化工原理第一章_流体力学下.

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1、第一章流体流动 Fluid Flow - -内容提要内容提要- 流体的基本概念 静力学方程及其应用 机械能衡算式及柏努 利方程 流体流动的现象 流动阻力的计算、管路计算 1.4 流体流动现象 一 流体的粘性和内摩擦力 流体的粘性 流体在运动的状态下,有一种抗拒内 在的向前运动的特性。粘性是流动性的反面。 流体的内摩擦力 运动着的流体内部相邻两流体 层间的相互作用力。是流体粘性的表现, 又称为粘滞 力或粘性摩擦力。 由于粘性存在，流体在管内流动时，管内任一截 面上各点的速度并不相同,如图所示。 1.4.1 1.4.1 流体的粘性与牛顿粘性定律流体的粘性与牛顿粘性定律 本节的目的是了解流体流动的内

2、部结构，以便为本节的目的是了解流体流动的内部结构，以便为 阻力损失计算打下基础。阻力损失计算打下基础。 x u=0 y u 两流体层之间单位面积上的内摩擦力（或 称为剪应力）与垂直于流动方向的速度梯度 成正比。 y x u u=0 du dy u/y表示速度沿法线线方向 上的变化率或速度梯度。 设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间 充满着静止的液体。运动着的流体内部相邻两流体层间 由于分子运动而产生的相互作用力，即内摩擦力。 式中为比例系数，称为粘性系数，或动力粘度（ viscosity），简称粘度。流体的粘性愈大，其值愈大 上式所表示的关系，称为牛顿粘性定律。 流体 粘性越大，其流动

3、性就越小。从桶底把一桶甘油放完要 比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力 比水大的缘故。 （1-33） 二、牛顿粘性定律 粘性是流体的基本物理特性之一。任何流体都有粘性 ，粘性只有在流体运动时才会表现出来。 u与y也可能时如右图的关系， 则牛顿粘性定律可写成： 粘度的单位为Pas 。常用流体的粘度可查表。 dy du o x y 上式中du/dy为速度梯度 （1-33） 1、影响因素：流体种类和温度 a.对于液体：以分子间内聚力为主，温度升高，分 子间间隙增大，内聚力降低，下降。 b.对于气体：分子热运动，温度升高，热运动加剧 ， 上升。 2、物理意义 牛顿粘性定律说明流体在流动过程

4、中流体层间 所产生的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无 关。 流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。 式中v为运动黏度，多用于工程中的流体黏度 计量。 运动黏度 三 、流体流动的类型-层流及湍流 1、雷诺试验 1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。 D B A C 墨水流线 玻璃管 雷诺实验 2、流体流动状态类型 过渡： 流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流， 或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。过渡流不是一种 流型。 q湍流(turbulent flow)或紊流: 当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的 运动速度在大小和方向

5、上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种 流动状态称为湍流或紊流。 q层流(laminar flow)或滞流(viscous flow): 当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运 动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒 在平行地流动。 影响流体流动类型的因素： 流体的流速u ； 管径d； 流体密度； 流体的黏度。 u、d、越大，越小，就越容易从层流转变为湍 流。上述中四个因素所组成的复合数群du/，是判断流 体流动类型的准则。 这数群称为雷诺准数或雷诺数(Reynolds number)， 用Re表示。 雷诺准数的因次 Re数是一个无因次

6、数群。 实验表明： qRe2000，流动类型为层流； qRe4000，流动类型为湍流； q2000Re4000，流动类型不稳定，可能是层流 ，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰 情况有关。 雷诺准数 Re 速度分布：流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的 变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。 1、流体在圆管中层流时的速度分布 由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。 速度分布为抛物线形状。 管中心的流速最大； 速度向管壁的方向渐减； 靠管壁的流速为零； 平均速度为最大速度的一半。 四、流体在圆管内的速度分布 2、湍流的速度分布 目前还没有理论推导 ，但有经验公式。 1 2

7、 速度分布有两个区域： 中心(较平坦); 近管壁(速度梯度很大); u壁=0. 3 近管壁有层流底层； 4 中间为湍流区； 5 u越大，层流底层越薄； ； 6 起始段： 特点： 湍流 层流 流 型 滞（层）流 湍（紊）流 判 据 Re2000 Re 4000 质点运动 情况 沿轴向作直线运动，不存在 横向混合和质点碰撞 不规则杂乱运动，质点碰 撞和剧烈混合。脉动是湍 流的基本特点 管内速度 分布 抛物线方程 壁面处uw=0,管中心umax 碰撞和混合使速度平均化 壁面处uw=0，管中心 表2 两种流型的比较 1.5 流体管内的流动阻力 * 本节内容提要本节内容提要 解决流体在管截面上的速度分布

8、及柏努利方程式中流解决流体在管截面上的速度分布及柏努利方程式中流 动阻力动阻力 h h f f 的计算问题。的计算问题。 * * 本节重点本节重点 （1 1）流体在管路中的流动阻力的计算问题。管路阻力又）流体在管路中的流动阻力的计算问题。管路阻力又 包括包括直管阻力包括包括直管阻力h h f f 和局部阻力和局部阻力h h f f （2 2）流体在直管中的流动阻力因流型不同而采用不同的）流体在直管中的流动阻力因流型不同而采用不同的 工程处理方法。对于层流，通过过程本征方程（牛顿粘性工程处理方法。对于层流，通过过程本征方程（牛顿粘性 定律）可用解析方法求解管截面上的速度分布及流动阻力定律）可用解

9、析方法求解管截面上的速度分布及流动阻力 ；而对于湍流，需借助因次分析方法来规划试验，采用实；而对于湍流，需借助因次分析方法来规划试验，采用实 验研究方法验研究方法。 （3 3）建立）建立“ “当量当量” ”的概念（包括当量直径和当量长度）。的概念（包括当量直径和当量长度）。 “ “当量当量” ”要具有和原物量在某方面的等效性，并依赖于经验。要具有和原物量在某方面的等效性，并依赖于经验。 在图1-9所示的系统中，流体从截面1-1流 入，从截面2-2流出。管路上装有对流体作功的 泵及向流体输入或从流体取出热量的换热器。 并假设： （a）连续稳定流体； （b）两截面间无旁路 流体输入、输出； （c）

10、系统热损失QL=0。 能量损失：流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于 流体层之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力，使一部分机 械能转化为热能。我们把这部分机械能称为能量损失。能量损 失可以通过阻力计算求得。 流动阻力：流体在管路中的流动阻力可分为直管阻力和 局部阻力两类。 直管阻力：或沿程阻力。流体流经一定直径 的直管时所产生的阻力。 局部阻力：流体流经管件、阀门及进出口时，由于受 到局部障碍所产生的阻力。 总能量损失：为直管阻力与局部阻力所引起能 量损失之总和。 u P1 d F F P2 1 1 2 2 l 由哈根方程： 则能量损失： 式中：摩擦系数，=64/Re 范宁公式 1 流体在

11、直管中的阻力 1.1 层流时的直管阻力 实验证明，湍流运动时，管壁的粗糙度对 阻力、能量的损失有较大的影响。 q绝对粗糙度 ： 管壁粗糙部分的平均高度。 q相对粗糙度 /d： d u 1.2 湍流时的直管阻力 材料与加工精度； 光滑管：玻璃管，铜管等； 粗糙管：钢管、铸铁管等。 使用时间； 绝对粗糙度可查表或相关手册。 p 粗糙度的产生 层流运动 流体运动速度较慢, 与管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系数与 无关，只与Re有关。层流时， 在粗糙管的流动与在 光滑管的流动相同。 p 粗糙度对流体流动类型的影响 湍流运动 ，阻力与层流相似，此时称为水力光滑管。 ，Re b 质点通过凸起部分时产生漩涡

12、能 耗。 b b 从理论和实践上可以证明，湍流运动时流体 的直管阻力为： 为摩擦系数， 湍流运动时阻力hf在形式上与层流相同。 层流区 过渡区湍流区完全湍流，粗糙管 光滑管 Re /d 摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系 上图可以分成4个不同区域。 层流区： Re2000，=64/Re ，与/d无关。 过渡区： 2000 Re 4000 湍流区： Re 4000, 与Re 和/d有关。 完全湍流区(阻力平方区)： 与Re 无关， 仅与/d有关。 查表举例 1. Re=103， =0.06 2. Re=104，/d=0.002 =0.034 3. Re=107，/d=0.002 =0.023

13、湍流时的为阻力系数 光滑管：.5103Re3.0 离心泵泵排出管（水类类液体 ） 2.53.0 饱饱和蒸汽 2040 往复泵泵吸入管（水类类液体 ） 0.751.0 过热过热 蒸汽 3050 往复泵泵排出管（水类类液体 ） 1.02.0 蛇管、螺旋管内的冷却水 1.0 液体自流速度（冷凝水等 ） 0.5 低压压空气 1215 真空操作下气体流速 50 作用： 改变管道方向(弯头); 连接支管(三通); 改变管径(变形管); 堵塞管道(管堵)。 螺旋接头卡箍接头 弯头 三通 变形管 管件：管与管的连接部件。 3 管件 (pipe fitting) 球阀 旋塞阀 截止阀 闸阀 蝶阀 装于管道中用以

14、开关管路或调节流量。 4 阀门 (Valve) v截止阀 (globe valve) 特点：构造较复杂。在阀体部分液 体流动方向经数次改变，流动阻力较 大。但这种阀门严密可靠，而且可较 精确地调节流量。 应用：常用于蒸汽、压缩空气及液体输 送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使 用。 结构：依靠阀盘的上升或下降， 改变阀盘与阀座的距离，以达到调 节流量的目的。 v 闸阀 (gate valve)：闸板阀 特点：构造简单，液体阻力小， 且不易为悬浮物所堵塞，故常用于 大直径管道。其缺点是闸阀阀体高 ；制造、检修比较困难。 应用：较大直径管道的开关。 结构：闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的 流量。 v止逆阀(check valve): 单向阀 特点：只允许流体单方向流动。 应用：只能在单向开关的特殊情 况下使用。 结构：如图所示。当流体自左向右流动时，阀自动开启；如 遇到有反向流动时，阀自动关闭。 离心泵 离心 风机 高 压 风 机 5 输送机械(泵、风机) 阀门管子 管件 (弯头) 输送机械 (泵) 麦汁 一级发酵