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1、浙江大学化学工程研究所1.4 管内流体流动现象一、粘度二、流体流动类型与雷诺准数三、流体在圆管内的速度分布1.5 流体流动阻力一、阻力损失的计算通式二、流体流动摩擦阻力的计算三、非圆形管内的流动阻力四、局部阻力第一章 流体流动1浙江大学化学工程研究所1.4 管内流体流动现象第四节 管内流体流动现象内容： 流体流动产生能量损失的原因 流体在管内流动的状态及影响因素 一、粘度1。牛顿粘性定律内摩擦力产生的原因 还可以从动量传递角度 加以理解:2浙江大学化学工程研究所物理意义：衡量流体粘性大小的一个物理量单位：获取方法：属物性之一，由实验测定、查有关手册或资料、用经验公式计算。影响因素：粘度：第四节
2、 管内流体流动现象3浙江大学化学工程研究所非牛顿型流体第四节 管内流体流动现象4浙江大学化学工程研究所雷诺数雷诺实验层流或滞流 laminar flow湍流或紊流 turbulent flow两种流动型态二、流体流动类型与雷诺准数第四节 管内流体流动现象5浙江大学化学工程研究所直管内流动时，Re2000 层流Re=20004000 过渡区Re4000 湍流第四节 管内流体流动现象6浙江大学化学工程研究所三、流体在圆管内的速度分布1。流体在圆管内层流时的速度分布稳定流动时速度分布的形状稳定流动时速度分布的形状(a)层流p1p2lR（1）速度分布方程： 如右图，当力平衡时有 p1A = p2A +
3、 A侧 p1 r2 = p2 r2 + 2 rl第四节 管内流体流动现象7浙江大学化学工程研究所代入边界条件：r =R 时，v = 0r= 0 时，v = vmax若管子倾斜放置：其中：第四节 管内流体流动现象8浙江大学化学工程研究所（2）流量V、平均速度u 和动能Rrr+drdV = vdA = 2 rvdr第四节 管内流体流动现象9浙江大学化学工程研究所Rrr+dr单位时间流过环隙的质量： dV = vdA = 2 v r dr 单位时间流过环隙的动能：dE动= dVv2/2 = v3 r dr 单位时间流过整个截面的动能：E动= 单位时间单位质量流体的动能：第四节 管内流体流动现象10浙
4、江大学化学工程研究所2。流体在圆管内的湍流时速度分布 (1)(1)稳定流动时稳定流动时湍流湍流分布的形状分布的形状 其形状与Re的大小有关 Re 湍流程度加剧顶部越平坦 (2)(2)湍流速度分布方程湍流速度分布方程一般在Re105时, v = vmax1-r/R1/7 通用形式:v = vmax1-r/R1/n n在610间变化, Re n (3)(3)湍流时流量湍流时流量V V、平均速度平均速度u u 和动能和动能流量 若用v = vmax1-r/R1/7表示，则有 平均流速 动能 第四节 管内流体流动现象11浙江大学化学工程研究所3。关于动能的讨论前面所推导的能量衡算式： 事实上，对层流应
5、为u2，对湍流应为0.53u2. 但由于动能项在各项能量的总和中所占的比例往往很小，因此，机 械能衡算式中的动能项仍取为u2/2，所引起的误差一般可忽略不计 。4。边界层简介1904年，普兰特（近代流体力学的奠基人）凭他 丰富的经验和物理直觉，提出了著名的边界层理论。 他在海德贝尔格的数学年会上宣读了“具有很小摩擦 的流体运动”，证明了绕固体的流动可以分为两个区 域，一是物体附近很薄的一层(边界层)，其中摩擦起 着主要的作用；二是该层以外的其余区域，这里摩擦 可以忽略不计。第四节 管内流体流动现象12浙江大学化学工程研究所（1）边界层概念普兰特边界层理论的主要内容：(1)紧贴壁面非常薄的一层，
6、该薄层内速度梯度很大，这一薄层称 边界层第四节 管内流体流动现象13浙江大学化学工程研究所（2）边界层的形成和发展 第四节 管内流体流动现象14浙江大学化学工程研究所第四节 管内流体流动现象15浙江大学化学工程研究所（3）边界层分离第四节 管内流体流动现象16浙江大学化学工程研究所第四节 管内流体流动现象17浙江大学化学工程研究所流线型边界层分离的必要条件是：逆压、流体具有粘性 这两个因素缺一不可。ADS第四节 管内流体流动现象18浙江大学化学工程研究所1.5 流体流动阻力内容： 流体流动产生能量损失的计算方法 一、阻力损失的计算通式 hf 的计算目前主要靠经验式 hf 分为两类：机械能衡算方
7、程第五节 流体流动阻力19浙江大学化学工程研究所dlhw f4=由受力的平衡得：由机械能衡算得：引入阻力系数 ：第五节 流体流动阻力20浙江大学化学工程研究所长径比，无因次动能摩擦因数-直管摩擦损失 计算通式 （范宁公式）第五节 流体流动阻力21浙江大学化学工程研究所圆管内层流时，由牛顿粘性定律可知：二、流体流动摩擦阻力的计算第五节 流体流动阻力22浙江大学化学工程研究所（1）层流时的（2）湍流时的主要依靠实验研究，（3）的图解求法 以Re、 /d 为自变量，以为因变量作图，可把整个区域分为四 个区：层流区、过渡区、湍流区和完全湍流区（阻力平方区）第五节 流体流动阻力23浙江大学化学工程研究所
8、第五节 流体流动阻力24浙江大学化学工程研究所使用时注意经 验式的适用范 围几个光滑管内湍流经验公式：第五节 流体流动阻力25浙江大学化学工程研究所几个粗糙管内湍流经验公式：第五节 流体流动阻力26浙江大学化学工程研究所 仍可按圆管的公式计算或用莫狄图查取，但需引入当量直径。 用其本身特定公式计算三、非圆形管内的流动阻力第五节 流体流动阻力27浙江大学化学工程研究所由于流动突然发生变化而产生涡流，从而导致形体阻力。小管的四、局部阻力第五节 流体流动阻力28浙江大学化学工程研究所突然扩大和突然缩小第五节 流体流动阻力29浙江大学化学工程研究所总结： 管路系统的总阻力损失为管出口弯管阀门管入口2-2面取在出口内侧时，hf中 应不包括出口阻力损失，但 2-2面取在出口外侧时，hf中应包括出口阻力损失， 其大小为 ，但2-2面的动能为零。 22u222u2第五节 流体流动阻力30浙江大学化学工程研究所减小阻力的措施：v改善固壁对流动的影响：减小管壁粗糙度，防止或推迟流体与壁面的分离v加极少量的添加剂，影响流体运动的内部结构。第五节 流体流动阻力31
