化工原理第一章第三节和第四节.ppt

第一章 流体流动 第三节 流体的流动现象 Date 雷诺数雷诺数ReRe Re是一个没有单位，没有因次的纯数，称为准数或无因次数群 计算Re时，一定要注意各个物理量的单位必须统一 雷诺准数可以判断流型 流体在圆形直管内流动时： 流体的流动类型属于滞流 流体的流动类型属于湍流 可能是滞流，也可能是湍流 Date 四、边界层的概念 流速降为未受影响流速的99%以内的区域 。 边界层： 1 1、边界层的形成、边界层的形成 边界层区 主流区 Date 2 2、边界层的发展、边界层的发展 1 1）流体在平板上的流动）流体在平板上的流动 Date 对于滞流边界层： 对于湍流边界层： 边界层内的流动为滞流 ； 边界层内的流动为湍流； 在平板前缘处，x=0，则=0。随着流动路程的增长，边 界层逐渐增厚；随着流体的粘度减小，边界层逐渐减薄 Date 2 2）流体在圆形直管进口段内的流动）流体在圆形直管进口段内的流动 流体在圆管内流动时，边界层汇合处与管入口的距离x0 称作进口段长度，或稳定段长度。 一般滞流时通常取稳定段长度x0=(50-100)d，湍流时稳定 段长度约为(40-50)d。 Date 3 3、边界层的分离、边界层的分离 A点 流速为零 压强最大 驻点 加速减压 B点(umax，pmin) 减速加压 C点(u=0，pmax) 边界层分离 Date 由此可见： 流道扩大时必造成逆压强梯度，逆压强梯度容易造成边界 层的分离 边界层分离造成大量漩涡，大大增加机械能消耗 摩擦阻力：流体沿着壁面流过时的阻力。 形体阻力：由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的能 量损耗。 局部阻力：摩擦阻力与形体阻力之和。 Date 第四节 流体在管内的流动阻力 Date 一、流体在直管中的流动阻力 二、管路上的局部阻力 三、管路系统中的总能量损失 Date 流动阻力产生的根源 流体具有粘性，流动时存在内部摩擦力. 流动阻力产生的条件 固定的管壁或其他形状的固体壁面 管路中的阻力 直管阻力 ： hf 局部阻力： hf 流体流经一定管径的直管时由 于流体的内摩擦而产生的阻力 流体流经管路中的管件、阀门及 管截面的突然扩大及缩小等局部 地方所引起的阻力。 Date 单位质量流体流动时所损失的机械能，J/kg。 单位重量流体流动时所损失的机械能, m。 单位体积的流体流动时所损失的机械能，Pa 。 是流动阻力引起的压强降。 注意： 与柏努利方程式中两截面间的压强差 的区别 以表示， Date 表示的不是增量，而P中的表示增量； 2.一般情况下，P与Pf在数值上不相等； 注意： 只是一个符号 ；并不是两截面间的压强差 1. 3.只有当流体在一段既无外功加入、直径又相同的水平管 内流动时， P与压强降Pf在绝对数值上才相等。 Date 一、流体在直管中的流动阻力 1 1、计算圆形直管阻力的通式、计算圆形直管阻力的通式 1 2 21 Date 垂直作用于截面1-1上的压力 ： 垂直作用于截面2-2上的压力 ： 平行作用于流体表面上的摩擦力为 ： Date 与 比较，得： 2 2、公式的变换、公式的变换 范宁公式范宁公式 适用范围：层流与湍流 摩擦因数 。 Date 3 3、管壁粗糙度对摩擦系数的影响、管壁粗糙度对摩擦系数的影响 化工管路 光滑管 粗糙管 玻璃管、黄铜管、塑料管 钢管、铸铁管 管壁粗糙度 绝对粗糙度 相对粗糙度 壁面凸出部分的平均高度 绝对粗糙度与管道直径的比值 /d 。 Date Date 4. 4. 滞流时的摩擦损失滞流时的摩擦损失 哈根哈根- -泊谡叶公式泊谡叶公式 与范宁公式 对比，得： 滞流流动时与Re的关系 Date 滞流流动时，当体积流量为滞流流动时，当体积流量为V V s s 的流体通过直径不的流体通过直径不 同的管路时同的管路时, , P P f f 与管径与管径d d的关系如何？的关系如何？ Date 5 5、湍流时的摩擦系数与因次分析法、湍流时的摩擦系数与因次分析法 求 Pf 实验研究建立经验关系式的方法 基本步骤： 1) 找出影响过程的各种变量 2) 利用因次分析，将过程的影响因素组合成几个无因次数群 3) 建立过程的无因次数群，采用幂函数形式 因次分析法因次分析法 Date 特点：通过因次分析法得到数目较少的无因次变量，按 无因次变量组织实验，从而大大减少实验次数。 依据：因次一致性原则和白金汉(Buckinghan)的定理 凡是根据基本的物理规律导出的物理量方程 式，式中左边的因次应与右边的因次相同。 因次一致原则 ： 定理： 湍流摩擦系数的无因次数群： 湍流时影响阻力损失的主要因素有： 管径 d 管长 l 平均速度 u 流体密度 粘度 管壁粗糙度 Date 用幂函数表示为： 以基本因次质量（M）、长度(L)、 时间(t) 表示各物理量 代入（1）式，得： Date 以b，f，g表示a，c，e，则有： 代入（1）式，得： 整理，得： Date 式中： 数群（4）=变量（7）-基本因次（3） 管子的长径比； 雷诺数Re； 欧拉准数，以Eu表示 。 6. 6. 直管内湍流流动的阻力损失直管内湍流流动的阻力损失 湍流流动，取l/d的指数b=1 。 Date 1）摩擦因数图 层流区：Re2000，与Re成直线关系，=64/Re。 过渡区：2000Re4000，管内流动随外界条件的影响而 出现不同的流型，摩擦系数也因之出现波动。 湍流区：Re4000且在图中虚线以下处时，值随Re数 的增大而减小。 完全湍流区： 图中虚线以上的区域，摩擦系数基本上 不随Re的变化而变化，值近似为常数。 阻力平方区阻力平方区 Date Re /d Date 2) 2) 值的经验关系式值的经验关系式 柏拉修斯(Blasius)光滑管公式 适用范围为Re=31031105 7. 7. 非圆形管内的摩擦损失非圆形管内的摩擦损失 对于圆形管道，流体流经的管道截面为: 流体润湿的周边长度为: d 当量直径： de=4流道截面积/润湿周边长度 Date 对于长宽分别为对于长宽分别为a a与与b b的矩形管道，的矩形管道，d d e e = =？ 外径为外径为d d 1 1 的内管和内径为的内管和内径为d d 2 2 的外管构成的环形通的外管构成的环形通 道，道， d de e = =？ Date 二、局部阻力损失 1 1、局部阻力损失的计算、局部阻力损失的计算 1 1）阻力系数法）阻力系数法 为阻力系数 ，由实验测定 。 a）突然扩大与突然缩小 u：小管的流速，可根据小管与大管的截面积之比查图1-26 管出口 b)管出口和管入口 管出口相当于突然扩大, 流体自容器进入管内，相当于突然缩小 A2/A10， 管进口阻力系数，c=0.5。 Date 2 2）当量长度法）当量长度法 le为管件的当量长度。 c）管件与阀门 不同管件与阀门的局部阻力系数可从手册中查取。 管件与阀门的当量长度由试验测定，湍流时，可查共线图。 管路系统中总能量损失=直管阻力+局部阻力 对直径相同的管段： 三、管路的总能量损失 Date 例：用泵把20的苯从地下储罐送到高位槽，流量为 300 l/min。高位槽液面比储罐液面高10m。泵吸入管路用 894mm的无缝钢管，直管长为15m，管路上装有一个 底阀（可粗略的按旋启式止回阀全开时计）、一个标准弯 头；泵排出管用573.5mm的无缝钢管，直管长度为 50m，管路上装有一个全开的闸阀、一个全开的截止阀和 三个标准弯头。储罐及高位槽液面上方均为大气压。设储 罐液面维持恒定。试求泵的轴功率。设泵的效率为70%。 Date 分析：分析： 求泵的轴功率 柏努利方程 Z、u、P已知 求hf 管径不同 吸入管路 排出管路 范宁公式 l、d已知 求求Re、/d 摩擦因数图 当量长度 阻力系数 查图 Date 解：解：取储罐液面为上游截面1-1，高位槽液面为下游截面2-2， 并以截面1-1为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式。 式中： （1）吸入管路上的能量损失 Date 式中 管件、阀门的当量长度为 底阀(按旋转式止回阀全开时计） 6.3m 标准弯头 2.7m 进口阻力系数 c=0.5 Date 苯的密度为880kg/m3，粘度为6.510-4Pas 取管壁的绝对粗糙度=0.3mm，/d=0.3/81=0.0037， 查得=0.029 Date （2）排出管路上的能量损失 hf,b 式中: 管件、阀门的当量长度分别为： 全开的闸阀 0.33m 全开的截止阀 17m 三个标准弯头