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第一第一三章三章流体流动与输送流体流动与输送1.流体的密度流体的密度r r：流体中空间流体中空间某点某点上单上单位体积的平均质量位体积的平均质量一、流体流动基本性质一、流体流动基本性质单位：气体的密度（按理想气体）气体的密度（按理想气体）混合气体的密度（按理想气体）混合气体的密度（按理想气体）ii组分的密度组分的密度Mii组分的摩尔质量组分的摩尔质量yii组分的摩尔分率组分的摩尔分率混合液体的密度混合液体的密度 ii组分的密度组分的密度w ii组分的质量分率组分的质量分率注意：注意：气体气体 =f（P,T）液体液体 =f（T）FF粘性粘性抵抗两层流体相对滑动速度的性质抵抗两层流体相对滑动速度的性质粘度粘度衡量流体粘性大小的物理量衡量流体粘性大小的物理量2.粘度粘度粘度粘度（压强（压强1.01105Pa、温度、温度288K）空气：空气：0.01810-3 N.s/m2 水：水：1.140510-3 N.s/m2甘油：甘油：233010-3N.s/m2 液体液体温度温度 粘度粘度气体气体温度温度 粘度粘度注意：注意：1泊泊=100厘泊厘泊 1厘泊厘泊=1/1000（N.s/m2）液体的分子间距较小其粘性以分子间的引力为主因，而气体的粘性以分子运动为主因混合气体粘度计算混合气体粘度计算混合液体粘度计算混合液体粘度计算（不缔合混合液）（不缔合混合液）3.压强：压强：单位面积上单位面积上垂直作用于流体的力。垂直作用于流体的力。*为外部作用力（包括流体柱自身的重力）在流体中为外部作用力（包括流体柱自身的重力）在流体中的传播的传播 *其方向与作用面相垂直，并指向作用面其方向与作用面相垂直，并指向作用面 *静止流体中的压强称为静压强静止流体中的压强称为静压强*在流体空间的任一点处，静压强数值相等地作用在在流体空间的任一点处，静压强数值相等地作用在各个方向各个方向用压力计（用压力计（manometer）测定压强测定压强 1)、真实压强大于大气压强、真实压强大于大气压强 测定的压强称为测定的压强称为表压表压 paP绝表表压压2)、真实压强小于大气压强、真实压强小于大气压强 测定的压强称为测定的压强称为真空度真空度 paP绝真真空空度度4.流量与流速流量：单位时间内流经管道任一截面的流体量。体积流量：单位时间内流经管道任一截面的流体体积，以qv表示，其单位为 ；流速：单位时间内流体在流动方向上流经的距离，用u表示，单位为m/s；质量流量：单位时间内流经管道任一截面的流体质量，以qm表示，其单位为kg/s或kg/h；流量与流速流量与流速若输送流体管道的直径为d(m)则二.连续性方程1122对于稳定过程，物料衡算关系为：输入=输出连续性方程对于任意截面：连续性方程连续性方程 三、流体稳定流动的机械能衡算实际流体的伯努利方程1、成立的条件：连续稳定的流动系统2.理想流体流动理想流体流动的柏努利方程的柏努利方程J/kg实际流体流动实际流体流动的柏努利方程的柏努利方程3.实际流体实际流体*存在流动阻力，部分机械能不可逆地转换为内存在流动阻力，部分机械能不可逆地转换为内能，称为阻力损失能，称为阻力损失 hf.。*机械能不守恒，但总能量一定守恒。机械能不守恒，但总能量一定守恒。若流体输送机械对流体输入的机械能为若流体输送机械对流体输入的机械能为 he1122J/kgJ/kg以单位质量流体为基准：在在1截面单位质量截面单位质量的流体具有的动的流体具有的动能能 J/kg在在2截面单位质截面单位质量的流体具有量的流体具有的动能的动能 J/kg单位质量的流体通过单位质量的流体通过流体输送机械后所获流体输送机械后所获得的能量得的能量 J/kg单位质量的流体由单位质量的流体由1截面流至截面流至2截面发截面发生的机械能损失生的机械能损失 J/kgE1：输入控输入控制体的机械制体的机械能能E1 J/kgE2：输出控制体输出控制体的机械能的机械能E2 J/kg11柏努利方程的讨论1).柏努利方程中每项的含义11无外加功：无外加功：he=0无外加功无外加功且且2).能量转换：流体稳定流动、无摩擦损失、没有外功输入即：柏努利方程的讨论1122即机械能为常数，但在各截面上的每种能量并不一定相等柏努利方程的讨论3）.流体静力学方程：若系统无外功加入则he=0，且系统中流体处于静止状态，则u=0，此时 hf=0 流体静力学方程流体输送机械的流体输送机械的有效功率有效功率Ne：流体输送机械的轴功率流体输送机械的轴功率N：输送机械的效率输送机械的效率有效功有效功J/kg4）.理论功率与轴功率：输送单位质量的流体所需加入的外功为he，若被输送流体的质量流量为qm kg/s，柏努利方程的讨论5）.柏努利方程中hf0，即永远是正值。6）.（1）单位质量流体作为衡算基准的柏努利方程：J/kg（2）单位重量流体作为衡算基准的柏努利方程：单位为：J/N或m流体柱柏努利方程的讨论（3）单位体积流体作为衡算基准的柏努利方程：单位为 或7）管路阻力损失管路阻力损失流体在管路系统中流动的阻力损失流体在管路系统中流动的阻力损失直管阻力损失直管阻力损失 流经直管时由于流体的内摩擦产生。流经直管时由于流体的内摩擦产生。局部阻力损失局部阻力损失 流经管件阀件时，由流道突变产生。流经管件阀件时，由流道突变产生。摩擦摩擦阻力阻力+形体阻力形体阻力 取决于管件的阻力特性取决于管件的阻力特性 直管阻力损失直管阻力损失局部阻力损失局部阻力损失阻力损失：机械能阻力损失：机械能热力学能热力学能(1)直管直管阻力损失计算阻力损失计算层流时：湍流时：摩擦系数曲线图（摩擦系数曲线图（Friction factor chartFriction factor chart）（2).2).局部阻力损失的计算方法局部阻力损失的计算方法 阻力系数法阻力系数法服从阻力平方定律服从阻力平方定律 当量当量长长度法度法认为认为局部阻力局部阻力损损失与某个失与某个长长度度L Le e的的 直管阻力直管阻力损损失相当失相当 表表3-2 管件，阀件管件，阀件局部阻力系数局部阻力系数 值值图图33 3 管件与阀件管件与阀件的当量长度共线的当量长度共线8）流体输送管路计算n管路系统的流量分配特性n管路系统的阻力特性a简单管路（简单管路（无分支的管路无分支的管路）串连特点：串连特点：（1 1）各段管路的质量流量不变）各段管路的质量流量不变 （2 2）总阻力等于全部分阻力之和）总阻力等于全部分阻力之和qmqm 并联特点：并联特点：（1 1）总管质量流量等于各）总管质量流量等于各支管流量之和：流量之和：（2）并联点处流体势能）并联点处流体势能唯一，即单位质量流体唯一，即单位质量流体通过任一根支管阻力损失都相等：通过任一根支管阻力损失都相等：b 并联管路并联管路b并联管路并联管路推论：推论：并联各支管流量分配具有自协调性并联各支管流量分配具有自协调性c分支管路分支管路 分支管路的特点：分支管路的特点：（1 1）总管质量流量等于各支管之和）总管质量流量等于各支管之和：c分支管路分支管路(2）支管柏努利方程支管柏努利方程4.应用柏努利方程解题时的注意事项1）.作图：画出流程图，标出流动方向，将主要数据列于图中；2）.截面的选取：截面应与流动方向垂直，所选的截面应是已知条件最多且要求的未知参数应包括在所选的截面构成的系统中，两截面间流动应是连续的；3）.单位：计算时，在方程中每项的单位必须一致；4）.基准水平面的选取：柏努利方程式的应用 1.管道中流体流量的确定例题：有一垂直管道，内径由d1=300mm渐缩至d2=150mm，水从下而上自粗管流入细管。测得水在粗管和细管内的静压力分别为0.2MPa和0.16MPa（表压）。测压点的垂直距离为1.5m。如两测压点之间的摩擦阻力不计，试求水的流量为多少m3/h？22111.5m0.2MPa0.16MPa150300解：如图选取截面列柏努利方程式选取11截面为基准水平面，则z1=0，z2=1.5m，根据连续性方程，有柏努利方程式的应用取水的密度为1000kg/m3，则柏努利方程式的应用2.管道内流体的压力及压差计指示例题：如图所示，大管直径为80mm，小管直径为40mm，水在管路中的流量为13.57m3/h。两管上均有一测压点与一倒U型管相连，指示剂为空气，若两测压点所在截面之间的摩擦损失为260 mmH2O，求倒U型压力计的读数R值。R空气1122解：如图选取截面，z1=0，z2=0在两截面间列柏努利方程式：柏努利方程式的应用柏努利方程式的应用3.功率的计算例例3-4 用水泵向高位密闭水箱供水，用水泵向高位密闭水箱供水，水箱中液面上方压力为水箱中液面上方压力为0.2MPa，管，管路流量为路流量为150m3/h，泵轴中心线距，泵轴中心线距水池液面和水箱液面的垂直距离分水池液面和水箱液面的垂直距离分别为别为2.0m和和25m，泵吸入管与排出，泵吸入管与排出管分别为内径管分别为内径205mm和内径和内径180mm的钢管。吸入管管长的钢管。吸入管管长10m，管路上装有一个吸水底阀和一个，管路上装有一个吸水底阀和一个90标准弯头；排出管管长标准弯头；排出管管长200m，其间有全开的闸阀其间有全开的闸阀1个和个和90标准弯标准弯头头1个。试求泵吸入口处个。试求泵吸入口处A点的真空点的真空表读数和泵的轴功率，设泵的效率表读数和泵的轴功率，设泵的效率为为65%。？解：取水的密度为1000 kg/m3，粘度为1.010-3 Pas，设泵的吸入和排出管路水的流速分别为uA和uB，则例例3-4取管壁绝对粗糙度0.3mm，则由图2-13查得摩擦系数:由表3-2查得管件局部阻力系数如下：水泵吸水底阀 闸阀（全开）90标准弯头 1）取水池液面取水池液面1-1截面为基准面，泵吸入点截面为基准面，泵吸入点处处A为为2-2截面，在两截面间列柏努利方程截面，在两截面间列柏努利方程2)又取水箱液面为又取水箱液面为3-3截面，在截面，在1-1与与3-3截面间列柏努利方程截面间列柏努利方程问：问：在在2-2与与3-3截面和在截面和在1-1与与3-3截面间列柏努利方程算出的截面间列柏努利方程算出的he相同否？相同否？又管路质量流量故泵的轴功率柏努利方程式的应用例：水以7m3/h的流量流过如图所示的文丘里管，在喉颈处接一支管与下部水槽相通。已知截面11处内径为50mm，压力为 0.02MPa（表压），喉颈内径为15mm，试判断垂直支管中水的流向。（假设流动无阻力损失，水的密度取1000 kg/m3）4.流向判断3mPa331122u1u2柏努利方程式的应用解：假设支管中水为静止状态，在截面11和22截面间列柏努利方程：4.流向判断3mPa331122u1u2柏努利方程式的应用3mPa331122u1u2取水槽液面33截面为基准面E3 E2 ，支管中流体将向上流动。例：有一高位槽，水从底部的接管流出，如图所示。高位槽直径D=1m，槽内水深2m，底部接管管长4m，管径d=20mm，液体流过该系统的能量损失可以按 计算，问槽内液面下降1m所需要的时间。柏努利方程式的应用5.流体从高位槽流出2211z1z解：由于高位槽的液面在流体流动过程中不断下降，故接管出口处的流速u随时间变化，属于不稳定流动问题柏努利方程式的应用2211z1z对于本题，以11和22间为划定体积，则列柏努利方程：柏努利方程式的应用阻力对管内流动的影响2211ABL1L2如图所示，高位槽A内的液体通过一等径管流向槽B，在管线上装有阀门，阀门前后M、N处分别安装压力表。假设槽A、B液面维持不变，阀门前后管长分别为L1、L2。现将阀门关小，试分析管内流量及M、N处压力表读数如何变化。MN阻力对管内流动的影响解：（1）管内流量变化分析2211ABL1L2MN阀门关小后管内流量将变小论证：在两槽液面11与22间列机械能衡算式：因z1、z2、p1、p2均不变，而u1=u2=0，所以E1、E2不变而管径、管长不变，变化不大，可视为常数，当阀门关小时，增大，增大，由上式得u减小，即qV减小阻力对管内流动的影响阻力对管内流动的影响2211ABL1L2MN（2）M处压力表读数变化分析由11和M点所在的截面列机械能衡算式：当阀门关小时，上式中除u减小外，其余量均不变，故pM增大阻力对管内流动的影响（2）N处压力表读数变化分析2211ABL1L2MN由N点和22所在的截面列机械能衡算式：当阀门关小时，上式中除u减小外，其余量均不变，而 恒大于零，故pN减小。阻力对管内流动的影响一.简单管路内阻力对管内流动的影响1.任何局部阻力的增大将使管内各处的流速下降；2.下游的阻力增大将导致上游的静压强上升；3.上游的阻力增大将使下游的静压强下降。阻力对管内流动的影响二.分支管路中阻力对管内流动的影响1.阀门A关小，阻力系数 增大，支管中u2将下降，O点处静压强将上升；2.O点处静压强上升将使总流速下降；3.O点处静压强上升将使另一支管流速出现上升趋势。1123ABp0o u2u3u0阻力对管内流动的影响三.汇合管路中阻力对管内流动的影响u1u2u3当下游阀门关小时，上游O点处的静压强将出现上升趋势，总管流速u3下降，各支管流速u1、u2也下降，当阀门继续关小时，可能会出现O点处的静压强上升到某一程度，使得u2=0，若阀门继续关小，则流体将反向流入低位槽中。O例题如图所示，用泵将水从水池同时送至开口高位槽A及B中，已知通往A槽的直径为763mm，管道中各种管件、阀门的当量长度之和为7.7m，通往B槽的直径为573mm，管道中各种管件、阀门的当量长度之和为5m，以上当量长度不包括管子的出口的当量长度，管路中的流量为60m3/h。试求通往A槽、B槽的流量为若干。（可取 =0.022，凉水池及高位槽的液面均恒定不变）1.8m2.3m1.5m30m76m0.5m1.0mABOOaabb例题解：如图选择截面，在OO与a a、bb截面间列柏努力方程：1.8m2.3m1.5m30m76m0.5m1.0mABOOaabbP129 例题例题3.4 P136 例题例题3.7 习题习题3.17，3.20，3.25，3.33第七章传热传传热热的的基基本本方方式式热传导热传导热对流热对流热辐射热辐射傅立叶傅立叶定律定律牛顿冷牛顿冷却定律却定律Q=h1A(tw-t)Q=h2A(T-TW)斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼定律：波尔茨曼定律：克希霍夫定律克希霍夫定律：dlT Tw tw t温温度度滞流滞流底层底层Q 热热流流体体冷冷流流体体Q换热器的传热速率，换热器的传热速率，WA传热面积，传热面积，m2tm 冷热两种流体的平均温差，冷热两种流体的平均温差，KK总传热系数，总传热系数，W/(m2K)传热基本方程式传热基本方程式（总传热速率方程）（总传热速率方程）对整个换热器对整个换热器第七章传热传热面积以换热管外表面传热面积以换热管外表面A2计算计算 传热负荷传热负荷 冷流体：冷流体：蒸发或冷凝蒸发或冷凝过热蒸汽的冷凝过热蒸汽的冷凝或过冷液体的蒸发或过冷液体的蒸发 热流体：热流体：壳壳 程程管管 程程Q传热速率，传热速率，W；Cp1、Cp2 热、冷流体的平均比热，热、冷流体的平均比热，J/(kgK)r 流体的汽化或冷凝潜热，流体的汽化或冷凝潜热，kJ/kg kg/s双管程单壳程列管换热器双管程单壳程列管换热器管束：管束：管子总数管子总数n管程数管程数m管外径管外径d2内径为内径为d1管长管长l管程流体的流通截面积：管程流体的流通截面积：基于管外表面的传热面积：基于管外表面的传热面积：基于管内表面的传热面积：基于管内表面的传热面积：壳程壳程管程管程逆、并流的逆、并流的复杂流动复杂流动dldA=d d l对数平均温差对数平均温差注意：注意：*tm为传热推动力为传热推动力 ，是两流体间的温差，是两流体间的温差 *Q、A、K、tm均代表整个换热器的状况均代表整个换热器的状况 *tm仅与流体进出口的温度有关仅与流体进出口的温度有关传热基本方程式传热基本方程式Go to 18A0温温度度逆流逆流A0温温度度并流并流结论：热负荷结论：热负荷Q及流体进出温度相同时及流体进出温度相同时逆流逆流并流并流对流传热过程的分类对流传热过程的分类对流传热对流传热有相变传热有相变传热无相变传热无相变传热冷凝传热冷凝传热沸腾传热沸腾传热自然对流传热自然对流传热强制对流传热强制对流传热管外对流传热管外对流传热管内对流传热管内对流传热非圆形直管非圆形直管圆形直管圆形直管弯管弯管滞流滞流过渡流过渡流湍流湍流各准数的定义和涵义各准数的定义和涵义努塞尔准数努塞尔准数待求准数待求准数,包括待求的给热系数包括待求的给热系数雷诺准数雷诺准数反映对流强度对传热的影响反映对流强度对传热的影响普兰特准数普兰特准数反映流体物性的影响反映流体物性的影响定定 义义名名 称称意意 义义格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数反映自然对流的影响反映自然对流的影响应注意：应注意：应用范围应用范围 定性温度定性温度 特征尺寸特征尺寸 流体无相变的给热系数流体无相变的给热系数 流体在流体在园形直园形直管内作强制对流管内作强制对流 (1)(1)、湍流湍流低粘度流体低粘度流体管径管径d 对对 h影响不大影响不大3、影响冷凝给热的因素及强化措施影响冷凝给热的因素及强化措施 4.不凝性气体不凝性气体 不凝性气体在液膜外侧可聚积形成一层气膜，热阻增大，不凝性气体在液膜外侧可聚积形成一层气膜，热阻增大，h 3.蒸汽的流速和流动方向蒸汽的流速和流动方向 蒸汽与液膜同向蒸汽与液膜同向液膜流速液膜流速 h 传热速率传热速率 蒸汽与液膜反向蒸汽与液膜反向若摩擦力若摩擦力液膜重力液膜重力 h （即蒸汽的流速很高，将液膜吹离壁面）（即蒸汽的流速很高，将液膜吹离壁面）5.过热蒸汽过热蒸汽 2.冷冷凝凝速速率率液液膜膜厚厚度度 h 传传热热速速率率 1.物性物性 6.冷凝液的排出冷凝液的排出 7.冷凝面冷凝面 习题7.7，7.26，7.28 例题