化工原理1流體力學(xué)課件

1、化化 工工 原原 理理 第一章 流 體 流 動(dòng) 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識一、連續(xù)介質(zhì)假定一、連續(xù)介質(zhì)假定 1. 流體質(zhì)點(diǎn)：由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸，但卻遠(yuǎn)大于分子自由程。2. 連續(xù)介質(zhì)：質(zhì)點(diǎn)在流體內(nèi)部緊緊相連，彼此間沒有間隙，即流體充滿所占空間。3. 在研究流體流動(dòng)時(shí)，常擺脫復(fù)雜的分子運(yùn)動(dòng)和分子間相互作用，從宏觀角度出發(fā)，將流體視為由無數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）組成的連續(xù)介質(zhì)。二、流體主要特征二、流體主要特征 1.流動(dòng)性；2.無固定形狀，隨容器形狀而變化；3.受外力作用時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。三、流體種類三、流體種類 1.不可壓縮性流體：流體的體積不隨壓強(qiáng)而變化，受熱時(shí)體積膨脹不顯著。 2.可

2、壓縮性流體：流體的體積隨壓強(qiáng)和溫度發(fā)生顯著變化。 一般液體的體積隨壓強(qiáng)和溫度變化很小，可視為不可壓縮性流體；而對于氣體，當(dāng)壓強(qiáng)和溫度變化時(shí)，體積會(huì)有較大的變化，常視為可壓縮性流體，但如果壓強(qiáng)和溫度的變化率不大時(shí)，該氣體也可近似地按不可壓縮性流體處理。 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)1.1.1 流體的密度流體的密度定義：單位體積流體具有的質(zhì)量，表達(dá)式為： （1-1） 流體的密度，kg/m3； m流體的質(zhì)量，kg； V流體的體積，m3。 對一定的流體，其密度是壓強(qiáng)和溫度的函數(shù)，即 Vm),(Tpf一、液體的密度一、液體的密度 通常液體可視為不可壓縮流體，其密度僅隨溫度略有變化（極

3、高壓強(qiáng)除外）。二、氣體的密度二、氣體的密度 對于氣體，當(dāng)壓強(qiáng)不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算 或第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)RTpMTppT000 三、液體混合物的密度三、液體混合物的密度 對于液體混合物，其組成通常用質(zhì)量分率表示。假設(shè)各組分在混合前后其體積不變，以1kg混合液為基準(zhǔn)，則有 ： 式中 液體混合物中各組分的質(zhì)量分率； 各純組分的密度，kg/m3。 第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)nnmaaa.12211naaa.,21n.,21四、氣體混合物的密度四、氣體混合物的密度 1.體積分率：現(xiàn)以1m3混合氣體為基準(zhǔn)，若各組分在混合前后質(zhì)量不變，混合氣體的平均密度可近似用

4、下式計(jì)算： 式中 氣體混合物中各組分的體積分率。 第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)nnm.2111n.,21第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 2.氣體混合物的平均密度 ：利用混合氣體的平均摩 爾質(zhì)量Mm進(jìn)行計(jì)算，即 式中 各純組分的摩爾質(zhì)量，kg/Kmol； 氣體混合物中各組分的摩爾分率。 對于理想氣體，其摩爾分率y與體積分率相同。 mRTpMmmnnmyMyMyMM.2211nMMM.,21nyyy.,21五、比容五、比容 單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)，單位為m3/kg。 第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)1mVv1.1.2 流體的靜壓強(qiáng)流體的靜壓強(qiáng)一、壓強(qiáng)的定義一、壓強(qiáng)的定義 流體垂

5、直作用在單位面積上的力（壓應(yīng)力） 定義式： 點(diǎn)壓強(qiáng)：第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)APpAPpAlim0二、靜壓力的特征二、靜壓力的特征1.流體靜壓力的方向總是和所作用的面垂直，并指向所考慮的那部分流體的內(nèi)部即沿著作用面的內(nèi)法線方向。2.靜止流體內(nèi)部任何一點(diǎn)處的流體的壓力，在各個(gè)方向上都是相等的。 第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)三、流體靜壓強(qiáng)的單位三、流體靜壓強(qiáng)的單位 在SI制單位中壓強(qiáng)的單位是N/m2，稱為帕斯卡，以Pa表示。 注意：用液柱高度表示壓強(qiáng)時(shí)，必須指明流體的種類。 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓有如下?lián)Q算關(guān)系： 1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33mH2O=1.03

6、3kg/cm2=1.013bar 1at=9.807104Pa=735.6mmHg=10mH2O =1kg/cm2=0.9807bar 第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)四、壓強(qiáng)的表示方法四、壓強(qiáng)的表示方法 1.絕對壓強(qiáng)：以絕對真空為基準(zhǔn)測得的壓強(qiáng)，是流體的真實(shí) 壓強(qiáng)。 2 .表壓（真空度）：以大氣壓為基準(zhǔn)測得的壓強(qiáng)。 表 壓 = 絕對壓強(qiáng) - 當(dāng)?shù)赝饨绱髿鈮簭?qiáng) 真空度 =當(dāng)?shù)赝饨绱髿鈮簭?qiáng) - 絕對壓強(qiáng)第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)1.1.3 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式 一、流體靜力學(xué)基本方程式一、流體靜力學(xué)基本方程式 流體靜力學(xué)基本方程式適用于在

7、重力場中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮流體，如液體。而對于氣體來說，密度隨壓強(qiáng)和溫度變化，因此也隨它所在容器內(nèi)的位置高低而變化，但在化工容器內(nèi)這種變化一般可以忽略。因此也適用于氣體。 ghpp二、流體靜力學(xué)方程式的討論：二、流體靜力學(xué)方程式的討論： 1.在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn) 的壓強(qiáng)處處相等。壓強(qiáng)相等的面稱為等壓面。2.壓強(qiáng)具有傳遞性：當(dāng)作用于流體面上方壓強(qiáng)變化時(shí)，流 體內(nèi)部各點(diǎn)的壓強(qiáng)也將發(fā)生同樣的變化。3.流體靜力學(xué)方程式可改寫成： 說明壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差可用液柱高度表示，此為前面介紹壓強(qiáng)的單位可用液柱高度表示的依據(jù)。但需注明液體的種類。 第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)hgp

8、p三、流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用三、流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用 1壓強(qiáng)及壓強(qiáng)差的測量(1) U管壓差計(jì) A指示液 B被測液體第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)gRppBA)(21BA(2)倒U形壓差計(jì) A指示液 B被測液體第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)BABRgRgpp)(21BA(3)斜管壓差計(jì)第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)與 的關(guān)系為式中為傾斜角，其值越小，則讀數(shù)放大倍數(shù)越大。 sinRR 當(dāng)所測量的流體壓強(qiáng)差較小時(shí)，可將壓差計(jì)傾斜放置，即為斜管壓差計(jì)， 用以放大讀數(shù)，提高測量精度。 RR(4) 雙液體U管壓差計(jì)（微差壓差計(jì)） 第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 內(nèi)裝密度接近但不互溶的兩種指示

9、液A和C（ ），擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。 CAp1p2（pApB）gR 微差壓差計(jì)適用于測量壓強(qiáng)較小的場合。2.液位測量液位測量 (1)近距離液位測量裝置第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)RhBA(2)遠(yuǎn)距離液位測量裝置3、液封高度的計(jì)算、液封高度的計(jì)算 第第1節(jié)節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)（1）當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓強(qiáng)超過規(guī)定值時(shí)，氣體則從水封管排出，以確保設(shè)備操作的安全。（2）防止氣柜內(nèi)氣體泄漏。 在化工生產(chǎn)中，為了控制設(shè)備內(nèi)氣體壓強(qiáng)不超過規(guī)定的數(shù)值，常常使用安全液封（或稱水封）裝置，如圖1-9所示。液封作用為：液封高度可根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式計(jì)算。1.2.1

10、流體的流量與流速流體的流量與流速一、流量一、流量 1. 體積流量：單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任意截面的流體 體積，稱為體積流量，以VS表示，單位為m3/s。2. 質(zhì)量流量：單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任意截面的流體 質(zhì)量，稱為質(zhì)量流量，以WS表示，單位為kg/s。 體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為 第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) ssVW 二、流速二、流速 1.平均流速：流體的體積流量Vs與管道截面積A之比,即 單位為m/s 。平均流速簡稱為流速。2.質(zhì)量流速：單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量， 以G表示，單位為kg/（m2s）。 質(zhì)量流速與流速的關(guān)系為 流量與流速的關(guān)系為 第第2節(jié)節(jié) 流

11、體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) AVusuAVAWGssGAuAVWss三、管徑的估算三、管徑的估算 一般化工管道為圓形，若以d表示管道的內(nèi)徑， (1-17) 式（117）是設(shè)計(jì)管道或塔器直徑的基本公式。 Vs體積流量，一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。 u流速。 可用上式估算出管徑，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。適宜流速的選擇應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡確定，通?？蛇x用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) uVds41.2.2 定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng) 定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)：流體流動(dòng)系統(tǒng)中，若各截面上的溫度、 壓強(qiáng)、流速等參量僅隨所在空間位置變 化，而不隨時(shí)間變化。 非定態(tài)流動(dòng)非定態(tài)流動(dòng)：若系統(tǒng)的參變

12、量不但隨所在空間位置 而變化而且隨時(shí)間變化，則稱為非定態(tài) 流動(dòng)。 第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) 第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) 1.2.3 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的物料衡算定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的物料衡算連續(xù)性方程連續(xù)性方程常數(shù)uAAuAuWs222111 （1） 在定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)中，流體流經(jīng)各截面時(shí)的質(zhì)量流量恒定 第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) （2）對不可壓縮流體， 常數(shù)，連續(xù)性方程可寫為常數(shù)uAAuAuVs2211 表明不可壓縮流體流經(jīng)各截面時(shí)的體積流量也不變，流速u與管截面積成反比，截面積越小，流速越大；反之，截面積越大，流速越小。 （3）對于圓形管道 表明不可壓

13、縮流體在圓形管道中，任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比。 2121221ddAAuu第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) 1.2.4 柏努利方程式柏努利方程式一、一、 總能量衡算總能量衡算Wep2,u2,2p1,u1,1221100z2z1定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)示意圖 第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) 2222221121112121pugzUQWpugzUeeU內(nèi)能，1kg流體具有的內(nèi)能，其單位為J/kg gZ位能，1kg的流體所具有的位能，其單位為J/kg 動(dòng)能，1kg的流體所具有的動(dòng)能 ，其單位為J/kg 外功，1kg流體從輸送機(jī)械所獲得的能量稱為外功或 有效功，其單位J/kg

14、 換熱器向1kg流體提供的熱量，其單位為J/kg 靜壓能，1kg流體所具有的靜壓能，其單位為J/kg 221ueWeQp二、實(shí)際流體的機(jī)械能衡算二、實(shí)際流體的機(jī)械能衡算 1以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn) 假設(shè)流體不可壓縮，則 ；流動(dòng)系統(tǒng)無熱交換， 流體溫度不變，則 。 第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) 121 vv0eQ21UU fehpugzWpugz222212112121（1-20） 式（1-20）即為不可壓縮實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式，其中每項(xiàng)的單位均為J/kg。 2以單位重量流體為基準(zhǔn) 第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) ghgpugzgWgpugzfe22221211212

15、1gWHeghHfffHgpugzHgpugz222212112121z、 、 分別稱為位壓頭、動(dòng)壓頭和靜壓頭，三者之和稱為總壓頭，Hf稱為壓頭損失，H為單位重量的流體從流體輸送機(jī)械所獲得的能量，稱為外加壓頭或有效壓頭。 gu22gp（1-20a） 三、理想流體的機(jī)械能衡算三、理想流體的機(jī)械能衡算 理想流體是指沒有粘性（即流動(dòng)中沒有摩擦阻力）的流體。 第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) 222212112121pugzpugzgpugzgpugz222212112121（1-21） （1-21a） 通常式（1-21）、（1-21a）稱為柏努利方程式。柏努利方程式。式（1-20）、（1

16、-20a）是柏努利方程的引伸，習(xí)慣上也稱為柏努利方程式。 第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng)1. 如果系統(tǒng)中的流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，則u=0，沒有流動(dòng)，自然沒有能量損失，hf=0，當(dāng)然也不需要外加功，We=0，則柏努利方程變?yōu)?2211pgzpgz上式即為流體靜力學(xué)基本方程式。由此可見，柏努利方程除表示流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律外，還表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律，而流體的靜止?fàn)顟B(tài)只不過是流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種特殊形式。 四、柏努利方程的討論四、柏努利方程的討論 第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng)2柏努利方程式（1-23）、（1-23a）表明不可壓縮理想流體作定態(tài)流動(dòng)時(shí)管道中各截面上總機(jī)械能、總壓頭為

17、常數(shù)，即 常數(shù)puzg221常數(shù)gpugz221第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng)3有效功率：單位時(shí)間輸送機(jī)械所作的有效功。 eseWWN Ne有效功率，W，或J/s； Ws流體的質(zhì)量流量，kg/s。 軸功率：流體輸送機(jī)械實(shí)際消耗的功率應(yīng)為 式中 N流體輸送機(jī)械的軸功率，W； 流體輸送機(jī)械的效率。eNN （1-23） 第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng) 4.對于可壓縮流體，當(dāng)所取系統(tǒng)中兩截面間的絕對 壓強(qiáng)變化率小于20%，即 時(shí)，仍 可用該方程計(jì)算，但式中的密度 應(yīng)以兩截面的 算術(shù)平均密度 代替。五、應(yīng)用柏努利方程的解題要點(diǎn)五、應(yīng)用柏努利方程的解題要點(diǎn) 在用柏努利方程解題時(shí)

18、，一般應(yīng)先根據(jù)題意畫出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流動(dòng)方向，定出上、下游截面，明確流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍。解題時(shí)需注意以下幾個(gè)問題:%20121pppmm第第2節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)流體在管內(nèi)的流動(dòng)1截面的選?。?）與流體的流動(dòng)方向相垂直；（2）兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動(dòng)；（3）截面宜選在已知量多、計(jì)算方便處。2基準(zhǔn)水平面的選取 基準(zhǔn)水平面必須與地面平行。為計(jì)算方便，宜于選取兩截面中位置較低的截面為基準(zhǔn)水平面。若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)水平面應(yīng)選通過管中心線且與地面平行的平面。3計(jì)算中要注意各物理量的單位保持一致，尤其在計(jì)算截面上的靜壓能時(shí)，p1、p2不僅單位要一致，同時(shí)表示方法也

19、應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。 第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 1.3.1流體的粘度流體的粘度一、產(chǎn)生流動(dòng)阻力的原因一、產(chǎn)生流動(dòng)阻力的原因內(nèi)摩擦。內(nèi)摩擦。 式中：F內(nèi)摩擦力（又稱剪力），N； 法向速度梯度，即在與流體流動(dòng)方向相垂直的y方 向流體速度的變化率，1/s； 比例系數(shù)，稱為流體的粘度或動(dòng)力粘度，Pas。 2.剪應(yīng)力 :單位面積上的剪力，單位為Pa。 式（1-24）、（1-24a）稱為牛頓粘性定律，表明流體層間的 內(nèi)摩擦力或剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比。dyudSF.dyud.dyud.（1-24） （1-24a） 1.內(nèi)摩擦力F：第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流

20、動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 二、牛頓粘性定律二、牛頓粘性定律圖1-16 實(shí)際流體在管內(nèi)的速度分布圖1-15 平板間液體速度變化 平行平板間的流體，流速分布為直線，而流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，速度分布呈拋物線形，如圖1-16所示。 第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 3、流體分類： 牛頓型流體：服從牛頓粘性定律的流體，包括所有氣 體和大多數(shù)液體； 非牛頓型流體：不服從牛頓粘性定律的流體，如某些高 分子溶液、膠體溶液、油漆及泥漿狀液體等。三、流體的粘度三、流體的粘度1.粘度的物理意義：促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力 粘度也是流體的物性之一，其值由實(shí)驗(yàn)測定

21、。液體的粘度，隨溫度的升高而降低，壓強(qiáng)對其影響可忽略不計(jì)。氣體的粘度，隨溫度的升高而增大，一般情況下也可忽略壓強(qiáng)的影響，但在極高或極低的壓強(qiáng)條件下需考慮其影響。第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 2粘度的單位 在法定單位制中，其單位為 在一些工程手冊中，粘度的單位常常用物理單位制的cP（厘 泊）表示，它們的換算關(guān)系為 1cP10-3 Pas sPamsmPa.dyud 3運(yùn)動(dòng)粘度：流體的粘性還可用粘度與密度的比值 法定單位制中運(yùn)動(dòng)粘度的單位為m2/s，cgs制中運(yùn)動(dòng)粘度的單位為cm2/s，稱為斯托克斯，以st（沲）表示 1st=100cst（厘沲）=110-4m2

22、/s。 第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 圖1-18 流體流動(dòng)型態(tài)示意圖1.3.2 流體的流動(dòng)型態(tài)流體的流動(dòng)型態(tài)一、兩種流型一、兩種流型層流和湍流層流和湍流 圖1-17 雷諾實(shí)驗(yàn)裝置第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 二、流型判據(jù)二、流型判據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù) 流體的流動(dòng)類型可用雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re判斷。 （1-26） Re準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無因次的數(shù)群。流體在圓形直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)： （1） 當(dāng)Re2000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)； （2） 當(dāng)Re4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)； （3） 當(dāng)2000 Re 2000（有的資料中為300

23、0）的情況按湍流來處理。 duRe第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 三、雷諾準(zhǔn)數(shù)的物理意義三、雷諾準(zhǔn)數(shù)的物理意義 Re反映了流體流動(dòng)中慣性力與粘性力的對比關(guān)系，標(biāo)志流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度。其值愈大，流體的湍動(dòng)愈劇烈，內(nèi)摩擦力也愈大。 第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 1.3.3 流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布 一、層流時(shí)的速度分布一、層流時(shí)的速度分布 圖1-19 層流時(shí)的速度分布 層流時(shí)，流體層間的剪應(yīng)力服從牛頓粘性定律，平均速度與管中心最大速度之比u/u

24、max等于0.5。 第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 二、湍流時(shí)的速度分布二、湍流時(shí)的速度分布 基本特征是出現(xiàn)了徑向脈動(dòng)速度，使得動(dòng)量 傳遞較之層流大得多。此時(shí)剪應(yīng)力不服從牛頓粘 性定律表示，但可寫成相仿的形式： dyudee.)( 湍流時(shí)的速度分布第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 由于質(zhì)點(diǎn)作強(qiáng)烈的旋渦運(yùn)動(dòng)，速度分布曲線在管中心部分較平坦，而在近管壁處很陡。u/umax值隨Re或Remax值變化如圖120所示。 式中e稱為渦流粘度，單位與相同。但二者本質(zhì)上不同：粘度是流體的物性，反映了分子運(yùn)動(dòng)造成的動(dòng)量傳遞；而渦流粘度e不再是流體

25、的物性，是人為地仿照牛頓粘性定律類比出的虛擬物理量，是說明湍動(dòng)程度的系數(shù)。 第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 1.3.4 流體在直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；直管阻力又稱沿程阻力，以hf表示。 局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。局部阻力又稱形體阻力，以hf表示。所以流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的總阻力為：fffhhh第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 一、一

26、、 阻力的表現(xiàn)形式壓強(qiáng)將阻力的表現(xiàn)形式壓強(qiáng)將圖121 直管阻力 對于直徑相同的水平管： 21pphf第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 二、直管阻力的通式二、直管阻力的通式 阻力通式： 22udlhf壓頭損失： 壓強(qiáng)降：gudlHf22ffhudlp22（范寧公式） 為無因次系數(shù)，稱為摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)或摩擦因數(shù)摩擦因數(shù)，與流體流動(dòng)的Re及管壁狀況有關(guān)。 第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 三、三、 層流時(shí)的摩擦系數(shù)層流時(shí)的摩擦系數(shù) 哈根-泊謖葉（Hagen-Poiseuille）方程： 232dlupf層流時(shí)摩擦系數(shù)的計(jì)算式： Re6

27、4第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 1.管壁粗糙度 光滑管：玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等； 粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。 絕對粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。 相對粗糙度 ：絕對粗糙度與管徑的比值。 d 層流時(shí)的流動(dòng)阻力或摩擦系數(shù)與管壁粗糙度無關(guān)，只與Re有關(guān)。 四、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)四、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 水力光滑管 完全湍流粗糙管 第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 2.因次分析法：利用物理量因次一致的原則和 定理，將影響因素中有內(nèi)在聯(lián)系的若干個(gè)物理量組成有一定物理意

28、義的無因次數(shù)群 。),(Re,ddlfEu2upEuf)(Re,df第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 圖1-22 摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re及相對粗糙度的關(guān)系第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 ddRe64根據(jù)Re不同，圖1-25可分為四個(gè)區(qū)域；（1）層流區(qū) （Re2000），與無關(guān)，即（2）過渡區(qū)（2000Re4000），在此區(qū)域內(nèi)層流或湍流的Re曲線均可應(yīng)用，對于阻力計(jì)算，一般將湍流時(shí)的曲線延伸，以查取值。（3）湍流區(qū)（Re4000以及虛線以下的區(qū)域），此時(shí)與Re、都有關(guān)。第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻

29、力 2uhf（4）完全湍流區(qū) ：又稱阻力平方區(qū)。此區(qū)域內(nèi)各曲線都趨近于水平線，即與Re無關(guān)，只與/d 有關(guān)。對于特定管路/d一定，為常數(shù)，根據(jù)直管阻力通式可知， 雖然為常數(shù)，阻力仍隨Re數(shù)加大而上升，所以此區(qū)域又稱為阻力平方區(qū)。從圖中也可以看出，相對粗糙度 愈大，達(dá)到阻力平方區(qū)的Re值愈低。第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 六 、非圓形管道的流動(dòng)阻力當(dāng)量直徑：Ade44潤濕周邊流通截面積對于套管環(huán)隙，當(dāng)內(nèi)管的外徑為d1，外管的內(nèi)徑為d2時(shí)，其當(dāng)量直徑為：對于邊長分別為a、b的矩形管，其當(dāng)量直徑為： 1212212244dddddddebaabbaabde2)(2

30、4第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 一、阻力系數(shù)法一、阻力系數(shù)法或 22uhf22upf ：局部阻力系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)測定，且 dl 進(jìn)口阻力系數(shù)：5 . 0進(jìn)口 出口阻力系數(shù)：0 . 1出口1.3.5 局部阻力局部阻力局部阻力有兩種計(jì)算方法：阻力系數(shù)法和當(dāng)量長度法。第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 二、二、 當(dāng)量長度法當(dāng)量長度法 將流體流過管件或閥門的局部阻力，折合成直徑相同、長度為 的直管所產(chǎn)生的阻力即 或 式中 稱為管件或閥門的當(dāng)量長度，單位m。elgudlpef22el第第3節(jié)節(jié) 流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力 1.3.6 流體在管路中的總阻力流體在管路中的總阻力流體流經(jīng)管路的總阻力應(yīng)是直管阻力和所有局部阻力之和。 式中 、 分別為管路中所有局部阻力系數(shù)和當(dāng)量長度之和u是指流體在直管中的流速。而柏努利方程式中動(dòng)能項(xiàng) 中的流速u是指兩個(gè)衡算截面上的速度。若管路由若干直