流體輸送操作-管路中流體流動(dòng)阻力的測(cè)定（化工單元操作課件）

項(xiàng)目一流體輸送操作任務(wù)七管路中流體阻力的測(cè)定引入：化工生產(chǎn)中許多單元操作都是在流體流動(dòng)的情況下進(jìn)行的，流體通過管路進(jìn)

行流動(dòng)和輸送，因此必須了解流體的流動(dòng)規(guī)律，了解流體在管路中的流動(dòng)形態(tài)。

實(shí)際流體在流動(dòng)過程中因?yàn)橛凶枇Φ拇嬖诙鴮?dǎo)致能量損失。黏性是流體阻力產(chǎn)生的根本原因，理想流體沒有黏性，所以在流動(dòng)過程中沒有阻力。黏度作為衡量實(shí)際流體黏性大小的物理量，其值越大，表示在同樣的流動(dòng)情況下，流體在流動(dòng)過程中的阻力就越大。任務(wù)：回憶黏度的概念

研究發(fā)現(xiàn)，同一種流體在同一個(gè)管路中流過時(shí)，由于流速不同，也會(huì)產(chǎn)生不同的阻力。1883年，雷諾通過實(shí)驗(yàn)找到了原因：流體在流動(dòng)過程中，當(dāng)流速不同時(shí)，流體中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是不同的，從而導(dǎo)致阻力的不同。一、流體的流動(dòng)形態(tài)

如圖所示，水槽液位保持恒定，出口管路流量由閥門來調(diào)節(jié)，高位槽內(nèi)為紅色液體，有一旋塞用以調(diào)節(jié)流量的大小，其出口與水平管中心重合。任務(wù)：讀表1-6，分清流體的流動(dòng)形態(tài)1.兩種流動(dòng)形態(tài)層流：流體沿管軸方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合湍流：流體除沿管軸方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間相互碰

撞和混合。一、流體的流動(dòng)形態(tài)一、流體的流動(dòng)形態(tài)2.流動(dòng)形態(tài)的判定一、流體的流動(dòng)形態(tài)（1）雷諾準(zhǔn)數(shù)為了確定流體的流動(dòng)型態(tài)，雷諾通過進(jìn)行了歸納總結(jié)。影響流體流動(dòng)形態(tài)的因素主要有：流體的密度ρ、粘度μ、流速u和管內(nèi)徑d等，這些物理量組成一個(gè)數(shù)群，稱為雷諾準(zhǔn)數(shù)（Re），用來判定流動(dòng)型態(tài)。雷諾準(zhǔn)數(shù)，無單位。Re大小反映了流體的湍動(dòng)程度，Re越大，流體流動(dòng)湍動(dòng)性越強(qiáng)。2.流動(dòng)形態(tài)的判定一、流體的流動(dòng)形態(tài)（2）判斷依據(jù)注意：在2000<Re<4000時(shí)，可能是層流，也可能是湍流，是一種不穩(wěn)定的過渡狀態(tài)。一、流體的流動(dòng)形態(tài)3.應(yīng)用例1：20℃的水在?57mm×3.5mm的鋼管內(nèi)流動(dòng)，流速為2m/s,試判斷流體的流動(dòng)形態(tài)。（已知：ρ=998.2kg/m3，μ=1.005×10-3Pa·s）例2：20℃的水以45m3/h的流量，在?45mm×2.5mm的鋼管內(nèi)流動(dòng),試判斷水的流動(dòng)形態(tài)。一、流體的流動(dòng)形態(tài)拓展學(xué)習(xí)4.湍流流體中的層流內(nèi)層當(dāng)管內(nèi)流體作湍流流動(dòng)時(shí)，不管管內(nèi)流體的湍動(dòng)程度有多大，管壁處的流體流速為0，緊靠壁面的流體薄層速度很低，仍然保持在作層流流動(dòng)，這個(gè)薄層稱為層流內(nèi)層。

層流內(nèi)層的厚度隨雷諾數(shù)Re值的增大而減小，但不會(huì)消失，自該層向管中心推移速度逐漸增大，出現(xiàn)了介于層流和湍流間的過渡流，稱為過渡層或緩沖層，再向管中心移動(dòng)才是湍流主體。層流內(nèi)層雖然很薄，但對(duì)傳熱和傳質(zhì)過程都有很大的影響，是傳遞過程的主要阻力。一、流體的流動(dòng)形態(tài)流體在管內(nèi)作湍流流動(dòng)時(shí)，橫截面上沿徑向分為層流內(nèi)層，過渡層和湍流主體三部分。4.湍流流體中的層流內(nèi)層一、流體的流動(dòng)形態(tài)4.湍流流體中的層流內(nèi)層一、流體的流動(dòng)形態(tài)二、流體的流動(dòng)阻力引入：流體流動(dòng)阻力的產(chǎn)生是因?yàn)榱黧w具有黏性（內(nèi)因）和流體的流

動(dòng)形態(tài)（外因）。任務(wù)：分析完整的管路系統(tǒng)的構(gòu)成化工管路系統(tǒng)直管——直管阻力管件、閥門——局部阻力二、流體的流動(dòng)阻力引入：流體流動(dòng)阻力的產(chǎn)生是因?yàn)榱黧w具有黏性（內(nèi)因）和流體的流動(dòng)形態(tài)（外因）。1.流體阻力的表現(xiàn)

在一液面恒定的敞口容器下部接一段水平等徑管路，相隔一定的距離連接兩段細(xì)玻璃管，管路中有一流量調(diào)節(jié)閥，開啟閥門，使流量達(dá)到一定值時(shí)，可觀察到三個(gè)液面出現(xiàn)如圖所示的高度差，由前面可知，玻璃管內(nèi)的液柱高度實(shí)際上反映了該處液體的壓強(qiáng)，即p1>p2。說明流體從1-1面流到2-2面的能量損失是靠靜壓能的減少而提供的，即流體阻力表現(xiàn)為靜壓強(qiáng)的降低。二、流體的流動(dòng)阻力2.直管阻力的計(jì)算（1）定義：流體流經(jīng)直徑不變的直管時(shí)產(chǎn)生的阻力。（2）表達(dá)式：又稱沿程阻力范寧公式任務(wù)：分析范寧公示中各物理量的意義hf——直管阻力，J/kg；——摩擦系數(shù)，無量綱；l——直管的長(zhǎng)度，m；d——直管的內(nèi)徑，m；u——流體在管內(nèi)的流速，m/s。阻力表現(xiàn)為靜壓強(qiáng)的降低，表示靜壓能的損失，還可以用壓力降Δpf表示。二、流體的流動(dòng)阻力想一想？由公式分析影響直管阻力的因素，進(jìn)而分析管路如何布設(shè)才能盡可能減小流動(dòng)阻力。1.直管阻力的計(jì)算二、流體的流動(dòng)阻力1.直管阻力的計(jì)算（3）管壁的粗糙度工業(yè)管道：光滑管：玻璃管、銅管、塑料管粗糙管：鋼管、鑄鐵管、水泥管引入：摩擦系數(shù)與哪些因素有關(guān)系？

①管壁的粗糙程度；②流體的流動(dòng)形態(tài)Re。絕對(duì)粗糙度：管壁凸出部分的平均高度，用ε表示相對(duì)粗糙度：絕對(duì)粗糙度與管道內(nèi)徑的比值，用ε/d表示二、流體的流動(dòng)阻力1.直管阻力的計(jì)算（4）摩擦系數(shù)λ的計(jì)算將代入范寧公式，則有：①層流時(shí)λ的計(jì)算層流時(shí)，流體是平行流動(dòng)的，層流內(nèi)層的厚度完全覆蓋了管壁凸凹不平的壁面，流體的質(zhì)點(diǎn)與管壁凸凹部分不會(huì)發(fā)生碰撞，所以層流時(shí)，λ與管子的粗糙度無關(guān)，只與Re有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)證明：想一想：層流時(shí)管徑增大一倍，阻力損失變

為原來的多少？二、流體的流動(dòng)阻力1.直管阻力的計(jì)算（4）摩擦系數(shù)λ的計(jì)算①湍流時(shí)λ的計(jì)算湍流時(shí)，流體的層流內(nèi)層厚度很薄，不能覆蓋管壁凸凹不平的壁面，流體的質(zhì)點(diǎn)與管壁凸凹部分會(huì)發(fā)生碰撞，使湍流程度加劇，此時(shí)ε對(duì)λ的影響很大，

λ=f（Re、ε/d），λ可通過Moody圖得到。二、流體的流動(dòng)阻力1.直管阻力的計(jì)算Moody圖二、流體的流動(dòng)阻力1.直管阻力的計(jì)算（5）湍流時(shí)的直管阻力根據(jù)雷諾數(shù)的不同，將Moody圖分成了四個(gè)區(qū)域：層流區(qū)當(dāng)Re≤2000時(shí)，λ與Re是直線關(guān)系，與相對(duì)粗糙度無關(guān)。過渡區(qū)

2000<Re<4000，管內(nèi)流動(dòng)隨外界條件的影響出現(xiàn)不同的流動(dòng)形態(tài)，摩

擦系數(shù)也因此出現(xiàn)波動(dòng)，不確定。c.湍流區(qū)Re≥4000，

且在圖中虛線以下處，

λ與Re和ε/d都有關(guān)系，對(duì)于一定的ε/d，

λ隨Re數(shù)值的增大而減小。d.完全湍流區(qū)

圖中虛線以上區(qū)域，λ與Re的數(shù)值無關(guān)，λ的數(shù)值只取決于ε/d，

λ-Re

曲線幾乎呈水平線，當(dāng)ε/d一定時(shí)，

λ為定值常數(shù)。識(shí)圖：找出流體湍流時(shí)流過粗糙管，雷諾Re=4×104，

ε/d=0.02時(shí)的摩擦系數(shù)二、流體的流動(dòng)阻力1.直管阻力的計(jì)算二、流體的流動(dòng)阻力1.直管阻力的計(jì)算二、流體的流動(dòng)阻力回憶：管路的基本構(gòu)成引入：化工管路中使用的管件種類繁多，各種管件都會(huì)產(chǎn)生阻力損失，和直管阻力的沿程均勻分布不同，這種阻力損失主要集中在管件所在處，因而稱為局部阻力損失。其它管件，如各種閥門都會(huì)由于流道的急劇改變而發(fā)生類似的現(xiàn)象，造成局部阻力損失。二、流體的流動(dòng)阻力2.局部阻力的計(jì)算（1）定義：流體流經(jīng)管件、閥門等局部元件，由于流動(dòng)方向及流速大小改變

或流通截面突然變化而引起的阻力。（2）計(jì)算方法：當(dāng)量長(zhǎng)度法阻力系數(shù)法任務(wù)：回憶直管阻力計(jì)算

范寧公式表達(dá)式二、流體的流動(dòng)阻力2.局部阻力的計(jì)算①當(dāng)量長(zhǎng)度法將局部阻力折合成直徑相同一定長(zhǎng)度直管的阻力。

le—管件或閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定若管路中有多個(gè)管件，應(yīng)分別計(jì)算后加和。

二、流體的流動(dòng)阻力2.局部阻力的計(jì)算①當(dāng)量長(zhǎng)度法二、流體的流動(dòng)阻力2.局部阻力的計(jì)算

ζ---局部阻力系數(shù)任務(wù)：讀表1-7②阻力系數(shù)法3.總阻力的計(jì)算總阻力=直管阻力+局部阻力∑hf=hf+hf′常用管件的ζ值可從資料中查得。將所有影響局部阻力的因素全部歸結(jié)到一個(gè)系數(shù)上，即動(dòng)能的倍數(shù)。二、流體的流動(dòng)阻力2.局部阻力的計(jì)算例：將原料液從貯槽輸送到精餾塔中，已知輸送管路管長(zhǎng)10m，管徑為40mm，管路中裝有45o標(biāo)準(zhǔn)彎頭一個(gè)，截止閥（全開）一個(gè)，若維持進(jìn)料液流速為1.0m/s，求管路中局部阻力的大小。（已知：λ=0.02）3.總阻力的計(jì)算例：將料液由敞口高位槽流入精餾塔中，輸送管路為Ф45mm×2.5mm的無縫鋼管，直管長(zhǎng)10m，管路中裝有180°彎頭1個(gè)，截止閥（全開）1個(gè)，若維持進(jìn)料量為5m3/h，試求操作過程中的總阻力損失為多少？（已知：λ=0.036）二、流體的流動(dòng)阻力4.減小流體流動(dòng)阻力的措施（1）合理布局，盡量減小管長(zhǎng)，少裝不必要的管件及閥門；（2）在滿足工藝要求的條件下，盡可能減短管路；（3）適當(dāng)加大