流体流动及输送机械.pptx

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1、二、流体的黏度（也称为动力黏度）1.黏度的定义（物理意义）流体流动时在与流动方向垂直的方向上速度梯度变化1单位时对应的流体内部的（内）摩擦力（剪应力）的大小。单位：Pas第1页/共59页液 体:T 气 体:一般T 超高压：p 黏性的物理本质：分子间的作用力和分子的运动与碰撞，是流体自身的的属性，黏度则是表征这个性质的物性参数。第2页/共59页3.运动黏度 黏度与密度的之比。m2/s2.黏度的单位SI制：PasCGS制：cP(厘泊)换算关系1cP1mPas=10-3 Pas曾用单位cm2/s表示，1cm2/s称为1St（斯托克斯，简称沲）1St=10-4 m2/s第3页/共59页三、牛顿流体和非

2、牛顿流体三、牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体牛顿流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿黏性定律的流体，亦：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿黏性定律的流体，亦即黏度为常数、即黏度为常数、曲线过原点曲线过原点的流体。的流体。非牛顿流体非牛顿流体：不符合牛顿黏性定律的流体，亦即黏度：不符合牛顿黏性定律的流体，亦即黏度不是常数不是常数或或曲曲线不过座标原点线不过座标原点的流体。的流体。时变性非牛顿流体：触变性、流凝性流体非时变性牛顿流体：假塑性流体、胀塑性流体、宾哈姆流体（0）、塑性流体。第4页/共59页流体的流动型态 一、雷诺（Renolds）实验层流过渡流湍流(紊流)第5页/共59页 层流（或滞流）：流体

3、质点仅沿着与管轴平行的方向一层一层的作直线运动，质点无径向脉动，质点之间没有质点交换。湍流（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，动量传递加剧，阻力将变大。过渡流：流动形态不稳定，可能是层流，也可能是湍流，与外界条件有关。第6页/共59页1.判断流型Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。2.物理意义 Re反映了流体流动中惯性力（u2）与黏性力（）的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。二、流型判据雷诺（准

4、）数 其量纲为“1”第7页/共59页流体在圆管内的速度分布 速度分布：流体在圆管内流动时,管横截面上质点的速度随其位置（半径r）的变化关系。urf(r)第8页/共59页推动力：推动力：内摩擦力（阻力）：内摩擦力（阻力）：一、层流时的速度分布（每层为同心圆柱曲面）注意负号注意积分限速度分布规律 urf(r)ur稳定流动时推动力和内摩擦力平衡：第9页/共59页当r0时，uumax，即管中心流速为最大流体在圆形直管内层流流动时，其横截面上的速度在纵截面内呈抛物线分布，空间旋转抛物面分布。速度分布规律：则：第10页/共59页管横截面上的平均速度管横截面上的平均速度即层流流动时的平均流速为管中心最大流速

5、的1/2。泊稷叶方程，毛细管黏度计理论公式。第11页/共59页二、湍流时的速度分布 湍流速度分布的经验公式：n的数值由Re确定4103Re1.1105时，n61.1105Re3.2105时，n10第12页/共59页三、流体边界层（三、流体边界层（P22P22）在壁面附件存在着在壁面附件存在着速度梯度较大速度梯度较大的区域，的区域，称为称为边界层边界层；边界层的流动型态可能是层流也；边界层的流动型态可能是层流也可能是紊流，但是无论边界层紊流程度如何，可能是紊流，但是无论边界层紊流程度如何，在靠近壁面处仍然会存在非常薄的流体层，表在靠近壁面处仍然会存在非常薄的流体层，表现为层流，此层称为现为层流，

6、此层称为层流底层层流底层或或层流内层层流内层，对，对传热和传质影响非常大。传热和传质影响非常大。第13页/共59页注意能量损失的几个表示字母：注意能量损失的几个表示字母：单位质量流体衡算单位质量流体衡算，能量，能量hhf1-2f1-2，单位，单位J/kgJ/kg；单位重量流体衡算单位重量流体衡算，能量损失，能量损失HHf1-2f1-2，单位，单位J/N=mJ/N=m。单位体积流体衡算单位体积流体衡算，能量损失，能量损失PPf f，单位单位J/mJ/m3 3。流体流动阻力计算第14页/共59页1.4 流体流动阻力直管阻力（沿程阻力）局部阻力 流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力，与管长

7、（流过的路程）成正比；流体流经管件、阀门、拐弯等局部地方由于流速大小及方向的突然改变而引起的阻力。机械能损失（hf、Hf、Pf）；内能增加；根源粘性，与流型有关（Re）；能量损失、摩擦损失或阻力。阻力分为两类：直管阻力或沿程阻力、局部阻力第15页/共59页直管阻力（沿程阻力）一、阻力的表现形式 管道水平放置时，流动阻力表现为静压能的减少；只要能够测量到p1、p2，就可以计算hf。流体在水平等径直管中作稳定流动。第16页/共59页二、直管阻力通式流动过程的推动力：流体的摩擦力：令 平衡：稳定流动时推动力和内摩擦力平衡：分母惯性力有关，分子与黏滞力有关比压力差更难获得！第17页/共59页直管阻力通

8、式（范宁Fanning公式）其它形式：摩擦系数（摩擦因数），无因次。则 J/kg压头损失m压力损失Pa该公式层流与湍流均适用。？第18页/共59页三、层流时的摩擦系数 哈根-泊谡叶（Hagen-Poiseuille）方程 泊稷叶方程，毛细管黏度计理论公式能量损失：u 层流时阻力与速度的一次方成正比。变形：（）比较得所以，直管阻力（注 ）第19页/共59页四、湍流时的摩擦系数1.因次（量纲）分析法半理论半实验法原理：因次一致性，即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且两边量纲应相同，且量纲的指数（因次）也相同。基本定理：定理 设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本量纲数（因次数）

9、为m个，则该物理现象可用Nnm个独立的准数（无因次数群）表示。准数：某导出物理量除以自身量纲用基本物理量反代组合体，所得的是一个量纲为1的数。第20页/共59页湍流时阻力的影响因素：（1）流体的物理性质：，（2）管道的几何尺寸和管壁粗糙度：d，l，（3）流动参数：u2.湍流时的准数化（因次分析）物理变量数：n7基本因次：m3准数（无因次数群）Nnm4，即该过程可用4个准数表示。第21页/共59页式中：k、a、b、c、d、e、f为待定常数各物理量的单位（量纲）属于长度量纲的：管长L（m）；直径：L（m）；，L（m）流速：LT-1（m/s）；压力ML-1T-2（Pa）；：ML-1T-1（PaS）；

10、密度：ML-3因次分析过程第22页/共59页把把各各物物理理量量的的量量纲纲代代入入得得：因因次次表表达达式式整理得：因次一致：1=d+e；-1=a+b+c-3d-e+f；-2=-c-e3个方程，6个未知数，线性相关，把其中3个表示为另外3个的函数，d=1-e，c=2-e，a=-b-e-f，则：指数相同的物理量整理在一起，得准数表达式：第23页/共59页相对粗糙度管道的几何尺寸，长径比雷诺数，惯性力和黏滞力的之比根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即 b=1或式中：欧拉（Euler）准数，压力损失和惯性力之比比较知即K、e、f、b的确定第24页/共59页准数化（因次分析）带来两种好处准数化

11、（因次分析）带来两种好处：方程中变量的个数（准数群的个数）减少基方程中变量的个数（准数群的个数）减少基本量纲数的个数，实验次数大大减少。本量纲数的个数，实验次数大大减少。以准数作为变量，变化此变量的数值可选择以准数作为变量，变化此变量的数值可选择最方便变化的物理量进行调节。最方便变化的物理量进行调节。如要变化ReRe只要改变流速即可。在小实验装置上，以水、空气等常见物料为介质，得到的关系式，普遍适用于其它流体（牛顿型）和其它大小的设备，也即做到了“由此及彼，由小及大”。第25页/共59页双对数双对数坐标图：注意图中有坐标图：注意图中有三个参数三个参数 横坐标：横坐标：ReRe 左纵坐标：左纵坐

12、标：右纵坐标：右纵坐标：/d/d四个区域四个区域：层流区、过渡区、（一般或不完全）：层流区、过渡区、（一般或不完全）湍流区、完全湍流区湍流区、完全湍流区2.摩狄（Moody图、摩擦系数）图查图求第26页/共59页第27页/共59页对数坐标与十进制坐标的关系特点：1.坐标对数分度；2.进位101；第28页/共59页（1）层流区（Re2000）与 无关，与Re为直线关系，即 ,即 与u的一次方成正比，阻力一次方区。（2）不完全湍流区（Re4000以及虚线以下的区域）查图或利用阿里特苏里公式计算柯尔布鲁克公式（3）完全湍流区（虚线以右的区域）该区又称为阻力平方区。查图或利用尼古拉兹简化式希夫林松公式

13、计算与Re无关，只与 有关。一定时，第29页/共59页（5）光滑管柏拉修斯公式，Re31031105粗糙度很小，近似光滑，称为光滑管。顾毓珍等公式，Re31033106（4）过渡区（2000Re4000)将湍流时的曲线延伸查取值，或利用扎依钦科公式第30页/共59页摩狄图变化规律摩狄图变化规律层流区：随着层流区：随着雷诺数增大雷诺数增大（流速增大，速度分（流速增大，速度分布布顶变短、平顶变短、平），），直线减小直线减小；不完全湍流：随着不完全湍流：随着雷诺数增大，雷诺数增大，曲线减小曲线减小；完全湍流：随着完全湍流：随着雷诺数增大，雷诺数增大，几乎不变几乎不变。第31页/共59页绝对粗糙度绝对

14、粗糙度（查表（查表1-11-1）P27P271-1第32页/共59页小结小结直管阻力（能量损失）计算的直管阻力（能量损失）计算的核心是确定核心是确定；f f（ReRe，/d/d）的计算的计算核心是判断流型核心是判断流型，即求得，即求得ReRe；并查得；并查得，计算，计算/d/d；的获取途径：的获取途径：查图；查图；利用经验公式计算利用经验公式计算 层流层流64/Re64/Re，湍流湍流f f（ReRe，/d/d）的具体）的具体公式。公式。阻力计算公式：阻力计算公式：第33页/共59页局部阻力局部阻力 用hf或Hf表示阻力损失。流体流经管件、阀门、拐弯等局部地方由于流速大小及方向的突然改变而引起

15、的阻力。一、管件和阀门第34页/共59页回弯头管件第35页/共59页第36页/共59页蝶阀阀门第37页/共59页第38页/共59页第39页/共59页二、计算方法1、阻力系数法 将局部阻力表示为动能的某一倍数。局部阻力系数（因数）？J/kgJ/N=m第40页/共59页（1）突然扩大第41页/共59页（2）突然缩小第42页/共59页（3）管进口及出口 进口（相当于突缩）：流体自容器进入管内。进口=0.5 进口阻力系数；出口（相当于突扩）：流体自管子进入容器或从管子排放到管外空间。出口=1 出口阻力系数。第43页/共59页（4）各种管件与阀门的阻力系数 （查表1-3）P32-33第44页/共59页2

16、、当量长度法 将流体流过管件或阀门的局部阻力，近似看成直某个长度的直管阻力损失，这个长度就是当量长度，Le。Le 管件或阀门的当量长度，m，由实验确定，查图1-23；一般给定le/d的数值，查图1-20 P34。第45页/共59页第46页/共59页管内流动总阻力减少流动阻力的途径：管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些。第47页/共59页有阻力损失时的计算有阻力损失时的计算1.1.确定计算范围，即确定计算范围，即两个截面两个截面位置，并确定位置，并确定基准基准水平面水平面；2.2.计算计算ReRe，确定流型确定流型；3.3.对于对于沿程阻力沿程阻力，由，

17、由ReRe和和/d/d确定确定，层流，层流代公式代公式，湍流湍流查查 图图或代经验公式；或代经验公式；4.4.对于对于局部阻力局部阻力，查表查表1-41-4确定确定局部阻力系数局部阻力系数，或或查表查表1-41-4、图、图1 12323确定当量长度确定当量长度 、；5.5.计算总阻力：计算总阻力：hhf fh hf fhhf f、HHf fH Hf fHHf f；6.6.利用利用伯努利方程伯努利方程计算。计算。第48页/共59页1.5 管路计算 管路计算是应用连续性方程式、柏努利方程式和流体流动阻力的计算方法，对流体输送管路进行计算。管路进行计算内容：管内流体的流量；输送设备的功率；管路中流体

18、的压力；容器间的相对位置等。第49页/共59页简单管路 一、特点（1）流体通过各管段的质量流量不变（2）整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和。不可压缩流体qv1,d1qv2,d2qv3,d3一条管路组成的系统质量守恒连续性方程第50页/共59页二、管路计算连续性方程：柏努利方程：阻力层流i64/Re湍流i查Moody图沿程阻力（Re、/d）局部阻力阻力系数法i 当量长度法 物料衡算能量衡算注意管道进出口第51页/共59页管路计算问题的三种情况管路计算问题的三种情况（1 1）已知流体的流量、管道的长度、管径、管件和阀门）已知流体的流量、管道的长度、管径、管件和阀门的设置，计算管路系统的阻力损

19、失、泵的功率。的设置，计算管路系统的阻力损失、泵的功率。操作型操作型（验证）计算（验证）计算（2 2）已知流体的流量、管道的长度、管件、阀门和允许）已知流体的流量、管道的长度、管件、阀门和允许的能量损失，计算管路系统的管径。的能量损失，计算管路系统的管径。设计型计算设计型计算（3 3）已知管道的长度、管径、管件和阀门的设置及允许）已知管道的长度、管径、管件和阀门的设置及允许的能量损失，计算管路系统流体的流速或流量。的能量损失，计算管路系统流体的流速或流量。设计型计设计型计算算计算方法：试差法第52页/共59页 三、试差法计算求解过程注意：若已知流动处于阻力平方区或层流，则无需试差，直接解析求解

20、。初设阻力平方区完全湍流区和假设的是否接近是完成否查得的赋给假设的阻力损失hf？（特征）Re 流速u管径d？或流量V？第53页/共59页例：采用例：采用1084mm1084mm的不锈钢管输送牛奶，管路的不锈钢管输送牛奶，管路总长为总长为120m120m，管路中允许的，管路中允许的总能量损失为总能量损失为 200J/Kg200J/Kg，牛奶的密度为，牛奶的密度为1030 Kg/m1030 Kg/m3 3，黏度为，黏度为2mPa2mPaS S，管道的相对粗糙度，管道的相对粗糙度/d/d=0.002=0.002，试，试计算管路中牛奶的流量。计算管路中牛奶的流量。第54页/共59页解：已知：解：已知：hf200JKg，d0.lm,l120m,=1030Kg/m3，2103Pas,/d0.002。用试差法计算，按照用试差法计算，按照完全湍流完全湍流查图，得查图，得0.02，根据范宁公式求得，根据范宁公式求得(0.0243-0.02)/0.0225%第55页/共59页第56页/共59页第57页/共59页总总 结结1.1.牛顿黏性定律、黏度、雷诺数牛顿黏性定律、黏度、雷诺数2.2.范宁公式范宁公式3.3.直管阻力计算直管阻力计算4.4.局部阻力计算局部阻力计算5.5.管路计算管路计算第58页/共59页感谢您的观看！第59页/共59页