化工原理第一章__流体流动2

1、下午7时43分1喻国华剪应力 ：dyude.)(e为湍流粘度，与流体的流动状况有关。 nRruu1max.湍流速度分布的经验式：湍流时的速度分布湍流时的速度分布下午7时43分2喻国华101102 . 3Re71,102 . 3Re101 . 161,101 . 1Re10466554nnnn与Re有关，取值如下： 1/7次方定律71n当 1/7次方定律时，流体的平均速度 :max.uAVuS820下午7时43分3喻国华流体流动边界层流体流动边界层一、边界层的形成与发展一、边界层的形成与发展 流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域， 即流速降为主体流速的99以内的区域。 边界层厚度：边界层外

2、缘与壁面间的垂直距离。下午7时43分4喻国华流体在平板上流动时的边界层：流体在平板上流动时的边界层： 下午7时43分5喻国华 边界层区（边界层内）边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。 主流区（边界层外）主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体 。下午7时43分6喻国华边界层流型：层流边界层和湍流边界层。层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。 下午7时43分7喻国华流体在圆管内流动时的边界层流体在圆管内流动时的边界层 下午7时43分8喻国华 充分发展的边界层厚

3、度为圆管的半径； 进口段内有边界层内外之分 。 也分为层流边界层与湍流边界层。进口段长度：层流：湍流：Re05. 00dx50400dx下午7时43分9喻国华湍流流动时：下午7时43分10喻国华 湍流主体湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化； 过渡层过渡层：分子粘度与湍流粘度相当； 层流内层层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。层流内层为传递过程的主要阻力层流内层为传递过程的主要阻力Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。下午7时43分11喻国华2. 边界层的分离ABS 下午7时43分12喻国华A C：流道截面积逐渐减小，流速逐渐

4、增加，压力逐渐减小（顺压梯度）；C S：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐渐增加（逆压梯度）；S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的作用下，速度降为0。SS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离。下午7时43分13喻国华边界层分离的后果：边界层分离的后果： 产生大量旋涡； 造成较大的能量损失。边界层分离的必要条件：边界层分离的必要条件： 流体具有粘性； 流动过程中存在逆压梯度。下午7时43分14喻国华流体流动阻力流体流动阻力直管阻力直管阻力局部阻力局部阻力 下午7时43分15喻国华1.4 1.4 流体流动阻力流体流动阻力直管阻力：直管阻力：流体流经一定

5、直径的直管时由于内摩擦而 产生的阻力；局部阻力：局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速 大小及方向的改变而引起的阻力。 1.4.1 直管阻力直管阻力一、阻力的表现形式一、阻力的表现形式 下午7时43分16喻国华流体在水平等径直管中作定态流动。fWpugzpugz222212112121下午7时43分17喻国华21uu 21zz 21ppWf若管道为倾斜管，则 )()(2211gzpgzpWf 流体的流动阻力表现为静压能的减少； 水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。 下午7时43分18喻国华二、二、直管阻力的通式直管阻力的通式 由于压力差而产生的推动力：4221dpp流体的摩

6、擦力：dlAFdldpp4)(221dlWf42822udluWf令 28u定态流动时下午7时43分19喻国华直管阻力通式（范宁Fanning公式） 其它形式：摩擦系数（摩擦因数） 则 22udlWfJ/kg压头损失gudlhf22m压力损失22udlpfPa 该公式层流与湍流均适用； 注意 与 的区别。pfp下午7时43分20喻国华三、三、层流时的摩擦系数层流时的摩擦系数 max21uu 221max4)(Rlppu速度分布方程2dR 22132)(dlupp232dlupf又哈根哈根-泊谡叶泊谡叶 （Hagen-Poiseuille）方程方程 下午7时43分21喻国华232dluWf能量损

7、失 层流时阻力与速度的一次方成正比 。2Re6426432222udludluddluWfRe64变形：比较得下午7时43分22喻国华四、湍流时的摩擦系数四、湍流时的摩擦系数1. 因次分析法因次分析法 目的目的：（1）减少实验工作量； （2）结果具有普遍性，便于推广。基础基础：因次一致性 即每一个物理方程式的两边不仅数值相等， 而且每一项都应具有相同的因次。下午7时43分23喻国华基本定理基本定理：白金汉（Buckinghan）定理定理 设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本因次数为m个，则该物理现象可用N（nm）个独立的无因次数群表示。 湍流时压力损失的影响因素：（1）流体性质

8、：，（2）流动的几何尺寸：d，l，（管壁粗糙度）（3）流动条件：u下午7时43分24喻国华,ldufpf物理变量 n 7基本因次 m3无因次数群 Nnm4 ddludupf,2无因次化处理式中：2upEuf欧拉（Euler）准数即该过程可用4个无因次数群表示。下午7时43分25喻国华d相对粗糙度dl管道的几何尺寸udRe雷诺数根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即 ddlupfRe,22Re,uddlpWff或)(Re,d下午7时43分26喻国华莫狄（Moody）摩擦因数图：下午7时43分27喻国华（1）层流区（Re 2000） 与 无关，与Re为直线关系，即 ,即 与u的一次方成正比。d

9、Re64uWffW（2）过渡区（2000Re4000) 将湍流时的曲线延伸查取值 。（3）湍流区（Re4000以及虚线以下的区域） )(Re,df下午7时43分28喻国华（4）完全湍流区 （虚线以上的区域） 与Re无关，只与 有关 。d该区又称为阻力平方区。2uWfd一定时，经验公式 ：（1）柏拉修斯（Blasius）式：25. 0Re3164. 0适用光滑管Re5103105（2）考莱布鲁克（Colebrook）式Re7 .182log274. 11d下午7时43分29喻国华2.2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响管壁粗糙度对摩擦系数的影响 光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；粗糙管：钢管、铸铁

10、管等。绝对粗糙度绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度相对粗糙度 ： 绝对粗糙度与管内径的比值。d 层流流动时： 流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与 无关，只与Re有关。d下午7时43分30喻国华 湍流流动时： 水力光滑管只与Re有关，与 无关。d 完全湍流粗糙管只与 有关，与Re无关。dd下午7时43分31喻国华 例例 分别计算下列情况下，流体流过763mm、长10m的水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。（1）密度为910kg/m3、粘度为72cP的油品，流速为1.1m/s；（2）20的水，流速为2.2 m/s。下午7时43分32喻国华五、五、 非圆形管内的流动阻力非圆形管内的

11、流动阻力 当量直径：当量直径： Ade44润湿周边流通截面积 套管环隙，内管的外径为d1，外管的内径为d2 :1212212244ddddddde 边长分别为a、b的矩形管 :baabbaabde2)(24下午7时43分33喻国华说明：（1）Re与Wf中的直径用de计算；（2）层流时：ReC正方形 C57套管环隙 C96 （3）流速用实际流通面积计算 。2785. 0esdVu 下午7时43分34喻国华局部阻力局部阻力 一、阻力系数法一、阻力系数法 将局部阻力表示为动能的某一倍数。 22uWf或 guhf22局部阻力系数局部阻力系数 J/kgJ/N=m下午7时43分35喻国华小管中的大速度12

12、1221u210)1 (uWAAf1. 突然扩大下午7时43分36喻国华小管中的大速度22220225 . 00) 1(uuWAAf2.突然缩小下午7时43分37喻国华3. 管进口及出口进口：流体自容器进入管内。 进口进口 = 0.5 进口阻力系数进口阻力系数出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外 空间。 出口出口 = 1 出口阻力系数出口阻力系数4 . 管件与阀门下午7时43分38喻国华下午7时43分39喻国华下午7时43分40喻国华蝶阀蝶阀下午7时43分41喻国华下午7时43分42喻国华下午7时43分43喻国华gudlhudlwefef2222或二、当量长度法二、当量长度法 将流体流过

13、管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为Le的直管所产生的阻力 。Le 管件或阀门的当量长度，m。下午7时43分44喻国华总阻力：2)(222udludllWef减少流动阻力的途径： 管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯； 尽量不安装不必要的管件和阀门等； 管径适当大些。下午7时43分45喻国华例例 如图所示，料液由常压高位槽流入精馏塔中。进料处塔中的压力为0 . 2 a t （ 表 压 ） ， 送 液 管 道 为452.5mm、长8m的钢管。管路中装有180回弯头一个，全开标准截止阀一个，90标准弯头一个。塔的进料量要维持在5m3/h，试计算高位槽中的液面要高出塔的进料口多少米？hpa下午7

14、时43分46喻国华管路计算管路计算 简单管路简单管路 复杂管路复杂管路 下午7时43分47喻国华管路计算管路计算 简单管路简单管路 一、特点一、特点 （1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变。 (2) 整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和 。321ffffWWWWVs1,d1Vs3,d3Vs2,d2321SSSVVV不可压缩流体321SSSmmm下午7时43分48喻国华二、管路计算二、管路计算基本方程：连续性方程：udVs24柏努利方程：2)(22211udlgzpWgzpe阻力计算（摩擦系数）：dud, 物性、一定时，需给定独立的9个参数，方可求解其它3个未

15、知量。下午7时43分49喻国华（1）设计型计算 设计要求：规定输液量Vs，确定一经济的管径及供液点提供的位能z1(或静压能p1)。 给定条件： （1）供液与需液点的距离，即管长l； （2）管道材料与管件的配置，即及 ； （3）需液点的位置z2及压力p2； （4）输送机械 We。fp选择适宜流速确定经济管径下午7时43分50喻国华（2）操作型计算 已知：管子d 、l，管件和阀门 ，供液点z1、p1， 需液点的z2、p2，输送机械 We； 求：流体的流速u及供液量VS。 已知：管子d、 l、管件和阀门 、流量Vs等， 求：供液点的位置z1 ； 或供液点的压力p1； 或输送机械有效功We 。下午7时

16、43分51喻国华 试差法计算流速的步骤：（1）根据柏努利方程列出试差等式；（2）试差：查假设duRe符合？可初设阻力平方区之值注意：若已知流动处于阻力平方区或层流，则无需 试差，可直接解析求解。下午7时43分52喻国华三、阻力对管内流动的影响pApBpaF11 22 AB 阀门F开度减小时：（1）阀关小，阀门局部阻力系数 Wf,A-B 流速u 即流量； 下午7时43分53喻国华（2）在1-A之间，由于流速u Wf,1-A pA ； （3）在B-2之间，由于流速u Wf,B-2 pB 。 结论结论：（1）当阀门关小时，其局部阻力增大，将使管路中流量下降；（2）下游阻力的增大使上游压力上升；（3）

17、上游阻力的增大使下游压力下降。 可见，管路中任一处的变化，必将带来总体的变化，因此必须将管路系统当作整体考虑。下午7时43分54喻国华例例1-9 粘度为30cP、密度为900kg/m3的某油品自容器A流过内径40mm的管路进入容器B 。两容器均为敞口，液面视为不变。管路中有一阀门，阀前管长50m，阀后管长20m（均包括所有局部阻力的当量长度）。当p1p2ABpapa下午7时43分55喻国华阀门全关时，阀前后的压力表读数分别为8.83kPa和4.42kPa。现将阀门打开至1/4开度，阀门阻力的当量长度为30m。试求：（1）管路中油品的流量；（2）定性分析阀前、阀后的压力表的读数有何变化？ 例例1

18、-10 10C水流过一根水平钢管，管长为300m，要求达到的流量为500l/min，有6m的压头可供克服流动的摩擦损失，试求管径。下午7时43分56喻国华例例1-11 如附图所示的循环系统，液体由密闭容器A进入离心泵，又由泵送回容器A。循环量为1.8m3/h，输送管路为内径等于25mm的碳钢管，容器内液面至泵入口的压头损失为0.55m，离心泵出口至容器A液面的压头损失为1.6m，泵入口处静压zA头比容器液面静压头高出2m。试求：（1）管路系统需要离心泵提供的压头；（2）容器液面至泵入口的垂直距离z。下午7时43分57喻国华复杂管路复杂管路 一、并联管路并联管路 AVSVS1VS2VS3B1、特

19、点：（1）主管中的流量为并联的各支路流量之和；321SSSSmmmm下午7时43分58喻国华（2）并联管路中各支路的能量损失均相等。 fABfffWWWW321321SSSSVVVV不可压缩流体注意：计算并联管路阻力时，仅取其中一支路即 可，不能重复计算。下午7时43分59喻国华2. 并联管路的流量分配2)(2iiieifiudllW24isiidVu52222)(8421)(iiesiiisiiieifidllVdVdllW而335322521151321)(:)(:)(:eeeSSSlldlldlldVVV支管越长、管径越小、阻力系数越大流量越小； 反之 流量越大。 下午7时43分60喻国

20、华COAB分支管路COAB汇合管路二、分支管路与汇合管路二、分支管路与汇合管路 下午7时43分61喻国华1、特点：（1）主管中的流量为各支路流量之和；21SSSVVV21SSSmmm不可压缩流体（2）流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等。 fOBBBBfOAAAAWugzpWugzp222121下午7时43分62喻国华 例例1-12 如图所示，从自来水总管接一管段AB向实验楼供水，在B处分成两路各通向一楼和二楼。两支路各安装一球形阀，出口分别为C和D。已知管段AB、BC和BD的长度分别为100m、10m和20m（仅包括管件的当量长度），管内径皆为30mm。假定总管在A处的表压为0

21、.343MPa，不考虑分支点B处的动能交换和能量损失，且可认为各管段内的流动均进入阻力平方区，摩擦系数皆为0.03，试求：下午7时43分63喻国华 （1）D阀关闭，C阀全开（ ）时，BC管的流量为多少？ （2）D阀全开，C阀关小至流量减半时，BD管的流量为多少？总管流量又为多少？4 . 65mACDB自来水总管下午7时43分64喻国华流速与流量的测量流速与流量的测量 测速管测速管孔板流量计孔板流量计 文丘里流量计文丘里流量计 转子流量计转子流量计 下午7时43分65喻国华流速与流量的测量流速与流量的测量 测速管（皮托管）测速管（皮托管）一、结构一、结构二、原理二、原理 内管A处.221uppA

22、外管B处ppB下午7时43分66喻国华点速度：pu2.)(20.Rgu即讨论：讨论：（1）皮托管测量流体的点速度，可测速度分布曲线；.2.221)21(upuppppBA下午7时43分67喻国华三、安装三、安装 （1）测量点位于均匀流段，上、下游各有50d直管距离；（2）皮托管管口截面严格垂直于流动方向；（3）皮托管外径d0不应超过管内径d的1/50，即d0Re临界时，)(100AAfC (3) 测量范围一般 C0=0.60.7RVS2SVR 孔板流量计的测量范围受U形压差计量程决定。dRe0C10AARe临界值下午7时43分75喻国华三、安装及优缺点 （1）安装在稳定流段，上游l10d，下游l5d；（2）结构简单，制造与安装方便 ；（3）能量损失较大 。下午7时43分76喻国华 属差压式流量计； 能量损失小，造价高。文丘里（文丘里（Venturi）流量计）流量计下午7时43分77喻国华)(200RgACVVSCV流量系数（0.980.99） A0喉管处截面积下午7时43分78喻国华转子流量计转子流量计 一、结构与原理一、结构与原理 从转子的悬浮高度直接读取流量数值。