第一章 流体流动与输送

（1）两种流动形态 为了解流体在管内流动状况及影响因素，雷诺设计的实验可直接观察到不 同的流动形态。实验装置如图所示。
流速不大时墨水呈一条直线，平稳流过管，质点彼此平行的沿着管轴的方向作直 线运动，质点与质点之间互不混合。这种流动形态称为滞流或层流。 开大阀门时，墨水线开始出现波动。流速继续增大，细线消失，墨水与水完全混合。
状、粗糙度等影响着流体流动状况，是流体产生阻力的外部 条件。本节介绍管路与系统的管、管件、阀门，并讨论流体 的流动形态和管内流体流动阻力的定量计算。
1.2.1流体在管内流动阻力的计算
流体在管内的流动阻力分为两大类，即直管阻力和局部阻力。直管阻力是流体 在一定的管道中流动时，为克服流体粘性阻力而消耗的机械能，亦可称为沿程 阻力。局部阻力是流体流过弯头、阀门等管件时，因流体的流速和方向发生改 变而损失的机械能。柏努利方程式中的 h f 为单位质量流体在所研究管路系统 中流动时的总能量损失，它为直管阻力 h f 与局部阻力 h 'f 之和。即：
1.1.3流速
（1）平均流速 流体的体积流量 VS 除以管道的流通截面积 A，用符号 u 表示，单位为 m/s。 体积流量与平均流速的关系： u
VS A
（1-2） （1-3）
质量流量与平均流速的关系： GS VS uA （2）质量流速
单位时间内流经管道单位面积的流体质量，称为质量流速，用符号 w 表示，其单位为 Kg/(m2·s)。 质量流速与质量流量及平均流速之间的关系： w
第一章 流体流动与输送
化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大多数是流体，涉及的过
程大部分在流动条件下进行。流体的流动和输送是必不可少的过程操作。
研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。 ①选择输送流体所需管径尺寸。
②确定输送流体所需能量和设备。
③流体性能参数的测量, 控制。 ④研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供理论依据。 ⑤了解输送设备的工作原理和操作性能，正确地使用流体输 送设备。
(a)
过渡流
(b)
湍流
(c)
两种稳定的流动状态：层流、湍流。
层流：
* 流体质点做直线运动；
* 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞； * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力。 湍流： 主体做轴向运动，同时有径向脉动；
特征：流体质点的脉动 。
过渡流：
不是独立流型（层流+湍流），
流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。
表明水的质点除了沿着管道向前流动以外，各质点还作不规则的紊乱运动， 且彼此相互碰撞，互相混合，水流质点除了沿管轴方向流动外，还有径向的复杂 运动，这种流动形态称为湍流或紊流。
C 墨水流线
D
B 玻璃管
A
1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。
（2）雷诺实验现象 用红墨水观察管中水的流动状态 层流
试题：
• 某油的黏度为70mPa.s，密度为1050kg/m3,在管径为 φ114mm*4mm的管路中流动。若油的流量为30m3/h,试确 定管内油的流动形态。
1.2.3直管阻力的计算
经过大量的实验研究发现，流体流过直管的阻力与其流体的动能 u2/2、管长 l 成 正比，与其管径成反比，即：
l u2 hf d 2
1.1.3流速
单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，
称为流体的流速，以u表示，单位为 m· s-1。
管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流速越小， 而在紧靠管壁处，流速为零。 通常所说的流速是指流道整个截面上的平均流速，以流 体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表示：
u = qV/S
（Pa） （m）
（1-8） （1-9）
l u2 Hf d 2g
式中 p f ——直管压力降，Pa；
H f ——直管损失压头，m。
范宁公式不仅适用于层流， 也适用于湍流的阻力计算， 但式中摩擦系数 的 处理方法不同。 当流体在圆形直管内作层流流动时：
64 Re
(1-10)
1.2.3直管阻力的计算
Re 4000 时，是湍流流动； 2000 Re 4000时，有时出现层流，有时出现湍流，是一个不稳定的区域，称
为过渡区。在一般工程计算中，当 Re 2000 时可按湍流处理。
流动形态的判据
影响流体流动的因素除流速 u外，还有流体流过的通道管径 d的大小，及流体的 物理性质如粘度μ和密度ρ。称为雷诺数，以符号Re表示： Re＝duρ/μ 若将各物理量的量纲代入，则有： [Re]=L·LT-1·ML-3/ML-1·T-1 流体在圆形直管中流动时，当Re≤2000，流体流动形态为滞流；当 Re≥4000时，流 体流动形态为湍流；而当2000<Re<4000 时，流体的流动则认为处于一种过渡状态， 可以是滞流，也可以是湍流。
1.1.2流量
（1）体积流量 （2）质量流量
流量
单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为流体 的流量。 若流体量用体积来计量，称为体积流量，以符号qv表示，单 位为m3· s-1； 若流体量用质量来计量，则称为质量流量，以符号qm表示， 其单位为kg· s-1。
体积流量和质量流量的关系为：
qm=ρqV
h
f
h f h'f
（1-5）
流体的流动阻力大小与流体的流动现象(流动类型)等有着密切的关系。
1. 管、管件及阀门简介
(1) 管 管子种类繁多。有铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属管、塑料管及橡胶管 等。 钢管分有缝钢管和无缝钢管,管子按照管材的性质，可分为光滑管和粗糙管。 常把玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；旧钢管和铸铁管称为粗糙管.
GS u A
（1-4）
气体的体积流量是随压强和温度变化而变化，其流速将随之变化；但流体的质量流量是不 变的，当管道截面积不发生变化时，质量流速不会变化。对气体，采用质量流速计算较为 方便。
补充：粘度
粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘性大小的物理量，是流体
的重要参数之一。流体的粘度越大，其流动性就越小。 流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极薄的圆筒层，其中一层套着一
第一章 流体流动与输送
1.1流体流动、流量和流速 1.2流体的流动阻力 1.3流体输送机械
1.1流体流动、流量和流速
1.1.1流体流动 1.1.2流量 1.1.3流速
1.1.1流体流动
• 流体是液体和气体的总称，其基本特征是具有流动性。所 谓流动性就是在静止时不能承受剪切力的作用，当有剪切 力作用于流体时，流体质点间就会产生相对运动。 • 气体和液体既具有共性，也具有各自的特性，即气体是可 压缩的，而液体则由于其压缩性很小，工程上近似认为是 不可压缩的。所以在讨论共性的同时，也要讨论它们各自 的特性及处理方法。
S —— 与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2
质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单位截面积 的质量，以w表示，单位为 kg· s-1· m-2，表达式为：
w = qm／S
流速和质量流速两者之间的关系：
w =ρu
工业上用的流速范围大致为： 液体1.5 ～ 3.0m· s-1，高粘度液体0.5 ～ 1.0 m· s-1；气体102 ～ 0 m· s-1，高压气体15 ～ 25 Leabharlann Baidu· s-1；过热水蒸气30 ～ 50 m· s-1。
实验分析
① 影响状态的因素：
d、u、、
Re
du
L M L 3 du L L0 M 0T 0 Re T M LT


dqm

Re是量纲为一数群
②
圆形直管中 Re≤2000 Re ≥4000 2000＜ Re ＜ 4000 稳定的层流 稳定的湍流 不稳定的过渡流
1.2.2流体的两种流动型态--层流和湍流
雷诺通过分析研究，发现流体的流速 u、管径 d、流体的粘度 和密度 都能引 起流型的变化。可将这些影响因素组合成为一个数群来作为流型的判断依据， 此数群被称为雷诺数，用 Re 表示，其表达式为：
Re du

（1-6）
当： Re 2000 时，是层流流动；
1.2.4局部阻力的计算
①阻力系数法 ②当量长度法
①阻力系数法
克服局部阻力所引起的能量损失，与管路中流体的动能 . u 2 2 .成正比，即：
u2 h 2
' f
（1-12）
为局部阻力系数， 式中： 一般由实验测定。 其数值与管件和阀门的开启度有关，
即不同的管件和阀门的类型以及阀门的开启度有不同的 值。 对于突然扩大，如管路出口（流体从管路排入大气或排入某容器） ， =1.0。 对于突然缩小，如管路进口（流体由容器流入管路） ， =0.5。
图 1-1 是著名的雷诺实验装置，在水箱的侧壁上接一玻璃管 B，玻璃管末端安装阀 C，用来控制管内流 体的流速。在水箱上方安置一小容器 D，其中装有密度与水箱中液体接近的有颜色水。从小容器引出 一细管 E，其出口伸入玻璃管进口中心位置上，有颜色水的流量用 F 阀门控制。 首先将水箱中加满水，利用水箱上部的溢流装置，使水箱中水位维持恒定。实验开始时，先徐徐开启 管路上的阀门 C，让水从玻璃管中流出。开启细管上的 F 阀，使得有颜色的水流入玻璃管。 当玻璃管水的流速较小时，细管流出的颜色水是一条界限分明的直线，与周围清水不相混，如图 1-2(a) 所示。这种现象表明玻璃管内水的质点是沿着与管轴平行的方向作直线运动，这种流动型态称为层流 或滞流；若逐渐加大阀门 C 的开启度，当玻璃管内水的流速加大到某一临界值时，有色液体的直线开 始抖动、弯曲，继而断裂，有色液体从细管流出后随即破碎为小漩涡，向四处扩散，与周围清水完全 混合，如图 1-2(b)所示。现象表明管中水的质点运动轨迹没有规律，水质点在管中不仅有轴向运动，而 且还有径向运动，各质点之间彼此相互碰撞且相互混合，质点速度的大小和方向随时发生变化，这种 流动型态称为湍流或紊流。
当流体在圆形直管内作湍流流动时： f (Re, ) ， d

(1-11)
因为湍流流动时，不仅有流体质点之间的内摩擦，而且还有质点之间的碰撞。 此种流动类型的能量损失要比层流时大得多。因此流体在管内作湍流流动时， 其摩擦系数不仅与 u、 d、 而且还与管壁的粗糙度有关(绝对粗糙度 ， 和 有关， 相对粗糙 / d )。管径越小其影响越大。
表1-1常见管件和阀门的局部阻力系数及以管径计的当量长度
②当量长度法
为了便于管路计算，常将流体流过某管件或阀门时的局部阻力折算成同样流体 流过具有相同直径，长度为 le 的直管阻力，这个直管长度 le 称为该管件或阀门的 当量长度。此时的局部阻力所造成的能量损失计算公式可仿照直管阻力计算公 式写成，即：
• 化工生产中所处理的物料，不论是原料、中间产品或者是 产品，大部分是流体。 • 在生产过程中，无论是化学处理或是物理处理过程，流体 总是需要从一个设备流到另一个设备，从一个车间送到另 一个车间，为了完成流体输送任务，必须解决管路的配置， 流量、压强的测定，输送流体所需要的能量的确定和输送 设备选用等技术问题。 • 此外，设备中的传热、传质及化学反应都是在流动的流体 中进行，它们与流体流动形态密切相关。研究流体的流动 形态和条件，可作为强化化工设备的依据。因此，流体流 动与输送是化工生产中必不可少的单元操作。
管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度，以ε表示。绝对粗糙度ε与 管内径d的比值，称为相对粗糙度。表3-1列出了部分管道的绝对粗糙度。
（2）管件 用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。
（ 3）阀门 阀门在管道中用以切断流动或调节流量。常用的阀门有截止阀、闸阀和止逆阀等 。
1.2.2流体的两种流动型态--层流和湍流
层，各层以不同的速度向前流动，如图3-2所示。
1.2流体的流动阻力
1.2.1流体在管内流动阻力的计算 1.2.2流体的两种流动型态--层流和湍流 1.2.3直管阻力的计算 1.2.4局部阻力的计算 1.2.5减小流动阻力的途径
流体本身具有粘性，流体流动时因产生内摩擦力而消耗
能量，是流体阻力损失产生的根本原因。管道大小、内壁形
（J/kg）
（1-7）
式中 h f ——直管阻力，J/kg；
——摩擦系数；
l ——直管长度，m； d ——管内径，m；
u ——流体在管内的平均流速，m/s。
1.2.3直管阻力的计算
式（1-7）为直管阻力计算通式，称为范宁公式。范宁公式还可以写成以下两种 形式：
l u 2 p f d 2