流体输送操作-管路中流体流动阻力的测定（化工单元操作课件）

项目一流体输送操作任务七管路中流体阻力的测定引入：化工生产中许多单元操作都是在流体流动的情况下进行的，流体通过管路进

行流动和输送，因此必须了解流体的流动规律，了解流体在管路中的流动形态。

实际流体在流动过程中因为有阻力的存在而导致能量损失。黏性是流体阻力产生的根本原因，理想流体没有黏性，所以在流动过程中没有阻力。黏度作为衡量实际流体黏性大小的物理量，其值越大，表示在同样的流动情况下，流体在流动过程中的阻力就越大。任务：回忆黏度的概念

研究发现，同一种流体在同一个管路中流过时，由于流速不同，也会产生不同的阻力。1883年，雷诺通过实验找到了原因：流体在流动过程中，当流速不同时，流体中质点的运动是不同的，从而导致阻力的不同。一、流体的流动形态

如图所示，水槽液位保持恒定，出口管路流量由阀门来调节，高位槽内为红色液体，有一旋塞用以调节流量的大小，其出口与水平管中心重合。任务：读表1-6，分清流体的流动形态1.两种流动形态层流：流体沿管轴方向作直线运动，质点之间互不混合湍流：流体除沿管轴方向作直线运动，质点之间相互碰

撞和混合。一、流体的流动形态一、流体的流动形态2.流动形态的判定一、流体的流动形态（1）雷诺准数为了确定流体的流动型态，雷诺通过进行了归纳总结。影响流体流动形态的因素主要有：流体的密度ρ、粘度μ、流速u和管内径d等，这些物理量组成一个数群，称为雷诺准数（Re），用来判定流动型态。雷诺准数，无单位。Re大小反映了流体的湍动程度，Re越大，流体流动湍动性越强。2.流动形态的判定一、流体的流动形态（2）判断依据注意：在2000<Re<4000时，可能是层流，也可能是湍流，是一种不稳定的过渡状态。一、流体的流动形态3.应用例1：20℃的水在Ø57mm×3.5mm的钢管内流动，流速为2m/s,试判断流体的流动形态。（已知：ρ=998.2kg/m3，μ=1.005×10-3Pa·s）例2：20℃的水以45m3/h的流量，在Ø45mm×2.5mm的钢管内流动,试判断水的流动形态。一、流体的流动形态拓展学习4.湍流流体中的层流内层当管内流体作湍流流动时，不管管内流体的湍动程度有多大，管壁处的流体流速为0，紧靠壁面的流体薄层速度很低，仍然保持在作层流流动，这个薄层称为层流内层。

层流内层的厚度随雷诺数Re值的增大而减小，但不会消失，自该层向管中心推移速度逐渐增大，出现了介于层流和湍流间的过渡流，称为过渡层或缓冲层，再向管中心移动才是湍流主体。层流内层虽然很薄，但对传热和传质过程都有很大的影响，是传递过程的主要阻力。一、流体的流动形态流体在管内作湍流流动时，横截面上沿径向分为层流内层，过渡层和湍流主体三部分。4.湍流流体中的层流内层一、流体的流动形态4.湍流流体中的层流内层一、流体的流动形态二、流体的流动阻力引入：流体流动阻力的产生是因为流体具有黏性（内因）和流体的流

动形态（外因）。任务：分析完整的管路系统的构成化工管路系统直管——直管阻力管件、阀门——局部阻力二、流体的流动阻力引入：流体流动阻力的产生是因为流体具有黏性（内因）和流体的流动形态（外因）。1.流体阻力的表现

在一液面恒定的敞口容器下部接一段水平等径管路，相隔一定的距离连接两段细玻璃管，管路中有一流量调节阀，开启阀门，使流量达到一定值时，可观察到三个液面出现如图所示的高度差，由前面可知，玻璃管内的液柱高度实际上反映了该处液体的压强，即p1>p2。说明流体从1-1面流到2-2面的能量损失是靠静压能的减少而提供的，即流体阻力表现为静压强的降低。二、流体的流动阻力2.直管阻力的计算（1）定义：流体流经直径不变的直管时产生的阻力。（2）表达式：又称沿程阻力范宁公式任务：分析范宁公示中各物理量的意义hf——直管阻力，J/kg；——摩擦系数，无量纲；l——直管的长度，m；d——直管的内径，m；u——流体在管内的流速，m/s。阻力表现为静压强的降低，表示静压能的损失，还可以用压力降Δpf表示。二、流体的流动阻力想一想？由公式分析影响直管阻力的因素，进而分析管路如何布设才能尽可能减小流动阻力。1.直管阻力的计算二、流体的流动阻力1.直管阻力的计算（3）管壁的粗糙度工业管道：光滑管：玻璃管、铜管、塑料管粗糙管：钢管、铸铁管、水泥管引入：摩擦系数与哪些因素有关系？

①管壁的粗糙程度；②流体的流动形态Re。绝对粗糙度：管壁凸出部分的平均高度，用ε表示相对粗糙度：绝对粗糙度与管道内径的比值，用ε/d表示二、流体的流动阻力1.直管阻力的计算（4）摩擦系数λ的计算将代入范宁公式，则有：①层流时λ的计算层流时，流体是平行流动的，层流内层的厚度完全覆盖了管壁凸凹不平的壁面，流体的质点与管壁凸凹部分不会发生碰撞，所以层流时，λ与管子的粗糙度无关，只与Re有关。

实验和理论推导证明：想一想：层流时管径增大一倍，阻力损失变

为原来的多少？二、流体的流动阻力1.直管阻力的计算（4）摩擦系数λ的计算①湍流时λ的计算湍流时，流体的层流内层厚度很薄，不能覆盖管壁凸凹不平的壁面，流体的质点与管壁凸凹部分会发生碰撞，使湍流程度加剧，此时ε对λ的影响很大，

λ=f（Re、ε/d），λ可通过Moody图得到。二、流体的流动阻力1.直管阻力的计算Moody图二、流体的流动阻力1.直管阻力的计算（5）湍流时的直管阻力根据雷诺数的不同，将Moody图分成了四个区域：层流区当Re≤2000时，λ与Re是直线关系，与相对粗糙度无关。过渡区

2000<Re<4000，管内流动随外界条件的影响出现不同的流动形态，摩

擦系数也因此出现波动，不确定。c.湍流区Re≥4000，

且在图中虚线以下处，

λ与Re和ε/d都有关系，对于一定的ε/d，

λ随Re数值的增大而减小。d.完全湍流区

图中虚线以上区域，λ与Re的数值无关，λ的数值只取决于ε/d，

λ-Re

曲线几乎呈水平线，当ε/d一定时，

λ为定值常数。识图：找出流体湍流时流过粗糙管，雷诺Re=4×104，

ε/d=0.02时的摩擦系数二、流体的流动阻力1.直管阻力的计算二、流体的流动阻力1.直管阻力的计算二、流体的流动阻力回忆：管路的基本构成引入：化工管路中使用的管件种类繁多，各种管件都会产生阻力损失，和直管阻力的沿程均匀分布不同，这种阻力损失主要集中在管件所在处，因而称为局部阻力损失。其它管件，如各种阀门都会由于流道的急剧改变而发生类似的现象，造成局部阻力损失。二、流体的流动阻力2.局部阻力的计算（1）定义：流体流经管件、阀门等局部元件，由于流动方向及流速大小改变

或流通截面突然变化而引起的阻力。（2）计算方法：当量长度法阻力系数法任务：回忆直管阻力计算

范宁公式表达式二、流体的流动阻力2.局部阻力的计算①当量长度法将局部阻力折合成直径相同一定长度直管的阻力。

le—管件或阀门的当量长度，一般由实验测定若管路中有多个管件，应分别计算后加和。

二、流体的流动阻力2.局部阻力的计算①当量长度法二、流体的流动阻力2.局部阻力的计算

ζ---局部阻力系数任务：读表1-7②阻力系数法3.总阻力的计算总阻力=直管阻力+局部阻力∑hf=hf+hf´常用管件的ζ值可从资料中查得。将所有影响局部阻力的因素全部归结到一个系数上，即动能的倍数。二、流体的流动阻力2.局部阻力的计算例：将原料液从贮槽输送到精馏塔中，已知输送管路管长10m，管径为40mm，管路中装有45º标准弯头一个，截止阀（全开）一个，若维持进料液流速为1.0m/s，求管路中局部阻力的大小。（已知：λ=0.02）3.总阻力的计算例：将料液由敞口高位槽流入精馏塔中，输送管路为Ф45mm×2.5mm的无缝钢管，直管长10m，管路中装有180°弯头1个，截止阀（全开）1个，若维持进料量为5m3/h，试求操作过程中的总阻力损失为多少？（已知：λ=0.036）二、流体的流动阻力4.减小流体流动阻力的措施（1）合理布局，尽量减小管长，少装不必要的管件及阀门；（2）在满足工艺要求的条件下，尽可能减短管路；（3）适当加大