浙大化工原理课件窦梅老师第一章2

浙江大学化学工程研究所1/311.4管内流体流动现象一、粘度二、流体流动类型与雷诺准数三、流体在圆管内的速度分布1.5流体流动阻力一、阻力损失的计算通式二、流体流动摩擦阻力的计算三、非圆形管内的流动阻力四、局部阻力第一章流体流动浙江大学化学工程研究所2/311.4管内流体流动现象第四节管内流体流动现象内容：流体流动产生能量损失的原因流体在管内流动的状态及影响因素一、粘度1。牛顿粘性定律流体内部存在内摩擦力或粘滞力dydvx----------------牛顿粘性定律单位面积上的内摩擦力，2mN内摩擦力产生的原因还可以从动量传递角度加以理解:浙江大学化学工程研究所3/31sPamsNmsmmNdydv22cPP1001cPPsPa1000101主要有体系、温度、浓度GLT,,物理意义：衡量流体粘性大小的一个物理量单位：获取方法：属物性之一，由实验测定、查有关手册或资料、用经验公式计算。影响因素：粘度：第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所4/31塑性流体牛顿流体涨塑性流体假塑性流体dv/dy非牛顿型流体第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所5/31duRe00023ReskgmmsNmkgsmmdu无因次duu2粘性力惯性力雷诺数雷诺实验层流或滞流laminarflow湍流或紊流turbulentflow两种流动型态二、流体流动类型与雷诺准数第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所6/31直管内流动时，Re2000层流Re=20004000过渡区Re4000湍流第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所7/31三、流体在圆管内的速度分布1。流体在圆管内层流时的速度分布maxv稳定流动时速度分布的形状(a)层流p1p2lR（1）速度分布方程：如右图，当力平衡时有p1A=p2A+A侧p1r2=p2r2+2rldrdvdydvdrdvrlrprp22221rlprlppdrdv2212第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所8/31代入边界条件：r=R时，v=0r=0时，v=vmax若管子倾斜放置：2max4Rlv22max1Rrvv其中：2max4Rlpvmaxv第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所9/31（2）流量V、平均速度u和动能Rrr+drdV=vdA=2rvdrdrRrrvdV22max12drRrrvVR023max2max221vRVmax2max22121vRvRAVu第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所10/31Rrr+dr单位时间流过环隙的质量：dV=vdA=2vrdr单位时间流过环隙的动能：dE动=dVv2/2=v3rdr单位时间流过整个截面的动能：E动=323max230223max811uRvRrdrRrvR单位时间单位质量流体的动能：2232uuRuRmE动第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所11/312。流体在圆管内的湍流时速度分布maxv(1)稳定流动时湍流分布的形状其形状与Re的大小有关Re湍流程度加剧顶部越平坦(2)湍流速度分布方程一般在Re≤105时,v=vmax[1-r/R]1/7通用形式:v=vmax[1-r/R]1/nn在610间变化,Ren(3)湍流时流量V、平均速度u和动能流量若用v=vmax[1-r/R]1/7表示，则有平均流速动能max26049vRVmax6049vu2253.04081721600uu第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所12/313。关于动能的讨论前面所推导的能量衡算式：事实上，对层流应为u2，对湍流应为0.53u2.但由于动能项在各项能量的总和中所占的比例往往很小，因此，机械能衡算式中的动能项仍取为u2/2，所引起的误差一般可忽略不计。4。边界层简介1904年，普兰特（近代流体力学的奠基人）凭他丰富的经验和物理直觉，提出了著名的边界层理论。他在海德贝尔格的数学年会上宣读了“具有很小摩擦的流体运动”，证明了绕固体的流动可以分为两个区域，一是物体附近很薄的一层(边界层)，其中摩擦起着主要的作用；二是该层以外的其余区域，这里摩擦可以忽略不计。fhpugzWpugz2222121122第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所13/31uuuuuuux=0.99u边界层区主体区或外流区(2)边界层以外的流动区域，称为主体区或外流区。该区域内流体速度变化很小，故这一区域的流体流动可近似看成是理想流体流动。（1）边界层概念普兰特边界层理论的主要内容：(1)紧贴壁面非常薄的一层，该薄层内速度梯度很大，这一薄层称边界层第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所14/31u层流边界层过渡区湍流边界层x边界层的发展Rex=ux/层流底层流体流过光滑平板时，边界层由层流转变为湍流发生在Rec=21053106（2）边界层的形成和发展第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所15/31边界层umaxuLe充分发展的流动(a)层流u边界层Le充分发展的流动(b)湍流圆管内边界层的发展进口段长度进口段长度层流时Le/d=0.05Re；湍流时Le=4050d这里，雷诺数Re=ud/。第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所16/31（3）边界层分离第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所17/31第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所18/31压力逐渐减小压力逐渐增大分离点流线型边界层分离的必要条件是：逆压、流体具有粘性这两个因素缺一不可。ADS第四节管内流体流动现象浙江大学化学工程研究所19/311.5流体流动阻力内容：流体流动产生能量损失的计算方法管件或阀门等径直管管路输送系统直管摩擦损失22气体洗涤塔5m泵气体331m11m1440.2m河水废水池局部摩擦损失一、阻力损失的计算通式•hf的计算目前主要靠经验式•hf分为两类：fhupgzWupgz2222222111机械能衡算方程第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所20/312p21wp1wh21ldlhwf4由受力的平衡得：由机械能衡算得：引入阻力系数：22ufw第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所21/3122udl长径比，无因次动能摩擦因数------直管摩擦损失计算通式（范宁公式）242udlfhfgudlHf2222udlpf第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所22/31圆管内层流时，由牛顿粘性定律可知：Re644f二、流体流动摩擦阻力的计算RuRvdrRrvddrdvRrRrw421max22maxRe16824222uRuRuufw第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所23/31Re64/Redu（1）层流时的（2）湍流时的主要依靠实验研究，dfRe,相对粗糙度du（3）的图解求法以Re、/d为自变量，以为因变量作图，可把整个区域分为四个区：层流区、过渡区、湍流区和完全湍流区（阻力平方区）第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所24/310.100.090.080.070.050.040.060.030.050.020.0150.040.010.0080.0060.030.0040.025d0.0020.020.0010.00080.00060.00040.0150.00020.00010.000050.010.0090.000010.008246824682468246824681031041051061071080.0000050.000001雷诺数duRe水力光滑管Re层流区Re64过渡区湍流区dRe,阻力平方区d第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所25/31柏拉修斯（Blasius）式：25.0Re3164.0（3000Re105）普兰特式：8.0Relog0.21(Re3.4106）尼古拉则式：237.0Re221.00032.0（Re105）顾毓珍等公式：32.0Re500.00056.0（3000Re3106）使用时注意经验式的适用范围几个光滑管内湍流经验公式：第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所26/31科尔布鲁克（Colebrook）式：Re35.9log214.11d适用范围：Re=4103108，/d=510-210-6，从水力学光滑管至完全粗糙管的各种情形。23.0Re681.0d阻力平方区dlog214.11阻力平方区23.01.0d几个粗糙管内湍流经验公式：第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所27/31仍可按圆管的公式计算或用莫狄图查取，但需引入当量直径。用其本身特定公式计算dRRRde2242水力半径润湿周边流通截面积44eddDdDdDde4422当量直径Dd三、非圆形管内的流动阻力22udlhef第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所28/31RdA1A2u（1）局部摩擦损失的两种近似算法当量长度法：局部阻力系数法le------当量长度，可查有关图表-----局部阻力系数，可查有关图表边界层分离由于流动突然发生变化而产生涡流，从而导致形体阻力。小管的四、局部阻力22,udlhef局22,uhf局第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所29/31突然扩大和突然缩小突然扩大时：突然缩小时：突然缩小的机械能损失主要还在于突然扩大管出口o=1管入口i=0.5u2201110122a.突然扩大b.突然缩小22小uhf第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所30/31总结：管路系统的总阻力损失为管出口弯管阀门管入口0222u2-2面取在出口内侧时，hf中应不包括出口阻力损失，但222u2-2面取在出口外侧时，hf中应包括出口阻力损失，其大小为，但2-2面的动能为零。22u222u22222udludllheffhpugzWpugz2222121122第五节流体流动阻力浙江大学化学工程研究所31/31减小阻力的措施：改善固壁对流动的影响：减小管壁粗糙度，防止或推迟流体与壁面的分离加极少量的添加剂，影响流体运动的内部结构。第五节流体流动阻力