g,静压头高度见图1-26。
在1-1面和4-4面间列柏努利方程有:
(3)
可见,4点处有弯头的细管中的液柱高度也与槽中液面等高。
又z3=z4,u4>u3,对比式3、式2可见:
例1-6轴功的计算
如图所示,用泵将河水打入洗涤塔中经喷嘴喷出,喷淋下来后流入废水池。
已知管道尺寸为?
114?
4mm,流量为85m3/h,水在管路中流动时的总摩擦损失为10J/kg(不包括出口阻力损失),喷头处压力较塔内压力高20kPa,水从塔中流入下水道的摩擦损失可忽略不计。
求泵的有效轴功率。
解取河面为1-1面,喷嘴上方管截面为2-2面,洗涤塔底部水面为3-3面,废水池水面为4-4截面。
河水经整个输送系统流至废水池的过程中并不是都连续的,在2-2面和3-3面之间是间断的,因此,机械能衡算方程只能在1-2、3-4之间成立。
在1-1面和2-2面间列机械能衡算方程:
取河面为基准面,则z1=0,z2=7m,又u1?
0(河面较管道截面大得多,可近似认为其流速为零),
m/s,p1=0(表),wf=10J/kg。
将以上各值代入上式,得:
式中p2由3-3面与4-4面间的机械能衡算求取。
因流体在3、4面间的流动损失不计,故有:
取4-4面为基准面,则z3=,z4=0,又u3?
u4?
0,p4(表)=0代入上式解之得:
J/kg
而
J/kg
于是
J/kg
故泵的有效轴功率为:
=2137W?
例1-7如图所示,将敞口高位槽中密度870kg/m3、粘度?
10-3Pa?
s的溶液送入某一设备B中。
设B中压力为10kPa(表压),输送管道为?
38?
无缝钢管,其直管段部分总长为10m,管路上有一个90?
标准弯头、一个球心阀(全开)。
为使溶液能以4m3/h的流量流入设备中,问高位槽应高出设备多少米即z为多少米?
解选取高位槽液面为1-1面、管出口内侧截面为2-2面,并取2-2面为位能基准面。
在1-1面与2-2面间列机械能衡算式:
式中:
Pa,?
=870kg/m3,
m/s
,可见属湍流流动,查表1-1并取管壁绝对粗糙度?
=,则?
/d=,查图1-30得?
=(或按式1-117计算得)。
查表1-2得有关的各管件局部阻力系数分别为:
突然缩小:
?
1=;
90?
标准弯头:
?
2=;
球心阀(全开):
?
3=。
于是
将以上各数据代入机械能衡算式中,得:
m
本题也可将2-2面取在管出口外侧,此时,u2=0,而wf中则要多一项突然扩大局部损失项,其值恰好为u22/2,故管出口截面的两种取法,其计算结果完全相同。
例1-8设计型问题
已知一自来水总管内水压为2?
105Pa(表压),现需从该处引出一支管将自来水以3m3/h的流量送至1000m远的用户(常压),管路上有90?
标准弯头10个,球心阀(半开)2个,试计算该支管的直径。
已知水温20?
C,由于输送距离较长,位差可忽略不计。
解从支管引出处至用户之间列机械能衡算方程,得:
(1)
式中,p1=2?
105Pa,p2=0,?
=1000kg/m3,?
=?
10-3Pa?
s,l=1000m,查表1-2得,90?
标准弯头10个:
?
1=?
10=;球心阀(半开)2个:
?
2=?
2=19
所以?
?
=?
1+?
2=
代入式
(1)得:
(2)
因?
与d有复杂的函数关系,故由式
(2)求d需用试差法。
?
变化较小,试差时可选用?
作为试差变量。
试差过程如下:
首先假设流动处在完全湍流区,取?
=,则:
查图1-30,得?
=,由式
(2)得:
m
属湍流。
再由?
/d=及Re查图1-30或由式1-117计算得:
与?
初值相差不大,试差结束。
最后结果为:
mm。
根据管子标准规格(见附录)圆整,可选用?
48?
的镀锌水管。
此时管内流速为:
m/s
可见,u处在经济流速范围内。
例1-9操作型问题分析
如图所示,通过一高位槽将液体沿等径管输送至某一车间,高位槽内液面保持恒定。
现将阀门开度减小,试定性分析以下各流动参数:
管内流量、阀门前后压力表读数pA、pB如何变化?
解
(1)管内流量变化分析
取管出口截面2-2面为位能基准面,在高位槽液面1-1面和2-2面间列机械能衡算方程:
而
于是
将阀门开度减小后,上式等号左边各项均不变,而右边括号内各项除?
?
增大外其余量均不变(?
一般变化很小,可近似认为是常数),故由此可推断,u2必减小,即管内流量减小。
(2)阀门前后压力表读数pA、pB变化分析
取压力表pA所在管截面为A-A面,由1-1面、A-A面间的机械能衡算可得:
当阀门关小时,上式等号右边各项除uA减小外,其余量均不变,故pA必增大。
pB的变化可由B-B面、2-2面间的机械能衡算分析得到:
当阀门关小时,上式等号右边各项除u2减小外,其余量均不变,故pB必减小。
讨论:
由本题可引出如下结论:
简单管路中局部阻力系数的变大,如阀门关小,将导致管内流量减小,阀门上游压力上升,下游压力下降。
这个规律具有普遍性。
例1-10操作型问题计算
用水塔给水槽供水,如图所示,水塔和水槽均为敞口。
已知水塔水面高出管出口12m,输水管为?
114?
4mm,管路总长100m(包括所有局部损失的当量长度在内),管的绝对粗糙度?
=,水温20?
C。
试求管路的输水量V。
解因管出口局部摩擦损失已计入总损失中,故管出口截面取外侧,为面2-2,此时u2=0。
在水塔水面1-1面与2-2面间列机械能衡算方程,得:
将z1=12m,l+?
le=100m,d=114-2?
4=106mm=代入并化简得:
由此式求u需试差。
假设流动进入阻力平方区,由?
/d=106=查图得?
=,代入上式得:
m/s
从附录查得20?
C水?
=1000kg/m3,?
=1?
10-3Pa?
s,于是
由Re数和?
/d=重新查图得:
?
=,与假设值相同,试差结束。
流量
m3/s=h
例1-11设计型问题
某一贮罐内贮有40?
C、密度为710kg/m3的某液体,液面维持恒定。
现要求用泵将液体分别送到设备一及设备二中,有关部位的高度和压力见图。
送往设备一的最大流量为10800kg/h,送往设备二的最大流量为6400kg/h。
已知1、2间管段长l12=8m,管子尺寸为?
108?
4mm;通向设备一的支管段长l23=50m,管子尺寸为?
76?
3mm;通向设备二的支管段长l24=40m,管子尺寸为?
76?
3mm。
以上管长均包括了局部损失的当量长度在内,且阀门均处在全开状态。
流体流动的摩擦因数?
均可取为。
求所需泵的有效功率Ne。
解这是一个分支管路设计型问题。
将贮罐内液体以不同流量分别送至不同的两设备,所需的外加功率不一定相等,设计时应按所需功率最大的支路进行计算,为此,先不计动能项(长距离输送时动能项常可忽略不计),并以地面作为位能基准面,则3、4点的机械能为:
J/kg
J/kg
可见,Et3>Et4,又通向设备一的支路比通向设备二的支路长,所以有可能设备一所需的外加功率大。
故下面先按支路23进行设计。
在2、3间列机械能衡算方程:
将Et3=kg,?
=,l23=50m,d23=,
m/s代入得:
J/kg
再在2、4间列机械能衡算方程:
将有关数据代入得:
m/s,
kg/s=22514kg/h?
6400kg/h
可见,当通向设备一的支路满足流量要求时,另一支路的流量便比要求的大,这个问题可通过将该支路上的阀门关小来解决。
所以,按支路23进行设计的设想是正确的。
下面求所需外加有效功率。
在1、2间列机械能衡算方程:
将z1=5m,p1=?
104Pa,Et2=kg,?
=,l12=8m,d12=,
m/s代入得:
J/kg
泵的有效功率:
W?
例1-12操作型问题分析
如图1-41所示为配有并联支路的管路输送系统,假设总管直径均相同,现将支路1上的阀门k1关小,则下列流动参数将如何变化?
(1)总管流量V及支管1、2、3的流量V1、V2、V3;
(2)压力表读数pA、pB。
解
(1)总管及各支管流量分析
取管出口外侧截面为2-2面,沿支路1在1-1面与2-2面间列机械能衡算方程(参见式1-133):
(1)
式中
B1A、B1、BB2分别代表总管段1A、支路1、总管段B2的阻力特性,由其表达式可见,其值与摩擦因数、管长、局部阻力当量长度及管径大小有关,也就是说,与管路状况有关。
于是,式
(1)可改写成:
(2)
同理,分别沿支路2、3在1-1面与2-2面间列机械能衡算方程得:
(3)
(4)
式中,B1A、BB2表达式同上,
再由并联管路的特点可知:
(5)
由式
(2)、(3)、(4)分别导出V1、V2、V3的表达式,然后代入式(5),得:
即
(6)
当阀门k1关小时,1支路的局部阻力系数增大,使B1增大,而式(6)中Et1、Et2、B2、B3、B1A、BB2均不变(?
变化很小,可视为常数),故由式(6)可判断出总管流量V减小。
根据V减小及式(3)、式(4)可推知,支路2、3的流量V2、V3均增大,而由式(5)可知V1减小。
(2)压力表读数pA、pB的变化分析
由1-1面与A之间的机械能衡算Et1=EtA+wf1A可知,当阀门k1关小时,u减小,wf1A减小,故EtA增大,而EtA中位能不变、动能减小,故压力能必增大,即pA增大。
而由B与2-2面间的机械能衡算,得:
(7)
当阀门k1关小时,式中z2、zB、p2、?
、l和d均不变,而u减小,故pB减小。
讨论:
本例表明,并联管路上的任一支管局部阻力系数变大,必然导致该支管和总管内流量减小,该支管上游压力增大,下游压力减小,而其它并联支管流量增大。
这一规律与简单管路在同样变化条件下所遵循的规律一致(见例1-9)。
注意:
以上规律适用于并联支路摩擦损失与总管摩擦损失相当的情形,若总管摩擦损失很小可忽略,则任一支管的局部阻力的变化对其它支管就几乎没有影响。
例1-13操作型问题计算
高位槽中水经总管流入两支管1、2,然后排入大气,测得当阀门k、k1处在全开状态而k2处在1/4开度状态时,支管1内流量为h,求支管2中流量。
若将阀门k2全开,则支管1中是否有水流出?
已知管内径均为30mm,支管1比支管2高10m,MN段直管长为70m,N1段直管长为16m,N2段直管长为5m,当管路上所有阀门均处在全开状态时,总管、支管1、2的局部阻力当量长度分别为?
le=11m,?
le1=12m,?
le2=10m。
管内摩擦因数?
可取为。
解
(1)支管2中流量
在0-0面与1-1面间列机械能衡算方程:
将z0?
z1=20?
10=10m,?
=,l+?
le=70+11=81m,d=,l1+?
le1=16+12=28m,
m/s代入得:
u=s
总管流量
m3/s=h
故
m3/h
(2)阀门k2全开时
支管2上的阀门k2全开后,管路系统总阻力下降,因而总管内流量V将增大。
在0-0截面与N处应用机械能衡算式不难得知N处的压力下降,所以支管1内流量V1将减小,甚至有可能导致V1=0。
假设支管1中无水流出,于是,由0-0与2-2间的机械能衡算可知:
u=s
再由N处与2-2截面间的机械能衡算可知:
J/kg
而
J/kg
可见,EtN若EtN?
Et1,则支管1中有水流出,原假设错误,此时需按分支管路重新进行计算
【例1-1】已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与998kg/m3,试求含硫酸为60%(质量)的硫酸水溶液的密度为若干。
解:
根据式1-4
=(+)10-4=×10-4
ρm=1372kg/m3
【例1-2】已知干空气的组成为:
O221%、N278%和Ar1%(均为体积%),试求干空气在压力为×104Pa及温度为100℃时的密度。
解:
首先将摄氏度换算成开尔文
100℃=273+100=373K
再求干空气的平均摩尔质量
Mm=32×+28×+×
=m3
根据式1-3a气体的平均密度为:
【例1-3】本题附图所示的开口容器内盛有油和水。
油层高度h1=、密度ρ1=800kg/m3,水层高度h2=、密度ρ2=1000kg/m3。
(1)判断下列两关系是否成立,即pA=p'ApB=p'B
(2)计算水在玻璃管内的高度h。
解:
(1)判断题给两关系式是否成立pA=p'A的关系成立。
因A与A'两点在静止的连通着的同一流体内,并在同一水平面上。
所以截面A-A'称为等压面。
pB=p'B的关系不能成立。
因B及B'两点虽在静止流体的同一水平面上,但不是连通着的同一种流体,即截面B-B'不是等压面。
(2)计算玻璃管内水的高度h由上面讨论知,pA=p'A,而pA=p'A都可以用流体静力学基本方程式计算,即
pA=pa+ρ1gh1+ρ2gh2
pA'=pa+ρ2gh
于是pa+ρ1gh1+ρ2gh2=pa+ρ2gh
简化上式并将已知值代入,得
800×+1000×=1000h
解得h=
【例1-4】如本题附图所示,在异径水平管段两截面(1-1'、2-2’)连一倒置U管压差计,压差计读数R=200mm。
试求两截面间的压强差。
解:
因为倒置U管,所以其指示液应为水。
设空气和水的密度分别为ρg与ρ,根据流体静力学基本原理,截面a-a'为等压面,则
pa=pa'
又由流体静力学基本方程式可得
pa=p1-ρgM
pa'=p2-ρg(M-R)-ρggR
联立上三式,并整理得
p1-p2=(ρ-ρg)gR
由于ρg《ρ,上式可简化为
p1-p2≈ρgR
所以p1-p2≈1000××=1962Pa
【例1-5】如本题附图所示,蒸汽锅炉上装置一复式U形水银测压计,截面2、4间充满水。
已知对某基准面而言各点的标高为z0=,z2=,z4=,z6=,z7=。
试求锅炉内水面上的蒸汽压强。
解:
按静力学原理,同一种静止流体的连通器内、同一水平面上的压强相等,故有
p1=p2,p3=p4,p5=p6
对水平面1-2而言,p2=p1,即
p2=pa+ρig(z0-z1)
对水平面3-4而言,
p3=p4=p2-ρg(z4-z2)
对水平面5-6有
p6=p4+ρig(z4-z5)
锅炉蒸汽压强p=p6-ρg(z7-z6)
p=pa+ρig(z0-z1)+ρig(z4-z5)-ρg(z4-z2)-ρg(z7-z6)
则蒸汽的表压为
p-pa=ρig(z0-z1+z4-z5)-ρg(z4-z2+z7-z6)
=13600××-+--1000××
-+-
=×105Pa=305kPa
【例1-6】某厂要求安装一根输水量为30m3/h的管路,试选择合适的管径。
解:
根据式1-20计算管径
d=
式中Vs=
m3/s
参考表1-1选取水的流速u=s
查附录二十二中管子规格,确定选用φ89×4(外径89mm,壁厚4mm)的管子,其内径为:
d=89-(4×2)=81mm=
因此,水在输送管内的实际流速为:
【例1-7】在稳定流动系统中,水连续从粗管流入细管。
粗管内径d1=10cm,细管内径d2=5cm,当流量为4×10-3m3/s时,求粗管内和细管内水的流速?
解:
根据式1-20
根据不可压缩流体的连续性方程
u1A1=u2A2
由此
u2=4u1=4×=s
【例1-8】将高位槽内料液向塔内加料。
高位槽和塔内的压力均为大气压。
要求料液在管内以s的速度流动。
设料液在管内压头损失为(不包括出口压头损失),试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米?
解:
取管出口高度的0-0为基准面,高位槽的液面为1-1截面,因要求计算高位槽的液面比塔入口处高出多少米,所以把1-1截面选在此就可以直接算出所求的高度x,同时在此液面处的u1及p1均为已知值。
2-2截面选在管出口处。
在1-1及2-2截面间列柏努利方程:
式中p1=0(表压)高位槽截面与管截面相差很大,故高位槽截面的流速与管内流速相比,其值很小,即u1≈0,Z1=x,p2=0(表压),u2=s,Z2=0,
/g=
将上述各项数值代入,则
=
+×
x=
计算结果表明,动能项数值很小,流体位能的降低主要用于克服管路阻力。
【例1-9】20℃的空气在直径为80mm的水平管流过。
现于管路中接一文丘里管,如本题附图所示。
文丘里管的上游接一水银U管压差计,在直径为20mm的喉颈处接一细管,其下部插入水槽中。
空气流过文丘里管的能量损失可忽略不计。
当U管压差计读数R=25mm、h=时,试求此时空气的流量为若干m3/h。
当地大气压强为×103Pa。
解:
文丘里管上游测压口处的压强为
p1=ρHggR=13600××
=3335Pa(表压)
喉颈处的压强为
p2=-ρgh=-1000××=-4905Pa(表压)
空气流经截面1-1'与2-2'的压强变化为
故可按不可压缩流体来处理。
两截面间的空气平均密度为
在截面1-1'与2-2'之间列柏努利方程式,以管道中心线作基准水平面。
两截面间无外功加入,即We=0;能量损失可忽略,即
=0。
据此,柏努利方程式可写为
式中Z1=Z2=0
所以
简化得
(a)
据连续性方程u1A1=u2A2
得
u2=16u1(b)
以式(b)代入式(a),即(16u1)2-
=13733
解得u1=s
空气的流量为
【例1-10】水在本题附图所示的虹吸管内作定态流动,管路直径没有变化,水流经管路的能量损失可以忽略不计,试计算管内截面2-2'、3-3'、4-4'和5-5'处的压强。
大气压强为×105Pa。
图中所标注的尺寸均以mm计。
解:
为计算管内各截面的压强,应首先计算管内水的流速。
先在贮槽水面1-1'及管子出口内侧截面6-6'间列柏努利方程式,并以截面6-6'为基准水平面。
由于管路的能量损失忽略不计,
即
=0,故柏努利方程式可写为
式中Z1=1mZ6=0p1=0(表压)p6=0(表压)u1≈0
将上列数值代入上式,并简化得
解得u6=s
由于管路直径无变化,则管路各截面积相等。
根据连续性方程式知Vs=Au=常数,故管内各截面的流速不变,即
u2=u3=u4=u5=u6=s
则
因流动系统的能量损失可忽略不计,故水可视为理想流体,则系统内各截面上流体的总机械能E相等,即
总机械能可以用系统内任何截面去计算,但根据本题条件,以贮槽水面1-1'处的总机械能计算较为简便。
现取截面2-2'为基准水平面,则上式中Z=2m,p=101330Pa,u≈0,所以总机械能为
计算各截面的压强时,亦应以截面2-2'为基准水平面,则Z2=0,Z3=3m,Z4=,Z5=3m。
(1)截面2-2'的压强
(2)截面3-3'的压强
(3)截面4-4'的压强
(4)截面5-5'的压强
从以上结果可以看出,压强不断变化,这是位能与静压强反复转换的结果。
【例1-11】用泵将贮槽中密度为1200kg/m3的溶液送到蒸发器内,贮槽内液面维持恒定,其上方压强为×103Pa,蒸发器上部的蒸发室内操作压强为26670Pa(真空度),蒸发器进料口高于贮槽内液面15m,进料量为20m3/h,溶液流经全部管路的能量损失为120J/kg,求泵的