第三講 牛頓粘性定律與雷諾實(shí)驗(yàn)及管路阻力計(jì)算

1、2022-4-152022-4-15氣液吸收過(guò)程吸收液貯液槽輸液泵貯氣罐吸收塔來(lái)源氣fehgpguzHgugpz2222211122阻力損失怎么計(jì)算？2022-4-152022-4-151.4 流體的粘性和牛頓粘性定律流體的粘性和牛頓粘性定律（1 1）牛頓粘性定律）牛頓粘性定律 在兩塊面積相等的大平板之間，充滿著靜止的流體，假如讓上在兩塊面積相等的大平板之間，充滿著靜止的流體，假如讓上面平板以恒定速率向面平板以恒定速率向x方向運(yùn)動(dòng)。方向運(yùn)動(dòng)。 緊貼于運(yùn)動(dòng)平板下方的一薄層流體也以同一速度運(yùn)動(dòng)，靠近運(yùn)緊貼于運(yùn)動(dòng)平板下方的一薄層流體也以同一速度運(yùn)動(dòng)，靠近運(yùn)動(dòng)平板的液體比遠(yuǎn)離平板的液體具有較大速度，離

2、平板越遠(yuǎn)的薄層，動(dòng)平板的液體比遠(yuǎn)離平板的液體具有較大速度，離平板越遠(yuǎn)的薄層，速度越小，直到固定平板處，速度為零。速度越小，直到固定平板處，速度為零。2022-4-15dydu牛頓粘性定律：牛頓粘性定律：實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：YuAF 剪應(yīng)力始終與流體流動(dòng)方向相反，單位面積上剪切力稱為剪應(yīng)力，剪應(yīng)力的大小與速度梯度成正比。uF0 xu=0yYdudy 平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度 運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間存在相互作用力。該作用力稱為粘滯力，剪切力或者內(nèi)摩擦力。 2022-4-15 粘度只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來(lái)，總是與速度梯度相聯(lián)系，促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。 （2)粘度與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系粘度

3、與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系 （a） 液體的粘度隨溫度升高而減小，壓強(qiáng)變化時(shí)，液體的粘度基本不變。 （b）氣體的粘度隨溫度升高而增大，隨壓強(qiáng)增加而增加的很少。（2 2） 流體的粘度流體的粘度物理意義物理意義dydu 動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度2022-4-15 dydu/msmmN)/(/22mSN SPa 在物理單位制中， dydu/cmscmcmdyn2/2.cmsdynscmg.泊）(P（動(dòng)力）粘度單位2022-4-15（動(dòng)力）粘度單位 SI單位制 ： Pa s ( N s /m2) 物理單位制 ： P(泊), 達(dá)因秒/厘米2 cP(厘泊) 換算關(guān)系：1 Pas=10P =1000cP=

4、1000 mPas=106Pas單位：1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s運(yùn)動(dòng)粘度(為對(duì)比認(rèn)識(shí)動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞、熱量傳遞的規(guī)律)m2/s2022-4-15(5) 混合物的粘度混合物的粘度 按一定混合規(guī)則進(jìn)行加和 對(duì)于分子不聚合的混合液混合液可用下式計(jì)算iimxloglog常壓下氣體混合物氣體混合物的粘度，可用下式計(jì)算5 . 05 . 0MyMyiiim （4） 數(shù)據(jù)來(lái)源數(shù)據(jù)來(lái)源 各種流體的粘度數(shù)據(jù)，主要由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。在缺少粘度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可按理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式估算粘度。對(duì)于壓力不太高的氣體，估算結(jié)果較準(zhǔn)，對(duì)于液體則較差。2022-4-15dydudydua（6）流體

5、類型）流體類型牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體。 氣體及大多數(shù)低分子量液體是牛頓型流體。 非牛頓型流體a表觀粘度，非純物性, 是剪應(yīng)力的函數(shù)。2022-4-15 假塑性流體：假塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而減小。 幾乎所有高分子溶液或溶體屬于假塑性流體。 脹塑性流體：脹塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸鹽等懸浮液屬于脹塑性流體。 粘塑性流體：粘塑性流體：當(dāng)應(yīng)力低于0 時(shí)，不流動(dòng)；當(dāng)應(yīng)力高于0時(shí)，流動(dòng)與牛頓型流體一樣。 0 稱為屈服應(yīng)力。 如紙漿、牙膏、污水泥漿等。 觸變性流體：觸變性流體：表觀粘度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，如油漆等。 粘彈性流體：粘彈性流體：既有粘性，又有

6、彈性。當(dāng)從大容器口擠出時(shí)，擠出物會(huì)自動(dòng)脹大。 如塑料和纖維生產(chǎn)中都存在這種現(xiàn)象。2022-4-150du/d y粘塑料流體假塑料流體脹塑料流體CBADA -牛頓流體；B -假塑性流體；C -賓漢塑性流體；D -脹塑性流體；牛頓流體與非牛頓流體剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系2022-4-151.4.2 流體流動(dòng)的類型流體流動(dòng)的類型-層流及湍流層流及湍流（1）雷諾實(shí)驗(yàn)）雷諾實(shí)驗(yàn) 1883年, 英國(guó)物理學(xué)家Osbone Reynolds作了如下實(shí)驗(yàn)。DBAC墨水流線玻璃管雷諾實(shí)驗(yàn)2022-4-15（2）雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：層流、湍流。層流、湍流。用紅墨水觀察管中水的流動(dòng)狀態(tài)(a)

7、層流(b)過(guò)渡流(c)湍流2022-4-15湍流：湍流： 主體做軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有徑向脈動(dòng)； 特征：流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng) 。 層流：層流： * 流體質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)； * 流體分層流動(dòng)，層間不相混合、不碰撞； * 流動(dòng)阻力來(lái)源于層間粘性摩擦力。 過(guò)渡流過(guò)渡流： 不是獨(dú)立流型（層流+湍流）， 流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變）。 2022-4-152、雷諾數(shù)、雷諾數(shù)ReduRe雷諾數(shù)的因次 ：duRe 23/././msNmkgsmm000skgmRe是一個(gè)沒(méi)有單位，沒(méi)有因次的純數(shù) 。在計(jì)算Re時(shí)，一定要注意各個(gè)物理量的單位必須統(tǒng)一。雷諾準(zhǔn)數(shù)可以判斷流型 雷諾數(shù)反映流體流動(dòng)中慣性力與粘性力對(duì)比關(guān)系，標(biāo)志

8、著流體流動(dòng)時(shí)湍動(dòng)程度。2022-4-15流體在圓形直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)： 時(shí)，當(dāng)2000Re 流體的流動(dòng)類型屬于層流 ；?4000Re 流體的流動(dòng)類型屬于湍流； 時(shí)，4000Re2000 可能是滯流，也可能是湍流，與外界條件有關(guān)。過(guò)渡區(qū)2022-4-15當(dāng)流體在圓形直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)， 幾種流型可能同時(shí)存時(shí)，例如：當(dāng)湍流時(shí)，靠近管內(nèi)壁面流體由于粘性作用，速度很小，處理層流狀態(tài)，管中心的流速最大，處理湍流狀態(tài)。2022-4-152022-4-15層流和湍流的牛頓粘性定律層流和湍流的牛頓粘性定律dydu 層流時(shí)，兩相鄰流體層間的剪應(yīng)力是由分子熱運(yùn)動(dòng)層流時(shí)，兩相鄰流體層間的剪應(yīng)力是由分子熱運(yùn)動(dòng)或分子間吸引力引起的

9、。湍流中兩相鄰流體間的剪應(yīng)力或分子間吸引力引起的。湍流中兩相鄰流體間的剪應(yīng)力，還有質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)所引起的剪應(yīng)力。，還有質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)所引起的剪應(yīng)力。dyduet 湍流粘度湍流粘度e表示脈動(dòng)的強(qiáng)弱，取決于管內(nèi)雷諾數(shù)及離壁表示脈動(dòng)的強(qiáng)弱，取決于管內(nèi)雷諾數(shù)及離壁的距離，其值難以測(cè)定。的距離，其值難以測(cè)定。2022-4-152022-4-152022-4-152022-4-152022-4-152022-4-152022-4-152022-4-152022-4-152022-4-15FICP1P211222022-4-152022-4-152022-4-15 壁粗糙面凸出部分平均高度，以壁粗糙面凸出部分平均高度，

10、以表示。表示。 絕對(duì)粗糙度絕對(duì)粗糙度與管徑與管徑d之比值之比值/d。2022-4-15fhgugpzgugpz2222222111gpphf212022-4-151p2plrlrrpp2212)(drdudrdue)(2022-4-152022-4-15rurlrppdd221 2)(232dlup00uRruur,max2022-4-15232dlup 322gdlugphf 2642gudlduhf)/(Re64 22 gudlhf2022-4-15uldfhf,2022-4-15uldfhf,2022-4-15fedcbauldkPuldfhf, 12 LMp 3 ML 1 Lu Ld

11、Ll L 11 LM 111321fedcbaLLLLMLMLkML)()()(fbfedcbabaLMML3212022-4-15babfebdc1 2 ;fbfedcbabaLMML321ba1fedcba31fb22022-4-15fedcbauldkPbedebdbbuldkp21edbddldukup 2EuRe2022-4-15edbddldukup 225031640.Re.3205000560.Re.2022-4-15)Re/.lg(.lgdd35912141210050.Re/d14121.lgd0050.Re/d2022-4-15gudlgudldKgphf2 2222)(

12、)()(Re, )/Re,( , )(Re2ddKfe 即即比較：比較：數(shù)數(shù)坐坐標(biāo)標(biāo)紙紙上上。的的關(guān)關(guān)系系曲曲線線標(biāo)標(biāo)繪繪在在雙雙對(duì)對(duì)，對(duì)對(duì)了了計(jì)計(jì)算算方方便便，可可將將關(guān)關(guān)系系，由由實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)確確定定，為為dd/Re/Re, )(gudldkgpeb222 Regudldkhebf222 Re2022-4-152022-4-15)(444H水水力力半半徑徑流流體體流流過(guò)過(guò)的的潤(rùn)潤(rùn)濕濕周周邊邊流流體體流流過(guò)過(guò)截截面面積積rcAde2121222144 ddddddde)(管管環(huán)環(huán)隙隙：baabbaabde224 )(矩矩形形管管：2022-4-152022-4-152022-4-15guhf22

13、gudlhef222022-4-15名稱阻力系數(shù)le/d名稱阻力系數(shù)le/d彎頭，450.3517標(biāo)準(zhǔn)閥彎頭，450.7535全開6.0300彎頭，451.575半開9.5475管接頭0.042單向閥（止逆閥）活管接頭0.042搖板式2.0100標(biāo)準(zhǔn)三通管150球形式70.03500閘閥角閥（全開）2.0100全開0.179水表（盤形）7.0350半開4.52252022-4-152022-4-150 . 15 . 0 突然縮小突然縮小特例特例：突然擴(kuò)大突然擴(kuò)大 2022-4-15截截面面間間列列柏柏努努力力方方程程：與與首首先先在在2211 )-(12221uuupp )-(2g12g1 )

14、-(12122122221122uAAuuuuuguuuhf又又)(22121221)-(1 2g)-(1AAuAAhffhgugpzgugpz2222222111guugpphf22221212022-4-152022-4-15溶劑由敞口的高位槽流入精餾塔，進(jìn)液處塔中的表溶劑由敞口的高位槽流入精餾塔，進(jìn)液處塔中的表壓為壓為0.02MPa，輸送管道為，輸送管道為383無(wú)縫鋼管，直管長(zhǎng)無(wú)縫鋼管，直管長(zhǎng)8m，管，管路中裝有標(biāo)準(zhǔn)彎頭兩個(gè)，路中裝有標(biāo)準(zhǔn)彎頭兩個(gè)，180回彎頭一個(gè)，球形閥（全開）回彎頭一個(gè)，球形閥（全開）一個(gè)，為使液體能以一個(gè)，為使液體能以3m3/h流量流入塔中，問(wèn)高位槽高度流量流入塔中

15、，問(wèn)高位槽高度Z為為多少米，操作條件溶劑密度：多少米，操作條件溶劑密度：861kg/m3,粘度：粘度：0.643mPa.s。2022-4-15 例：例：用泵把20的苯從地下儲(chǔ)罐送到高位槽，流量為300 l/min。高位槽液面比儲(chǔ)罐液面高10m。泵吸入管路用894mm的無(wú)縫鋼管，直管長(zhǎng)為15m，管路上裝有一個(gè)底閥（可粗略的按旋啟式止回閥全開時(shí)計(jì)）、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭；泵排出管用573.5mm的無(wú)縫鋼管，直管長(zhǎng)度為50m，管路上裝有一個(gè)全開的閘閥、一個(gè)全開的截止閥和三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭。儲(chǔ)罐及高位槽液面上方均為大氣壓。設(shè)儲(chǔ)罐液面維持恒定。試求泵的軸功率試求泵的軸功率。設(shè)泵的效率為70%。2022-4-15分析：

16、分析：求泵的軸功率柏努利方程Z、u、P已知求hf管徑不同吸入管路排出管路ffhh范寧公式l、d已知求求Re、/d摩擦因數(shù)圖當(dāng)量長(zhǎng)度阻力系數(shù)查圖feHgpguzHgugpz22222111222022-4-15解：解：取儲(chǔ)罐液面為上游截面1-1，高位槽液面為下游截面2-2， 并以截面1-1為基準(zhǔn)水平面。在兩截面間列柏努利方程式。fehpugZWpugZ2222121122式中：mZ10 Z021表）(021 pp021 uufehW1081. 9fh1 .98（1）吸入管路上的能量損失ahf,2022-4-15ahahahfff,2),(2acaeaaudall式中mmmda081. 08142

17、89mla15管件、閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度為管件、閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度為： 底閥(按旋轉(zhuǎn)式止回閥全開時(shí)計(jì)） 6.3m 標(biāo)準(zhǔn)彎頭 2.7mmale97 . 23 . 6, 進(jìn)口阻力系數(shù) c=0.52022-4-152081. 04601000300ausm/97. 0苯的密度為880kg/m3，粘度為6.510-4PasaaaudRe4105 . 688097. 0081. 051006. 1取管壁的絕對(duì)粗糙度=0.3mm，/d=0.3/81=0.0037， 查得=0.029)5 . 0081. 0915029. 0(,ahfkgJ /28. 42022-4-15（2）排出管路上的能量損失）排出管路上的能量損失 hf,b2),(2,bebebbbfudbllh式中:mmmdb05. 0505 . 3257mlb50管件、閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度分別為：全開的閘閥 0.33m全開的截止閥 17m三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭 1.63=4.8 mmble13.228 . 41733. 0,2022-4-15出口阻力系數(shù) e=1205. 04601000300busm/55. 24105 . 688055. 205. 0Reb5107