化工原理流体流动中的守恒原理课件

1.4流体流动的内部结构

1.4.1流动的型态1.4流体流动的内部结构

1.4.1流动的型态

两种流型a.

层流：质点仅作轴向运动，无径向脉动；b.

湍流：质点不仅作轴向运动，还作随机的径向脉动。

流型的判据1、雷诺数Re<2000 层流>4000 湍流2000<Re<4000 过渡区，不稳定的两种流型2、稳定性的概念稳定：过程反抗外界干扰的能力。当外界扰动移去后，过程能恢复原有状态，则该过程是稳定的或具有稳定性，反之则是不稳定的。注意区分定态：全部过程参数均不随时间而变。流动有定态、非定态之分，其它单元操作亦如此3、严格地讲，临界雷诺数是流动稳定性的判据。

2、稳定性的概念1.4.2湍流的基本特征基本特征：出现了速度的脉动湍流的强度和尺度主体流动+各种大小、强弱的旋涡1.4.2湍流的基本特征湍流的强度和尺度湍流粘度

与流动状况有关，与物性无关。

=f(Re,r)

1.4.3边界层及边界层脱体湍流粘度1.4.3边界层及边界层脱体边界层的定义边界层的分离现象边界层脱体的原因边界层脱体的后果1.4.3边界层及边界层脱体边界层的定义

边界层：流动流体受固体壁面阻滞而造成速度梯度的区域。

湍流时的层流内层当流体作湍流流动时，在近壁处速度脉动很小，

<<

，流动仍保持层流特征。这样一薄层称层流内层。其厚度随Re增大而减小。层流内层是径向传递过程的主要阻力。

边界层：流动流体受固体壁面阻滞而造成速度梯度的区域。

边界层的分离现象边界层的分离现象

边界层脱体的条件：逆压强梯度外层动量来不及传入平板不会发生脱体（无倒压区）流线型物体不会发生脱体（尾部收缩缓慢，动量来得及传入）

边界层脱体后果：1、形成大量旋涡；2、造成较大机械能消耗。边界层脱体的条件：1.4.4圆管内流体运动的数学描述数学描述：建立过程各有关变量之间定量关系，一般总力图列两类方程：l

各种衡算方程；l

过程特征方程。

流体的力平衡：取控制体列力平衡方程，以建立

P与之间的关系1.4.4圆管内流体运动的数学描述

流体的力平衡：取控制体列力平衡方程，以建立

P与之间的关系推导结果：

——圆管内流体的剪应力分布规律即圆管内剪应力的大小与通道的几何尺寸有关（与半径一次方成正比），与流动类型（层流或湍流）无关

r=0,

=0r=R,流体的力平衡：取控制体列力平衡

r=0,=0

层流时的速度分布层流（牛顿流体）特征方程：与力平衡方程联立边界条件r=R,u=0积分

r=0层流时的速度分布 r=0

湍流的速度分布经验式： n=f(Re)r=0，uumax湍流的速度分布化工原理流体流动中的守恒原理课件1.5.1阻力损失hf

1-2截面列机械能衡算式

hf分类（以外部条件分）直管阻力（沿程阻力）——直管段；局部阻力——管件(弯头、阀门、突然扩大、突然缩小等）1.5.1阻力损失hfhf分类（以外部条件分）重点弄清三个问题：

1、造成阻力损失的原因是什么？2、阻力损失hf体现在哪里？3、hf的大小用什么方法解决？重点弄清三个问题：

1、造成阻力损失的原因是什么？

造成阻力损失的原因：

内因（根源）：实际流体是粘黏性流体。外因（外部条件）直管：内摩擦，湍流时产生旋涡等；局部：边界层脱体造成旋涡。（突然扩大、突然缩小、转弯等）造成阻力损失的原因：内因（根源）：实际流体是粘黏性流体。突然扩大

边界层脱体

旋涡

机械能消耗外因是条件，内因是依据。对理想流体（=0），在任何情况下，hf

0。

突然扩大边界层脱体旋涡机械能消耗

阻力损失体现在哪？

即阻力损失表现为流体势能的降低。

而且，P

=Rg(i-

)可测。阻力损失体现在哪？即阻力损失表现为流体势能的降低。

Hf大小用什么方法解决？工程问题的解决方法取决于对过程的了解与描述。主要有：解析法直接实验法数学模型法1.5.1层流时直管阻力损失

又层流时平均流速Hf大小用什么方法解决？又层流时平均流速

——泊谡叶方程讨论：1.层流时，直管阻力损失与流速一次方成正比，与粘度（）或运动粘度（

=

/

）的一次方成正比，与密度一次方成反比；2.将代入可知，当流量一定时，；3.圆形直管内层流，虚拟压降 ，与流体密度无关。 ——泊谡叶方程

实验研究的任务：hf=f(u,d,l,

,

,

)函数形式及式中的参数。

1.5.2湍流时直管阻力损失的实验研究方法实验研究的任务：hf=f(u,d,l,,,)函数形式

直接实验研究的困难：1.影响变量多，实验工作量大，费时费钱。 实验次数i=mn，若10个水平则i=106。2.许多变量变化范围广，物性千变万化。3.设备几何边界条件的复杂性。量纲论指导下的实验方法——量纲分析法。

直接实验研究的困难：

量纲分析法的基本步骤：1.通过预实验或过程分析找出所有的，不可忽略的影响因素；2.函数的无量纲化；3.寻找合适的具体的函数形式逼近。工程上常用线性函数：y=ax+b多项式：y=a0+a1x+a2x2幂函数：y=Ax1ax2b指数函数：y=Aeax(反应工程)4.实验确定待定参数。

量纲分析法的基本步骤：

函数的无量纲化1.写出每个变量的量纲：hf—[L2T-2]; d,l,—[L1]; u—[L1T-1]

—[M1L-1T-1]; —[M1L-3]2.选取n个独立变量代替基本量纲。力学系统n=3,取d，u，为基本变量；3.对剩余变量无量纲化hf—hf/u2; —4.待求函数无量纲化 hf=f(u,d,l,

,

,

)

函数的无量纲化4.待求函数无量纲化

定理：任何物理方程必可转化为无量纲形式，无量纲数群的个数等于原方程变量数减去基本量纲数。

量纲分析方法的主要特点：1.在某些时候，有效减少工作量；2.能够做到由此及彼，由小见大；3.方法是纯经验的，对过程内在本质不了解；4.实验的目的是探索方程。定理：任何物理方程必可转化为无量纲形式，无量纲数群的个数

1.5.3湍流直管阻力计算式整理成便于使用的形式，显然hf

lhf=(Re,

/d)令==

(Re,

/d)，则hf=1.5.3湍流直管阻力计算式

摩擦系数

l

层流区：Re<2000，与/d无关。l

过渡区：2000<Re<4000,流动处于不稳定状态，波动。工程上作湍流处理。l

湍流区：Re>4000，Re

l

充分湍流区（阻力平方区）：

与Re无关，hf

u2摩擦系数

粗糙度对

的影响层流时，与

/d无关湍流时，/d

粗糙度对的影响

实际管的当量粗糙度测定hf

值

对照莫迪图反推/d，称实际管的当量相对粗糙度

，称实际管的当量绝对粗糙度实际管的当量粗糙度

当量直径de对几何形状接近于圆管时，计算式中d用当量直径de代替。例：边长为a的正方形管长a宽b矩形管套管环隙外径D，内径d当量直径de

需注意：l

de是经验的近似的，所以层流时

计算式调整为，几何形状不同a不同l