體積流體的質(zhì)量。

=m/vkg/m3、比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體的體積。

=v/mm3/kg流體的比容與密度互為倒數(shù)。流體的密度、密度：在均質(zhì)流體中，單位體積流體的質(zhì)量。液體的密度

溫度對(duì)液體密度有一定影響，故選用密度數(shù)值時(shí)要注意所確定的溫度。液體的比重是指在任何溫度下時(shí)液體的密度和水在4℃時(shí)密度之比值：S=/水

=/1000混合液體:液體的密度溫度對(duì)液體密度有一定影響，故選用密度數(shù)值時(shí)要注意氣體的密度

1、氣體的密度隨壓力和溫度變化很大，按照理想氣體狀態(tài)方程式近似計(jì)算:

PV=nRT= RT

=m/V=PM/RT

2、理想氣體標(biāo)況時(shí):0=M/22.4kg/m3

3、當(dāng)已知?dú)怏w標(biāo)況密度0： =0×T0/T×P/P0

4、混合氣體：=PM均/RT

m=AxVA+BxVB+…+NxVN

氣體的密度 1、氣體的密度隨壓力和溫度變化很大，按照理想氣作用在流體上的力

內(nèi)力：流體內(nèi)部分子間的相互作用力，分子間引力，壓力，內(nèi)摩擦力，它們?cè)诹黧w內(nèi)部，對(duì)所研究的那塊流體來講是相互平衡的，對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)是沒有影響的。 外力：外界作用于所研究的那塊流體的力。外力分表面力和質(zhì)量力兩種，流體運(yùn)動(dòng)的情況取決于外理。

作用在流體上的力內(nèi)力：流體內(nèi)部分子間的相互作用力，分子間作用在流體上的外力

a)表面力：作用在所研究的那塊流體表面上的力稱表面力，屬于這種力的有與該表面垂直的法向力以及與該表面相切的切向力，法向力即壓力。 b)質(zhì)量力：作用在所研究的流體各個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的一種力，其大小與質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量成正比，對(duì)均質(zhì)流體來說，也與流體的體積成正比，故亦稱體積力。

作用在流體上的外力a)表面力：作用在所研究的那塊流體表面上流體靜壓強(qiáng)（壓力）

靜止流體中任意界面上只受到大小相等方向相反的壓力，由于該壓力產(chǎn)生在靜止流體中，因而稱為靜壓力。單位面積上所受的靜壓力，稱為流體靜壓強(qiáng)。

p=P/AN/m2(Pa)使界面的面積縮小并趨于一點(diǎn)：流體靜壓強(qiáng)（壓力）靜止流體中任意界面上只受到大小相等方向相流體靜壓強(qiáng)的特征

1、流體靜壓強(qiáng)的方向總是和作用的面相垂直，并指相所考慮的那部分流體的內(nèi)部，即沿著作用面的內(nèi)法線方向。2、靜止流體內(nèi)部任何一點(diǎn)處的流體靜壓力，在各個(gè)方向都相等。3、在流體與固體接觸的表面，不論器壁的方向形狀如何，流體靜壓力總是垂直于器壁。

流體靜壓強(qiáng)的特征1、流體靜壓強(qiáng)的方向總是和作用的面相垂直，流體靜壓強(qiáng)的單位

●在SI制中壓力單位Pa:

1kPa=103Pa=106mPa●設(shè)容器底面積為Am2液柱高h(yuǎn)m，液體密度kg/m3，則液體作用在底面的力為PN等于液柱重量：P=mg=AhgN 作用在單位底面上的壓力：

p=P/A=hgN/m2

●當(dāng)液體一定，P、g一定為常數(shù)，所以可用高度h的大小表示壓力P的大?。?/p>

h=p/gm流體靜壓強(qiáng)的單位●在SI制中壓力單位Pa:

1kPa=1常用壓力單位的換算

1atm=1.013×105Pa=1.033at=760mmHg=

10.33mH2O1at=9.81×104Pa=1kgf/cm2=735.6mmHg=

10mH2O1bar=105Pa=1.013at=750mmHg=10.13H2O常用壓力單位的換算1atm=1.013×105Pa=1.0表壓、真空度和絕對(duì)壓強(qiáng)

當(dāng)設(shè)備內(nèi)實(shí)際壓強(qiáng)（絕壓）等于外界大氣壓時(shí)，壓力表讀數(shù)為0。當(dāng)設(shè)備內(nèi)絕壓大于外界大氣壓時(shí)，壓力表讀數(shù)表明絕壓與外界大氣壓之差。

P表=P絕－P大

當(dāng)設(shè)備內(nèi)絕壓小于外界大氣壓時(shí)，真空表讀數(shù)表明外界大氣壓與絕壓之差。

P真=P大－P絕真空度越大，絕壓越小，真空度又稱負(fù)表壓。表壓、真空度和絕對(duì)壓強(qiáng)當(dāng)設(shè)備內(nèi)實(shí)際壓強(qiáng)（絕壓）等于外界大流體靜力學(xué)基本方程

一、概念：由于這時(shí)流體處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，所以流體所受的質(zhì)量力只有重力，而重力就是地心吸力，是可以看作不變的，但靜止流體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力是不同的，所以實(shí)質(zhì)上是討論流體內(nèi)部壓力變化的規(guī)律，用于描述這一規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為流體靜力學(xué)基本方程。

流體靜力學(xué)基本方程一、概念：二、推導(dǎo)：重力F的投影：-ghdA上截面壓力：-P0dA下截面壓力：PadAPz=0-ghdA-P0dA+PadA=0流體靜力學(xué)基本方程式:Pa=P0+gh

二、推導(dǎo)：重力F的投影：-ghdA三、討論：

1、當(dāng)容器上方的自由表面上壓力的大小一定時(shí)，靜止液體內(nèi)部任一點(diǎn)壓力的大小與流體本身的密度和該點(diǎn)距液面的深度有關(guān)。因此在靜止的流通的同一液體處，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力都相等。2、當(dāng)液面上方的壓力有變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也發(fā)生同樣大小的改變。3、可見壓力差的大小可以用一定高度差的液體柱來表示，這就是前面所介紹的壓力可以用單位來計(jì)量的依據(jù)。但必須注明何種液體。

三、討論：1、當(dāng)容器上方的自由表面上壓力流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用舉例

一、流體靜壓力的測(cè)量：

二、液位的測(cè)量：

三、液封高度的計(jì)算：

流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用舉例一、流體靜壓力的測(cè)量：流體在管內(nèi)的流動(dòng)

1、流量：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)統(tǒng)過任一截面的流體量。體積流量：Vs(m3/s)質(zhì)量流量：Ws(kg/s)關(guān)系：Ws=Vs2、流速：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的距離。

平均流速u=Vs/S質(zhì)量流速Gkg/m2s流體在管內(nèi)的流動(dòng)1、流量：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)統(tǒng)3、Vs，Ws，u，G之間的關(guān)系：u=Vs/A Vs=uS G=Ws/A=uA/A=u4、圓形管道直徑的選定：一般管路截面積都是圓形，

S＝ Vs=u 則u=Vs/ di=3、Vs，Ws，u，G之間的關(guān)系：穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)

1、

穩(wěn)定流動(dòng)各截面上流體的流速，壓強(qiáng)，密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改變，不隨時(shí)間而改變的流動(dòng)稱為穩(wěn)定流動(dòng)。2、不穩(wěn)定流動(dòng)

各截面上流體的流速，壓強(qiáng)，密度等有關(guān)物理量不僅隨位置而改變，而且隨時(shí)間而變的流動(dòng)就稱為不穩(wěn)定流動(dòng)。

穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)1、

穩(wěn)定流動(dòng)流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的物料衡算—連續(xù)性方程

物料衡算 Ws1＝Ws2＝常數(shù)kg/su11A1=u22A2＝常數(shù)～連續(xù)性方程 若流體不可壓縮液體＝常數(shù)u1S1=u2S2對(duì)圓管S=d2/4u1d12=u2d22流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的物料衡算—連續(xù)性方程物料衡算流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量衡算—柏努利方程

一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算

簡(jiǎn)單流程、基本假設(shè)、衡算范圍、衡算基準(zhǔn)、基準(zhǔn)水平面、衡算內(nèi)容

U1+gz1+u12/2+P1v1+Qe+We=U2+gz2+u22/2+P2v2––––總能量衡算式

即、U+gz+u2/2+(Pv)=Qe+We

流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量衡算—柏努利方程一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算—柏努利方程

Qe`=Qe+hfU=Qe+hf-代入總能量衡算式:Qe+hf-+gz+u2/2+(Pv)=Qe+We(Pv)= +gz+u2/2+=We-hf流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算—柏努利方程Qe`=Qe+hf不可壓縮流體:比容v=c,v=1/

=p/gz+u2/2+p/=We-hf或gz1+u12/2+p1/+We=gz2+u22/2+p2/+hf不可壓縮流體:gz1+u12/2+p1/+w=gz2+u22/2+p2/+E損

它的應(yīng)用條件：1、連續(xù)的穩(wěn)定流動(dòng)2、不可壓縮流體的流動(dòng)3、同一種流體內(nèi)4、對(duì)氣體(p1-p2)/p1<20%可以用，但用mgz1+u12/2+p1/+w=gz2+u22/2+p2/柏努利方程的應(yīng)用

確定容器的相對(duì)位置確定送料用壓縮空氣的壓力確定輸送設(shè)備的有效功率計(jì)算管道中流體的流量

柏努利方程的應(yīng)用確定容器的相對(duì)位置應(yīng)用柏努利方程的解題要點(diǎn)

1、作圖，確定衡算范圍

2、截面的選取

3、基準(zhǔn)水平面的選取

4、單位必須一致，各物理量單位換算成一致的，對(duì)壓強(qiáng)表示方法也要一致，同時(shí)用絕壓或同時(shí)用表壓。

應(yīng)用柏努利方程的解題要點(diǎn)1、作圖，確定衡算范圍流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力

一、流體的粘性粘性：盡管流體抵抗剪切力的性能很弱，但這種性能還是存在的，并且在某些情況下還是不能忽略，我們把流體的這種抗拒剪切力的特性，稱為粘性。粘性越大，內(nèi)摩擦力越大，阻力越大。內(nèi)摩擦力：流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力，稱為內(nèi)摩擦力，是流體粘性的表現(xiàn)，又稱粘滯力或粘性摩擦力。內(nèi)摩擦力是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)造成能量損失的根本緣由。

流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力一、流體的粘性

二、牛頓粘性定律

流體內(nèi)摩擦力F=

uS/y剪應(yīng)力

=F/S=u/y管內(nèi)流動(dòng)時(shí)：

=du/dy（牛頓粘性定律）––粘度

二、牛頓粘性定律流體內(nèi)摩擦力F=uS/y流體的粘度

粘度的物理意義：促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。

粘度是流體的物理性質(zhì)之一，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，液體的粘度隨溫度升高而減小，壓強(qiáng)變化時(shí)，其粘度基本不變。氣體粘度隨壓強(qiáng)增加而增加的很小，工程計(jì)算一般忽略。

流體的粘度粘度的物理意義：促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪粘度單位

在SI制中，[]=PaS=kg/(Sm)1P=1g/(cms)=100cP=0.1PaS運(yùn)動(dòng)粘度：=/單位：在SI中為m2/s物理制為cm2/s，稱為斯托克斯，簡(jiǎn)稱拖（st）對(duì)常壓氣體混合物的粘度m=yiiMi1/2/yimi對(duì)于分子不締和的液體混合物的粘度：lgm=xilgI粘度單位在SI制中，[]=PaS=kg/(Sm)流體的流動(dòng)型態(tài)

兩種流動(dòng)型態(tài)：

層流：各層以不同的流速平行于管壁向前流動(dòng)。湍流：除了沿管道向前運(yùn)動(dòng)以外，各質(zhì)點(diǎn)還作不規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)且互相碰撞，互相混和。

流體的流動(dòng)型態(tài)兩種流動(dòng)型態(tài)：雷諾實(shí)驗(yàn)裝置雷諾實(shí)驗(yàn)裝置雷諾實(shí)驗(yàn)錄象雷諾實(shí)驗(yàn)錄象流型的判據(jù)–––雷諾數(shù)

雷諾數(shù)Re=(du)/Re是一個(gè)準(zhǔn)數(shù)，即沒有單位的純數(shù)實(shí)驗(yàn)證明，流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)層流Re<2000湍流Re>4000過渡流2000<Re<4000流型的判據(jù)–––雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re=(du)/流體在圓管內(nèi)的流動(dòng)速度分布速度分布：由于流體具有粘度，使管壁處速度為零，離開管壁以后速度漸增，到中心處速度最大，此種變化關(guān)系稱速度分布。

流體在圓管內(nèi)的流動(dòng)速度分布速度分布：由于流體具有粘度，使湍流時(shí)滯流內(nèi)層和緩沖層

層流內(nèi)層或滯流底層

緩沖層或過渡層

湍流主體

層流內(nèi)層的厚度隨Re的增大而減薄

湍流時(shí)滯流內(nèi)層和緩沖層層流內(nèi)層或滯流底層單根圓管外邊界層分離單根圓管外邊界層分離流體阻力的計(jì)算

直管阻力：流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)，由于流體的內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力。局部阻力：主要是由于流體流經(jīng)管路的管件，閥門及管截面的突然擴(kuò)大或突然縮小等局部地方所引起的阻力。

流體阻力的計(jì)算直管阻力：流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)，由于流體衡算系統(tǒng)中能量損失可用不同方法來表示

以1kg流體為衡算基準(zhǔn)：hf以1N流體為衡算基準(zhǔn)：hf/g=Hf以1m3流體為衡算基準(zhǔn)：hf

=Pf由實(shí)驗(yàn)得知，流動(dòng)的流速越快，阻力越大，由于克服阻力消耗的能量愈多。hf=u2/2

衡算系統(tǒng)中能量損失可用不同方法來表示以1kg流體為衡算基流體在直管中的流動(dòng)阻力

計(jì)算圓形直管阻力的通式—范寧公式

hf=

其中：=8/u2

流體在直管中的流動(dòng)阻力計(jì)算圓形直管阻力的通式—范寧公式管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

1、

絕對(duì)粗糙度：指壁面凸出部分的平均高度2、

相對(duì)粗糙度：指絕對(duì)粗糙度與管道直徑的比值。/d層流：管壁上凹凸不平的地方都是被有規(guī)則的流體層所覆蓋，而流動(dòng)速度又比較緩慢，流體質(zhì)點(diǎn)對(duì)管壁凸出部分不會(huì)碰撞，故層流時(shí)，與管壁粗糙度無關(guān)。

湍流： 當(dāng)b>此時(shí)管壁粗糙度對(duì)于的影響與層流相同。

當(dāng)b<此時(shí)壁面粗糙度對(duì)影響成為重要因素。

管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響1、

絕對(duì)粗糙度：指壁面凸出部層流時(shí)的摩擦系數(shù)

=64/Re湍流時(shí)的摩擦系數(shù)

湍流時(shí)摩擦系數(shù)與流動(dòng)型態(tài)和管壁粗糙度有關(guān)。影響因素很多無通用計(jì)算式，只能用經(jīng)驗(yàn)公式算或圖1-31查得值。

摩擦系數(shù)

層流時(shí)的摩擦系數(shù)

=64/Re摩擦系數(shù)非圓形管道的摩擦系數(shù)

當(dāng)量直徑de=對(duì)于非圓形管道用當(dāng)量直徑代替直徑計(jì)算，湍流時(shí)的計(jì)算與圓管相同，層流時(shí)=C/64,C值的不同情況見書。

非圓形管道的摩擦系數(shù)當(dāng)量直徑de=管路的局部阻力

流體在管路的進(jìn)口，出口，彎頭，閥門，擴(kuò)大，縮小等局部位置流過時(shí)的阻力稱為局部阻力。

管路的局部阻力流體在管路的進(jìn)口，出口，彎頭，閥門，擴(kuò)大，縮1、

阻力系數(shù)法把克服局部阻力所引起的能量損失，用動(dòng)能與系數(shù)相乘的形式來表示。hf`=u2/2––局部阻力系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。2、

當(dāng)量長(zhǎng)度法把流體的局部阻力折合成相當(dāng)于流體流過長(zhǎng)度為le的同直徑的管道時(shí)所產(chǎn)生的阻力。 hf`=1、

阻力系數(shù)法管路總能量損失的計(jì)算

管路總能量損失的計(jì)算流體輸送管路的計(jì)算

簡(jiǎn)單管路：管徑相等或由不同管徑的管段串聯(lián)組成的管路。

復(fù)雜管路：指并聯(lián)管路，分支與匯合管路等。

流體輸送管路的計(jì)算簡(jiǎn)單管路：管徑相等或由不同管徑的管段串聯(lián)簡(jiǎn)單管路的計(jì)算

1、

已知管徑，管長(zhǎng)，管件和閥門的設(shè)置及流體輸送量求流體通過此管路系統(tǒng)的能量損失，以便于進(jìn)一步確定設(shè)備內(nèi)壓力，設(shè)備間的相對(duì)位置或輸送設(shè)備所加入的外功。2、

已知管材，管徑，管長(zhǎng)，及局部阻力系數(shù)，供液點(diǎn)，需液點(diǎn)的位置和壓力及供液點(diǎn)的壓力情況，求流體的流速或流量。3、已知管長(zhǎng)，管件和閥門的設(shè)置，允許的能量損失及流量，求管徑。

簡(jiǎn)單管路的計(jì)算1、

已知管徑，管長(zhǎng)，管件和閥門的設(shè)置及流復(fù)雜管路計(jì)算的原則

并聯(lián)管路

分支管路

復(fù)雜管路計(jì)算的原則并聯(lián)管路并聯(lián)管路

1、

1、流體流動(dòng)規(guī)律

Vs=Vs1+Vs2+Vs3(不可壓縮流體)

hfA-B=hf1=hf2=hf32、

討論（1）流體在各支管的流量和流速受兩式限制。（2）管子長(zhǎng)，直徑小，而摩擦因數(shù)大的管段，流量小。管子短，直徑大，而摩擦因數(shù)小的管段，流量大。 （3）并聯(lián)管段的能量損失hf，只需考慮其中任意管段的能量損失hf即可。

并聯(lián)管路1、

1、流體流動(dòng)規(guī)律分支管路

1、

流體流動(dòng)規(guī)律Vs=Vs1+Vs2(不可壓縮流體) gzA+uA2/2+PA/+hfC-A=gzB+uB2/2+PB/+hfC-B2、

討論流體在流往各支管的流量取決于上式。計(jì)算分支管路所需的能量時(shí)，為了能保證將流體輸送到需用能量最大的支管目的地，就需要按照耗用能量最大的那根支管管路計(jì)算。分支管路1、

流體流動(dòng)規(guī)律管道直徑的選擇和計(jì)算

Vs=udi=管道直徑的選擇和計(jì)算Vs=u流速和流量的測(cè)定

測(cè)速管

孔板流量計(jì)

文丘里流量計(jì)

轉(zhuǎn)子流量計(jì)

流速和流量的測(cè)定測(cè)速管測(cè)速管1、構(gòu)造2、測(cè)速原理內(nèi)管測(cè)得的為流體的沖壓頭：HA=u2/(2g)+P/(g)外管測(cè)得的為流體的靜壓頭：HB=P/(g)管壓差計(jì)讀數(shù)為與之差，即H=HA-HB=u2/(2g)則測(cè)量點(diǎn)的局部流速為：ur=測(cè)速管1、構(gòu)造測(cè)速管優(yōu)缺點(diǎn)

1、優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確性較高，流體阻力小，適用于測(cè)量大直徑管路中氣體流速。 2、缺點(diǎn)：不能直接測(cè)出平均流速，且壓差讀數(shù)較小，當(dāng)流體中含固體雜質(zhì)時(shí)，易將測(cè)壓孔堵塞，故不宜適用測(cè)速管。

測(cè)速管優(yōu)缺點(diǎn)

孔板流量計(jì)

構(gòu)造

孔板流量計(jì)構(gòu)造孔板流量計(jì)錄像孔板流量計(jì)錄像孔板流量計(jì)測(cè)量原理

在孔板前后列柏努利方程式，經(jīng)整理可得： Vs=u0A0=孔板流量計(jì)測(cè)量原理在孔板前后列柏努利方程式，經(jīng)整理可得：孔板流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)

1、

優(yōu)點(diǎn)：制造簡(jiǎn)單，隨測(cè)量條件變化時(shí)，更換方便。 2、缺點(diǎn)：能量損失較大。

孔板流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)1、

優(yōu)點(diǎn)：制造簡(jiǎn)單，隨測(cè)量條件變化時(shí)文丘里流量計(jì)

構(gòu)造

工作原理

與孔板流量計(jì)相似，計(jì)算式也相似：Vs=文丘里流量計(jì)構(gòu)造文氏流量計(jì)錄像文氏流量計(jì)錄像文丘里流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)

1、優(yōu)點(diǎn)：能量損失小

2、缺點(diǎn)：各部分尺寸要求嚴(yán)格，要精細(xì)加工，造價(jià)高。

文丘里流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)：能量損失小轉(zhuǎn)子流量計(jì)

構(gòu)造

轉(zhuǎn)子流量計(jì)構(gòu)造轉(zhuǎn)子流量計(jì)工作原理

轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)力：1、上推力等于流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐管間的環(huán)形截面所產(chǎn)生的壓力差；2、凈重力等于轉(zhuǎn)子所受重力減去流體對(duì)轉(zhuǎn)子的浮力；當(dāng)上推力大于凈重力，轉(zhuǎn)子上??；當(dāng)上推力小于凈重力，轉(zhuǎn)子下降；當(dāng)上推力等于凈重力，轉(zhuǎn)子平衡，停止在某一位置。轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量公式：Vs=轉(zhuǎn)子流量計(jì)工作原理轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)力：轉(zhuǎn)子流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)

1、優(yōu)點(diǎn)：讀數(shù)方便，能量損失小，測(cè)量范圍寬，能用于腐蝕性流體的測(cè)量。 2、缺點(diǎn)：管壁大多為玻璃制品，不能受高溫和高壓，易破碎而且安裝時(shí)要求保持垂直。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)：讀數(shù)方便，能量損失小，測(cè)量范圍寬三種流量計(jì)的區(qū)別

孔板流量計(jì)，文丘里流量計(jì)稱為差壓式流量計(jì)；轉(zhuǎn)子流量計(jì)稱為截面流量計(jì)。

三種流量計(jì)的區(qū)別孔板流量計(jì)，文丘里流量計(jì)稱為差壓式流量計(jì)；第一章

流體流動(dòng)第一章

流體流動(dòng)流體是指具有流動(dòng)性的物體，包括液體和氣體。

流體輸送操作是化工生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍的單元操作。流體流動(dòng)是其它化工過程的基礎(chǔ)。

在研究流體流動(dòng)時(shí)，常將流體看成是由無數(shù)分子集團(tuán)所組成的連續(xù)介質(zhì)。流體力學(xué)：流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)

流體是指具有流動(dòng)性的物體，包括液體和氣體。流體靜力學(xué)

流體靜力學(xué)研究流體靜止或平衡的基本規(guī)律，以及這些規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用。在工程實(shí)際中的主要應(yīng)用如：流體在設(shè)備或管路內(nèi)壓強(qiáng)的變化與測(cè)量，液體在設(shè)備內(nèi)液位的測(cè)量，設(shè)備的液封等。

流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)研究流體靜止或平衡的基本規(guī)律，以及這些流體的密度

、密度：在均質(zhì)流體中，單位體積流體的質(zhì)量。

=m/vkg/m3、比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體的體積。

=v/mm3/kg流體的比容與密度互為倒數(shù)。流體的密度、密度：在均質(zhì)流體中，單位體積流體的質(zhì)量。液體的密度

溫度對(duì)液體密度有一定影響，故選用密度數(shù)值時(shí)要注意所確定的溫度。液體的比重是指在任何溫度下時(shí)液體的密度和水在4℃時(shí)密度之比值：S=/水

=/1000混合液體:液體的密度溫度對(duì)液體密度有一定影響，故選用密度數(shù)值時(shí)要注意氣體的密度

1、氣體的密度隨壓力和溫度變化很大，按照理想氣體狀態(tài)方程式近似計(jì)算:

PV=nRT= RT

=m/V=PM/RT

2、理想氣體標(biāo)況時(shí):0=M/22.4kg/m3

3、當(dāng)已知?dú)怏w標(biāo)況密度0： =0×T0/T×P/P0

4、混合氣體：=PM均/RT

m=AxVA+BxVB+…+NxVN

氣體的密度 1、氣體的密度隨壓力和溫度變化很大，按照理想氣作用在流體上的力

內(nèi)力：流體內(nèi)部分子間的相互作用力，分子間引力，壓力，內(nèi)摩擦力，它們?cè)诹黧w內(nèi)部，對(duì)所研究的那塊流體來講是相互平衡的，對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)是沒有影響的。 外力：外界作用于所研究的那塊流體的力。外力分表面力和質(zhì)量力兩種，流體運(yùn)動(dòng)的情況取決于外理。

作用在流體上的力內(nèi)力：流體內(nèi)部分子間的相互作用力，分子間作用在流體上的外力

a)表面力：作用在所研究的那塊流體表面上的力稱表面力，屬于這種力的有與該表面垂直的法向力以及與該表面相切的切向力，法向力即壓力。 b)質(zhì)量力：作用在所研究的流體各個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的一種力，其大小與質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量成正比，對(duì)均質(zhì)流體來說，也與流體的體積成正比，故亦稱體積力。

作用在流體上的外力a)表面力：作用在所研究的那塊流體表面上流體靜壓強(qiáng)（壓力）

靜止流體中任意界面上只受到大小相等方向相反的壓力，由于該壓力產(chǎn)生在靜止流體中，因而稱為靜壓力。單位面積上所受的靜壓力，稱為流體靜壓強(qiáng)。

p=P/AN/m2(Pa)使界面的面積縮小并趨于一點(diǎn)：流體靜壓強(qiáng)（壓力）靜止流體中任意界面上只受到大小相等方向相流體靜壓強(qiáng)的特征

1、流體靜壓強(qiáng)的方向總是和作用的面相垂直，并指相所考慮的那部分流體的內(nèi)部，即沿著作用面的內(nèi)法線方向。2、靜止流體內(nèi)部任何一點(diǎn)處的流體靜壓力，在各個(gè)方向都相等。3、在流體與固體接觸的表面，不論器壁的方向形狀如何，流體靜壓力總是垂直于器壁。

流體靜壓強(qiáng)的特征1、流體靜壓強(qiáng)的方向總是和作用的面相垂直，流體靜壓強(qiáng)的單位

●在SI制中壓力單位Pa:

1kPa=103Pa=106mPa●設(shè)容器底面積為Am2液柱高h(yuǎn)m，液體密度kg/m3，則液體作用在底面的力為PN等于液柱重量：P=mg=AhgN 作用在單位底面上的壓力：

p=P/A=hgN/m2

●當(dāng)液體一定，P、g一定為常數(shù)，所以可用高度h的大小表示壓力P的大?。?/p>

h=p/gm流體靜壓強(qiáng)的單位●在SI制中壓力單位Pa:

1kPa=1常用壓力單位的換算

1atm=1.013×105Pa=1.033at=760mmHg=

10.33mH2O1at=9.81×104Pa=1kgf/cm2=735.6mmHg=

10mH2O1bar=105Pa=1.013at=750mmHg=10.13H2O常用壓力單位的換算1atm=1.013×105Pa=1.0表壓、真空度和絕對(duì)壓強(qiáng)

當(dāng)設(shè)備內(nèi)實(shí)際壓強(qiáng)（絕壓）等于外界大氣壓時(shí)，壓力表讀數(shù)為0。當(dāng)設(shè)備內(nèi)絕壓大于外界大氣壓時(shí)，壓力表讀數(shù)表明絕壓與外界大氣壓之差。

P表=P絕－P大

當(dāng)設(shè)備內(nèi)絕壓小于外界大氣壓時(shí)，真空表讀數(shù)表明外界大氣壓與絕壓之差。

P真=P大－P絕真空度越大，絕壓越小，真空度又稱負(fù)表壓。表壓、真空度和絕對(duì)壓強(qiáng)當(dāng)設(shè)備內(nèi)實(shí)際壓強(qiáng)（絕壓）等于外界大流體靜力學(xué)基本方程

一、概念：由于這時(shí)流體處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，所以流體所受的質(zhì)量力只有重力，而重力就是地心吸力，是可以看作不變的，但靜止流體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力是不同的，所以實(shí)質(zhì)上是討論流體內(nèi)部壓力變化的規(guī)律，用于描述這一規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為流體靜力學(xué)基本方程。

流體靜力學(xué)基本方程一、概念：二、推導(dǎo)：重力F的投影：-ghdA上截面壓力：-P0dA下截面壓力：PadAPz=0-ghdA-P0dA+PadA=0流體靜力學(xué)基本方程式:Pa=P0+gh

二、推導(dǎo)：重力F的投影：-ghdA三、討論：

1、當(dāng)容器上方的自由表面上壓力的大小一定時(shí)，靜止液體內(nèi)部任一點(diǎn)壓力的大小與流體本身的密度和該點(diǎn)距液面的深度有關(guān)。因此在靜止的流通的同一液體處，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力都相等。2、當(dāng)液面上方的壓力有變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也發(fā)生同樣大小的改變。3、可見壓力差的大小可以用一定高度差的液體柱來表示，這就是前面所介紹的壓力可以用單位來計(jì)量的依據(jù)。但必須注明何種液體。

三、討論：1、當(dāng)容器上方的自由表面上壓力流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用舉例

一、流體靜壓力的測(cè)量：

二、液位的測(cè)量：

三、液封高度的計(jì)算：

流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用舉例一、流體靜壓力的測(cè)量：流體在管內(nèi)的流動(dòng)

1、流量：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)統(tǒng)過任一截面的流體量。體積流量：Vs(m3/s)質(zhì)量流量：Ws(kg/s)關(guān)系：Ws=Vs2、流速：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的距離。

平均流速u=Vs/S質(zhì)量流速Gkg/m2s流體在管內(nèi)的流動(dòng)1、流量：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)統(tǒng)3、Vs，Ws，u，G之間的關(guān)系：u=Vs/A Vs=uS G=Ws/A=uA/A=u4、圓形管道直徑的選定：一般管路截面積都是圓形，

S＝ Vs=u 則u=Vs/ di=3、Vs，Ws，u，G之間的關(guān)系：穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)

1、

穩(wěn)定流動(dòng)各截面上流體的流速，壓強(qiáng)，密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改變，不隨時(shí)間而改變的流動(dòng)稱為穩(wěn)定流動(dòng)。2、不穩(wěn)定流動(dòng)

各截面上流體的流速，壓強(qiáng)，密度等有關(guān)物理量不僅隨位置而改變，而且隨時(shí)間而變的流動(dòng)就稱為不穩(wěn)定流動(dòng)。

穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)1、

穩(wěn)定流動(dòng)流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的物料衡算—連續(xù)性方程

物料衡算 Ws1＝Ws2＝常數(shù)kg/su11A1=u22A2＝常數(shù)～連續(xù)性方程 若流體不可壓縮液體＝常數(shù)u1S1=u2S2對(duì)圓管S=d2/4u1d12=u2d22流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的物料衡算—連續(xù)性方程物料衡算流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量衡算—柏努利方程

一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算

簡(jiǎn)單流程、基本假設(shè)、衡算范圍、衡算基準(zhǔn)、基準(zhǔn)水平面、衡算內(nèi)容

U1+gz1+u12/2+P1v1+Qe+We=U2+gz2+u22/2+P2v2––––總能量衡算式

即、U+gz+u2/2+(Pv)=Qe+We

流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量衡算—柏努利方程一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算—柏努利方程

Qe`=Qe+hfU=Qe+hf-代入總能量衡算式:Qe+hf-+gz+u2/2+(Pv)=Qe+We(Pv)= +gz+u2/2+=We-hf流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算—柏努利方程Qe`=Qe+hf不可壓縮流體:比容v=c,v=1/

=p/gz+u2/2+p/=We-hf或gz1+u12/2+p1/+We=gz2+u22/2+p2/+hf不可壓縮流體:gz1+u12/2+p1/+w=gz2+u22/2+p2/+E損

它的應(yīng)用條件：1、連續(xù)的穩(wěn)定流動(dòng)2、不可壓縮流體的流動(dòng)3、同一種流體內(nèi)4、對(duì)氣體(p1-p2)/p1<20%可以用，但用mgz1+u12/2+p1/+w=gz2+u22/2+p2/柏努利方程的應(yīng)用

確定容器的相對(duì)位置確定送料用壓縮空氣的壓力確定輸送設(shè)備的有效功率計(jì)算管道中流體的流量

柏努利方程的應(yīng)用確定容器的相對(duì)位置應(yīng)用柏努利方程的解題要點(diǎn)

1、作圖，確定衡算范圍

2、截面的選取

3、基準(zhǔn)水平面的選取

4、單位必須一致，各物理量單位換算成一致的，對(duì)壓強(qiáng)表示方法也要一致，同時(shí)用絕壓或同時(shí)用表壓。

應(yīng)用柏努利方程的解題要點(diǎn)1、作圖，確定衡算范圍流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力

一、流體的粘性粘性：盡管流體抵抗剪切力的性能很弱，但這種性能還是存在的，并且在某些情況下還是不能忽略，我們把流體的這種抗拒剪切力的特性，稱為粘性。粘性越大，內(nèi)摩擦力越大，阻力越大。內(nèi)摩擦力：流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力，稱為內(nèi)摩擦力，是流體粘性的表現(xiàn)，又稱粘滯力或粘性摩擦力。內(nèi)摩擦力是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)造成能量損失的根本緣由。

流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力一、流體的粘性

二、牛頓粘性定律

流體內(nèi)摩擦力F=

uS/y剪應(yīng)力

=F/S=u/y管內(nèi)流動(dòng)時(shí)：

=du/dy（牛頓粘性定律）––粘度

二、牛頓粘性定律流體內(nèi)摩擦力F=uS/y流體的粘度

粘度的物理意義：促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。

粘度是流體的物理性質(zhì)之一，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，液體的粘度隨溫度升高而減小，壓強(qiáng)變化時(shí)，其粘度基本不變。氣體粘度隨壓強(qiáng)增加而增加的很小，工程計(jì)算一般忽略。

流體的粘度粘度的物理意義：促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪粘度單位

在SI制中，[]=PaS=kg/(Sm)1P=1g/(cms)=100cP=0.1PaS運(yùn)動(dòng)粘度：=/單位：在SI中為m2/s物理制為cm2/s，稱為斯托克斯，簡(jiǎn)稱拖（st）對(duì)常壓氣體混合物的粘度m=yiiMi1/2/yimi對(duì)于分子不締和的液體混合物的粘度：lgm=xilgI粘度單位在SI制中，[]=PaS=kg/(Sm)流體的流動(dòng)型態(tài)

兩種流動(dòng)型態(tài)：

層流：各層以不同的流速平行于管壁向前流動(dòng)。湍流：除了沿管道向前運(yùn)動(dòng)以外，各質(zhì)點(diǎn)還作不規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)且互相碰撞，互相混和。

流體的流動(dòng)型態(tài)兩種流動(dòng)型態(tài)：雷諾實(shí)驗(yàn)裝置雷諾實(shí)驗(yàn)裝置雷諾實(shí)驗(yàn)錄象雷諾實(shí)驗(yàn)錄象流型的判據(jù)–––雷諾數(shù)

雷諾數(shù)Re=(du)/Re是一個(gè)準(zhǔn)數(shù)，即沒有單位的純數(shù)實(shí)驗(yàn)證明，流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)層流Re<2000湍流Re>4000過渡流2000<Re<4000流型的判據(jù)–––雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re=(du)/流體在圓管內(nèi)的流動(dòng)速度分布速度分布：由于流體具有粘度，使管壁處速度為零，離開管壁以后速度漸增，到中心處速度最大，此種變化關(guān)系稱速度分布。

流體在圓管內(nèi)的流動(dòng)速度分布速度分布：由于流體具有粘度，使湍流時(shí)滯流內(nèi)層和緩沖層

層流內(nèi)層或滯流底層

緩沖層或過渡層

湍流主體

層流內(nèi)層的厚度隨Re的增大而減薄

湍流時(shí)滯流內(nèi)層和緩沖層層流內(nèi)層或滯流底層單根圓管外邊界層分離單根圓管外邊界層分離流體阻力的計(jì)算

直管阻力：流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)，由于流體的內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力。局部阻力：主要是由于流體流經(jīng)管路的管件，閥門及管截面的突然擴(kuò)大或突然縮小等局部地方所引起的阻力。

流體阻力的計(jì)算直管阻力：流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)，由于流體衡算系統(tǒng)中能量損失可用不同方法來表示

以1kg流體為衡算基準(zhǔn)：hf以1N流體為衡算基準(zhǔn)：hf/g=Hf以1m3流體為衡算基準(zhǔn)：hf

=Pf由實(shí)驗(yàn)得知，流動(dòng)的流速越快，阻力越大，由于克服阻力消耗的能量愈多。hf=u2/2

衡算系統(tǒng)中能量損失可用不同方法來表示以1kg流體為衡算基流體在直管中的流動(dòng)阻力

計(jì)算圓形直管阻力的通式—范寧公式

hf=

其中：=8/u2

流體在直管中的流動(dòng)阻力計(jì)算圓形直管阻力的通式—范寧公式管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

1、

絕對(duì)粗糙度：指壁面凸出部分的平均高度2、

相對(duì)粗糙度：指絕對(duì)粗糙度與管道直徑的比值。/d層流：管壁上凹凸不平的地方都是被有規(guī)則的流體層所覆蓋，而流動(dòng)速度又比較緩慢，流體質(zhì)點(diǎn)對(duì)管壁凸出部分不會(huì)碰撞，故層流時(shí)，與管壁粗糙度無關(guān)。

湍流： 當(dāng)b>此時(shí)管壁粗糙度對(duì)于的影響與層流相同。

當(dāng)b<此時(shí)壁面粗糙度對(duì)影響成為重要因素。

管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響1、

絕對(duì)粗糙度：指壁面凸出部層流時(shí)的摩擦系數(shù)

=64/Re湍流時(shí)的摩擦系數(shù)

湍流時(shí)摩擦系數(shù)與流動(dòng)型態(tài)和管壁粗糙度有關(guān)。影響因素很多無通用計(jì)算式，只能用經(jīng)驗(yàn)公式算或圖1-31查得值。

摩擦系數(shù)

層流時(shí)的摩擦系數(shù)

=64/Re摩擦系數(shù)非圓形管道的摩擦系數(shù)

當(dāng)量直徑de=對(duì)于非圓形管道用當(dāng)量直徑代替直徑計(jì)算，湍流時(shí)的計(jì)算與圓管相同，層流時(shí)=C/64,C值的不同情況見書。

非圓形管道的摩擦系數(shù)當(dāng)量直徑de=管路的局部阻力

流體在管路的進(jìn)口，出口，彎頭，閥門，擴(kuò)大，縮小等局部位置流過時(shí)的阻力稱為局部阻力。

管路的局部阻力流體在管路的進(jìn)口，出口，彎頭，閥門，擴(kuò)大，縮1、

阻力系數(shù)法把克服局部阻力所引起的能量損失，用動(dòng)能與系數(shù)相乘的形式來表示。hf`=u2/2––局部阻力系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。2、

當(dāng)量長(zhǎng)度法把流體的局部阻力折合成相當(dāng)于流體流過長(zhǎng)度為le的同直徑的管道時(shí)所產(chǎn)生的阻力。 hf`=1、

阻力系數(shù)法管路總能量損失的計(jì)算

管路總能量損失的計(jì)算流體輸送管路的計(jì)算

簡(jiǎn)單管路：管徑相等或由不同管徑的管段串聯(lián)組成的管路。

復(fù)雜管路：指并聯(lián)管路，分支與匯合管路等。

流體輸送管路的計(jì)算簡(jiǎn)單管路：管徑相等或由不同管徑的管段串聯(lián)簡(jiǎn)單管路的計(jì)算

1、

已知管徑，管長(zhǎng)，管件和閥門的設(shè)置及流體輸送量求流體通過