课程名称：环境工程原理摘要第一节管流系统的衡算方程一、管流系统的质量衡算方程二、管流系统的能量衡算方程第二节流体流动的内摩擦力一、流体的流动状态二、流体流动的内摩擦力第三节边界层理论一、边界层理论的概念二、边界层的形成过程三、边界层的分离第四节流体流动的阻力损失第三章流体流动一、阻力损失的影响因素二、圆直管内流动的沿程阻力损失三、管道内的局部阻力损失第五节管路计算一、简单管路二、复杂管路的计算第六节流体测量一、测速管（毕托管）二、孔板流量计三、文丘里流量计四、转子流量计本讲的要求及重点难点：【目的要求】要求学生理解雷诺数和流体流动状态的关系；理解流体内摩擦力的概念，理解边界层的形成、分离；理解流体流动阻力损失产生的原因和影响因素。要求学生掌握管流系统的质量、能量衡算，能够对常见系统进行总能量衡算和机械能衡算，掌握圆直管内层流、端流流动的阻力损失相关计算和管道局部阻力损失的计算，掌握简单管路和复杂管路的相关计算；掌握常用的流量计的结构和原理，能够进行流速或流量的计算。【重点】管流系统的质量衡算方程和能量衡算方程，管内的沿程阻力损失和局部阻力损失，简单管路和复杂管路的流速、流量、阻力损失、机械能等的相关计算，常用流体流量测量装置的结构、原理和流速或流量的相关计算。【难点】流体的内摩擦力，边界层的形成过程，边界层分离，管流系统的机械能衡算方程，管内的沿程阻力损失和局部阻力损失的计算，简单管路和复杂管路的流速、流量、阻力损失、机械能等的相关计算，内容【本讲课程的引入】我们讲的能量衡算里说过，涉及到能量的问题主要有两大类问题：一是涉及物料温度与热量变化的过程一冷却、加热、散热（热量衡算）；二是系统对外做功，系统内各种能量相互转化一流体输送（机械能衡算）。热量衡算与交换我们在第四章学习。环境工程中的大多数过程是在流体流动的状态下进行的，此外，在传热和传质过程中，为了强化传递效率，也使流体处于流动状态。这是为什么呢？下面我们来学习第三章，流体流动。1
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【本章课程的内容】S3-1管流系统的衡算方程、管道系统的质量衡算方程对于不可压缩流体，β为常数，元d元d?对于圆形管道2uml=4A4dUm2d2Uml【例题3.1.1】直径为800mm的流化床反应器，底部装有布水板，板上开有直径为10mm的小孔640个。反应器内水的流速为0.5m/s，求水通过分布板小孔的流速。解：设反应器和小孔中的流速分别为ui、uz，截面积分别为Al、A2，根据不可压缩流体的连续性方程，有uA=uzA元×0.82AL=0.54=5m/su2=u,A2元×0.01*×6404二、管道系统的能量衡算方程稳态流动（输出系统的物质的总能量）一（输入系统的物质的总能量）二（从外界吸收的热量）一（对外界所作的功）（一）总能量衡算方程1.流体携带的能量E=E能+E动能+E位能+E静压能内能式中每一项为单位质量流体的各种能量，单位为kJ/kg。①内能：e，物质内部所具有的能量，是温度的函数②动能：流体流动时具有的能量③位能：流体质点受重力场的作用具有的能量，取决于它相对基准水平面的高度④静压能：流动着的流体内部任何位置上也具有一定的静压力。流体进入系统需要对抗压力做功，这部分功成为流体的静压能输入系统。若质量为m、体积为V的流体进入某静压强为p、面积为A的截面，则输入系统的功为2
2 Ǐᴀゴ䇒ⱘݙᆍǐ Ǐ §3-1 ㅵ⌕㋏㒳ⱘ㸵ㅫᮍ ϔǃㅵ䘧㋏㒳ⱘ䋼䞣㸵ㅫᮍ ᇍѢϡৃय़㓽⌕ԧˈ²Ўᐌ᭄ˈ ᇍѢᔶㅵ䘧 Ǐ՟乬 3.1.1ǐⳈᕘЎ 800mm ⱘ⌕࣪ᑞডᑨ఼ˈᑩ䚼㺙᳝Ꮧ∈ᵓˈᵓϞᓔ᳝ⳈᕘЎ 10mm ⱘᇣᄨ 640 ϾDŽডᑨ఼ݙ∋ⱘ⌕䗳Ў 0.5m/sˈ∖∈䗮䖛ߚᏗᵓᇣᄨⱘ⌕䗳DŽ 㾷˖䆒ডᑨ఼ᇣᄨЁⱘ⌕䗳߿ߚЎ u1ǃu2ˈ䴶⿃߿ߚЎ A1ǃA2ˈḍϡৃय़㓽⌕ԧⱘ䖲㓁ᗻ ᮍˈ᳝ u1 A1˙u2 A2 Ѡǃㅵ䘧㋏㒳ⱘ㛑䞣㸵ㅫᮍ ࡼ⌕〇ᗕ ˄䕧ߎLTD㒳ⱘ⠽䋼ⱘᘏ㛑䞣˅ˉ˄䕧ܹ㋏㒳ⱘ⠽䋼ⱘᘏ㛑䞣˅˙˄Ң⬠ᬊⱘ⛁䞣˅ˉ ˄ᇍ⬠᠔ⱘࡳ˅ ˄ϔ˅ᘏ㛑䞣㸵ㅫᮍ ˊ⌕ԧᨎᏺⱘ㛑䞣 ᓣЁ↣ϔ乍Ўऩԡ䋼䞣 ⌕ԧⱘ⾡㛑䞣ˈऩԡЎ kJ/kgDŽ 1 ݙ㛑˖Hˈ⠽䋼ݙ䚼᠔᳝ⱘ 㛑䞣ˈᰃ⏽ᑺⱘߑ᭄ ⱘ㛑䞣᳝ᯊࡼ⌕ԧ⌕˖㛑ࡼ 2 3 ԡ㛑˖⌕ԧ䋼⚍ফ䞡എⱘ⫼᳝ⱘ㛑䞣ˈপއѢᅗⳌᇍޚ∋ᑇ䴶ⱘ催ᑺ ĺ 䴭य़㛑˖⌕ࡼⴔⱘ⌕ԧݙ䚼ӏԩԡ㕂Ϟг᳝ϔᅮⱘ䴭य़DŽ⌕ԧ䖯ܹ㋏㒳䳔㽕ᇍᡫय़خ ࡳˈ䖭䚼ࡳߚ៤Ў⌕ԧⱘ䴭य़㛑䕧ܹ㋏㒳DŽ 㢹䋼䞣Ў mǃԧ⿃Ў V ⱘ⌕ԧ䖯ܹᶤ䴭य़ᔎЎ pǃ䴶⿃Ў A ⱘ䴶ˈ߭䕧ܹ㋏㒳ⱘࡳЎ 2 2 2 2 1 1 4 4 u d u d m m S S 2 2 1 1 2 ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § d d u u m m
这种功是在流体流动时产生的，故称为流动功。V=pV(pA)-pVA单位质量流体的静压能=pUm一流体的比体积，或称流体的质量体积，单位为m/kg1单位质量流体的总能量为u2+g=+puE=e+22.与外界交换的能量单位质量流体对输送机械的作功，We，为正值：若We为负值，则表示输送机械对系统内流体作功。单位质量流体在通过系统的过程中交换热量为Qe，吸热时为正值，放热时为负值。u2换热器I P24P20eP0N2桑Iw基准面-0单位质量流体稳定流动过程的总能量衡算式1.A(e+=u + gz + p)=Q-W211=u?+g-,+pv,)=Q. -w(e, +-u +g-, + p,v,)-(e +-2211u,+gz2 + pv,+W。e +=u?+gz,+pu,+Q=e2+22那么在这里u=um-u(11-au.-u由于工程上常采用平均速度，为了应用方便，引入动能校正系数α，使2(2α的值与速度分布有关，可利用速度分布曲线计算得到。经证明，圆管层流时，α=2，流时，α=1.05。工程上的流体流动多数为流，因此α值通常近似取1。1引入动能校正系数A后，A(e+=αum + gz+pu)=Q。-W2【例题3.1.2】常温下的水稳态流过一绝热的水平直管道，实验测得水通过管道时产生的压力降为（pr-p)=40kPa，其中p:与pa分别为进、出口处的压力。求由于压力降引起的水温升高值。解：依题意，3
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Ae+au. +gz+po)=0-W++一H械能能我能静诺F口流体的输送过程仅是各种机械能相互转换与消耗的过程口流体在管内流动过程中机械能的损失表现为沿程流体压力的降低，损失的这部分机械能不能转换为其它形式的机械能（动能、位能和功）口而是转换为内能，使流体的温度略有升高。因此，从流体输送的角度，这部分机械能“损失”了。通过适当的变换口以机械能和机械能损失表示能量衡算方程（二）机械能衡算方程假设流动为稳态过程。根据热力学第一定律：Ae=g"pduJ单位质量流体从截面1-1流到截面单位质量流体从截面1-1流2-2时因体积膨胀而做的机械功到截面2-2所获得的热量0.=Q.+Zhy→流体通过环境流体克服流动阻力做功、因消耗机械能而转化成的热直接获得的热+阻力损失AemO.+Eh, -Jpdu+A(au)+ gAz+(po)-& -w.CAe=O+Eh,-J"pdt(au)+gAz+A(p)-Jpdom-W-Zh(po)-"pdo+r(au)+gaz+odp=-W-Zh不可压缩流体和可压缩流体稳态流动过程单位质量流体的机械能衡算方程dp=P2对于不可压缩流体，比体积v或密度β为常数，pi)+gA+--W,-ZhAfau)+ gas+f"vdp--W,Zh..Afaup4
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在流体输送过程中，流体的流态几乎都为端流，令=1AP=-W.-ZhfAu+gA:+2p11uat+g=,+Pt-w.+ g=+P+Zh,um22pL—拓展的伯努利方程适用条件是连续、均质、不可压缩、处于稳态流动的流体11+Pi-W.-解决什么问题？+g2+P2+h1+g2umlm22pP①判断流体的流动方向流动过程中存在能量损失，如果无外功加入，系统的总机械能沿流动方向将逐渐减小：②确定出口断面与进口断面的机械能总量之差—（-W。-Zh,）③）选择输送机械一一W是单位质量流体对泵或其它输送机械所作的有效功，是选择输送机械的重要依据。功率N。=Wqm=Weqvp对于理想流体的流动，由于不存在因粘性引起的摩擦阻力，故若无外功加入，W=0Zh,=01Au+gA+p2-0伯努利（Bernoulli）方程2p1卫常数+gz+2P理想流体在管路中作稳态流动而又无外功加入时，在任一截面上单位质量流体所具有的总机械能相等，也就是说，各种机械能之间可以相互转化，但总量不变。当体系无外功，且处于静止状态时，u=0无流动则无阻力，即AP=0g4z+流体静力学基本方程式。p在均质、连续的液体中，水平面必然是等压面，即Z,=Z,时，Pi=P2不同衡算基准时机械能衡算方程的型式以1kg流体为基准时各项单位为kJ/kg1.1+P-W+P2+hum2+gz,+m+g-,+20p各项单位为m以1N流体为基准5
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