化工原理第一章_流體力學下

1、第一章第一章流體流動流體流動 Fluid Flow 流體的基本概念流體的基本概念 靜力學方程及其應用靜力學方程及其應用 機械能衡算式及柏努機械能衡算式及柏努 利方程利方程 流體流動的現象流體流動的現象 流動阻力的計算、管路計算流動阻力的計算、管路計算 1.4 1.4 流體流動現象流體流動現象 一一 流體的粘性和內摩擦力流體的粘性和內摩擦力 流體的粘性流體的粘性 流體在運動的狀態(tài)下,有一種抗拒內 在的向前運動的特性。粘性是流動性的反面。 流體的內摩擦力流體的內摩擦力 運動著的流體內部相鄰兩流體 層間的相互作用力。是流體粘性的表現, 又稱為粘滯 力或粘性摩擦力。 由于粘性存在，流體在管內流動時，管

2、內任一截 面上各點的速度并不相同,如圖所示。 x u=0 y u 兩流體層之間單位面積上的內摩擦力（或兩流體層之間單位面積上的內摩擦力（或 稱為剪應力）稱為剪應力）與垂直于流動方向的速度梯度與垂直于流動方向的速度梯度 成正比。成正比。 y x u u=0 du dy 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。 設有上下兩塊平行放置而相距很近的平板，兩板間設有上下兩塊平行放置而相距很近的平板，兩板間 充滿著靜止的液體充滿著靜止的液體。運動著的流體內部相鄰兩流體層間。運動著的流體內部相鄰兩流體層間 由于分子運動而產生的相互作用力，即內摩擦力。

3、由于分子運動而產生的相互作用力，即內摩擦力。 式中式中為比例系數，稱為為比例系數，稱為粘性系數粘性系數，或，或動力粘度動力粘度（ viscosity），簡稱），簡稱粘度粘度。流體的粘性愈大，其值愈大 上式所表示的關系，稱為上式所表示的關系，稱為牛頓粘性定律牛頓粘性定律。 流體流體 粘性越大，其流動性就越小。從桶底把一桶甘油放完要粘性越大，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，這是因為甘油流動時內摩擦力比把一桶水放完慢得多，這是因為甘油流動時內摩擦力 比水大的緣故。比水大的緣故。 dy du （1-33） 二、牛頓粘性定律二、牛頓粘性定律 粘性是流體的基本物理特性之一。任

4、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出來粘性只有在流體運動時才會表現出來。 u與與y也可能時如右圖的關系，也可能時如右圖的關系， 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。 dy du o x y 上式中上式中du/dydu/dy為速度梯度為速度梯度 dy du （1-33） 1、影響因素：流體種類和溫度、影響因素：流體種類和溫度 a.對于液體：以分子間內聚力為主，溫度升高，分 子間間隙增大，內聚力降低，下降。 b.對于氣體：分子熱運動，溫度升高，熱運動加劇

5、， 上升。 2、物理意義、物理意義 牛頓粘性定律說明流體在流動過程中流體層間 所產生的剪應力與法向速度梯度成正比，與壓力無 關。 流體的這一規(guī)律與固體表面的摩擦力規(guī)律不同。 式中式中v為運動黏度，多用于工程中的流體黏度為運動黏度，多用于工程中的流體黏度 計量。計量。 v 運動黏度運動黏度 三 、流體流動的類型-層流及湍流 1、雷諾試驗 1883年, 英國物理學家Osbone Reynolds作了如下實驗。 D B A C 墨水流線 玻璃管 雷諾實驗 2、流體流動狀態(tài)類型、流體流動狀態(tài)類型 過渡過渡： 流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流， 或是兩者

6、交替出現，與外界干擾情況有關。過渡流不是一種或是兩者交替出現，與外界干擾情況有關。過渡流不是一種 流型。流型。 q湍流湍流(turbulent flow)或紊流或紊流: 當流體在管道中流動時，流體質點除了沿著管道向前流動外，各質點的當流體在管道中流動時，流體質點除了沿著管道向前流動外，各質點的 運動速度在大小和方向上都會發(fā)生變化，質點間彼此碰撞并互相混合，這種運動速度在大小和方向上都會發(fā)生變化，質點間彼此碰撞并互相混合，這種 流動狀態(tài)稱為湍流或紊流。流動狀態(tài)稱為湍流或紊流。 q層流層流(laminar flow)或滯流或滯流(viscous flow): 當流體在管中流動時，若其質點始終沿著與

7、管軸平行的方向作直線運當流體在管中流動時，若其質點始終沿著與管軸平行的方向作直線運 動，質點之間沒有遷移，互不混合，整個管的流體就如一層一層的同心圓動，質點之間沒有遷移，互不混合，整個管的流體就如一層一層的同心圓 筒在平行地流動。筒在平行地流動。 影響流體流動類型的因素：影響流體流動類型的因素： 流體的流速流體的流速u ； 管徑管徑d； 流體密度流體密度； 流體的黏度流體的黏度。 u u、d d、越大，越大，越小，就越容易從層流轉變?yōu)橥脑叫。驮饺菀讖膶恿鬓D變?yōu)橥?流。流。上述中四個因素所組成的復合數群上述中四個因素所組成的復合數群du/，是判斷流，是判斷流 體流動類型的準則。體流動類型的準則

8、。 這數群稱為這數群稱為雷諾準數或雷諾數雷諾準數或雷諾數( (Reynolds number)Reynolds number)， 用用ReRe表示。表示。 000 3 )( )()( ReTML TL M L M T L L du 雷諾準數的因次雷諾準數的因次 ReRe數是一個無因次數群。數是一個無因次數群。 實驗表明實驗表明： qReRe20002000，流動類型為層流；，流動類型為層流； qReRe40004000，流動類型為湍流；，流動類型為湍流； q20002000ReRe40004000，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流 ，也可能是湍流，或是兩者交替出現，與外界

9、干擾，也可能是湍流，或是兩者交替出現，與外界干擾 情況有關。情況有關。 雷諾準數雷諾準數 ReRe dudu Re 速度分布速度分布：流體流動時，管截面上質點的軸向速度沿半徑的流體流動時，管截面上質點的軸向速度沿半徑的 變化。流動類型不同，速度分布規(guī)律亦不同。變化。流動類型不同，速度分布規(guī)律亦不同。 1、流體在圓管中層流時的速度分布、流體在圓管中層流時的速度分布 由實驗可以測得層流流動時的速度分布，如圖所示。由實驗可以測得層流流動時的速度分布，如圖所示。 速度分布為拋物線形狀。速度分布為拋物線形狀。 管中心的流速最大；管中心的流速最大； 速度向管壁的方向漸減；速度向管壁的方向漸減； 靠管壁的流

10、速為零；靠管壁的流速為零； 平均速度為最大速度的一半。平均速度為最大速度的一半。 四、流體在圓管內的速度分布四、流體在圓管內的速度分布 max 2 1 uu 2、湍流的速度分布、湍流的速度分布 目前還沒有理論推導目前還沒有理論推導 ，但有經驗公式。，但有經驗公式。 1 2 速度分布有兩個區(qū)域：速度分布有兩個區(qū)域： 中心中心(較平坦較平坦); 近管壁近管壁(速度梯度很大速度梯度很大); u壁 壁=0. 3 近管壁有層流底層；近管壁有層流底層； 4 中間為湍流區(qū)；中間為湍流區(qū)； 5 u越大，層流底層越??；越大，層流底層越薄； ； 6 起始段：起始段： max 0.82uu 平均 8/7 2 .64

11、 e R d dx)5040( 0 特點：特點： 湍流湍流 層流層流 流 型 滯（層）流 湍（紊）流 判 據 Re2000 Re 4000 質點運動 情況 沿軸向作直線運動，不存在 橫向混合和質點碰撞 不規(guī)則雜亂運動，質點碰 撞和劇烈混合。脈動是湍 流的基本特點 管內速度 分布 拋物線方程 壁面處uw=0,管中心umax 碰撞和混合使速度平均化 壁面處uw=0，管中心 表2兩種流型的比較 max 2 1 uu max u 1.5 1.5 流體管內的流動阻力流體管內的流動阻力 * 在圖在圖1-91-9所示的系統中，流體從截面所示的系統中，流體從截面1-11-1流流 入，從截面入，從截面2-22-

12、2流出。流出。管路上裝有對流體作功的管路上裝有對流體作功的 泵及向流體輸入或從流體取出熱量的換熱器。泵及向流體輸入或從流體取出熱量的換熱器。 并假設：并假設： （a a）連續(xù)穩(wěn)定流體；）連續(xù)穩(wěn)定流體； （b b）兩截面間無旁路）兩截面間無旁路 流體輸入、輸出；流體輸入、輸出； （c c）系統熱損失）系統熱損失Q QL L=0=0。 能量損失能量損失：流體在管內從第一截面流到第二截面時，由于流體在管內從第一截面流到第二截面時，由于 流體層之間或流體之間的湍流產生的內摩擦阻力，使一部分機流體層之間或流體之間的湍流產生的內摩擦阻力，使一部分機 械能轉化為熱能。我們把這部分機械能稱為能量損失。能量損械

13、能轉化為熱能。我們把這部分機械能稱為能量損失。能量損 失可以通過阻力計算求得。失可以通過阻力計算求得。 流動阻力流動阻力：流體在管路中的流動阻力可分為流體在管路中的流動阻力可分為直管阻力直管阻力和和 局部阻力局部阻力兩類。兩類。 直管阻力直管阻力：或沿程阻力。：或沿程阻力。流體流經一定直徑流體流經一定直徑 的直管時所產生的阻力。的直管時所產生的阻力。 局部阻力局部阻力：流體流經管件、閥門及進出口時，由于受流體流經管件、閥門及進出口時，由于受 到局部障礙所產生的阻力。到局部障礙所產生的阻力。 總能量損失總能量損失：為直管阻力與局部阻力所引起能為直管阻力與局部阻力所引起能 量損失之總和量損失之總和

14、。 u P1 d F F P2 1 1 2 2 l 2 32lu d p 由哈根方程：由哈根方程： 則能量損失：則能量損失： 22Re 64 2 64 32 22 2 2 )()( u d lu d l u d l d lup f du h 式中：式中： 摩擦系數，摩擦系數， =64/Re=64/Re 范寧公式范寧公式 1 流體在直管中的阻力流體在直管中的阻力 1.1 層流時的直管阻力層流時的直管阻力 實驗證明，實驗證明，湍流運動時，管壁的粗糙度對湍流運動時，管壁的粗糙度對 阻力、能量的損失有較大的影響。阻力、能量的損失有較大的影響。 q絕對粗糙度絕對粗糙度 ： 管壁粗糙部分的平均高度。管壁粗

15、糙部分的平均高度。 q相對粗糙度相對粗糙度 /d： d u 1.2 湍流時的直管阻力湍流時的直管阻力 材料與加工精度；材料與加工精度； 光滑管：玻璃管，銅管等；光滑管：玻璃管，銅管等； 粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。 使用時間；使用時間； 絕對粗糙度可查表或相關手冊。絕對粗糙度可查表或相關手冊。 p 粗糙度的產生粗糙度的產生 層流運動層流運動 流體運動速度較慢流體運動速度較慢, 與管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系數與與管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系數與 無關，無關， 只與只與Re有關。層流時，有關。層流時， 在粗糙管的流動與在在粗糙管的流動與在 光滑管的流動相同。光滑管的流動相

16、同。 p 粗糙度對流體流動類型的影響粗糙度對流體流動類型的影響 湍流運動湍流運動 ，阻力與層流相似，此時稱為水力光滑管。，阻力與層流相似，此時稱為水力光滑管。 ，Re b 質點通過凸起部分時產生漩渦質點通過凸起部分時產生漩渦 能能 耗耗 。 b b b 從理論和實踐上可以證明，湍流運動時流體從理論和實踐上可以證明，湍流運動時流體 的直管阻力為：的直管阻力為： 2 2 u d l f h 為摩擦系數，為摩擦系數， )( , d e R 湍流運動時阻力湍流運動時阻力hf在形式上與層流相同。在形式上與層流相同。 0.10 0.09 0.08 0.07 0.05 0.04 0.06 0.03 0.05

17、 0.02 0.015 0.04 0.01 0.008 0.006 0.03 0.004 0.025 d 0.002 0.02 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.015 0.0002 0.0001 0.00005 0.01 0.009 0.00001 0.008 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 103 104 105 106 107 108 0.000005 0.000001 雷諾數 du Re 莫莫狄狄（Moody）圖圖 層層 流流 區(qū)區(qū) 湍湍流流區(qū)區(qū) Re 64 過 渡 區(qū) 阻力平方區(qū) d Re, d 水水力力光光滑滑

18、管管 Re 2 2 u d l h f 層流區(qū)層流區(qū) 過渡區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)湍流區(qū)完全湍流，粗糙管完全湍流，粗糙管 光滑管光滑管 Re /d 摩擦系數與雷諾準數、相對粗糙度的關系摩擦系數與雷諾準數、相對粗糙度的關系 上圖可以分成上圖可以分成4個不同區(qū)域。個不同區(qū)域。 層流區(qū)：層流區(qū)： Re 2000， =64/Re ，與，與 /d無關。無關。 過渡區(qū)：過渡區(qū)： 2000 Re 4000 湍流區(qū)：湍流區(qū)： Re 4000, 與與Re 和和 /d有關。有關。 完全湍流區(qū)完全湍流區(qū)(阻力平方區(qū)阻力平方區(qū))： 與與Re 無關，無關， 僅與僅與 /d有關。有關。 查表舉例查表舉例 1. Re=103， =0

19、.06 Re=104， /d=0.002 =0.034 3. Re=107， /d=0.002 =0.023 湍流時的湍流時的 為阻力系數為阻力系數 光滑管：光滑管：.5103Re3.0 離心泵排出管（水類液體）離心泵排出管（水類液體） 2.53.0 飽和蒸汽飽和蒸汽 2040 往復泵吸入管（水類液體）往復泵吸入管（水類液體） 0.751.0 過熱蒸汽過熱蒸汽 3050 往復泵排出管（水類液體）往復泵排出管（水類液體） 1.02.0 蛇管、螺旋管內的冷卻水蛇管、螺旋管內的冷卻水 1.0 液體自流速度（冷凝水等）液體自流速度（冷凝水等） 0.5 低壓空氣低壓空氣 1215 真空操作下氣體流速真空

20、操作下氣體流速 50 作用作用： 改變管道方向改變管道方向(彎頭彎頭); 連接支管連接支管(三通三通); 改變管徑改變管徑(變形管變形管); 堵塞管道堵塞管道(管堵管堵)。 螺旋接頭螺旋接頭卡箍接頭卡箍接頭 彎頭彎頭 三通三通 變形管變形管 管件管件：管與管的連接部件。管與管的連接部件。 3 3 管件管件 (pipe fitting)(pipe fitting) 球閥 旋塞閥 截止閥 閘閥 蝶閥 裝于管道中用以裝于管道中用以開關管路開關管路或或調節(jié)流量調節(jié)流量。 4 閥門閥門 (Valve)(Valve) v截止閥截止閥 (globe valve)(globe valve) 特點特點：構造較復

21、雜構造較復雜。在閥體部分液。在閥體部分液 體流動方向經數次改變，體流動方向經數次改變，流動阻力較流動阻力較 大大。但這種閥門。但這種閥門嚴密可靠嚴密可靠，而且，而且可較可較 精確地調節(jié)流量精確地調節(jié)流量。 應用應用：常用于蒸汽、壓縮空氣及液體輸常用于蒸汽、壓縮空氣及液體輸 送管道。若流體中含有懸浮顆粒時應避免使送管道。若流體中含有懸浮顆粒時應避免使 用。用。 結構結構：依靠閥盤的上升或下降，依靠閥盤的上升或下降， 改變閥盤與閥座的距離，以達到調改變閥盤與閥座的距離，以達到調 節(jié)流量的目的。節(jié)流量的目的。 v 閘閥閘閥 (gate valve)(gate valve)：閘板閥閘板閥 特點特點：構

22、造簡單，液體阻力小，構造簡單，液體阻力小， 且不易為懸浮物所堵塞，故常用于且不易為懸浮物所堵塞，故常用于 大直徑管道。其缺點是閘閥閥體高；大直徑管道。其缺點是閘閥閥體高； 制造、檢修比較困難。制造、檢修比較困難。 應用應用：較大直徑管道的開關較大直徑管道的開關。 結構結構：閘閥是利用閘板的上升或下降，以調節(jié)管路中流體的閘閥是利用閘板的上升或下降，以調節(jié)管路中流體的 流量。流量。 v止逆閥止逆閥(check valve):(check valve): 單向閥單向閥 特點特點：只允許流體單方向流動。只允許流體單方向流動。 應用應用：只能在單向開關的特殊情只能在單向開關的特殊情 況下使用。況下使用。

23、 結構結構：如圖所示。當流體自左向右流動時，閥自動開啟；如如圖所示。當流體自左向右流動時，閥自動開啟；如 遇到有反向流動時，閥自動關閉。遇到有反向流動時，閥自動關閉。 離心泵離心泵 離心離心 風機風機 高高 壓壓 風風 機機 5 輸送機械輸送機械(泵、風機泵、風機) 閥門閥門管子管子 管件管件 (彎頭彎頭) 輸送機械輸送機械 (泵泵) 麥汁麥汁 一級發(fā)酵罐一級發(fā)酵罐 柱式供養(yǎng)器柱式供養(yǎng)器 泵泵 板式滅菌器板式滅菌器 二級發(fā)酵罐二級發(fā)酵罐酵母分離器酵母分離器 攪拌式多罐型啤酒連續(xù)發(fā)酵流程圖攪拌式多罐型啤酒連續(xù)發(fā)酵流程圖 菌種菌種 啤酒啤酒 酵母泥酵母泥 管路布置和安裝的原則 盡量明線鋪設、集中鋪

24、設、便于檢修 管路布置和安裝的原則 有一定高度、管間距和跨距 傾斜和接地 冷熱分開 熱補償 涂色 1.6流量測定 差壓式流量測量法 速度式流量測量法 容積式測量法 質量流量測量法 1.6.1流量測量方法 圖2-14 流速式水表 （a） 旋翼式水表；（b） 螺翼式水表 1.6.2流量的測量流量的測量 1. 1. 測速管（畢托管）測速管（畢托管） 1 1、結構、結構 2 2、原理、原理 內管A處 . 2 2 1 u pp A 外管B處 ppB 測速原理：將流體的動壓能轉化為靜壓能。測速原理：將流體的動壓能轉化為靜壓能。 內管測得的是管口內管測得的是管口 所在位置的局部流體動能與靜壓能之和；外管前端

25、壁面四周的所在位置的局部流體動能與靜壓能之和；外管前端壁面四周的 測壓口與管道中液體的流動方向相平行，測得是靜壓能。測壓口與管道中液體的流動方向相平行，測得是靜壓能。 點速度： p u 2 . )(2 0 . Rg u即 討論：討論： （1）皮托管測量流體的點速度，可測速度分布 曲線； . 2 . 2 2 1 ) 2 1 (u p u pppp BA 三、安裝三、安裝 （1）測量點位于均勻流段，上、下游各有50d直管距離； （2）皮托管管口截面嚴格垂直于流動方向； （3）皮托管外徑d0不應超過管內徑d的1/50，即d0Re臨界時， )( 1 0 0 A A fC (3) 測量范圍 一般 C0=

26、0.60.7 RVS 2 S VR 孔板流量計的測量范圍受U形壓差計量程決定。 d Re 1 0 A A Re臨界值 三、安裝及優(yōu)缺點 （1）安裝在穩(wěn)定流段，上游l10d，下游l5d； （2）結構簡單，制造與安裝方便 ； （3）能量損失較大 。 三、文丘里（三、文丘里（Venturi）流量計）流量計 屬差壓式流量計； 能量損失小，造價高。 喉管喉管 )(2 0 0 Rg ACV VS CV流量系數（0.980.99） A0喉管處截面積 1.6.4 轉子流量計轉子流量計 1 1、結構與原理、結構與原理 從轉子的懸浮高度 直接讀取流量數值。 組成組成：錐形玻璃管和轉子錐形玻璃管和轉子 原理原理：轉子上下的壓差與轉子的凈轉子上下的壓差與轉子的凈 重力（重力與浮力之差）相等。重力（重力與浮力之差）相等。 1.7.2 變變截截面面流流量量計計 轉轉子子流流量量計計 u0 2 2 1 1 u1 微錐形玻璃管， 錐 角約為 4左右 轉子（或稱浮 子）直徑略小 于玻璃管內徑 轉子密度須大于 被測流體的密度 重力重力 浮力浮力升升力力 凈重力凈重力升力升力 變截面