化工原理第一章_流体力学下

1、第一章第一章流体流动流体流动Fluid Flow 流体的基本概念流体的基本概念 静力学方程及其应用静力学方程及其应用 机械能衡算式及柏努机械能衡算式及柏努 利方程利方程 流体流动的现象流体流动的现象 流动阻力的计算、管路计算流动阻力的计算、管路计算 1.4 1.4 流体流动现象流体流动现象 一一 流体的粘性和内摩擦力流体的粘性和内摩擦力 流体的粘性流体的粘性 流体在运动的状态下,有一种抗拒内在的向前运动的特性。粘性是流动性的反面。 流体的内摩擦力流体的内摩擦力 运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。是流体粘性的表现, 又称为粘滞力或粘性摩擦力。 由于粘性存在，流体在管内流动时，管内任一截

2、面上各点的速度并不相同,如图所示。xu=0yu 两流体层之间单位面积上的内摩擦力（或两流体层之间单位面积上的内摩擦力（或称为剪应力）称为剪应力）与垂直于流动方向的速度梯度与垂直于流动方向的速度梯度成正比。成正比。 yxuu=0dudy u/u/ y y表示速度沿法线方向表示速度沿法线方向上的变化率或速度梯度。上的变化率或速度梯度。 设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充满着静止的液体充满着静止的液体。运动着的流体内部相邻两流体层间。运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力，即内摩擦力。由于分子运动而产生的相互作用力，即内摩

3、擦力。 式中式中为比例系数，称为为比例系数，称为粘性系数粘性系数，或，或动力粘度动力粘度（viscosity），简称），简称粘度粘度。流体的粘性愈大，其值愈大上式所表示的关系，称为上式所表示的关系，称为牛顿粘性定律牛顿粘性定律。 流体流体粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完要粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力比水大的缘故。比水大的缘故。 dydu（1-33）二、牛顿粘性定律二、牛顿粘性定律粘性是流体的基本物理特性之一。任何流体都有粘性粘性是流体的基本物理特性之一。任何流体都有

4、粘性，粘性只有在流体运动时才会表现出来粘性只有在流体运动时才会表现出来。 u与与y也可能时如右图的关系，也可能时如右图的关系，则牛顿粘性定律可写成：则牛顿粘性定律可写成： 粘度的单位为粘度的单位为Pas 。常用流体的粘度可查表。常用流体的粘度可查表。dyduoxy 上式中上式中du/dydu/dy为速度梯度为速度梯度dydu（1-33）1、影响因素：流体种类和温度、影响因素：流体种类和温度 a.对于液体：以分子间内聚力为主，温度升高，分子间间隙增大，内聚力降低，下降。 b.对于气体：分子热运动，温度升高，热运动加剧， 上升。2、物理意义、物理意义 牛顿粘性定律说明流体在流动过程中流体层间所产生

5、的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无关。 流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。 式中式中v为运动黏度，多用于工程中的流体黏度为运动黏度，多用于工程中的流体黏度计量。计量。v运动黏度运动黏度三 、流体流动的类型-层流及湍流1、雷诺试验1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。DBAC墨水流线玻璃管雷诺实验2、流体流动状态类型、流体流动状态类型过渡过渡： 流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。过渡流不是一种或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。过渡流不是一种流型。流型。q湍流湍流

6、(turbulent flow)或紊流或紊流: 当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流或紊流。流动状态称为湍流或紊流。q层流层流(laminar flow)或滞流或滞流(viscous flow): 当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就

7、如一层一层的同心圆动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。筒在平行地流动。影响流体流动类型的因素：影响流体流动类型的因素：流体的流速流体的流速u ；管径管径d；流体密度流体密度；流体的黏度流体的黏度。 u u、d d、越大，越大，越小，就越容易从层流转变为湍越小，就越容易从层流转变为湍流。流。上述中四个因素所组成的复合数群上述中四个因素所组成的复合数群du/，是判断流，是判断流体流动类型的准则。体流动类型的准则。 这数群称为这数群称为雷诺准数或雷诺数雷诺准数或雷诺数( (Reynolds number)Reynolds number)，用用ReRe表示。

8、表示。0003)()()(ReTMLTLMLMTLLdu雷诺准数的因次雷诺准数的因次 ReRe数是一个无因次数群。数是一个无因次数群。实验表明实验表明：qReRe20002000，流动类型为层流；，流动类型为层流；qReRe40004000，流动类型为湍流；，流动类型为湍流；q20002000ReRe40004000，流动类型不稳定，可能是层流，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。情况有关。 雷诺准数雷诺准数 ReReduduRe速度分布速度分布：流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的流体流动时，管截面

9、上质点的轴向速度沿半径的变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。 1、流体在圆管中层流时的速度分布、流体在圆管中层流时的速度分布 由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。速度分布为抛物线形状。速度分布为抛物线形状。管中心的流速最大；管中心的流速最大；速度向管壁的方向渐减；速度向管壁的方向渐减；靠管壁的流速为零；靠管壁的流速为零；平均速度为最大速度的一半。平均速度为最大速度的一半。 四、流体在圆管内的速度分布四、流体在圆管内的速度分布max21uu 2、湍流的速度分布、湍流的速度分布目前还没有理论推导目前

10、还没有理论推导，但有经验公式。，但有经验公式。1 2 速度分布有两个区域：速度分布有两个区域： 中心中心(较平坦较平坦); 近管壁近管壁(速度梯度很大速度梯度很大); u壁壁=0.3 近管壁有层流底层；近管壁有层流底层；4 中间为湍流区；中间为湍流区；5 u越大，层流底层越薄；越大，层流底层越薄； ；6 起始段：起始段：特点：特点：湍流湍流层流层流流 型 滞（层）流 湍（紊）流判 据 Re2000 Re 4000质点运动情况沿轴向作直线运动，不存在横向混合和质点碰撞不规则杂乱运动，质点碰撞和剧烈混合。脉动是湍流的基本特点管内速度分布 抛物线方程壁面处uw=0,管中心umax碰撞和混合使速度平均

11、化壁面处uw=0，管中心 表2两种流型的比较max21uu maxu1.5 1.5 流体管内的流动阻力流体管内的流动阻力* 在图在图1-91-9所示的系统中，流体从截面所示的系统中，流体从截面1-11-1流流入，从截面入，从截面2-22-2流出。流出。管路上装有对流体作功的管路上装有对流体作功的泵及向流体输入或从流体取出热量的换热器。泵及向流体输入或从流体取出热量的换热器。 并假设：并假设： （a a）连续稳定流体；）连续稳定流体； （b b）两截面间无旁路）两截面间无旁路 流体输入、输出；流体输入、输出； （c c）系统热损失）系统热损失Q QL L=0=0。 能量损失能量损失：流体在管内从

12、第一截面流到第二截面时，由于流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体层之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力，使一部分机流体层之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力，使一部分机械能转化为热能。我们把这部分机械能称为能量损失。能量损械能转化为热能。我们把这部分机械能称为能量损失。能量损失可以通过阻力计算求得。失可以通过阻力计算求得。流动阻力流动阻力：流体在管路中的流动阻力可分为流体在管路中的流动阻力可分为直管阻力直管阻力和和局部阻力局部阻力两类。两类。直管阻力直管阻力：或沿程阻力。：或沿程阻力。流体流经一定直径流体流经一定直径的直管时所产生的阻力。的直管时所产生的阻力。局部阻力局部阻力：流体流经

13、管件、阀门及进出口时，由于受流体流经管件、阀门及进出口时，由于受到局部障碍所产生的阻力。到局部障碍所产生的阻力。总能量损失总能量损失：为直管阻力与局部阻力所引起能为直管阻力与局部阻力所引起能量损失之总和量损失之总和。uP1dFFP21122l232 ludp由哈根方程：由哈根方程：则能量损失：则能量损失：22Re64264322222)()(udludludldlupfduh式中：式中： 摩擦系数，摩擦系数， =64/Re=64/Re范宁公式范宁公式1 流体在直管中的阻力流体在直管中的阻力1.1 层流时的直管阻力层流时的直管阻力 实验证明，实验证明，湍流运动时，管壁的粗糙度对湍流运动时，管壁的

14、粗糙度对阻力、能量的损失有较大的影响。阻力、能量的损失有较大的影响。q绝对粗糙度绝对粗糙度 ： 管壁粗糙部分的平均高度。管壁粗糙部分的平均高度。q相对粗糙度相对粗糙度 /d：du1.2 湍流时的直管阻力湍流时的直管阻力材料与加工精度；材料与加工精度；光滑管：玻璃管，铜管等；光滑管：玻璃管，铜管等；粗糙管：钢管、铸铁管等。粗糙管：钢管、铸铁管等。使用时间；使用时间；绝对粗糙度可查表或相关手册。绝对粗糙度可查表或相关手册。p 粗糙度的产生粗糙度的产生层流运动层流运动流体运动速度较慢流体运动速度较慢, 与管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系数与与管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系数与 无关，无关， 只与只与R

15、e有关。层流时，有关。层流时， 在粗糙管的流动与在在粗糙管的流动与在光滑管的流动相同。光滑管的流动相同。p 粗糙度对流体流动类型的影响粗糙度对流体流动类型的影响湍流运动湍流运动 ，阻力与层流相似，此时称为水力光滑管。，阻力与层流相似，此时称为水力光滑管。 ，Re b 质点通过凸起部分时产生漩涡质点通过凸起部分时产生漩涡 能能耗耗 。b b b 从理论和实践上可以证明，湍流运动时流体从理论和实践上可以证明，湍流运动时流体的直管阻力为：的直管阻力为：22udlfh 为摩擦系数，为摩擦系数， )(, deR湍流运动时阻力湍流运动时阻力hf在形式上与层流相同。在形式上与层流相同。 0.10 0.09

16、0.08 0.07 0.05 0.04 0.06 0.03 0.05 0.02 0.015 0.04 0.01 0.008 0.006 0.03 0.004 0.025 d 0.002 0.02 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.015 0.0002 0.0001 0.00005 0.01 0.009 0.00001 0.008 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 103 104 105 106 107 108 0.000005 0.000001 雷诺数 du Re莫莫狄狄（Moody）图图层层流流区区湍湍流流区区Re64 过

17、渡区阻力平方区 d Re, d 水水力力光光滑滑管管 Re 22udlhf层流区层流区过渡区过渡区湍流区湍流区完全湍流，粗糙管完全湍流，粗糙管光滑管光滑管Re /d 摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系上图可以分成上图可以分成4个不同区域。个不同区域。层流区：层流区： Re 2000， =64/Re ，与，与 /d无关。无关。过渡区：过渡区：2000 Re 4000湍流区：湍流区：Re 4000, 与与Re 和和 /d有关。有关。完全湍流区完全湍流区(阻力平方区阻力平方区)： 与与Re 无关，无关， 仅与仅与 /d有关。有关。查表举例查表举例1. Re=10

18、3， =0.06 2. Re=104， /d=0.002 =0.034 3. Re=107， /d=0.002 =0.023湍流时的湍流时的 为阻力系数为阻力系数光滑管：光滑管：.5103Re3.0离心泵排出管（水类液体）离心泵排出管（水类液体）2.53.0饱和蒸汽饱和蒸汽2040往复泵吸入管（水类液体）往复泵吸入管（水类液体）0.751.0过热蒸汽过热蒸汽3050往复泵排出管（水类液体）往复泵排出管（水类液体）1.02.0蛇管、螺旋管内的冷却水蛇管、螺旋管内的冷却水1.0液体自流速度（冷凝水等）液体自流速度（冷凝水等）0.5低压空气低压空气1215真空操作下气体流速真空操作下气体流速50作用

19、作用：改变管道方向改变管道方向(弯头弯头); 连接支管连接支管(三通三通);改变管径改变管径(变形管变形管);堵塞管道堵塞管道(管堵管堵)。螺旋接头螺旋接头卡箍接头卡箍接头弯头弯头三通三通变形管变形管管件管件：管与管的连接部件。管与管的连接部件。3 3 管件管件 (pipe fitting)(pipe fitting)球阀旋塞阀截止阀闸阀蝶阀装于管道中用以装于管道中用以开关管路开关管路或或调节流量调节流量。4 阀门阀门 (Valve)(Valve)v截止阀截止阀 (globe valve)(globe valve) 特点特点：构造较复杂构造较复杂。在阀体部分液。在阀体部分液体流动方向经数次改变

20、，体流动方向经数次改变，流动阻力较流动阻力较大大。但这种阀门。但这种阀门严密可靠严密可靠，而且，而且可较可较精确地调节流量精确地调节流量。应用应用：常用于蒸汽、压缩空气及液体输常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使用。用。结构结构：依靠阀盘的上升或下降，依靠阀盘的上升或下降，改变阀盘与阀座的距离，以达到调改变阀盘与阀座的距离，以达到调节流量的目的。节流量的目的。v 闸阀闸阀 (gate valve)(gate valve)：闸板阀闸板阀特点特点：构造简单，液体阻力小，构造简单，液体阻力小，且不易为悬浮物所堵塞，故常用于且不易为悬

21、浮物所堵塞，故常用于大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；制造、检修比较困难。制造、检修比较困难。应用应用：较大直径管道的开关较大直径管道的开关。结构结构：闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的流量。流量。v止逆阀止逆阀(check valve):(check valve): 单向阀单向阀特点特点：只允许流体单方向流动。只允许流体单方向流动。应用应用：只能在单向开关的特殊情只能在单向开关的特殊情况下使用。况下使用。 结构结构：如图所示。当流体自左向右流动时，阀自动开启；如如图所示。当流体自左向右流动时，阀自动开启；

22、如遇到有反向流动时，阀自动关闭。遇到有反向流动时，阀自动关闭。离心泵离心泵离心离心风机风机高高压压风风机机 5 输送机械输送机械(泵、风机泵、风机)阀门阀门管子管子管件管件(弯头弯头)输送机械输送机械(泵泵)麦汁麦汁一级发酵罐一级发酵罐柱式供养器柱式供养器泵泵板式灭菌器板式灭菌器二级发酵罐二级发酵罐酵母分离器酵母分离器搅拌式多罐型啤酒连续发酵流程图搅拌式多罐型啤酒连续发酵流程图菌种菌种啤酒啤酒酵母泥酵母泥管路布置和安装的原则尽量明线铺设、集中铺设、便于检修管路布置和安装的原则有一定高度、管间距和跨距倾斜和接地冷热分开热补偿涂色1.6流量测定 差压式流量测量法 速度式流量测量法 容积式测量法 质

23、量流量测量法1.6.1流量测量方法图2-14 流速式水表（a） 旋翼式水表；（b） 螺翼式水表 1.6.2流量的测量流量的测量 1. 1. 测速管（毕托管）测速管（毕托管）1 1、结构、结构2 2、原理、原理 内管A处.221uppA外管B处ppB测速原理：将流体的动压能转化为静压能。测速原理：将流体的动压能转化为静压能。 内管测得的是管口内管测得的是管口所在位置的局部流体动能与静压能之和；外管前端壁面四周的所在位置的局部流体动能与静压能之和；外管前端壁面四周的测压口与管道中液体的流动方向相平行，测得是静压能。测压口与管道中液体的流动方向相平行，测得是静压能。点速度：pu2.)(20.Rgu即

24、讨论：讨论： （1）皮托管测量流体的点速度，可测速度分布曲线；.2.221)21(upuppppBA三、安装三、安装 （1）测量点位于均匀流段，上、下游各有50d直管距离； （2）皮托管管口截面严格垂直于流动方向； （3）皮托管外径d0不应超过管内径d的1/50，即d0Re临界时，)(100AAfC (3) 测量范围 一般 C0=0.60.7RVS2SVR 孔板流量计的测量范围受U形压差计量程决定。 dRe10AARe临界值三、安装及优缺点 （1）安装在稳定流段，上游l10d，下游l5d； （2）结构简单，制造与安装方便 ； （3）能量损失较大 。 三、文丘里（三、文丘里（Venturi）流量计）流量计 属差压式流量计； 能量损失小，造价高。喉管喉管)(200RgACVVSCV流量系数（0.980.99） A0喉管处截面积1.6.4 转子流量计转子流量计 1 1、结构与原理、结构与原理 从转子的悬浮高度直接读取流量数值。组成组成：锥形玻璃管和转子锥形玻璃管和转子原理原理：转子上下的压差与转子的净转子上下的压差与转子的净重力（重力与浮力之差）相等。重力（重力与浮力之差）相等。1.7.2 变变截截面面流流量量计计 转转子子流流量量计计 u0 2 2 1 1 u1 微锥形玻璃管， 锥角约为 4左右 转