第一章流体流动(2).ppt

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1、第一章第一章 流体流动流体流动1.1 流体静力学流体静力学1.2 管内流体流动的基本方程式管内流体流动的基本方程式1.3 管内流体流动现象管内流体流动现象1.4 管内流体流动的摩擦阻力损失管内流体流动的摩擦阻力损失1.5 管路计算管路计算1.6 流体的测量流体的测量1第四节第四节 流体流动的摩擦阻力损失流体流动的摩擦阻力损失u主要概念主要概念 摩擦阻力损失、管路、当量直径摩擦阻力损失、管路、当量直径u重点掌握重点掌握 直管流体摩擦阻力损失的测定直管流体摩擦阻力损失的测定 层流摩擦阻力损失计算层流摩擦阻力损失计算 湍流摩擦阻力损失计算湍流摩擦阻力损失计算 局部摩擦阻力损失计算局部摩擦阻力损失计算

2、2u摩擦阻力损失：摩擦阻力损失：流体由于具有黏性，流动时流体由于具有黏性，流动时产生内摩擦而产生的流体机械能损失及压头损产生内摩擦而产生的流体机械能损失及压头损失，称为失，称为摩擦损失或阻力损失摩擦损失或阻力损失。u输送流体的管路：输送流体的管路：由管子、管件、阀门等组由管子、管件、阀门等组成。成。其中，管子计为其中，管子计为 圆管、圆管、A外径、外径、B壁厚、单位壁厚、单位mm3 管件有管件有 阀门有阀门有 90弯头 大小头 三通 活接头 直通 截止阀 闸阀 止逆阀 旋塞阀 球阀4u直管摩擦阻力损失直管摩擦阻力损失 ：流体在一定直管流体在一定直管中流动所产生的摩擦阻力损失。中流动所产生的摩擦

3、阻力损失。u局部摩擦阻力损失局部摩擦阻力损失 ：流体流经管件、流体流经管件、阀门及设备进出口时所产生的摩擦阻力损失。阀门及设备进出口时所产生的摩擦阻力损失。u总摩擦阻力损失总摩擦阻力损失 ：直管摩擦阻力损失直管摩擦阻力损失和局部摩擦阻力损失之和。和局部摩擦阻力损失之和。阻力损失的分类阻力损失的分类5u直管阻力损失的测定直管阻力损失的测定 根据伯努利方程，根据伯努利方程，直管中的阻力损失：直管中的阻力损失：因此因此 非水平直管阻力与水平直管阻力是相等的。非水平直管阻力与水平直管阻力是相等的。6层流时摩擦阻力损失的计算层流时摩擦阻力损失的计算根据实验，直管阻力损失为根据实验，直管阻力损失为层流时，

4、根据哈根泊谡叶方程式层流时，根据哈根泊谡叶方程式可得可得7令令 层流摩擦系数计算公式层流摩擦系数计算公式可得可得 流体摩擦阻力损失计算公式流体摩擦阻力损失计算公式该公式对湍流也适用，只是摩擦系数不同。该公式对湍流也适用，只是摩擦系数不同。8u管壁粗糙度的影响管壁粗糙度的影响 光滑管：玻璃管、铜管、塑料管等光滑管：玻璃管、铜管、塑料管等 管子管子 粗糙管：钢管、铸铁管等粗糙管：钢管、铸铁管等 绝对粗糙度：粗糙面凸出部分的平均高度，绝对粗糙度：粗糙面凸出部分的平均高度，m。相对粗糙度：相对粗糙度：，无量纲。，无量纲。层流时，粗糙度对阻力没有影响。层流时，粗糙度对阻力没有影响。湍流时，粗糙度对摩擦损

5、失有影响，如图湍流时，粗糙度对摩擦损失有影响，如图127所示。所示。湍流时摩擦阻力损失计算湍流时摩擦阻力损失计算9 (1)Re较小较小 ，没有影响没有影响；(2)Re增加增加 ，有影响有影响；(3)Re增大至层流底层很薄，管壁的粗糙凸点全部伸增大至层流底层很薄，管壁的粗糙凸点全部伸入湍流主体中，这种情况的流体流动称为入湍流主体中，这种情况的流体流动称为完全湍流完全湍流，管子称为管子称为完全粗糙管完全粗糙管。10 由此可见，湍流时，摩擦系数既与由此可见，湍流时，摩擦系数既与Re有关，又有关，又与管子的相对粗糙度有关，即与管子的相对粗糙度有关，即 湍流摩擦系数湍流摩擦系数 可查图可查图128 与与

6、(Re，)的关系得到。的关系得到。1112 与与Re，的关系的关系 该关系见图该关系见图1-28(P40)。该图可分为四个区域：。该图可分为四个区域：(1)层流区层流区Re2000，。(2)过渡流区过渡流区(2000 Re 4000)，流动条件好时，流动条件好时，仍可以是层流；为安全起见，一般按湍流计算。仍可以是层流；为安全起见，一般按湍流计算。13(3)湍流区湍流区(Re4000及虚线以下的区域及虚线以下的区域),。(4)完全湍流区（虚线以上的区域），完全湍流区（虚线以上的区域），。对一定的管道，对一定的管道，、为定值，为定值，所以所以 阻力平方区阻力平方区14(1)布拉修斯布拉修斯(Bla

7、sius)方程方程适用于适用于 的光滑管。的光滑管。(2)考莱布鲁克考莱布鲁克(Colebrook)方程方程适用于湍流区和完全湍流区的光滑管和粗糙管。适用于湍流区和完全湍流区的光滑管和粗糙管。的经验关联式的经验关联式15非圆形直管阻力非圆形直管阻力u当量直径：当量直径：4倍的流通截面积与润湿周边长倍的流通截面积与润湿周边长之比，即之比，即u几种管的当量直径几种管的当量直径 (1)圆形管圆形管 (2)套管环隙套管环隙16u层流层流 的修正的修正 式中式中 C常数，无量纲，其值由非园形管管常数，无量纲，其值由非园形管管截面形状而定，见有关手册。截面形状而定，见有关手册。17局部阻力损失局部阻力损失

8、u阻力系数法阻力系数法式中式中 局部阻力系数，无量纲。局部阻力系数，无量纲。(1)管件和阀门的管件和阀门的：见表：见表1-2(P43)18(2)突然扩大与出口的突然扩大与出口的 对于出口，对于出口，(3)突然缩小与进口的突然缩小与进口的 对于进口，对于进口，19u当量长度法当量长度法 式中式中 当量长度，即其阻力与局部阻当量长度，即其阻力与局部阻力相等的直管长度，力相等的直管长度，m。常见管件和阀门的常见管件和阀门的 值见表值见表1-2(P43)。20u总阻力损失总阻力损失21例例116 如图如图130所示，常温水由一敞口贮槽用泵送入塔所示，常温水由一敞口贮槽用泵送入塔内，水的流量为内，水的流

9、量为20m3/h，塔内压力为，塔内压力为196kPa（表（表压）。泵的吸入管长度为压）。泵的吸入管长度为5m，管径为，管径为1084mm；泵出口道塔进口之间的管长为泵出口道塔进口之间的管长为20m，管径，管径573.5mm。塔。塔进进口前的截止口前的截止阀阀半开。半开。试试求此管路系求此管路系统统送水所需的外加机械能，取送水所需的外加机械能，取/d=0.001。22232425例例117 如图如图131所示，有一垂直管路所示，有一垂直管路系统，管内径为系统，管内径为100mm，管长，管长为为16m，其中有两个截止阀，一，其中有两个截止阀，一个全开，一个半开，直管摩擦系个全开，一个半开，直管摩擦

10、系数数=0.025。若只拆除一个全开得。若只拆除一个全开得截止截止阀阀，其他保持不便，其他保持不便，试问试问此此管路系管路系统统的流体体的流体体积积流量流量Vs将增将增加百分之几？加百分之几？2627作业作业P6312513428第五节第五节 简单管路计算简单管路计算u主要概念主要概念 简单管路、复杂管路简单管路、复杂管路u重点掌握重点掌握 摩擦损失计算问题摩擦损失计算问题 流量计算问题流量计算问题 管件计算问题管件计算问题29需要运用到的主要公式有：需要运用到的主要公式有：伯努力方程式伯努力方程式30第一类问题第一类问题摩擦损失的计算摩擦损失的计算计算式子为：计算式子为：已知流量已知流量Vs

11、，则，则 ，从图从图128查出查出 ，可求出，可求出摩擦损失。摩擦损失。31例例132 如图如图132所示，生产中需将高位所示，生产中需将高位槽的水连续输送到低位槽中，输槽的水连续输送到低位槽中，输水量为水量为35m3/h。管径为。管径为893.5mm，管，管长长138m（包括管（包括管件的当量件的当量长长度），管壁的相度），管壁的相对对粗粗糙度糙度为为0.0001。水的密度。水的密度为为1000kg/m3，黏度，黏度为为1mPas。试试求求两水槽水面高度两水槽水面高度应应相差多少米。相差多少米。32 解：由解：由 得得 而而 ，所以，所以3334第二类问题第二类问题u或或Vs的计算的计算已知

12、：已知：求：求：解：由解：由 得得与与 一起代进式（一起代进式（152）35整理后消去整理后消去，可得，可得最后验算是否湍流，最后验算是否湍流，否则改为层流进行计算否则改为层流进行计算。36例例119 如图如图132的输水管路。管长的输水管路。管长及管件的当量长度及管件的当量长度138m，管，管内径内径0.082m，相对粗糙度，相对粗糙度0.0001，两水槽的液面高度，两水槽的液面高度h=5m。试求输水量为多少？。试求输水量为多少？水的密度水的密度1000kg/m3，黏度，黏度1mPas。3738已知：已知：求：求：d解：因为解：因为 和和 都含有都含有d，需用，需用 试差法进行计算。试差法进

13、行计算。将将 代入式代入式 整理后得到计算管径的计算式整理后得到计算管径的计算式 第三类计算第三类计算管径计算管径计算39式中式中K为已知数为已知数先假设先假设 ，用，用 式计算式计算 d 再计算再计算 和和 40例例120 如图如图132所示的输水管路，两水槽的液所示的输水管路，两水槽的液面差面差H=5m，要求水流量，要求水流量q=35m3/h。若。若管长及管件的当量长度管长及管件的当量长度l=138m，管壁绝，管壁绝对粗糙度对粗糙度=0.001m，试试求所需管径。水求所需管径。水的密度的密度为为1000kg/m3，黏度，黏度10-3mPas。4142由由 得得而而所以所以 操作费操作费，设

14、备费，设备费 操作费操作费，设备费，设备费 最适宜管径：使设备费与操作费之和的总费最适宜管径：使设备费与操作费之和的总费用最小的管径用最小的管径最适宜管径的确定最适宜管径的确定4344复杂管路复杂管路u并联管路并联管路(1)主管流量等于各支路流量之和。主管流量等于各支路流量之和。(2)A、B截面压力降一样，各支路摩擦损失相等。截面压力降一样，各支路摩擦损失相等。(3)各支路流量比为各支路流量比为45 因因 故故46u分支管路分支管路47作业作业P6413548第六节第六节 流量的测量流量的测量u重点掌握重点掌握 测速管（皮托管）测速管（皮托管）孔板流量计孔板流量计 转子流量计转子流量计 49u

15、测量原理测量原理 如图如图137，测速管由内外套管构成，内管测，测速管由内外套管构成，内管测得的是静压能和动压能之和，称为冲压能，即得的是静压能和动压能之和，称为冲压能，即 外管测得的是流体的静压能外管测得的是流体的静压能测速管（皮托管）测速管（皮托管）50 因此，因此，u测量管路中流体的点速度，可以用来测出管截测量管路中流体的点速度，可以用来测出管截面上流体的速度分布。面上流体的速度分布。u平均速度则需由管中心的最大速度平均速度则需由管中心的最大速度umax，计算，计算Remax，利用图，利用图138求出。求出。51例例121 在在2736.5mm空气管路中心空气管路中心处处，安装皮托，安装

16、皮托测测速管，速管，测测量空气流量，空气温度量空气流量，空气温度为为30，测量，测量点处的空气压力为点处的空气压力为3kPa（表压）。（表压）。U形管压差形管压差计的读数计的读数R=17mm，指示液为水。当地大气压，指示液为水。当地大气压为为101.3kPa。5253孔板流量计孔板流量计u测量原理测量原理 在管路中安装一片中央带有圆孔的孔板构成。在管路中安装一片中央带有圆孔的孔板构成。通过测定孔板前后的压差来确定流体的流量通过测定孔板前后的压差来确定流体的流量。根据伯努力方程式，有根据伯努力方程式，有54而而 所以所以 55 考虑能量损失，用考虑能量损失，用A0代替代替A2，则，则56令令 流

17、量系数流量系数则则其中其中 ，见图，见图1-40(P55)。对气体对气体其中其中 膨胀系数，见有关手册。膨胀系数，见有关手册。57例例122 用孔板流量计测量某气体的流量。已知气体温用孔板流量计测量某气体的流量。已知气体温度度400，压力（表压）为，压力（表压）为1.962MPa，管内径，管内径为为190mm，孔板孔径为，孔板孔径为130mm。在此条件下气。在此条件下气体的密度为体的密度为6.82kg/m3，黏度为，黏度为23.75Pas，孔，孔板前后的板前后的压压差差为为58.86kPa，试试求气体的求气体的质质量流量流量（量（设设气体的膨气体的膨胀胀系数系数为为=1）。）。5859喷嘴和文丘里流量计喷嘴和文丘里流量计60原理与孔板流量计类似原理与孔板流量计类似其中其中 v流量系数，见有关手册。流量系数，见有关手册。61转子流量计转子流量计u测量原理：与孔板流量计类似测量原理：与孔板流量计类似 对于转子，有对于转子，有62u标定：标定：液体：液体：20 C的水的水 气体：气体：20 C及及1atm的空气的空气u校正：设标定流体与工作流体的校正：设标定流体与工作流体的CR相等，相等，则则63湿式气体流量计湿式气体流量计（自学）（自学）64