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文檔簡介

1、下午7時(shí)59分1喻國華剪應(yīng)力 :dyude.)(e為湍流粘度,與流體的流動(dòng)狀況有關(guān)。 nRruu1max.湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式:湍流時(shí)的速度分布湍流時(shí)的速度分布下午7時(shí)59分2喻國華101102 . 3Re71,102 . 3Re101 . 161,101 . 1Re10466554nnnn與Re有關(guān),取值如下: 1/7次方定律71n當(dāng) 1/7次方定律時(shí),流體的平均速度 :max.uAVuS820下午7時(shí)59分3喻國華流體流動(dòng)邊界層流體流動(dòng)邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展一、邊界層的形成與發(fā)展 流動(dòng)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

2、緣與壁面間的垂直距離。下午7時(shí)59分4喻國華流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層:流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層: 下午7時(shí)59分5喻國華 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 。下午7時(shí)59分6喻國華邊界層流型: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。 下午7時(shí)59分7喻國華流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層 下午7時(shí)59分8喻國華 充分發(fā)展的邊界層厚

3、度為圓管的半徑; 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下午7時(shí)59分9喻國華湍流流動(dòng)時(shí):下午7時(shí)59分10喻國華 湍流主體湍流主體:速度脈動(dòng)較大,以湍流粘度為主,徑向傳遞因速度的脈動(dòng)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(dòng)較小,以分子粘度為主,徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)。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(dòng)程度越高,層流內(nèi)層厚度越薄。下午7時(shí)59分11喻國華2. 邊界層的分離ABS 下午7時(shí)59分12喻國華A C:流道截面積逐漸減小,流速逐漸

4、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);S點(diǎn):物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)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。下午7時(shí)59分13喻國華邊界層分離的后果: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(dòng)過程中存在逆壓梯度。下午7時(shí)59分14喻國華流體流動(dòng)阻力流體流動(dòng)阻力直管阻力直管阻力局部阻力局部阻力 下午7時(shí)59分15喻國華1.4 1.4 流體流動(dòng)阻力流體流動(dòng)阻力直管阻力:直管阻力:流體流經(jīng)一定

5、直徑的直管時(shí)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。 1.4.1 直管阻力直管阻力一、阻力的表現(xiàn)形式一、阻力的表現(xiàn)形式 下午7時(shí)59分16喻國華流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。fWpugzpugz222212112121下午7時(shí)59分17喻國華21uu 21zz 21ppWf若管道為傾斜管,則 )()(2211gzpgzpWf 流體的流動(dòng)阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少; 水平安裝時(shí),流動(dòng)阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。 下午7時(shí)59分18喻國華二、二、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(dòng)力:4221dpp流體的摩

6、擦力:dlAFdldpp4)(221dlWf42822udluWf令 28u定態(tài)流動(dòng)時(shí)下午7時(shí)59分19喻國華直管阻力通式(范寧Fanning公式) 其它形式:摩擦系數(shù)(摩擦因數(shù)) 則 22udlWfJ/kg壓頭損失gudlhf22m壓力損失22udlpfPa 該公式層流與湍流均適用; 注意 與 的區(qū)別。pfp下午7時(shí)59分20喻國華三、三、層流時(shí)的摩擦系數(shù)層流時(shí)的摩擦系數(shù) max21uu 221max4)(Rlppu速度分布方程2dR 22132)(dlupp232dlupf又哈根哈根-泊謖葉泊謖葉 (Hagen-Poiseuille)方程方程 下午7時(shí)59分21喻國華232dluWf能量損

7、失 層流時(shí)阻力與速度的一次方成正比 。2Re6426432222udludluddluWfRe64變形:比較得下午7時(shí)59分22喻國華四、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)四、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)1. 因次分析法因次分析法 目的目的:(1)減少實(shí)驗(yàn)工作量; (2)結(jié)果具有普遍性,便于推廣。基礎(chǔ)基礎(chǔ):因次一致性 即每一個(gè)物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等, 而且每一項(xiàng)都應(yīng)具有相同的因次。下午7時(shí)59分23喻國華基本定理基本定理:白金漢(Buckinghan)定理定理 設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨(dú)立變量數(shù)為n個(gè),這些變量的基本因次數(shù)為m個(gè),則該物理現(xiàn)象可用N(nm)個(gè)獨(dú)立的無因次數(shù)群表示。 湍流時(shí)壓力損失的影響因素:(1)流體性質(zhì)

8、:,(2)流動(dòng)的幾何尺寸:d,l,(管壁粗糙度)(3)流動(dòng)條件:u下午7時(shí)59分24喻國華,ldufpf物理變量 n 7基本因次 m3無因次數(shù)群 Nnm4 ddludupf,2無因次化處理式中:2upEuf歐拉(Euler)準(zhǔn)數(shù)即該過程可用4個(gè)無因次數(shù)群表示。下午7時(shí)59分25喻國華d相對(duì)粗糙度dl管道的幾何尺寸udRe雷諾數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知,流體流動(dòng)阻力與管長成正比,即 ddlupfRe,22Re,uddlpWff或)(Re,d下午7時(shí)59分26喻國華莫狄(Moody)摩擦因數(shù)圖:下午7時(shí)59分27喻國華(1)層流區(qū)(Re 2000) 與 無關(guān),與Re為直線關(guān)系,即 ,即 與u的一次方成正比。d

9、Re64uWffW(2)過渡區(qū)(2000Re4000) 將湍流時(shí)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下午7時(shí)59分28喻國華(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)。2uWfd一定時(shí),經(jīng)驗(yàn)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下午7時(shí)59分29喻國華2.2.管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響 光滑管:玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等;粗糙管:鋼管、鑄鐵

10、管等。絕對(duì)粗糙度絕對(duì)粗糙度 :管道壁面凸出部分的平均高度。相對(duì)粗糙度相對(duì)粗糙度 : 絕對(duì)粗糙度與管內(nèi)徑的比值。d 層流流動(dòng)時(shí): 流速較慢,與管壁無碰撞,阻力與 無關(guān),只與Re有關(guān)。d下午7時(shí)59分30喻國華 湍流流動(dòng)時(shí): 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下午7時(shí)59分31喻國華 例例 分別計(jì)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)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。下午7時(shí)59分32喻國華五、五、 非圓形管內(nèi)的流動(dòng)阻力非圓形管內(nèi)的

11、流動(dòng)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d1,外管的內(nèi)徑為d2 :1212212244ddddddde 邊長分別為a、b的矩形管 :baabbaabde2)(24下午7時(shí)59分33喻國華說明:(1)Re與Wf中的直徑用de計(jì)算;(2)層流時(shí):ReC正方形 C57套管環(huán)隙 C96 (3)流速用實(shí)際流通面積計(jì)算 。2785. 0esdVu 下午7時(shí)59分34喻國華局部阻力局部阻力 一、阻力系數(shù)法一、阻力系數(shù)法 將局部阻力表示為動(dòng)能的某一倍數(shù)。 22uWf或 guhf22局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù) J/kgJ/N=m下午7時(shí)59分35喻國華小管中的大速度12

12、1221u210)1 (uWAAf1. 突然擴(kuò)大下午7時(shí)59分36喻國華小管中的大速度22220225 . 00) 1(uuWAAf2.突然縮小下午7時(shí)59分37喻國華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 . 管件與閥門下午7時(shí)59分38喻國華下午7時(shí)59分39喻國華下午7時(shí)59分40喻國華蝶閥蝶閥下午7時(shí)59分41喻國華下午7時(shí)59分42喻國華下午7時(shí)59分43喻國華gudlhudlwefef2222或二、當(dāng)量長度法二、當(dāng)量長度法 將流體流過

13、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。下午7時(shí)59分44喻國華總阻力:2)(222udludllWef減少流動(dòng)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。下午7時(shí)59分45喻國華例例 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 . 2 a t ( 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(gè),全開標(biāo)準(zhǔn)截止閥一個(gè),90標(biāo)準(zhǔn)彎頭一個(gè)。塔的進(jìn)料量要維持在5m3/h,試計(jì)算高位槽中的液面要高出塔的進(jìn)料口多少米?hpa下午7

14、時(shí)59分46喻國華管路計(jì)算管路計(jì)算 簡單管路簡單管路 復(fù)雜管路復(fù)雜管路 下午7時(shí)59分47喻國華管路計(jì)算管路計(jì)算 簡單管路簡單管路 一、特點(diǎn)一、特點(diǎn) (1)流體通過各管段的質(zhì)量流量不變,對(duì)于不可壓縮流體,則體積流量也不變。 (2) 整個(gè)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下午7時(shí)59分48喻國華二、管路計(jì)算二、管路計(jì)算基本方程:連續(xù)性方程:udVs24柏努利方程:2)(22211udlgzpWgzpe阻力計(jì)算(摩擦系數(shù)):dud, 物性、一定時(shí),需給定獨(dú)立的9個(gè)參數(shù),方可求解其它3個(gè)未

15、知量。下午7時(shí)59分49喻國華(1)設(shè)計(jì)型計(jì)算 設(shè)計(jì)要求:規(guī)定輸液量Vs,確定一經(jīng)濟(jì)的管徑及供液點(diǎn)提供的位能z1(或靜壓能p1)。 給定條件: (1)供液與需液點(diǎn)的距離,即管長l; (2)管道材料與管件的配置,即及 ; (3)需液點(diǎn)的位置z2及壓力p2; (4)輸送機(jī)械 We。fp選擇適宜流速確定經(jīng)濟(jì)管徑下午7時(shí)59分50喻國華(2)操作型計(jì)算 已知:管子d 、l,管件和閥門 ,供液點(diǎn)z1、p1, 需液點(diǎn)的z2、p2,輸送機(jī)械 We; 求:流體的流速u及供液量VS。 已知:管子d、 l、管件和閥門 、流量Vs等, 求:供液點(diǎn)的位置z1 ; 或供液點(diǎn)的壓力p1; 或輸送機(jī)械有效功We 。下午7時(shí)

16、59分51喻國華 試差法計(jì)算流速的步驟:(1)根據(jù)柏努利方程列出試差等式;(2)試差:查假設(shè)duRe符合?可初設(shè)阻力平方區(qū)之值注意:若已知流動(dòng)處于阻力平方區(qū)或?qū)恿?,則無需 試差,可直接解析求解。下午7時(shí)59分52喻國華三、阻力對(duì)管內(nèi)流動(dòng)的影響pApBpaF11 22 AB 閥門F開度減小時(shí):(1)閥關(guān)小,閥門局部阻力系數(shù) Wf,A-B 流速u 即流量; 下午7時(shí)59分53喻國華(2)在1-A之間,由于流速u Wf,1-A pA ; (3)在B-2之間,由于流速u Wf,B-2 pB 。 結(jié)論結(jié)論:(1)當(dāng)閥門關(guān)小時(shí),其局部阻力增大,將使管路中流量下降;(2)下游阻力的增大使上游壓力上升;(3)

17、上游阻力的增大使下游壓力下降。 可見,管路中任一處的變化,必將帶來總體的變化,因此必須將管路系統(tǒng)當(dāng)作整體考慮。下午7時(shí)59分54喻國華例例1-9 粘度為30cP、密度為900kg/m3的某油品自容器A流過內(nèi)徑40mm的管路進(jìn)入容器B 。兩容器均為敞口,液面視為不變。管路中有一閥門,閥前管長50m,閥后管長20m(均包括所有局部阻力的當(dāng)量長度)。當(dāng)p1p2ABpapa下午7時(shí)59分55喻國華閥門全關(guān)時(shí),閥前后的壓力表讀數(shù)分別為8.83kPa和4.42kPa?,F(xiàn)將閥門打開至1/4開度,閥門阻力的當(dāng)量長度為30m。試求:(1)管路中油品的流量;(2)定性分析閥前、閥后的壓力表的讀數(shù)有何變化? 例例1

18、-10 10C水流過一根水平鋼管,管長為300m,要求達(dá)到的流量為500l/min,有6m的壓頭可供克服流動(dòng)的摩擦損失,試求管徑。下午7時(shí)59分56喻國華例例1-11 如附圖所示的循環(huán)系統(tǒng),液體由密閉容器A進(jìn)入離心泵,又由泵送回容器A。循環(huán)量為1.8m3/h,輸送管路為內(nèi)徑等于25mm的碳鋼管,容器內(nèi)液面至泵入口的壓頭損失為0.55m,離心泵出口至容器A液面的壓頭損失為1.6m,泵入口處靜壓zA頭比容器液面靜壓頭高出2m。試求:(1)管路系統(tǒng)需要離心泵提供的壓頭;(2)容器液面至泵入口的垂直距離z。下午7時(shí)59分57喻國華復(fù)雜管路復(fù)雜管路 一、并聯(lián)管路并聯(lián)管路 AVSVS1VS2VS3B1、特

19、點(diǎn):(1)主管中的流量為并聯(lián)的各支路流量之和;321SSSSmmmm下午7時(shí)59分58喻國華(2)并聯(lián)管路中各支路的能量損失均相等。 fABfffWWWW321321SSSSVVVV不可壓縮流體注意:計(jì)算并聯(lián)管路阻力時(shí),僅取其中一支路即 可,不能重復(fù)計(jì)算。下午7時(shí)59分59喻國華2. 并聯(lián)管路的流量分配2)(2iiieifiudllW24isiidVu52222)(8421)(iiesiiisiiieifidllVdVdllW而335322521151321)(:)(:)(:eeeSSSlldlldlldVVV支管越長、管徑越小、阻力系數(shù)越大流量越??; 反之 流量越大。 下午7時(shí)59分60喻國

20、華COAB分支管路COAB匯合管路二、分支管路與匯合管路二、分支管路與匯合管路 下午7時(shí)59分61喻國華1、特點(diǎn):(1)主管中的流量為各支路流量之和;21SSSVVV21SSSmmm不可壓縮流體(2)流體在各支管流動(dòng)終了時(shí)的總機(jī)械能與能量損失之和相等。 fOBBBBfOAAAAWugzpWugzp222121下午7時(shí)59分62喻國華 例例1-12 如圖所示,從自來水總管接一管段AB向?qū)嶒?yàn)樓供水,在B處分成兩路各通向一樓和二樓。兩支路各安裝一球形閥,出口分別為C和D。已知管段AB、BC和BD的長度分別為100m、10m和20m(僅包括管件的當(dāng)量長度),管內(nèi)徑皆為30mm。假定總管在A處的表壓為0

21、.343MPa,不考慮分支點(diǎn)B處的動(dòng)能交換和能量損失,且可認(rèn)為各管段內(nèi)的流動(dòng)均進(jìn)入阻力平方區(qū),摩擦系數(shù)皆為0.03,試求:下午7時(shí)59分63喻國華 (1)D閥關(guān)閉,C閥全開( )時(shí),BC管的流量為多少? (2)D閥全開,C閥關(guān)小至流量減半時(shí),BD管的流量為多少?總管流量又為多少?4 . 65mACDB自來水總管下午7時(shí)59分64喻國華流速與流量的測量流速與流量的測量 測速管測速管孔板流量計(jì)孔板流量計(jì) 文丘里流量計(jì)文丘里流量計(jì) 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì) 下午7時(shí)59分65喻國華流速與流量的測量流速與流量的測量 測速管(皮托管)測速管(皮托管)一、結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二、原理二、原理 內(nèi)管A處.221uppA

22、外管B處ppB下午7時(shí)59分66喻國華點(diǎn)速度:pu2.)(20.Rgu即討論:討論:(1)皮托管測量流體的點(diǎn)速度,可測速度分布曲線;.2.221)21(upuppppBA下午7時(shí)59分67喻國華三、安裝三、安裝 (1)測量點(diǎn)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(yán)格垂直于流動(dòng)方向;(3)皮托管外徑d0不應(yīng)超過管內(nèi)徑d的1/50,即d0Re臨界時(shí),)(100AAfC (3) 測量范圍一般 C0=0.60.7RVS2SVR 孔板流量計(jì)的測量范圍受U形壓差計(jì)量程決定。dRe0C10AARe臨界值下午7時(shí)59分75喻國華三、安裝及優(yōu)缺點(diǎn) (1)安裝在穩(wěn)定流段,上游l10d,下游l5d;(2)結(jié)構(gòu)簡單,制造與安裝方便 ;(3)能量損失較大 。下午7時(shí)59分76喻國華 屬差壓式流量計(jì); 能量損失小,造價(jià)高。文丘里(文丘里(Venturi)流量計(jì))流量計(jì)下午7時(shí)59分77喻國華)(200RgACVVSCV流量系數(shù)(0.980.99) A0喉管處截面積下午7時(shí)59分78喻國華轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì) 一、結(jié)構(gòu)與原理一、結(jié)構(gòu)與原理 從轉(zhuǎn)子的懸浮高度直接讀取流量數(shù)值。

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