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1、食品工程原理,第一章 绪 论,第一节 课程的性质和内容 第二节 单位和单位制 第三节 混合物浓度的表示方法 第四节 单元操作常用的基本概念,第一节 课程的性质和内容,单元操作 生产过程 化学反应过程+物理加工过程（归纳）基本操作过程 单元操作,一、单元操作和化学工程原理化工生产过程（以酒精生产工艺过程为例）：原料粉碎蒸煮汽化冷却糖化发酵过滤蒸馏产品（前后处理过程是化工生产中必不可少的，且具重要地位）,单元操作特点:,1、都是物理性操作2、都是化工生产中共有的操作3、不同的生产过程所包含的单元操作的数量及顺序不同,单元操作分类 按操作目的分：物料的增压、减压和输送 物料的混合与分散 物料的加热与
2、冷却 非均相混合物的分离 均相混合物的分离,常用单元操作：流体的流动和输送、传热、沉降与过滤、干燥、蒸馏、吸收、萃取等。,按过程的物理本质分：动量传递过程（单相或多相流动）、热量传递过程和物质传递过程。,表1 化工常用单元操作单元操作 目的 物态 原理 传递过程流体流动 输送 液或气 输入机械能 动量传递搅拌 混合或分散 气-液；液-液 输入机械能 动量传递 固-液 过滤 非均相混合物分离 液-固；气-固 尺度不同的截留 动量传递沉降 非均相混合物分离 液-固；气-固 密度差引起的沉降运动 动量传递传热 加热、冷却 升温、降温，气或液 利用温度差传入或 热量传递 改变相态 移出热量 蒸发 溶剂
3、与溶质的分离 液 供热以汽化溶剂 热量传递吸收 均相混合物分离 气 各组分在溶剂中溶解度不同 物质传递蒸馏 均相混合物分离 液 各组分间挥发度不同 物质传递萃取 均相混合物分离 液 各组分在溶剂中溶解度不同 物质传递干燥 去湿 固体 供热汽化 热、质 同时传递吸附 均相混合物分离 液或气 各组分在吸附剂中吸附 物质传递 能力不同,化学工程原理 研究对象 传递过程（包括单元操作的过程和设备）。研究内容 单元操作基本原理、基本规律、相互关系和应用。研究方法 实验研究方法，即经验的方法。数学模型方法，即半理论半经验的方法。,通过研究回答工业应用中提出的问题：如何根据各单元操作特点，进行“过程和设备”
4、的选择，以适应指定物系的特征，经济而有效地满足工艺要求。如何进行过程的计算和设备的设计。如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。,食品工程原理与化学工程原理 食品工程原理的基本内容来源于化学工程原理；食品工程原理在发展中形成了许多特色。（冷冻技术、真空技术等）,二、课程的内容和学习要求,学时分配：总学时90，理论课72，实验18学时(第11,14周周末)。教学内容：以流体的流动和输送、沉降与过滤、传热、蒸发、干燥、蒸馏、吸收等单元操作为主。学习要求：*具备高数、化学、物理、物理化学等基 础知识*重视课前、课堂、课后复习与练习三个环节参考资料：化工原理（第二版
5、）陈敏恒等主编，化工版 食品工程原理 杨同舟主编，农业版 食品工程原理 高福成等主编，轻工版,第二节 单位和单位制,一、单位和单位制 物理量=数值单位 物理量分为基本量和导出量,量纲（因次）：表示基本量的符号。如：长度L、质量M或力F、温度t、时间等量纲式：表示基本量与导出量之间的关系：Q=La Mb tc d.单位制：基本单位与导出单位的总和。基本量的基本单位，各种单位制均不相同。,常见的单位制及基本量的基本单位：长度(L)质量(M)力(F)时间(t)温度()SI制 m kg S KCGS制 cm g S 工程制 m kgf S,导出量的导出单位 如：力 F=Ma SI制 F=kgm/s2=
6、N（牛顿）压强 P=N/m2 CGS制 F=gcm/s2=dyn（达因）P=dyn/cm2 工程制 F=kgf P=kgf/m2,二、单位换算,物理量的单位换算 原单位表示的物理量数值换算因数=新单位表示的物理量数值,实验方程式（又称数值公式）的单位换算 根据（物理量=数值单位）关系进行换算,例：已知某吸收塔塔板上的液流量L与塔盘内液层高度H的关系为：L=0.0052H 式中 L液流量，m3/s 换算成 m3/hr；H液层高度，m mm。,解：设液流量与塔盘内液层高度两个物理量分别为L、H。即有 L=L（m3/s）L=L/（m3/s）H=H（m）H=H/（m）则原式改写为：L/（m3/s）=0
7、.0052H/（m）将 1 m3/s=3600 m3/hr，1 m=1000 m m 代入上式 得：L/（3600 m3/hr）=0.0052H/（1000 m m）整理得：L/（m3/hr）=0.592H/（m m）换算后的实验方程式为：L=0.592H,习题：实验方程式的单位换算 G=2.45 u0.8p 式中：G 蒸发量，磅（质）/（英尺2小时）换算成 kg/m2hr u 气速，英尺/秒 m/s p 压强差，大气压（atm）N/m2。,第三节 混合物浓度的表示方法,一、物质的量浓度与物质的量分数 1、物质的量浓度（简称物质的浓度，也称摩尔浓度，单位kmol/m3）2、物质的量分数（摩尔分
8、数）二、物质的质量浓度与质量分数 1、质量浓度（也称密度）2、质量分数三、摩尔比与质量比,第四节 单元操作常用的基本概念,1、物料衡算（输入量=输出量+累积量）2、能量衡算 3、物系的平衡关系 4、传递过程速率（过程速率=过程推动力/过程阻力）5、经济核算,第二章 流体流动,第一节 概 述一、流体的定义和分类,3、研究对象 质点：含有大量分子的流体微团。流体:是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。流体的物理性质及运动参数在空间作 连续分布，即可以用连续函数的数学工具加以描述。,2、特征 具有流动性 无固定形状 在外力作用下，其内部发生相对运动，产生流动。,1、定义 流
9、体是液体和气体的统称。,4、定态流动与非定态流动 定态流动是指点的速度ux、uy、uz及压强p均为与时间无关的常数。即：定态流动 u=f（x、y、z）非定态流动 u=f（x、y、z、）u=f（x、y、z、）u=f（x、y、z）,5、运动的描述方法 拉格朗日法：描述同一质点在不同时刻的状态。（物理学中考察单个固体质点时用）欧拉法：描述空间各点的状态及其与时间的关系。（考察定态流体流动时常用）,6、分类 按流体的体积是否随压强、温度变化分 不可压缩流体 与 可压缩流体 按流体流动时是否存在粘性力分 理想流体 与 非理想流体 按流体流动时与du/dy之间是否遵守牛顿粘性定律分 牛顿流体 与 非牛顿流
10、体,二、本章主要内容 1、流体静力学基本方程及其应用 2、管内流体流动基本方程 3、管内流体流动阻力 4、管路计算,第二节 流体静力学基本方程及其应用,一、流体的物理性质及作用力二、流体静力学基本方程式三、流体静力学基本方程式的应用,一、流体的物理性质及作用力,1、密度与比容,比容 定义式=1/（m3/kg）,密度 定义式：=m/V（kg/m3）影响因素：=f（P，T）确定方法：实验测定或从手册资料中查取 液体的密度=f（T）气体的密度=f（P，T）混合液体的密度 混合气体的密度,2、流体的压强 流动着的流体受到的作用力可分为体积力和表面力。体积力：也称质量力，包括重力、离心力。（都是场力）表
11、面力：与表面积成正比的力，包括垂直作用于表面的压力 和平行作用于表面的剪力（流动着的流体内部）。,压力：F（N）压强（静压强）：P=F/A（N/m2 即Pa 帕）,压强的单位 1 atm=1.013105Pa=1.033 kgf/cm2=1.013 bar=760 mmHg=10.33 mH2O 生产中常用单位：1M Pa（兆帕）=106 Pa 10 atm 注意：以液柱高度表示压强时，一定要指明是何种液体。,压强的表示方法 绝对压强 表压强 真空度,表压强=绝对压强 大气压强 真空度=大气压强 绝对压强,例：已知某设备进口压强 P进=1200mmH2O（真空度），出口压强 P出=1.6 kg
12、f/cm2（表压），当地大气压强P0=760mmHg，求设备进出口压强差，用N/m2表示。,*表示方法要一致*单位要一致,解：P进=1200mmH2O（真空度）=（N/m2）P出=1.6 kgf/cm2（表压）=（N/m2）P=P进-P出=1.685105（N/m2）,3、流体的粘度剪应力：流体流动时，单位面积上所受的内磨擦力，也称 粘性力（或剪力）。,粘性：是流动着的流体内部分子微观运动的一种宏观表现。其 本质是分子间引力和分子的运动和碰撞。（静止的流体是不能承受剪应力和剪切变形的，这是流体与固体的力 学特性的不同点。）,粘度：衡量流体剪应力（粘性）大小的物理量。因不同流体 而异，是影响流体
13、流动的一个重要的物理性质。,平板间液体速度变化图 实验证明：对于大多数流体 与du/dy成正比 F 引入比例系数,则=du/dy 称为牛顿粘性定律。比例系数 称为粘度或粘性系数（动力粘度）。,dy,du,*粘度的物理意义*影响因素*粘度的单位及换算 cp（厘泊）物理制单位 1 cp=10-2 p Pas SI制单位 1 cp=10-3 Pas*理想流体*动力粘度与运动粘度,分析重力场中静止的均匀的液体中一流体柱的受力情况：作用于液柱上表面的力 P1A 作用于液柱下表面的力 P2A 液柱自身重力 gA（z1-z2）则 P1A-P2A+gA（z1-z2）=0 整理得 P2=P1+g（z1-z2）,
14、上式称为流体静力学基本方程式。适用于重力场中静止的均匀的不可压缩流体。反映了静止流体内部的压强跟深度的定量关系。其它表达形式：（单位质量流体总势能相等）流体微元受力平衡一般式；dp/=Xdx+Ydy+Zdz 重力场中X，Y=0 Z=-g,二、流体静力学基本方程式 流体静力学基本方程式可通过静力平衡得到。,P1A,P2A,mg,*适用范围*基本规律及应用 h油*表达式 h h水,例：如图，在一开口容器内盛有 A A 油水混合物，静置后油层高度0.7m,密度800kg/m3；水层高度0.6m,密度1000kg/m3。计算水在玻璃管中的高度h。（A-A在同一水平面上）,解：根据静力学基本方程，以A-
15、A为基准面 有 PA=P0+油g h油+水g h水 PA=P0+水g h 即 P0+油g h油+水g h水=P0+水g h h=1.16m*问题？,1、压强的静力学测量方法 简单测压管 PA=P0+g R A点的表压为 PA-P0=g R U型测压管 PA=P0+i g R g h1 A点的表压为 PA-P0=i g R g h1,三、流体静力学基本方程式的应用,啊,A,A,R,R,U型压差计 结构 U型管 指示液 标尺,m,R,a,b,1,2,测量原理 如图，设P1 P2，则指示液呈现出高度差R（称为读数）。R与P的关系：根据静力平衡原理，有 Pa=Pb（a、b在同一水平面上）又 Pa=P1
16、+g（m+R）Pb=P2+g m+0g R P=P1-P2=R（0）g,P=P1-P2=R（0）g 上式说明：当0、一定时，P 仅与 R 有关。若两测压点不在同一水平面上，则R（0）g不是真正的压强差，而是两被测截面上的虚拟压强差。U型压差计适用范围,斜管微压计、复式U型压差计等 2、液面测量 3、确定液封高度 作业：P60:,第三节 管内流体流动基本方程,流体流动的规律主要是指流体的流速、压强等运动参数在流体流动过程中的变化规律。流体流动应当服从质量守恒、能量定恒、动量守恒等守恒原理，根据这些守恒原理可以得到有关运动参数的变化规律。,一、流体的流速和流量 1、流量 体积流量 qv，m3/s
17、质量流量 qm，kg/s qm=qv,定义：质点的运动速度 u 平均流速 u（m/s）u=qv/A qv=Au=A u d A 质量流速 w（kg/m2.s）w=qm/A=u,2、流速,管径的大小应通过经济核算(或根据经验值)定。并注意：密度大的流体 粘度大的流体 含有固体杂质的流体一些流体在管道中的常用流速（m/s）水及一般液体 1-3 易燃易爆的低压气体 小于8 粘度较大的液体 0.5-1 压力较高的气体 15-25 低压液体 8-15 饱和水蒸汽 20-40 过热水蒸汽 30-50,3、在管内流动的流体流速的确定,u=qv/A=4qv/（d 2）即 u与流量qv、管径d有关。当qv一定时
18、：u d 操作费 设备费 u d 操作费 设备费,解：=2.2cp与水相近，取 u=2 m/s（水在管内流动的流速通常为1.53 m/s）qv=60T/h=0.018 m3/s d=qv/0.785u=0.018/0.7852=0.099 m,例：将15、20%的糖水用泵送至远处的设备中，要求输送量为60T/h，求所需管道的直径。（糖水的=1080kg/m3，=2.2cp）,根据不锈钢管规格可知，1084 m m规格的管道符合要求。,如图，对管内稳态流动流体作物料衡算(质量守恒)有 qm1=qm2 即 1A1 u1=2A2 u2 或 A u=常数 u1/u2=A2/A1=（d2/d1）2,三、
19、连续性方程(稳态流动系统的物料衡算),结论:适用条件:不可压缩流体在管内作连续稳态流动时,1,2,根据质量守恒定律，以有微分时间d为依据，可求得一段时间范围内的物料变化量。衡算式：F d-D d=d S(1)F D=d S/d(2)式中 F 瞬间进料速率 D 瞬间出料速率 S 衡算范围内的累积物料量 d 微分时间,非稳态流动系统的物料衡算,例：水槽底有一出水孔。已知从此孔将水放出的速率与槽内液面高度及 孔的截面积有关，其关系式如下：式中 V为放水速率，m3/S；A0为小孔的截面积，m2；h为槽内液面高度，m；g为重力加速度9.81m/S2。若水槽直径为0.5m，小孔的截面积为 10cm2，槽内
20、液面高度为0.6m。求：将槽内水放完需要多少时间？,解：已知：A=0.196m2 A0=10-3 m2 h1=0.6m h2=0。根据题意及式（1）F d-D d=d S 有 F d=0；d S=d（Ah）=A dh；D=V 即-V d=d（Ah）=A dh 将积分上下限 1=0，h1=0.6m；2=，h2=0 代入（1）式积分，可得结果：=110秒,1、连续稳态流动系统的总能量衡算 连续稳定系统组成（如图所示）,四、柏努利方程式（能量衡算式）理想流体能量衡算式可根据牛顿第二运动定律，通过对流动系统中的一个微分单元体作力的分析进行推导;实际流体能量衡算式也可通过对流动系统作能量衡算进行推导。,
21、1,2,设:u1、p1、Z1、A1、1、1,衡算范围,衡算基准,基准水平面,1kg流体进出系统时输入与输出的能量：内能 U1 U2(单位：J/kg)位能 gz1 gz2 动能 u12/2 u22/2 静压能（流动功）P1/1 P2/2 流动功=力距离=P A V/A=P V 1kg流体进出系统时输入与输出的流动功为：P1 V1/m1=P1/1 P2 V2/m2=P2/2以上位能、动能、静压能又称为机械能，三者之和称为总机械能。热量 Qe 外加功 We,根据能量守衡定律，列出衡算式：U1+gz1+u12/2+p1/1+Qe+We=U2+gz2+u22/2+p2/2 单位：(J/kg)上式为连续稳
22、态流动系统的总能量衡算式。,2、连续稳态流动系统的机械能衡算式 机械能衡算式 对于单纯的流体输送系统、不可压缩流体有：U1+gz1+u12/2+p1/=U2+gz2+u22/2+p2/gz1+u12/2+p1/=U2-U1+gz2+u22/2+p2/实验证明：gz1+u12/2+p1/gz2+u22/2+p2/将（U2-U1）用h f表示 gz1+u12/2+p1/=gz2+u22/2+p2/+h f(A)gz1+u12/2+p1/+We=gz2+u22/2+p2/+h f(B)以上(A)(B)两式均称为机械能衡算式。,实际流体柏努利方程式的三种不同形式以单位质量流体为基准（J/kg）gz1+
23、u12/2+p1/+We=gz2+u22/2+p2/+hf,柏努利方程式 对于不可压缩理想流体，则有 gz1+u12/2+p1/=gz2+u22/2+p2/柏努利方程式的物理意义是：管内作连续定态流动的理想流体总机械能守衡，但各种形式的机械能之间可以相互转换。,以单位重量流体为基准（m液柱）z1+u12/2g+p1/g+He=z2+u22/2g+p2/g+H f（He=We/g）（Hf=hf/g）以单位体积流体为基准（N/m2）gz1+u12/2+p1+We=gz2+u22/2+p2+h f,3、柏努利方程式的应用 确定管内流体的流量和压强 确定容器（设备）的相对位置 确定输送机械的功率 应用
24、柏努利方程式解题要点,讨论 对于静止的流体有：gz1+p1/=gz2+p2/（即静力学方程式）对于可压缩流体：1 2 当变化不大时可用平均值代 对于作不稳定流动的流体：在任一瞬间衡算式成立,例1：用泵将贮槽中的碱液送到蒸发器中，泵的进出口管尺寸分 别为893.5 mm和763 mm，碱液在进口管内的流速为 1.5m/s贮槽中的碱液液面距蒸发器入 口的垂直距离为7m，碱液经管路系统 的能量损失为40J/kg，蒸发器内蒸发压 力（表压）保持在20kpa，碱液的密度 为1100kg/m3，试计算所需的外加能量。,7m,1 1,22,3 3,解：衡算范围的确定 1-1、2-2截面 基准水平面的确定 1
25、-1所在水平面 列柏努利方程式 gz1+u12/2+p1/+we=gz2+u22/2+p2/+h f we=129 J/kg,例2：用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽和反应器均与大气连通，要求料液在管内以1m/s的速度流动。设料液在管内流动时的能量损失为20J/kg（不包括出口的能量损失），试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少？,1,2,解：取高位槽液面为1-1截面，虹吸管出口内侧截面为2-2截面，并以2-2为基准面。列柏氏方程得：gz1+u12/2+p1/+we=gz2+u22/2+p2/+hf式中：z1=h,z2=0,p1=p2=0（表压），we=0，1-1截面比2-2截面面积大得多
26、，u1=0，而u2=1m/s,hf=20J/kg,代入得：9.81h=0.5+20 h=2.09m（即高位槽液面应比虹吸管出口，高2.09m）,值得注意的是:本题下游截面2-2必定要选在管子出口内侧，这样才能与题给的不包括出口损失的总能量相适应。,例3：在某水平通风管段中，管直径自300mm渐缩到200mm。为了粗略估算其中空气的流量，在锥形接头两端分别测得粗管截面1-1的表压为1200Pa，细管截面的表压为800Pa。空气流过锥形管的能量损失可以忽略，求空气的体积流量为若干m3/h？（设该物系可按不可压缩流体处理，空气密度取=1.29kg/m3）,应用柏努利方程式解题要点,衡算范围的确定 衡
27、算基准的选择 基准水平面的确定 压强的单位及表示方法,第四节 管内流体流动阻力 一、流体流动类型和雷诺数 1、雷诺实验及流体流动类型 层流（滞流）湍流（紊流）,4、（边界层与边界层分离）,3、流体流动类型的判别 圆形直管内 层流 Re 4000 过渡区 2000 Re 4000 非圆形直管（边界条件由实验确定）,2、雷诺数 Re=d u/为无量纲量（无因次准数）对于非圆形直管，式中d用当量直径de代替。,二、流体在园管内的速度分布1、层流时的速度分布 根据流体受力平衡原理及牛顿粘性定律可以推导出 u=P/4L（R 2 r 2）u 点速度 R 管道半径 L 管道长度 r 与管中心距离 P 压强差
28、 流体的粘度 当r=0时即管中心处 u=R2P/4L=umax 当r=R时即管壁处 u=0,2、流量 qv=d qv=udA 根据u=qv/A=u(2r)dr dA=(2r)dr=P/4L（R 2 r 2）(2r)dr qv=R4P/8L,3、平均流速u与最大点速度u max的关系 u=qv/A=（R4P/8L）/R2=R2P/8L u=umax/2,上式中 R 用 d 代，整理可得：P=32Lu/d2（哈根泊素叶公式）层流时P与流速u的一次方成正比。(等径水平直管),4、湍流时的速度分布 湍流的基本特征：湍流时出现了径向速度的脉动，从而加速 了径向的动量、热量和质量的传递。湍流时，流体的内磨
29、擦力 总=+分子粘性力 涡流粘性力（不遵守牛顿粘性定律）湍流时的速度分布通常根据由实验归纳得到的经验式计算。,如：对于光滑管 u=umax（1-r/R）1/n Re 105时 n7 Re达2106时 n10,湍流时圆管内流体的速度分布如图：在湍流主体：Re值越大，曲线顶部区域越宽越平坦，即u与umax越接近。此时用平均流速u代替质点运动速度u引起的误差可忽略。在靠近管壁处：存在着层流薄层（层流底层），层流薄层的厚度与流体的速度和粘度大小等有关。在层流薄层与湍流主体之间存在着一过渡区。,以上为流体湍流流动达稳定时的速度分布情况。通常湍流时的平均流速 u 0.82 u max,三、流体流动阻力hf
30、,管内流体流动阻力分两类：沿程阻力 h f 局部阻力 h f 因此，总阻力 h f=h f+h f,1、层流时的直管阻力（以水平直管为例）选取1-1、2-2截面，列柏努利方程，有 gz1+u12/2+p1/=gz2+u22/2+p2/+h f h f=（p1-p2）/=p/根据哈根泊素叶公式:P=32Lu/d2 有 h f=p/=32Lu/d2 整理得 h f=（L/d）（u2/2）其中=64/Re 摩擦系数（无量纲量）,1 2,2、湍流时的直管阻力 通过实验可知：p=f（d、L、u、）式中 管壁粗糙度。粗糙度的定义及相对粗糙度/d 湍流时管壁粗糙度对流动阻力的影响 L 时，h f 相同的管道
31、 d，h f 层流时对流动阻力有无影响？,根据 p=f（d、L、u、），通过量纲分析可得：p/=K（L/d）a（d u/）b（/d）c u2 L 正比于p a=1 即上式可写成：p/=2K（du/）b（/d）c（L/d）u2/2=（L/d）（u2/2）其中：摩擦系数，=（Re，/d）式:h f=（L/d）（u2/2）直管阻力计算通式。,与Re、/d之间的关系，需由实验测定。（见摩擦系数图）图中曲线可分为四个区域：层流区 Re2000=64/Re与/d无关 h fu 过渡区 2000Re4000 湍流区 Re4000=（Re，/d）h fu1.75-2(一组线群)完全湍流区=（/d）与Re无关
32、h fu2(或称阻力平方区),一般流体输送系统(低粘度流体,如水)的值大致在0.020.03 之间.与Re、/d之间的关系也可根据由实验归纳得到的实验方 程 式计算确定，但使用时应注意适用范围。对于非圆形直管，流体的流动阻力仍可按直管阻力计算公式计算，但计算时要将式中的管径d用非圆形直管的当量直径de代替。,3、局部阻力 流体在流过阀门、弯头、管道进出口等局部位置时产生的能量损失。边界层与边界层分离：边界层 边界层分离 边界层分离造成大量旋涡，大大增加了机 械能消耗,局部阻力有两种确定方法：阻力系数法 h f=u2/2 式中 阻力系数，无量纲量，由实验确定。u 流体在管内的流速，m/s。当量长
33、度法 h f=（Le/d）u2/2 式中 Le 当量长度，m，由实验确定。,管路总阻力损失 h f=h f+h f h f=（L+Le）/d（u2/2）或=（L/d）+（u2/2）(长距离输送，直管阻力为主；车间内输送，局部阻力为主或同时起作用),4、阻力对管内流动的影响 简单管路 局部阻力 管内流量 上游阻力 下游压强 下游阻力 上游压强 下游总机械能上游总机械能,分支管路 某分支阻力 该分支流量 另一分支流量 总流量 总管阻力控制 总管流量基本不受支管情况而变 支管阻力控制 任一支管情况改变不致影响其它支管,小结：流体流动的基本规律包括以下五个基本方程式 静力学基本方程 P2=P1+g（h
34、1-h2）（表达式、适用范围、应用）流体连续性方程 A u=常数 或 u1/u2=A2/A1=（d2/d1）2 柏努利方程 gz1+u12/2+p1/+We=gz2+u22/2+p2/+hf 流动阻力计算式 hf=（L+Le）/d（u2/2）或=（L/d）+（u2/2）摩擦系数=（Re，/d）（不同流动区域的情况）,第五节 管路计算,一、管路系统分类1、简单管路（没有分支）qv1 qv2 qv3 特点：qv总=qv1=qv2=qv3 h f 总=hf1+hf2+hf3 2、复杂管路（有分支）并联管路 特点：qv总=qv1+qv2+qv3 h f 总=hf1=hf2=hf3 分支管路（略）,二、
35、简单管路计算,1、已知：管长L、管径d及流量qv 求：磨擦损失h f及外加功e e h f Re，/d u qv,2、已知：管长L、管径d及允许能量损失hf 求：流速u或流量qv u h f 试差法 设 u Re 比较与,3、已知：管长L、流量qv及允许能量损失hf 求：管径d d h f、u、试差法 设 u Re 比较与 设 u d Re h f 比较h f与h f,4、已知：管长L、流量qv及相对高度Z 求：适宜的管径d和外加能量He,三、计算实例,1、从水塔向某处供水，液面高度差为20m，总管长为100m，管径为100mm，流量为100m3/hr。现因用水量需增加20%，决定在管路中50
36、 m处并联一条管道。求：此管道的直径（局部阻力忽略，阻力系数均与单管工作时相同）。（d=0.82m）,原工况：Zg=hf=Lu2/2d qv=0.785d2u,新工况：1、2为并联管路 hf1=hf2 L1u12/2d1=L2u22/2d2 qv=qv1+qv2 1.2qv=0.785d12u1+0.785d22u2 Zg=hf0+hf1 Zg=L0u02/2d0+L1u12/2d1,可解得 u1、u2、d2,0,1,2,2、水由水塔引出，若输水管长度之最后设计方案较其最初设计方案短25%，假设此两种情况下水塔水面高度不变，求此输水管由于上述长度的缩短，水的流量将如何变化？变化了百分之几？设流
37、动在阻力平方区，管子较长，故动压头及局部阻力可以忽略不计。,Zg=hf Zg=hf=Lu2/2d=BLu2 Zg=hf=BLu2 u/u=(L/L)1/2=,3、如图所示，用长度为L=50m，直径为d1=25mm的总管，从高度Z=10m的水塔向用户供水。在用水处水平安装d2=10mm的支管10个，设总管的摩擦系数=0.03,总管 10个支管的局部阻力系数1=20。支管很短，除阀门外其它阻力可以忽略不计，试求：（1）当所有阀门全开（=6.4）时，总流量为多少m3/s？（7.56 10-4 m3/s）（2）再增设同样支路10个，各支路 阻力同前，总流量有何变化？（7.65 10-4 m3/s）,第
38、六节 流量测量,一、毕托管 1、作用及结构(如图)2、测量原理 3、安装 二、孔板流量计 1、测量原理及流量计算公式 2、安装和阻力损失 三、转子流量计 1、结构及测量原理 2、特点（恒流速、恒压差）3、刻度换算 四、其它流量测量方法,思 考 题1.静力学基本方程应用条件是什么？等压面应如何选择？2.如何原则选择U形压差计中的指示剂?3.采用U形压差计测某阀门前后的压力差，问压差计的读数与U形压差计安装的位置有关吗？4.有密度为800kg/m3的液体在水平管道中流动，其压力差为100Pa。若用U形压差计（指示剂密度为920 kg/m3）、倒U形压差计和双液体U管压差计（指示剂密度分别为920
39、kg/m3和900 kg/m3）测量，则读数R分别为多少？若压力差为10Pa，应选用哪一种压差计？5.试说明粘度的单位及物理意义，并分析温度与压力对流体粘度的影响。6.试说明牛顿粘性定律的内容及适用条件。7.压强与剪应力的方向及作用面有何不同？8.连续性方程及柏努利方程的依据及应用条件是什么？应用柏努利方程时，如何选择计算截面及基准面？9柏努利方程有几种表达方式？式中每项的单位及物理意义是什么？10流体流动有几种类型？判断依据是什么？,11雷诺准数的物理意义是什么？12层流与湍流的本质区别是什么?13流体处于层流及湍流流动时，其速度分布曲线呈何形状？最大速度与平均速度之间的关系如何？14流体在
40、园管内湍流流动时，在径向上从管壁到管中心可分为几个区域？15何为层流内层？其厚度与哪些因素有关？16简述因次分析法的基础与依据，并说明应用因次分析法的目的与局限性。17粘性流体在流动过程中产生直管阻力的原因是什么？产生局部阻力的原因又是什么？18Re曲线可分为几个区域？在每个区域值的大小与哪些因素有关？在各区域中，能量损失与流速u的关系是什么？19流体在圆形直管中流动，若管径一定而将流量增大一倍，则层流时能量损失是原来的多少倍？完全湍流时能量损失又是原来的多少倍？20圆形直管中，流量一定，设计时若将管径增加一倍，则层流时能量损失是原来的多少倍？完全湍流时能量损失又是原来的多少倍？(忽略的变化)
41、,第五节 管路计算,一、管路系统分类1、简单管路（没有分支）qv1 qv2 qv3 特点：qv总=qv1=qv2=qv3 h f 总=hf1+hf2+hf3 2、复杂管路（有分支）并联管路 特点：qv总=qv1+qv2+qv3 h f 总=hf1=hf2=hf3 分支管路（略）,二、简单管路计算1、已知：管长L、管径d及流量qv 求：磨擦损失h f及外加功e e h f Re，/d u qv2、已知：管长L、管径d及允许能量损失hf 求：流速u或流量qv u h f 试差法 设 u Re 比较与,3、已知：管长L、流量qv及允许能量损失hf 求：管径d d h f、u、试差法 设 u Re 比
42、较与 设 u d Re h f 比较h f与h f4、已知：管长L、流量qv及相对高度Z 求：适宜的管径d和外加能量He,三、计算实例,1、从水塔向某处供水，液面高度差为20m，总管长为100m，管径为100mm，流量为100m3/hr。现因用水量需增加20%，决定在管路中50 m处并联一条管道。求：此管道的直径（局部阻力忽略，阻力系数均与单管工作时相同）。（d=0.82m）,2、水由水塔引出，若输水管长度之最后设计方案较其最初设计方案短25%，假设此两种情况下水塔水面高度不变，求此输水管由于上述长度的缩短，水的流量将如何变化？变化了百分之几？设流动在阻力平方区，管子较长，故动压头及局部阻力可
43、以忽略不计。,3、如图所示，用长度为L=50m，直径为d1=25mm的总管，从高度Z=10m的水塔向用户供水。在用水处水平安装d2=10mm的支管10个，设总管的摩擦系数=0.03,总管 10个支管的局部阻力系数1=20。支管很短，除阀门外其它阻力可以忽略不计，试求：（1）当所有阀门全开（=6.4）时，总流量为多少m3/s？（7.56 10-4 m3/s）（2）再增设同样支路10个，各支路 阻力同前，总流量有何变化？（7.65 10-4 m3/s）,4、水位恒定的高位槽从C、D两支管同时放水。AB段管长6m，内径41mm。BC段管长15m，内径25mm。BD段管长24m，内径25mm。上述管长
44、均包括阀门及其它局部阻力的当量长度，但不包括出口动能项，分支点B的能量损失可忽略，试求：（1）D、C两支管的流量及水槽的总排水量；（2）当D阀关闭，求水槽由C支管流出的水量。（设全部管路的摩擦系数均取0.03，且不变化。出口在同一水平面上，且出口处损失忽略不计。）,第六节 流量测量,一、毕托管 1、作用及结构(如图)2、测量原理 3、安装 二、孔板流量计 1、测量原理及流量计算公式 2、安装和阻力损失 三、转子流量计 1、结构及测量原理 2、特点（恒流速、恒压差）3、刻度换算 四、其它流量测量方法,第三章 流体输送机械,第一节 概述 流体输送机械分：液体输送机械-泵 气体输送机械-风机、压缩机
45、,第二节 液体输送机械（离心泵）一、液体输送机械的分类离心式：依靠高速旋转的叶轮对被送流体作功 如离心泵、旋涡泵、轴流泵等往复式：依靠往复运动的活塞的推挤对流体作功 如活塞泵、柱塞泵、隔膜泵等旋转式：依靠作旋转运动部件的推挤作用对被送流体 作功。如齿轮泵、罗茨泵、螺杆泵等 11,二、离心泵的性能 只有掌握离心泵的工作原理和性能特性才能正确地选用和使用离心泵。1、离心泵的结构及工作原理（略）,2、离心泵的性能特性（由以下一组性能参数表示）,（1）泵的流量qv 定义：单位时间内由泵出口排出的液体体积，m3/h。影响因素：泵（叶轮）的结构尺寸、泵的转速。确定方法：实验测定。,（2）泵的压头（扬程）H
46、 定义：单位重量流体经过泵后所获得的能量，m液柱。影响因素：泵的流量、结构尺寸、转速、流体物性。对一定泵、在一定转速下、输送一定的流体时，H仅与Q有关 确定方法：实验测定。,3,1,2,*1压头在管路系统中的作用（0-0，3-3）H=Z+P/g+h f 增加流体的位能 增加流体的压力能 克服流动阻力,0,*2压头的侧定（以泵的进出口1-1，2-2为上下游截面，列柏努利方程）H=Z+u2/2g+P/g 当进出口管径相等时 H=Z+P/g 当进出口测压表装在同一水平高度时 H=(P出-P进)/g H=（P表+P真空度）/g,（3）泵的功率Pa、Pe 定义：轴功率Pa，单位时间内泵轴从电机得到的功率
47、，k w。有效功率P e，单位时间内液体经过泵实际获得的能量，kw Pe=Hqvg,影响因素：泵的流量、结构尺寸、转速、流体物性。确定方法：实验测定。,（4）泵的效率 由于泵内各种能量损失的存在，通常 Pa P e。定义：泵的效率=Pe/Pa 影响因素：确定方法：,（5）泵的转速n 一台在一定的管路系统中正常工作的泵，有一定的转速。一般离心泵额定转速为 2900转/分。,3、离心泵的性能曲线在一定转速下（20、1atm、介质为清水）测定得到的离心泵的 Hqv、Paqv、qv三条关系曲线。（1）性能曲线（测定方法）H H-qv-qv Pa Pa-qv qv,（2）离心泵的性能特点：Hqv线：qv
48、=0 H较大；qvH Paqv线：qv=0 Pa有最小值；qvPa。qv线：qv=0=0；qv达最大值后qv 有极大值，且高效区较宽。,（3）应用*如何启动离心泵？*如何调节离心泵的流量？*如何提高离心泵的工作效率？,（4）特性曲线的校正转速、液体性质、叶轮尺寸等对特性曲线的影响,离心泵特性的影响因素（1）流体的性质：液体的密度：压头和流量均与液体的密度无关，有效功率和轴功率随密度的增加而增加,效率与密度无关。液体的粘度：粘度增加，泵的流量、压头、效率都下降 粘度增加，轴功率上升 当流体的粘度有较大变化时，泵的特性曲线也要发生变化。（2）转速离心泵的转速发生变化时，其流量、压头和轴功率都要发生
49、变化：比例定律（3）叶轮直径叶轮尺寸对离心泵的性能也有影响。当切割量小于20%时：切割定律,三、管路特性曲线及离心泵的工作点,1、管路特性曲线对于一定的泵送系统，要求泵供给的压头H可由柏努利方程求得：H=Z+P/g+u2/2g+H f=Z+P/g+u2/2g+（L/d+）u2/2g=C+u2/2g+（L/d+）u2/2g=C+f（qv）H Q关系曲线称为管路特性曲线。,2、离心泵的工作点在同一坐标上，绘出泵的特性曲线Hqv和管路特性曲线Hqv，两曲线的交点A即为泵的工作点。H H-qv A qv,H-qv,说明 泵的工作点由泵的特性和管路的特性共同决定，可通过联立求解泵的特性方程和管路的特性方
50、程得到；安装在管路中的泵，其输液量即为管路的流量；在该流量下泵提供的扬程也就是管路所需要的外加压头。因此，泵的工作点对应的泵压头既是泵提供的，也是管路需要的；工作点对应的各性能参数反映了一台泵的实际工作状态。,3、离心泵的工作点的调节 泵的特性曲线：改变泵的转速、叶轮尺寸 管路特性曲线：改变出口阀门开度 4、离心泵的串联和并联,四、离心泵的安装高度 1、气蚀现象 2、离心泵的安装高度的确定（1）气蚀余量 有效（装置）气蚀余量ha ha=（P1/g+u12/2g）-P v/g Hg=P0/g P v/g ha H f,允许（必需）气蚀余量h ha h=hr+0.3 hr为必需气蚀余量。*当 ha
