环境工程原理第三章20150906100905218

1、第三章流体流动 第三章第三章 流体流动流体流动本章主要内容第一节 管流系统的衡算方程第二节 流体流动的内摩擦力第三节 边界层理论第四节 流体流动的阻力损失第五节 管路计算第六节 流体测量第三章第三章 流体流动流体流动本章主要内容第一节 管流系统的衡算方程第二节 流体流动的内摩擦力第三节 边界层理论第四节 流体流动的阻力损失第五节 管路计算第六节 流体测量一、管道系统的质量衡算方程二、管道系统的能量衡算方程本节的主要内容第一节第一节 管道系统的衡算方程管道系统的衡算方程第一节第一节 管道系统的衡算方程管道系统的衡算方程要点：（1）质量衡算方程 管流系统的总衡算方程 不可压缩流体管内流动的连续性方

2、程（2）能量衡算方程 总能量衡算方程 机械能衡算方程、若截面A1、A2上流体的密度分布均匀，且流速取各截面的平均流速，则：一维流动12ddmmmqqt111222ddmmmuAuAt1111mmqu A2222mmquA第一节 管道系统的衡算方程(3.1.1)一、管道系统的质量衡算方程、d0dmt222111AuAumm2211AuAumm 对于稳态过程 对于不可压缩流体，为常数，不可压缩流体管内流动的连续性方程 第一节 管道系统的衡算方程(3.1.2)(3.1.3)一、管道系统的质量衡算方程对于圆形管道 (3.1.4)22112dduumm流体在均匀直管内作稳态流动时，平均速度恒定不变 【例

3、题】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，求水通过布水板小孔的流速。解：设反应器和小孔中的流速分别为u1、u2，截面积分别为A1、A2，根据不可压缩流体的连续性方程，有 u1 A1u2 A25464001.048 .05 .0222112AAuum/s第一节 管道系统的衡算方程潜流湿地的穿孔布水管潜流湿地的穿孔布水管取样管（输出系统的物料的总能量）（输入系统的物料的总能量）（从外界吸收的热量）（对外界所作的功） 对于稳态流动 系统与外界交换能量流体携带能量第一节 管道系统的衡算方程二、管道系统的能量衡算方程能量交换

4、过程21()2meeeugzpQW机械能 内能和热 相互转换机械能 动能位能静压能消耗(3.1.10)第一节 管道系统的衡算方程单位质量流体的总能量衡算方程： 内能 热p流体在管内流动过程中克服阻力损失，导致机械能损失，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 )p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。p流体的输送过程仅是各种机械能相互转换与消耗的过程第一节 管道系统的衡算方程0eW0eQ022u0gz0pveTcTcepvppv0pTcpCcppcpTpp0096. 04183100010004021【例题例题】常温下的水稳

5、态流过一绝热的水平直管道，实验测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得水通过管道时产生的压力降为p1- p2=40kPa，其中，其中p1与与p2分别分别为进、出口处的压力。求由于压力降引起的水温升高值。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，解：依题意，对于不可压缩流体对于不可压缩流体于是于是21()2meeeugzpQW2121d2pmefpug zpWh 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第一节 管道系统的衡算方程(3.1.15)p通过适当的变换，以机械能和机械能损失表示能量衡算方程（一）机械能衡算方程

6、21()2meeeugzpQW单位质量流体的总能量衡算方程： 流体输送过程中，流体的流态几乎都为湍流，令1 212mefpug zWh 221211221122memfppugzWugzh拓展的伯努利（Bernoulli）方程 适用条件：适用条件：连续、均质、不可压缩、处于稳态流动的流体 （二）机械能衡算方程的其他型式（1）不可压缩流体，比体积或密度为常数，21dpppp第一节 管道系统的衡算方程(3.1.18)(3.1.17)对于可压缩流体，当两截面间绝对压力变化小于原压力的20，可使用，取平均值 2102mpug Z 伯努利方程 动能、位能和静压能 （2）理想流体的流动，由于不存在因粘性引

7、起的摩擦阻力，故0fh；若无外功加入，则0eW， 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212mpugz，常数第一节 管道系统的衡算方程(3.1.19)（3）当体系无外功，且处于静止状态时， 0u无流动则无阻力，即0fh0pzg在重力场中静止的均质、连续液体中，水平面必然是等压面，即21zz 时，21pp 流体静力学基本方程式。第一节 管道系统的衡算方程(3.1.21)一、流体的流动状态二、流体流动的内摩擦力本节的主要内容第二节 流体流动的内摩擦力要点： 流体的内摩擦力的概念 牛顿黏性定律及其适用条件 动力黏性系数 流动状态对剪切应力的影响层流

8、（滞流）：不同径向位置的流体微团各自以确定的速度分层运动，层间流体互不掺混。 流速较小时湍流（紊流）：各层流体相互掺混，流体流经空间固定点的速度随时间不规则地变化，流体微团以较高的频率发生。 当流体流速增大到某个值之后（一）流体流动的两种运动状态临界雷诺数第二节 流体流动的内摩擦力一、流体的流动状态一、流体的流动状态20002000雷诺数的特征速度与特征尺度内内第二节 流体流动的内摩擦力对于圆管内的流动：Re4000时，一般出现湍流型态，称为湍流区；2000Re4000 时，有时层流，有时湍流，处于不稳定状态，称为过渡区；取决于外界干扰条件。（1）实际流体具有黏性容器中被搅动的水最终会停 止运

9、动 在空气中摆动的物体，随着时间的推移，摆动不断衰减，最终会停止。 黏性：在运动的状态下，流体产生抵抗剪切变形的性质 第二节 流体流动的内摩擦力二、流体流动的内摩擦力二、流体流动的内摩擦力(一)牛顿黏性定律现象（1）：结论（1）：（2）流动的流体内部存在相互作用力？第二节 流体流动的内摩擦力剪切力：流体内部相邻两流体层的相互作用力，也称为内摩擦力、黏性力剪切应力：单位面积上所受到的剪切力现象（2）：结论（2）：层流流动的分子存在不规则热运动发生分子动量传递 相邻两层流体动量不同 使相邻两流体层产生相互作用力黏性流体，圆心处施加力使其流动黏性流体的内摩擦实验紧贴板表面的流体与板表面之间不发生相对

10、位移，称为无滑移 u=0u=0u=0u=UFu=Uu=0t=0第二节 流体流动的内摩擦力各层流体之间存在相互作用u=Uu=0速度分布 流体内部：内摩擦力（剪切力） 固体壁面：壁面摩擦力（剪切力)Y第二节 流体流动的内摩擦力第二节 流体流动的内摩擦力欲维持上板的运动，必须有一个恒定的力F作用于其上。如果流体呈层流运动，则YUAF作用于单位面积上的力正比于在距离Y内流体速度的减少值。 流体速度的减少值（U-uU）(3.2.2)牛顿黏性定律sPa动力黏性系数，或称动力黏度，黏度，yuxdd剪切应力，N/m2垂直于流动方向的速度梯度，s-1负号表示剪切应力的方向与速度梯度的方向相反牛顿粘性定律指出：相

11、邻流体层之间的剪切应力与该处垂直于流动方向的速度梯度yuxdd成正比。微分形式：第二节 流体流动的内摩擦力(3.2.3)yux反映了流体流动时的角变形速率 yuxddtgddddddytyyux由于d很小，因此tgdd所以，角变形速率t dd为yutytyyutxxdddddddddd因此，牛顿黏性定律又揭示了剪切应力与角变形速率成正比第二节 流体流动的内摩擦力xxx经过时间dt后，流体微元体产生变形单位法向速度梯度下，由于流体黏性所引起的剪切应力的大小 yuxdd运动黏度m2/s 黏度是流体的物理性质第二节 流体流动的内摩擦力(二)动力黏性系数(3.2.5)黏度是影响剪切应力的重要因素黏度随

12、流体种类不同而不同，并随压强、温度变化而变化（1 1）流体种类：）流体种类：一般地，相同条件下，液体的黏度大于气体的黏度。（2 2）压强）压强：气体的黏度随压强的升高而增加，低密度气体和液体的黏度随压强的变化较小。 对常见的流体，如水、气体等,黏度随压强的变化不大，一般可忽略不计。 黏度的影响因素（3 3）温度）温度：是影响黏度的主要因素。 第二节 流体流动的内摩擦力水及空气在常压下的黏度 当温度升高时，液体的黏度减小，气体的黏度增加第二节 流体流动的内摩擦力解：设液层分界面上的流速为u，则剪切应力分布：yuxdd上层 下层 在液层分界面上 【例题1】两平板间有两种互不相溶的液体分层流动，设液

13、体流动为层流，且流速按直线分布。绘制平板间液体的流速分布图与剪切应力分布图。上层 下层 流速分布：0111uuh 2220hu 211 202 11 2h uuhh0121uuuuyhhyhuu22第二节 流体流动的内摩擦力u21、哪个大？问题：【例题2】一块底面积为40 45cm2、高为1cm的木块，质量为5kg，沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动，已知木块运动速度u=1m/s，油层厚度=1mm，由木块所带动的油层的运动速度呈直线分布，求油的粘滞系数。mg sinA=0udydu2/105. 0sinmsNAumgsPa 解：对木块进行受力分析第二节 流体流动的内摩擦力sPa动力黏性系数，或

14、称动力黏度，黏度，yuxdd剪切应力，N/m2垂直于流动方向的速度梯度，s-1负号表示剪切应力的方向与速度梯度的方向相反与该处垂直于流动方向的速度梯度yuxdd成正比。微分形式：第二节 流体流动的内摩擦力(3.2.3)yux黏度是流体的物理性质牛顿粘性定律：相邻流体层之间的剪切应力剪切应力与角变形速率成正比yutytyyutxxdddddddddd流体黏性具有较大差别有一大类流体遵循牛顿定律牛顿流体所有气体和大多数低分子量的液体均属于牛顿流体，如水、汽油、煤油、甲苯、乙醇等 泥浆、中等含固量的悬浮液 第二节 流体流动的内摩擦力(三)流体类别橡胶、油漆等 浓淀粉糊、生面团等非牛顿流体：第二节 流

15、体流动的内摩擦力(三)流体类别泥浆：粘塑性流体 宾汉模型环境工程中重要的流体介质： 水、气、泥浆流体分类及剪切应力计算式流体分类及剪切应力计算式第二节 流体流动的内摩擦力 液体防弹衣 主要成分是一种特制“抗剪稠密液体（STF）”，含有大量悬浮在聚乙烯醇流体中的硬质纳米级硅胶微粒。正常情况下， STF像其他液体一样，很柔软，可以变形。一旦弹片或弹头触到它，这种液体就能瞬间转变成一种硬质材料，阻止弹体穿过 第二节 流体流动的内摩擦力 可以在液体上跳舞吗？！典型的非牛顿流体：第二节 流体流动的内摩擦力p层流流动 分层流动，各层之间相互影响和作用较小，剪切应力主要是由分子运动引起的。p湍流流动 存在流

16、体质点的随机脉动，流体之间相互影响较大，剪切应力除了由分子运动引起外，还由质点脉动引起。 yudd质点脉动引起的剪切应力 以平均速度表示的垂直于流动方向的速度梯度质点脉动引起的动力黏性系数涡流黏度总的剪切应力为 (四)流态对剪切应力的影响(3.2.8)yuyuefftddddeff(3.2.9)涡流黏度不是物性，受流体宏观运动影响 第二节 流体流动的内摩擦力（1）简述层流和湍流的流态特征。（2）什么是“内摩擦力”？简述不同流态流体中“内摩擦力”的产生机理。（3）流体流动时产生摩擦阻力的根本原因是什么？（4）什么情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些？（5）简述温度和压力对液体和气

17、体黏度的影响。思考题第三节 边界层理论本节主要内容一、边界层理论的概念二、边界层的形成过程三、边界层的分离第三节 边界层理论要点：（1）边界层理论 什么是边界层？ 为什么会形成边界层？ 研究边界层的意义？ 边界层理论要点、平板上和圆直管内边界层的形成过程、边界层的厚度、进口段长度（2）边界层分离 边界层分离的概念、分离的条件及影响分离点的影响因素速度变化比较大、黏性力不能忽略的区域边界层u01904年，普兰德（Prandtl）提出了“边界层”概念，认为即使对于空气、水这些黏性很低的流体，黏性也不能忽略，但其影响仅限于壁面附近的薄层，即边界层；离开表面较远的区域，则可视为理想流体。边界层理想流体

18、u0yx第三节 边界层理论一、边界层的概念一、边界层的概念 u=Uu=0速度分布 实际流体的流动具有两个基本特征：(1)在固体壁面上，流体与固体壁面的相对速度为零 流动的无滑移（黏附）特征(2)当流体之间发生相对运动时，流体之间存在剪切力流体流过壁面时,在壁面附近形成速度分布第三节 边界层理论为什么会形成边界层？为什么会形成边界层？流体在两平板间层流流动流体流过平壁面一、边界层的概念一、边界层的概念 流速很小，速度梯度很大u0边界层因剪切应力而受阻减速无滑移u0yx第三节 边界层理论一、边界层的概念一、边界层的概念 为什么会形成边界层？为什么会形成边界层？分界面u=0.99u0边界层分界面：

19、流体速度达到来流速度99时的流体层（2）在边界层内，黏性力可以达到很高的数值，它所起的作用与惯性力同等重要，在边界层内不能全部忽略粘性；普兰德边界层理论要点：（1）当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴壁面处存在非常薄的一层区域，流体的流速很小，但速度梯度很大边界层；u0u0yx第三节 边界层理论（3）在边界层外的整个流动区域，法向速度梯度很小，黏性力很小。在大Re情况下，可将黏性力全部忽略，近似看成是理想流体的流动。（4）大Re情况下，流动分为两个区域，流动的阻力发生在边界层内边界层流动边界层速度边界层边界层理想流体与速度梯度有关流动阻力形体阻力传热、传质速率传热、传质阻力边界层理论摩擦阻力流体流

20、动状态流场速度分布传热、传质机理yuxddyuyuefftdddd第三节 边界层理论是分析阻力机理、进行阻力计算的基础是分析热量、质量传递机理和强化措施的基础研究边界层的意义？研究边界层的意义？层流边界层速度梯度大黏性力大第三节 边界层理论（一）绕平板流动的边界层 1.绕平板流动的边界层的形成二、边界层的形成过程 边界层的厚度从平板前缘开始不断增加。在厚度较小处，流动为层流，称为层流边界层u边界层流态始终为层流层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流内层层流内层u u0 0u u0 0u u0 0u边界层流态由层流发展为湍流第三节 边界层理论二、边界层的形成过程 与局部Re数有关当Re数超

21、过某个值时，边界层内的流动变得不稳定，进而发生流态的转变cx层流边界层湍流边界层过渡区速度梯度大黏性力大速度梯度减小，黏性力下降，扰动迅速发展湍流中心缓冲层厚度突然增加第三节 边界层理论层流底层(黏性底层)（一）绕平板流动的边界层 1.绕平板流动的边界层的形成二、边界层的形成过程 边界层的厚度继续增加 临界距离：与壁面粗糙度、平板前缘的形状、流体性质和流速有关，壁面越粗糙，前缘越钝， 越短cx临界雷诺数0Reuxcxc对于平板，临界雷诺数的范围为31052106，通常情况下取5105 边界层流态的判别：第三节 边界层理论2.边界层内的流动状态二、边界层的形成过程 注意：层流边界层和层流底层的区

22、别注意：层流边界层和层流底层的区别层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流底层层流底层u0u0u0 xy层流边界层：层流边界层：边界层内的流态为层流边界层内的流态为层流湍流边界层：湍流边界层：边界层内的流态为湍流边界层内的流态为湍流层流底层：层流底层： 边界层内近壁面处一薄层，无论边界层的流态边界层内近壁面处一薄层，无论边界层的流态 为层流或湍流，其流态均为层流为层流或湍流，其流态均为层流二、边界层的形成过程 第三节 边界层理论2.边界层内的流动状态层流边界层层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流内层层流内层u u0 0u u0 0u u0 0发展为湍流边界层第三节 边界层理论二、边

23、界层的形成过程 在同样外流速度下，湍流边界层的壁面摩擦力比层流边界层大得多。因为湍流边界层内流体质点的横向脉动使外层中快速运动的质点到达壁面附近，因而动量交换比分子扩散强烈得多。u=0.99u0u=0.99u0边界层的厚度xx随着x增大，边界层不断增厚第三节 边界层理论3.边界层厚度边界层厚度： 流体速度达到来流速度99时的流体层厚度 层流边界层：2/1Re641. 4xxxRe为以距板前缘距离x为特征长度的雷诺数当地雷诺数5/1Re376. 0 xx 湍流边界层：0Rexux第三节 边界层理论(3.3.1)(3.3.2)边界层的边界层的厚度是厚度是ReRe的函数的函数 讨论：边界层的讨论：边

24、界层的厚度的影响因素厚度的影响因素（1 1）流体的物性（）流体的物性（，等）等）（2 2）流道几何尺寸）流道几何尺寸距离前端的位置距离前端的位置（3 3）流速）流速p在边界层内，黏性力和惯性力的数量级相当： 速度梯度很大 流体速度较小 p流动边界层内特别是层流底层内，集中了绝大部分的传递阻力。因此，尽管边界层厚度很小，但对于研究流体的流动阻力、传热速率和传质速率有着非常重要的意义。yudd 通常，边界层的厚度约在 的量级第三节 边界层理论黏性剪切力很大惯性力与层外相比小得多103m例如：工程上减少传热、传质阻力的方法适当的增大流体的运动速度，使其呈湍流状态，以此降低边界层中层流部分的厚度，从而

25、强化传热和传质破坏边界层的形成，在流道内壁做矩形槽，或在管外壁放置翅片，以此破坏边界层和形成，减少传热和传质阻力第三节 边界层理论环状边界层核心区流动全部被固体边界所约束环状边界层 第三节 边界层理论（二）圆管内流动的边界层1.圆直管内边界层的形成二、边界层的形成过程 边界层：边界层：受内摩擦影响而产生受内摩擦影响而产生较大速度梯度较大速度梯度的区域，的区域，u u=0.99=0.99u u0 0边界层发展：边界层发展：边界层厚度边界层厚度 随流动距离增加而增加随流动距离增加而增加流动充分发展：流动充分发展：边界层不再改变，管内流态也维持不变边界层不再改变，管内流态也维持不变 是层流还是湍流？

26、是层流还是湍流？ 取决于汇合点处边界层内的流动取决于汇合点处边界层内的流动Xouod进口段进口段第三节 边界层理论lele充分发展段环状边界层当u0较小时，进口段形成的边界层汇交时，边界层是层流，以后的充分发展段则保持层流流动，速度分布呈抛物线型1.圆直管内边界层的形成抛物线型速度分布 层流流动第三节 边界层理论当u0较大，汇交时边界层流动若已经发展为湍流，则其下游的流动也为湍流。速度分布不是抛物线形状。在管内的湍流边界层和充分发展的湍流流动中，径向上也存在着三层流体，即层流底层、缓冲层和湍流中心。 环状边界层核心区充分发展段进口段 湍流流动流层间影响较大缓冲层层流底层湍流中心第三节 边界层理

27、论判别流动形态的雷诺数定义为0Redu当Re2000时，管内流动维持层流 第三节 边界层理论层流时层流时湍流时湍流时充分发展段，不管层流还是湍流，边界层厚度等于圆管半径，并且不再改变。max82. 0uum8/7Re5 .61db湍流时，圆管内层流底层的厚度，当2.边界层厚度第三节 边界层理论3.进口段长度实际工程中区分进口段是非常重要：，其后沿流动方向平缓减少，并趋于流动充分发展后的不变值 边界层厚度小，有利于传热和传质进口段长度用le来表示。无量纲数 是雷诺数的函数eld0.0575Reeld（2）湍流，目前尚无适当的计算公式，实验研究表明， 管内湍流边界层的进口段长度大致为50倍管径。

28、（1）层流，由理论分析可得第三节 边界层理论边界层与固体壁面相脱离 边界层分离流动中产生大量旋涡第三节 边界层理论三、边界层分离 边界层与固体壁面相脱离内部充满旋涡 导致流体能量大量损失，是粘性流动流动时产生能量损失的重要原因之一第三节 边界层理论当流体流过表面曲率较大的曲面时三、边界层分离 (一)现象绕过钝体的稳态流动钝体尾部上边界层发展的不同阶段流体流过表面曲率较大的曲面时，边界层外流体的速度和压强均沿流动方向发生变化，边界层内的流动会受到很大影响 流道断面变化流速变化压强变化？u 增大，压强减小u 减小，压强增加第三节 边界层理论三、边界层分离 (二)过程分离点 逆压区（惯性力压强差）黏

29、性力 顺压区流体惯性力（黏性力逆压强） 流体质点的速度逐渐减小 D点近壁面处流体质点速度为零D点之后?第三节 边界层理论三、边界层分离 分离点 尾流（1）壁面附近的流体速度方向相反，发生倒流（逆压梯度）D点之后：（2）产生旋涡尾流区（3）旋涡中的流体具有很大的角速度和旋转动能，使其压力降低，产生较大的形体阻力第三节 边界层理论三、边界层分离 分离点 粘性作用和存在逆压梯度是流动分离的两个必要条件 顺压区逆压区尾流区流体的惯性力、粘性力、压强差之间的关系第三节 边界层理论三、边界层分离 (三)条件绕绕过过圆圆柱柱的的稳稳态态流流动动典型特征是尾部典型特征是尾部的反向流动，且的反向流动，且随随Re

30、Re的增加变得的增加变得更加明显更加明显绕绕过过球球的的稳稳态态流流动动绕绕过过圆圆柱柱的的稳稳态态流流动动两侧交错排列的系列旋涡涡街涡街层流边界层和紊流边界层都会发生分离在相同的逆压梯度下，层流边界层和紊流边界层哪个更容易发生分离？（由于层流边界层中近壁处速度随法向方向的增长缓慢，逆压梯度更容易阻滞靠近壁面的低速流体质点）层流时惯性力小结论：湍流边界层的分离点结论：湍流边界层的分离点延后产生延后产生第三节 边界层理论三、边界层分离 (四)流态的影响边界层分离形体阻力：物体前后压强差引起的阻力形成湍流边界层时，形体阻力大小?较小因为分离点靠后，尾流区较小是产生形体阻力的主要原因。形成尾流区 形

31、体阻力增加第三节 边界层理论但是摩擦阻力与层流边界层相比大小？第三节 边界层理论(1)什么是流动边界层？边界层理论的要点是什么？(2)简述湍流边界层内的流态，以及流速分布和阻力特征。(3)边界层厚度是如何定义的？简述影响平壁边界层厚度的因素，并比较下列几组介质沿平壁面流动时，哪个边界层厚度较大： a.污水和污泥；b.水和油；c.流速大和流速小的同种流体(4)为什么管道进口段附近的摩擦系数最大？(5)简述边界层分离的条件和过程。流体沿平壁面的流动和理想流体绕过圆柱体流动时是否会发生边界层分离？(6)当逆压梯度相同时，层流边界层和湍流边界层分离点的相对位置如何?请解释其原因。思考题一、阻力损失的影

32、响因素二、圆直管内流动的沿程阻力损失三、非圆直管内流动的沿程阻力损失四、气体和泥浆流动的沿程阻力损失五、管道内的局部阻力损失本节的主要内容第四节 流体流动的阻力损失要点：（1）阻力损失的种类（摩擦阻力，形体阻力）、产生的原因和影响因素（2）圆直管内流动的沿程阻力损失 范宁公式、摩擦系数/范宁摩擦因子 层流流动和湍流流动的速度分布和阻力损失（3）非圆直管的当量直径（4）气体的阻力损失（理想气体的等温和非等温流动），泥浆（宾汉流体）流动的阻力损失（5）管道内的局部阻力损失 局部阻力系数、当量长度第四节 流体流动的阻力损失（一）阻力损失的起因（一）阻力损失的起因总阻力损失的大小取决于流体的物性、总阻

33、力损失的大小取决于流体的物性、流动状态流动状态和和物体表物体表面的粗糙度、几何形状等面的粗糙度、几何形状等。（1 1）内摩擦造成的摩擦阻力）内摩擦造成的摩擦阻力（2 2）物体前后压强差造成的形体阻力）物体前后压强差造成的形体阻力摩擦阻力：摩擦阻力：（二）阻力损失的影响因素：（二）阻力损失的影响因素：形体阻力：形体阻力：边界层内的流态，边界层内的流态，边界层的厚度边界层的厚度物体前后压强差物体前后压强差，边界层分离，尾流区域的大小边界层分离，尾流区域的大小第四节 流体流动的阻力损失（总结）一、阻力损失的影响因素：一、阻力损失的影响因素：粗糙表面摩擦阻力大。粗糙表面摩擦阻力大。但是，当表面粗糙促使

34、边界层湍流化以后，造成分离点后但是，当表面粗糙促使边界层湍流化以后，造成分离点后移，形体阻力会大幅度下降。移，形体阻力会大幅度下降。 （2 2）物体表面的粗糙度的影响）物体表面的粗糙度的影响（3 3）几何形状的影响）几何形状的影响尾流区的大小尾流区的大小形体阻力形体阻力第四节 流体流动的阻力损失湍流时湍流时，摩擦阻力较层流时大。但与层流时相比，分离，摩擦阻力较层流时大。但与层流时相比，分离点后移，尾流区较小，形体阻力将减小；点后移，尾流区较小，形体阻力将减小；层流时，层流时，摩擦阻力小，但尾流区较湍流时大，形体阻力摩擦阻力小，但尾流区较湍流时大，形体阻力较大。较大。 （1 1）流态的影响）流态

35、的影响（2 2）颗粒在流体中运动）颗粒在流体中运动 固体颗粒沉降固体颗粒沉降（1 1）管道内的流动过程）管道内的流动过程 管路计算管路计算u 流体流经直管沿程损失，主要是摩擦阻力流体流经直管沿程损失，主要是摩擦阻力u 流体流经弯管局部阻力损失流体流经弯管局部阻力损失 层流：摩擦阻力，流速分布变化，剪切应力增大层流：摩擦阻力，流速分布变化，剪切应力增大 湍流：摩擦阻力，（边界层分离二次流）的能湍流：摩擦阻力，（边界层分离二次流）的能量损失，主要是边界层分离导致的能量损失量损失，主要是边界层分离导致的能量损失第四节 流体流动的阻力损失（三）流动阻力的计算（三）流动阻力的计算二、圆直管内流动的阻力损

36、失（一）圆直管内流动的阻力损失通式22mfudlp22mfudlh（二）流体在圆管内的速度分布和阻力（1）速度分布 层流20max1rruu2maxuum第四节 流体流动的阻力损失湍流nrruu10max11.1105Re3.2106时，n7max82. 0uum范宁公式（2）阻力损失 湍流)(Re,d22mfudlp第四节 流体流动的阻力损失220328dlurlupmmfRe64 层流阻力损失与流速成正比，摩擦系数与雷诺数成反比。 管道相对粗糙度管壁凸出的平均高度层流区层流区 过渡区过渡区湍流区湍流区阻力平方区阻力平方区22lg274. 1d4/13164. 0eR工程上按湍流处理工程上按

37、湍流处理（1）Re增大，增大，减小减小（2）Re增大到一定值后，增大到一定值后，变化平缓变化平缓（3）不同的）不同的/d对应不同的曲线对应不同的曲线完全湍流区完全湍流区Re64几何形状对物体运动总阻力的影响几何形状对物体运动总阻力的影响 思考题1：高尔夫球表面有300500个小凹坑，试解释原因 思考题2：“鲨鱼皮”泳衣比传统泳衣降低4%的阻力，创造了流体力学的奇迹，试分析其原理。塑形塑形排水槽，排干泳衣排水槽，排干泳衣与身体间的水与身体间的水让水流让水流 “ “粘粘” ”在身在身边边 三、非圆直管内流动的阻力损失流动阻力损失的计算22mfudlp曼宁公式第四节 流体流动的阻力损失矩形截面的管道

38、废气收集系统、通风系统同心套管的间隙流动换热过程引入当量直径的概念湿润周边长度流道截面面积4ed层流流动时，管径由当量直径取代，摩擦系数应采用下式：ReC C根据管道截面形状确定 正方形管道正方形管道C=57C=57，环形管道，环形管道C=96C=96 ，长方形管道长宽比为长方形管道长宽比为2 2：1 1 时，时，C= 62;C= 62; 长宽比长宽比4 4：1 1时，时，C=73C=73四、气体和泥浆的沿程阻力损失 常数kp22mmfudlp与水和一般液体的区别？第四节 流体流动的阻力损失气体：可压缩流体密度沿程变化取微元段列能量衡算方程利用理想气体状态方程：l等温流动密度和速率可采用进出口

39、截面平均值l非等温流动泥浆：非牛顿流体属黏塑性流体，用宾汉模型0211ln211211212NdlpppkkppkNkkN 质量通量，为常数00ddxuyfplr2116Ref40031341RrRrRef16圆管层流柱塞流动柱塞流动范宁摩擦因子第四节 流体流动的阻力损失(1)(1)简述运动中的物体受到阻力的原因。流线型物体运动时简述运动中的物体受到阻力的原因。流线型物体运动时是否存在形体阻力？是否存在形体阻力？(2)(2)简述流态对流动阻力的影响。简述流态对流动阻力的影响。(3)(3)分析物体表面的粗糙度对流动阻力的影响，举应用实例分析物体表面的粗糙度对流动阻力的影响，举应用实例说明。说明。

40、(4)(4)试比较试比较圆管中层流和湍流流动的速度分布特征圆管中层流和湍流流动的速度分布特征。(5)(5)试分析圆管湍流流动的雷诺数和管道相对粗糙度对摩擦试分析圆管湍流流动的雷诺数和管道相对粗糙度对摩擦系数的影响。系数的影响。思考题一、测速管（毕托管）二、孔板流量计 三、文丘里流量计 四、转子流量计本节的主要内容第六节 流体测量流速或流量的测量流速或流量的测量 第六节 流体测量要点： 测速管、孔板流量计、文丘里流量计和转子流量计的原理及计算 工作原理：工作原理：流体机械能衡算为基础，利用动能和静压能的相互流体机械能衡算为基础，利用动能和静压能的相互转化关系实现流速或流量的测量。转化关系实现流速

41、或流量的测量。 类型类型（1 1）定截面、变压头式的流量计或流速计：毕托管、孔板流量）定截面、变压头式的流量计或流速计：毕托管、孔板流量计、文丘里流量计，通过测定压差得到，也称为差压式流量计计、文丘里流量计，通过测定压差得到，也称为差压式流量计（2 2）变截面、定压差式的流量计：转子流量计）变截面、定压差式的流量计：转子流量计第六节 流体测量 测速管又称毕托（测速管又称毕托（PitotPitot）管，由管，由两根两根弯成直角的弯成直角的同同心套管心套管组成，组成，内管管口正内管管口正对对管道中管道中流体流动方向流体流动方向，内外管环隙的管口封闭内外管环隙的管口封闭，外管前端壁面四周开有若外管前

42、端壁面四周开有若干测压小孔干测压小孔 测速管的内管与外管分别测速管的内管与外管分别与与U U形压差计相连。形压差计相连。第六节 流体测量一、测速管两根同心套管前端管口敞开两管环隙前端封闭壁面四周开若干个小孔内管和环隙分别与压差计的两端相连压差计（1）测速管的构造流速流速u流体的动能全部转变为静压能流体的动能全部转变为静压能驻点驻点222upp内管传递出的压力：内管传递出的压力：流体在流体在2 2处的局部动能处的局部动能和静压能之和和静压能之和套管环隙间的压力：由于外管套管环隙间的压力：由于外管壁上的测压小孔与流体流动方壁上的测压小孔与流体流动方向平行，所以外管仅测得流体向平行，所以外管仅测得流

43、体的静压能的静压能U U形压差计反映的是内管传递出的压力和管道内流体的压力之差形压差计反映的是内管传递出的压力和管道内流体的压力之差 222upp)(02Rgpp压差计中液体的密度压差计中液体的密度 第六节 流体测量（2 2）计算式的推导（）计算式的推导（以1m3流体为基准）221112221122memfugzpWugzph2211221122mmupupp)(20gRu测速管的测量准确度与制造精度有关测速管的测量准确度与制造精度有关 )(20gRCu通常，通常，C0.981.00。为了提高测量的准确度，。为了提高测量的准确度，C值应在值应在仪表标定时确定。仪表标定时确定。第六节 流体测量则

44、该处的局部速度为则该处的局部速度为 第六节 流体测量（3 3）讨论）讨论 测速管测量流体的点速度，因此可得到速度分布曲线；测速管测量流体的点速度，因此可得到速度分布曲线； 测管中心最大流速，由测管中心最大流速，由 求平均流速，再计算求平均流速，再计算流量。流量。emRuu/max 层流：层流： 湍流：查图湍流：查图 在常用流速范围内在常用流速范围内 max5 . 0uummax82. 0uum第六节 流体测量（3 3）讨论）讨论 必须保证测量点位于均匀流段，一般要求测量点上、下游必须保证测量点位于均匀流段，一般要求测量点上、下游的直管长度最好大于的直管长度最好大于5050倍管内径，至少也应大于

45、倍管内径，至少也应大于8 81212倍。倍。 测速管的外径测速管的外径d d0 0不应超过管内径不应超过管内径d d的的1/501/50，即，即d d0 0d/5010d10d，下游下游 5d5d；(3)(3)能量损失较大能量损失较大 。第六节第六节 流体测量流体测量第六节 流体测量三、文丘里流量计渐缩渐扩管 接压差计避免出现边界层分离及旋涡，从而大大降低机械能损失避免出现边界层分离及旋涡，从而大大降低机械能损失 收缩段锥角通常取收缩段锥角通常取15152525扩大段锥角扩大段锥角5 57 7 构造构造测量原理与孔板流量计相同，也属于差压式流量计。测量原理与孔板流量计相同，也属于差压式流量计。

46、流量公式与孔板流量计相似，即流量公式与孔板流量计相似，即 002()VVRgqC A第六节 流体测量式中：式中：C CV V文丘里流量计的流量系数文丘里流量计的流量系数, , 0.980.99； A A0 0喉管处截面积喉管处截面积，m m2 2。讨论：讨论：（1 1）能量损失较小，更适用于低压气体输送管道中的流量）能量损失较小，更适用于低压气体输送管道中的流量测量。测量。（2 2）流量系数）流量系数C CV V 一般由实验测定，随管内一般由实验测定，随管内ReRe数而变化，数而变化，一般一般C CV V值为值为0.980.980.990.99。（3 3）缺点是加工较难、精度要求高，因而造价高

47、，安装时）缺点是加工较难、精度要求高，因而造价高，安装时需占去一定管长位置。需占去一定管长位置。第六节 流体测量第六节 流体测量四、转子流量计（1）构造转子可由金属或其它材料制成，转子可由金属或其它材料制成，密度大于所测流体的密度密度大于所测流体的密度 微锥形的玻璃管转子由一段上粗下细的锥由一段上粗下细的锥形玻璃管（锥角约在形玻璃管（锥角约在4 4左右）和管内一左右）和管内一个密度大于被测流体个密度大于被测流体的固体转子（或称浮的固体转子（或称浮子）构成。子）构成。各种型号的转子流量计第六节 流体测量第六节 流体测量（2）转子流量计的工作原理当管中无流体通过时，转子沉在管底部。当管中无流体通过时，转子沉在管底部。随转子的上浮，环隙面积逐渐增大，流速减小，随转子的上浮，环隙面积逐渐增大，流速减小，压力增加，从而使转子两端的压差降低。压力增加，从而使转子两端的压差降低。当被测流体以一定的流量流经转子与管壁当被测流体以一定的流量流经转子与管壁之间的环隙时，由于流道截面减小，流速之间的环隙时，由于流道截面减小，流速增大，静压力随之降低增大，静压力随之降低于是在转子上、下端面形成一个压差，将转于是在转子上、下端面形成一个压差，将转子托起，使转子上浮。子托起，使转子上浮。