【文章內(nèi)容簡介】 （ 115） 2．流速 單位時間內(nèi)流體在流動方向流過的距離，稱為流速。流速 亦有兩種表示方法： （ 1）平均流速 實驗證明，流體流經(jīng)管道截面上各點的流速是不同的，管道中心處的流速最大，越靠近管壁流速越小，在管壁處流速為零。流體在截面上某點的流速，稱為點速度。流體在同一截面上各點流速的平均值，稱為平均流速。生產(chǎn)中常說的流速指的是平均流速，以符號表示，單位為 m/s。第三節(jié) 流體動力學 流速與流量的關系為 或者 （ 116） （ 117） 式中 A—— 流通截面積， m2。 （ 2） 質(zhì)量流速 質(zhì)量流量與管道截面積之比稱為質(zhì)量流速。以符號 G表示，其單位為 kg/（ m2s）。 表達式為 （ 118） 第三節(jié) 流體動力學 質(zhì)量流速的物理意義是：單位時間內(nèi)流過管道單位截面積的流體質(zhì)量。 3．流量和流速 —— 流量方程式 描述流體流量、流速和流通截面積相互關系的公式稱為流量方程式，式（ 115）、（ 116）、（ 118）都是流量方程式。利用流量方程式可以計算流體在管道中的流量、流速或管道的直徑。 一般管道的截面是圓形的，若 為管子的內(nèi)直徑，則管子截面積 ，帶入流量方程式，得 （ 119） 第三節(jié) 流體動力學 由上式可知，當流量為定值時，必須選定流速，才能確定管徑。流速越大，則管徑越小，這樣可節(jié)省設備費，但流體流動時遇到的阻力大，會消耗更多的動力，增加日常操作費用；反之，流速小，則設備費大而日常操作費少。所以在管路設計中，選擇適宜的流速是十分重要的，適宜流速由輸送設備的操作費和管路的設備費經(jīng)濟權衡及優(yōu)化來決定。通常，液體的流速取 ~3m/s， 氣體則為10~30m/s。 每種流體的適宜流速范圍，可從手冊中查取。表 11列出了一些流體在管道中流動時流速的常用范圍，可供參考選用。第三節(jié) 流體動力學表 11某些流體在管道中的適宜流速范圍 由于管徑已經(jīng)標準化，所以經(jīng)計算得到管徑后，應按照標準選定?？蓞⒖锤戒洝? 通常鋼管的規(guī)格以外徑和壁厚來表示，表以 φ外徑 壁厚。第三節(jié) 流體動力學 二、穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動 1．穩(wěn)定流動 流體在流動時，任一截面處流體的流速、壓力、密度等有關物理量僅隨位置而改變，不隨時間而變，這種流動稱為穩(wěn)定流動。如圖 19所示。 2．不穩(wěn)定流動 流體在流動時，任一截面處流體的流速、壓力、密度等有關物理量不僅隨位置而變，又隨時間而變，這種流動稱為不穩(wěn)定流動。如圖 110所示。 在化工生產(chǎn)中，流體輸送操作多屬于穩(wěn)定流動。所以本章只討論穩(wěn)定流動。 第三節(jié) 流體動力學圖 19 穩(wěn)定流動 圖 110 不穩(wěn)定流動 第三節(jié) 流體動力學 三、流體穩(wěn)定流動時的物料衡算 —— 連續(xù)性方程 當流體在密閉管路中作穩(wěn)定流動時，既不向管中添加流體，也不發(fā)生漏損，則根據(jù)質(zhì)量守恒定律，通過管路任一截面的流體質(zhì)量流量應相等。這種現(xiàn)象稱為流體流動的連續(xù)性。 如圖 111所示，在管路中任選一段錐形管，流體經(jīng)此錐形管從截面 11到截面 22作穩(wěn)定流動。流體完全充滿管路。則物料衡算式為 （ 120） 上式即 為流體流動的連續(xù)性方程式。 若流體是不可壓縮性的液體，則其密度不變，即，則式（ 120）可寫成第三節(jié) 流體動力學即流速與截面積成反比。 （ 121） 第三節(jié) 流體動力學 對于圓形截面的管子 式（ 121）可改寫為 （ 122） 即流速與管徑的平方成反比。 連續(xù)性方程式是一個很重要的基本方程式，可以用來計算流體的流速或管徑。若管路中有支管存在，則流體仍有連續(xù)性現(xiàn)象，總管內(nèi)流體的質(zhì)量流量應該是各支管內(nèi)質(zhì)量流量之和。 2．理想流體的柏努利方程 無黏性、流動時不產(chǎn)生摩擦阻力的流體，稱為理想流體。實際生產(chǎn)中，理想流體是不存在的，它只是實際流體的一種抽象 “模型 ”。但任何科學的抽象都能幫助我們更好的理解和解決實際問題。 第三節(jié) 流體動力學 當理想流體在一密閉管路中作穩(wěn)定流動時，由能量守恒定律可知，進入管路系統(tǒng)的總能量應等于從管路系統(tǒng)帶出的總能量。在無其它形式的能量輸入和輸出的情況下，理想流體進行穩(wěn)定流動時，在管路任一截面的流體總機械能是一個常數(shù)。即 （ 123） 如圖 112所示，也就是將流體由截面 11輸送到截面22時，兩截面處流體的總機械能相等。即 （ 124）第三節(jié) 流體動力學 式（ 123）和式（ 124）稱為柏努利方程，是以單位質(zhì)量的流體為基準，其各項的單位為 J/kg。 由柏努利方程可知，流動的流體在不同截面間各種機械能的形式 可以互相轉(zhuǎn)化。流體在任一截面上，各種機械能的總和為常數(shù)。第三節(jié) 流體動力學3．實際流體的柏努利方程 在化工生產(chǎn)中所處理的流體都是實際流體。實際流體在流動時有摩擦阻力產(chǎn)生，使一部分機械能轉(zhuǎn)變成熱能而無法利用，這部分損失掉的機械能稱為損失能量（阻力損失）。對于 1kg流體而言，從截面 11輸送到截面 22時，克服兩截面間各項阻力所消耗的損失能量為 ,單位為 J/kg。 在實際輸送流體的系統(tǒng)中，為了補充消耗掉的損失能量，需要使用外加設備（泵）來供應能量。如圖 113所示， 1kg流體從輸送機械所獲得的機械能，稱為外加能量。用表示，單位為 J/kg。第三節(jié) 流體動力學 按照能量守恒及轉(zhuǎn)化定律，輸入系統(tǒng)的總機械能必須等于由系統(tǒng)中輸出的總能量。即 J/kg （ 125） 式（ 125）亦稱為柏努利方程式，它是以單位質(zhì)量為基準的。 在式（ 125）的各種實際應用中，為了計算方便，常可采用不同的衡算基準，得到如下不同形式的衡算方程。 （ 1）以單位重量（ 1N） 流體為衡算基準 將式（ 125）中各項除以 g， 則得 m流體柱 （ 126） 第三節(jié) 流體動力學 式中各項單位為： ，其物理意義為：每牛頓重量的流體所具有的能量，通常將其稱為壓頭。 ，位壓頭； ，動壓頭； ，靜壓頭； ,外加壓頭； ，損失壓頭。（ 2）以單位體積流體為衡算基準 將式（ 125）中各項乘以 ，得 Pa（ 127） 式中各項單位為： 即單位體積不可壓縮流體所具有的能量。 第三節(jié) 流體動力學 柏努力方程是流體動力學中最主要的方程式，可以用來確定各項壓頭的轉(zhuǎn)換關系；計算流體的流速；以及管路輸送系統(tǒng)中所需的外加壓頭等問題。當 時， 由式（ 126）可看出，在無外加壓頭的情況下，流體在管路中流動時，只能從高壓頭處自動流向低壓頭處，反之就必須外加能量。換句話說，兩截面間的總壓頭差就是流體流動的推動力。 五、柏努力方程的應用 應用柏努利方程時應注意以下各點： 1．截面選取：先要定出管路的上游截面 11和下游截面 22，以明確所討論的流動系統(tǒng)的范圍。兩截面應與流體流動的方向垂直（此條件下的流體流動速度為），并且流體在兩截面之間是連續(xù)的。所求的物理量應當在兩截面之一反映出來，其余物理量應是已知或通過其他關系計算出來。第三節(jié) 流體動力學 2．基