流体流动后面部分优秀PPT.ppt

流体流动后面部分1你现在浏览的是第一页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理2/200一、阻力损失产生的原因及影响因素一、阻力损失产生的原因及影响因素1.原因摩擦阻力:由黏性流体的内摩擦造成形体阻力：由物体前后压强差引起2.影响因素n雷诺数n物体的形状n物体表面的粗糙度你现在浏览的是第二页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理3/200 二、沿程阻力与沿程损失二、沿程阻力与沿程损失 黏性流体在管道中流动时，流体与管壁面以及流体之间存在摩擦力，所以沿着流动路程，流体流动时总是受到摩擦力的阻滞，这种沿流程的摩擦阻力，称为沿程阻力。流体流动克服沿程阻力而损失的能量，就称为沿程损失。（有时也把流经直管的阻力称为沿程阻力损失）沿程损失是发生在缓变流整个流程中的能量损失，它的大小与流过的管道长度成正比。造成沿程损失的原因是流体的黏性，因而这种损失的大小与流体的流动状态（层流或湍流）有密切关系。你现在浏览的是第三页，共95页 单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失，以 表示，单位体积流体的沿程损失，又称为沿程压强损失，以 表示 。在管道流动中的沿程损失可用下式求得式中沿程阻力系数，它与雷诺数和管壁粗糙度有关，是一个无量纲的系数管道长度，m；管道内径，m；管道中有效截面上的平均流速，m/s。范宁（Fanning）公式你现在浏览的是第四页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理5/200三、局部阻力与局部损失三、局部阻力与局部损失 在管道系统中通常装有阀门、弯管、变截面管等局部装置。流体流经这些局部装置时流速将重新分布，流体质点与质点及与局部装置之间发生碰撞、产生漩涡，使流体的流动受到阻碍，由于这种阻碍是发生在局部的急变流动区段，所以称为局部阻力。流体为克服局部阻力所损失的能量，称为局部损失。单位重量流体的局部损失称为局部水头损失，以 表示，单位体积流体的局部损失，又称为局部压强损失，以 表示 。在管道流动中局部损失可用下式求得式中 局部阻力系数是一个无量纲的系数，根据不同的 局部装置由实验确定。你现在浏览的是第五页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理6/200四、总阻力与总能量损失四、总阻力与总能量损失 在工程实际中，绝大多数管道系统是由许多等直管段和一些管道附件连接在一起所组成的，所以在一个管道系统中，既有沿程损失又有局部损失。我们把沿程阻力和局部阻力二者之和称为总阻力，沿程损失和局部损失二者之和称为总能量损失。总能量损失应等于各段沿程损失和局部损失的总和，即上述公式称为能量损失的叠加原理。你现在浏览的是第六页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理7/200 五、圆管中层流流动的速度分布和阻力损失五、圆管中层流流动的速度分布和阻力损失1.速度分布推导思想（微元思想）即圆管中层流流动时，平均流速为最大流速的一半。工程中应用这一特性，可直接从管轴心测得最大流速从而得到管中的流量，这种测量层流的流量的方法是非常简便的。速度分布曲线呈抛物线形状你现在浏览的是第七页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理8/2002.2.沿程损失沿程损失 流流体体在在等等直直径径圆圆管管中中作作层层流流流流动动时时，流流体体与与管管壁壁及及流流体体层层与与层层之间的摩擦，将引起能量损失，这种损失为沿程损失。之间的摩擦，将引起能量损失，这种损失为沿程损失。由此可见，层流时沿程损失与平均流速的一次方成正比。由此可见，层流时沿程损失与平均流速的一次方成正比。由于由于 ，上式变形得，上式变形得 你现在浏览的是第八页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理9/200令 为沿程阻力系数，在层流中仅与雷诺数有关。于是得 你现在浏览的是第九页，共95页【例例】圆管直径 mm，管长 m，输送运动黏度 cm2/s的石油，流量 m3/h，求沿程损失。【解解】判别流动状态为层流 式中（m/s）（m 油柱）你现在浏览的是第十页，共95页【例例】输送润滑油的管子直径 8mm，管长 15m，如图所示。油的运动黏度 m2/s，流量 12cm3/s，求油箱的水头 （不计局部损失）。图 润滑油管路（m/s）雷诺数 列截面1-1和2-2的伯努利方程为层流你现在浏览的是第十一页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理12200认为油箱面积足够大，取(m)，则你现在浏览的是第十二页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理13200六、圆管中湍流流动的速度分布和阻力损失六、圆管中湍流流动的速度分布和阻力损失1.速度分布(P78)通常遇到的Re范围内：1/7次方定律你现在浏览的是第十三页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理142002.阻力损失分析方法（量纲分析法）或你现在浏览的是第十四页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理15200穆迪（Moody）图：以 Re 和 /d 为参数，在双对数坐标中标绘测定的摩擦系数 值你现在浏览的是第十五页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理16200你现在浏览的是第十六页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理17200你现在浏览的是第十七页，共95页层流（滞流）区（层流（滞流）区（Re2000）摩擦系数 与相对粗糙度无关，与 Re 数的关系符合解析结果 层流摩擦阻力与平均流速成正比过渡区（过渡区（2000Re4000）由于过渡流常常是不稳定的，难于准确判定其流型，工程应用上从可靠的观点出发一般按湍流处理。湍流区（湍流区（Re4000）随 /d 增加而上升，随 Re 增加而下降。有一个转折点，超过此点后与 Re 无关。转折点以下（即图中虚线以下）粗糙管的曲线可用下式表示 你现在浏览的是第十八页，共95页对光滑管，在 Re=3000 100000 范围完全湍流区（阻力平方区）完全湍流区（阻力平方区）湍流区中虚线以上区域。该区 与 Re 无关而只随管壁粗糙度变化，对一定的管道而言，即为常数。摩擦阻力正比于流体平均动能，因此称为阻力平方区。柏拉修斯（Blasius）公式对光滑管，在 更高Re 范围柯尔本（Colburn）公式你现在浏览的是第十九页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理20200层流时，阻力损失主要由流体内摩擦引起，取决于流体的粘度和速度梯度。圆管内牛顿流体层流速度梯度在整个半径范围并不因管壁粗糙度的局部影响而发生明显改变，所以粗糙度对摩擦系数的值无影响。u 你现在浏览的是第二十页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理21200u EAEB，所以水将由容器 C 流出，与泵联合向容器B供水。q你现在浏览的是第五十七页，共95页uC需试差。步骤：初设 uC，算 Re，由 Re 与/d 按摩擦系数计算式试差计算出一个 值，将该 值和初设的 uC 代入比较等式两边计算值，直到满意的计算精度。你现在浏览的是第五十八页，共95页 此条件下水在 AB 管段的流速(2)要达到由泵向容器 C 输水 4.12m3/h，管路系统要求泵提供的轴功率必须增加。由分支管路特点，在水池液面与容器 C 的液面和管路 B 出口处分别列柏努利方程有 你现在浏览的是第五十九页，共95页要完成此输送任务 AC 分支管路需泵提供的能量 WeC 大于 AB 分支管路的 WeB，泵的轴功率应满足 AC 管路的要求，所以 AB 管路则通过减小该支管上截止阀的开启度、增加管路阻力，满足流量分配要求。由 /dB 和 Re 值查图得 B=0.035 你现在浏览的是第六十页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理61200例2 复杂管路的设计型问题举例 如图所示，某厂计划建一水塔，将20水分别送至第一、第二车间的吸收塔中。第一车间的吸收塔为常压，第二车间的吸收塔内压力为20kPa（表压）。总管为573.5mm的钢管，管长为（30+z0）m，通向两吸收塔的支管均为252.5mm的钢管，管长分别为28m和15m（以上各管长均已包括所有局部阻力的当量长度在内）。喷嘴的阻力损失可以忽略。钢管的绝对粗糙度可取为=0.2mm。现要求向第一车间的吸收塔供应1800kg/h的水，向第二车间的吸收塔供应2400kg/h的水，试确定水塔离地面至少多高才行？已知20C水的黏度 Pas，可用下式计算：你现在浏览的是第六十一页，共95页 57 3.5mm（30+z0）25 2.5mm28m15m20kPa(表表)1800kg/h2400kg/h常常压压你现在浏览的是第六十二页，共95页解：这是分支管路设计型问题，可沿两分支管路分别计算所 需的z0，从中选取较大者。为计算满足吸收塔一的供水量水塔应处的高度，在0-0面和1-1面间列机械能衡算方程：总管：总管：57 3.5mm（30+z0）25 2.5mm28m15m20kPa(表表)1800kg/h2400kg/h常常压压你现在浏览的是第六十三页，共95页通向吸收塔一的支路：57 3.5mm（30+z0）25 2.5mm28m15m20kPa(表表)1800kg/h2400kg/h常常压压将有关数据代入得：将有关数据代入得：解之得：你现在浏览的是第六十四页，共95页通向吸收塔二的支路：57 3.5mm（30+z0）25 2.5mm28m15m20kPa(表表)1800kg/h2400kg/h常常压压 再计算为满足吸收塔二的供水量，水塔应处的高度，为此在0-0面和2-2面间列机械能衡算方程：你现在浏览的是第六十五页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理66200将有关数据代入得：解之得：为了同时满足第一、二车间的供水要求，应取z0、z0中较大者，即水塔离地面至少13.9m才行。实际操作时，第一车间供水量可通过关小阀门来调节。你现在浏览的是第六十六页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理67200几点讨论几点讨论1 1、简单管路、简单管路阀门关小阀门关小当阀门关小时，其局部阻力增大，将使管路中流量减小上游阻力的减小使下游压力上升下游阻力的减小使上游压力下降你现在浏览的是第六十七页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理68200 2、分支管路、分支管路极端情况：极端情况：总总管管阻阻力力可可以以忽忽略略，支支管管路路阻阻力力为为主主：u u0 0很很小小，p p0 0为为常常数数，关关小小A A只只影影响响A A流流量量，不不影影响响B B（供水）（供水）考察整个管路，由于阻力增加而使总流量qV0下降，pO上升；在截面0至2间考察,因 增大，而使qV2下降；在截面0至3间考察，pO的上升，不变，而使qV3增加。阀门K1关小你现在浏览的是第六十八页，共95页 2、分支管路、分支管路极端情况：极端情况：总总管管阻阻力力可可以以忽忽略略，支支管管路路阻阻力力为为主主：u u0 0很很小小，p p0 0为为常常数数，关关小小A A只只影影响响A A流流量量，不不影影响响B B（供供水）水）OB段流量减少，OA段流量减少，而OC段流量增大；PM变大，PN变小，PR变大阀门K1关小如何证明？如何证明？你现在浏览的是第六十九页，共95页 阀门K1关小，OB段流量减少，OB段管路阻力增加，考察E2-EO,EO增大，考察E1-E0,hf1-o减少，总流量下降PM上升考察EO-E3的关系EOE3+hfO-3EO增大，E3不变hfO-3增大，OC段流速（量）增大考察ER-E3的关系ERE3+hfR-3ER=gZ+u2/2+PR/hfR-3（l/d+)u2/2流速增大，hfR-3 比ER中动能项增长快PR增大同上：考察ENE2可得出PN减少。你现在浏览的是第七十页，共95页3、汇合管路、汇合管路关小阀门，关小阀门，u3；p0 ，u1，u2 ；u3继续减少继续减少 首先首先 u2=0，最终可出现反向流，最终可出现反向流动。动。你现在浏览的是第七十一页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理72200证明（1）k1关小，则V1 减小。假设V不变V2、V3不变V变小，故假设不成立假设V变大V2、V3变小V变小，故假设不成立现将支路1上的阀门k1关小，则下列流动参数将如何变化？(1)总管流量V、支管1、2、3的流量V1、V2、V3；(2)压力表读数pA、pB。例例3 3 复杂管路的操作型问题分析复杂管路的操作型问题分析你现在浏览的是第七十二页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理73200V2、V3变大pA变大、pB变小现将支路1上的阀门k1关小，则下列流动参数将如何变化？(1)总管流量V、支管1、2、3的流量V1、V2、V3；(2)压力表读数pA、pB。你现在浏览的是第七十三页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理74200你现在浏览的是第七十四页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理752001.4.3 1.4.3 管网简介管网简介管网的计算原则：1管网中任一单根管路都是简单管路，其计算与前述的简单管路计算遵循着同样的定律。2在管网的每一结点上，输入流量与输出流量相等。3在管网的每一个封闭的回路上，压头损失的代数和等于零。你现在浏览的是第七十五页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理762008 流体测量流速测量流量测量流体测量以伯努利方程为基础（且不考虑局部阻力损失且不考虑局部阻力损失）变压头流量计：测速管、孔板流量计、文丘里流量计等变截面流量计：转子流量计你现在浏览的是第七十六页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理772001、测速管：又称皮托（、测速管：又称皮托（Pitot）管）管p8.1 变压头流量计变压头流量计你现在浏览的是第七十七页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理78200测umax平均速度流量平均速度与管中心速度之比随Re变化的关系你现在浏览的是第七十八页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理79200你现在浏览的是第七十九页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理802002 2孔板流量计孔板流量计结构结构Why?书上P100你现在浏览的是第八十页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理81200测量测量原理原理：你现在浏览的是第八十一页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理82200你现在浏览的是第八十二页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理83200影响孔流系数C0的因素：A0/A1、雷诺数Re1=du1/、取压位置、孔口的形状、加工精度。需由实验测定。你现在浏览的是第八十三页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理84200你现在浏览的是第八十四页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理85200优点：构造简单，制造和安装都很方便缺点：机械能损失（称之为永久损失）大 安装时应在其上、下游各有一段直管段作为稳定段，上游长度至少应为10d1，下游为5d1 使用注意事项：你现在浏览的是第八十五页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理862003文丘里（Venturi）流量计收缩段锥角通常取1525，扩大段锥角要取得小些，一般为57（why?P103)是对孔板流量计的改进你现在浏览的是第八十六页，共95页总结：总结：变压头流量计的特点是文丘里流量计的缺点：加工比孔板复杂，因而造价高，且安装时需占去一定 管长位置，优点：其永久损失小，故尤其适用于低压气体的输送。你现在浏览的是第八十七页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理882008.2 变截面流量计变截面流量计转子流量计转子流量计v结构结构v测量原理测量原理微锥形玻璃管，锥微锥形玻璃管，锥角约为角约为4 左右左右 转子（或称浮子）转子（或称浮子）,直径略小于玻璃管直径略小于玻璃管的内径；的内径；转子密度须大于被测转子密度须大于被测流体的密度流体的密度。你现在浏览的是第八十八页，共95页 pAf测量原理：先按理想流体推导，此时摩擦力为零。当转子停留在某一高处时你现在浏览的是第八十九页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理90200 考虑到实际转子不是圆柱状、流体非理考虑到实际转子不是圆柱状、流体非理想，将上式加一校正系数，得：想，将上式加一校正系数，得：环隙面积你现在浏览的是第九十页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理91200CR你现在浏览的是第九十一页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理92200v读数常需换算：使用时被测流体物性（、）与标定用流体不同（20C水或20C、1atm的空气），则流量计刻度必须加以换算：v转子流量计必须垂直安装转子流量计必须垂直安装qV、实际被测流体的流量、密度；qV0、0 标定用流体的流量、密度倾斜10将造成0.8的误差你现在浏览的是第九十二页，共95页四川农业大学本科生课程环工原理93200优点：读取流量方便，流体阻力小，测量精确度较高，能用于腐蚀性流体的测量；流量计前后无须保留稳定段。缺点：玻璃管易碎，且不耐高温、高压。你现在浏览的是第九十三页，共95页（伯努利方程）你现在浏览的是第九十四页，共95页重要概念重要概念连续介质模型、等压面、牛顿粘性定律、连续介质模型、等压面、牛顿粘性定律、黏度黏度 及其影响因素、雷诺数及其影响因素、雷诺数 层流与湍流层流与湍流 量纲分析法（量纲分析法（定理）定理）边界层概念（普兰特边界层理论）边界层概念（普兰特边界层理论）边界层厚度、边界层的形成和发展、边界层分离边界层厚度、边界层的形成和发展、边界层分离设备及仪表设备及仪表压差计、流量计等结构及测量原理。压差计、流量计等结构及测量原理。难点难点基本分析方法基本分析方法物料衡算、能量衡算物料衡算、能量衡算你现在浏览的是第九十五页，共95页