1、第一章,流体与流体中的传递现象,任课教师：梁玉祥 Email:,新世纪化工教学,(2) 由于市场需要, 化工专业毕业生参加愈来愈广泛的各类技术工作, 导致专业界限更加淡化。因此专业需耍在更广泛的范围内扩宽。,新世纪化工教学,根据 AIChE 2001年统计的化工专业的大学毕业生就业情况化工、石化工业 23.3 %电子工业 15.9 燃料工业 15.7 食品/化装产品 10.6生物技术/医药 9.3商业服务 5.8工程设计、建造 5.6环境工程 2.4其他 11.4 100.0 %,新世纪化工教学,由就业统计可见: 传统的化工、石化以及设计、建造只占 28.9 % 高科技与新兴工业(电子、能源、
2、生物、环境等)占42.8 % 就业分布很分散 故可以认为化工专业已成为通用的过程工程专业,甚至认为是与高新科技最密切相关的工程专 业。因此化工专业需要适应未来的就业发展情 况，扩大知识面。,新世纪化工教学,由此可见，化工专业范围已扩大到跨学科发展, 而且成为高新科技不可缺少的技术。化工学科的内容已从过去的宏观层次逐步发展到介观(泡、滴、粒、团)、亚微观(界面、纳米)、微观(分子)及大宏观(环境、资源、能源等的全球可持续发展)的多层次学科 。因此化工本科教育也要相应扩大视野，本专业的教学内容亦应适当修改与更新。,(一) 新世纪教学改革的背景(续), 建立交叉学科（例如与管理、生命科学等） 的学习
3、体制 。 重新注重实践, 培养独立工作能力 。 更加灵活的学分制，例如学习与实践交叉进行 。 改革专业基础课程内容，打破过去体系。 增设与高新技术或学科新发展有关的选课。 开展大学生的学术竞赛 (例如 化工学会及学校设科技、论文奖等）。,成绩构成,作业5,考试7,每节课后的必做作业:用不到八十个字将本节内容进行概括,且在第二次课之前必须交到我的邮箱内(或文稿),随堂作业 15%,物质的三种形态,物质的三种常规聚集状态固体 -液体-气体-,约为110-8 cm(分子尺度的量级),约为1.510-8 cm(分子尺度的量级),约为3.310-7 cm(分子尺度的量级),连续介质假定(Continuu
4、m hypotheses)(2),连续介质假定(Continuum hypotheses)(3),流动质点,连续介质假定,注意：该假定对绝大多数流体都适用。但当流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当时，例如高真空稀薄气体的流动，连续介质假定受到限制。,基本术语,基本术语:,固体、液体和气体,第一节 流体静力学及其应用,物质的三种常规聚集状态：固体、液体和气体；,流体:气态和液态物质合称为流体（包括超临界流体、 等离子体等特殊流体），气体可压缩，液体不可压缩。,流体的基本特征是具有流动性。,分子之间有空隙,流体的物理量(如密度、 压强和速度等)在空 分布不连续。,分子的随机运动,所以在空间任一点
5、上，流体的物理量在时间上的变化也是不连续的。,在工程技术领域，关心的是流体的宏观特性，即 大量分子的统计平均值。,固体、液体和气体,一、流体的物理性质与作用力,非接触力，大小与流体的质量成正比，例如：重力，离心力，电磁力等,接触力，大小与和流体相接触的物体（包括流体本身）的表面（或假想表面）积成正比，例如：压强和应力,处于重力场中的流体， 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。,重力场重力加速度 离心力场离心加速度,流体的受力,场力或体积力（质量力）,表面力,(一)、质量力和密度、比体积,单位体积流体所具有的质量称为密度，通常用表示，其单 位为kg/m3。,式中 m _ 流
6、体的质量，kg ;,V_ 流体的体积，m3,气体密度：,气体密度：,一般可当成理想气体处理:,混合气体密度:,(质量守恒),液体的密度:,混合液体的密度:,设定混合液体的体积=分体积之和,即:,液体的密度:,为A组分的质量分率 , 为B质量分率 , 则有：,流体密度的倒数称为流体的比体积，又 叫比容，以表示，其单位为m3/kg。,注意:压强(工程上习惯将压强称为压力),压力单位:,(二)压力与静压强,垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。通常，把流体 单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强。 用p表示。,式中 p _ 压强，N/m2或Pa ；F _ 垂直作用于流体表面的压力，NA _
7、 作用面的表面积，m2,压力 的单位:,kPa,1kPa=1000Pa,工程制:,标准大气压(atm)、工程压力(kgf/cm2)、某流体柱高度等。,1atm=101.325kPa=101325N/m2=760mmHg =1.033kgf/cm2=10.33mH2O,1mmHg=133.32Pa 1at=1kgf/cm2=9.807104Pa,真空度与表压,真空度与表压,当被测流体的压力(或绝对压力) 小于大气压时:,当被测流体的压力(或绝对压力) 大于大气压时:,表上读数=大气压 绝对压力,表上读数=绝对压力大气压,真空度,表压,真空表,压力表,压力表与真空表,注意:大气压与海拔高度有关,注
8、意:大气压与海拔高度有关,例:有一设备要求绝压为20mmHg,成都、拉萨的大气压分 别为720mmHg、459.4mmHg,问真空度各为多少Pa?,成都的真空度=72020=700mmHg=700101325/760=93326Pa,解:,拉萨的真空度=459.420=439.4mmHg=439.4101325/760=58581Pa,1mmHg=133.32Pa,(三)剪力、剪应力和粘度,剪应力：与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行。,表面张力：存在于不同流体的相邻界面，使流体表面具有收缩的趋势。表面张力的大小用表面张力系数s 来表示，其单位为N/m。其大小对于流体的分散和多相流动与传
9、热传质有重要影响,粘度(放到后面应用之前讲),二、流体静力学基本方程 ( Basic equations of fluid statics )及其应用,重力场中、静止的、均匀(=const)流体中的力学规律,A,向上的力,向下的力,受力平衡，向下的力=向上的力,或,或,单位体积流体的总势能守恒,单位质量流体的总势能守恒,单位 kJ/m3,物意：,即单位体积流体势能守恒或单位质量流体总势能守恒,1. 重力场中静止流体总势能不变，静压强仅随垂直位置而变，与水平位置无关，压强相等的水平面称为等压面； 2.静止液体内任意点处的压强与该点距液面的距离呈线性关系，也正比于液面上方的压强； 3.液面上方的压
10、强大小相等地传遍整个液体。,流体静力学基本方程，表达了如下的流体静力学原理：,流体静力学基本方程为：（重力场,不可压缩流体、密度为常数）,应用上注意几点：,1.公式的适用条件 (1) 重力场; (2) 讨论的两个点或两个面是静力学连通的; (3) 连通的流体是均匀的( ),2. 液柱压力,3. 上下压力,应用要点: 1.等压面;.(静止的、连通的、均匀的、同一水平面 压力相等)2.上下压力,讨论:,pA与pB之关糸?,(4),(3),pA与pB之关糸?,pC与pD之关糸?,流体静力学基本方程的应用,1.液柱压差计（Manometers),普通 U 型管压差计（Simple manometer）
11、 倒置 U 型管压差计（Up-side down manometer） 倾斜 U 型管压差计（Inclined manometer） 双液体 U 型管压差计（Two-liquid manometer）,液柱压差计（Manometers) P33,U 型管内位于同一水平面上的 a、b 两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等,由指示液高度差 R 计算压差,若被测流体为气体，其密度较指示液密度小得多，计算式为:,普通 U 型管压差计（Simple manometer）,p0,p0,0,p1,p2,R,a,b,用于测量液体的压差，指示剂密度0 小于被测液体密度 ， U 型管内位于同一水平面上的
12、 a、b 两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等,由指示液高度差 R 计算压差若 0,倒置 U 型管压差计（Up-side down manometer),采用倾斜 U 型管可在测量较小的压差 Dp 时，得到较大的读数 R1 值。,压差计算式,倾斜 U 型管压差计（Inclined manometer）,微差压计，支管顶端有一个扩大室。扩大室内径一般大于U型管内径的10倍。压差计内装有密度分别为 r01 和 r02 的两种指示剂。有微压差 Dp 存在时，尽管两扩大室液面高差很小以致可忽略不计，但U型管内却可得到一个较大的 R 读数。,对一定的压差Dp，R 值的大小与所用的指示剂密度有关
13、，密度差越小，R 值就越大，读数精度也越高。,双液体 U 型管压差计（Two-liquid manometer）,？,当被测管段不是水平而是倾斜时,公式的推导,如右图所示, A 、B 面为等压面,即,当z1=z2时,则有,B,A,R,zA,zB,h1,h2,1,2,基准面,2.液封问题,要求乙炔发生器 里的表压不超过80mmHg，问管伸入水中深度最大为多少?,要使乙炔发生器里的表压不超过80mmHg,管伸入.水中的深度,解:,即,解得,如图所示密闭室内装有测定室内气压的U型压差计和监测水位高度的压强表。指示剂为水银的U型压差计读数 R 为 40mm，压强表读数 p 为 32.5 kPa 。 试
14、求：水位高度 h。,解：根据流体静力学基本原理，若室外大气压为 pa，则室内气压 po 为 (pA=pB;pA=pa;pB=p0+R0g),【例1-2】P13,第三节,流体输送与流体输送机械,流体的流量与流速,流量:单位时间内流经某截面流体的数量。,体积流量(volume flowrate):qV,m3/s;m3/h;,质量流量(mass flowrate) :qm,kg/s;kg/h;,流速:流体流动的距离/时间;,质量流速:w ;kg/(s.m2),点速度u;平均速度 ;m/s,之间关糸:,例:输送水qV=32m3/h;求管规格,解:,查P131;表3.3,d=0.0793m=79.3mm
15、 查附录(管规格) P435,选公称口径80mm 外径88.5mm 内径=88.5-24=80.5mm,即d=80.5mm,雷诺实验,雷诺实验,流体流动依不同的流动条件有两种不同的流动型态, 层流与湍流。,层流（Laminar Flow）与湍流（Turbulent Flow）P16,湍流：流体质点沿管轴线方向流动的同时还有任意方向上的湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳定的，大小和方向不断改变。,层流：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流 动，不产生流 体质点的宏观混合。,湍流流体的流速波形反映了湍动的强弱与频率，同时也说明宏观上仍然有一个稳定的时间平均值。其它参数如温度、压强等也有类似性质。
16、,湍流的特点,湍流时的瞬时速度:,物理意义： 惯性力与粘性力之比,雷诺准数 Reynolds number,除流速u 外， 和 ，管径d 也都影响流动型态。,流型判别的依据雷诺准数 （Reynolds number）,Re 4000 湍流区,流体在管内流动时：,求雷诺数Re,1. d=0.1m, =1000kg/m3, u=1m/s, =1cp,2. d=0.1m, u=1m/s, =10-6m2/s,3. d=0.1m, qm=(10/4)kg/s, =1cp,湍流的特点,流体在运动时,任意相邻两层流体有相互抵抗力,这种相互抵抗的作用力称为剪切力, 流体所具有的这种抵抗两层流体相对滑动速度的
17、性质称为流体的 粘性。,粘性是流体固有的物理性质。,牛顿粘性定律:,u,u=0,du,dy,y,x,F,面积A,固定板,牛顿粘性定律:,牛顿粘性定律,凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体(如水、空气等),否则为非牛顿型流体。,流体的粘度,流体的粘度,粘度是流体的重要物理性质之一,它是流体组成 和状态(压力、温度)的函数。,一般 而言:,气体:,液体:,流体的粘度,的单位:,SI制,工程制的单位:泊(P);厘泊(cP或mPa.s),关糸:,单位:SI制,运动粘度:,混合物粘度的估算:,常压气体混合物粘度,可采用右式计算,非缔合的液体混合物的粘度可用下式计算,混合物粘度的估算:,理想流体与粘性流
18、体,具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体,的流体称为理想流体,非牛顿流体（Non-Newtonian fluid）P144,牛顿流体与非牛顿流体,牛顿流体与非牛顿流体,非牛顿流体（Non-Newtonian fluid）P146,高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品以及含微细颗粒较多的悬浮体、分散体、乳浊液等流体在层流时并不服从牛顿粘性定律，统称为非牛顿流体。,非牛顿流体的粘度 不再为一常数而与 dux / dy 有关,宾汉塑性流体或塑性流体（Bingham plastics）,y 屈服应力（threshold shear stress） K 宾汉粘度,n 流变指数（flow beh
19、avior index） K 稠度系数（flow consistency index） a 表观粘度,幂律（power law）流体,n1 涨塑性流体（Dilatant fluid）,P16,非牛顿流体（Non-Newtonian fluid ）,热力学第二定律指出: 所有系统 非平衡态向平衡态转化 非平衡因素推动下物理量传输的共性规律,唯象方程 （Phenomenological equation）：扩散通量扩散系数扩散推动力,扩散现象与扩散定律 Diffusion phenomena and diffusion laws,贯穿本课程的基本思想之一,动量扩散与牛顿粘性定律 Momentum
20、diffusion and Newtonian viscous law,对象：单组分气体、一维、等温层流流动体系中的动量扩散现象,层流流体中由速度梯度推动的扩散称为分子动量扩散,动量,速度梯度,速度分布,动量为一矢量， 方向-流速的方向; 而动量扩散的方向,指向速度降低的方向;,动量扩散与牛顿粘性定律,宏观上，动量浓度(即单位体积流体具有的动量)为,在气体密度均匀的条件下，动量浓度 ux 仅取决于流体所在位置处的宏观流速 ux(y),微观上， 热运动- 分子之间的碰撞和动量交换- 动量浓度趋于均匀-导致了流速不同的流体层与层之间在 y 方向上的动量传递。,分子数密度为 n 、分子量为 Mr,厚
21、度均不超过分子平均自由程 （即保证 y 方向上气体分子的每一次迁移运动都会在两层流体之间产生动量交换）,考察任意 y 位置处相邻的两层气体,在该微小尺度范围内流体宏观流速分布函数可视为线性，即两层流体的流速分别为 ux 和 ux + （dux / dy）,ux+(dux / dy),ux,动量扩散与牛顿粘性定律,分子数通量,质量通量,热运动在三维空间各向同性 气体密度维持均匀， 具有等分子数、反方向交换的特征。,动量扩散通量,动量扩散与牛顿粘性定律,取位于上层的单位微元体积的流体为体系 从统计平均的观点，与相邻的下层流体在 y 方向上通过单位微元底面积在单位时间内交换的通量为,气体分子均方根速
22、率,根据牛顿第二定律:运动体系的动量变化率等于作用在该体系上的力，动量变化率的方向与力的方向相同,运动粘度 Kinematic viscosity,剪应力（shear stress） yx ：表示平行作用于单位面积上的切向力，下标 x 代表剪应力或者动量的方向，y 代表力的作用面的法线方向或者动量传递的方向。,动量浓度梯度,动量扩散系数,动量扩散通量的推动力,动量扩散与牛顿粘性定律,牛顿粘性定律:,1,1,2,2,u1、,z1、,p1,u2、,z2、,p2,he,hf,稳定的流体流动系统,向高位槽输水,城市供水系统,控制体,进入体系,离开体系,输入能量,输出能量,管壁粗糙度对摩擦系数的影响:,
23、u, ,u, ,层流时，阻力损失主要由流体内摩擦引起，取决于流体的粘度和速度梯度。圆管内牛顿流体层流速度梯度并不因管壁粗糙度的局部影响而发生明显改变，所以粗糙度对摩擦系数的值无影响。,湍流速度梯度仅存在于管壁附近。阻力损失既有发生在管壁附近的流体粘性造成的内摩擦损失（粘性阻力），又有发生在湍流主体的旋涡引起的流体质点的激烈碰撞而造成的机械能损失（惯性阻力）。,Re 增大到一定值以后，层流内层已经薄得使粗糙物几乎完全进入湍流主 体成为流动阻力的控制性因素，而粘性阻力所占的比重可以忽略不计，从而进入所谓阻力平方区。(P98),Re 越大，层流内层越薄，更多的壁面粗糙物暴露于湍流主体中加剧旋涡运动和
24、流体质点的碰撞，增加惯性阻力。,状态参数： U、p、z,运行参数： hf 、he 。,直管阻力的通用表达式,介质挺正参数： 、。,局部阻力,工业管道的当量粗糙度（roughness）, 经验方程是在圆截面人工粗糙管道中，根据流体流动阻力损失的实验数据由 与无因次准数 Re 和 /d 进行关联的结果。 应用经验方程应注意几何相似和实验参数范围。实际问题往往不能与实验条件保持严格的几何相似，工程上采取当量尺寸的方式使之近似相似并在原经验方程的基础上加以修正。,采用与人工粗糙管相同的实验方法测定一系列工业常见管道的摩擦系数值 后，反算出与之相当的粗糙度 。,直管阻力损失,非圆形截面管道流体流动的阻力
25、损失可采用圆形管道的公式来计算，只需用当量直径 de 来代替圆管直径 d当量直径定义：,流体浸润周边即同一流通截面上流体与固体壁面接触的周长,非圆形截面管道的当量直径,a,b,r2,r1,非圆形截面管道的当量直径,采用当量直径计算非圆形截面管道的 Re，稳定层流的判据仍然是 Re2000。 计算阻力系数时，仅以当量直径 de 代替圆形截面直管阻力计算公式中的 d，并不能达到几何相似的满意修正，因此需要对计算结果的可靠性作进一步考察。 一些对比研究的结果表明，湍流情况下一般比较吻合，但与圆形截面几何相似性相差过大时，例如环形截面管道或长宽比例超过 3:1 的矩形截面管道，其可靠性较差。层流情况下
26、可直接采用以下修正公式计算：,局部阻力损失计算,管路系统中的阀门、弯头、缩头、三通等各种阀件、管件不仅会造成摩擦阻力(skin-friction)，还有流道急剧变化造成的形体阻力(form-friction)，产生大量旋涡而消耗机械能。流体流过这些阀件、管件处的流动阻力称为局部阻力。,局部阻力损失计算,局部阻力系数法：,当量长度法：, 局部阻力系数,le 当量长度,局部阻力损失计算,100mm 的闸阀 1/2 关,le = 22m,100mm 的标准三通,le = 2.2m,100mm 的闸阀全开,le = 0.75m,3.完全湍流区. 对一定管糸, . 一定 , 则 , . 又称之为阻力平方
27、区,1.层流区 . ,又称之为阻力一次方区.,2.湍流区.,讨论(关于注重区域):,流体输送管路计算的基本方程,根据流体流动的质量守恒、动量守恒与能量守恒原理，不可压缩流体在管路中稳定流动时应服从,连续性方程,柏努利方程,体积平均流速,由于流体输送系统的流速一般不会很低（湍流），因此动能校正系数 往往接近于1.0。 对于流速较低的层流流动， 值与1.0 相差较大，但由于动能项在总能量中所占比例很小，也可不加校正。,流体输送管路计算的基本方程,输送单位质量流体所需加入的外功， 是决定流体输送机械的重要数据。,单位为 J/s（或W）,对可压缩流体，若在所取系统两截面之间流体的绝对压强变化小于10，
28、仍可按不可压缩流体计算，而流体密度以两截面之间的流体的平均密度 m 代替。,包括所选截面间全部管路阻力损失,若管路输送的流体的质量流量为 w（kg/s），则输送流体所需供给的功率（即流体输送机械的有效功率）为：,如果流体输送机械的效率为，则实际消耗的功率即流体输送机械的轴功率为：,注意单位！,管路计算的类型,（质量流量 w 或体积流量 V、输送距离 l、输送目标点的静压强 p2 和垂直高差 z2）和流体的初始状态（静压强 p1、垂直高差 z 1）,设计型：-给定流体输送任务,依据连续性方程和柏努利方程对流体输送系统进行设计或者优化操作计算，结合管路的实际条件，合理地确定流速 u 和管径 d。
29、如果计算结果需要外加输送功 he，则应结合工程造价与操作维修费用两方面的因素加以考虑。,某些流体在管道中常用流速范围,管路计算的类型,设计型：,费用,u,设备费,总费用,操作费,u最佳,管路计算的类型,操作型：-给定流体输送管路系统,需计算其输送能力、输送压力和动力消耗等，则用连续性方程和柏努利方程可求解系统中指定截面处流体的流速 u 和压强 p 以及指定管段的流动阻力损失hf等，提供操作与控制必需的信息。,由于柏努利方程中的流动阻力损失 hf 与流速的关系为非线性，故管路的操作型计算一般需要进行试差。,若已知阻力损失服从平方或一次方定律时，可将关系式直接代入柏努利方程计算流速，不需进行试差。
30、,非线性函数,管路计算的一般原则,应用柏努利方程时，首先应根据具体问题在流体流动系统中确定衡算范围，也就是确定列出柏努利方程的两截面位置。,所选的计算截面既要与流体流动方向垂直（ 更严格地说应与流线垂直），截面上各点的总势能也应相等。因此截面应选在均匀管段且与管轴线垂直。 所选的两个截面应尽可能是已知条件最多的截面，而待求的参数应在两截面上或在两截面之间。 计算重力位能的基准水平面可任取，基准面处流体的重力位能为零。所以若使两计算截面之一为基准面可使方程简化。 求解方程时应注意各项单位的一致性（J/kg 或 Pa）。柏努利方程是对稳定流动而言，在非稳定流动情况下则是针对某一瞬时而言。,截面位置
31、的确定：,【例3-1】,容器 B 内保持一定真空度，溶液从敞口容器 A 经内径 为30mm导管自动流入容器 B 中。容器 A 的液面距导管出口的高度为 1.5m，管路阻力损失可按 hf = 5.5u2 计算（不包括导管出口的局部阻力），溶液密度为 1100kg/m3。 试计算：送液量每小时为 3m3 时，容器 B 内应保持的真空度。,解：取容器A的液面1-1截面为基准面，导液管出口为2-2截面，在该两截面间列柏努利方程，有,【例3-1】,【例3-2】,水由水箱底部 d = 30mm的泄水孔排出。若水面上方保持 20mmHg 真空度，水箱直径 D 为1.0m，盛水深度1.5m，试求 (1) 能自
32、动排出的水量及排水所需时间； (2) 如在泄水孔处安装一内径与孔径相同的0.5m长的导水管（虚线所示），水箱能否自动排空及排水所需时间（流动阻力可忽略不计。）,解：(1) 设 t 时箱内水深 H，孔口流速为 u0，以孔口面为基准面，在水面与孔口截面间列柏努利方程，有,孔口,水面,(Pa-P真) /+gZ面u面,Pa/+gZ孔u孔+是否有阻力,【例3-2】,设 dt 时间内液面下降高度为 dH，由物料衡算得,u0 = 0 时，不再有水流出，此时,【例3-2】,(2) t 时刻，以导管出口为基准面，在水箱液面与导管出口间列柏努利方程，有,箱内水排空，H=0，导管内流速 u0=1.50 m/s，水能
33、全部排出。所需时间为,问题：管内流速 u0 与 D，d 有关吗？若有，会在式中哪一项出现？为什么水管加长后水流时间还要长一些？,【例3-3】,溶剂由容器 A 流入 B。容器 A 液面恒定，两容器液面上方压力相等。溶剂由 A 底部倒 U 型管排出，其顶部与均压管相通。容器 A 液面距排液管下端 6.0m，排液管为 603.5mm 钢管，由容器 A 至倒 U 型管中心处，水平管段总长 3.5m，有球阀1个 (全开)，90标准弯头3个。 试求：要达到 12 m3/h 的流量，倒U型管最高点距容器 A 内液面的高差H。（=900kg/m3，= 0.610-3 Pas）。 解：溶剂在管中的流速,取钢管绝
34、对粗糙度,?,【例3-3】,/d = 5.6610-3 Re=1.2 105, = 0.032,【例3-3】,查图得摩擦系数,管进口突然缩小,90的标准弯头,球心阀（全开）,以容器 A 液面为 1-1 截面，倒 U 型管最高点处为 2-2 截面，并以该截面处管中心线所在平面为基准面，列柏努利方程有,P127表3-2,【例3-4】,用泵向压力为0.2MPa的密闭水箱供水，流量为150m3/h，泵轴中心线距水池和水箱液面的垂直距离分别为 2.0m 和 25m。吸入、排出管内径为 205mm 和180mm。吸入管长 10m，装有吸水底阀和 90标准弯头各一；排出管长 200m，有全开闸阀和 90标准
35、弯头各一。试求泵吸入口处 A 点的真空表读数和泵的轴功率（设泵的效率为65%）。,解：1000 kg/m3， 1.010-3 Pas，设吸入和排出管内流速为 uA 和 uB，则,？,【例3-4】,取管壁绝对粗糙度0.3mm，则,查图得摩擦系数,水泵吸水底阀,90的标准弯头,闸阀（全开）,【例3-4】,取水池液面1-1截面为基准面，泵吸入点处A为2-2截面，在该两截面间列柏努利方程，有,【例3-4】,泵的轴功率,又取水箱液面为3-3截面，在1-1与3-3截面间列柏努利方程有,管路质量流量,由于排出管路较长，与直管阻力相比，中的局部阻力损失可忽略不计，所以,【例3-6】,一水动力机械从水库引水喷射
36、，设计流量 400m3/h，喷嘴出口处射流速度 32m/s。喷口处距水库液面垂直距离 80m，引水管长 300m（包括局部阻力的当量长度）。 试计算：适宜的引水管直径。（水的密度为1000 kg/m3，粘度为1.30510-3 Pas）,解：设管内流速为 u，喷嘴出口处为 u0，由水库水面到喷嘴出口列柏努利方程，有,80m,【例3-6】,取管壁绝对粗糙度 = 0.3mm,管内湍流 值大致为 0.020.04，取一 的初值，计算出相应的 d 和 Re，代入上式得到 的计算值，与初设值比较并根据差值大小决定如何修改初设值，直到满意的计算精度。,可见，当 d 未知时，/d 和 Re 不确定， 也不能
37、确定，因而不能直接求取 d，需采用试差法求解。,、/d 、Re三个参数均含于摩擦系数关联式中,流速与流量的测量 Measurement of velocity and flow rate,流速是流体运动最为基本的参数。精确测量各种流场中的流速分布是现代测试技术的重点研究与发展方向之一。采用激光多普勒测速、热丝测速、高速摄影等技术配以计算机自动采样和图像分析可以提供流场内部非常详尽的流速分布信息。本节重点介绍工业上常见的以流体运动的守恒原理为基础的流速、流量测量装置及其测量原理。,测速管（Pitot tube）,原理：由流体冲压能（动压能与静压能之和）与静压能之差检测流速。,结构：为一同心套管，
38、内管前端开口，外管前端封闭，距端头一定距离在外管壁上沿周向开有几个小孔。,测速管（Pitot tube）,由于内管前端开口 A 正对来流方向，来流必在 A 点（驻点）处停滞。来流的动能在驻点处将全部转化为势能。 由柏努利方程,忽略测速管本身对流速的干扰以及 A、B 两点间流体的阻力损失，则在来流与 B 点之间的柏努利方程为,对指示液密度为 0 的U型管差压计：,由于 A、B 相距很近，其垂直位差可忽略不计。,1,1,测速管（Pitot tube）,为了尽可能满足测速管的测量原理，应注意： (1) 保证内管开口截面严格垂直于来流方向； (2) 测点应位于均匀流速段。通常上、下游应有 50 倍管径
39、的直管长度，大管径的倍数可适当减少。 (3) 尽量减少测速管对流动的干扰，一般选取测速管直径应小于管径的 1/50。,优点：结构简单，对被测流体的阻力小，尤其适用于低压、大管道气体流速的测量。 缺点：输出的压差信号较小，一般需要放大后才能较为精确地显示其读数。,测速管测得的是点速度，若以流量为测量目的，还必须在同一截面上进行多点测量积分求算或求其平均流速进而求得流量。在已知流速分布规律的情况下，例如圆管内层流或湍流，就可以通过一个点或若干点的测量值进行推算。,节流式流量计:- 流通截面积而引起动能与静压能改变来检测流量,孔板流量计,文丘里流量计,转子流量计,喷嘴流量计,孔板流量计 （Orifi
40、ce Meter）,原理：通过改变流体在管道中的流通截面积而引起动能与静压能改变来检测流量。,结构：其主要元件是在管道中插入的一块中心开圆孔的板。用U型管测量孔板前后的压力变化。,流体流经孔板时因流道缩小，动能增加，且由于惯性作用从孔口流出后继续收缩形成一最小截面（缩脉）2-2。该截面处流速最大因而静压相应最低。在孔板前上游截面1-1与2-2截面之间列柏努利方程,?,孔板流量计 （Orifice Meter）,由于缩脉截面的准确位置及截面积难于确定，无法确定u2、p2 的对应关系。加上未计实际流体通过孔板的阻力损失等因素，一般工程上采用规定孔板两侧测压口位置，用孔口流速 u0 代替 u2 并相
41、应乘上一个校正系数 C 的办法进行修正，即,根据连续性方程，对不可压缩流体,孔板流量计 （Orifice Meter）,若 U 形管指示液密度为 0，则,C0 孔板流量系数（孔流系数） 与管内的 Re 和孔板开孔直径比 d0/d1 以及取压方式、孔板加工与安装情况等多方面因素有关，一般由实验测定。,按照规定方式加工、安装的标准孔板流量计，孔流系数 C0 可以表示为,补图,孔板流量计 （Orifice Meter）,实验测得一系列条件下的 C0 值，发现当Red 增加到某个值以后，C0 值即不再随其改变而仅由孔板加工参数 d0/d1 决定。因此设计或选用孔板流量计应尽量使其工作在该范围内，C0值
42、为常数，一般在0.6-0.7之间。,优点：是构造简单，制作、安装都方便因而应用十分广泛。 缺点：被测介质阻力损失大，原因在于孔板的锐孔结构使流体流过时产生突然缩小和突然扩大的局部阻力损失。,m = (d0/d1)2,文丘里流量计（Venturi Meter）,原理：通过改变流体流通截面积引起动能与静压能改变来进行测量，其原理与孔板流量计相同。 结构：采取渐缩后渐扩的流道，避免使流体出现边界层分离而产生旋涡，因此阻力损失较小。,文丘里流量计的计算公式仍可采用孔板流量计的形式，所不同的是用文丘里流量系数 CV 代替其中的孔流系数 C0，即,式中 CV 也随 Red 和文丘里管的结构而变，由实验标定
43、。 在湍流情况下，喉径与管径比在 0.25-0.5 的范围内，CV 的值一般为 0.98 0.99。,转子流量计 （Rotameter）,原理：锥形管中流体在可以上下浮动的转子上下截面由于压差（p1p2）所形成的向上推力与转子的重力相平衡。稳定位置与流体通过环隙的流速 u0 有关。,式中 Af 与 Vf 分别为转子截面积（最大部份）和体积,结构：在上大下小的垂直锥形管内放置一个可以上下浮动的转子，转子材料的密度大于被测流体。,当向上推力与转子的重力相平衡时：,转子流量计 （Rotameter）,由柏努利方程将（p1p2）表达为,表明流体在转子上、下两端面处产生压差的是流体在两截面的位能差和动能
44、差。压差作用于转子上的力即称为浮力。,由连续性方程，转子上、下两端面处流体的速度应有如下关系,其中 A1、A0 分别为锥形管面积和转子稳定高度 z2 处的环隙流通截面积。,转子流量计 （Rotameter）,将其代入并用转子截面积 Af 通乘各项，得,将转子受力平衡式代入上式，并用转子体积 Vf 代替式中的（z2-z1）Af，推得转子流量计中流体的流速为,式中 CR 为转子流量计校正系数（也称为流量系数），包含了以上推导过程中尚未考虑到的转子形状与流动阻力等因素的影响。,转子流量计 （Rotameter）,转子形状不同，CR Re 的变化规律不一样，CR 为常数时的 Re 数也不同。,设计或选
45、用转子流量计时，应在 CR 为定值范围内工作。,A0 是环隙面积，正比于转子所在的高度。,流量标定：20的水或者20、0.1MPa的空气。 刻度换算：CR 为常数，同一刻度位置,CR 为定值，不论转子位置的高低、流量的大小，环隙速度 u0 始终为一常数，据此可以按下式标定转子流量计的流量,【例3-12】,在603.5mm的管路中安装有一孔径为30mm的标准孔板流量计，管内输送20的液态苯。 试确定：（1）流量多少时，孔流系数C0与流量无关以及（2）该流量下孔板压差计所检测到的压差。,解：由附录查得20时苯的 密度 = 879 kg/m3，粘度 = 0.73710-3 Pas。,由图3-13查得
46、，该孔板的孔流系数 C0 为定值的最小 Re 为1.05105，与此 Re 数对应，本题条件下苯的流量为,离心泵（Centrifugal Pumps）,离心泵的结构和工作原理,特点：泵的流量与压头灵活可调、输液量稳定且适用介质范围很广。 自吸：泵内液体在叶轮中心入口处因加速而减压，使泵外液体在势能差的推动下被连续地吸入泵内。,流体输送机械 (Pumps, fans, blowers and compressors),按其工作原理，泵与压缩机又可分为：,本节以离心泵为代表重点讨论其工作原理、结构和工作特性。对其它类型的流体输送机械仅作一般性介绍。更多的专业性知识应随时从该行业新近出版的技术手册、
47、专著或专业科技期刊中得以补充。, 离心式、轴流式（统称叶轮式）：利用高速旋转的叶轮使流体获得动能并转变为静压能； 容积式或正位移式（往复式、旋转式）：利用活塞或转子的周期性挤压使流体获得静压能与动能； 流体动力式：利用流体高速喷射时动能与静压能相互转换的原理吸引输送另一种流体。,一.离心泵的基本结构,结构：离心泵的关键部件是叶轮、固定的泵壳和轴封。,离心泵（Centrifugal Pumps）,1叶轮; 2泵壳; 3泵轴; 4吸入管路; 5底阀; 6排出管路。,思考1：为什么叶片弯曲？泵壳呈蜗壳状？,叶轮（Impeller）：将输入的轴功提供给液体。叶轮上装有若干片叶片（通常68片）。,按其机械结构分为: 蔽式、半开式、开式。,二.离心泵的叶轮和其它部件的基本原理,泵壳（Volute）：,离心泵的叶轮和其它部件的基本原理,思考3： 泵壳的主要作用是什么？,汇集液体，并导出液体； 能量转换装置,
