化工原理第二版上册第一章3-7节.ppt

1、第一章 流体流动Flow of Fluid,1.4 流体流动的内部结构,本节的目的时为了了解流体流动的内部结构以便为阻力损失计算打下基础。 1.4.1流体的形态 1.4.2湍流的基本特征 1.4.3边界层及边界层脱体（分离） 1.4.4圆管内流体运动的数学描述,1.4.1 流体流动型态 一、两种流型层流和湍流,二、流型的判据雷诺准数Re,层流：Re 4000； 2000 Re 4000时，有时出现层流，有时出现湍流，或者是二者交替出现，为外界条件决定，称为过渡区。 流型只有两种：层流和湍流。,1.4.2 湍流的基本特征,一、时均速度与脉动速度 二、湍流的强度和尺寸 三、湍流粘度 湍流时，动量传

2、递不仅起因于分子运动，且来源于流体 质点的横向脉动，故不服从牛顿粘性定律，如仍希望用其形 式，则：,1.4.3 边界层及边界层脱体（分离）,一、边界层 流体在平板上流动是的边界层, 管流时的边界层,二、湍流时的层流内层和过渡层 不管是平板上的流动还是管内流动，若流体 主体为湍流，都可分为以下几个区域： 湍流区（远离壁面的湍流核心） 层流内层（靠近壁面附近一层很薄的流体层） 过渡层（在湍流区和层流区之间）,三、边界层的分离现象,1.4.4 圆管内流体运动的数学描述,一、流体的力平衡 左端面的力 右端面的力 外表面的剪切力 圆柱体的重力 因流体在均匀直管内作等速运动，各外力之和必为零，即：,二、

3、剪应力分布,其值最大。,三、层流时的速度分布,层流时 服从牛顿粘性定律： 管中心r0， 所以,四、层流时的平均速度和动能校正系数,可得 2,五、湍流时的速度分布,层流 湍流 不是物性，其值与Re及流体质点位置有关，故湍流时 速度分布不能像层流一样通过流体柱受力分析从理论上导 出，只能将试验结果用经验式表示：,n与Re有关，在不同Re范围内取不同的值：,六、湍流时的平均速度及动能校正系数,取 积分：,层流 湍流,1.5 阻力损失,1.5.1 两种阻力损失 1.5.2 湍流时直管阻力损失的试验研究方法因次分析法,1.5.1两种阻力损失,一、直管阻力和局部阻力 二、阻力损失表现为流体势能的降低 （无

4、外加机械能） ， （等径） 流体的流动阻力表现为势能的减少； 水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。,三、层流时的直管阻力损失,1.5.2 湍流时直管阻力损失的试验研究方法因次分析法,一、析因试验寻找影响过程的主要因素（靠初步试验和 经验） 二、规划试验减少试验工作量，试验结果易总结整理， 有物理意义。正交设计法，因次分析法等。 因次分析法将物理量因次抽出分析，将影响过程的物理量组 合成几个无因次的数群，数群的数目将少于自变量的数目，试验 工作量减少，但数群前的系数及各数群的指数因次分析法无法确 定，仍要靠试验确定，这种研究方法就是在绪论课中提到的半经 验半理论的研究方法。,因次分析

5、法的基础是：任何物理方程的等式两边或方程中的每一项均具有相同的因次，此称为因次和谐或因次一次性。从这一基本点出发，任何物理方程都可以转化成无因次形式。 式中每一项都为无因次项，称为无因次数群。,三、数据处理实验结果的正确表达 根据经验，阻力损失与管长成正比，该式可改写为,1.5.3 直管阻力损失的计算式,一、统一的表达式 是Re和相对粗糙度的函数，即,二、摩擦系数 1.层流 2.湍流,三、摩擦因数图 各公式都比较复杂，用起来比较不方便。在工程 计算中为了避免试差，一般是将通过实验测出的 与 和 的关系，以 为参变量，以 为纵坐 标，以 为横坐标，标绘在双对数坐标纸上。如图1- 34所示，此图称

6、为莫狄摩擦因数图。,四、粗糙度对 的影响 由 可以看出，除流型对 有影响外， 管壁的粗糙度 对 也有影响，但其影响因流型不同 而异。 流体输送用的管道，按其材料的性质和加工情况 大致可以分为二类： 光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管 粗糙管：钢管、铸铁管、水泥管,五、实际管得当量粗糙度 表1-1,六、非圆形管得当量直径,1.5.4局部阻力的损失,局部阻力损失是由于流道的急剧变化使流动边界 层分离，所产生的大量漩涡，使流体质点运动受到干 扰，因此即使流体在直管内是层流流动，但当它通过 管件或阀门时也是很容易变成湍流。 突然扩大与突然缩小 局部阻力损失的计算,一、突然扩大与突然缩小,二、局部阻力损失的

7、计算,1.阻力系数法,下面有两种极端情况： 流体自管出口进入容器，可看作很小的截面突然扩大道很大的截面，相当于突然扩大时 的情况，故管出口 ， 流体自容器流进管的入口，是自很大的截面突然缩小到很小的截面，相当于突然缩小时 的情况，故管入口 ，,2.当量长度法,，,管路的总阻力损失的直管阻力损失 与局部阻力损失之和， 或,1.6 阻力损失,1.6.1简单管路计算 1.6.2复杂管路计算,简单管路是指灭有分支或汇合的单一管路。在实际计算中碰到的有三种情况：一是管径不变的单一管路；二是不同管径的管道串联组成的单一管路；三是循环管路。 在简单管路计算中，实际是连续性方程，机械能衡算式和阻力损失计算式的

8、具体运用。即联立求解这些方程： 连续性方程： 机械能衡算式: 摩擦系数计算式(或图):,一、简单管路,由等径或异径管段串联而成的无分支管路系统称 为简单管路。 简单管路特点： 全管路的总阻力等于各段简单管路阻力之和 各段内的质量流量均等于总质量流量,不可压缩流体,1.分支管路与汇合管路,二、 复杂管路,特点： （1）主管中的流量为各支路流量之和；,不可压缩流体,（2）流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等。,2.并联管路,特点： 主管中的流量为并联的各支路流量之和；,并联管路中各支路的能量损失均相等。,不可压缩流体,注意：计算并联管路阻力时，仅取其中一支路即 可，不能重复计算。,1

9、.6 阻力损失,1.6.1简单管路计算 1.6.2复杂管路计算,简单管路是指灭有分支或汇合的单一管路。在实际计算中碰到的有三种情况：一是管径不变的单一管路；二是不同管径的管道串联组成的单一管路；三是循环管路。 在简单管路计算中，实际是连续性方程，机械能衡算式和阻力损失计算式的具体运用。即联立求解这些方程： 连续性方程： 机械能衡算式: 摩擦系数计算式(或图):,一、简单管路,由等径或异径管段串联而成的无分支管路系统称 为简单管路。 简单管路特点： 全管路的总阻力等于各段简单管路阻力之和 各段内的质量流量均等于总质量流量,不可压缩流体,1.分支管路与汇合管路,二、 复杂管路,特点： （1）主管中

10、的流量为各支路流量之和；,不可压缩流体,（2）流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等。,2.并联管路,特点： 主管中的流量为并联的各支路流量之和；,并联管路中各支路的能量损失均相等。,不可压缩流体,注意：计算并联管路阻力时，仅取其中一支路即 可，不能重复计算。,1.7 流速和流量的测定,1.7.1 毕托管 1.7.2 孔板流量计 1.7.3 转子流量计,1.7.1 毕托管,一、毕托管的测速原理,二、毕托管的安装,（1）直管长度要达到50d。 （2）毕托管与直管的轴线要重合。 （3）毕托管的直径要d/50。,1.7.2 孔板流量计,一、孔板流量计的测量原理,列入一校正系数 ，令,与下

11、列因素有关 与 有关，即与 有关 与 有关 与取压法有关（角接法称标准孔板） ，其关系由试验测定,二、孔板流量计的安装和阻力损失,安装：安装在稳定流段，上游l10d，下游l5d； 结构简单，制造与安装方便 ； 阻力损失较大 。 恒截面、变压差差压式流量计,三、文丘里流量计,渐缩渐扩管（文丘里管）代替阻力大的孔板,属差压式流量计； 能量损失小，造价高。,1.7.3 转子流量计,一、转子流量计的结构原理 浮力,转子受力平衡,在1-1和2-2截面间列柏努利方程,2,1,1,2,由连续性方程,CR流量系数,体积流量,（1）特点： 恒压差、恒流速、变截面截面式流量计。,讨论：,（2）刻度换算,标定流体：20水（1