化工原理第一章流體流動

化工原理第一章流體流動2023/7/31第1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月一、流動類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)1、雷諾實(shí)驗(yàn)

滯流或?qū)恿魍牧骰蛭闪?023/7/31第2頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2、雷諾數(shù)Re雷諾數(shù)的因次：Re是一個沒有單位，沒有因次的純數(shù)。在計(jì)算Re時(shí)，一定要注意各個物理量的單位必須統(tǒng)一。雷諾準(zhǔn)數(shù)可以判斷流型

2023/7/31第3頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月流體在圓形直管內(nèi)流動時(shí)：流體的流動類型屬于滯流；流體的流動類型屬于湍流；可能是滯流，也可能是湍流，與外界條件有關(guān)?！^渡區(qū)例：20oC的水在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)流動，質(zhì)量流量為200kg/h，試計(jì)算（1）雷諾數(shù)Re,并判斷流動類型；（2）使管內(nèi)保持湍流的最小流速。解：（1）從附錄五查得20oC時(shí)，ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa.s，2023/7/31第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月流速流動屬層流2023/7/31第5頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）因時(shí)屬湍流，故使管內(nèi)保持湍流的最小流速由下式計(jì)算：即管內(nèi)保持湍流的最小流速為0.08m/s2023/7/31第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月二、滯流與湍流的比較

1、流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動特征(1)層流流動時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)沿管軸做有規(guī)則的平行運(yùn)動。流體質(zhì)點(diǎn)無返混,整個流動區(qū)存在速度梯度,速度分布呈拋物線.(2)湍流流動時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)在沿流動方向運(yùn)動的同時(shí)，還做隨機(jī)的脈動。流體質(zhì)點(diǎn)雜亂無章,僅在管壁處存在速度梯度2023/7/31第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（１）層流時(shí)的速度分布（２）湍流時(shí)的速度分布2023/7/31第8頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月三、邊界層的概念

流速降為未受影響流速的99%以內(nèi)的區(qū)域。

邊界層：1、邊界層的形成邊界層區(qū)主流區(qū)2023/7/31第9頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2、邊界層的發(fā)展1）流體在平板上的流動2023/7/31第10頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月3、邊界層的分離A點(diǎn)流速為零壓強(qiáng)最大駐點(diǎn)加速減壓B點(diǎn)(u→max，p→min)減速加壓C點(diǎn)(u=0，p→max)邊界層分離2023/7/31第11頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月由此可見：流道擴(kuò)大時(shí)必造成逆壓強(qiáng)梯度逆壓強(qiáng)梯度容易造成邊界層的分離邊界層分離造成大量漩渦，大大增加機(jī)械能消耗流體沿著壁面流過時(shí)的阻力稱為摩擦阻力。由于固體表面形狀而造成邊界層分離所引起的能量損耗稱為形體阻力。

粘性流體繞過固體表面的阻力為摩擦阻力與形體阻力之和這兩者之和又稱為局部阻力。

2023/7/31第12頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章

流體流動一、直管阻力計(jì)算式二、摩擦阻力系數(shù)計(jì)算方法三、阻力計(jì)算

1.6流動阻力計(jì)算2023/7/31第13頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31——流動阻力產(chǎn)生的根源流體具有粘性，流動時(shí)存在內(nèi)部摩擦力.

——流動阻力產(chǎn)生的條件固定的管壁或其他形狀的固體壁面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。2023/7/31第14頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動。一、流體在直管中的流動阻力

1、計(jì)算圓形直管阻力的通式

2023/7/31第15頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31垂直作用于截面1-1’上的壓力：垂直作用于截面2-2’上的壓力：平行作用于流體表面上的摩擦力為：2023/7/31第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31——圓形直管內(nèi)能量損失與摩擦應(yīng)力關(guān)系式

2、公式的變換

與

比較

,則

得2023/7/31第17頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31

——

圓形直管阻力所引起能量損失的通式稱為范寧公式。（對于層流或湍流都適用）

λ為無因次的系數(shù)，稱為摩擦因數(shù)。2023/7/31第18頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月二、摩擦系數(shù)計(jì)算方法

1、層流時(shí)的摩擦系數(shù)

作用于流體單元左端的總壓力為：作用于流體單元右端的總壓力為：2023/7/31第19頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月作用于流體單元四周的剪應(yīng)力為：2023/7/31第20頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月代入上式得：——滯流流動時(shí)圓管內(nèi)速度分布式

2023/7/31第21頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月流體的體積流量為：層流時(shí)，管截面上速度分布為：2023/7/31第22頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月積分此式可得層流時(shí)平均速度等于管中心處最大速度的一半。2023/7/31第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31——哈根-泊謖葉公式

與范寧公式對比，得：——層流流動時(shí)λ與Re的關(guān)系2023/7/31第24頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/312、管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響化工管路光滑管

粗糙管

玻璃管、黃銅管、塑料管鋼管、鑄鐵管管壁粗糙度絕對粗糙度

相對粗糙度

壁面凸出部分的平均高度，以ε表示。絕對粗糙度與管道直徑的比值即ε/d。2023/7/31第25頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/312023/7/31第26頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/313、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)與因次分析法

求△Pf實(shí)驗(yàn)研究建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的方法

基本步驟：通過初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和較系統(tǒng)的分析，找出影響過程的主要因素，也就是找出影響過程的各種變量。利用因次分析，將過程的影響因素組合成幾個無因次數(shù)群，以期減少實(shí)驗(yàn)工作中需要變化的變量數(shù)目。2023/7/31第27頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31建立過程的無因次數(shù)群，一般常采用冪函數(shù)形式，通過大量實(shí)驗(yàn)，回歸求取關(guān)聯(lián)式中的待定系數(shù)。

因次分析法特點(diǎn)：通過因次分析法得到數(shù)目較少的無因次變量，按無因次變量組織實(shí)驗(yàn)，從而大大減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù)，使實(shí)驗(yàn)簡便易行。依據(jù)：因次一致性原則和白金漢(Buckinghan)所提出的π定理。2023/7/31第28頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31因次一致原則：凡是根據(jù)基本的物理規(guī)律導(dǎo)出的物理量方程式中各項(xiàng)的因次必然相同，也就是說，物理量方程式左邊的因次應(yīng)與右邊的因次相同。π定理：

i=n-mi為數(shù)群數(shù),n為變量數(shù),m

為基本量數(shù)湍流時(shí)影響阻力損失的主要因素有：管徑d

管長l

平均速度u流體密度ρ

粘度μ

管壁粗糙度ε

湍流摩擦系數(shù)的無因次數(shù)群：

2023/7/31第29頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31用冪函數(shù)表示為：以基本因次質(zhì)量（M）、長度(L)、時(shí)間(T)

表示各物理量：代入（1）式，得：2023/7/31第30頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31以b，f，g表示a，c，e，則有：代入（1）式，得：2023/7/31第31頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31整理，得：因此：式中：數(shù)群（4）=變量（7）-基本因次（3）管子的長徑比；雷諾數(shù)Re；歐拉準(zhǔn)數(shù)，以Eu表示。2023/7/31第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/314.直管內(nèi)湍流流動的阻力損失

湍流流動，取l/d的指數(shù)b=1。2023/7/31第33頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/311）摩擦因數(shù)圖

a)層流區(qū)：Re≤2000，λ與Re成直線關(guān)系，λ=64/Re。b)過渡區(qū)：2000＜Re＜4000，管內(nèi)流動隨外界條件的影響而出現(xiàn)不同的流型，摩擦系數(shù)也因之出現(xiàn)波動。

c)湍流區(qū)：Re≥4000且在圖中虛線以下處時(shí)，λ值隨Re數(shù)的增大而減小。

d)完全湍流區(qū)：圖中虛線以上的區(qū)域，摩擦系數(shù)基本上不隨Re的變化而變化，λ值近似為常數(shù)。根據(jù)范寧公式，若l/d一定，則阻力損失與流速的平方成正比，稱作阻力平方區(qū)。2023/7/31第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月0.050.040.030.020.0150.010.0060.0040.0020.0010.00060.00020.00040.00010.00005湍流區(qū)（圖中紅色虛線上方為完全湍流區(qū)）層流過渡區(qū)1031041051061071080.010.10摩擦因數(shù)λ雷諾準(zhǔn)數(shù)Re相對粗糙度2462462462462460.0080.020.030.040.050.060.070.08光滑管圖1-27摩擦因數(shù)λ與Re、ε/d的關(guān)系曲線2023/7/31第35頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/312)λ值的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

柏拉修斯(Blasius)光滑管公式適用范圍為Re=3×103～1×105

5.非圓形管內(nèi)的摩擦損失公式中的直徑用當(dāng)量長度計(jì)算:2023/7/31第36頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31對于長寬分別為a與b的矩形管道：對于一外徑為D的內(nèi)管和一內(nèi)徑為d的外管構(gòu)成的環(huán)形通道2023/7/31第37頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31三、局部阻力損失1、局部阻力損失的計(jì)算1）阻力系數(shù)法

ξ為阻力系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測定。突然擴(kuò)大與突然縮小

u：取小管的流速ξ可根據(jù)小管與大管的截面積之比查圖。管出口b)管出口和管入口管出口相當(dāng)于突然擴(kuò)大,流體自容器進(jìn)入管內(nèi)，相當(dāng)于突然縮小A2/A1≈0，管進(jìn)口阻力系數(shù)，ξc=0.5。2023/7/31第38頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/312）當(dāng)量長度法

le為管件的當(dāng)量長度。管件與閥門不同管件與閥門的局部阻力系數(shù)可從手冊中查取。管件與閥門的當(dāng)量長度由試驗(yàn)測定，湍流時(shí)，可查共線圖。四、管路中的總能量損失管路系統(tǒng)中總