化工原理第一章.流体流动课件

1、2020/9/20,第一章 流体流动,一、流动类型与雷诺准数 二、滞流与湍流的比较 三、边界层的概念,1.5 流体流动阻力,2020/9/20,一、流动类型与雷诺准数,1、雷诺实验,滞流或层流,湍流或紊流,2020/9/20,2、雷诺数Re,雷诺数的因次 ：,Re是一个没有单位，没有因次的纯数 。 在计算Re时，一定要注意各个物理量的单位必须统一。 雷诺准数可以判断流型,2020/9/20,流体在圆形直管内流动时：,流体的流动类型属于滞流 ；,流体的流动类型属于湍流；,可能是滞流，也可能是湍流，与外 界条件有关。过渡区,例：20C的水在内径为50mm的管内流动，质量流量为200kg/h，试计算（1）雷诺数Re,并判断流动类型；（2）使管内保持湍流的最小流速。 解：（1）从附录五查得20C时，=998.2kg/m3， =1.005mPa.s，,2020/9/20,流速,流动属层流,2020/9/20,（2）因,时属湍流，故使管内保持湍流的最,小流速由下式计算：,即管内保持湍流的最小流速为0.08m/s,2020/9/20,二、滞流与湍流的比较,1、流体内部质点的运动特征 (1)层流流动时

2、，流体质点沿管轴做有规则的平行运动。流体质点无返混,整个流动区存在速度梯度,速度分布呈抛物线. (2)湍流流动时，流体质点在沿流动方向 运动的同时， 还做随机的脉动。流体质点 杂乱无章,仅在管壁处存在 速度梯度,2020/9/20,（）层流时的速度分布,（）湍流时的速度分布,2020/9/20,三、边界层的概念,流速降为未受影响流速的99%以内的区域 。,边界层：,1、边界层的形成,边界层区,主流区,2020/9/20,2、边界层的发展 1）流体在平板上的流动,2020/9/20,3、边界层的分离,A点,驻点,B点(umax，pmin),C点(u=0，pmax),边界层分离,2020/9/20,由此可见： 流道扩大时必造成逆压强梯度 逆压强梯度容易造成边界层的分离 边界层分离造成大量漩涡，大大增加机械能消耗 流体沿着壁面流过时的阻力称为摩擦阻力。 由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的能量损耗称为形体阻力。 粘性流体绕过固体表面的阻力为摩擦阻力与形体阻力之和这两者之和又称为局部阻力。,2020/9/20,第一章 流体流动,一、直管阻力计算式 二、摩擦阻力系数计算方法 三、阻力计算,1

3、.6 流动阻力计算,2020/9/20,2020/9/20,流动阻力产生的根源,流体具有粘性，流动时存在内部摩擦力.,流动阻力产生的条件,固定的管壁或其他形状的固体壁面,管路中的阻力,直管阻力 ：,局部阻力：,流体流经一定管径的直管时由于流体的内摩擦而产生的阻力,流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力。,2020/9/20,流体在水平等径直管中作定态流动。,一、流体在直管中的流动阻力,1、计算圆形直管阻力的通式,2020/9/20,2020/9/20,垂直作用于截面1-1上的压力 ：,垂直作用于截面2-2上的压力 ：,平行作用于流体表面上的摩擦力为 ：,2020/9/20,2020/9/20,圆形直管内能量损失与摩擦应力关系式,2、公式的变换,与,比较 ,则,得,2020/9/20,2020/9/20, 圆形直管阻力所引起能量损失的通式 称为范宁公式。,（ 对于层流或湍流都适用）,为无因次的系数，称为摩擦因数 。,2020/9/20,二、摩擦系数计算方法,1、层流时的摩擦系数,作用于流体单元左端的总压力为：,作用于流体单元右端的总压力为：,2020/9

4、/20,作用于流体单元四周的剪应力为：,2020/9/20,代入上式得：,滞流流动时圆管内速度分布式,2020/9/20,流体的体积流量为：,层流时，管截面上速度分布为：,2020/9/20,积分此式可得,层流时平均速度等于管中心处最大速度的一半 。,2020/9/20,2020/9/20,哈根-泊谡叶公式,层流流动时与Re的关系,2020/9/20,2020/9/20,2、管壁粗糙度对摩擦系数的影响,化工管路,光滑管,粗糙管,玻璃管、黄铜管、塑料管,钢管、铸铁管,管壁粗糙度,绝对粗糙度,相对粗糙度,壁面凸出部分的平均高度， 以表示 。,绝对粗糙度与管道直径的比值 即 /d 。,2020/9/20,2020/9/20,2020/9/20,2020/9/20,3、湍流时的摩擦系数与因次分析法,求 Pf,实验研究建立经验关系式的方法,基本步骤：,通过初步的实验结果和较系统的分析，找出影响过程的主要因素，也就是找出影响过程的各种变量。 利用因次分析，将过程的影响因素组合成几个无因次数群，以期减少实验工作中需要变化的变量数目。,2020/9/20,2020/9/20,建立过程的无因次数群，一般

5、常采用幂函数形式，通过大量实验，回归求取关联式中的待定系数。 因次分析法 特点：通过因次分析法得到数目较少的无因次变量，按无因 次变量组织实验，从而大大减少了实验次数，使实验简便易行。 依据：因次一致性原则和白金汉(Buckinghan)所提出的定理。,2020/9/20,2020/9/20,因次一致原则 ：,凡是根据基本的物理规律导出的物理量方程 式中各项的因次必然相同，也就是说，物理 量方程式左边的因次应与右边的因次相同。,定理：,i=n-m i为数群数,n为变量数,m 为基本量数,湍流时影响阻力损失的主要因素有： 管径 d 管长 l 平均速度 u 流体密度 粘度 管壁粗糙度,湍流摩擦系数的无因次数群：,2020/9/20,2020/9/20,用幂函数表示为：,以基本因次质量（M）、长度(L)、 时间(T) 表示各物理量：,代入（1）式，得：,2020/9/20,2020/9/20,以b，f，g表示a，c，e，则有：,代入（1）式，得：,2020/9/20,2020/9/20,整理，得：,因此：,式中：,数群（4）=变量（7）-基本因次（3）,管子的长径比；,雷诺数Re；,欧拉准数

6、，以Eu表示 。,2020/9/20,2020/9/20,4. 直管内湍流流动的阻力损失,湍流流动，取l/d的指数b=1 。,2020/9/20,2020/9/20,1）摩擦因数图,a)层流区：Re2000，与Re成直线关系，=64/Re。 b)过渡区：2000Re4000，管内流动随外界条件的影响而 出现不同的流型，摩擦系数也因之出现波动。,c)湍流区：Re4000且在图中虚线以下处时，值随Re数的 增大而减小。 d)完全湍流区： 图中虚线以上的区域，摩擦系数基本上不随Re的变化而变化，值近似为常数。 根据范宁公式，若l/d一定，则阻力损失与流速的平方成正比，称作阻力平方区 。,2020/9/20,2020/9/20,2020/9/20,2) 值的经验关系式,柏拉修斯(Blasius)光滑管公式,适用范围为Re=31031105 5. 非圆形管内的摩擦损失 公式中的直径用当量长度计算:,2020/9/20,2020/9/20,对于长宽分别为a与b的矩形管道：,对于一外径为D的内管和一内径为d的外管构成的环形通道,2020/9/20,2020/9/20,三、局部阻力损失,1、局部阻力损失的计算 1）阻力系数法,为阻力系数 ，由实验测定 。,突然扩大与突然缩小,u：取小管的流速 可根据小管与大管的截面积之比查图。,管出口,b) 管出口和管入口 管出口相当于突然扩大,流体自容器进入管内，相当于突然缩小 A2/A10， 管进口阻力系数，c=0.5。,2020/9/20,2020/9/20,2）当量长度法,le为管件的当量长度。,管件与阀门 不同管件与阀门的局部阻力系数可从手册中查取。,管件与阀门的当量长度由试验测定，湍流时，可查共线图。,四、管路中的总能量损失,管路系统中总能量损失=直管阻力+局部祖力,对直径相同的管段：,2020/9/20,2020/9/20,截止阀,2020/9/20,2020/9/20,闸阀,2020/9/20,2020/9/20,这是等待出厂的阀门,2020/9/20,2020/9/20,这是等待出厂的各种管件。,闸阀,截止阀,

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