化工原理PPT 流体流动

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1、化工厂中，管路纵横排列，与各种类型的设备连接，完成着流体输送的任务。化工厂中，管路纵横排列，与各种类型的设备连接，完成着流体输送的任务。2 23 3上海石油化工厂4 4牡丹江石化5 5青岛石化第一章第一章流体流动流体流动 - -内容提要内容提要-流体的基本概念流体的基本概念静力学方程及其应用静力学方程及其应用机械能衡算式及柏努机械能衡算式及柏努利方程利方程流体流动的现象流体流动的现象流动阻力的计算、管路计算流动阻力的计算、管路计算8 8流体流体流体流体是指具有流动性的物体，包括是指具有流动性的物体，包括是指具有流动性的物体，包括是指具有流动性的物体，包括液体液体液体液体和和和和气体气体气体气体

2、。 流体输送操作是化工生产中应用流体输送操作是化工生产中应用流体输送操作是化工生产中应用流体输送操作是化工生产中应用最普遍的最普遍的最普遍的最普遍的单元操作单元操作单元操作单元操作。流体流动是其它化工过程的流体流动是其它化工过程的流体流动是其它化工过程的流体流动是其它化工过程的基础基础基础基础。 在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集团所组成的团所组成的团所组成的团所组成的连续介质连续介质连续介质连续介质 。流体力学流体力学流体力学流体力学 ：流体静力学流体

3、静力学流体静力学流体静力学和和和和流体动力学流体动力学流体动力学流体动力学 流体的分类和流体的分类和特性特性流体有多种分类方法：流体有多种分类方法：流体有多种分类方法：流体有多种分类方法： （1 1）按）按）按）按状态状态状态状态分为分为分为分为气体、液体气体、液体气体、液体气体、液体和和和和超临界流体超临界流体超临界流体超临界流体等；等；等；等； （2 2）按）按）按）按可压缩性可压缩性可压缩性可压缩性分为分为分为分为不可压流体不可压流体不可压流体不可压流体和和和和可压缩流体可压缩流体可压缩流体可压缩流体； （3 3）按）按）按）按是否可忽略分子之间作用力是否可忽略分子之间作用力是否可忽略分

4、子之间作用力是否可忽略分子之间作用力分为分为分为分为理想流体理想流体理想流体理想流体与与与与粘粘粘粘性流体性流体性流体性流体（或（或（或（或实际流体实际流体实际流体实际流体）；）；）；）； （4 4）按）按）按）按流变特性流变特性流变特性流变特性可分为可分为可分为可分为牛顿型流体牛顿型流体牛顿型流体牛顿型流体和和和和非牛倾型流体非牛倾型流体非牛倾型流体非牛倾型流体；流体区别于固体的主要特征是具有流体区别于固体的主要特征是具有流体区别于固体的主要特征是具有流体区别于固体的主要特征是具有流动性流动性流动性流动性，其形状随容器形状而变，其形状随容器形状而变，其形状随容器形状而变，其形状随容器形状而变

5、化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一了流体力学原理研究的复杂内容之一了流体力学原理研究的复杂内容之一了流体力学原理研究的复杂内容之一不可压缩流体不可压缩流体：流体的体积不随压力及温度变化：流体的体积不随压力及温度变化可压缩流体可压缩流体：流体的体积随压力及温度变化流体的体积随压力及温度变化实际流体都是可压缩的实际流体都是可压缩的一般一般，液体液体可看成是可看成是不可压缩

6、不可压缩的流体的流体气体气体可看成是可看成是可压缩可压缩流体流体第一节第一节流体静力学流体静力学流体静力学流体静力学主要研究主要研究流体流体静止静止时其时其内部内部压强变化压强变化的规律。描述这一规律的的规律。描述这一规律的数学表达式，称为数学表达式，称为流体静力学基本方程流体静力学基本方程式式。先介绍有关概念。先介绍有关概念。一、流体的压力一、流体的压力压强压强流体垂直作用于单位面积上的力称为流流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的压强，体的压强，工程上工程上习惯习惯称为流体的称为流体的压力压力。在在SI中，中，压强的单位压强的单位是是帕斯卡帕斯卡（N/m2），以，以Pa表表示。但习惯上还采

7、用其它单位，它们之间的换算关示。但习惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：系为：1atm=1.033 kgf/cm2 (at)=760mmHg=10.33mH2O =1.0133 bar =1.0133105Pa =101.33kPa（1）定义和单位定义和单位工程上常用工程上常用兆帕兆帕作压强的计量单位：作压强的计量单位：1MPa=106Pa（2）压强的基准压强的基准压强有不同的计量基准：压强有不同的计量基准：绝对压强绝对压强、表压强表压强、真真空度空度。绝对压强绝对压强以绝对真空（零压）作起点计算的压以绝对真空（零压）作起点计算的压强，是流体的真实压强。强，是流体的真实压强。表压强表压强

8、压强表压强表上的读数，表示被测流体的绝对上的读数，表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，即压强比大气压强高出的数值，即:表压强绝对压强大气压强表压强绝对压强大气压强真空度真空度真空表真空表上的读数，表示被测流体的绝对上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，即压强低于大气压强的数值，即:真空度大气压强绝对压强真空度大气压强绝对压强绝对真空绝对真空大气压大气压绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力表压表压真空度真空度p1p2图图1-1绝对压力、表压与真空度的关系绝对压力、表压与真空度的关系绝对压力、表压与真空度的关系：绝对压力、表压与真空度的关系：图图绝对压力、表压和真空度的关系绝对压

9、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）例：例： 某台离心泵进、出口压力表读数分别为某台离心泵进、出口压力表读数分别为220mmHg(220mmHg(真空真空度度) )及及1.7kgf/cm1.7kgf/cm2 2( (表压表压) )。若当地大气压力为。若当地大气压力为760mmHg760mmHg，试求，试求它们的绝对压力各为若干（以法定单位表示）？它们的绝对压力

10、各为若干（以法定单位表示）？解解 泵进口绝对压力泵进口绝对压力P P1 1=760-220=540mmHg=7.2=760-220=540mmHg=7.210104 4PaPa 泵出口绝对压力泵出口绝对压力P P2 2=1.7 + 1.033=2.733kgf/cm=1.7 + 1.033=2.733kgf/cm2 2 =2.68 =2.6810105 5PaPa教材教材p12例例1-1二、流体的密度与比体积二、流体的密度与比体积单位体积流体所具有的质量称为流体的单位体积流体所具有的质量称为流体的密度密度。以。以表示，单位为表示，单位为kg/mkg/m3 3。式中式中-流体的密度，流体的密度，

11、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。（1-1）1、密度、密度液体的密度液体的密度随压力的变化很小，常称液体为不可随压力的变化很小，常称液体为不可压缩流体，其密度随温度稍有改变。压缩流体，其密度随温度稍有改变。气体的密度气体的密度随随压力和温度的变化较大。压力和温度的变化较大。常用液体的密度值参见常用液体的密度值参见附录四附录四和和附录五附录五，附录五，附录五给出的是给出的是相对密度相对密度，即液体密度与，即液体密度与4水的密度之比水的密度之比值，值，4水的密度为水的密度为1000kg/m3。式中式中 p气体的压力（绝对压力），气体的压力（绝对压力），

12、kN/m2或或kPa；T气体的绝对温度，气体的绝对温度，K；M气体的摩尔质量，气体的摩尔质量，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，当压力不太高、温度不太低时，气体的密度气体的密度可可近似地近似地按理按理想气体状态方程式计算：想气体状态方程式计算：理想气体理想气体标准状况标准状况下的密度为：下的密度为：(1-4)上式中的上式中的0 0M/22.4kg/mM/22.4kg/m3 3为为标准状态标准状态（即（即T T0 0=273K=273K及及p p0 0=101.3kPa=101.3kPa）下气体的密度。）下气体的密度

13、。气体密度也可按下式计算气体密度也可按下式计算(1-5) 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。当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用式当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用式(1-3、1-4)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气体混合物的组成通常以体积分率体积分率表示。表示。对于对于理想气体理想气体：体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。MmMy1+M2y2+ + Mnyn式中式中：M、M2、 Mn气体混合物各组分的分子

14、量气体混合物各组分的分子量r rmr ry1+r r2y2+ + r rnyn(1-6)式中式中： r r 、r r2、 r rn气体混合物各组分的密度；气体混合物各组分的密度；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。气体混合物密度气体混合物密度计算计算:液体混合物液体混合物:液体混合时，体积往往有所改变。若液体混合时，体积往往有所改变。若混合前混合前后体积不变后体积不变，则，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密度m。式中式中w1、w2、，wn液

15、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。(1-7)2、比体积、比体积(1-8)流体的比容与密度互为倒数。流体的比容与密度互为倒数。比体积（比容）：比体积（比容）：单位质量流体的体积，单位为单位质量流体的体积，单位为m3/kg。教材教材p13例例1-2；教材；教材p13例例1-3例例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%(质量质量)的硫酸水的硫酸水溶液的密度。溶液的

16、密度。解解：应用混合液体密度公式，则有：应用混合液体密度公式，则有例例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： MmMy1+M2y2+ + MnynMm=320.21+280.78+39.90.01=28.96气体的平均密度为：气体的平均密度为：流体静力学基本方程式是用于描述流体静力学基本方程式是用于描述静止静止流

17、体内部流体内部的压力沿着的压力沿着高度高度变化的数学表达式。对于不可压缩流变化的数学表达式。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。三、三、流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式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：1.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；2.2.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；3.3.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现从静止液体中任意划出一垂直液柱垂直液柱，如图，如图所示。液柱的所示。

18、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)pp0gh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，则上式可改写为在静止液体中，上述三力之在静止液体

19、中，上述三力之合力应为零合力应为零，即：，即：p2Ap1AgA(Z1-Z2)0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，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

20、同样大小的变化。发生同样大小的变化。pp0gh可改写为可改写为由上式可知，由上式可知，压力压力或压力差的大小可用或压力差的大小可用液柱高度液柱高度表示。表示。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：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称为称为静压头静压头，又，又称为流体的称为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，

21、称为为流体距基准面的高度，称为位压头位压头。若把重量。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/m=zg。上式中。上式中Z（位压头）（位压头）是表示单位重量的流体从基准面算起的是表示单位重量的流体从基准面算起的位能位能(potentialenergy)。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

22、液体对于大气压力来说，具有上升一定高度的能力。位压头静压头常数位压头静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 四、四、流体静力学基本方程式应用流体静力学基本方程式应用（一）压力测量（一）压力测量1U型管液柱压差计型管液柱压差计2斜管压差计斜管压差计3微差压差计微差压差计（二）液面测定（二）液面测定（三）确定液封高度（三）确定液封高度指示剂的选择指示剂的选择 指示液密度指示液密度0，被测流体密度为，被测流体密度为，图中，图中a、b两点的压力是相等的，因为这两点都在同一两点的压力是相等的，因为这两点都在同一种静止液体（指示液）的同一水平面上。通种静止液体（指示液）的

23、同一水平面上。通过这个关系，便可求出过这个关系，便可求出p1p2的值。的值。四、四、四、四、 流体静力学基本方程式应用流体静力学基本方程式应用流体静力学基本方程式应用流体静力学基本方程式应用在化工生产中，有些化工仪表是以静力学基本方程式为理论依据的。在化工生产中，有些化工仪表是以静力学基本方程式为理论依据的。在化工生产中，有些化工仪表是以静力学基本方程式为理论依据的。在化工生产中，有些化工仪表是以静力学基本方程式为理论依据的。（一）压强与压强差测量（一）压强与压强差测量（一）压强与压强差测量（一）压强与压强差测量 1U1U型管液柱压差计型管液柱压差计型管液柱压差计型管液柱压差计 （U-tube

24、 manometerU-tube manometerU-tube manometerU-tube manometer）指示液必须与被测流体不指示液必须与被测流体不互溶；互溶；不起化学反应；不起化学反应；大于被测流体的密度。大于被测流体的密度。指示液随被测流体的指示液随被测流体的不同而不同。不同而不同。常用指示液常用指示液：汞、四：汞、四氯化碳、水、液体石氯化碳、水、液体石蜡等。蜡等。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+R0gpapbp1 p2R（0）g测测量量气气体体时时，由由于于气气体体的的密密

25、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 下图所示是下图所示是倒倒U型管压差计型管压差计。该压差计是利用被测量液体本身。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。 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，指指示示液液为为汞汞。已已知知压压差差读读数数R100mmHg，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？已已知知水水与与汞汞的的

26、密密度分别为度分别为1000kg/m3及及13600kg/m3。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一液体内同一水平面上各点压力相等的原理，则的原理，则p1p1（a）p1paxH2Ogp1=RHgg+p2=RHgg+p2=RHgg+pb（Rx）H2Og根据式（根据式（a）papbxH2OgRHgg（Rx）H2OgRHggRH2Og0.1(13600-1000)9.81=1.24104（Pa）倾斜倾斜管路管路压差压差测量测量:根据流体静力学方程当被测的流体为气体时，可忽略,则两点间压差计算公式两点间

27、压差计算公式若U型管的一端与被测流体相连接，另一端与大气相通，那么读数R就反映了被测流体的绝对压强与大气压之差，也就是被测流体的表压或真空度。当管子平放时：,表压真空度p1pap1pa当P1-P2值较小时，R值也较小，若希望读数R清晰，可采取三种措措施施：两种指示液的密度差尽可能减小;采用倾斜U型管压差计;采用微差压差计。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，

28、其值愈小，则R值放大为值放大为R的倍数愈大。的倍数愈大。22斜管压差计斜管压差计斜管压差计斜管压差计（inclined manometerinclined manometerinclined manometerinclined manometer ） 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: : P P1 1P P2 2PPRgRg（a ab b）构造如图所示：构造如图所示：指示液指示液：两种指示液密度不同、互不相溶；：两种指示液密度不同、互不相溶；扩张室扩张室：扩张室的截面积远大于：扩张室的截

29、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，对于一定的压差，（a ab b）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。33微差压差计微差压差计微差压差计微差压差计（two-liguid manometertwo-liguid manometertwo-liguid manometertwo-liguid manometer ）说明：说明：1.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

30、里的液体相同。2.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。3.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，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（二）、液面测定（二）、液面测定（二）、液面测定例例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

31、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，R20.06

32、m时时，试试求求石石油产品的密度油产品的密度P及及Z1。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，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

33、，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度插入液面下的深度h为为三、确定液封高度三、确定液封高度三、确定液封高度三、确定液封高度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因此研究管内流体流动的规律是十分必要必要的。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

34、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。第二节第二节管内流体流动的基本方管内流体流动的基本方程式程式(流体动力学流体动力学)1.体积流量体积流量（volumetricflowrate）m3/s单位时间内流体流经管道任一截面的体积，单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称称为为体积流量体积流量，以，以qv或或V表示，其单位为表示，其单位为m3/s。一、流量与流速一、流量与流速2.2.质量流量质量流量 (mass flow rate) (mass flow rate) kg/s kg/s单位时间内流体流经管道任一截面的质量，单位时间内流体流经管道

35、任一截面的质量，称为称为质量流量质量流量，以，以qm或或G G表示，其单位为表示，其单位为kg/skg/s。 体积流量体积流量与与质量流量质量流量之间的关系为：之间的关系为： ( ( G=V=V ) ) （1-141-14）（一）（一）流量流量 实验证明实验证明：流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管：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道横截面上流体质点速度是沿半径变化沿半径变化的。管道的。管道中心中心流速最大，流速最大，愈靠愈靠管壁管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁上，其速度等于上，其速度等于零零。

36、流速流速：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。1.平均流速平均流速 （二）（二）流速流速 平均流速平均流速: : 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。此种速度值来表示流体在管道中的速度。此种速度称为称为平均流平均流速速，简称简称流速流速。 (1-15)(1-15)流量与流速关系流量与流速关系为：为： (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单位时间内流体流经管道单位截面积的质量单位时间内流体流经管道单位截面积的质量称为称为质质量流速，单位量流速

37、，单位：kg/(m2s)。它与流速及流量的关系为：。它与流速及流量的关系为：（1-17）由于由于气体气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、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流速也将之改变，但其质量流量不变。此时，将之改变，但其质量流量不变。此时，采用采用质量流速质量流速比较方便比较方便。2.质量流速质量流速 ( (mass mass velocityvelocity) )w w 流量流量一般为一般为生产任务生产任务所决定，而合理的所决定，而合理的流速流速则应根则应根据据经济经济权衡决定，一般权衡决定，

38、一般液体流速液体流速为为0.50.53m/s3m/s。气体流气体流速速为为101030m/s30m/s。某些流体在管道中的常用流速范围，。某些流体在管道中的常用流速范围，可参阅可参阅p46p46表表1-31-3或有关手册。或有关手册。若以若以d表示管内径，则式表示管内径，则式uqv/A可写成可写成3.管道直径的估管道直径的估算算 适宜流速的确定适宜流速的确定某些流体在管道中常用流速某些流体在管道中常用流速范围范围流体种类及情况流体种类及情况常用流速范围常用流速范围u/(m/s)水及一般液体水及一般液体粘度较大度液体粘度较大度液体低压气体低压气体易燃、易爆的低压气体易燃、易爆的低压气体130.5

39、1815A2, We=0 ，u1P3P4 ，而P4P5P6，这是由于流体在管内流动时，位能和静压能相互转换的结果。 5）流向的判断）流向的判断 在453mm的管路上装一文丘里管，文丘里管上游接一压强表，其读数为137.5kPa，管内水的流速u1=1.3m/s，文丘里管的喉径为10mm，文丘里管喉部一内径为15mm的玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池内水面到管中心线的垂直距离为3m，若将水视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管中？若能吸入，再求每小时吸入的水量为多少m3/h？分析：判断流向比较总势能求P？柏努利方程 解：在管路上选1-1和2-2截面，并取3-3截面为基准水平面设支管中水为静止状态。

40、在1-1截面和2-2截面间列柏努利方程： 式中： 2-2截面的总势能为 3-3截面的总势能为 3-3截面的总势能大于2-2截面的总势能，水能被吸入管路中。 求每小时从池中吸入的水量 求管中流速u柏努利方程在池面与玻璃管出口内侧间列柏努利方程式： 式中： 代入柏努利方程中 ： 6）不稳定流动系统的计算）不稳定流动系统的计算 例：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：分析：不稳定流动系统瞬间柏努利方程微分物料衡算解

41、：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， FdDddA d时间内，槽内液面下降dh，液体在管内瞬间流速为u，上式变为： 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： 将（2）式代入（1）式得： 两边积分： h=5.62m 经四小时后贮槽内液面下降高度为： 95.62=3.38m 本节将讨论产生本节将讨论产生能量损失能量损失的原因的原因及及管内速度分布管内速度分布等，以便为讨论等，以便为讨论能量损失的计算能量损失的计算提供基础。提供基础。第三节第三节管内流体流动现象管内流体流动现象 一、

42、流体的粘一、流体的粘度度（一）牛顿粘性定律（一）牛顿粘性定律运动着的流体内运动着的流体内部相邻两流体层间部相邻两流体层间的作用力，的作用力，称为称为流流体的体的内摩擦力内摩擦力，是，是流体粘性的表现，流体粘性的表现，又称为又称为粘滞力粘滞力或或粘性摩擦力粘性摩擦力。流体流动时的流体流动时的内摩擦内摩擦是流体是流体阻力产生的依据阻力产生的依据。 设设设设想想想想有有有有两两两两块块块块面面面面积积积积很很很很大大大大而而而而相相相相距距距距很很很很近近近近的的的的平平平平板板板板，其其其其间间间间充充充充满满满满液液液液体体体体，如图所示：如图所示：如图所示：如图所示：uFu=0 令令下下块块板

43、板保保持持不不动动，上上板板以以F力力向向右右推推动动。此此平平行行于于平平板板的的切切向向力力使使平平板板以以速速度度u做做匀匀速速运运动动，两两板板间间的的液液体体于于是是分分成成无无数数薄薄层层而而运运动动。紧紧贴贴于于上上板板的的流流体体层层以以同同一一速速度度u流流动动，而而以以下下各各层层速速度度逐逐渐渐降降低低，紧紧贴贴于于下下板板表表面面的的一一薄薄层层速速度度为为零。零。牛顿粘性定律牛顿粘性定律式中：速度梯度比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为性愈大，其值愈大，称为粘性系数粘性系数或或动力粘度动力粘度，

44、简简称称粘度粘度。单位面积的切向力单位面积的切向力单位面积的切向力单位面积的切向力F/AF/A即为流体的即为流体的即为流体的即为流体的剪应力剪应力剪应力剪应力 。实验证实验证实验证实验证明，对大多数流体，剪应力明，对大多数流体，剪应力明，对大多数流体，剪应力明，对大多数流体，剪应力 服从牛顿粘性定律：服从牛顿粘性定律：服从牛顿粘性定律：服从牛顿粘性定律：（二）（二）流体的粘度流体的粘度1、物理意义物理意义 由牛顿粘性定律得由牛顿粘性定律得：物理意义物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是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，只有在与速度梯度相联系，只有

45、在运动运动时时才显现出来。才显现出来。物理本物理本质：是分子是分子间的引力和分子的运的引力和分子的运动与碰撞。与碰撞。2、粘度与温度、压强的关系粘度与温度、压强的关系a)液体的粘度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。随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度基本不变。b)气体的粘度气体的粘度随温度升高而增大，随压强增加而增随温度升高而增大，随压强增加而增加得很少，在一般的工程计算中可以忽略，只有在加得很少，在一般的工程计算中可以忽略，只有在极低的压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。极低的压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。3、粘度的单位、粘度的单位在SI制中：在物理单

46、位制中：SI单位制和物理单位制粘度单位的单位制和物理单位制粘度单位的换算关系换算关系为：为：4、运动粘度、运动粘度单位：单位：SI制：制：m2/s；物理单位制物理单位制：cm2/s，称为，称为斯托克斯斯托克斯，用，用St表示。表示。（三）（三）牛顿型流体与非牛顿型流体牛顿型流体与非牛顿型流体（1）牛顿型流体牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体服从牛顿粘性定律的流体称为称为牛顿型流体。牛顿型流体。实验表明实验表明：对气体及大多数低摩尔质量液体，：对气体及大多数低摩尔质量液体，属于牛顿型流体。属于牛顿型流体。（2）非牛顿型流体非牛顿型流体凡不遵循牛顿粘性定律的流体，称凡不遵循牛顿粘性定律的流体，称为

47、非牛顿型流体。如血液、牙膏。为非牛顿型流体。如血液、牙膏。二、流体流动类型与雷诺准数二、流体流动类型与雷诺准数1.1.流体流动型态流体流动型态（1 1）雷诺实验）雷诺实验水水水平玻璃管水平玻璃管水箱水箱细管细管水水溢流堰溢流堰小瓶（密度与水相近）小瓶（密度与水相近）阀阀雷诺实验雷诺实验图（图（a a）层流）层流图（图（b b）湍流）湍流136136q流速小时流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。表明表明：水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直：水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动，各层之间没有质点的迁移。线运动，各层之间没有质点的迁

48、移。q当开大阀门使水当开大阀门使水流速逐渐增大流速逐渐增大到一定数值时，有色细到一定数值时，有色细流便出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；流便出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；q速度再增速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著的变化。的变化。流体流动状态类型流体流动状态类型过渡流过渡流：流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。或是两者交替出现，与外界干扰情况有关

49、。过渡流不是一种过渡流不是一种流型流型。q湍流湍流(turbulentflow)或或紊流紊流:当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流或紊流。流动状态称为湍流或紊流。q层流层流(laminarflow)或或滞流滞流(viscousflow):当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质

50、点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。在平行地流动。影响流体流动类型的因素影响流体流动类型的因素：流体的流体的流速流速u；管径管径d；流体流体密度密度；流体的流体的粘度粘度。 u u、d d、越大，越大，越小，就越容易从层流转变为湍越小，就越容易从层流转变为湍流。流。上述中四个因素所组成的复合数群上述中四个因素所组成的复合数群du/，是判断流体流，是判断流体流动类型的准则。动类型的准则。这数群这数群称为称为雷诺准数或雷诺数雷诺准数或雷诺数( (Reynolds number)Reynolds

51、number)，用用ReRe表示。表示。2 2 流型的判据流型的判据层流（层流（LaminarFlow）：）：Re4000；2000Re4000时，有时出现层流，有时出现湍流，或者是时，有时出现层流，有时出现湍流，或者是二者交替出现，为外界条件决定，称为二者交替出现，为外界条件决定，称为过渡区过渡区。流型只有两种流型只有两种：层流层流和和湍流湍流。雷诺准数的因次雷诺准数的因次ReRe数是一个数是一个无因次数群无因次数群。3 3 雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义质量流速质量流速单位时间通过单位截面积的动量。单位时间通过单位截面积的动量。单位面积上流体粘性力单位面积上流体粘性力的大小的大小 当当R

52、e较较大大时时，流流体体的的惯惯性性力力大大于于粘粘性性力力，占占主主导导地地位位，流流体体的的湍湍动动程程度度大大，流流体体流流动动形形态态为为湍湍流流；而而当当Re较较小小时时，流流体体的的粘粘性性力力大大于于惯惯性性力力，占占主主导导地地位位，流流体体的的湍湍动动程程度度小小，流体流动状态为层流；即流体流动状态为层流；即Re越大，流体湍动程度越大越大，流体湍动程度越大。图图1-16速度分布速度分布：流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。（一）流体在圆管中（一）流体

53、在圆管中层流层流时的速度分布时的速度分布由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。速度分布为速度分布为抛物线形状抛物线形状；管中心的流速最大；管中心的流速最大；速度向管壁的方向渐减；速度向管壁的方向渐减；靠管壁的流速为零；靠管壁的流速为零；平均速度为最大速度的一半。平均速度为最大速度的一半。三、流体在圆管内的速度分布三、流体在圆管内的速度分布实验证明实验证明：层流速度的抛物线分布规律要流过一段：层流速度的抛物线分布规律要流过一段距离后才能充分发展成抛物线的形状。距离后才能充分发展成抛物线的形状。当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度

54、的两倍时，当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度的两倍时，层流速度分布的抛物线规律才算完全形成。尚未形成层流抛物线规律的这层流速度分布的抛物线规律才算完全形成。尚未形成层流抛物线规律的这一段，称为一段，称为层流起始段层流起始段。X X0 00.05dRe0.05dRe X0滞流边界层滞流边界层RurP1FP2ul1122如图所示，流体在半径为如图所示，流体在半径为R R 的水平管中作稳定流动。在的水平管中作稳定流动。在流体中取一段长为流体中取一段长为 l l，半径为，半径为r r 的流体圆柱体。在水平方向作的流体圆柱体。在水平方向作用于此圆柱体的力有两端的总压力用于此圆柱体的力有两

55、端的总压力( (P P1 1- P- P2 2) )及圆柱体周围表面及圆柱体周围表面上的内摩擦力上的内摩擦力F F。1速度分布方程式速度分布方程式 作用于圆柱体两端的总压力分别为作用于圆柱体两端的总压力分别为P1r2p1P2r2p2式中的式中的p1、p2分别为左、右端面上的压强，分别为左、右端面上的压强，N/m2。式中的式中的负号表示负号表示流速沿半径增加的方向而减小。流速沿半径增加的方向而减小。流体作层流流动时流体作层流流动时内摩擦力内摩擦力服从牛顿粘性定律，即服从牛顿粘性定律，即作用于流体圆柱体周围表面作用于流体圆柱体周围表面2rl上的内摩擦力为上的内摩擦力为由于流体作由于流体作等速流动等

56、速流动，根据牛顿第二定律，这些力的合力等于零。，根据牛顿第二定律，这些力的合力等于零。故故式中式中p两端的压力差两端的压力差(p2p1)。即即（1-36）利用管壁处的边界条件，利用管壁处的边界条件，rR时，时，u0，可得，可得（1-37）积分积分式式(1-37)(1-37)为流体在圆管中层流时的为流体在圆管中层流时的速度分布方程式速度分布方程式。由此式可知，速度分布为由此式可知，速度分布为抛物线形状抛物线形状。（1-37）当当r=0时，时，最大流速最大流速为：为：（1-38）层流的速度分布与平均速度层流的速度分布与平均速度层流时管内速度分布层流时管内速度分布umaxR层流时的速度分布层流时的速

57、度分布平均速度平均速度RdrruRurP1FP2l11222流量流量哈根哈根-泊謖叶方程泊謖叶方程3平均流速平均流速（1-40）（1-41）（1-39）此式表明此式表明：在层流流动时，用以克服摩擦阻力的：在层流流动时，用以克服摩擦阻力的压力差与流速的一次方成正比。压力差与流速的一次方成正比。湍流湍流：除沿轴向的运动外，在径向上还有瞬时脉动，：除沿轴向的运动外，在径向上还有瞬时脉动，从而从而产生漩涡产生漩涡。uiuiui12（二）流体在圆管中（二）流体在圆管中湍流湍流时的速度分布时的速度分布湍流的速度分布与平均速度湍流的速度分布与平均速度其中其中n=610，与流体的流动状态有关，与流体的流动状态

58、有关，Re越大，越大，n也越大也越大 。湍流时的速度分布湍流时的速度分布umax速度分布速度分布湍流的速度分布目前还没有理论推导，但湍流的速度分布目前还没有理论推导，但有经验公式有经验公式。12速度分布有两个区域：速度分布有两个区域：中心中心(较平坦较平坦);近管壁近管壁(速度梯度很大速度梯度很大);u壁壁=0.3近管壁有层流底层近管壁有层流底层；4中间为湍流区；中间为湍流区；5u越大，层流底层越薄；越大，层流底层越薄；6起始段：起始段：特点特点：湍流湍流滞流滞流流体作湍流流动时的剪应力流体作湍流流动时的剪应力 与流向垂直的脉动速度使得流体产生与流向垂直的脉动速度使得流体产生涡流粘性涡流粘性。

59、 湍流流体内部产生的剪应力湍流流体内部产生的剪应力等于分子粘性（层流粘等于分子粘性（层流粘性）产生的剪应力性）产生的剪应力1和涡流产生的剪应力和涡流产生的剪应力e之和，即之和，即四、四、 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体（1 1）边界层及其形成）边界层及其形成（a）（b）（c）（d）平壁上边界层的形成平壁上边界层的形成层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流底层层流底层缓冲层缓冲层层流边界层与湍流边界层层流边界层与湍流边界层管内边界层的形成及发展管内边界层的形成及发展L0（2 2）边界层分离）边界层分离倒流倒流图图1-25边界层分离示意图边界层分离示意图旋涡旋涡ABC分离点分离点SS由

60、上述可知：由上述可知：流道扩大时必造成逆压强梯度；流道扩大时必造成逆压强梯度；逆压强梯度容易造成边界层的分离；逆压强梯度容易造成边界层的分离；边界层分离造成大量边界层分离造成大量旋涡旋涡，大大，大大增加机械能消耗增加机械能消耗。流体对球体或圆柱体的绕流会产生边界层分离现象，形流体对球体或圆柱体的绕流会产生边界层分离现象，形成旋涡，造成机械能损耗，表现为流体的成旋涡，造成机械能损耗，表现为流体的阻力损失增大阻力损失增大。这种阻力称为这种阻力称为形体阻力形体阻力。而流体沿管道流过因速度梯度产生。而流体沿管道流过因速度梯度产生剪应力所引起的流动阻力称为剪应力所引起的流动阻力称为表皮阻力表皮阻力（或（

61、或摩擦阻力摩擦阻力）。）。若流体所经过的流道有弯曲、有突然扩大或缩小，流体若流体所经过的流道有弯曲、有突然扩大或缩小，流体流经管件、阀门等地方，同样会出现边界层分离，产生旋涡，流经管件、阀门等地方，同样会出现边界层分离，产生旋涡，引起能量损耗。故在流体输送中应设法避免或减轻边界层分引起能量损耗。故在流体输送中应设法避免或减轻边界层分离造成的阻力损失。离造成的阻力损失。但边界层分离对传热及混合，却有促进但边界层分离对传热及混合，却有促进作用，有时也要加以利用作用，有时也要加以利用。161161162162163163164164 本节是在上节讨论管内流体流动现象基本节是在上节讨论管内流体流动现象

62、基础上，进一步讨论柏努利方程式中能量损失础上，进一步讨论柏努利方程式中能量损失的计算方法。的计算方法。 第四节第四节流体流动的阻力流体流动的阻力组成组成：由由管、管件、阀门管、管件、阀门以及以及输送机械输送机械等组成的。等组成的。作用作用：将生产设备连接起来，担负：将生产设备连接起来，担负输送输送任务。任务。当流体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力当流体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力而消耗能量。因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，而消耗能量。因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，必需对管、管件以及阀门有所了解。必需对管、管件以及阀门有所了解。一、管路系统一、管路系统分类分类：按按材料材料

63、：铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等；：铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等；按按加工方法加工方法：钢管又有有缝与无缝之分；钢管又有有缝与无缝之分；按按颜色颜色：有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。表示方法表示方法：ABAB，其中，其中A A指管外径，指管外径，B B指管壁厚度，指管壁厚度，如如10841084即管外径为即管外径为108mm108mm，管壁厚为，管壁厚为4mm4mm。1管子管子(pipe)作用作用：改变管道方向改变管道方向(弯头弯头);连接支管连接支管(三通三通);改变管径改变管径(变形管

64、变形管);堵塞管道堵塞管道(管堵管堵)。螺旋接头螺旋接头卡箍接头卡箍接头弯头弯头三通三通变形管变形管管件管件：管与管的连接部件。管与管的连接部件。2 2 管件管件 (pipe fitting)(pipe fitting)v截止阀截止阀 (globevalve)v闸阀闸阀 (gate valve)(gate valve)v止逆阀止逆阀(check valve): (check valve): 单向阀单向阀装于管道中用以装于管道中用以开关管路开关管路或或调节流量调节流量。3阀门阀门 (Valve)(Valve)v截止阀截止阀 (globe valve)(globe valve)特点特点：构造较复杂

65、构造较复杂。在阀体部分液。在阀体部分液体流动方向经数次改变，体流动方向经数次改变，流动阻力较流动阻力较大大。但这种阀门。但这种阀门严密可靠严密可靠，而且，而且可较可较精确地调节流量精确地调节流量。应用应用：常用于蒸汽、压缩空气及液体输常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使用。用。结构结构：依靠阀盘的上升或下降，依靠阀盘的上升或下降，改变阀盘与阀座的距离，以达到调改变阀盘与阀座的距离，以达到调节流量的目的。节流量的目的。v闸阀闸阀 (gate valve)(gate valve)：闸板阀闸板阀特点特点：构造简单，液体阻力小，构造简

66、单，液体阻力小，且不易为悬浮物所堵塞，故常用于且不易为悬浮物所堵塞，故常用于大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；制造、检修比较困难。制造、检修比较困难。应用应用：较大直径管道的开关较大直径管道的开关。结构结构：闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的流量。流量。v止逆阀止逆阀(check valve):(check valve): 单向阀单向阀特点特点：只允许流体单方向流动。只允许流体单方向流动。应用应用：只能在单向开关的特殊情只能在单向开关的特殊情况下使用。况下使用。 结构结构：如图所示。当流体自左向右流动时，阀

67、自动开启；如如图所示。当流体自左向右流动时，阀自动开启；如遇到有反向流动时，阀自动关闭。遇到有反向流动时，阀自动关闭。离心泵离心泵离心离心风机风机高高压压风风机机 4输送机械输送机械(泵、风机泵、风机)能量损失能量损失：流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体层之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力，使一部分机流体层之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力，使一部分机械能转化为热能，我们把这部分机械能械能转化为热能，我们把这部分机械能称为称为能量损失能量损失。能量损能量损失可以通过阻力计算求得失可以通过阻力计算求得。流动阻力流动阻力：流体在管路中的流动阻力

68、可分为流体在管路中的流动阻力可分为直管阻力直管阻力和和局部阻力局部阻力两类。两类。二、流体在管路中的流动阻力二、流体在管路中的流动阻力两种阻力损失两种阻力损失 直管阻力损失直管阻力损失（wf）：流体流过直管造成的机械能损失）：流体流过直管造成的机械能损失称为称为直管阻力损失。直管阻力损失。 局部阻力损失局部阻力损失（wf）：流体流经管件（弯头、三通、阀）：流体流经管件（弯头、三通、阀门）造成的机械能损失门）造成的机械能损失称为称为局部阻力损失。局部阻力损失。直管阻力损失，直管阻力损失，J/kg局部阻力损失局部阻力损失,J/kg直管压头损失，直管压头损失，m局部压头损失局部压头损失,m直管压力降

69、，直管压力降，N/m2局部压力降，局部压力降，N/m2计算圆形直管阻力损失的通式计算圆形直管阻力损失的通式（1 1）压力降）压力降阻力损失的直观表现阻力损失的直观表现 p1 u d l1122 p2 R流体流过水平直管时压力降流体流过水平直管时压力降因流动阻力而引起的压力降因流动阻力而引起的压力降问问:上、下截面的压力差等于上、下截面的压力差等于流体流动的阻力损失，此话流体流动的阻力损失，此话对否？对否？N/m2或或J/m3J/kgm或或J/N范宁公式范宁公式计算计算圆形直管阻力损失圆形直管阻力损失的通式，对层流与的通式，对层流与湍流均适用。适用湍流均适用。适用于于不可压缩流体不可压缩流体的的

70、稳定流动。稳定流动。注意：注意：范宁公式是在水平等径直管的前提下导出的，此范宁公式是在水平等径直管的前提下导出的，此式对倾斜或垂直放置的管路是否适用？请思考。式对倾斜或垂直放置的管路是否适用？请思考。（2 2）范宁公式范宁公式计算计算圆形直管圆形直管阻力损失的通式阻力损失的通式-摩擦因数摩擦因数三、层流时的直管阻力损失三、层流时的直管阻力损失(1)(1)哈根哈根泊谡叶（泊谡叶（Poiseuille）方程）方程层流时的直管阻力计算式层流时的直管阻力计算式哈根哈根- -泊谡叶方程泊谡叶方程 上式不管对水平、倾斜、垂直放置的直管均适用。上式不管对水平、倾斜、垂直放置的直管均适用。(2) (2) 层流

71、时摩擦因数层流时摩擦因数范宁公式：范宁公式：比较以上两式得比较以上两式得四、湍流时的直管阻力损失四、湍流时的直管阻力损失由由于于湍湍流流时时情情况况复复杂杂，流流体体质质点点的的不不规规则则运运动动与与脉脉动动，而而且且流流体体内内部部不不断断发发生生旋旋涡涡，剪剪应应力力比比层层流流时时大大的的多多，此此时时不再服从粘性定律。不再服从粘性定律。湍湍流流时时剪剪应应力力不不仅仅与与物物性性有有关关，还还与与流流动动状状况况有有关关；无无法法象象层层流流一一样样从从理理论论上上推推导导阻阻力力系系数数的的数数学学表表达达式式，必必须须用用实实验验的的方方法法来来确确定定摩摩擦擦系系数数与与雷雷诺

72、诺数数及及相相对对粗粗糙糙度度的的关关联联式式；其其中中非非常常重重要要的的方方法法：因因次次分分析析法法（基基础础是是因因次次一一致致性性原原则则和白金汉和白金汉(Buckingham)定理定理）。）。因次分析法因次分析法又称为又称为量纲分析法。量纲分析法。实践证明，实践证明，湍流运动时，管壁的粗糙度对湍流运动时，管壁的粗糙度对阻力、能量的损失有较大的影响。阻力、能量的损失有较大的影响。q绝对粗糙度绝对粗糙度 ：管壁粗糙部分的平均高度。管壁粗糙部分的平均高度。q相对粗糙度相对粗糙度 /d：du因次分析法因次分析法指导实验的研究方法指导实验的研究方法湍流时的摩擦因数湍流时的摩擦因数用因次分析法

73、得到无因次数群关系式：用因次分析法得到无因次数群关系式：将实验数据进行关联，得到各种形式的将实验数据进行关联，得到各种形式的的关联式：的关联式：（1）光滑管）光滑管=0，=（Re） 柏拉修斯柏拉修斯（Blasius）公式）公式适用范围适用范围：Re=5000105光滑管。光滑管。适用范围：适用范围：Re=30003106光滑管。光滑管。 顾毓珍公式顾毓珍公式 尼库拉则（尼库拉则（Nikuradse）与卡门）与卡门( (Karman) )公式公式（2）粗糙管）粗糙管 顾毓珍等公式顾毓珍等公式 适用范围：适用范围：Re=30003106粗糙管（内径为粗糙管（内径为50200mm的新的新钢铁管）。钢

74、铁管）。 柯尔布鲁克柯尔布鲁克（Colebrook）公式）公式Colebrook方程是得到工程界普遍认可、适用范围广：方程是得到工程界普遍认可、适用范围广：Re=4103108，/d=510-210-6 其它计算式其它计算式摩擦因数图摩擦因数图（Friction factor chartFriction factor chart） 1944年年莫狄莫狄（Moody）根据实验数据将圆管）根据实验数据将圆管、Re、/d关系标绘在关系标绘在双对数坐标双对数坐标上，以便查得摩擦系数，如图所上，以便查得摩擦系数，如图所示。示。 坐标：坐标：直角坐标直角坐标:单单对对数数坐坐标标：其其中中一一个个坐坐标标

75、为为对对数数坐坐标标，另另一一个个为为直直角角坐标；坐标；双对数坐标双对数坐标：两个坐标均为对数坐标。：两个坐标均为对数坐标。本图为双对数坐标，本图为双对数坐标，纵轴纵轴为摩擦系数，为摩擦系数，横轴横轴为雷诺数，其为雷诺数，其刻度按坐标的对数值标绘的，坐标上的刻度即为刻度按坐标的对数值标绘的，坐标上的刻度即为、Re的真实的真实值；其中曲线体现的是对数关系。值；其中曲线体现的是对数关系。0.050.040.030.020.0150.010.0060.0040.0020.0010.00060.00020.00040.00010.00005湍流区（图中红色虚线上方为完全湍流区）湍流区（图中红色虚线上

76、方为完全湍流区）层层流流过过渡渡区区1031041051061071080.010.10摩擦因数摩擦因数 雷诺准数雷诺准数Re相对粗糙度相对粗糙度24 624 624 624 624 60.0080.020.030.040.050.060.070.08光滑管光滑管图图1-27摩擦因数摩擦因数与与Re、/d的关系曲线的关系曲线对摩擦因数图应掌握好对摩擦因数图应掌握好“二线三区二线三区”（1）Re2000为为层流区层流区，与与/d无关，无关，log随随logRe直线直线下降，其斜率为下降，其斜率为-1。此区内，说明。此区内，说明阻力损失阻力损失wf与流速与流速u的一次的一次方成正比方成正比。（2）

77、Re=20004000为为过渡区过渡区，在此区域内，流体的流，在此区域内，流体的流型可能是层流，也可能是湍流，视外界条件而定，为安全起型可能是层流，也可能是湍流，视外界条件而定，为安全起见，对流动阻力计算，一般将见，对流动阻力计算，一般将湍流时湍流时的的Re曲线延伸查取曲线延伸查取的值。的值。（3）Re4000及虚线以下和光滑管及虚线以下和光滑管Re曲线以上的区曲线以上的区域为域为湍流粗糙管区湍流粗糙管区。在这个区域内，管内流型为湍流，。在这个区域内，管内流型为湍流，=（Re，/d）。）。/d一定，一定，Re，；Re一定，一定，/d，。（4）Re4000时的最下面一条时的最下面一条Re曲线为曲

78、线为湍流光滑管湍流光滑管区区，管内流型为湍流，管内流型为湍流，0，=（Re）。当）。当Re=5000100000时，时，=0.3164/Re0.25。（5）虚线以上的区域为虚线以上的区域为完全湍流区完全湍流区，Re曲线曲线近似水近似水平平，与与Re无关，只与无关，只与/d有关。对于一定管道，有关。对于一定管道，/d为定值，为定值，=常数，由范宁公式，可知常数，由范宁公式，可知所以完全湍流区又称所以完全湍流区又称阻力平方区阻力平方区。由图可知，。由图可知，/d，达到阻力平方区的，达到阻力平方区的Re。用用摩摩擦擦因因数数图图查查误误差差比比较较大大，而而前前面面介介绍绍的的计计算算式式如如果果精

79、精度度高高，应应用用范范围围广广，则则形形式式就就复复杂杂，如如果果形形式式简简单单则则误误差差就就大大。其其中中Colebrook方方程程是是得得到到工工程程界界普普遍遍认认可可的的、精精度度高高、适适用用范范围围广广的的方方程程，但但是是它它是是隐隐式式方方程程，计计算算时时要要用用试试差差法法求求解解，使使用用很很不不方方便便。2004年年，王王勇勇和和阮阮奇奇对对他他们们先先前前提提出出的的多多元元非非线线性性多多项项式式智智能能拟拟合合法法（王王勇勇，阮阮奇奇.多多元元非非线线性性多多项项式式智智能能拟拟合合法法J.计计算算机机与与应应用用化化学学，2004，21（1）：157-16

80、2.）稍稍加加改改进进，将将智智能能拟拟合合法法应应用用于于拟拟合合Colebrook方方程程解解的结果，得到：的结果，得到：上式的适用范围与上式的适用范围与Colebrook方程一样广，可代替方程一样广，可代替Moody摩摩擦图中湍流区所有曲线，精度高。擦图中湍流区所有曲线，精度高。五、非圆形管内的流动阻力计算五、非圆形管内的流动阻力计算（1 1）当量直径）当量直径de对内径为对内径为d，长度为，长度为l圆形管路，其内部可供流体流过的圆形管路，其内部可供流体流过的体积为体积为d2l/4，其被流体润湿的内表面积为其被流体润湿的内表面积为dl，则则即四倍的流通截面积除以润湿周边即四倍的流通截面积

81、除以润湿周边；因此；因此当量直径作类似的当量直径作类似的定义定义： a b对于长为对于长为a，宽为，宽为b的矩形管道的矩形管道d2d1对于外管内径为对于外管内径为d1，内管外径为，内管外径为d2的的套管环隙套管环隙：阻力计算：阻力计算：范宁公式仍可用，但式中及范宁公式仍可用，但式中及Re中的中的d必须以非圆形管道的必须以非圆形管道的当量直径当量直径de代替代替。即。即N/m2或或J/m3J/kgJ/N或或m流体流经流体流经管件管件时，其速度的大小、方向等发生变化，时，其速度的大小、方向等发生变化，出现漩涡，内摩擦力增大，形成局部阻力。出现漩涡，内摩擦力增大，形成局部阻力。局部阻力以局部阻力以湍

82、流为主湍流为主，层流很少见，因为层流流体，层流很少见，因为层流流体受阻后一般不能保持原有的流动状态。受阻后一般不能保持原有的流动状态。常见的局部阻力常见的局部阻力有：有：突扩突扩突缩突缩弯头弯头三通三通六、局部阻力损失的计算六、局部阻力损失的计算由局部阻力引起的能耗损失的计算方法有由局部阻力引起的能耗损失的计算方法有两种：两种：阻力系数法阻力系数法和和当量长度法当量长度法。 为局部阻力系数。由实验得出，可查表或图。为局部阻力系数。由实验得出，可查表或图。1.阻力系数法阻力系数法u1u21122图图1-29突然扩大突然扩大00p1p2p1p2FwFwFnFn 突然扩大突然扩大e eA1/A2=0

83、,e e=1A1/A2=0.5,e e=0.25 突然缩小突然缩小c c图图1-30突然缩小突然缩小u1u2缩脉缩脉0022常见局部阻力系数的求法：常见局部阻力系数的求法： 管件与阀门管件与阀门管出口管出口:管入口管入口:管出口管出口o o与管入口与管入口i iP40表表1-22.2.当量长度法当量长度法由直管阻力和局部阻力计算式比较可得：由直管阻力和局部阻力计算式比较可得：即即任任一一管管件件的的局局部部阻阻力力与与长长度度为为le的的直直管管阻阻力力大大小小相相当当，该该长长度度称称为为当当量量长长度度，用用le表表示示；由由此此把把局局部部阻阻力力转转化化成成长长度度为为le的的直直管管

84、的的阻阻力力,所所以以局局部部阻力的计算也可采用当量长度法：阻力的计算也可采用当量长度法： P40表表1-23.3.管路管路总阻力损失总阻力损失的计算的计算管路总阻力管路总阻力包括包括直管阻力和局部阻力，而直管阻力和局部阻力，而局部阻力局部阻力则包则包括管路上所有的管件阻力之和，即：括管路上所有的管件阻力之和，即： 注意注意：以上各式适用于：以上各式适用于直径相同直径相同的管段或管路系统的计的管段或管路系统的计算，算，式中的式中的流速流速是指管段或管路系统的流速是指管段或管路系统的流速。由于管径相同，。由于管径相同，所以流速可以按任一管截面计算。而柏努利方程中动能项中所以流速可以按任一管截面计

85、算。而柏努利方程中动能项中的流速是指相应的衡算截面处的流速。的流速是指相应的衡算截面处的流速。例题：例题：用泵把用泵把20的苯从地下储罐送到高位槽，流量为的苯从地下储罐送到高位槽，流量为300l/min。高位。高位槽液面比储罐液面高槽液面比储罐液面高10m。泵吸入管路用。泵吸入管路用894mm的无缝钢管，直管长的无缝钢管，直管长为为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，管路上装有一个底阀（可粗略的按旋启式止回阀全开时计le=6.3m）、一个标准弯头）、一个标准弯头(le=2.7m)；泵排出管用；泵排出管用573.5mm的无缝的无缝钢管，直管长度为钢管，直管长度为50m，管

86、路上装有一个全开的闸阀，管路上装有一个全开的闸阀(le=0.33m)、一个全、一个全开的截止阀开的截止阀(le=17m)和三个标准弯头和三个标准弯头(每个弯头每个弯头le=3m)。储罐及高位槽液。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%。（。（苯的密度为苯的密度为880kg/m3，粘度为，粘度为6.510-4Pas，管壁的绝对粗糙度，管壁的绝对粗糙度=0.3mm）1122h=10m分析：分析：求泵的轴功率求泵的轴功率柏努利方程柏努利方程Z、u、P已知已知求求hf管管径径不不同同吸入管

87、路吸入管路排出管路排出管路范宁公式范宁公式l、d已知已知求求求求Re、/d摩擦因数图摩擦因数图当量长度当量长度阻力系数阻力系数查图查图解：解：取储罐液面为上游截面取储罐液面为上游截面1-1，高位槽液面为下游截面，高位槽液面为下游截面2-2，并以截面并以截面1-1为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式。为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式。式中：式中：（1）吸入管路上的能量损失）吸入管路上的能量损失式中式中管件、阀门的当量长度管件、阀门的当量长度le为为：底阀底阀(按旋转式止回阀全开时计）按旋转式止回阀全开时计）6.3m标准弯头标准弯头2.7m进口阻力系数进口阻力系数=0.5苯的密度为苯的密度

88、为880kg/m3，粘度为，粘度为6.510-4Pas管壁的绝对粗糙度管壁的绝对粗糙度=0.3mm，/d=0.3/81=0.0037，查得查得=0.029（2）排出管路上的能量损失）排出管路上的能量损失hf,b式中式中:管件、阀门的当量长度分别为管件、阀门的当量长度分别为：全开的闸阀全开的闸阀0.33m全开的截止阀全开的截止阀17m三个标准弯头三个标准弯头1.63=4.8m出口阻力系数出口阻力系数e=1管壁的绝对粗糙度管壁的绝对粗糙度=0.3mm，/d=0.3/50=0.006，查得查得=0.0313（3）管路系统的总能量损失）管路系统的总能量损失:苯的质量流量为：苯的质量流量为：泵的泵的有效

89、功率有效功率为：为：泵的泵的轴功率轴功率为：为：管路计算是管路计算是连续性方程连续性方程柏努利方程柏努利方程:摩擦阻力计算式摩擦阻力计算式的具体应用。的具体应用。第五节第五节管路计算管路计算在简单管路计算中，实际是连续性方程、在简单管路计算中，实际是连续性方程、机械能衡算式和阻力损失计算式的具体机械能衡算式和阻力损失计算式的具体运用。即联立求解这些方程：运用。即联立求解这些方程：连续性方程：连续性方程：机械能衡算式机械能衡算式:摩擦系数计算式摩擦系数计算式(或图或图): 一、简单管路的计算一、简单管路的计算简单管路简单管路：没有分支或汇合的单一管路，包括：等径管：没有分支或汇合的单一管路，包括

90、：等径管路、不等径管路、循环管路。路、不等径管路、循环管路。循环管路循环管路不等径管路不等径管路等径管路等径管路简单管路简单管路 （一）特点（一）特点（1）流流体体通通过过各各管管段段的的质质量量流流量量不不变变，对对于于不不可可压缩流体，则体积流量也不变。压缩流体，则体积流量也不变。(2)整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和。Vs1,d1Vs3,d3Vs2,d2不可压缩流体不可压缩流体（二）管路计算（二）管路计算基本方程：基本方程：连续性方程：连续性方程：柏努利方程：柏努利方程：阻力计算阻力计算（摩擦系数）：（摩擦系数）：物物性性 、 一一定定时时

91、，需需给给定定独独立立的的9个个参参数数，方方可可求解其它求解其它3个未知量。个未知量。（1）设计型计算）设计型计算 设设计计要要求求：规规定定输输液液量量q qv v，确确定定一一经经济济的的管管径径及及供供液点提供的位能液点提供的位能z z1 1( (或静压能或静压能p p1 1) )。 给定条件给定条件： （1 1）供液与需液点的距离，即管长）供液与需液点的距离，即管长l l； （2 2）管道材料与管件的配置，即）管道材料与管件的配置，即 及及 ； （3 3）需液点的位置）需液点的位置z z2 2及压力及压力p p2 2； （4 4）输送机械）输送机械 W We e。选择适宜流速选择适宜

92、流速确定经济管径确定经济管径适宜流速的确定适宜流速的确定适宜流速的确定适宜流速的确定选择适宜的管径选择适宜的管径选择适宜的管径选择适宜的管径（2）操作型计算）操作型计算 已知：管子已知：管子d 、 、l l，管件和阀门，管件和阀门 ，供液点，供液点z z1 1、p p1 1， 需液点的需液点的z z2 2、p p2 2，输送机械，输送机械 WeWe； 求：流体的流速求：流体的流速u及供液量及供液量qv 。 已知：管子已知：管子d、 、l l、管件和阀门、管件和阀门 、流量、流量qv等，等， 求：供液点的位置求：供液点的位置z z1 1 ； 或供液点的压力或供液点的压力p p1 1； 或输送机械

93、有效功或输送机械有效功W We e 。试差法进行计算试差法进行计算 试差法计算流速的步骤试差法计算流速的步骤：（1 1）根据柏努利方程列出试差等式；）根据柏努利方程列出试差等式；（2 2）试差：）试差：符合？可初设阻力平方区之值可初设阻力平方区之值注意注意：若已知流动处于阻力平方区或层流，则无需：若已知流动处于阻力平方区或层流，则无需试差，可直接解析求解。试差，可直接解析求解。（三）阻力对管内流动的影响（三）阻力对管内流动的影响pApBpaF11 22 AB阀门阀门F开度减小时：开度减小时：（1）阀关小，阀门局部阻力系数）阀关小，阀门局部阻力系数 Wf,A-B 流速流速u u 即流量即流量；

94、（2）在）在1-A之间，由于之间，由于流速流速uuWf,1-AppA A ； （3）在）在B-2之间，由于之间，由于流速流速uuWf,B-2ppB B 。 结论结论：（1）当当阀阀门门关关小小时时，其其局局部部阻阻力力增增大大，将将使使管管路路中中流量下降；流量下降；（2）下游阻力的增大使上游压力上升；）下游阻力的增大使上游压力上升；（3）上游阻力的增大使下游压力下降）上游阻力的增大使下游压力下降;(4)阻力损失总表现为流体机械能的降低。阻力损失总表现为流体机械能的降低。可可见见，管管路路中中任任一一处处的的变变化化，必必将将带带来来总总体体的的变化，因此必须将管路系统当作整体考虑。变化，因此

95、必须将管路系统当作整体考虑。并联并联和和分支分支管路称为管路称为复杂管路复杂管路。ABABC并联管路并联管路分支管路分支管路二、复杂管二、复杂管路路ms=ms1+ms2V=V1+V2VAB12证明证明hfAB=hf1=hf2（各支管总阻力相等）（各支管总阻力相等）1.并联管路并联管路特点特点：注意注意：在计算并联管路的能量损失时，只需计算一根支管：在计算并联管路的能量损失时，只需计算一根支管的能量损失即可，绝不能将并联的各管段的阻力全部加在一起的能量损失即可，绝不能将并联的各管段的阻力全部加在一起作为并联管路的能量损失。作为并联管路的能量损失。各支管的流量比为：各支管的流量比为：支管越长、管径

96、越小、阻力系数越大支管越长、管径越小、阻力系数越大流量越小；流量越小；反之反之流量越大。流量越大。 COAB分支管路分支管路COAB汇合管路汇合管路2.2.分支管路与汇合管路分支管路与汇合管路H1=H2(各支管终点总能量相等各支管终点总能量相等)0-10-2P1P2012VV1V2对多个分支，则有对多个分支，则有V=V1+V2证明：证明：比较上两式，得比较上两式，得特点特点：现将一支管现将一支管现将一支管现将一支管A A阀关小，阀关小，阀关小，阀关小， A A增大，则：增大，则：增大，则：增大，则：（1 1）考考考考察察察察其其其其间间间间的的的的管管管管路路路路，由由由由于于于于 A A 。

97、阻阻阻阻力力力力增增增增加加加加，使使使使总总总总流流流流量量量量QQv0v0 ，使使使使P P0 0上上上上升（下游阻力升（下游阻力升（下游阻力升（下游阻力 ，使上游压强，使上游压强，使上游压强，使上游压强 ）。）。）。）。（2 2）考考考考察察察察0-20-2截截截截面面面面，P P0 0上上上上升升升升，1-21-2间间间间列方程列方程列方程列方程，p p1 1=p=p2 2=p=pa a、u u1 1=0=0、z z1 1=z=z、z z2 2=0=0。h hf1-2f1-2 ，则，则，则，则u u2 2 ，QQv2v2 。1P1P0Qv0AB23P2,Qv2P3,Qv3 （3）考察）

98、考察1-0截面，截面，P1不不变变，u1=0，Qv0减减小小，hf1-0减小减小。上式左边上式左边，P3不变，故不变，故u3增加，增加，QV3增加增加。 由由此此可可知知：关关小小阀阀门门使使所所在在支支管管流流量量下下降降，与与之之平平行行的的支支管管内内流流量量上上升升，但但总总管流量还是减少。管流量还是减少。3.3.3.3.汇合管路汇合管路汇合管路汇合管路 现现现现将将将将阀阀阀阀门门门门关关关关小小小小，阻阻阻阻力力力力增增增增加加加加使使使使流流流流量量量量QQv3v3下下下下降降降降。下下下下游游游游阻阻阻阻力力力力增增增增大大大大，上上上上游游游游压压压压强强强强上上上上升升升升

99、，使使使使P0 0 。此此此此时时时时，QQv1v1、QQv2v2同同同同时时时时降降降降低低低低，但但但但因因因因P2 250d。应与流动方向平行安置，保证管口截面应与流动方向平行安置，保证管口截面严格垂直严格垂直于流动方向。于流动方向。测速管外径测速管外径d010d，下游，下游l5d；（2）结构简单，制造与安装方便）结构简单，制造与安装方便；（3）能量损失较大）能量损失较大。孔板流量计 构构构构造造造造242242孔板流量计测量原理 在孔板前后列柏努利方程式，经整理可得：Vs=u0A0= 243243孔板流量计优缺点 1 、优点：制造简单，随测量条件变化 时，更换方便。2、缺点：能量损失较

100、大。 3 3 文丘里管文丘里管将测量管段制成如图所示的将测量管段制成如图所示的渐缩渐扩管渐缩渐扩管，避免了突然缩，避免了突然缩小和突然扩大，阻力损失大大降低。这种管称为小和突然扩大，阻力损失大大降低。这种管称为文丘里管文丘里管。在距文丘里管开始收缩处之前至少在距文丘里管开始收缩处之前至少1/2管径处设为上游取压口，管径处设为上游取压口，下游取压口通常设在文氏喉（最小截面）附近，两取压口连下游取压口通常设在文氏喉（最小截面）附近，两取压口连接接U压差计，就构成压差计，就构成文丘里流量计文丘里流量计。文文丘丘里里管管收收缩缩角角通通常常为为15o25o，扩扩大大角角一一般般为为5o7o。由由于于它

101、它的的渐渐缩缩渐渐扩扩结结构构使使流流体体流流速速改改变变时时不不形形成成旋旋涡涡,故故阻阻力力小小，永永久久压压力力降降仅仅占占压压差差读读数数的的10%左左右右。将将孔孔板板流流量量计计的的流流量量计计算算式式中中Co改改为为文文丘丘里里管管的的流流量量系系数数CV，即即可可用用于于文文丘丘里管的流量计算：里管的流量计算：式式中中CV为为文文丘丘里里管管的的流流量量系系数数，CV约约为为0.980.99；Ao为为文文丘丘里管喉部面积，里管喉部面积，m2；uo为喉孔流速，为喉孔流速，m/s。由由于于阻阻力力损损失失小小，相相同同压压差差读读数数下下文文丘丘里里管管的的流流量量比比孔孔板板大大

102、，它它对对测测量量含含有有固固体体颗颗粒粒的的液液体体也也较较孔孔板板合合用用。其其缺缺点点是是加加工工较较难难、精精度度要要求求高高，因因而而造造价价高高，安安装装时时需需占占去去一一定定管长位置。管长位置。孔孔板板流流量量计计和和文文丘丘里里流流量量计计均均是是恒恒截截面面变变压压差差（变变阻阻力力）流流量量计计。变变阻阻力力流流量量计计是是人人为为设设置置一一阻阻力力构构件件（如如孔孔板板），造造成成局局部部阻阻力力（压压降降），利利用用能能量量守守恒恒原原理理及及连连续续性性方方程程关关联联此此压压降降与与流流速速乃乃至至流流量量的的关关系系。下下面面介介绍绍另另一一种种恒恒压压差差变

103、变截截面面的的流流量量计计转转子流量计子流量计。247247文丘里流量计 构造构造 工作原理工作原理 与孔板流量计相似，计算式也相似与孔板流量计相似，计算式也相似： Vs= 248248文丘里流量计优缺点 1、优点：能量损失小 2、缺点：各部分尺寸要求严格，要精细加工，造价高。 组成组成：锥形玻璃管和转子锥形玻璃管和转子原理原理：转子上下的压差与转子的净转子上下的压差与转子的净重力（重力与浮力之差）相等。重力（重力与浮力之差）相等。4转子流量计转子流量计一、结构与原理一、结构与原理 二、流量方程二、流量方程 转子受力平衡转子受力平衡在在1-11-1和和0-00-0截面间列柏努利方程截面间列柏努

104、利方程 00111 10 0流体的浮力流体的浮力动能差动能差由由连续性方程连续性方程CR流量系数流量系数体积流量体积流量（1）特点：）特点：恒压差、恒流速、变截面恒压差、恒流速、变截面截面式流量计。截面式流量计。讨论：讨论：（2）刻度换算）刻度换算标定流体：标定流体：20水（水（ 1000kg/m3）20、101.3kPa下下空空气气（ 1.2kg/m3）CR相同相同,同刻度时同刻度时式中：式中：1标定流体；标定流体；2被测流体。被测流体。气体转子流量计气体转子流量计 三、安装及优缺点三、安装及优缺点（1）永远）永远垂直安装垂直安装，且下进、上出，且下进、上出，安装支路，以便于检修。安装支路，

105、以便于检修。（2）读读数数方方便便，流流动动阻阻力力很很小小，测测量量范围宽，测量精度较高；范围宽，测量精度较高；（3）玻玻璃璃管管不不能能经经受受高高温温和和高高压压，在在安装使用过程中玻璃容易破碎。安装使用过程中玻璃容易破碎。255255转子流量计 256256转子流量计工作原理 转子受到两个力：转子受到两个力：1 1、上上推推力力等等于于流流体体流流经经转转子子与与锥锥管管间间的的环环形形截截面面所所产产生生的压力差；的压力差；2 2、净重力等于转子所受重力减去流体对转子的浮力；、净重力等于转子所受重力减去流体对转子的浮力；当当上上推推力力大大于于净净重重力力，转转子子上上浮浮；当当上上

106、推推力力小小于于净净重重力力，转转子子下下降降；当当上上推推力力等等于于净净重重力力，转转子子平平衡衡，停停止止在在某一位置。某一位置。转子流量计的转子流量计的流量公式流量公式流量公式流量公式： V Vs s= = 257257转子流量计优缺点 1 1、优优点点：读读数数方方便便，能能量量损损失失小小，测测量量范范围宽，能用于腐蚀性流体的测量。围宽，能用于腐蚀性流体的测量。2 2、缺点：管壁大多为玻璃制品，不能受高、缺点：管壁大多为玻璃制品，不能受高温和高压，易破碎而且安装时要求保持垂温和高压，易破碎而且安装时要求保持垂直。直。 三种流量计的区别三种流量计的区别孔板流量计，文丘里流量计孔板流量

107、计，文丘里流量计称为称为差压式流量计差压式流量计；转子流量计转子流量计称为称为截面流量计截面流量计。259259n=1,牛顿流体牛顿流体n 1，非牛顿流，非牛顿流体体牛顿型流体牛顿型流体( (Newtonian fluidNewtonian fluid) )：剪应力与速度梯度的关系剪应力与速度梯度的关系完全符合牛顿粘性定律的流体，如水、所有气体都属于牛顿流完全符合牛顿粘性定律的流体，如水、所有气体都属于牛顿流体。体。为表观粘度，非牛顿流体为表观粘度，非牛顿流体的的与速度梯度有关与速度梯度有关非牛顿型流体非牛顿型流体 ( (non-Newtonian fluidnon-Newtonian flu

108、id) )：不服从牛顿粘性不服从牛顿粘性定律的流体，如泥浆、某些高分子溶液、悬浮液等。对于非牛定律的流体，如泥浆、某些高分子溶液、悬浮液等。对于非牛顿型液体流动的研究，属于流变学顿型液体流动的研究，属于流变学( (rheologyrheology) )的范畴。的范畴。非牛顿流体非牛顿流体粘弹性流体粘弹性流体触变性流体触变性流体流凝性流凝性(负触变性负触变性)流体流体与时间无关与时间无关粘性流体粘性流体与时间有关与时间有关无屈服应力无屈服应力有屈服应力有屈服应力涨塑性流体涨塑性流体du/dy0acbda.牛顿流体，牛顿流体，n=1；b.假塑性流体假塑性流体,n1；d.宾汉塑性流体宾汉塑性流体宾汉

109、塑性流体宾汉塑性流体（Bingham fluidBingham fluid）干酪、巧克力浆、肥皂、纸浆、泥浆等干酪、巧克力浆、肥皂、纸浆、泥浆等假塑性流体假塑性流体（pseudoplastic fluidpseudoplastic fluid）蛋黄酱、血液、番茄酱、果酱、高分子溶液等蛋黄酱、血液、番茄酱、果酱、高分子溶液等胀塑性流体胀塑性流体（dilatant fluiddilatant fluid）淀粉溶液、蜂蜜、湿沙等淀粉溶液、蜂蜜、湿沙等牛顿流体牛顿流体（NewtonianNewtonian fluidfluid）气体、水、酒、醋、低浓度牛乳、油等气体、水、酒、醋、低浓度牛乳、油等触变性

110、流体触变性流体（thixotropic fluidthixotropic fluid）高聚物溶液、油漆等高聚物溶液、油漆等流凝性流体流凝性流体（rheopetic fluidrheopetic fluid）某些溶胶、石膏悬浮液等某些溶胶、石膏悬浮液等粘弹性流体粘弹性流体面粉团、沥青、凝固汽油、冻凝胶等面粉团、沥青、凝固汽油、冻凝胶等指数律流体指数律流体（power lawpower law）牛顿流体、假塑性流体和胀塑性流体的牛顿流体、假塑性流体和胀塑性流体的统称统称。k为为稠度指数稠度指数n为流变指数为流变指数稠度指数稠度指数k k的因次与的因次与n n有关。有关。当当n=1n=1时，流体为牛顿流体时，流体为牛顿流体，稠度指数，稠度指数k k的因次与牛顿流的因次与牛顿流体的粘度相同。体的粘度相同。当当n1n1时，流体为非牛顿流体时，流体为非牛顿流体，稠度指数，稠度指数k k的因次与粘度的因次与粘度的因次不同。此时的因次不同。此时k k为流体的表观粘度，为流体的表观粘度，n n表示流体的非表示流体的非牛顿性程度。牛顿性程度。