化工原理第一章_流體力學(xué)下

1、第一章第一章流體流動流體流動Fluid Flow 流體的基本概念流體的基本概念 靜力學(xué)方程及其應(yīng)用靜力學(xué)方程及其應(yīng)用 機械能衡算式及柏努機械能衡算式及柏努 利方程利方程 流體流動的現(xiàn)象流體流動的現(xiàn)象 流動阻力的計算、管路計算流動阻力的計算、管路計算 1.4 1.4 流體流動現(xiàn)象流體流動現(xiàn)象 一一 流體的粘性和內(nèi)摩擦力流體的粘性和內(nèi)摩擦力 流體的粘性流體的粘性 流體在運動的狀態(tài)下,有一種抗拒內(nèi)在的向前運動的特性。粘性是流動性的反面。 流體的內(nèi)摩擦力流體的內(nèi)摩擦力 運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力。是流體粘性的表現(xiàn), 又稱為粘滯力或粘性摩擦力。 由于粘性存在，流體在管內(nèi)流動時，管內(nèi)任一截

2、面上各點的速度并不相同,如圖所示。xu=0yu 兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（或兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（或稱為剪應(yīng)力）稱為剪應(yīng)力）與垂直于流動方向的速度梯度與垂直于流動方向的速度梯度成正比。成正比。 yxuu=0dudy u/u/ y y表示速度沿法線方向表示速度沿法線方向上的變化率或速度梯度。上的變化率或速度梯度。 設(shè)有上下兩塊平行放置而相距很近的平板，兩板間設(shè)有上下兩塊平行放置而相距很近的平板，兩板間充滿著靜止的液體充滿著靜止的液體。運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間。運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間由于分子運動而產(chǎn)生的相互作用力，即內(nèi)摩擦力。由于分子運動而產(chǎn)生的相互作用力，即內(nèi)摩

3、擦力。 式中式中為比例系數(shù)，稱為為比例系數(shù)，稱為粘性系數(shù)粘性系數(shù)，或，或動力粘度動力粘度（viscosity），簡稱），簡稱粘度粘度。流體的粘性愈大，其值愈大上式所表示的關(guān)系，稱為上式所表示的關(guān)系，稱為牛頓粘性定律牛頓粘性定律。 流體流體粘性越大，其流動性就越小。從桶底把一桶甘油放完要粘性越大，其流動性就越小。從桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，這是因為甘油流動時內(nèi)摩擦力比把一桶水放完慢得多，這是因為甘油流動時內(nèi)摩擦力比水大的緣故。比水大的緣故。 dydu（1-33）二、牛頓粘性定律二、牛頓粘性定律粘性是流體的基本物理特性之一。任何流體都有粘性粘性是流體的基本物理特性之一。任何流體都有

4、粘性，粘性只有在流體運動時才會表現(xiàn)出來粘性只有在流體運動時才會表現(xiàn)出來。 u與與y也可能時如右圖的關(guān)系，也可能時如右圖的關(guān)系，則牛頓粘性定律可寫成：則牛頓粘性定律可寫成： 粘度的單位為粘度的單位為Pas 。常用流體的粘度可查表。常用流體的粘度可查表。dyduoxy 上式中上式中du/dydu/dy為速度梯度為速度梯度dydu（1-33）1、影響因素：流體種類和溫度、影響因素：流體種類和溫度 a.對于液體：以分子間內(nèi)聚力為主，溫度升高，分子間間隙增大，內(nèi)聚力降低，下降。 b.對于氣體：分子熱運動，溫度升高，熱運動加劇， 上升。2、物理意義、物理意義 牛頓粘性定律說明流體在流動過程中流體層間所產(chǎn)生

5、的剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比，與壓力無關(guān)。 流體的這一規(guī)律與固體表面的摩擦力規(guī)律不同。 式中式中v為運動黏度，多用于工程中的流體黏度為運動黏度，多用于工程中的流體黏度計量。計量。v運動黏度運動黏度三 、流體流動的類型-層流及湍流1、雷諾試驗1883年, 英國物理學(xué)家Osbone Reynolds作了如下實驗。DBAC墨水流線玻璃管雷諾實驗2、流體流動狀態(tài)類型、流體流動狀態(tài)類型過渡過渡： 流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。過渡流不是一種或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。過渡流不是一種流型。流型。q湍流湍流

6、(turbulent flow)或紊流或紊流: 當(dāng)流體在管道中流動時，流體質(zhì)點除了沿著管道向前流動外，各質(zhì)點的當(dāng)流體在管道中流動時，流體質(zhì)點除了沿著管道向前流動外，各質(zhì)點的運動速度在大小和方向上都會發(fā)生變化，質(zhì)點間彼此碰撞并互相混合，這種運動速度在大小和方向上都會發(fā)生變化，質(zhì)點間彼此碰撞并互相混合，這種流動狀態(tài)稱為湍流或紊流。流動狀態(tài)稱為湍流或紊流。q層流層流(laminar flow)或滯流或滯流(viscous flow): 當(dāng)流體在管中流動時，若其質(zhì)點始終沿著與管軸平行的方向作直線運當(dāng)流體在管中流動時，若其質(zhì)點始終沿著與管軸平行的方向作直線運動，質(zhì)點之間沒有遷移，互不混合，整個管的流體就

7、如一層一層的同心圓動，質(zhì)點之間沒有遷移，互不混合，整個管的流體就如一層一層的同心圓筒在平行地流動。筒在平行地流動。影響流體流動類型的因素：影響流體流動類型的因素：流體的流速流體的流速u ；管徑管徑d；流體密度流體密度；流體的黏度流體的黏度。 u u、d d、越大，越大，越小，就越容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥脑叫?，就越容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。流。上述中四個因素所組成的復(fù)合數(shù)群上述中四個因素所組成的復(fù)合數(shù)群du/，是判斷流，是判斷流體流動類型的準(zhǔn)則。體流動類型的準(zhǔn)則。 這數(shù)群稱為這數(shù)群稱為雷諾準(zhǔn)數(shù)或雷諾數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)或雷諾數(shù)( (Reynolds number)Reynolds number)，用用ReRe表示。

8、表示。0003)()()(ReTMLTLMLMTLLdu雷諾準(zhǔn)數(shù)的因次雷諾準(zhǔn)數(shù)的因次 ReRe數(shù)是一個無因次數(shù)群。數(shù)是一個無因次數(shù)群。實驗表明實驗表明：qReRe20002000，流動類型為層流；，流動類型為層流；qReRe40004000，流動類型為湍流；，流動類型為湍流；q20002000ReRe40004000，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。情況有關(guān)。 雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù) ReReduduRe速度分布速度分布：流體流動時，管截面上質(zhì)點的軸向速度沿半徑的流體流動時，管截面

9、上質(zhì)點的軸向速度沿半徑的變化。流動類型不同，速度分布規(guī)律亦不同。變化。流動類型不同，速度分布規(guī)律亦不同。 1、流體在圓管中層流時的速度分布、流體在圓管中層流時的速度分布 由實驗可以測得層流流動時的速度分布，如圖所示。由實驗可以測得層流流動時的速度分布，如圖所示。速度分布為拋物線形狀。速度分布為拋物線形狀。管中心的流速最大；管中心的流速最大；速度向管壁的方向漸減；速度向管壁的方向漸減；靠管壁的流速為零；靠管壁的流速為零；平均速度為最大速度的一半。平均速度為最大速度的一半。 四、流體在圓管內(nèi)的速度分布四、流體在圓管內(nèi)的速度分布max21uu 2、湍流的速度分布、湍流的速度分布目前還沒有理論推導(dǎo)目前

10、還沒有理論推導(dǎo)，但有經(jīng)驗公式。，但有經(jīng)驗公式。1 2 速度分布有兩個區(qū)域：速度分布有兩個區(qū)域： 中心中心(較平坦較平坦); 近管壁近管壁(速度梯度很大速度梯度很大); u壁壁=0.3 近管壁有層流底層；近管壁有層流底層；4 中間為湍流區(qū)；中間為湍流區(qū)；5 u越大，層流底層越??；越大，層流底層越??； ；6 起始段：起始段：特點：特點：湍流湍流層流層流流 型 滯（層）流 湍（紊）流判 據(jù) Re2000 Re 4000質(zhì)點運動情況沿軸向作直線運動，不存在橫向混合和質(zhì)點碰撞不規(guī)則雜亂運動，質(zhì)點碰撞和劇烈混合。脈動是湍流的基本特點管內(nèi)速度分布 拋物線方程壁面處uw=0,管中心umax碰撞和混合使速度平均

11、化壁面處uw=0，管中心 表2兩種流型的比較max21uu maxu1.5 1.5 流體管內(nèi)的流動阻力流體管內(nèi)的流動阻力* 在圖在圖1-91-9所示的系統(tǒng)中，流體從截面所示的系統(tǒng)中，流體從截面1-11-1流流入，從截面入，從截面2-22-2流出。流出。管路上裝有對流體作功的管路上裝有對流體作功的泵及向流體輸入或從流體取出熱量的換熱器。泵及向流體輸入或從流體取出熱量的換熱器。 并假設(shè)：并假設(shè)： （a a）連續(xù)穩(wěn)定流體；）連續(xù)穩(wěn)定流體； （b b）兩截面間無旁路）兩截面間無旁路 流體輸入、輸出；流體輸入、輸出； （c c）系統(tǒng)熱損失）系統(tǒng)熱損失Q QL L=0=0。 能量損失能量損失：流體在管內(nèi)從

12、第一截面流到第二截面時，由于流體在管內(nèi)從第一截面流到第二截面時，由于流體層之間或流體之間的湍流產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力，使一部分機流體層之間或流體之間的湍流產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力，使一部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能。我們把這部分機械能稱為能量損失。能量損械能轉(zhuǎn)化為熱能。我們把這部分機械能稱為能量損失。能量損失可以通過阻力計算求得。失可以通過阻力計算求得。流動阻力流動阻力：流體在管路中的流動阻力可分為流體在管路中的流動阻力可分為直管阻力直管阻力和和局部阻力局部阻力兩類。兩類。直管阻力直管阻力：或沿程阻力。：或沿程阻力。流體流經(jīng)一定直徑流體流經(jīng)一定直徑的直管時所產(chǎn)生的阻力。的直管時所產(chǎn)生的阻力。局部阻力局部阻力：流體流經(jīng)

13、管件、閥門及進出口時，由于受流體流經(jīng)管件、閥門及進出口時，由于受到局部障礙所產(chǎn)生的阻力。到局部障礙所產(chǎn)生的阻力?？偰芰繐p失總能量損失：為直管阻力與局部阻力所引起能為直管阻力與局部阻力所引起能量損失之總和量損失之總和。uP1dFFP21122l232 ludp由哈根方程：由哈根方程：則能量損失：則能量損失：22Re64264322222)()(udludludldlupfduh式中：式中： 摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)， =64/Re=64/Re范寧公式范寧公式1 流體在直管中的阻力流體在直管中的阻力1.1 層流時的直管阻力層流時的直管阻力 實驗證明，實驗證明，湍流運動時，管壁的粗糙度對湍流運動時，管壁的

14、粗糙度對阻力、能量的損失有較大的影響。阻力、能量的損失有較大的影響。q絕對粗糙度絕對粗糙度 ： 管壁粗糙部分的平均高度。管壁粗糙部分的平均高度。q相對粗糙度相對粗糙度 /d：du1.2 湍流時的直管阻力湍流時的直管阻力材料與加工精度；材料與加工精度；光滑管：玻璃管，銅管等；光滑管：玻璃管，銅管等；粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。使用時間；使用時間；絕對粗糙度可查表或相關(guān)手冊。絕對粗糙度可查表或相關(guān)手冊。p 粗糙度的產(chǎn)生粗糙度的產(chǎn)生層流運動層流運動流體運動速度較慢流體運動速度較慢, 與管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系數(shù)與與管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系數(shù)與 無關(guān)，無關(guān)， 只與只與R

15、e有關(guān)。層流時，有關(guān)。層流時， 在粗糙管的流動與在在粗糙管的流動與在光滑管的流動相同。光滑管的流動相同。p 粗糙度對流體流動類型的影響粗糙度對流體流動類型的影響湍流運動湍流運動 ，阻力與層流相似，此時稱為水力光滑管。，阻力與層流相似，此時稱為水力光滑管。 ，Re b 質(zhì)點通過凸起部分時產(chǎn)生漩渦質(zhì)點通過凸起部分時產(chǎn)生漩渦 能能耗耗 。b b b 從理論和實踐上可以證明，湍流運動時流體從理論和實踐上可以證明，湍流運動時流體的直管阻力為：的直管阻力為：22udlfh 為摩擦系數(shù)，為摩擦系數(shù)， )(, deR湍流運動時阻力湍流運動時阻力hf在形式上與層流相同。在形式上與層流相同。 0.10 0.09

16、0.08 0.07 0.05 0.04 0.06 0.03 0.05 0.02 0.015 0.04 0.01 0.008 0.006 0.03 0.004 0.025 d 0.002 0.02 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.015 0.0002 0.0001 0.00005 0.01 0.009 0.00001 0.008 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 103 104 105 106 107 108 0.000005 0.000001 雷諾數(shù) du Re莫莫狄狄（Moody）圖圖層層流流區(qū)區(qū)湍湍流流區(qū)區(qū)Re64 過

17、渡區(qū)阻力平方區(qū) d Re, d 水水力力光光滑滑管管 Re 22udlhf層流區(qū)層流區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)湍流區(qū)完全湍流，粗糙管完全湍流，粗糙管光滑管光滑管Re /d 摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)、相對粗糙度的關(guān)系摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)、相對粗糙度的關(guān)系上圖可以分成上圖可以分成4個不同區(qū)域。個不同區(qū)域。層流區(qū)：層流區(qū)： Re 2000， =64/Re ，與，與 /d無關(guān)。無關(guān)。過渡區(qū)：過渡區(qū)：2000 Re 4000湍流區(qū)：湍流區(qū)：Re 4000, 與與Re 和和 /d有關(guān)。有關(guān)。完全湍流區(qū)完全湍流區(qū)(阻力平方區(qū)阻力平方區(qū))： 與與Re 無關(guān)，無關(guān)， 僅與僅與 /d有關(guān)。有關(guān)。查表舉例查表舉例1. Re=10

18、3， =0.06 2. Re=104， /d=0.002 =0.034 3. Re=107， /d=0.002 =0.023湍流時的湍流時的 為阻力系數(shù)為阻力系數(shù)光滑管：光滑管：.5103Re3.0離心泵排出管（水類液體）離心泵排出管（水類液體）2.53.0飽和蒸汽飽和蒸汽2040往復(fù)泵吸入管（水類液體）往復(fù)泵吸入管（水類液體）0.751.0過熱蒸汽過熱蒸汽3050往復(fù)泵排出管（水類液體）往復(fù)泵排出管（水類液體）1.02.0蛇管、螺旋管內(nèi)的冷卻水蛇管、螺旋管內(nèi)的冷卻水1.0液體自流速度（冷凝水等）液體自流速度（冷凝水等）0.5低壓空氣低壓空氣1215真空操作下氣體流速真空操作下氣體流速50作用

19、作用：改變管道方向改變管道方向(彎頭彎頭); 連接支管連接支管(三通三通);改變管徑改變管徑(變形管變形管);堵塞管道堵塞管道(管堵管堵)。螺旋接頭螺旋接頭卡箍接頭卡箍接頭彎頭彎頭三通三通變形管變形管管件管件：管與管的連接部件。管與管的連接部件。3 3 管件管件 (pipe fitting)(pipe fitting)球閥旋塞閥截止閥閘閥蝶閥裝于管道中用以裝于管道中用以開關(guān)管路開關(guān)管路或或調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)流量。4 閥門閥門 (Valve)(Valve)v截止閥截止閥 (globe valve)(globe valve) 特點特點：構(gòu)造較復(fù)雜構(gòu)造較復(fù)雜。在閥體部分液。在閥體部分液體流動方向經(jīng)數(shù)次改變

20、，體流動方向經(jīng)數(shù)次改變，流動阻力較流動阻力較大大。但這種閥門。但這種閥門嚴(yán)密可靠嚴(yán)密可靠，而且，而且可較可較精確地調(diào)節(jié)流量精確地調(diào)節(jié)流量。應(yīng)用應(yīng)用：常用于蒸汽、壓縮空氣及液體輸常用于蒸汽、壓縮空氣及液體輸送管道。若流體中含有懸浮顆粒時應(yīng)避免使送管道。若流體中含有懸浮顆粒時應(yīng)避免使用。用。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：依靠閥盤的上升或下降，依靠閥盤的上升或下降，改變閥盤與閥座的距離，以達(dá)到調(diào)改變閥盤與閥座的距離，以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。節(jié)流量的目的。v 閘閥閘閥 (gate valve)(gate valve)：閘板閥閘板閥特點特點：構(gòu)造簡單，液體阻力小，構(gòu)造簡單，液體阻力小，且不易為懸浮物所堵塞，故常用于且不易為懸

21、浮物所堵塞，故常用于大直徑管道。其缺點是閘閥閥體高；大直徑管道。其缺點是閘閥閥體高；制造、檢修比較困難。制造、檢修比較困難。應(yīng)用應(yīng)用：較大直徑管道的開關(guān)較大直徑管道的開關(guān)。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：閘閥是利用閘板的上升或下降，以調(diào)節(jié)管路中流體的閘閥是利用閘板的上升或下降，以調(diào)節(jié)管路中流體的流量。流量。v止逆閥止逆閥(check valve):(check valve): 單向閥單向閥特點特點：只允許流體單方向流動。只允許流體單方向流動。應(yīng)用應(yīng)用：只能在單向開關(guān)的特殊情只能在單向開關(guān)的特殊情況下使用。況下使用。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：如圖所示。當(dāng)流體自左向右流動時，閥自動開啟；如如圖所示。當(dāng)流體自左向右流動時，閥自動開啟；

22、如遇到有反向流動時，閥自動關(guān)閉。遇到有反向流動時，閥自動關(guān)閉。離心泵離心泵離心離心風(fēng)機風(fēng)機高高壓壓風(fēng)風(fēng)機機 5 輸送機械輸送機械(泵、風(fēng)機泵、風(fēng)機)閥門閥門管子管子管件管件(彎頭彎頭)輸送機械輸送機械(泵泵)麥汁麥汁一級發(fā)酵罐一級發(fā)酵罐柱式供養(yǎng)器柱式供養(yǎng)器泵泵板式滅菌器板式滅菌器二級發(fā)酵罐二級發(fā)酵罐酵母分離器酵母分離器攪拌式多罐型啤酒連續(xù)發(fā)酵流程圖攪拌式多罐型啤酒連續(xù)發(fā)酵流程圖菌種菌種啤酒啤酒酵母泥酵母泥管路布置和安裝的原則盡量明線鋪設(shè)、集中鋪設(shè)、便于檢修管路布置和安裝的原則有一定高度、管間距和跨距傾斜和接地冷熱分開熱補償涂色1.6流量測定 差壓式流量測量法 速度式流量測量法 容積式測量法 質(zhì)

23、量流量測量法1.6.1流量測量方法圖2-14 流速式水表（a） 旋翼式水表；（b） 螺翼式水表 1.6.2流量的測量流量的測量 1. 1. 測速管（畢托管）測速管（畢托管）1 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)2 2、原理、原理 內(nèi)管A處.221uppA外管B處ppB測速原理：將流體的動壓能轉(zhuǎn)化為靜壓能。測速原理：將流體的動壓能轉(zhuǎn)化為靜壓能。 內(nèi)管測得的是管口內(nèi)管測得的是管口所在位置的局部流體動能與靜壓能之和；外管前端壁面四周的所在位置的局部流體動能與靜壓能之和；外管前端壁面四周的測壓口與管道中液體的流動方向相平行，測得是靜壓能。測壓口與管道中液體的流動方向相平行，測得是靜壓能。點速度：pu2.)(20.Rgu即

24、討論：討論： （1）皮托管測量流體的點速度，可測速度分布曲線；.2.221)21(upuppppBA三、安裝三、安裝 （1）測量點位于均勻流段，上、下游各有50d直管距離； （2）皮托管管口截面嚴(yán)格垂直于流動方向； （3）皮托管外徑d0不應(yīng)超過管內(nèi)徑d的1/50，即d0Re臨界時，)(100AAfC (3) 測量范圍 一般 C0=0.60.7RVS2SVR 孔板流量計的測量范圍受U形壓差計量程決定。 dRe10AARe臨界值三、安裝及優(yōu)缺點 （1）安裝在穩(wěn)定流段，上游l10d，下游l5d； （2）結(jié)構(gòu)簡單，制造與安裝方便 ； （3）能量損失較大 。 三、文丘里（三、文丘里（Venturi）流量計）流量計 屬差壓式流量計； 能量損失小，造價高。喉管喉管)(200RgACVVSCV流量系數(shù)（0.980.99） A0喉管處截面積1.6.4 轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計 1 1、結(jié)構(gòu)與原理、結(jié)構(gòu)與原理 從轉(zhuǎn)子的懸浮高度直接讀取流量數(shù)值。組成組成：錐形玻璃管和轉(zhuǎn)子錐形玻璃管和轉(zhuǎn)子原理原理：轉(zhuǎn)子上下的壓差與轉(zhuǎn)子的凈轉(zhuǎn)子上下的壓差與轉(zhuǎn)子的凈重力（重力與浮力之差）相等。重力（重力與浮力之差）相等。1.7.2 變變截截面面流流量量計計 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子流流量量計計 u0 2 2 1 1 u1 微錐形玻璃管， 錐角約為 4左右 轉(zhuǎn)