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1、化工原理第一章流体流动2022/10/7第1页，共43页，编辑于2022年，星期五一、流动类型与雷诺准数一、流动类型与雷诺准数1、雷诺实验、雷诺实验滞流或层流湍流或紊流2022/10/7第2页，共43页，编辑于2022年，星期五2、雷诺数、雷诺数Re雷诺数的因次：Re是一个没有单位，没有因次的纯数。在计算Re时，一定要注意各个物理量的单位必须统一。雷诺准数可以判断流型2022/10/7第3页，共43页，编辑于2022年，星期五流体在圆形直管内流动时：流体的流动类型属于滞流；流体的流动类型属于湍流；可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件有关。过渡区例例：2020C C的的水水在在内内径径为为505
2、0mmmm的的管管内内流流动动，质质量量流流量量为为2 200kg/h00kg/h，试试计计算算（1 1）雷雷诺诺数数Re,Re,并并判判断断流流动动类类型型；（2 2）使使管管内内保保持持湍湍流流的的最最小小流流速。速。解解：（：（1 1）从附录五查得）从附录五查得2020C C时，时，=998.2kg/m=998.2kg/m3 3，=1.005mPa.s=1.005mPa.s，2022/10/7第4页，共43页，编辑于2022年，星期五流速流动属层流2022/10/7第5页，共43页，编辑于2022年，星期五（2）因时属湍流，故使管内保持湍流的最小流速由下式计算：即管内保持湍流的最小流速为
3、0.08m/s2022/10/7第6页，共43页，编辑于2022年，星期五二、滞流与湍流的比较二、滞流与湍流的比较1、流体内部质点的运动特征、流体内部质点的运动特征(1)(1)层层流流流流动动时时，流流体体质质点点沿沿管管轴轴做做有有规规则则的的平平行行运运动动。流流体体质质点点无无返返混混,整个流动区存在速度梯度整个流动区存在速度梯度,速度分布呈抛物线速度分布呈抛物线.(2)(2)湍流流动时，流体质点在沿流动方向湍流流动时，流体质点在沿流动方向 运动的同时，运动的同时，还做还做随机的脉动随机的脉动。流体质点流体质点 杂乱无章杂乱无章,仅在管壁处存在仅在管壁处存在 速度梯度速度梯度2022/1
4、0/7第7页，共43页，编辑于2022年，星期五（）层层流流时时的的速速度度分布分布（）湍湍流流时时的的速速度度分布分布2022/10/7第8页，共43页，编辑于2022年，星期五三、边界层的概念三、边界层的概念流速降为未受影响流速的99%以内的区域。边界层：1、边界层的形成、边界层的形成边界层区主流区2022/10/7第9页，共43页，编辑于2022年，星期五2、边界层的发展、边界层的发展1）流体在平板上的流动）流体在平板上的流动 2022/10/7第10页，共43页，编辑于2022年，星期五3、边界层的分离、边界层的分离A点流速为零压强最大驻点加速减压B点(umax，pmin)减速加压C点
5、(u=0，pmax)边界层分离2022/10/7第11页，共43页，编辑于2022年，星期五由此可见：流道扩大时必造成逆压强梯度逆压强梯度容易造成边界层的分离边界层分离造成大量漩涡，大大增加机械能消耗流体沿着壁面流过时的阻力称为摩擦阻力。由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的能量损耗称为形体阻力。粘性流体绕过固体表面的阻力为摩擦阻力与形体阻力之和这两者之和又称为局部阻力。2022/10/7第12页，共43页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 流体流动流体流动一、直管阻力计算式一、直管阻力计算式二、摩擦阻力系数计算方法二、摩擦阻力系数计算方法三、阻力计算三、阻力计算 1.6 1.6 流动阻
6、力计算流动阻力计算2022/10/7第13页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7流动阻力产生的根源流体具有粘性，流动时存在内部摩擦力.流动阻力产生的条件固定的管壁或其他形状的固体壁面管路中的阻力直管阻力：局部阻力：流体流经一定管径的直管时由于流体的内摩擦而产生的阻力流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力。2022/10/7第14页，共43页，编辑于2022年，星期五流流体体在在水水平平等等径径直直管管中作定态流动。中作定态流动。一、流体在直管中的流动阻力一、流体在直管中的流动阻力1、计算圆形直管阻力的通式、计算圆形直管阻力的通式 2022/1
7、0/7第15页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7垂直作用于截面1-1上的压力：垂直作用于截面2-2上的压力：平行作用于流体表面上的摩擦力为：2022/10/7第16页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7圆形直管内能量损失与摩擦应力关系式圆形直管内能量损失与摩擦应力关系式2、公式的变换、公式的变换与与比较比较,则则得得2022/10/7第17页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7圆形直管阻力所引起能量损失的通式称为范宁公式范宁公式。（对于层流或湍流都适用）为无因次的系数，称为摩擦因数。2022/10/7第18页，共43页，编辑于2022年，
8、星期五二、摩擦系数计算方法二、摩擦系数计算方法1、层流时的摩擦系数、层流时的摩擦系数 作用于流体单元左端的总压力为：作用于流体单元右端的总压力为：2022/10/7第19页，共43页，编辑于2022年，星期五作用于流体单元四周的剪应力为：2022/10/7第20页，共43页，编辑于2022年，星期五代入上式得：滞流流动时圆管内速度分布式2022/10/7第21页，共43页，编辑于2022年，星期五流体的体积流量为：层流时，管截面上速度分布为：2022/10/7第22页，共43页，编辑于2022年，星期五积分此式可得层流时平均速度等于管中心处最大速度的一半。2022/10/7第23页，共43页，
9、编辑于2022年，星期五2022/10/7哈根-泊谡叶公式与范宁公式对比，得：层流流动时与Re的关系2022/10/7第24页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/72、管壁粗糙度对摩擦系数的影响、管壁粗糙度对摩擦系数的影响 化工管路光滑管粗糙管玻璃管、黄铜管、塑料管钢管、铸铁管管壁粗糙度绝对粗糙度相对粗糙度壁面凸出部分的平均高度，以表示。绝对粗糙度与管道直径的比值即/d。2022/10/7第25页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/72022/10/7第26页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/73、湍流时的摩擦系数与因次分析法、湍流时的摩擦系数
10、与因次分析法求Pf实验研究建立经验关系式的方法基本步骤：1)通过初步的实验结果和较系统的分析，找出影响过程的主要因素，也就是找出影响过程的各种变量。2)利用因次分析，将过程的影响因素组合成几个无因次数群，以期减少实验工作中需要变化的变量数目。2022/10/7第27页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/73)建立过程的无因次数群，一般常采用幂函数形式，通过大量实验，回归求取关联式中的待定系数。因次分析法因次分析法 特点：通过因次分析法得到数目较少的无因次变量，按无因次变量组织实验，从而大大减少了实验次数，使实验简便易行。依据：因次一致性原则和白金汉(Buckinghan)所提出
11、的定理。2022/10/7第28页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7因次一致原则因次一致原则：凡是根据基本的物理规律导出的物理量方程式中各项的因次必然相同，也就是说，物理量方程式左边的因次应与右边的因次相同。定理：定理：i=n-m i为数群数,n为变量数,m为基本量数湍流时影响阻力损失的主要因素有：管径管径 d 管长管长 l 平均速度平均速度 u 流体密度流体密度 粘度粘度 管壁粗糙度管壁粗糙度湍流摩擦系数的无因次数群：湍流摩擦系数的无因次数群：2022/10/7第29页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7用幂函数表示为：以基本因次质量（质量（M）、）、长
12、度长度(L)、时间时间(T)表示各物理量：代入（1）式，得：2022/10/7第30页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7以b，f，g表示a，c，e，则有：代入（1）式，得：2022/10/7第31页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7整理，得：因此：式中：数群（4）=变量（7）-基本因次（3）管子的长径比；雷诺数Re；欧拉准数，以Eu表示。2022/10/7第32页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/74.直管内湍流流动的阻力损失直管内湍流流动的阻力损失湍流流动，取l/d的指数b=1。2022/10/7第33页，共43页，编辑于2022年，
13、星期五2022/10/71）摩擦因数图摩擦因数图a)层流区：Re2000，与Re成直线关系，=64/Re。b)过渡区：2000Re4000，管内流动随外界条件的影响而出现不同的流型，摩擦系数也因之出现波动。c)湍流区湍流区：Re4000且在图中虚线以下处时，值随Re数的增大而减小。d)完完全全湍湍流流区区：图中虚线以上的区域，摩擦系数基本上不随Re的变化而变化，值近似为常数。根据范宁公式，若l/d一定，则阻力损失与流速的平方成正比，称作阻力平方区阻力平方区。2022/10/7第34页，共43页，编辑于2022年，星期五0.050.040.030.020.0150.010.0060.0040.0
14、020.0010.00060.00020.00040.00010.00005湍流区（图中红色虚线上方为完全湍流区）湍流区（图中红色虚线上方为完全湍流区）层层流流过过渡渡区区1031041051061071080.010.10摩擦因数摩擦因数 雷诺准数雷诺准数Re相对粗糙度相对粗糙度2462462462462460.0080.020.030.040.050.060.070.08光滑管光滑管图图1-27 摩擦因数摩擦因数与与Re、/d的关系曲线的关系曲线2022/10/7第35页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/72)值的经验关系式值的经验关系式柏拉修斯(Blasius)光滑管公
15、式适用范围为Re=310311055.非圆形管内的摩擦损失非圆形管内的摩擦损失 公式中的直径用当量长度计算:2022/10/7第36页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7对于长宽分别为a与b的矩形管道：对于一外径为D的内管和一内径为d的外管构成的环形通道2022/10/7第37页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7三、三、局部阻力损失局部阻力损失1、局部阻力损失的计算、局部阻力损失的计算1）阻力系数法）阻力系数法 为阻力系数，由实验测定。a)突然扩大与突然缩小 u：取小管的流速 可根据小管与大管的截面积之比查图。管出口b)管出口和管入口管出口相当于突然扩大,
16、流体自容器进入管内，相当于突然缩小A2/A10，管进口阻力系数，c=0.5。2022/10/7第38页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7 2）当量长度法）当量长度法 le为管件的当量长度。c)管件与阀门不同管件与阀门的局部阻力系数可从手册中查取。管件与阀门的当量长度由试验测定，湍流时，可查共线图。四、管路中的总能量损失四、管路中的总能量损失管路系统中总能量损失管路系统中总能量损失=直管阻力直管阻力+局部祖力局部祖力对直径相同的管段：2022/10/7第39页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7截止阀2022/10/7第40页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7闸阀2022/10/7第41页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7这是等待出厂的阀门 2022/10/7第42页，共43页，编辑于2022年，星期五2022/10/7这是等待出厂的各种管件。闸阀截止阀2022/10/7第43页，共43页，编辑于2022年，星期五