1、第1章 流体流动 Fluid Flow,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,2,1.1 概述,1.1.1 基本概念 1 流体(Fluid)（气体、液体） 2 连续性假定,把流体视为由无数个流体质点（微团）所组成，这些流体质点紧密接触，彼此没有间隙，完全充满流动空间。,宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点； 微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。,质 点,微观？宏观？,流动性,连续性,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,3,3 流体密度(density)液体密度 气体密度比容,不随压强变化，随温度略有变化,随压强和温
2、度变化,压缩性,1.1.1 基本概念,不可压缩流体 （密度不变）,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,4,流 体,流动性,粘 性,剪力F,1.1.2 流体的粘度(viscosity),粘性,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,5,牛顿粘性定律(Newtons law of viscosity),剪应力：单位面积上的剪力（内摩擦力），以表示。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,6,牛顿粘性定律,式中：,速度梯度(velocity gredient),比例系数，称为动力粘度，简称粘度。=0，理想流体,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,7,2、粘度1)物理
3、意义,促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来2)粘度与温度、压强的关系 a) 液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度基本不变。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,8,b)气体的粘度随温度升高而增大，随压强增加而增加的很少。 3）粘度的单位在SI制中：,在物理单位制中，,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,9,4) 混合物的粘度 对常压气体混合物：,对于分子不缔合的液体混合物 ：,5）运动粘度,单位： SI制：m2/s； 物理单位制：cm2/s，用St表示。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,10,3
4、牛顿型流体和非牛顿型流体 牛顿型流体： 剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体 如：空气、水等非牛顿型流体： 不符合牛顿粘性定律的流体 如：泥浆、某些高分子溶液、悬浮液等,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,11,非牛顿型流体简介,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,12,1.1.3 流体流动中的机械能,位能：是指流体因距所选的基准面有一定距离，由于重力作 用而具有的能量,动能 ：流体因流动而具有的能量,机械能：是位能、动能、静压能的总和,压强能： 是流体处于当时压力p下所具有的能量，即指流体因被压缩而能向外膨胀作功的能力，其值等于pV ( ),2019/6/18,西
5、北师范大学化学化工学院,13,1.2 流体静力学(Fluid Statics),1.2.1 流体受力分析,流体受力,质量力 （body force）,表面力 (Surface force),重力(Gravity) 离心力(Centrifugal Force),压力(Press)（法向力） 剪力(Shearing force)（切向力）,重力场中静止流体受力,质量力：重力,表面力：压力,压强P（pressure）：p=P/A 剪应力(Shearing strenth) =F/A,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,14,压强的单位 1atm (标准大气压） =101.325kPa=76
6、0mmHg=10.33mH2O 1at(工程大气压）=1 kgf/cm2 =98.1kPa =735.6mmHg = 10mH2O(1kgf=9.81N),表压(gauge pressure)=绝对压强-大气压强 真空度(Vacuum)=大气压强-绝对压强,压强的基准,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,15,表压、真空度动画,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,16,1.2.2 流体静力学基本方程,下底面压力,上底面压力,重力,简化为：,同理,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,17,1.2.2 流体静力学基本方程,不可压缩流体（=常数）,流体静力学基本方程,若
7、z1=z2 则p1=p2 （等压面）,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,18,p1 =p0+ gRp (表) = p1-p0= gR,p1 = p0 + 0gR gh,1.2.3 流体静力学基本方程的应用 1 压强与压强差的测量,1）单管压力计,2）U形压力计,(1) 压力计,p2 = p1 + gh,p3 = p0 + 0gR,p2= p3,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,19,(2) U管压差计,指示液的密度为0，被测流体的密度为,A与A面 为等压面，即,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,20,思考：,若U形压差计安装在倾斜管路中,?,2019/6/1
8、8,西北师范大学化学化工学院,21,(3) 复式压差计,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,22,(4) 微差压差计,可以将U管压差计的读数R放大,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,23,1.2.3 流体静力学基本方程的应用 2 液位的测量,压差计读数R反映出容器内的液面高度。 液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，R亦为零。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,24,远距离液位测量装置,管道中充满氮气，其密度较小，近似认为,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,25,1.2.3 流体静力学基本方程应用 3 液封高度的计算,恒定设
9、备内的压力，确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出 防止气体外泄,p,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,26,1.3 流体流动中的守恒原理,流体流动的守恒,连续性方程,机械能衡算方程,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,27,1.3.1 基本概念,1流量和流速,流量 (flux, flow rate),体积流量,质量流量,体积流速,质量流速,m/s,流速 (flow velocity),摩尔流量,摩尔流速,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,28,2 稳态流动（Flow of Stationary State )与非稳态流动,流动参数（流速、压
10、强、温度等）仅随位置变化，而不随时间变化，这种流动为稳态（定态）流动。否则就称为非稳态流动。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,29,稳态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,30,非稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,31,1.3.2 连续性方程(Continuity equation),流动物系的物料衡算式质量衡算方程,进入量累积量输出量,稳态流动系统中，积累量=0,质量守恒连续性方程,2019/6/18,西北师范大学化学化工学
11、院,32,对于不可压缩流体 （常数）,流体在圆管内流动,适用条件 不可压缩的连续性流体在圆形管道中做稳定流动。,或,或,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,33,1.3.3机械能衡算柏努利方程(Bernoulli equation) 1 不可压缩的理想流体做稳态流动） （密度=常数，粘度=0）,进入量累积量输出量,1-1到2-2能量衡算,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,34,表示每千克流体所具有的能量，单位,表示每重力单位（牛顿）流体所具有的能量，单位,柏努利方程,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,35,2 实际流体,当系统中有外界能量输入，且为实际流体时（
12、有摩擦阻力）,则柏努利方程为：,(1kg),(1N),工程上将每牛顿流体所具有的各种形式的能量统称为压头（head）。,位压头,动压头,静压头,有效压头,压头损失,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,36,3柏努利方程讨论,1）柏努利方程式表明理想流体在管内做稳定流动，没有外功加入时，任意截面上流体的总机械能即动能、位能、静压能之和为一常数。即：1kg理想流体在各截面上的总机械能相等，但各种形式的机械能却不一定相等，可以相互转换。,2）对于实际流体，在管路内流动时，应满足：上游截面处的总机械能大于下游截面处的总机械能。,Pa: 实际功率 Pe: 理论功率（有效功率），kW; : 效率
13、。,3) 功率,(1N),2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,37,理想流体能量分布,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,38,实际流体能量分布,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,39,1.3.4 柏努利方程的应用(1) 确定管道中流体的流量 (2) 确定设备间的相对位置 (3) 确定输送设备的有效功率 (4) 确定管路中流体的压强 （压降）p (5) 非稳态流动系统的计算（瞬时柏努利方程）,u,z,he,p,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,40,1 确定流体的流量 例：20的空气在直径为800mm的水平管流过，现于管路中接一文丘里管，文丘里管的上
14、游接一水银U形压差计，在直径为20mm的喉径处接一细管，其下部插入水槽中。空气流入文丘里管的能量损失可忽略不计，当U管压差计读数R=25mm，h=0.5m时，试求此时空气的流量为多少?当地大气压强为101.325 kPa。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,41,分析：,求流量qV,已知d,求u,直管,任取一截面,柏努利方程,气体,判断能否应用？,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,42,解：取测压处及喉颈分别为截面1-1和截面2-2截面1-1处压强 ：,截面2-2处压强为 ：,流经截面1-1与2-2的压强变化为：,这里的空气可以应用柏努利方程！,2019/6/18,西北
15、师范大学化学化工学院,43,在截面1-1和2-2之间列柏努利方程式。以管道中心线作基准水平面。由于两截面无外功加入，he=0。能量损失可忽略不计hf=0。柏努利方程式可写为：,式中： z1=z2=0P1=3335Pa（表压） ，P2= - 4905Pa（表压 ）,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,44,化简得：,由连续性方程有：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,45,联立(a)、(b)两式,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,46,2 确定设备间的相对位置例：如附图所示，密度为850kg/m3的料液从高位槽送入塔中，高位槽中的液面维持恒定，塔内表压强为9.8
16、1103Pa，进料量为5m3/h，连接管直径为 382.5mm，料液在连接管内流动 时的能量损失为30J/kg(不包 括出口的能量损失)，试求高位槽内 液面应比塔内的进料口高出多少？,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,47,分析：,解：取高位槽液面为截面1-1，连接管出口内侧为截面2-2, 并以截面2-2的中心线为基准水平面，在两截面间列柏努利 方程式：,高位槽、管道出口两截面,u、p已知,求z,柏努利方程,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,48,式中： z2=0 ；z1=?p1=0(表压) ；p2=9.81103Pa(表压）,he=0 ，,液面保持不变，u10。,将上
17、列数值代入柏努利方程式，得：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,49,3 确定输送设备的有效功率 例：如图所示，用泵将河水打入洗涤塔中，喷淋下来后流入下水道，已知道管道内径均为0.1m，流量为84.82m3/h，水在塔前管路中流动的总摩擦损失(从管子口至喷头进入管子的阻力忽略不计)为10J/kg，喷头处的压强较塔内压强高0.02MPa，水从塔中流到下水道的阻力损失可忽略不计，泵的效率为65%，求泵所需的功率。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,50,分析：求Pa,Pa=heqm/,求he,柏努利方程,P2=?,塔内压强,截面的选取？,解：取塔内水面为截面3-3，下水道截
18、面为截面4-4，取地平面为基准水平面，在3-3和4-4间列柏努利方程：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,51,将已知数据代入柏努利方程式得：,计算塔前管路，取河水表面为1-1截面，喷头内侧为2-2截 面，在1-1和2-2截面间列柏努利方程。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,52,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,53,将已知数据代入柏努利方程式,泵的功率：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,54,4 管道内流体的压强差 例1：如图，一管路由两部分组成，一部分管内径为 40mm，另一部分管内径为80mm，流体为水。在管路 中的流量为13.57m
19、3/h，两部分管上均有一测压点，测 压管之间连一个倒U型管 压差计，其间充以一定量 的空气。若两测压点所在 截面间的摩擦损失为 260mm水柱。求倒U型管 压差计中水柱的高度R为多少为mm?,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,55,分析：,求R,1、2两点间的压强差,柏努利方程式,解：取两测压点处分别为截面1-1和截面2-2，管道中心 线为基准水平面。在截面1-1和截面2-2间列单位重量流 体的柏努利方程。,式中： z1=0， z2=0,u已知,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,56,代入柏努利方程式：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,57,因倒U型管中为
20、空气，若不 计空气质量，P3=P4=P,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,58,5 不稳定流动系统的计算例：附图所示的开口贮槽内液面与排液管出口间的垂直距 离hi为9m,贮槽内径D为3m，排液管的内径d0为0.04m，液体 流过该系统时的能量损失可按,公式计算，式中 u为流体在管内的流速，试求经4小时 后贮槽内液面下降的高度。,分析：,不稳定流动系统,瞬间柏努利方程,微分物料衡算,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,59,解：在d时间内对系统作物料衡算，设F为瞬间进料率， D为瞬时出料率，dA为在d时间内的积累量，FdDddAd时间内，槽内液面下降dh，液体在管内瞬间流速
21、为u，,上式变为：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,60,在瞬时液面1-1与管子出口内侧截面2-2间列柏努利方程 式，并以截面2-2为基准水平面，得：,式中：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,61,将（2）式代入（1）式得：,两边积分：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,62,h=5.62m 经四小时后贮槽内液面下降高度为：95.62=3.38m,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,63,柏努利方程解题要点(1) 确定衡算范围(2) 选取衡算面(3) 选取基准面(4)单位一致性,根据题意做出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面
22、，明确流动系统的衡算范围,与流体的流动方向相垂直； 两截面间流体应是稳态连续流动 截面宜选在已知量多、计算方便处。,必须与地面平行； 宜于选取两截面中位置较低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。,各物理量的单位应保持一致，压强表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,64,1.4 流体流动现象,在应用柏努利方程式进行管路计算时，必须先知道能量损失的数值。 流体质点的运动方式，影响着流体的速度分布、流体阻力的计算以及流体中的热量传递和质量传递过程。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,65,1.4.1
23、流体流动型态 1、流体流动型态,层流（或滞流）(laminar flow)：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,66,湍流（或紊流）(turbulent flow) ：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,67,过渡流(transition flow)：过渡状态，与外界条件有关,注意：流体的流动型态只有两种层流和湍流,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,68,2、雷诺实验与雷诺准数（Re
24、ynolds number） （1）雷诺实验,流体在管内的流动分层流、过渡流、湍流三种类型 流体在管内的流动类型，由流体的临界速度决定 临界速度的大小受粘度、密度、管径的影响,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,69,（2）雷诺准数,Re4000 湍流,无因次数群,Re的大小不仅是作为层流与湍流的判据，而且在很多地方都要用到它。不过使用时要注意单位统一。另外，还要注意d，有时是直径，有时是别的特征长度。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,70,1.4.2 层流与湍流的比较,1、流体内部质点的运动方式层流流动时，流体质点沿管轴做有规则的平行运动。湍流流动时，流体质点在沿流动
25、方向 运动的同时，还做随机的脉动。,质点的速度是脉动的，但其速度总是围绕一个平均值脉动,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,71,管道截面上任一点的时均速度为：,湍流流动是一个时均流动上叠加了一个随机的脉动量 。 例如，湍流流动中空间某一点的瞬时速度可表示为：,湍流的特征是出现速度的脉动。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,72,2、流体在圆管内的速度分布,速度分布：流体在管内流动时截面上各点速度随该点与管中心的距离的变化关系。1）圆管内滞流流动的速度分布,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,73,作用于流体单元右端的总压力为：,作用于流体单元四周的剪应力为：,
26、作用于流体单元左端的总压力为：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,74,代入上式得：,滞流流动时圆管内速度分布式,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,75,2）圆管内湍流流动的速度分布,41043.2106时，n=10 。,湍流流动时圆管内速度分布式,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,76,3、滞流和湍流的平均速度,通过管截面的平均速度就是体积流量与管截面积之比 1）层流时的平均速度,流体的体积流量为：,滞流时，管截面上速度分布为：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,77,积分此式可得,层流时平均速度等于管中心处最大速度的一半(0.5倍) 。,20
27、19/6/18,西北师范大学化学化工学院,78,2）湍流时的平均速度,积分上式得：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,79,1/7方定律,通常遇到的情况下，湍流时的平均速度大约等于管中心处最大速度的0.82倍。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,80,4、滞流和湍流中的剪应力,滞流流动的剪应力 ：,湍流流动的剪应力：,：称为涡流粘度 ，反映湍流流动的脉动特征 ，随流动状况及离壁的距离而变化。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,81,圆管内滞流与湍流的比较,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,82,1.4.3 边界层（boundary layer）及
28、边界层分离,1、边界层的形成,边界层： 流速降为未受影响流速的99%以内的区域 。,主流区,边界层区,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,83,2、边界层的发展1) 流体在平板上的流动,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,84,2）流体在圆形直管进口段内的流动,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,85,3、边界层分离,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,86,A点,驻点,B点(umax，pmin),C点(u=0，pmax),边界层分离,流体流过曲面或障碍时，会发生边界层分离现象 边界层的分离会导致流体流动阻力的增大,2019/6/18,西北师范大学化学化
29、工学院,87,1.5 阻力损失,流动阻力产生的根源,流体具有粘性，流动时存在内部摩擦力.,流动阻力产生的条件,管壁或其他形状的固体壁面,管路中的阻力,直管阻力hf ：,局部阻力hf：,流体流经一定管径的直管时由于流体的内摩擦而产生的阻力,流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,88,1.5.1 流体在直管中的流动阻力,1、计算圆形直管阻力的通式,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,89,垂直作用于截面1-1上的压力 ：,垂直作用于截面2-2上的压力 ：,平行作用于流体表面上的摩擦力为 ：,圆形直管内能量
30、损失与剪应力关系式,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,90, 圆形直管阻力所引起能量损失的通式：范宁公式,为无因次的系数，称为摩擦因数,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,91,2、滞流时的摩擦损失,哈根-泊谡叶公式,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,92,滞流流动时与Re的关系,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,93,3、湍流时的直管阻力-因次分析,1) 通过初步的实验结果和较系统的分析，找出影响过程的主要因素，也就是找出影响过程的各种变量。 2) 利用因次分析，将过程的影响因素组合成几个无因次数群，以期减少实验工作中的变量数。 3) 建立过程的
31、无因次数群，一般常采用幂函数形式，通过大量实验，回归求取关联式中的待定系数。,如何求解？,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,94,因次分析法 特点：通过因次分析法得到数目较少的无因次变量，按无因 次变量组织实验，从而大大减少了实验次数，使实验简便易行。 依据: 因次一致性：凡是根据基本的物理规律导出的物理量方程式中各项的因次必然相同，也就是说，物理量方程式左边的因次应与右边的因次相同。 定理：任何物理方程必可转化成无量纲形式，即以无量纲数群的关系式代替原物理方程，无量纲数群的个数等于原方程的变量数减去基本量纲数。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,95,用幂函数表示为：
32、,以基本因次质量（M）、长度(L)、 时间(t) 表示各物理量：,代入（1）式，得：,：不是湍动粘度，绝对粗糙度,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,96,以b，f，g表示a，c，e，则有：,代入（1）式，得：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,97,整理，得：,因此：,式中：,管子的长径比；,雷诺数Re；,欧拉准数，以Eu表示 。,相对粗造度。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,98,通过试验确定,湍流流动，l/d的指数b=1 。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,99,4、管壁粗糙度对摩擦系数的影响,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院
33、,100,5、摩擦因数图（Moody图）,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,101,摩擦因数图,1)层流区：Re2000，与Re成直线关系，=64/Re。 2)过渡区：2000Re4000，管内流动随外界条件的影响而出现不同的流型，摩擦系数也因之出现波动。,3)湍流区： Re4000且在图中虚线以下处时，值随Re数的 增大而减小。4)完全湍流区： 图中虚线以上的区域，摩擦系数基本上不随Re的变化而变化，值近似为常数。根据范宁公式，若l/d一定，则阻力损失与流速的平方成正比，称作阻力平方区,的经验关系式,柏拉修斯(Blasius)光滑管公式,适用范围为Re=31031105,2019
34、/6/18,西北师范大学化学化工学院,102,6、非圆形管内的摩擦损失,对于长宽分别为a与b的矩形管道：,对于一外径为d1的内管和一内径 为d2的外管构成的环形通道,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,103,1.5.2 管路上的局部阻力损失,1、阻力系数法,为阻力系数 ，由实验测定 。,1）突然扩大与突然缩小,突然缩小：,突然扩大：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,104,2） 管出口和管入口管出口相当于突然扩大,流体自容器进入管内，相当于突然缩小,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,105,2 当量长度法,le 为管件的当量长度。,管件与阀门的当量长度由试
35、验测定，湍流时，可查共线图。,3）管件与阀门不同管件与阀门的局部阻力系数可从手册中查取。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,106,共线图查局部阻力损失,100mm 的闸阀 1/2 关,le = 22m,30mm 的标准三通,le = 2.2m,100mm 的闸阀全开,le = 0.75m,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,107,1.5.3 管路中的总能量损失,管路系统中总能量损失=直管阻力+局部阻力,对直径相同的管段：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,108,1.5.4 管、管件及阀门介绍,管 目前在化工中广泛应用的有铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属管
36、、塑料管、橡胶管等 管径常以AxB表示，其中A指外径，B指管壁厚度 管件 管与管的连接部件，主要用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,109,常见管件,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,110,常见阀门,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,111,截止阀,截止阀的特点是严密可靠，可以准确地调节流量，但对流体的阻力比较大。常用蒸汽、压缩空气、真空管路以及一般的液体管路中。但不能使用于带有固体颗粒和粘度较大的介质。安装截止阀时，应保证流体从阀盘的下部向上流动。否则，当流体压强较大的情况下难以打开。,2019/6/18
37、,西北师范大学化学化工学院,112,闸阀,闸阀的形休较大，制造维修都比较困难。但全开时流体的阻力小、常用于大型管路的开启和切断，一般不用来调节流量的大小，也不适用于含有固体颗粒的料液。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,113,止逆阀,用来控制流体只能朝一个方向流动、井能自动启闭,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,114,隔膜阀 它的启闭件是一块用软质材料制成的隔膜，把阀体内腔与阀盖内腔及驱动部件隔开。隔膜把下部阀体内腔与上部阀盖内腔隔开，使位于隔膜上方的阀杆、阀瓣等零件不受介质腐蚀，省去了填料密封结构，且不会产生介质外漏。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院
38、,115,球阀,球阀的工作原理是靠旋转阀恋来使阀门畅通或闭塞。球阀开关轻便, 体积小, 可以做成很大口径, 密封可靠, 结构简单, 维修方便, 密封面与球面常在闭合状态, 不易被介质 冲蚀, 在各行业得到广泛应用。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,116,安全阀依靠弹簧的弹性压力而将阀的瓣膜或柱塞等密封件闭锁，一旦当压力容器的压力异常后产生的高压将克服安全阀的弹簧压力，所以闭锁装置被顶开，形成了一个泄压通道,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,117,1、阀体内外表面有无砂眼、裂纹等缺陷； 2、阀座与阀体接合是否牢固，阀芯与阀座是否吻合，密封面有无 缺陷； 3、阀杆与阀
39、芯连接是否灵活可靠、阀杆有无弯曲，螺纹有无损 坏、腐蚀； 4、填料、垫圈是否老化损坏； 5、阀门开启是否灵活等。,阀门使用前的检查,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,118,例：用泵把20的苯从地下储罐送到高位槽，流量为300 l/min。高位槽液面比储罐液面高10m。泵吸入管路用894mm的无缝钢管，直管长为15m，管路上装有一个底阀（可粗略的按旋启式止回阀全开时计）、一个标准弯头；泵排出管用573.5mm的无缝钢管，直管长度为50m，管路上装有一个全开的闸阀、一个全开的截止阀和三个标准弯头。储罐及高位槽液面上方均为大气压。设储罐液面维持恒定。试求泵的轴功率。设泵的效率为70%。
40、,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,119,分析：,求泵的轴功率,柏努利方程,管径不同,范宁公式,l、d已知,摩擦因数图,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,120,解：取储罐液面为上游截面1-1，高位槽液面为下游截面2-2，并以截面1-1为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式。,（1）吸入管路上的能量损失,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,121,式中,管件、阀门的当量长度为：底阀(按旋转式止回阀全开时计） 6.3m标准弯头 2.7m,进口阻力系数 c=0.5,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,122,苯的密度为880kg/m3，粘度为6.510
41、-4Pas,取管壁的绝对粗糙度=0.3mm，/d=0.3/81=0.0037，查得=0.029,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,123,（2）排出管路上的能量损失 hf,b,式中:,管件、阀门的当量长度分别为： 全开的闸阀 0.33m 全开的截止阀 17m 三个标准弯头 1.63=4.8 m,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,124,出口阻力系数 e=1,仍取管壁的绝对粗糙度=0.3mm，/d=0.3/50=0.006， 查得=0.0313,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,125,（3）管路系统的总能量损失:,苯的质量流量为：,泵的有效功率为：,泵的轴功
42、率为：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,126,1.6 流体输送管路的计算,管路计算是连续性方程、柏努利方程以及能量损失计算式的具体应用。,或,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,127,计算类型,设计型,操作型,对于给定的流体输送任务（如一定的流体的体积流量），选用合理且经济的管路。 关键：流速的选择,管路系统已固定，要求核算在某给定条件下的输送能力或某项技术指标（压强等）,1.6.1 管路计算的类型与方法,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,128,1）已知流量和管器尺寸，管件，计算管路系统的阻力损失（外加能量）2）给定流量、管长、所需管件和允许压降，计算
43、管路直径3）已知管道尺寸，管件和允许压强降，求管道中流体的流速或流量,直接计算,d、u未知,试差法或 迭代法,Re无法求 无法确定,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,129,管路,简单管路,复杂管路,流体从入口到出口是在一条管路中流动的，没有出现流体的分支或汇合的情况 串联管路：不同管径管道连接成的管路,存在流体的分流或合流的管路 分支管路、汇合管路、并联管路,特点,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,130,例：一管路总长为70m，要求输水量30m3/h，输送过程的允许压头损失为4.5m水柱，求管径。已知水的密度为1000kg/m3，粘度为1.010-3Pas，钢管的绝
44、对粗糙度为0.2mm。,分析：,求d,求u,试差法,u、d、未知,1.6.2 简单管路,流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变。 整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和 。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,131,设初值,求出d、u,比较计与初值是否接近,修正,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,132,解： 根据已知条件,u、d、均未知，用试差法，值的变化范围较小，以为试差变量假设=0.025,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,133,解得：d=0.074m，u=1.933m/s,查图得：,与初设值不同，用此值重新计算,解得：,
45、2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,134,查图得：,与初设值相同。计算结果为：,按管道产品的规格，可以选用3英寸管，尺寸为88.54mm内径为80.5mm。此管可满足要求，且压头损失不会超过4.5mH2O。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,135,最适宜流速,u增大，d减小，A减小，设备费减小；,u增大，hf增大，操作费增加；,总费用=设备费+操作费；,选择uopt，使总费用最小。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,136,1.6.3 复杂管路,分支管路,汇合管路,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,137,2019/6/18,西北师范大学化学化
46、工学院,138,1、分支管路和汇合管路,例：12的水在附图所示的管路系统中流动。已知左侧支管的直径为702mm，直管长度及管件，阀门的当量长度之和为42m，右侧支管的直径为762mm 直管长度及管件，阀门的当量长度之和为84 m。连接两支管的三通及管路出口的局部阻力可以忽略不计。a、b两槽的水面维持恒定，且两水面间的垂直距离为2.6m，若总流量为55m3/h，试求流往两槽的水量。,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,139,解：设a、b两槽的水面分别为截面1-1与2-2,分叉处的截面为0-0,分别在0-0与1-1间、0-0与2-2间列柏努利方程式,2019/6/18,西北师范大学化学
47、化工学院,140,表明：单位质量流体在两支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等，且等于分支点处的总机械能。,若以截面2-2为基准水平面,代入式(a),2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,141,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,142,由连续性方程，主管流量等于两支管流量之和，即：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,143,流速计算的两个方程式中，有四个未知数。必须要有aua、bub的关系才能解出四个未知数，而湍流时u的关系通常又以曲线表示，故要借助试差法求解。取管壁的绝对粗糙度为0.2mm，水的密度1000kg/m3，查附录得粘度1.263mPa.s最后
48、试差结果为：,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,144,2,3,2.5,133500,0.003,0.0271,1.65,96120,0.0028,0.0274,1.45,假设值偏高,2,106800,0.003,0.0275,2.07,120600,0.0028,0.027,2.19,假设值偏低,2.1,112100,0.003,0.0273,1.99,115900,0.0028,0.0271,2.07,假设值可以接受,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,145,小结： 分支管路的特点：1）单位质量的流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等，且等于分支点处的总机械能。,2）主管流量等于各支管流量之和,讨论：汇合管路具有何特点？,2019/6/18,西北师范大学化学化工学院,146,2、并联管路在附图所示的并联管路中，支管1是内径0.053m的普通钢管，长度为30m，支管2是内径为0.0805m的普通钢管，长度为50m，总管路中水的流量为60m3/h，试求水在两支管中的流量，各支管的长度均包括局部阻力的当量长度，且取两支管的相等。,
