化工原理第一章第四节lr.ppt

2020 1 25 第一章流体流动 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 第四节管内流动的阻力损失 2020 1 25 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 局部阻力 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 沿程损失 2020 1 25 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 2020 1 25 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 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 2020 1 25 一 流体在直管中的流动阻力 1 计算圆形直管阻力的通式 2020 1 25 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 2020 1 25 圆形直管内能量损失与摩擦应力关系式 2 公式的变换 2020 1 25 圆形直管阻力所引起能量损失的通式称为范宁公式 对于滞流或湍流都适用 为无因次的系数 称为摩擦因数 2020 1 25 3 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 以 表示 绝对粗糙度与管道直径的比值即 d 2020 1 25 2020 1 25 4 滞流时的摩擦损失 哈根 泊谡叶公式 滞流流动时 与Re的关系 2020 1 25 思考 滞流流动时 当体积流量为Vs的流体通过直径不同的管路时 Pf与管径d的关系如何 可见 2020 1 25 5 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 通过初步的实验结果和较系统的分析 找出影响过程的主要因素 也就是找出影响过程的各种变量 利用因次分析 将过程的影响因素组合成几个无因次数群 以期减少实验工作中需要变化的变量数目 2020 1 25 建立过程的无因次数群 一般常采用幂函数形式 通过大量实验 回归求取关联式中的待定系数 因次分析法特点 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 从而大大减少了实验次数 使实验简便易行 依据 因次一致性原则和白金汉 Buckinghan 所提出的 定理 2020 1 25 因次一致原则 凡是根据基本的物理规律导出的物理量方程式中各项的因次必然相同 也就是说 物理量方程式左边的因次应与右边的因次相同 定理 一个表示n个物理量间关系的方程式 通常可以转换成包含 n r 个独立的特征数见得关系式 r指n个物理量中所涉及到的基本量纲的数目 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 湍流摩擦系数的无因次数群 2020 1 25 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 2020 1 25 以b f g表示a c e 则有 代入 1 式 得 2020 1 25 整理 得 因此 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 2020 1 25 6 直管内湍流流动的阻力损失 湍流流动 取l d的指数b 1 2020 1 25 1 摩擦因数图 a 层流区 Re 2000 与Re成直线关系 64 Re b 过渡区 2000 Re 4000 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 c 湍流区 Re 4000且在图中虚线以下处时 值随Re数的增大而减小 d 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 根据范宁公式 若l d一定 则阻力损失与流速的平方成正比 称作阻力平方区 2020 1 25 2020 1 25 2 值的经验关系式 柏拉修斯 Blasius 光滑管公式 适用范围为Re 3 103 1 1057 非圆形管内的摩擦损失对于圆形管道 流体流径的管道截面为 流体润湿的周边长度为 dde 4 流道截面积 润湿周边长度 2020 1 25 对于长宽分别为a与b的矩形管道 对于一外径为d1的内管和一内径为d2的外管构成的环形通道 2020 1 25 二 局部阻力损失 1 局部阻力损失的计算1 阻力系数法 为阻力系数 由实验测定 突然扩大与突然缩小 u 取小管的流速 可根据小管与大管的截面积之比查图 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 A1 0 管进口阻力系数 i 0 5 2020 1 25 2020 1 25 2 当量长度法 le为管件的当量长度 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 三 管路中的总能量损失 管路系统中总能量损失 直管阻力 局部祖力 对直径相同的管段 2020 1 25 2020 1 25 2020 1 25 2020 1 25 2020 1 25 2020 1 25 2020 1 25 2020 1 25 2020 1 25 2020 1 25 例 用泵把20 的苯从地下储罐送到高位槽 流量为300l min 高位槽液面比储罐液面高10m 泵吸入管路用 89 4mm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 57 3 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 2020 1 25 分析 求泵的轴功率 柏努利方程 管径不同 范宁公式 l d已知 摩擦因数图 2020 1 25 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 2020 1 25 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 i 0 5 2020 1 25 苯的密度为880kg m3 粘度为6 5 10 4Pa s 取管壁的绝对粗糙度 0 3mm d 0 3 81 0 0037 查得 0 029 2020 1 25 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