流體流動及輸送

1、第二章 流體流動及輸送第一節(jié) 流體靜力學(xué)第二節(jié) 流休在管內(nèi)的流動第三節(jié) 流休在管內(nèi)的流動現(xiàn)象第四節(jié) 管內(nèi)流動阻力第五節(jié) 管路計算第六節(jié) 流速和流量的測量1. 研究流體流動問題的重要性研究流體流動問題的重要性流體: 在剪應(yīng)力作用下能產(chǎn)生連續(xù)變形的物體稱 為流體。流體是氣體與液體的總稱。 流體流動是最普遍的化工單元操作之一； 研究流體流動問題也是研究其它化工單元操作的重要基礎(chǔ)。第一節(jié) 流體靜力學(xué) 2 . 連續(xù)介質(zhì)假定連續(xù)介質(zhì)假定 假定流體是由無數(shù)內(nèi)部緊密相連、彼此間沒有間隙的流體質(zhì)點（或微團(tuán)）所組成的連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)。質(zhì)點質(zhì)點：由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備 尺寸、遠(yuǎn)大于分子自由程。 工程

2、意義工程意義：利用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具，從宏觀研究 流體。3. 流體的特征流體的特征 具有流動性； 無固定形狀，隨容器形狀而變化； 受外力作用時內(nèi)部產(chǎn)生相對運動。不可壓縮流體不可壓縮流體：流體的體積不隨壓力變化而變化， 如液體；可壓縮性流體：可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化， 如氣體。不可壓縮流體不可壓縮流體：流體的體積如果不隨壓力及溫度變流體的體積如果不隨壓力及溫度變化，這種流體稱為不可壓縮流體。化，這種流體稱為不可壓縮流體。 實際上流體都是可壓縮的，一般把液體當(dāng)作不可實際上流體都是可壓縮的，一般把液體當(dāng)作不可壓縮流體；氣體應(yīng)當(dāng)屬于可壓縮流體。但是，如果壓壓縮流體；氣體應(yīng)當(dāng)屬于可壓縮流體

3、。但是，如果壓力或溫度變化率很小時，通常也可以當(dāng)作不可壓縮流力或溫度變化率很小時，通常也可以當(dāng)作不可壓縮流體處理。體處理。 可壓縮流體可壓縮流體：流體的體積如果隨壓力及溫度變化，流體的體積如果隨壓力及溫度變化，則稱為可壓縮流體。則稱為可壓縮流體。流體的壓縮性流體的壓縮性一、流體的物理性質(zhì)與作用力作用力u質(zhì)量力：萬有引力、達(dá)朗貝爾力u表面力：壓力、剪力1、單位體積流體的質(zhì)量，稱為流體的密度。Vmkg/m3 2、單組分密度),(Tpf 液體液體 密度僅隨溫度變化（極高壓力除外），其變 化關(guān)系可從手冊中查得。（一）質(zhì)量力和密度、比體積3、 氣體氣體 當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時，可按理想 氣體狀態(tài)方程

4、計算： RTpM注意：注意：手冊中查得的氣體密度都是在一定壓力與溫度 下之值，若條件不同，則密度需進(jìn)行換算。4、混合物的密度、混合物的密度 混合氣體混合氣體 各組分在混合前后質(zhì)量不變，則有 nnm2211氣體混合物中各組分的體積分率。 n21,或RTpMmmmM混合氣體的平均摩爾質(zhì)量 nnmyMyMyMM2211nyyy21,氣體混合物中各組分的摩爾(體積)分率。 混合液體混合液體 假設(shè)各組分在混合前后體積不變，則有 nnmaaa22111naaa21,液體混合物中各組分的質(zhì)量分率。 5、比容比容單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。1mVvm3/kg （二） 壓力與靜壓強(qiáng)壓力與靜壓強(qiáng) 流體垂

5、直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，習(xí)慣上又稱為壓力。壓力。 1、壓力的特性、壓力的特性 流體壓力與作用面垂直，并指向該作用面； 任意界面兩側(cè)所受壓力，大小相等、方向相反； 作用于任意點不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同。2、壓力的單位壓力的單位壓力的單位壓力的單位: v 帕斯卡帕斯卡, Pa, N/m2 (法定單法定單位位); v 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓, atm; v 某流體在柱高度某流體在柱高度; v bar（巴）或（巴）或kgf/cm2等。等。 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)=101300Pa =10330kgf/m2 =1.033kgf/cm2(bar, 巴巴) =10.33mH2

6、O =760mmHg換算關(guān)系換算關(guān)系：注意注意：用液柱高度表示壓力時，必須指明流體的種類，如600mmHg，10mH2O等。 3、 壓力的表示方法壓力的表示方法 p絕對壓力絕對壓力（absolute pressure） ：以絕對真空：以絕對真空(即零大氣壓即零大氣壓)為基準(zhǔn)。為基準(zhǔn)。p表壓表壓(gauge pressure)：以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)。它與絕對壓以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)。它與絕對壓力的關(guān)系，可用下式表示：力的關(guān)系，可用下式表示： 表壓絕對壓力大氣壓力表壓絕對壓力大氣壓力 p真空度真空度（vacuum）：當(dāng)被測流體的絕對壓力小于大氣壓時，）：當(dāng)被測流體的絕對壓力小于大氣壓時，其低于大氣壓的數(shù)

7、值，即：其低于大氣壓的數(shù)值，即： 真空度大氣壓力絕對壓力真空度大氣壓力絕對壓力 注意注意：此處的大氣壓力均應(yīng)指當(dāng)?shù)卮髿鈮?。在本章中如不加說：此處的大氣壓力均應(yīng)指當(dāng)?shù)卮髿鈮骸Ｔ诒菊轮腥绮患诱f明時均可按標(biāo)準(zhǔn)大氣壓計算。明時均可按標(biāo)準(zhǔn)大氣壓計算。表 壓 = 絕對壓力 大氣壓力真空度 = 大氣壓力 絕對壓力絕對壓力絕對壓力 絕對壓力絕對壓力 絕對真空絕對真空 表壓表壓 真空度真空度 1p2p大氣壓大氣壓 二、二、 流體靜力學(xué)平衡方程流體靜力學(xué)平衡方程 （一）、靜力學(xué)基本方程（一）、靜力學(xué)基本方程 重力場中對液柱進(jìn)行受力分析：ApP11（1）上端面所受總壓力 ApP22（2）下端面所受總壓力 （3）液柱

8、的重力)(21zzgAG設(shè)流體不可壓縮，.Constp0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下液柱處于靜止時，上述三項力的合力為零:0)(2112zzgAApAp)(2112zzgppgzpgzp2211靜力學(xué)基本方程靜力學(xué)基本方程 壓力形式能量形式討論：討論：（1）適用于重力場中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性 流體；（2）物理意義：物理意義：zg單位質(zhì)量流體所具有的位能，J/kg；p單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，J/kg。 在同一靜止流體中，處在不同位置流體的位能和靜壓能各不相同，但二者可以轉(zhuǎn)換，其總和保持不變 。（3）在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，處于同一水平面上各點的壓力處處相等。壓力相等的

9、面稱為等壓面等壓面。（4）壓力具有傳遞性壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時，液體內(nèi)部各點的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。 （二）、（二）、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用 1. 壓力及壓力差的測量壓力及壓力差的測量 （1）U形壓差計形壓差計 設(shè)指示液的密度為 ，被測流體的密度為 。 0A與A面 為等壓面，即AApp)(1RmgppAgRgmppA02而p1p2mRAA所以gRgmpRmgp021)(整理得gRpp)(021若被測流體是氣體， ，則有0021Rgpp討論：討論：（1）U形壓差計可測系統(tǒng)內(nèi)兩點的壓力差，當(dāng)將U形管一端與被測點連接、另一端與大氣相通時，也可測得流體的表壓或真空度；

10、表壓真空度p1pap1pa（2）指示液的選?。?指示液與被測流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 其密度要大于被測流體密度。 應(yīng)根據(jù)被測流體的種類及壓差的大小選擇指示液。 思考：思考：若U形壓差計安裝在傾斜管路中，此時讀數(shù) R反映了什么？gzzgRpp)()(12021p1p2z2RAAz1（2）雙液體雙液體U管壓差計管壓差計 擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10 。)(CA 密度接近但不互溶的兩種指示 液A和C ；適用于壓差較小的場合。)(21CARgpp（3） 倒倒U形壓差計形壓差計 RgRgpp)(021 指示劑密度小于被測流體密度，如空氣作為指示劑 （5） 復(fù)式壓差計復(fù)式壓差計 （4） 傾斜式傾

11、斜式壓差計壓差計 適用于壓差較小的情況。適用于壓差較大的情況。例例1-1 如附圖所示，水在水平管道內(nèi)流動。為測量流體在某截面處的壓力，直接在該處連接一U形壓差計， 指示液為水銀，讀數(shù) R250mm，h900mm。已知當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3kPa，水的密度1000kg/m3，水銀的密度13600kg/m3。試計算該截面處的壓力。 第二節(jié) 流休在管內(nèi)流動時的能量衡算 1. 體積流量體積流量 單位時間內(nèi)通過流道橫截面的流體體積。 m3/s或m3/h2.2.質(zhì)量流量質(zhì)量流量 單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量。 kg/s或kg/h。 一、流量與流速一、流量與流速tvqvvmqq4. 4. 質(zhì)量流速質(zhì)

12、量流速 單位時間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。3.3.流速流速 （平均平均流速）流速）單位時間內(nèi)流體質(zhì)點在流動方向上所流經(jīng)的距離。 Auvqkg/（m2s）uqquvmGAAm/s（二） 穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量僅隨位置變化，而不隨時間變化； 不穩(wěn)定流動不穩(wěn)定流動：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時間變化。),(,zyxfupT),(,zyxfupT（三）（三） 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的質(zhì)量守恒穩(wěn)定流動系統(tǒng)的質(zhì)量守恒連續(xù)性方程連續(xù)性方程 對于定態(tài)流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失的情況下： 21ssmm222111AuA

13、u推廣至任意截面 常數(shù)uAAuAums222111連續(xù)性方程連續(xù)性方程11 2 2常數(shù)uAAuAuVs2211不可壓縮性流體，.Const圓形管道 ：2121221ddAAuu 即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比 。例例1-31-3 如附圖所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和兩段573.5mm的分支管3a及3b連接而成。若水以9103m/s的體積流量流動，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。 3a123b二、穩(wěn)定二、穩(wěn)定流動熱力體系的總能量方程式流動熱力體系的總能量方程式 （ 一）、穩(wěn)定一）、穩(wěn)定流動熱力體系的概念流動熱力體系的概念（

14、二）、穩(wěn)定流動體系的能量平衡（二）、穩(wěn)定流動體系的能量平衡qeWep2,u2,2p1,u1,1221100z2z1（1）內(nèi)能 貯存于物質(zhì)內(nèi)部的能量。 1kg流體具有的內(nèi)能為U（J/kg）。衡算范圍：1-1、2-2截面以及管內(nèi)壁所圍成 的空間衡算基準(zhǔn)：1kg流體基準(zhǔn)面：0-0水平面（2）位能 流體受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流體所具有的位能為zg（J/kg）。 （3）動能 1kg的流體所具有的動能為 (J/kg) 221u（4）靜壓能 靜壓能= pVAVpAFl1kg的流體所具有的靜壓能為 pmpV(J/kg)（5）熱 設(shè)換熱器向1kg流體提供的熱量為 (J/kg)。 eqlAV

15、（6）外功(有效功) 1kg流體從流體輸送機(jī)械所獲得的能量為We (J/kg)。2222221121112121pugzUqWpugzUeepuzgUqWee221以上能量形式可分為兩類： 機(jī)械能：位能、動能、靜壓能及外功，可用于輸 送流體； 內(nèi)能與熱：不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔土黧w的能量。2實際流體的機(jī)械能衡算實際流體的機(jī)械能衡算 假設(shè) 流體不可壓縮， 則 流動系統(tǒng)無熱交換，則 流體溫度不變， 則 21 0eq21UU (1) 以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn) 設(shè)1kg流體損失的能量為Wf（J/kg），有： feWpugzWpugz222212112121(1)式中各項單位為J/kg。并且實際流體流動時有能量損

16、失。（2）以單位重量流體為基準(zhǔn) 將(1)式各項同除重力加速度g :gWgpugzgWgpugzfe222212112121令 gWHeegWhff則 fehgpugzHgpugz222212112121（2）式中各項單位為mNJkgNkgJ/z 位壓頭gu22動壓頭He外加壓頭或有效壓頭。gp靜壓頭總壓頭hf壓頭損失（3）以單位體積流體為基準(zhǔn) 將(1)式各項同乘以 :feWpugzWpugz222212112121式中各項單位為PamJmkgkgJ33（3）feppugzWpugz222212112121fp壓力損失3理想流體的機(jī)械能衡算理想流體的機(jī)械能衡算 理想流體是指流動中沒有摩擦阻力的流

17、體。 gpugzgpugz222212112121222212112121pugzpugz（4）（5）柏努利方程式柏努利方程式 4. 4. 柏努利方程的討論柏努利方程的討論 （1）若流體處于靜止，u=0，Wf=0，We=0，則柏努利方程變?yōu)?說明柏努利方程即表示流體的運動規(guī)律，也表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律 。2211pgzpgz（2）理想流體在流動過程中任意截面上總機(jī)械能、總壓頭為常數(shù)，即.212Constpuzg.212Constgpugzgu 221gu 222gp1gp2Hz2210 We、Wf 在兩截面間單位質(zhì)量流體獲得或消耗的能量。（3）zg、 、 某截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動能

18、和靜壓能 ；p221u有效功率 ：eseWmN 軸功率 ：eNN （4）柏努利方程式適用于不可壓縮性流體。 對于可壓縮性流體，當(dāng) 時，仍可用該方程計算，但式中的密度應(yīng)以兩截面的平均密度m代替。%20121 ppp4柏努利方程的應(yīng)用柏努利方程的應(yīng)用 管內(nèi)流體的流量； 輸送設(shè)備的功率； 管路中流體的壓力； 容器間的相對位置等。利用柏努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：（1）根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流動方向，定出上、下游截面，明確流動系統(tǒng)的衡算范圍 ；（2）位能基準(zhǔn)面的選取 必須與地面平行； 宜于選取兩截面中位置較低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面應(yīng)選過管中心線的水平

19、面。 （4）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示方法也應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。 （3）截面的選取 與流體的流動方向相垂直； 兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動； 截面宜選在已知量多、計算方便處。 例例1-4 如附圖所示，從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液hpa管為452.5mm的鋼管，要求送液量為3.6m3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為1.2m（不包括出口能量損失），試問高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？ 例例1-5 在453mm的管路上裝一文丘里管，文丘里管的上游接一壓力表，其讀數(shù)為5kPa，壓力表軸心與管中心的垂直距離為0.3m，管內(nèi)水的流速為1.5m/s

20、，文丘里管的喉徑為10mm。文丘里喉部接一內(nèi)徑為15mm的玻璃管，玻璃管的下端插入水池中，池內(nèi)水面到管中心的垂直距離為3m。若將水視為理想流體，試判斷池中水能否被吸入管中。若能吸入，再求每小時吸入的水量為多少m3/h。3.0m1120.3m200u3a4a 例例1-6 某化工廠用泵將敞口堿液池中的堿液（密度為1100kg/m3）輸送至吸收塔頂，經(jīng)噴嘴噴出，如附圖所示。泵的入口管為1084mm的鋼管，管中的流速為1.2m/s，出口管為763mm的鋼管。貯液池中堿液的深度為1.5m，池底至塔頂噴嘴入口處的垂直距離為20m。堿液流經(jīng)所有管路的能量損失為30.8J/kg（不包括噴嘴），在噴嘴入口處的壓

21、力為29.4kPa（表壓）。設(shè)泵的效率為60%，試求泵所需的功率。 1.2 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動 5.柏努利方程的柏努利方程的應(yīng)用應(yīng)用確定管道中流體的流量確定管道中流體的流量例例1-10確定設(shè)備間的相互位置確定設(shè)備間的相互位置例例1-11確定輸送設(shè)備的功率確定輸送設(shè)備的功率例例1-12確定管路中流體的壓強(qiáng)確定管路中流體的壓強(qiáng)例例1-1320m1.5m第三節(jié)第三節(jié) 流體流動現(xiàn)象流體流動現(xiàn)象一、牛頓粘性定律一、牛頓粘性定律二、流動類型二、流動類型三、流體在圓管內(nèi)的速度分布三、流體在圓管內(nèi)的速度分布四、層流內(nèi)層四、層流內(nèi)層u 流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)

22、，稱為粘性粘性。 流體粘性越大，其流動性就越小。從桶底把一桶流體粘性越大，其流動性就越小。從桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，這是因為甘油流甘油放完要比把一桶水放完慢得多，這是因為甘油流動時內(nèi)摩擦力比水大的緣故。動時內(nèi)摩擦力比水大的緣故。 一、牛頓粘性定律一、牛頓粘性定律 運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間由于分子運動運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間由于分子運動而而產(chǎn)生的相互作用力，稱為流體的產(chǎn)生的相互作用力，稱為流體的內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力或或粘滯力粘滯力。流體運流體運動時內(nèi)摩擦力的大小，體現(xiàn)了流體粘性的大小。動時內(nèi)摩擦力的大小，體現(xiàn)了流體粘性的大小。 設(shè)有上下兩塊平行放置而相距很近的平板，兩板

23、間充滿著設(shè)有上下兩塊平行放置而相距很近的平板，兩板間充滿著靜止的液體，如圖靜止的液體，如圖所示。所示。xu=0yu 實驗證明，實驗證明，兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（或稱為剪應(yīng)力）力（或稱為剪應(yīng)力）與垂直于流動方向的速與垂直于流動方向的速度梯度成正比。度梯度成正比。 yxuu=0uy u/u/ y y表示速度沿法線方向表示速度沿法線方向上的變化率或速度梯度。上的變化率或速度梯度。 式中式中為比例系數(shù)，稱為為比例系數(shù)，稱為粘性系數(shù)粘性系數(shù)，或，或動力粘度動力粘度（viscosity），簡稱），簡稱粘度粘度。上式所表示的關(guān)系，稱為上式所表示的關(guān)系，稱為牛頓粘性定律

24、牛頓粘性定律。 yu（1-33）粘性是流體的基本物理特性之一。任何流體都有粘性，粘性是流體的基本物理特性之一。任何流體都有粘性，粘性只有在流體運動時才會表現(xiàn)出來粘性只有在流體運動時才會表現(xiàn)出來。 u與與y也可能時如右圖的關(guān)系，也可能時如右圖的關(guān)系，則牛頓粘性定律可寫成：則牛頓粘性定律可寫成： 粘度的單位為粘度的單位為Pas 。常用流體的粘度可查表。常用流體的粘度可查表。dyduoxy 上式中上式中du/dydu/dy為速度梯度為速度梯度dydu（1-33）粘度的單位為粘度的單位為: sPamsNmNmsmdydu2/2/ 從手冊中查得的粘度數(shù)據(jù)，其單位常用從手冊中查得的粘度數(shù)據(jù)，其單位常用CG

25、S制單位。在制單位。在CGS單位制中，粘度單位為單位制中，粘度單位為 2/2/cmsdyncmdyncmscmdydu 此單位用符號此單位用符號P P表示，稱為泊。表示，稱為泊。 cPPsPa1000101Ns/m2（或（或Pas）、）、P、 cP與的換算關(guān)系為與的換算關(guān)系為 運動粘度運動粘度：流體粘度流體粘度與密度與密度之比稱為運動粘度，之比稱為運動粘度，用符號用符號表示表示 / (1-34) 其單位為其單位為m m2 2/s/s。而。而CGSCGS單位制中，其單位為單位制中，其單位為cmcm2 2/s/s，稱為斯托，稱為斯托克斯，用符號克斯，用符號StSt表示。表示。 各種液體和氣體的粘度

26、數(shù)據(jù)，均由實驗測定?？稍谟嘘P(guān)手各種液體和氣體的粘度數(shù)據(jù)，均由實驗測定。可在有關(guān)手冊中查取某些常用液體和氣體粘度的圖表。冊中查取某些常用液體和氣體粘度的圖表。 溫度對液體粘度的影響很大，當(dāng)溫度升高時，液體的粘度溫度對液體粘度的影響很大，當(dāng)溫度升高時，液體的粘度減小，而氣體的粘度增大。壓力對液體粘度的影響很小，可忽減小，而氣體的粘度增大。壓力對液體粘度的影響很小，可忽略不計，而氣體的粘度，除非在極高或極低的壓力下，可以認(rèn)略不計，而氣體的粘度，除非在極高或極低的壓力下，可以認(rèn)為與壓力無關(guān)。為與壓力無關(guān)。 (一)、雷諾實驗二、流動的形態(tài)二、流動的形態(tài) 層流層流（或滯流滯流）：流體質(zhì)點僅沿著與管軸平行的

27、方向作直線運動，質(zhì)點無徑向脈動，質(zhì)點之間互不混合； 湍流湍流（或紊流紊流） ：流體質(zhì)點除了沿管軸方向向前流動外，還有徑向脈動，各質(zhì)點的速度在大小和方向上都隨時變化，質(zhì)點互相碰撞和混合。（二）、流型判據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù) udRe無因次數(shù)群1. 判斷流型判斷流型Re2000時，流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re4000時，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000 Re 4000 時，流動可能是層流，也可能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。2.物理意義物理意義 Re反映了流體流動中慣性力與粘性力的對比關(guān)系，標(biāo)志著流體流動的湍動程度。 三、三、 流體流動邊界層流體流動邊界層（一）邊界層的形成與發(fā)展（一）邊界層的形成

28、與發(fā)展 流動邊界層：存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域， 即流速降為主體流速的99以內(nèi)的區(qū)域。 邊界層厚度：邊界層外緣與壁面間的垂直距離。流體在平板上流動時的邊界層：流體在平板上流動時的邊界層： 邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮粘度的影響，剪應(yīng)力不可忽略。 主流區(qū)（邊界層外）主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應(yīng)力可以忽略，可視為理想流體 。邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層：在平板的前段，邊界層內(nèi)的流型為層流。湍流邊界層：離平板前沿一段距離后，邊界層內(nèi)的流型轉(zhuǎn)為湍流。 流體在圓管內(nèi)流動時的邊界層流體在圓管內(nèi)流動時的邊界層 充分發(fā)展的邊界層厚度

29、為圓管的半徑； 進(jìn)口段內(nèi)有邊界層內(nèi)外之分 。 也分為層流邊界層與湍流邊界層。進(jìn)口段長度：層流：湍流：Re05. 00dx50400dx湍流流動時： 湍流主體湍流主體：速度脈動較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動而大大強(qiáng)化； 過渡層過渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)； 層流內(nèi)層層流內(nèi)層：速度脈動較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運動。層流內(nèi)層為傳遞過程的主要阻力層流內(nèi)層為傳遞過程的主要阻力Re越大，湍動程度越高，層流內(nèi)層厚度越薄。2. 邊界層的分離ABS A C：流道截面積逐漸減小，流速逐漸增加，壓力逐漸減?。槈禾荻龋?；C S：流道截面積逐漸增加，流速逐漸減小，壓力逐漸增加（逆壓梯度

30、）；S點：物體表面的流體質(zhì)點在逆壓梯度和粘性剪應(yīng)力的作用下，速度降為0。SS以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流回來，形成渦流，出現(xiàn)邊界層分離。邊界層分離的后果：邊界層分離的后果： 產(chǎn)生大量旋渦； 造成較大的能量損失。邊界層分離的必要條件：邊界層分離的必要條件： 流體具有粘性； 流動過程中存在逆壓梯度。第四節(jié)第四節(jié) 管內(nèi)流動管內(nèi)流動阻力和速度分布阻力和速度分布直管阻力直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時由于內(nèi)摩擦而 產(chǎn)生的阻力；局部阻力局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速 大小及方向的改變而引起的阻力。 一、一、 直管阻力直管阻力1 1、阻力的表現(xiàn)形式、阻力的表現(xiàn)形式 流體在水平等徑直管

31、中作定態(tài)流動。fpugzpugzL21212222121121uu 21zz 21Lppf若管道為傾斜管，則 )()(L2211gzpgzpf 流體的流動阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少； 水平安裝時，流動阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。 2、直管阻力的通式直管阻力的通式 由于壓力差而產(chǎn)生的推動力：4221dpp流體的摩擦力：LwdAFL4)(w221ddppdfL4L 2L8L22wuduf令 2w8u定態(tài)流動時直管阻力通式（范寧Fanning公式） 摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)） 則 2LL2udfJ/kg壓頭損失gudhf2L2m壓力損失2L2udpfPa 該公式層流與湍流均適用； 注意 與 的區(qū)別。pfp

32、（一）層流時的速度分布（一）層流時的速度分布 速度分布：流體在圓管內(nèi)流動時,管截面上 質(zhì)點的速度隨半徑的變化關(guān)系。 層流時的速度分布層流時的速度分布 由壓力差產(chǎn)生的推力 221)(rpp流體層間內(nèi)摩擦力 drudrdrudAF.)L2(drudrrpp.221)L2()(rlppdrud2)(21.)(L4)(2221.rRppu管壁處rR時，0，可得速度分布方程 .u管中心流速為最大，即r0時， umax .u221maxL4)(Rppu2max.1Rruu管截面上的平均速度 :max.uRrdruAVuRS21220即層流流動時的平均速度為管中心最大速度的1/2。 即流體在圓形直管內(nèi)層流流

33、動時，其速度呈拋物線分布。（二）（二）層流時的摩擦系數(shù)層流時的摩擦系數(shù) max21uu 221maxL4)(Rppu速度分布方程2dR 221fL32)(pdupp2L32dupf又哈根哈根-泊稷葉泊稷葉 （Hagen-Poiseuille）方程方程 2f32pLdluf能量損失 層流時阻力與速度的一次方成正比 。2Re6426432L222udludluddlufRe64變形：比較得（三）湍流時的速度分布（三）湍流時的速度分布 剪應(yīng)力 ：dyude.)(e為湍流粘度，與流體的流動狀況有關(guān)。 n1max.1Rruu湍流速度分布的經(jīng)驗式：7102 . 3Re7,102 . 3Re101 . 16

34、,101 . 1Re10466554nnnn與Re有關(guān)，取值如下： 1/7次方定律71n當(dāng) 時，流體的平均速度 :max.uAVuS820光滑管：玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等；粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。絕對粗糙度絕對粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。相對粗糙度相對粗糙度 ： 絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值。d 層流流動時： 流速較慢，與管壁無碰撞，阻力與 無關(guān)，只與Re有關(guān)。d（四）湍流時的摩擦系數(shù)（四）湍流時的摩擦系數(shù) 湍流流動時： 水力光滑管只與Re有關(guān)，與 無關(guān)。d 完全湍流粗糙管只與 有關(guān)，與Re無關(guān)。dd五、莫狄（Moody）摩擦因數(shù)圖：完全湍流、粗糙管（1）層流區(qū)（Re 2000） 與

35、 無關(guān)，與Re為直線關(guān)系，即 ,即 與u的一次方成正比。dRe64ufLfL（2）過渡區(qū)（2000Re4000) 將湍流時的曲線延伸查取值 。（3）湍流區(qū)（Re4000以及虛線以下的區(qū)域） )(Re,df（4）完全湍流區(qū) （虛線以上的區(qū)域） 與Re無關(guān)，只與 有關(guān) 。d該區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。2Lufd一定時，經(jīng)驗公式 ：（1）柏拉修斯（Blasius）式：25. 0Re3164. 0適用光滑管Re5103105（2）考萊布魯克（Colebrook）式Re7 .182log274. 11d 例例1-7 分別計算下列情況下，流體流過763mm、長10m的水平鋼管的能量損失、壓頭損失及壓力損失。（1

36、）密度為910kg/m3、粘度為72cP的油品，流速為1.1m/s；（2）20的水，流速為2.2 m/s。（六）（六） 非圓形管內(nèi)的流動阻力非圓形管內(nèi)的流動阻力 當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑： Ade44潤濕周邊流通截面積 套管環(huán)隙，內(nèi)管的外徑為R，外管的內(nèi)徑為rr-R2rR2rR422ed 邊長分別為a、b的矩形管 :baabbaabde2)(24二、二、 局部阻力局部阻力 ( (一一) )阻力系數(shù)法阻力系數(shù)法 將局部阻力表示為動能的某一倍數(shù)。 2L2uf或 guhf22局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù) J/kgJ/N=m小管中的大速度121221u2L10)1 (uAAf1. 突然擴(kuò)大小管中的大速度222f2

37、022L5 . 00) 1(uuAA2.突然縮小3. 管進(jìn)口及出口進(jìn)口：流體自容器進(jìn)入管內(nèi)。 進(jìn)口進(jìn)口 = 0.5 進(jìn)口阻力系數(shù)進(jìn)口阻力系數(shù)出口：流體自管子進(jìn)入容器或從管子排放到管外 空間。 出口出口 = 1 出口阻力系數(shù)出口阻力系數(shù)4 . 管件與閥門蝶閥蝶閥2LL2udef(二二)當(dāng)量長度法當(dāng)量長度法 將流體流過管件或閥門的局部阻力，折合成直徑相同、長度為Le的直管所產(chǎn)生的阻力 。Le 管件或閥門的當(dāng)量長度，m?？傋枇Γ?LLLLL2fffudef減少流動阻力的途徑： 管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎； 盡量不安裝不必要的管件和閥門等； 管徑適當(dāng)大些。常見阻力系數(shù) 名名 稱稱 阻力系數(shù)阻力系

38、數(shù) 當(dāng)量長度與管徑當(dāng)量長度與管徑之比之比 le led d 名名 稱稱 阻力系數(shù)阻力系數(shù) 當(dāng)量長度與管當(dāng)量長度與管徑之比徑之比 le led d 彎頭，彎頭，4545 彎頭，彎頭，9090 三通三通 回彎頭回彎頭 管接頭管接頭 活接頭活接頭 止逆閥止逆閥 球式球式 搖板式搖板式 O.35O.35 O.75O.75 1 1 1.51.5 0.040.04 0.040.04 7070 2 2 1717 3535 5050 7575 2 2 2 2 35003500 100100 閘閥閘閥 全開全開 半開半開 截止閥截止閥 全開全開 半開半開 角閥， 全開角閥， 全開 水表， 盤式水表， 盤式 O.

39、17O.17 4.54.5 6.06.0 9.59.5 2 2 7 7 9 9 225 225 300 300 475 475 100 100 350 350 例例1-8 如圖所示，料液由常壓高位槽流入精餾塔中。進(jìn)料處塔中的壓力為0.2at（表壓），送液管道為452.5mm、長8m的鋼管。管路中裝有180回彎頭一個，全開標(biāo)準(zhǔn)截止閥一個，90標(biāo)準(zhǔn)彎頭一個。塔的進(jìn)料量要維持在5m3/h，試計算高位槽中的液面要高出塔的進(jìn)料口多少米？hpa1.5.1 簡單管路簡單管路 一、特點一、特點 （1）流體通過各管段的質(zhì)量流量不變，對于不可壓縮流體，則體積流量也不變。 (2) 整個管路的總能量損失等于各段能量損失之和 。321ffffWWWWVs1,d1Vs3,d3Vs2,d2321SSSVVV不可壓縮流體321SSSmmm二、管路計算二、管路計算基本方程：連續(xù)性方程：udVs24柏努利方程：2)(22211udlgzpWgzpe阻力計算（摩擦系數(shù)）：dud, 物性、一定時，需給定獨立的9個參數(shù)，方可求解其它3個未知量。（1）設(shè)計型計算 設(shè)計要求：規(guī)定輸液量Vs，確定