流體流動(dòng)原理及應(yīng)用 3-24

1.5流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力1．流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因

流體有黏性，流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦——阻力產(chǎn)生根源固體表面促使流動(dòng)流體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)——提供了流動(dòng)阻力產(chǎn)生的條件。流動(dòng)阻力大小與流體本身物性（主要為μ，ρ）、壁面形狀、尺寸及流動(dòng)狀況等因素有關(guān)。2．流動(dòng)阻力分類

管路中的阻力直管阻力：局部阻力：流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力流體流經(jīng)管路中的管件、閥門及管截面的突然擴(kuò)大及縮小等局部地方所引起的阻力。1.5流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力3流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。1.5.1直管阻力4由于流體在圓管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)F1=F21.5.1直管阻力5范寧公式或1.5.1直管阻力61.5.1直管阻力＊適用于層流與湍流、管道的水平、垂直、傾斜等各種直管阻力壓頭損失7⒈層流速度分布理論分析和實(shí)驗(yàn)都已證明，層流時(shí)的速度沿管徑按拋物線規(guī)律分布。層流時(shí)平均流速等于管中心處最大流速umax的一半，u=0.5umax。1.5.2摩擦系數(shù)λ的確定8——哈根—泊謖葉公式

1.5.2摩擦系數(shù)λ的確定9(1)層流區(qū)()：λ與無(wú)關(guān)，(2)過(guò)渡區(qū)一般按湍流處理)1.5.2摩擦系數(shù)λ的確定102.湍流速度分布：湍流波動(dòng)加劇了管內(nèi)流體的混合與傳遞，使時(shí)均速度在截面上、尤其是在管中心部位分布更趨平坦。1.5.2摩擦系數(shù)λ的確定11絕對(duì)粗糙度：管壁粗糙面凸出部分的平均高度，以ε表示，mm。（見(jiàn)表1-2）玻璃管、鋁管、銅管、塑料管等稱為光滑管；鋼管和鑄鐵管稱為粗糙管。1.5.2摩擦系數(shù)λ的確定12(4)完全湍流區(qū):虛線以上區(qū)域=f(/d),與Re無(wú)關(guān)

,又稱阻力平方區(qū)。若ε/d為常數(shù)，λ即為常數(shù)(3)湍流區(qū)(及虛線以下的區(qū)域)1.5.2摩擦系數(shù)λ的確定14非圓直管流動(dòng)阻力

當(dāng)量直徑套管環(huán)隙:直徑d的圓筒:1.5.2摩擦系數(shù)λ的確定層流的摩擦系數(shù)應(yīng)予以修正15說(shuō)明：①

②計(jì)算流速u時(shí)，應(yīng)以實(shí)際的流通截面積計(jì)算。1.5.2摩擦系數(shù)λ的確定16P25、29例題：一個(gè)套管換熱器，內(nèi)管與外管均為光滑管，直徑分別為Φ30×2.5mm和Φ56×3mm。平均溫度為40℃的水以10m/s的流量流過(guò)套管的環(huán)隙。試估算水通過(guò)環(huán)隙時(shí)每米管長(zhǎng)的壓力降。171.5.3局部阻力局部阻力：又稱形體阻力，是指流體通過(guò)管路中的管件（如三通、彎頭、大小頭等）、閥門、管子出入口及流量計(jì)等局部障礙處而發(fā)生的阻力。流體流動(dòng)方向和流速發(fā)生變化，導(dǎo)致產(chǎn)生大量漩渦，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)能，直至消失，造成的阻力損失遠(yuǎn)大于直管阻力損失。18邊界層（一）平壁邊界層的形成及其發(fā)展定義：通常把從流速為0的壁面處至流速等于主體流速u0的99%處之間的區(qū)域稱為邊界層。湍流邊界層邊界層界限u0yu0層流邊界層xu0層流內(nèi)層1.5.3局部阻力19進(jìn)口段長(zhǎng)度：邊界層外緣與圓管中心線匯合時(shí)的距離x0x≥x0時(shí)，=R，管內(nèi)各界面上的速度分布及流型不變。進(jìn)口段圓筒壁邊界層的形成與發(fā)展

充分發(fā)展的邊界層1.5.3局部阻力20（三）圓柱和球體的邊界層——邊界層的分離倒流

分離點(diǎn)u0

DAC’CBx1.5.3局部阻力21AB：流道縮小，順壓強(qiáng)梯度，加速減壓BC：流道增大，逆壓強(qiáng)梯度，減速增壓CC’以上：分離的邊界層CC’以下：在逆壓強(qiáng)梯度的推動(dòng)下形成倒流，產(chǎn)生大量旋渦，產(chǎn)生形體阻力或漩渦阻力C’分離點(diǎn)邊界層1.5.3局部阻力22（1）阻力系數(shù)法：進(jìn)口損失出口損失近似地將克服局部阻力引起的能量損失表示成動(dòng)能的一個(gè)倍數(shù)。這個(gè)倍數(shù)稱為局部阻力系數(shù)，用符號(hào)ξ表示。1.5.3局部阻力23①突然擴(kuò)大流體流過(guò)如圖所示的突然擴(kuò)大管道時(shí)，由于流股離開壁面成一射流注入了擴(kuò)大的截面中，然后才擴(kuò)張道充滿整個(gè)截面。由于流道突然擴(kuò)大，下游壓強(qiáng)上升，流體在逆壓強(qiáng)梯度下流動(dòng)，射流與壁面間出現(xiàn)邊界層分離，產(chǎn)生漩渦，因此有能量損失。1.5.3局部阻力24②突然縮小突然縮小時(shí)，流體在順壓強(qiáng)梯度下流動(dòng)，不致于發(fā)生邊界層脫離現(xiàn)象，因此在收縮部分不會(huì)發(fā)生明顯的阻力損失。但流體有慣性，流道將繼續(xù)收縮后又?jǐn)U大。這時(shí)，流體在逆壓強(qiáng)梯度下流動(dòng)，也就產(chǎn)生了邊界層分離和漩渦。因此也就產(chǎn)生了機(jī)械能損失，由此可見(jiàn)，突然縮小造成的阻力主要還在于突然擴(kuò)大。

1.5.3局部阻力25（2）當(dāng)量長(zhǎng)度()法::當(dāng)量長(zhǎng)度計(jì)算局部阻力時(shí)，λ及u值與管徑為d的圓管相同。表示流體流過(guò)某一管件或閥門的局部阻力，相當(dāng)于流過(guò)一段管徑為d、長(zhǎng)度為le的直管阻力。1.5.3局部阻力26（三）管路系統(tǒng)的總能量損失總能量損失=全部直管阻力+全部局部阻力1.5.3局部阻力2720oC水的流量為20m3/h。高位液面比貯罐液面高20m。吸入管和排出管均為573.5mm無(wú)縫鋼管,吸入管直管長(zhǎng)10m,一個(gè)底閥、一個(gè)90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭;排出管直管長(zhǎng)25m,有一個(gè)全開閘閥、一個(gè)全開截止閥和兩個(gè)90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭。液面恒定且與大氣相通。求泵的軸功率,效率為65%。解：∵Z1=0,Z2=20m,u10,u20,p1=p2=0(表)故：【例1】

28式中由附錄查得20oC時(shí)=998.2kgm-3，=1.00410-3Pas，取管壁的絕對(duì)粗糙度=0.3mm，1.5.3局部阻力29查Moody圖1.5.3局部阻力【例2】

溶劑由容器A流入B。容器A液面恒定，兩容器液面上方壓力相等。溶劑由A底部倒U型管排出，其頂部與均壓管相通。容器A液面距排液管下端6.0m，排液管為60×3.5mm鋼管，由容器A至倒U

型管中心處，水平管段總長(zhǎng)3.5m，有球閥1個(gè)(全開)，90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭3個(gè)。試求：要達(dá)到12m3/h的流量，倒U型管最高點(diǎn)距容器A

內(nèi)液面的高差H。（=900kg/m3，=0.6m

Pa·s）。取鋼管絕對(duì)粗糙度解：溶劑在管中的流速/d=5.6610-3

Re=1.2105

查圖得摩擦系數(shù)管進(jìn)口突然縮小90°的標(biāo)準(zhǔn)彎頭球心閥（全開）以容器A

液面為1-1截面，倒U

型管最高點(diǎn)處為2-2截面，并以該截面處管中心線所在平面為基準(zhǔn)面，列柏努利方程有：35（四）降低管路系統(tǒng)流動(dòng)阻力的途徑

盡可能縮短管路長(zhǎng)度，減少不必要的管件和閥門

在不變的情況下，適當(dāng)增大管徑

降低流體的粘度

1.5.3局部阻力361.6管路計(jì)算（一）鋼管

焊接鋼管：通常由碳鋼板卷焊而成，以鍍鋅管較為常見(jiàn)。焊接鋼管的強(qiáng)度低，可靠性差，常用作水、壓縮空氣、蒸汽、冷凝水等流體的輸送管道。

無(wú)縫鋼管：可由普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、普通低合金鋼、合金鋼等的管壞熱軋或冷軋(冷撥)而成，其中冷軋無(wú)縫鋼管的外徑和壁厚尺寸較熱軋的精確。無(wú)縫鋼管品質(zhì)均勻、強(qiáng)度較高，常用于高溫、高壓以及易燃、易爆和有毒介質(zhì)的輸送。

1.6.1管路組成371.6管路計(jì)算（一）鑄鐵管

常用作埋入地下的給水總管、煤氣管及污水管等，也可用來(lái)輸送堿液及濃硫酸。鑄鐵管價(jià)廉、耐腐蝕性強(qiáng)，但管壁厚較笨重，強(qiáng)度差，故不宜輸送蒸汽及在壓力下輸送爆炸性或毒性氣體。38《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)（二）有色金屬管

在藥品生產(chǎn)中，銅管和黃銅管、鉛管和鉛合金管、鋁管和鋁合金管都是常用的有色金屬管。銅管和黃銅管可用作換熱管或真空設(shè)備的管道鉛管和鉛合金管可用來(lái)輸送15~65%的硫酸鋁管和鋁合金管可用來(lái)輸送濃硝酸、甲酸、醋酸等物料。1.6管路計(jì)算39《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)非金屬管無(wú)機(jī)非金屬管有機(jī)非金屬管

橡膠管、聚丙烯管、硬聚氯乙烯管、聚四氟乙烯管、耐酸酚醛塑料管、不透性石墨管等玻璃管、搪玻璃管、玻璃鋼管、陶瓷管等1.6管路計(jì)算（三）非金屬管401.6.2管道連接與布置《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)

卡套連接常用于小直徑(≤40mm)管道、閥門及管件間的連接，具有連接簡(jiǎn)單、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)，常用于儀表、控制系統(tǒng)等管道的連接。（一）管道連接螺紋連接常用于小直徑(≤50mm)低壓鋼管或硬聚氯乙烯管道、管件、閥門間的連接。具有連接簡(jiǎn)單、拆裝方便、成本較低等優(yōu)點(diǎn),但連接的可靠性較差,螺紋連接處易發(fā)生滲漏,因而不宜用作易燃、易爆和有毒介質(zhì)輸送管道之間的連接。

1.6管路計(jì)算41《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)焊接生產(chǎn)中最常用的一種管道連接方法，具有施工方便、連接可靠、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。凡是不需要拆裝的地方，應(yīng)盡可能采用焊接。所有的壓力管道，如煤氣、蒸汽、空氣、真空等管道應(yīng)盡量采用焊接。法蘭連接

常用于大直徑、密封性要求高的管道連接,也可用于玻璃管、塑料管、閥門、管件或設(shè)備之間的連接。法蘭連接的優(yōu)點(diǎn)是連接強(qiáng)度高,密封性能好，拆裝比較方便。缺點(diǎn)是成本較高。

1.6管路計(jì)算42《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)

承插連接

常用于埋地或沿墻敷設(shè)的給排水管,如鑄鐵管、陶瓷管、石棉水泥管等與管或管件、閥門之間的連接。連接處可用石棉水泥、水泥砂漿等封口,用于工作壓力不高于0.3MPa、介質(zhì)溫度不高于60C0的場(chǎng)合。1.6管路計(jì)算43管件1.6.3管件與閥門4546《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)流體流動(dòng)471.6.3管件與閥門《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)（一）常用閥門1.旋塞閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟閉方便快捷、流動(dòng)阻力較小等優(yōu)點(diǎn)。旋塞閥常用于溫度較低、粘度較大的介質(zhì)以及需要迅速啟閉的場(chǎng)合，但一般不適用于蒸汽和溫度較高的介質(zhì)。由于旋塞很容易鑄上或焊上保溫夾套，因此可用于需要保溫的場(chǎng)合。此外，旋塞閥配上電動(dòng)、氣動(dòng)或液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)后，可實(shí)現(xiàn)遙控或自控。

48《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)2.球閥

內(nèi)有一可繞自身軸線作900旋轉(zhuǎn)的球形閥瓣,閥瓣內(nèi)設(shè)有通道。球閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,旋轉(zhuǎn)900即可啟閉。球閥的使用壓力比旋塞閥高,密封效果較好,且密封面不易擦傷,可用于漿料或粘稠介質(zhì)。流體流動(dòng)49《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)3.閘閥內(nèi)有一與介質(zhì)的流動(dòng)方向相垂直的平板閥心，利用閥心的升起或落下可實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉。其優(yōu)點(diǎn)是不改變流體的流動(dòng)方向，因而流動(dòng)阻力較小。閘閥主要用作切斷閥，常用作放空閥或低真空系統(tǒng)閥門。閘閥一般不用于流量調(diào)節(jié)，也不適用于含固體雜質(zhì)的介質(zhì)。缺點(diǎn)是密封面易磨損，且不易修理。流體流動(dòng)50《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)4.截止閥其閥座與流體的流動(dòng)方向垂直，流體向上流經(jīng)閥座時(shí)要改變流動(dòng)方向，因而流動(dòng)阻力較大。截止閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)性能好，常用于流體的流量調(diào)節(jié)，但不宜用于高粘度或含固體顆粒的介質(zhì)，也不宜用作放空閥或低真空系統(tǒng)閥門。流體流動(dòng)51《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)5.止回閥內(nèi)有一圓盤或搖板，當(dāng)介質(zhì)順流時(shí)，閥盤或搖板即升起打開；當(dāng)介質(zhì)倒流時(shí)，閥盤或搖板即自動(dòng)關(guān)閉。因此，止回閥是一種自動(dòng)啟閉的單向閥門，用于防止流體逆向流動(dòng)的場(chǎng)合，如在離心泵吸入管路的入口處常裝有止回閥。止回閥一般不宜用于高粘度或含固體顆粒的介質(zhì)。流體流動(dòng)52《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)6.減壓閥

內(nèi)設(shè)膜片、彈簧、活塞等敏感元件，利用敏感元件的動(dòng)作可改變閥瓣與閥座的間隙，從而達(dá)到自動(dòng)減壓的目的。

減壓閥僅適用于蒸汽、空氣、氮?dú)?、氧氣等清凈介質(zhì)的減壓,但不能用于液體的減壓。此外,在選用減壓閥時(shí)還應(yīng)注意其減壓范圍，不能超范圍使用。流體流動(dòng)53《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)7.安全閥

安全閥內(nèi)設(shè)有自動(dòng)啟閉裝置。當(dāng)設(shè)備或管道內(nèi)的壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)閥即自動(dòng)開啟以泄出流體,待壓力回復(fù)后閥又自動(dòng)關(guān)閉,從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備或管道的目的。

安全閥的種類很多，以彈簧式安全閥最為常用。當(dāng)流體可直接排放到大氣中時(shí)，可選用全啟式安全閥；若流體不允許直接排放，則應(yīng)選用封閉式安全閥，將流體排放到總管中。

流體流動(dòng)54《化工原理》課件——第1章流體流動(dòng)

一般情況下，閥門可按以下步驟進(jìn)行選擇：

(1)選擇閥門材質(zhì)。

(2)確定閥門的公稱壓力。

(3)選擇密封面材質(zhì)。密封面材質(zhì)的最高使用溫度應(yīng)高于工作溫度。

(4)確定閥門的公稱直徑。

(5)選擇閥門的連接形式。

(6)確定閥門的類別、結(jié)構(gòu)形式和型號(hào)。流體流動(dòng)管路計(jì)算簡(jiǎn)單管路：無(wú)分支、無(wú)匯合復(fù)雜管路：有分支、有匯合計(jì)算依據(jù)：連續(xù)性方程伯努利方程摩擦阻力系數(shù)計(jì)算式管路計(jì)算設(shè)計(jì)型問(wèn)題操作型問(wèn)題對(duì)于給定的流體輸送任務(wù)（如一定的流量），設(shè)計(jì)出合理且經(jīng)濟(jì)的管路（優(yōu)化管徑）。關(guān)鍵：流速的選擇

管路系統(tǒng)已給定，要求核算管路系統(tǒng)的某項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，或操作條件改變時(shí)流動(dòng)參數(shù)的變化經(jīng)濟(jì)（優(yōu)化）流速uopt－－總費(fèi)用最小的流速設(shè)備費(fèi)用－－設(shè)備總投資除以使用年限操作費(fèi)用－－能耗費(fèi)和大修費(fèi)58管材確定后，可查取管子的規(guī)格。水煤氣管—公稱直徑（相近的整數(shù)）；無(wú)縫鋼管—外徑×壁厚(按公稱壓力分級(jí))；有縫鋼管—兩種壁厚（普通管和加強(qiáng)管）。解題思路：查表初選流速→計(jì)算管道直徑d→按規(guī)格圓整管徑→用圓整后的管徑重新核算流速59某廠精餾塔進(jìn)料量為10000kg/h，料液的密度為960kg/m3，其他性質(zhì)與水接近，試選擇進(jìn)料管的管徑。解：由題意已知因?yàn)榱弦盒再|(zhì)與水相近，參照表1-1的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取料液在管內(nèi)流速u=1.8m/s。再由流體的體積流量V和選定的流速u求出管道直徑d。60由題意已知查附錄22，確定選用Φ57mm×3mm的無(wú)縫鋼管，其內(nèi)徑為d=57-3×2=51mm=0.051m重新核算流速，即料液在管內(nèi)的實(shí)際流速為三種命題：1）已知流量、管路尺寸和管件，計(jì)算We、ΔZ、ΔP、Wf2）給定流量、管長(zhǎng)、管件和允許壓降，計(jì)算d3）已知管道尺寸，管件和允許壓強(qiáng)降，求管道中Vs或u直接計(jì)算d或u未知試差法或迭代法

Re未知λ無(wú)法確定d、u只知其一則需要試差定義：沒(méi)有分支或匯合的單一管路★管徑不變的單一管路★不同管徑的串聯(lián)管路★循環(huán)管路簡(jiǎn)單管路的計(jì)算簡(jiǎn)單管路的特點(diǎn)2.整個(gè)管路的阻力損失等于各管段阻力損失之和⒈對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，通過(guò)各管段的質(zhì)量流量不變，即：W1=W2=W3＝……=W=const對(duì)于不可壓縮性流體，則有：V1=V2=V3＝……=V=const；例：一管路總長(zhǎng)為70m，要求輸水量30m3/h，輸送過(guò)程的允許壓頭損失為4.5m水柱，求管徑。已知水的密度為1000kg/m3，粘度為1.0×10-3Pa·s，鋼管的絕對(duì)粗糙度為