食品工程原理流体流动定稿学习教案

1、会计学1食品食品(shpn)工程原理流体流动定稿工程原理流体流动定稿第一页，共135页。第2页/共135页第二页，共135页。第3页/共135页第三页，共135页。第4页/共135页第四页，共135页。vm（1-11-1）式中式中 流体的密度，流体的密度，kg/m3； m 流体的质量，流体的质量，kg； v 流体的体积，流体的体积，m3。第5页/共135页第五页，共135页。第6页/共135页第六页，共135页。n R摩尔气体常量，R=8.314J/（molK）RTpMVmRTMmpV第7页/共135页第七页，共135页。气体的摩尔分数混合气体中气体的密度混合前iym，kgiyiiniiim/

2、31第8页/共135页第八页，共135页。的摩尔质量混合气体中组分 iMyMMiniiim1第9页/共135页第九页，共135页。的质量分数混合液中组分 iwwiniiim1第10页/共135页第十页，共135页。第11页/共135页第十一页，共135页。第12页/共135页第十二页，共135页。第13页/共135页第十三页，共135页。第14页/共135页第十四页，共135页。气压（气压（atmatm）、）、kgf/cm2kgf/cm2；某流；某流体液柱高度等。体液柱高度等。第15页/共135页第十五页，共135页。第16页/共135页第十六页，共135页。第17页/共135页第十七页，共1

3、35页。第18页/共135页第十八页，共135页。第19页/共135页第十九页，共135页。n在计算压力差时，必在计算压力差时，必须要采用同一计量基准（绝须要采用同一计量基准（绝压、表压或真空度）。压、表压或真空度）。第20页/共135页第二十页，共135页。真空真空(zhnkng)表表第21页/共135页第二十一页，共135页。图图 绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系（a）测定压力）测定压力大气压（大气压（b）测定压力）测定压力0(屈服应力屈服应力), 流体始相对运动流体始相对运动牛顿流体牛顿流体 (对照对照)0非时变性非牛顿流体非时变性非牛顿流体第72页/共135页第

4、七十二页，共135页。Herschel-Bulkley公式公式(gngsh)n)dyduK(0剪稀流体剪稀流体(lit),0=0， n1宾哈姆流体宾哈姆流体,0 0， n=1塑性流体塑性流体,00 ，n1牛顿流体牛顿流体,0=0 ，n=1而常数而常数K就相应于黏度就相应于黏度0-屈服应力；屈服应力；K-稠度系数；稠度系数；n-流变系数流变系数第73页/共135页第七十三页，共135页。 图图 雷诺实验雷诺实验第74页/共135页第七十四页，共135页。图（图（a a）层流）层流图（图（b b）湍流）湍流第75页/共135页第七十五页，共135页。q流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条流速小

5、时，有色流体在管内沿轴线方向成一条(y tio)直线。表明，水的质点在管内都是沿着与直线。表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动，各层之间没有质点的管轴平行的方向作直线运动，各层之间没有质点的迁移。迁移。q当开大阀门使水流速逐渐增大到某一临界值时，有当开大阀门使水流速逐渐增大到某一临界值时，有色细流便出现抖动色细流便出现抖动(dudng)(dudng)而成波浪形细线，并且不而成波浪形细线，并且不规则地波动；规则地波动； q速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色。显然呈现均匀的颜色。显然(xinrn)(xinrn)，此时

6、流体的流动，此时流体的流动状况已发生了显著地变化。状况已发生了显著地变化。 第76页/共135页第七十六页，共135页。第77页/共135页第七十七页，共135页。第78页/共135页第七十八页，共135页。 Re Re 数是一个量纲一的特征数，表示数是一个量纲一的特征数，表示(biosh)(biosh)惯性力和黏滞力的对比。惯性力和黏滞力的对比。duRe 雷诺数的量纲雷诺数的量纲(lin n)为为1TMLTMLMLLTLdim0001131Re第79页/共135页第七十九页，共135页。大量实验表明：大量实验表明：Re2000Re2000，流动类型为层流；，流动类型为层流；Re4000Re4

7、000，流动类型为湍流；，流动类型为湍流；20002000ReRe40004000，流动类型不稳定，流动类型不稳定 可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现出现(chxin)(chxin)，与外界干扰情况有关。，与外界干扰情况有关。 计算计算ReRe时，流速时，流速u u单位单位(dnwi)(dnwi)取取m/s m/s ，管径，管径d d单位单位(dnwi)(dnwi)取取m m，流体密度，流体密度单位单位(dnwi)(dnwi)取取kg/m3kg/m3，流体的黏度，流体的黏度单位单位(dnwi)(dnwi)取取Pas Pas 第80页/共135页第八

8、十页，共135页。四、边界层的概念(ginin) 边界层的形成yxcusxusus滞流边界层湍流(tunli)边界层滞流内层(ni cn)边界层边界层 平板壁面平板壁面附近速度梯度较大附近速度梯度较大的区域的区域主流区主流区 边界层外边界层外速度梯度可忽略的区域速度梯度可忽略的区域第81页/共135页第八十一页，共135页。3.边界层的分离(fnl)uoxEDDCBA倒流(doli)流体流经曲面，或其他形状物体的表面时，流体流经曲面，或其他形状物体的表面时，产生边界层与固体表面分离并形成旋涡产生边界层与固体表面分离并形成旋涡(xunw)的现象的现象.第82页/共135页第八十二页，共135页。

9、1-7 流体流体(lit)在圆管内的速度分布在圆管内的速度分布1.7A 层流层流(cn li)的速度分布的速度分布1.速度分布速度分布(fnb)公式公式流体柱上的推动力流体柱上的推动力作用于流体柱侧表面作用于流体柱侧表面 (A = 2rl )上的内摩擦力上的内摩擦力drdurl)(AFrr2推动力与阻力大小相等，方向相反推动力与阻力大小相等，方向相反drdurl)(rpr222221rprpp第83页/共135页第八十三页，共135页。rurl)(rprdd22rrlpurd2drRru0rrlpurd2d)r(Rlpu22r4在管轴线在管轴线(zhu xin)上上，r = 02maxRlpu

10、4)(uuRrmaxr221在管壁在管壁(un b)处，处，r = R, ur = 00rRumax第84页/共135页第八十四页，共135页。2. 2.平均平均(pngjn)(pngjn)流速流速半径为半径为r 处，环形处，环形(hun xn)截面截面面积：面积：dA=2rdrr)r(uAuqrrvd2ddrdrRr)Rr(ruqmaxvd12d22r)Rrr(uqRmaxvd12022max2uR21平均平均(pngjn)流速流速maxmaxvuRuRAqu21212228Rlpu 泊稷叶（泊稷叶（Poiseuille）方程）方程232lu/dp 24Rlpumax)(uuRrmaxr22

11、1第85页/共135页第八十五页，共135页。图图1-16速度速度(sd)(sd)分布为抛物线形状分布为抛物线形状。管中心的流速最大；管中心的流速最大；速度速度(sd)(sd)向管壁的方向渐减向管壁的方向渐减；靠管壁的流速为零；靠管壁的流速为零；平均速度平均速度(sd)(sd)为最大速度为最大速度(sd)(sd)的一半的一半 第86页/共135页第八十六页，共135页。湍湍流流速度分布为非严格抛物速度分布为非严格抛物线线速度分布有两个区域速度分布有两个区域(qy)(qy)：中心：中心( (较平坦较平坦); ); 近管壁速度梯度很大；近管壁速度梯度很大；靠管壁的流速为零；靠管壁的流速为零；平均速

12、度为最大速度的平均速度为最大速度的约约0.80.8倍倍 第87页/共135页第八十七页，共135页。1-8 1-8 管内流体流动管内流体流动(lidng)(lidng)的直管阻力的直管阻力1.8A 1.8A 直管阻力直管阻力(zl)(zl)公式公式1.8B 1.8B 层流的摩擦因数层流的摩擦因数1.8C 1.8C 湍流的摩擦因数湍流的摩擦因数1-9 1-9 管内流体流动的局部阻力管内流体流动的局部阻力1.9A 1.9A 阻力因数法阻力因数法1.9B 1.9B 当量长度法当量长度法流体流动的阻力，流体流动的阻力， 分为直管阻力和局部阻力分为直管阻力和局部阻力 。第88页/共135页第八十八页，共

13、135页。第89页/共135页第八十九页，共135页。du第90页/共135页第九十页，共135页。n管壁管壁(un b)(un b)的粗糙度的粗糙度对阻力、能量的损失有较大的对阻力、能量的损失有较大的影响。影响。第91页/共135页第九十一页，共135页。(ynq)之总和。之总和。第92页/共135页第九十二页，共135页。1-8 1-8 管内管内(un ni)(un ni)流体流动的流体流动的直管阻力直管阻力1.8A 直管阻力直管阻力(zl)公式公式fhupgzupgz2222222111不变径水平不变径水平(shupng)管管z1=z2 u1=u2=uppphf21稳定流动，推动力和摩擦

14、阻力平衡：稳定流动，推动力和摩擦阻力平衡：dldp24l/dp4uP1dFFP21122第93页/共135页第九十三页，共135页。2822udluhfl/dp4phfdlhf42u8令22udlhf摩擦摩擦(mc)因数（因数（friction coefficient）是量纲是量纲(lin n)一的常数一的常数范宁（范宁（Fanning）公式）公式(gngsh)(J/Kg)另两种直管阻力表示式另两种直管阻力表示式压头损失压头损失gudlghHff22(m)压力损失压力损失(Pa)22udlhpff第94页/共135页第九十四页，共135页。1.8B 层流层流(cn li)的摩擦因数的摩擦因数压

15、力压力(yl)损损失失2fdlup322ffdluph322642udldu2642fudlReh与范宁公式与范宁公式(gngsh)对照对照22fudlhRe64层流摩擦因数的层流摩擦因数的理论公式理论公式 (P35例题）例题）(Pa)(J/kg)第95页/共135页第九十五页，共135页。1.8C 湍流的摩擦湍流的摩擦(mc)因数因数 湍流复杂，影响摩擦因数的变量较多。工程研究湍流复杂，影响摩擦因数的变量较多。工程研究中，只能中，只能(zh nn)通过实验建立经验关系式。通过实验建立经验关系式。 研究此类工程研究此类工程(gngchng)问题，为减少实验次数，简化数据问题，为减少实验次数，简

16、化数据关联工作，经常用量纲分析法（关联工作，经常用量纲分析法（dimensional analysis) ，建立特征数方程。建立特征数方程。1.量纲分析法量纲分析法 因次一致性原则因次一致性原则 物理方程各量代以量纲式，物理方程各量代以量纲式，方程两边相同基本量的量纲指数（因次）相等。方程两边相同基本量的量纲指数（因次）相等。定理定理 特征数数目特征数数目=物理量数目基本量数目物理量数目基本量数目 ),u,l,(d,pff管子的绝对粗糙度，管子的绝对粗糙度，m。fedcbafulkdp第96页/共135页第九十六页，共135页。各物理量的量纲各物理量的量纲(lin n)为：为：dimp = M

17、L-1T-2 dimd = Ldiml = L dimu = LT-1dim=ML-3 dim =ML-1T-1dim= Lfedcbafulkdp 各量的量纲各量的量纲(lin n)代入下式：代入下式：得得 ML-1T-2=kLaLb(LT-1)c(ML-3)d(ML-1T-1)eLfML-1T-2=kMd+eLa+b+c-3d-e+f T-c-e按因次一致性原则按因次一致性原则(yunz)：对对M 1 = d+e对对L -1 = a+b+c-3d-e+f对对T -2 = -c-ea,c,d可表示为可表示为b,e,f 的函数的函数d=1-ec=2-ea=-b-e-f第97页/共135页第九十

18、七页，共135页。fedcbafulkdp d=1-ec=2-ea=-b-e-ffee1e2bfebfulkdp将指数将指数(zhsh)相同的物理量并在一起：相同的物理量并在一起：bfe2f)dl()d()duk(up式中包含式中包含(bohn)4个量纲一的特征数（符合个量纲一的特征数（符合定理）：定理）：欧拉数欧拉数2fupEu 压力压力(yl)损失损失/惯性力惯性力雷诺数雷诺数 Re = du/ 惯性力惯性力/粘性力粘性力相对粗糙度相对粗糙度 /d长径比长径比 l/d实验证明实验证明lpf即即 b=1222fefudl)d(kRep第98页/共135页第九十八页，共135页。222fefu

19、dl)d(kRep与下式比较与下式比较(bjio)：22fudlp可得可得fe)d(kRe 2/d)(Re,f即即对光滑对光滑(gung hu)管管, 0, 即即只与只与Re有关有关常用常用(chn yn)光滑管摩擦因数光滑管摩擦因数的公式：的公式：0.250.3164Re 对对粗糙管粗糙管，根据已知，根据已知Re和和/d值，由值，由摩擦因数图摩擦因数图求求最为适用。最为适用。适用范围：适用范围：Re=2500105第99页/共135页第九十九页，共135页。2.摩擦摩擦(mc)因数图因数图1944年年Moody按式按式/d)(Re,f据实验据实验(shyn)数据绘制数据绘制第100页/共13

20、5页第一百页，共135页。层流层流(cn li)区区过渡过渡(gud)区区湍流湍流(tunli)区区完全湍流，粗糙管完全湍流，粗糙管光滑管光滑管Re /d 第101页/共135页第一百零一页，共135页。摩擦摩擦(mc)因数图的分区因数图的分区A.层流层流(cn li)区区 （Re2000） 此区域流体作层流此区域流体作层流流动，流动， 与管壁与管壁(un b)面的面的粗糙度无关，而与粗糙度无关，而与Re成直线关系，成直线关系，=64/ReA B.过渡区（过渡区（2000 Re4000）摩擦因数摩擦因数是是Re和管壁面相对粗糙度和管壁面相对粗糙度/d 的函数。的函数。CD.完全湍流区完全湍流区

21、 （图中虚线以上的区域）（图中虚线以上的区域）曲线近乎水平直线，曲线近乎水平直线，值基本上不随值基本上不随Re而变化。而变化。D第102页/共135页第一百零二页，共135页。第103页/共135页第一百零三页，共135页。第104页/共135页第一百零四页，共135页。突突扩扩突突缩缩弯弯头头三三通通第105页/共135页第一百零五页，共135页。（三）计算方法（三）计算方法22ufh 为局部阻力系数。由实验为局部阻力系数。由实验(shyn)(shyn)得出，可得出，可查表或图。查表或图。总阻力：总阻力：hf=hf+ hf=(l/d+)u2/2 hf=hf+ hf=(l/d+)u2/2 第1

22、06页/共135页第一百零六页，共135页。例例 鲜牛奶以流量鲜牛奶以流量(liling)5000kg/h从贮奶罐输送至杀菌器，从贮奶罐输送至杀菌器，管子管子(gun zi)为为38mm1.5mm的不锈钢管，管子的不锈钢管，管子(gun zi)长度长度12m,中间有一只摇板式中间有一只摇板式(bnsh)单向阀，三只单向阀，三只90弯头，计算管路弯头，计算管路摩擦阻力。已知黏度为摩擦阻力。已知黏度为3mPas,密度为密度为1040kg/m3。解解 1.算出流速算出流速：1.39m/s(0.035)/4)()/3600(5000/10402/Aquv2.算出算出Re:4101.693/100010

23、401.390.035duRe 3.查出查出： 由表由表1-3查出：查出： 0.15mm0.150.004335d第107页/共135页第一百零七页，共135页。再由再由/d 和和Re两值，在摩擦两值，在摩擦(mc)因数图上查得：因数图上查得：= 0.0354.由阻力由阻力(zl)因数表查阻力因数表查阻力(zl)因数：因数：1只摇板式只摇板式(bnsh)单向阀单向阀 2.03只只90弯头弯头 30.75管子入口管子入口 (突缩突缩) 0.5管子出口管子出口(突扩突扩) 1.05.755.求摩擦损失求摩擦损失：2)(2udlhf2121.390.0355.7517.1J /kg0.0352第10

24、8页/共135页第一百零八页，共135页。1.9B 当量当量(dngling)长度法长度法将局部阻力折合成相当于某个将局部阻力折合成相当于某个(mu )长度的圆直管的长度的圆直管的直管阻力直管阻力(zl),此长度则称为当量长度此长度则称为当量长度 le 。则局部阻力可按直管阻力的计算方法求之：则局部阻力可按直管阻力的计算方法求之：22udlhef求求总阻力总阻力时，时，直管阻力直管阻力和和局部阻力局部阻力可合并计算：可合并计算：22udllhhhefffel各局部当量长度之和各局部当量长度之和强调：在计算局部阻力损失时，即可用强调：在计算局部阻力损失时，即可用阻力系数法阻力系数法，又可用，又可

25、用当量长度法当量长度法，但不能重复计算。，但不能重复计算。第109页/共135页第一百零九页，共135页。第110页/共135页第一百一十页，共135页。第111页/共135页第一百一十一页，共135页。第112页/共135页第一百一十二页，共135页。管路计算是：管路计算是：连续性方程连续性方程：uAuA常常数数伯努利方程伯努利方程: : 摩擦阻力计算式：摩擦阻力计算式：的具体应用。的具体应用。fupuphgzWegz222122221122udlfh第113页/共135页第一百一十三页，共135页。设置，求流量或流速设置，求流量或流速u u。第114页/共135页第一百一十四页，共135页。第115页/共135页第一百一十五页，共135页。第116页/共135页第一百一十六页，共135页。第117页/共135页第一百一十七页，共135页。B =gZC+uC2/2+pC/+hf,A-C B =gZC+uC2/2+pC/+hf,A-C 第118页/共1