1.3 流体流动-流体阻力的计算ppt课件

化学原理，Reporter，基础，1，2，4，流体静力学，流体流动类型，第一章流体流动的主要内容，3，流体力学，5，流体流动阻力计算，6，管道计算水流速低的时候，玻璃管的水流上出现了稳定明确的染色线。指示流体粒子沿管道的轴直线运动。换句话说，流体分层流动，每层流体以不同的速度向前移动，这种流动模式称为层流或滞流。水的流速逐渐增加到一定程度，染色细线就会开始弯曲，呈波浪形。指示流体粒子不仅沿着管状体的轴向前移动，而且开始径向移动。当水流达到极限时，细线将完全消失，水流主体和均匀颜色将完全混合。流体粒子整体沿线向前移动，表示有任意方向的随机运动，这种流动模式称为湍流或湍流。急流在流速快的部分径向混合很强，但在墙附近流体流速很慢(为什么？)，壁面流体的流速为零，这部分流体的水平很薄，通常称为层流底部(层流内部)。层流底部和湍流层的交点称为过渡区。边界层和边界层分离边界层形成方法：管入口边界层的发展边界层分离(分离)现象：自学，流动标准雷诺数流动类型是层流还是湍流？雷诺发现，流体的流速不仅能引起流动类型的转换，还具有直径和流体的粘度、密度。基于许多实验，雷诺数(雷诺数)和符号Re (re)来表示影响流型的这些因素是什么？单位：m，单位：m/s，单位：kg/m3，单位：kg/(ms)是雷诺数没有出现次数的组，因此，只要每个物理量使用相同的单位制单位，任何单位都无关紧要，因为径向值相同。例如1000kg/m3，粘度为0.00pas的水从直径为0.2m/s的直管流向0.1m/s，另一密度为800kg/m3，粘度为0.005Pas的流体从直径为0.5m的直管流向0.25m/s两个流体流的雷诺数Re是多少？许多实验证明Re值的大小可以确定流体的流动类型。流体在直管内流动时，(2)流动类型不固定，取决于环境条件，可以是层流或湍流。这称为过渡流。在(3)中，流类型为湍流。(1)流动类型为层流。流动流体的管路由直管和配件(t形三通、弯头、管剖面突然放大和缩小等)、阀、流量计等测量组件组成，因此，管道内的流体流动阻力可以分为直管阻力和部分阻力，分别用hf和HF 表示。伯努利方程中，阻力损失是直管阻力和局部阻力损失之和的流体流动阻力的计算，直管阻力损失是流体在直管内以恒定速度流动时两个相反力相互作用的结果。一个是流体流动的动力，这个力的方向与流体流动的方向一致。另一种是阻止流体内部摩擦力产生的流体流动的阻力，与流体流动的方向相反。根据牛顿第二运动定律，只有在两个力平衡并相互抵消的情况下，流体才能在管道内保持稳定的流动。图l-26显示了水平直管(长度为l，管道内径为d)中流体以速度u流动时的力情况。如果垂直作用于上游剖面1的力为，垂直作用于下游剖面2的力为，则流体流动的驱动力为w，即管壁面积的摩擦力，即管壁的摩擦应力，则管内流动流体与管内壁之间的摩擦Fw为w dl。达到稳定流动时，推力和摩擦力平衡。也就是说，从顶部开始，p是表示摩擦引起的压力减少和能量损失的标记。单位J/m3，净单位等压力单位(N/m2)，经常用pf表示-p。如果以J/kg表示能量损失单位，常识是流体在圆形直管内流动时能量损失与管壁摩擦应力之间的关系。直接使用计算很难，所以要把它改为如下。因此是计算圆形直管流动阻力的通用公式，称为可写、命令或泛宁公式，既适用于不可压缩流体稳定流动条件下的层流，也适用于湍流。在表达式中称为摩擦系数，是无人居住的。要通过泛宁公式计算流动阻力，关键是求出摩擦系数。由于流体流动类型不同，流动管道横断面中流体速度分布规律和阻力损失的特性不同，因此摩擦系数的方法也取决于流体流动类型。因此，分别讨论了层流和湍流的速度分布和摩擦系数。层流速度分布和摩擦系数层流中流体层间内部摩擦应力可以用推导层流时间速度分布方程的牛顿粘性定律来表示。为了研究层流的速度分布，将管道轴上的半径r、长度l的流体柱设置为研究对象，以在半径r、直径d的水平管路中实现稳定层流：流体柱上运行的驱动力，如果半径r的流体层流速在ur (r dr)中为相邻流体层流速(ur dur)，则半径方向上的速度梯度为dur/根据牛顿的粘性定律，两相邻流体之间相对运动产生的内摩擦为：向上负号是由于流速ur沿半径r增大而减小的。也就是说，速度拔模dur/dr为负，因此内部摩擦力为正。对于稳定流，根据力平衡条件，即，在管道中心，r=0，ur=umax，代替上层流的速度分布表达式，在圆管中层流时的速度分布是抛物线，在空间中，速度分布图是旋转抛物线的抛物线方程式。通常，流体通过管道横断面的平均流速计算阻力损失。因此，需要确定平均流速和pf之间的关系。为了获得平均流速，通过整个截面的体积流v，在图中所示的管内流动的流体中，非常薄的圆环体，半径r，厚度dr，截面面积dA=2 rdr，因为圆环体很薄，即dr较小，通过截面dA的体积流，可以近似圆环体内流体的流速，平均速度，平均速度，常识(而不是r=d/2)表明，流体在圆形直管内分层时，摩擦系数只是雷诺数的函数，实验结果证明与实际完全一致。湍流速度分布和摩擦系数湍流的速度分布由于湍流流动的复杂性，目前相应的速度公式不能像层流一样完全从理论分支中导出，大部分是综合实验数据得到的经验公式或半经验球。一般来说，nicura (J.Nikuradse)提出了一个更简单的近似指数方程，该方程通过在平滑管上进行大量实验计算湍流的速度分布。也就是说，n表达式与雷诺数Re相关，其值会随着Re的增加而更改为6-10。如果Re=105左右，n=7，则称为，prandtl (Prandtl)1/7平方速度分布方程式。以上两种表达式表示流体在管内流动湍流时的速度分布。但是，在管路计算中，平均速度布线更有用。根据湍流中速度分布的指数方程，执行与层流相同的诱导，可以得到湍流中平均速度根和最大速度umax的关系。湍流流中通过截面dA的流体体积流dV为：积分，平均流速，如上分析所示，因为n的值增加，n的值增加了6-10，所以s/umax介于0.791和0.865之间。通常，当流体在管内达到完全湍流(re=1105左右)时，平均流速约为最大流速的0.82倍。湍流流动有层流低层，层流低层的厚度虽然薄，但通常只有1/1毫米，但对湍流流动的阻力损失和流体与壁面之间的传热等物理现象有重要影响，此影响与管道的相对粗糙度有关。管道壁突出部分的平均高度称为管道壁绝对粗糙度，以表示。绝对粗糙度与管道直径之比/d称为管道壁的相对粗糙度。根据管道的材料种类和加工方法，通常可以将管道分为软管道和粗管道。玻璃管、钢管、塑料管等通常列为软管。列出钢管、铸铁管道等作为粗糙管道。因此，阻力损失计算不仅需要考虑雷诺数的大小，还需要考虑管道壁的相对粗糙度大小。粗糙度如何表示？管壁粗糙度对阻力系数的影响首先在人工粗管中确定。人工粗糙的管道能将同样大小的沙粒固定在普通的管道壁上，人工制造粗糙度，可以精确测量其粗糙度。工业管道挤出的高低不同，难以准确测量，通过实验测量阻力，计算值，然后得到相当的相对粗糙度，称为实际管道的等效相对粗糙度/d。在等效相对粗糙度中可以找到等效绝对粗糙度。湍流的摩擦系数-二次分析的应用也称为尺寸分析。湍流流动情况比层流复杂得多，因此湍流时的摩擦系数不能通过理论分析(如层流)完全推导出计算公式。由于影响因素很多，实验量大，很难制作简单的公式。解决方法：首先通过实验分析确定影响流程的主要因素(变量或参数)。然后，使用子分析、相似性等方法，将多个影响因素之间的关系转换成几个独立的无原因组之间的函数关系，最后通过实验建立无原因组之间的特定关系。二次分析的理论基础是，二次一致性原理和定理由于二次一致性原则，任何物理方程的两边或方程的每个项由于二次一致性或二次调和而相同。所有物理方程式都可以转换成无因形式。定理是指，任何物理方程都可以转换为不能出现的组的函数关系，而不是原始物理方程，引用数组(i)的数I等于原始物理方程的变量(自变量)数n减去使用的基本原因数m。i=n-m，通过实验分析影响流体在圆形直管中湍流流动的阻力损失HF的主要因素是流体的密度、粘度、管道的直径d、长度l、管道壁粗糙度；流体的流速u .所需的关联可以用一般的不确定函数形式，即自下而上的元素作为指数方程。即，待定数：7，变量数：7，默认原因数m=？基本因子m=3，也就是l，m，t，将这些因子二次置换到上面的方程中，是的，结合相同的项，左右原因相同(原理是什么？这个方程有6个未知数(指数)，但只有3个方程显然不能把每个未知数一起解出来，只有3个未知数一起解出来。为此，将其中的3个指数显示为其他3。例如，如果用b、y、z表示a、c、x，则可以组合a、c、x。也就是说，用表达式替换a，c，x值，合并前面指数相同的变量，(2)无需替换流体和实验管道。通过水、空气等将实验结果推广到其他流体中，并将小型实验装置的实验结果应用到大型装置中。(1)二次分析仅以变量的因式为基础，纯粹形式处理函数，进行转换处理。因为不需要深入了解物理过程的机制，二次分析也不会有助于深化物理过程的机制，可以大大减少实验工作量。因此，子分析是规划简单可行的实验阶段的有效工具，应用非常广泛。，(2)子分析的可靠性取决于确定的主要影响因素(物理量)完备、淮确定和实验测量的准确度。如果省略对正在研究的物理过程有重要影响的物理量，则结果发生数组不能建立通过实验确定的关系，使用子分析注意事项：(4)此外，如果b，y，z表示a，c，x，而不是联立方程(a，c，x)，则之前和之后，(3)引入不必要的物理量，可以得到无意义的无原因组，也可以与其他无原因组没有关联。因此，需要对正在研究的物理过程进行更详细的分析调查，以确保与研究对象相关的物理量和所需的每个无条件组尽可能具有明确的物理意义。-表示压力与惯性力(称为欧拉相容)的比率。-表示惯性与粘性力的比率，称为雷诺数相容。l/d和/d都是特定几何的每个相关尺寸的非从属比例。其中/d是管壁的相对粗糙度，对摩擦系数有重要影响。实验结果表明，d、u、和不变时，电阻损失与管生长成正比，因此b=1；人们在很多实验的基础上进行了分析处理，总结了不少经验公式和关系图。湍流时的摩擦系数根据=f(Re，/d)的函数关系关联实验数据，得到各种形式计算的经验公式，下面列出了一些比较常见的经验公式。这种实验式的形式有差异，但在各自的适用范围内，计算结果都很接近实际。re=5103到1105，以及适用于平滑管的Blasius (blasius)公式。适用于re=3103到3106以及平滑管，公式如圆球尤金。根据Re=3103到3106以及内径为50到200mm的钢管和铁管、colbrooke (Coiebrook)公式、摩擦阻力图、摩擦系数以及Re和/d的特性，图表中的以下四个区域为：RRS与管壁粗糙度无关，但仅Re值具有-1斜度的直线关系，即=64/Re，理论分析结果相同。20004000和图中虚线以下区域、湍流区域。在此区域中与Re和/d相关。/d值恒定时随Re的增加而减少，Re值增加到特定值时，该值降低得很慢。在Re恒定的情况下，随/d的增加而增加。此区域底部的曲线是流体通过软管湍流时的Re关系曲线。完全湍流区域，即虚线的右上区域。在此区域中，层流层的楼板厚度小于管道壁的绝对粗糙度(即b )，墙面的突出部分延伸到湍流中，流体粒子与凸出部分碰撞，涡流是导致阻力损失的主要因素，因此摩擦系数与Re无关，仅与/d有关。在