流体流动及输送机械(2)课件.ppt

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1、柏努利方程：柏努利方程：旧课回顾旧课回顾1.3 1.3 管内流体流动现象管内流体流动现象一、一、牛顿黏性定律牛顿黏性定律 1.3.1 1.3.1 流体的黏性与黏度流体的黏性与黏度 式中：式中：剪应力，剪应力，PaPa；速度梯度，速度梯度，1/s1/s；流体的粘性系数，称为黏度，流体的粘性系数，称为黏度，PaPas s。黏性的概念；黏性的概念；静止静止流体流体不表现不表现黏性，黏性，流动流动时时表现表现黏性，黏性，引起能量损失引起能量损失；黏度的概念；黏度的概念u uF Fuy yu+duy y+d dy y二、流体的黏度（也称为动力黏度）二、流体的黏度（也称为动力黏度）1.1.黏度的定义（物理

2、意义）黏度的定义（物理意义）流流体体流流动动时时在在与与流流动动方方向向垂垂直直的的方方向向上上速速度度梯梯度度变变化化1 1单单位位时时对对应应的的流体内部的（内）摩擦力（剪应力）的大小。流体内部的（内）摩擦力（剪应力）的大小。单位：单位：PaPas s液液 体体:T T 气气 体体:一般一般T T 超高压：超高压：p p 黏性的物理本质：黏性的物理本质：分分子子间间的的作作用用力力和和分分子子的的运运动动与与碰碰撞撞，是是流流体体自自身身的的的属性的属性，黏度则是表征这个性质的，黏度则是表征这个性质的物性参数物性参数。3.3.运动黏度运动黏度 黏度黏度与密度与密度的之比。的之比。m m2

3、2/s/s2.2.黏度的单位黏度的单位SISI制：制：PaPas sCGSCGS制：制：cP(cP(厘泊厘泊)换算关系换算关系1cP1cP1mPa1mPas=10s=10-3-3 Pa Pas s曾曾用用单单位位cmcm2 2/s/s表表示示，1cm1cm2 2/s/s称称为为1St1St（斯斯托托克克斯斯，简简称沲）称沲）1St=101St=10-4-4 m m2 2/s/s三、牛顿流体和非牛顿流体三、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，亦即黏度：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、为常数、曲线过原点曲线过原点的流体。

4、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线不过曲线不过座标原点座标原点的流体。的流体。时变性非牛顿流体：触变性、流凝性流体时变性非牛顿流体：触变性、流凝性流体非非时时变变性性牛牛顿顿流流体体：假假塑塑性性流流体体、胀胀塑塑性性流体、宾哈姆流体（流体、宾哈姆流体（0 0）、塑性流体。）、塑性流体。1.3.2 1.3.2 流体的流动型态流体的流动型态 一、雷诺（一、雷诺（RenoldsRenolds）实验）实验层流层流过渡流过渡流湍流湍流(紊流紊流)层层流流（或或滞滞流流）：流流体体质质点点仅仅沿沿着着与与管管轴轴平

5、平行行的的方方向向一一层层一一层层的的作作直直线线运运动动，质质点点无无径径向向脉脉动动，质点之间质点之间没有质点交换没有质点交换。湍湍流流（或或紊紊流流）：流流体体质质点点除除了了沿沿管管轴轴方方向向向向前前流流动动外外，还还有有径径向向脉脉动动，各各质质点点的的速速度度在在大大小小和和方向上都随时变化，动量传递加剧，阻力将变大。方向上都随时变化，动量传递加剧，阻力将变大。过过渡渡流流：流流动动形形态态不不稳稳定定，可可能能是是层层流流，也也可可能是湍流，与外界条件有关。能是湍流，与外界条件有关。1.1.判断流型判断流型Re2000Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；时，流动为层流，

6、此区称为层流区；Re4000Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000 2000 Re Re 4000 4000 时时，流流动动可可能能是是层层流流，也也可可能能是是湍湍流流，该该区称为不稳定的过渡区。区称为不稳定的过渡区。2.2.物理意义物理意义 ReRe反反映映了了流流体体流流动动中中惯惯性性力力（u u2 2）与与黏黏性性力力（）的的对对比比关系关系，标志着流体流动的湍动程度。，标志着流体流动的湍动程度。二、流型判据二、流型判据雷诺（准）数雷诺（准）数 其量纲为其量纲为“1 1”1.3.3 1.3.3 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度

7、分布 速速度度分分布布：流流体体在在圆圆管管内内流流动动时时,管管横横截截面面上上质质点点的速度随其位置（的速度随其位置（半径半径r r）的变化关系。）的变化关系。u ur rf(r)f(r)推动力：推动力：内摩擦力（阻力）：内摩擦力（阻力）：一、层流时的速度分布一、层流时的速度分布（每层为同心圆柱曲面）（每层为同心圆柱曲面）注意负号注意负号注意积分限注意积分限速度分布规律速度分布规律 u ur rf(r)f(r)u ur r稳定流动时推动力和内摩擦力平衡：稳定流动时推动力和内摩擦力平衡：当当r r0 0时，时，u uu umaxmax，即管中心流速为最大，即管中心流速为最大流流体体在在圆圆形

8、形直直管管内内层层流流流流动动时时，其其横横截截面面上上的的速速度度在在纵纵截截面面内内呈呈抛抛物物线线分分布，空间旋转抛物面分布布，空间旋转抛物面分布。速度分布规律：速度分布规律：则：则：管横截面上的平均速度管横截面上的平均速度即即层流流动时的平均流速为管中心最大流速的层流流动时的平均流速为管中心最大流速的1/21/2。泊泊稷稷叶叶方方程程，毛毛细细管管黏黏度度计理论公式。计理论公式。二、湍流时的速度分布二、湍流时的速度分布 湍流速度分布的湍流速度分布的经验公式经验公式：n n的数值由的数值由ReRe确定确定4104103 3Re1.110Re1.1105 5时，时，n n6 61.1101

9、.1105 5Re3.210Re3.210Re3.2105 5时，时，n n1010三、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，称的区域，称为为边界层边界层；边界层的流动型态可能是层流也可能；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，在靠近是紊流，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，表现为层流，壁面处仍然会存在非常薄的流体层，表现为层流，此层称为此层称为层流底层层流底层或或层流内层层流内层，对传热和传质影，对传热和传质影响非常大。响非常大。注意能量损失的几个表示字母：注意能

10、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。流体流动阻力计算流体流动阻力计算1.4 1.4 流体流动流体流动阻力阻力1.4.1 1.4.1 直管阻力（沿程阻力）直管阻力（沿程阻力）1.4.2 1.4.2 局部阻力局部阻力 流流体体流流经经一一定定直直径径的的直直管管时时由由于于内内摩摩擦擦而而产产生生的的阻阻力力，与管长（与管长

11、（流过的路程流过的路程）成正比；）成正比；流流体体流流经经管管件件、阀阀门门、拐拐弯弯等等局局部部地地方方由由于于流流速速大大小小及及方向的突然改变而引起的阻力。方向的突然改变而引起的阻力。机机械械能能损损失失（hhf f、HHf f、PPf f）；内内能能增增加加；根根源源粘粘性性，与与流流型型有有关关（ReRe）；能量损失、摩擦损失或能量损失、摩擦损失或阻力阻力。阻力分为两类：阻力分为两类：直管阻力直管阻力或或沿程阻力沿程阻力、局部阻力局部阻力1.4.1 1.4.1 直管阻力（沿程阻力）直管阻力（沿程阻力）一、阻力的一、阻力的表现形式表现形式 管道水平放置时，流动管道水平放置时，流动阻力阻

12、力表现为表现为静压能的减少静压能的减少；只要能够测量到只要能够测量到p p1 1、p p2 2，就可以计算，就可以计算h hf f。流流体体在在水水平平等等径径直直管管中中作作稳稳定流动定流动。二、直管阻力通式二、直管阻力通式流动过程的流动过程的推动力推动力：流体的流体的摩擦力摩擦力：令令 平衡：平衡：稳定流动时推动力和内摩擦力平衡：稳定流动时推动力和内摩擦力平衡：分母分母惯性力惯性力有关，分子与有关，分子与黏滞力黏滞力有关有关比压力差更难获得！比压力差更难获得！直管阻力通式（直管阻力通式（范宁范宁FanningFanning公式公式）其它形式：其它形式：摩擦系数（摩擦因数），无因次。摩擦系数

13、（摩擦因数），无因次。则则 J/kgJ/kg压头损失压头损失m m压力损失压力损失PaPa该公式层流与湍流该公式层流与湍流均适用。均适用。？三、层流时的摩擦系数三、层流时的摩擦系数 哈根哈根-泊谡叶（泊谡叶（Hagen-PoiseuilleHagen-Poiseuille）方程）方程 泊稷叶方程泊稷叶方程，毛细管黏度计理论公式，毛细管黏度计理论公式能量损失：能量损失：u 层流时阻力与速度的一次方成正比。层流时阻力与速度的一次方成正比。变形：变形：（）比较得比较得所以，直管阻力所以，直管阻力（注（注 ）四、湍流时的摩擦系数四、湍流时的摩擦系数1.1.因次（量纲）分析法因次（量纲）分析法半理论半实

14、验法半理论半实验法原原理理：因因次次一一致致性性，即即每每一一个个物物理理方方程程式式的的两两边边不不仅仅数数值值相相等等，而而且且两两边边量量纲纲应应相相同同，且且量量纲纲的的指指数数（因因次次）也相同。也相同。基本定理基本定理：定理定理 设设影影响响某某一一物物理理现现象象的的独独立立变变量量数数为为n n个个，这这些些变变量量的的基基本本量量纲纲数数（因因次次数数）为为m m个个，则则该该物物理理现现象象可可用用N Nn nm m个个独独立的准数（立的准数（无因次数群无因次数群）表示。）表示。准数：准数：某导出物理量除以自身量纲用基本物理量反代组某导出物理量除以自身量纲用基本物理量反代组

15、合体，所得的是一个量纲为合体，所得的是一个量纲为1 1的数。的数。湍流时阻力的影响因素：湍流时阻力的影响因素：（1 1）流体的物理性质：）流体的物理性质：，（2 2）管道的几何尺寸和）管道的几何尺寸和管壁粗糙度管壁粗糙度：d d，l l，（3 3）流动参数：）流动参数：u u2.2.湍流时湍流时的准数化（因次分析）的准数化（因次分析）物理变量数：物理变量数：n7基本因次：基本因次：m3准准数数（无无因因次次数数群群）Nnm4，即即该该过过程程可可用用4个个准准数数表表示。示。式中：式中：k k、a a、b b、c c、d d、e e、f f为待定常数为待定常数各物理量的单位（量纲）各物理量的单

16、位（量纲）属于长度量纲的：管长属于长度量纲的：管长L L（m m）；直径：）；直径：L L（m m）；）；，L L（m m）流速：流速：LTLT-1-1（m/sm/s）；压力）；压力MLML-1-1T T-2-2（PaPa）；）；：MLML-1-1T T-1-1（PaPaS S）；密度：）；密度：MLML-3-3因次分析过程因次分析过程把各物理量的量纲代入得：把各物理量的量纲代入得：因次表达式因次表达式整理得：整理得：因次一致：因次一致：1=d+e1=d+e；-1=a+b+c-3d-e+f-1=a+b+c-3d-e+f；-2=-c-e-2=-c-e3 3个个方方程程，6 6个个未未知知数数，线

17、线性性相相关关，把把其其中中3 3个个表表示示为为另另外外3 3个个的的函函数数，d=1-ed=1-e，c=2-ec=2-e，a=-b-e-fa=-b-e-f，则：，则：指数相同指数相同的物理量整理在一起，得的物理量整理在一起，得准数表达式：准数表达式：相对粗糙度相对粗糙度管道的几何尺寸，管道的几何尺寸，长径比长径比雷诺数雷诺数，惯性力和黏滞力的之比，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，即根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即 b=1b=1或或式中：式中：欧拉（欧拉（EulerEuler）准数）准数，压力损失和惯性力之比，压力损失和惯性力之比比较知比较知即即K K、

18、e e、f f、b b的确定的确定准数化（因次分析）带来两种好处准数化（因次分析）带来两种好处：方程中变量的个数（准数群的个数）减少基本量方程中变量的个数（准数群的个数）减少基本量纲数的个数，实验次数大大减少。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最方以准数作为变量，变化此变量的数值可选择最方便变化的物理量进行调节。便变化的物理量进行调节。如要变化如要变化ReRe只要改变流速即可。在小实验装置上，以水、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

19、设备，也即做到了它流体（牛顿型）和其它大小的设备，也即做到了“由由此及彼，由小及大此及彼，由小及大”。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）湍：层流区、过渡区、（一般或不完全）湍流区、完全湍流区流区、完全湍流区2.2.摩狄（摩狄（MoodyMoody图、摩擦系数）图图、摩擦系数）图查图求查图求对数坐标与十进制坐标的关系对数坐标与十进制坐标的关系特点：特点：1.坐标对数分度；坐标对数分度；2.进位进位101；（1 1）层流区（）层流区（Re200

20、0Re2000）与与 无关无关，与，与ReRe为直线关系，即为直线关系，即 ,即即 与与u u的一次方成正比，的一次方成正比，阻力一次方区阻力一次方区。（2 2）不完全湍流区（）不完全湍流区（Re4000Re4000以及虚线以下的区域）以及虚线以下的区域）查图或利用阿里特苏里公式计算查图或利用阿里特苏里公式计算柯尔布鲁克公式柯尔布鲁克公式（3 3）完全湍流区）完全湍流区 （虚线以右的区域）（虚线以右的区域）该区又称为该区又称为阻力平方区阻力平方区。查图或利用尼古拉兹简化式希夫林松公式计算查图或利用尼古拉兹简化式希夫林松公式计算与与ReRe无关无关，只与，只与 有关。有关。一定时，一定时，（5

21、5）光滑管）光滑管柏拉修斯公式，柏拉修斯公式，ReRe3103103 31101105 5粗糙度很小，近似光滑，称为光滑管。粗糙度很小，近似光滑，称为光滑管。顾毓珍等公式，顾毓珍等公式，ReRe3103103 33103106 6（4 4）过渡区（）过渡区（2000Re4000)2000Re4000)将湍流时的曲线延伸查取将湍流时的曲线延伸查取值，或利用值，或利用扎依钦科扎依钦科公式公式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，速度分布（流速增大，速度分布顶变短、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

22、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。绝对粗糙度绝对粗糙度（查表（查表1-11-1）P27P271-1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）的具体公式。）的具体公式。阻力计算公式：阻力计算公式：1.4.2 1.4.2 局部阻力局部阻力

23、用用h hf f或或H Hf f表示阻力损失。表示阻力损失。流流体体流流经经管管件件、阀阀门门、拐拐弯弯等等局局部部地地方方由由于于流流速速大小及方向大小及方向的突然的突然改变改变而引起的而引起的阻力阻力。一、管件和阀门一、管件和阀门回弯头回弯头管件管件蝶阀蝶阀阀门阀门二、计算方法二、计算方法1 1、阻力系数法、阻力系数法 将局部阻力表示为将局部阻力表示为动能动能的的某一倍数某一倍数。局部阻力系数（因数）局部阻力系数（因数）？J/kgJ/kgJ/N=mJ/N=m（1 1）突然扩大突然扩大（2 2）突然缩小）突然缩小（3 3）管进口及出口管进口及出口 进口（相当于突缩）：流体自进口（相当于突缩）

24、：流体自容器容器进入进入管内管内。进口进口 =0.5 =0.5 进口阻力系数；进口阻力系数；出出口口（相相当当于于突突扩扩）：流流体体自自管管子子进进入入容容器器或或从从管管子子排放到排放到管外空间管外空间。出口出口 =1=1 出口阻力系数。出口阻力系数。（4 4）各种管件与阀门的阻力系数各种管件与阀门的阻力系数 （查表（查表1-31-3）P32-33P32-332 2、当量长度法、当量长度法 将将流流体体流流过过管管件件或或阀阀门门的的局局部部阻阻力力，近近似似看看成成直直某某个个长长度度的的直直管管阻阻力力损损失失，这这个个长长度度就就是是当当量量长度，长度，L Le e。L Le e 管

25、管件件或或阀阀门门的的当当量量长长度度，m m，由由实实验验确确定定，查图查图1-231-23；一般给定一般给定l le e/d/d的数值，的数值，查图查图1-20 P341-20 P34。1.4.3 1.4.3 管内流动总阻力管内流动总阻力减少流动阻力的途径：减少流动阻力的途径：管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；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；尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些。管径适当大些。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，并确定基准水平基准水平面面；2.2.计算计算Re

26、Re，确定流型确定流型；3.3.对于对于沿程阻力沿程阻力，由，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。1.5 1.5 管路计算管路计算 管管路路计计算算是是应应用用连连续续性性方方程程式式、柏柏努努利利方方程程式式和和流流体

27、体流流动阻力动阻力的计算方法，对流体输送管路进行计算。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路进行计算内容：管内流体的流量；管内流体的流量；输送设备的功率；输送设备的功率；管路中流体的压力；管路中流体的压力；容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。1.5.1 1.5.1 简单管路简单管路 一、特点一、特点 （1 1）流体通过各管段的质量流量不变）流体通过各管段的质量流量不变（2 2）整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和。整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和。不可压缩流体不可压缩流体q qv1v1,d,d1 1q qv2v2,d,d2 2q qv3v3,d,d3 3一条管

28、路一条管路组成的系统组成的系统质量守恒质量守恒连续性方程连续性方程二、管路计算二、管路计算连续性方程：连续性方程：柏努利方程：柏努利方程：阻力阻力层流层流i64/Re湍流湍流i i查查MoodyMoody图图沿程阻力沿程阻力（Re、/d）局部阻力局部阻力阻力系数法阻力系数法i 当量长度法当量长度法 物料衡算物料衡算能量衡算能量衡算注意管道进出口注意管道进出口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、管件和阀门的）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失、泵的功率。设置，计算管路系统的阻力损失、泵的功率。操作型（验证

29、）操作型（验证）计算计算（2 2）已知流体的流量、管道的长度、管件、阀门和允许的）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。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的）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。能量损失，计算管路系统流体的流速或流量。设计型计算设计型计算计算方法：试差法计算方法：试差法 三、试差法计算求解过程三、试差法计算求解过程注注意意：若若已已知知流流动动处处于于阻阻力力平平方方区区或或层层流流，则则无无需需试试差差，直直接解析求解。

30、接解析求解。初设阻力平方区完全湍流区初设阻力平方区完全湍流区和假设的和假设的是否接近是否接近是是完成完成否否查查得得的的赋赋给给假设的假设的阻力损失阻力损失hhf f？（特征）（特征）Re Re 流速流速uu管径管径d d？或流量？或流量V V？例：采用例：采用1084mm1084mm的不锈钢管输送牛奶，管路总长的不锈钢管输送牛奶，管路总长为为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，牛奶的密度为的密度为1030 Kg/m1030 Kg/m3 3，黏度为，黏度为2mPa2mPaS S，管道的相对，管道的相对粗糙度粗糙度/d/d=0.002=0.002，试计算管路中牛奶的流量。，试计算管路中牛奶的流量。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)/0.02(0.0243-0.02)/0.0225%25%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