化工原理流体流动PPT课件.ppt

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1、关于化工原理流体流动第一张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月2第二张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月上海石油化工厂3第三张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月牡丹江石化4第四张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月青岛石化5第五张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月第一章第一章流体流动流体流动 -内容提要内容提要-流体的基本概念流体的基本概念静力学方程及其应用静力学方程及其应用机械能衡算式及柏努机械能衡算式及柏努利方程利方程流体流动的现象流体流动的现象流动阻力的计算、管路计算流动阻力的计算、管路计算第六张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月第

2、七张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月流体流体是指具有流动性的物体，包括是指具有流动性的物体，包括液体液体和和气体气体。流体输送操作是化工生产中应用流体输送操作是化工生产中应用最普遍的最普遍的单元操作单元操作。流体流动是其它化工过程的流体流动是其它化工过程的基础基础。在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集团所组在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集团所组成的成的连续介质连续介质。流体力学流体力学：流体静力学流体静力学和和流体动力学流体动力学8第八张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月流体的分类和特性流体的分类和特性流体有多种分类方法：流体有多种分类方法：（1）按）

3、按状态状态分为分为气体、液体气体、液体和和超临界流体超临界流体等；等；（2）按）按可压缩性可压缩性分为分为不可压流体不可压流体和和可压缩流体可压缩流体；（3）按）按是否可忽略分子之间作用力是否可忽略分子之间作用力分为分为理想流体理想流体与与粘粘性流体性流体（或（或实际流体实际流体）；）；（4）按）按流变特性流变特性可分为可分为牛顿型流体牛顿型流体和和非牛倾型流体非牛倾型流体；流体区别于固体的主要特征是具有流体区别于固体的主要特征是具有流动性流动性，其形状随容器形状而变化；受，其形状随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成了流体力学原理研究的外力作用时内部产生相对

4、运动。流动时产生内摩擦从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一复杂内容之一第九张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月不可压缩流体不可压缩流体：流体的体积不随压力及温度变化：流体的体积不随压力及温度变化可压缩流体可压缩流体：流体的体积随压力及温度变化流体的体积随压力及温度变化实际流体都是可压缩的实际流体都是可压缩的一般一般，液体液体可看成是可看成是不可压缩不可压缩的流体的流体气体气体可看成是可看成是可压缩可压缩流体流体第十张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月第一节第一节流体静力学流体静力学流体静力学流体静力学主要研究主要研究流体流体静止静止时其内部时其内部压强变化压强变化的规律

5、。描述这一规律的数学表达的规律。描述这一规律的数学表达式，称为式，称为流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式。先介绍有。先介绍有关概念。关概念。第十一张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月一、流体的压力一、流体的压力压强压强流体垂直作用于单位面积上的力称为流体流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的压强，工程上的压强，工程上习惯习惯称为流体的称为流体的压力压力。在在SI中，中，压强的单位压强的单位是是帕斯卡帕斯卡（N/m2），以，以Pa表示。但表示。但习惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：习惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：1atm=1.033 kgf/cm2(at)=7

6、60mmHg=10.33mH2O =1.0133 bar=1.0133105Pa=101.33kPa（1）定义和单位定义和单位工程上常用工程上常用兆帕兆帕作压强的计量单位：作压强的计量单位：1MPa=106Pa第十二张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月（2）压强的基准压强的基准压强有不同的计量基准：压强有不同的计量基准：绝对压强绝对压强、表压强表压强、真空度真空度。绝对压强绝对压强以绝对真空（零压）作起点计算的压强，以绝对真空（零压）作起点计算的压强，是流体的真实压强。是流体的真实压强。表压强表压强压强表压强表上的读数，表示被测流体的绝对压强上的读数，表示被测流体的绝对压强比大气压强

7、高出的数值，即比大气压强高出的数值，即:表压强绝对压强大气压强表压强绝对压强大气压强真空度真空度真空表真空表上的读数，表示被测流体的绝对压上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，即强低于大气压强的数值，即:真空度大气压强绝对压强真空度大气压强绝对压强第十三张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月绝对真空绝对真空大气压大气压绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力表压表压真空度真空度p1p2图图1-1绝对压力、表压与真空度的关系绝对压力、表压与真空度的关系绝对压力、表压与真空度的关系：绝对压力、表压与真空度的关系：第十四张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月图图绝对压力、表压和

8、真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系（a）测定压力测定压力大气压大气压（b）测定压力测定压力A2,We=0，u1P3P4，而P4P5P6，这是由于流体在管内流动时，位能和静压能相互转换的结果。第一百一十五张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月5）流向的判断）流向的判断 在453mm的管路上装一文丘里管，文丘里管上游接一压强表，其读数为137.5kPa，管内水的流速u1=1.3m/s，文丘里管的喉径为10mm，文丘里管喉部一内径为15mm的玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池内水面到管中心线的垂直距离为3m，若将水视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管中？若能吸入，再求每小时吸入的水量为

9、多少m3/h？第一百一十六张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月分析：判断流向比较总势能求P？柏努利方程 解：在管路上选1-1和2-2截面，并取3-3截面为基准水平面设支管中水为静止状态。在1-1截面和2-2截面间列柏努利方程：第一百一十七张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月式中：第一百一十八张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月2-2截面的总势能为 3-3截面的总势能为 3-3截面的总势能大于2-2截面的总势能，水能被吸入管路中。求每小时从池中吸入的水量 求管中流速u柏努利方程在池面与玻璃管出口内侧间列柏努利方程式：第一百一十九张，PPT共二百六十四页，创作于202

10、2年6月式中：代入柏努利方程中：第一百二十张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月 6）不稳定流动系统的计算）不稳定流动系统的计算 例：例：附图所示的开口贮槽内液面与排液管出口间的垂直距离hi为9m,贮槽内径D为3m，排液管的内径d0为0.04m，液体流过该系统时的能量损失可按 公式计算，式中u为流体在管内的流速，试求经4小时后贮槽内液面下降的高度。分析：分析：不稳定流动系统瞬间柏努利方程微分物料衡算第一百二十一张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月解：解：在d时间内对系统作物料衡算，设F为瞬间进料率，D为瞬时出料率，dA为在d时间内的积累量，FdDddA d时间内，槽内液面下降

11、dh，液体在管内瞬间流速为u，上式变为：第一百二十二张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月 在瞬时液面1-1与管子出口内侧截面2-2间列柏努利方程式，并以截面2-2为基准水平面，得：式中：第一百二十三张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月将（2）式代入（1）式得：两边积分：第一百二十四张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月 h=5.62m 经四小时后贮槽内液面下降高度为：95.62=3.38m 第一百二十五张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月本节将讨论产生本节将讨论产生能量损失能量损失的原因的原因及及管内速度分布管内速度分布等，以便为讨论等，以便为讨论能量损失

12、的计算能量损失的计算提供基础。提供基础。第三节第三节管内流体流动现象管内流体流动现象 第一百二十六张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月一、流体的粘度一、流体的粘度（一）牛顿粘性定律（一）牛顿粘性定律运动着的流体内运动着的流体内部相邻两流体层间部相邻两流体层间的作用力，的作用力，称为称为流流体的体的内摩擦力内摩擦力，是，是流体粘性的表现，流体粘性的表现，又称为又称为粘滞力粘滞力或或粘性摩擦力粘性摩擦力。流体流动时的流体流动时的内摩擦内摩擦是流体是流体阻力产生的依据阻力产生的依据。第一百二十七张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月 设设想想有有两两块块面面积积很很大大而而相相距距

13、很很近近的的平平板板，其其间间充充满满液液体体，如图所示：如图所示：uFu=0 令令下下块块板板保保持持不不动动，上上板板以以F力力向向右右推推动动。此此平平行行于于平平板板的的切切向向力力使使平平板板以以速速度度u做做匀匀速速运运动动，两两板板间间的的液液体体于于是是分分成成无无数数薄薄层层而而运运动动。紧紧贴贴于于上上板板的的流流体体层层以以同同一一速速度度u流流动动，而而以以下下各各层层速速度逐渐降低，紧贴于下板表面的一薄层速度为零。度逐渐降低，紧贴于下板表面的一薄层速度为零。第一百二十八张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月牛顿粘性定律牛顿粘性定律式中：速度梯度比例系数，它的值

14、随流体的不同而不同，流体的粘性比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为愈大，其值愈大，称为粘性系数粘性系数或或动力粘度动力粘度，简称简称粘粘度度。单位面积的切向力单位面积的切向力单位面积的切向力单位面积的切向力F/AF/A即为流体的即为流体的即为流体的即为流体的剪应力剪应力剪应力剪应力。实验证明，对实验证明，对实验证明，对实验证明，对大多数流体，剪应力大多数流体，剪应力大多数流体，剪应力大多数流体，剪应力 服从牛顿粘性定律：服从牛顿粘性定律：服从牛顿粘性定律：服从牛顿粘性定律：第一百二十九张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月（二）（二）流体的粘度流体的粘度1

15、、物理意义物理意义 由牛顿粘性定律得由牛顿粘性定律得：物理意义物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是与速度梯度相联系，只有在与速度梯度相联系，只有在运动运动时时才显现出来。才显现出来。物理本物理本质：是分子是分子间的引力和分子的运的引力和分子的运动与碰撞。与碰撞。2、粘度与温度、压强的关系粘度与温度、压强的关系a)液体的粘度液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度基本不变。随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度基本不变。第一百三十张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月b)气体的粘度气体的粘度随温度升高而增大，随

16、压强增加而增加得很少，随温度升高而增大，随压强增加而增加得很少，在一般的工程计算中可以忽略，只有在极低的压强下，才需在一般的工程计算中可以忽略，只有在极低的压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。考虑压强对气体粘度的影响。3、粘度的单位、粘度的单位在SI制中：在物理单位制中：第一百三十一张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月SI单位制和物理单位制粘度单位的单位制和物理单位制粘度单位的换算关系换算关系为：为：4、运动粘度、运动粘度单位：单位：SI制：制：m2/s；物理单位制物理单位制：cm2/s，称为，称为斯托克斯斯托克斯，用，用St表示。表示。第一百三十二张，PPT共二百六十四页，创作于

17、2022年6月（三）（三）牛顿型流体与非牛顿型流体牛顿型流体与非牛顿型流体（1）牛顿型流体牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体服从牛顿粘性定律的流体称为称为牛顿型流体。牛顿型流体。实验表明实验表明：对气体及大多数低摩尔质量液体，：对气体及大多数低摩尔质量液体，属于牛顿型流体。属于牛顿型流体。（2）非牛顿型流体非牛顿型流体凡不遵循牛顿粘性定律的流体，称凡不遵循牛顿粘性定律的流体，称为非牛顿型流体。如血液、牙膏。为非牛顿型流体。如血液、牙膏。第一百三十三张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月第一百三十四张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月二、流体流动类型与雷诺准数二、流体流动类型与

18、雷诺准数1.1.流体流动型态流体流动型态（1 1）雷诺实验）雷诺实验水水水平玻璃管水平玻璃管水箱水箱细管细管水水溢流堰溢流堰小瓶（密度与水相近）小瓶（密度与水相近）阀阀雷诺实验雷诺实验图（图（a a）层流）层流图（图（b b）湍流）湍流第一百三十五张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月136第一百三十六张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月q流速小时流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。表明表明：水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动，各层水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动，各层之间没有质点的迁移。之间没有质

19、点的迁移。q当开大阀门使水当开大阀门使水流速逐渐增大流速逐渐增大到一定数值时，有色细流便出到一定数值时，有色细流便出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；q速度再增速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现均匀的颜，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著的变化。色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著的变化。第一百三十七张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月流体流动状态类型流体流动状态类型过渡流过渡流：流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交

20、替出现，与外界干扰情况有关。或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。过渡流不是一种流型过渡流不是一种流型。q湍流湍流(turbulentflow)或或紊流紊流:当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流或紊流。称为湍流或紊流。q层流层流(laminarflow)或或滞流滞流(viscousflow):当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动

21、，质点当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。第一百三十八张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月影响流体流动类型的因素影响流体流动类型的因素：流体的流体的流速流速u；管径管径d；流体流体密度密度；流体的流体的粘度粘度。u u、d d、越大，越大，越小，就越容易从层流转变为湍流。越小，就越容易从层流转变为湍流。上上述中四个因素所组成的复合数群述中四个因素所组成的复合数群du/，是判断流体流动类型的准则。，是判断流体流动

22、类型的准则。这数群这数群称为称为雷诺准数或雷诺数雷诺准数或雷诺数(Reynolds number)Reynolds number)，用，用ReRe表示。表示。第一百三十九张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月2 2 流型的判据流型的判据层流（层流（LaminarFlow）：）：Re4000；2000Re4000时，有时出现层流，有时出现湍流，或者是二者时，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，称为交替出现，为外界条件决定，称为过渡区过渡区。流型只有两种流型只有两种：层流层流和和湍流湍流。第一百四十张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月雷诺准数的因次雷诺

23、准数的因次ReRe数是一个数是一个无因次数群无因次数群。第一百四十一张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月3 3 雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义质量流速质量流速单位时间通过单位截面积的动量。单位时间通过单位截面积的动量。单位面积上流体粘性力单位面积上流体粘性力的大小的大小 当当Re较较大大时时，流流体体的的惯惯性性力力大大于于粘粘性性力力，占占主主导导地地位位，流流体体的的湍湍动动程程度度大大，流流体体流流动动形形态态为为湍湍流流；而而当当Re较较小小时时，流流体体的的粘粘性性力力大大于于惯惯性性力力，占占主主导导地地位位，流流体体的的湍湍动动程程度度小小，流流体体流流动动状状态态为

24、为层层流流；即即Re越大，流体湍动程度越大越大，流体湍动程度越大。第一百四十二张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月图图1-16速度分布速度分布：流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的变化。流流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。动类型不同，速度分布规律亦不同。（一）流体在圆管中（一）流体在圆管中层流层流时的速度分布时的速度分布由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。速度分布为速度分布为抛物线形状抛物线形状；管中心的流速最大；管中心的流速最大；速度向管壁的方向渐减；速度向管壁的方向渐减；

25、靠管壁的流速为零；靠管壁的流速为零；平均速度为最大速度的一半。平均速度为最大速度的一半。三、流体在圆管内的速度分布三、流体在圆管内的速度分布第一百四十三张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月实验证明实验证明：层流速度的抛物线分布规律要流过一段距离后才：层流速度的抛物线分布规律要流过一段距离后才能充分发展成抛物线的形状。能充分发展成抛物线的形状。当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度的两倍时，层流当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度的两倍时，层流速度分布的抛物线规律才算完全形成。尚未形成层流抛物线规律的这一段，称速度分布的抛物线规律才算完全形成。尚未形成层流抛物

26、线规律的这一段，称为为层流起始段层流起始段。X X0 00.05dRe0.05dRe X0滞流边界层滞流边界层第一百四十四张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月RurP1FP2ul1122如图所示，流体在半径为如图所示，流体在半径为R R 的水平管中作稳定流动。在的水平管中作稳定流动。在流体中取一段长为流体中取一段长为 l l，半径为，半径为r r 的流体圆柱体。在水平方向作的流体圆柱体。在水平方向作用于此圆柱体的力有两端的总压力用于此圆柱体的力有两端的总压力(P P1 1-P-P2 2)及圆柱体周围表面及圆柱体周围表面上的内摩擦力上的内摩擦力F F。1速度分布方程式速度分布方程式 第

27、一百四十五张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月作用于圆柱体两端的总压力分别为作用于圆柱体两端的总压力分别为P1r2p1P2r2p2式中的式中的p1、p2分别为左、右端面上的压强，分别为左、右端面上的压强，N/m2。式中的式中的负号表示负号表示流速沿半径增加的方向而减小。流速沿半径增加的方向而减小。流体作层流流动时流体作层流流动时内摩擦力内摩擦力服从牛顿粘性定律，即服从牛顿粘性定律，即第一百四十六张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月作用于流体圆柱体周围表面作用于流体圆柱体周围表面2rl上的内摩擦力为上的内摩擦力为由于流体作由于流体作等速流动等速流动，根据牛顿第二定律，这些力的

28、合力等于零。，根据牛顿第二定律，这些力的合力等于零。故故式中式中p两端的压力差两端的压力差(p2p1)。即即（1-36）第一百四十七张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月利用管壁处的边界条件，利用管壁处的边界条件，rR时，时，u0，可得，可得（1-37）积分积分第一百四十八张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月式式(1-37)(1-37)为流体在圆管中层流时的为流体在圆管中层流时的速度分布方程式速度分布方程式。由。由此式可知，速度分布为此式可知，速度分布为抛物线形状抛物线形状。（1-37）当当r=0时，时，最大流速最大流速为：为：（1-38）第一百四十九张，PPT共二百六十四页

29、，创作于2022年6月层流的速度分布与平均速度层流的速度分布与平均速度层流时管内速度分布层流时管内速度分布umaxR层流时的速度分布层流时的速度分布平均速度平均速度第一百五十张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月RdrruRurP1FP2l11222流量流量第一百五十一张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月哈根哈根-泊謖叶方程泊謖叶方程3平均流速平均流速（1-40）（1-41）（1-39）此式表明此式表明：在层流流动时，用以克服摩擦阻力的压：在层流流动时，用以克服摩擦阻力的压力差与流速的一次方成正比。力差与流速的一次方成正比。第一百五十二张，PPT共二百六十四页，创作于2022

30、年6月湍流湍流：除沿轴向的运动外，在径向上还有瞬时脉动，：除沿轴向的运动外，在径向上还有瞬时脉动，从而从而产生漩涡产生漩涡。uiuiui12（二）流体在圆管中（二）流体在圆管中湍流湍流时的速度分布时的速度分布第一百五十三张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月湍流的速度分布与平均速度湍流的速度分布与平均速度其中其中n=610，与流体的流动状态有关，与流体的流动状态有关，Re越越大，大，n 也越大也越大。湍流时的速度分布湍流时的速度分布umax速度分布速度分布湍流的速度分布目前还没有理论推导，但湍流的速度分布目前还没有理论推导，但有经验公式有经验公式。第一百五十四张，PPT共二百六十四页，

31、创作于2022年6月12速度分布有两个区域：速度分布有两个区域：中心中心(较平坦较平坦);近管壁近管壁(速度梯度很大速度梯度很大);u壁壁=0.3近管壁有层流底层近管壁有层流底层；4中间为湍流区；中间为湍流区；5u越大，层流底层越薄；越大，层流底层越薄；6起始段：起始段：特点特点：湍流湍流滞流滞流第一百五十五张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月流体作湍流流动时的剪应力流体作湍流流动时的剪应力 与流向垂直的脉动速度使得流体产生与流向垂直的脉动速度使得流体产生涡流粘性涡流粘性。湍流流体内部产生的剪应力湍流流体内部产生的剪应力等于分子粘性（层流粘性）等于分子粘性（层流粘性）产生的剪应力产生

32、的剪应力1和涡流产生的剪应力和涡流产生的剪应力e之和，即之和，即第一百五十六张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月四、四、边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体（1 1）边界层及其形成）边界层及其形成（a）（b）（c）（d）平壁上边界层的形成平壁上边界层的形成第一百五十七张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流底层层流底层缓冲层缓冲层层流边界层与湍流边界层层流边界层与湍流边界层管内边界层的形成及发展管内边界层的形成及发展L0第一百五十八张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月（2 2）边界层分离）边界层分离倒流倒流图图1-25边界层

33、分离示意图边界层分离示意图旋涡旋涡ABC分离点分离点SS由上述可知：由上述可知：流道扩大时必造成逆压强梯度；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；逆压强梯度容易造成边界层的分离；边界层分离造成大量边界层分离造成大量旋涡旋涡，大大，大大增加机械能消耗增加机械能消耗。第一百五十九张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月 流体对球体或圆柱体的绕流会产生边界层分离现象，形成旋涡，造流体对球体或圆柱体的绕流会产生边界层分离现象，形成旋涡，造成机械能损耗，表现为流体的成机械能损耗，表现为流体的阻力损失增大阻力损失增大。这种阻力称为。这种阻力称为形体阻形体阻力力。而流体沿管道流过

34、因速度梯度产生剪应力所引起的流动阻力称为。而流体沿管道流过因速度梯度产生剪应力所引起的流动阻力称为表表皮阻力皮阻力（或（或摩擦阻力摩擦阻力）。）。若流体所经过的流道有弯曲、有突然扩大或缩小，流体流经若流体所经过的流道有弯曲、有突然扩大或缩小，流体流经管件、阀门等地方，同样会出现边界层分离，产生旋涡，引起能管件、阀门等地方，同样会出现边界层分离，产生旋涡，引起能量损耗。故在流体输送中应设法避免或减轻边界层分离造成的阻量损耗。故在流体输送中应设法避免或减轻边界层分离造成的阻力损失。力损失。但边界层分离对传热及混合，却有促进作用，有时也但边界层分离对传热及混合，却有促进作用，有时也要加以利用要加以利

35、用。第一百六十张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月161第一百六十一张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月162第一百六十二张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月163第一百六十三张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月164第一百六十四张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月 本节是在上节讨论管内流体流动现象基础上，本节是在上节讨论管内流体流动现象基础上，进一步讨论柏努利方程式中能量损失的计算方法。进一步讨论柏努利方程式中能量损失的计算方法。第四节第四节流体流动的阻力流体流动的阻力第一百六十五张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月组成组成：由由管

36、、管件、阀门管、管件、阀门以及以及输送机械输送机械等组成的。等组成的。作用作用：将生产设备连接起来，担负：将生产设备连接起来，担负输送输送任务。任务。当流体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力而消耗当流体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力而消耗能量。因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，必需对管、能量。因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，必需对管、管件以及阀门有所了解。管件以及阀门有所了解。一、管路系统一、管路系统第一百六十六张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月分类分类：按按材料材料：铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等；：铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶

37、管等；按按加工方法加工方法：钢管又有有缝与无缝之分；钢管又有有缝与无缝之分；按按颜色颜色：有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。表示方法表示方法：ABAB，其中，其中A A指管外径，指管外径，B B指管壁厚度，如指管壁厚度，如10841084即管外径为即管外径为108mm108mm，管壁厚为，管壁厚为4mm4mm。1管子管子(pipe)第一百六十八张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月作用作用：改变管道方向改变管道方向(弯头弯头);连接支管连接支管(三通三通);改变管径改变管径(变形管变形管);堵塞管道堵塞管道(管堵管堵)。螺旋

38、接头螺旋接头卡箍接头卡箍接头弯头弯头三通三通变形管变形管管件管件：管与管的连接部件。管与管的连接部件。2 2 管件管件 (pipe fitting)(pipe fitting)第一百六十九张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月v截止阀截止阀(globevalve)v闸阀闸阀 (gate valve)(gate valve)v止逆阀止逆阀(check valve):(check valve):单向阀单向阀装于管道中用以装于管道中用以开关管路开关管路或或调节流量调节流量。3阀门阀门(Valve)(Valve)第一百七十张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月v截止阀截止阀 (glob

39、e valve)(globe valve)特点特点：构造较复杂构造较复杂。在阀体部分液体流。在阀体部分液体流动方向经数次改变，动方向经数次改变，流动阻力较大流动阻力较大。但这。但这种阀门种阀门严密可靠严密可靠，而且，而且可较精确地调节可较精确地调节流量流量。应用应用：常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使用。道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使用。结构结构：依靠阀盘的上升或下降，改变依靠阀盘的上升或下降，改变阀盘与阀座的距离，以达到调节流量的阀盘与阀座的距离，以达到调节流量的目的。目的。第一百七十一张，PPT共二百六十四页，创作于202

40、2年6月v闸阀闸阀 (gate valve)(gate valve)：闸板阀闸板阀特点特点：构造简单，液体阻力小，且不构造简单，液体阻力小，且不易为悬浮物所堵塞，故常用于大直径管易为悬浮物所堵塞，故常用于大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；制造、检修道。其缺点是闸阀阀体高；制造、检修比较困难。比较困难。应用应用：较大直径管道的开关较大直径管道的开关。结构结构：闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的流闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的流量。量。第一百七十二张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月v止逆阀止逆阀(check valve):(check valve):单向阀单向

41、阀特点特点：只允许流体单方向流动。只允许流体单方向流动。应用应用：只能在单向开关的特殊情只能在单向开关的特殊情况下使用。况下使用。结构结构：如图所示。当流体自左向右流动时，阀自动开启；如遇到如图所示。当流体自左向右流动时，阀自动开启；如遇到有反向流动时，阀自动关闭。有反向流动时，阀自动关闭。第一百七十三张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月离心泵离心泵离心离心风机风机高高压压风风机机 4输送机械输送机械(泵、风机泵、风机)第一百七十四张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月能量损失能量损失：流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体层流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体

42、层之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力，使一部分机械能转化为热之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力，使一部分机械能转化为热能，我们把这部分机械能能，我们把这部分机械能称为称为能量损失能量损失。能量损失可以通过阻力计算能量损失可以通过阻力计算求得求得。流动阻力流动阻力：流体在管路中的流动阻力可分为流体在管路中的流动阻力可分为直管阻力直管阻力和和局部局部阻力阻力两类。两类。二、流体在管路中的流动阻力二、流体在管路中的流动阻力第一百七十五张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月两种阻力损失两种阻力损失 直管阻力损失直管阻力损失（wf）：流体流过直管造成的机械能损失）：流体流过直管造成的机械能损

43、失称为称为直管直管阻力损失。阻力损失。局部阻力损失局部阻力损失（wf）：流体流经管件（弯头、三通、阀门）：流体流经管件（弯头、三通、阀门）造成的机械能损失造成的机械能损失称为称为局部阻力损失。局部阻力损失。直管阻力损失，直管阻力损失，J/kg局部阻力损失局部阻力损失,J/kg直管压头损失，直管压头损失，m局部压头损失局部压头损失,m直管压力降，直管压力降，N/m2局部压力降，局部压力降，N/m2第一百七十六张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月计算圆形直管阻力损失的通式计算圆形直管阻力损失的通式（1 1）压力降）压力降阻力损失的直观表现阻力损失的直观表现 p1 u d l1122 p2

44、 R流体流过水平直管时压力降流体流过水平直管时压力降因流动阻力而引起的压力降因流动阻力而引起的压力降问问:上、下截面的压力差等于流体上、下截面的压力差等于流体流动的阻力损失，此话对否？流动的阻力损失，此话对否？第一百七十七张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月N/m2或或J/m3J/kgm或或J/N范宁公式范宁公式计算计算圆形直管阻力损失圆形直管阻力损失的通式，对层流与的通式，对层流与湍流均适用。适用湍流均适用。适用于于不可压缩流体不可压缩流体的的稳定流动。稳定流动。注意：注意：范宁公式是在水平等径直管的前提下导出的，此式对倾范宁公式是在水平等径直管的前提下导出的，此式对倾斜或垂直放置

45、的管路是否适用？请思考。斜或垂直放置的管路是否适用？请思考。（2 2）范宁公式范宁公式计算计算圆形直管圆形直管阻力损失的通式阻力损失的通式-摩擦因数摩擦因数第一百七十八张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月三、层流时的直管阻力损失三、层流时的直管阻力损失(1)(1)哈根哈根泊谡叶（泊谡叶（Poiseuille）方程）方程层流时的直管阻力计算式层流时的直管阻力计算式哈根哈根-泊谡叶方程泊谡叶方程 上式不管对水平、倾斜、垂直放置的直管均适用。上式不管对水平、倾斜、垂直放置的直管均适用。(2)(2)层流时摩擦因数层流时摩擦因数范宁公式：范宁公式：比较以上两式得比较以上两式得第一百七十九张，P

46、PT共二百六十四页，创作于2022年6月四、湍流时的直管阻力损失四、湍流时的直管阻力损失 由由于于湍湍流流时时情情况况复复杂杂，流流体体质质点点的的不不规规则则运运动动与与脉脉动动，而而且且流流体体内内部部不不断断发发生生旋旋涡涡，剪剪应应力力比比层层流流时时大大的的多多，此此时时 不不再再服服从从粘粘性性定律。定律。湍湍流流时时剪剪应应力力不不仅仅与与物物性性有有关关，还还与与流流动动状状况况有有关关；无无法法象象层层流流一一样样从从理理论论上上推推导导阻阻力力系系数数的的数数学学表表达达式式，必必须须用用实实验验的的方方法法来来确确定定摩摩擦擦系系数数与与雷雷诺诺数数及及相相对对粗粗糙糙度

47、度的的关关联联式式；其其中中非非常常重重要要的的方方法法：因因次次分分析析法法（基基础础是是因因次次一一致致性性原原则则和和白白金金汉汉(Buckingham)定理定理）。）。因次分析法因次分析法又称为又称为量纲分析法。量纲分析法。第一百八十张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月实践证明，实践证明，湍流运动时，管壁的粗糙度对阻力、湍流运动时，管壁的粗糙度对阻力、能量的损失有较大的影响。能量的损失有较大的影响。q绝对粗糙度绝对粗糙度：管壁粗糙部分的平均高度。管壁粗糙部分的平均高度。q相对粗糙度相对粗糙度 /d：du第一百八十一张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月因次分析法因次分

48、析法指导实验的研究方法指导实验的研究方法湍流时的摩擦因数湍流时的摩擦因数用因次分析法得到无因次数群关系式：用因次分析法得到无因次数群关系式：将实验数据进行关联，得到各种形式的将实验数据进行关联，得到各种形式的的关联式：的关联式：（1）光滑管）光滑管=0，=（Re）柏拉修斯柏拉修斯（Blasius）公式）公式适用范围适用范围：Re=5000105光滑管。光滑管。第一百八十二张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月适用范围：适用范围：Re=30003106光滑管。光滑管。顾毓珍公式顾毓珍公式 尼库拉则（尼库拉则（Nikuradse）与卡门）与卡门(Karman)公式公式第一百八十三张，PPT

49、共二百六十四页，创作于2022年6月（2）粗糙管）粗糙管 顾毓珍等公式顾毓珍等公式 适用范围：适用范围：Re=30003106粗糙管（内径为粗糙管（内径为50200mm的新钢铁的新钢铁管）。管）。柯尔布鲁克柯尔布鲁克（Colebrook）公式）公式Colebrook方程是得到工程界普遍认可、适用范围广：方程是得到工程界普遍认可、适用范围广：Re=4103108，/d=510-210-6 其它计算式其它计算式第一百八十四张，PPT共二百六十四页，创作于2022年6月摩擦因数图摩擦因数图（Friction factor chartFriction factor chart）1944年年莫狄莫狄（M

50、oody）根据实验数据将圆管）根据实验数据将圆管、Re、/d关系标关系标绘在绘在双对数坐标双对数坐标上，以便查得摩擦系数，如图所示。上，以便查得摩擦系数，如图所示。坐标：坐标：直角坐标直角坐标:单对数坐标单对数坐标：其中一个坐标为对数坐标，另一个为直角坐标；：其中一个坐标为对数坐标，另一个为直角坐标；双对数坐标双对数坐标：两个坐标均为对数坐标。：两个坐标均为对数坐标。本图为双对数坐标，本图为双对数坐标，纵轴纵轴为摩擦系数，为摩擦系数，横轴横轴为雷诺数，其刻度按为雷诺数，其刻度按坐标的对数值标绘的，坐标上的刻度即为坐标的对数值标绘的，坐标上的刻度即为、Re的真实值；其中曲线的真实值；其中曲线体现