氣體液體在管道中流動阻力模擬

1、關(guān)于氣體液體在管道中的流動阻力模擬第一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度第二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月牛頓粘性定律：實測發(fā)現(xiàn)：意義：剪應(yīng)力的大小與速度梯度成正比。 描述了任意兩層流體間剪應(yīng)力大小的關(guān)系。（2） 流體的粘度物理意義 動力粘度，簡稱粘度第三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月單位 SI單位制 ： Pa s ( N s /m2) 物理單位制 ： P(泊), 達(dá)因秒/厘米2 cP(厘泊) 換算關(guān)系：1cp=0.01 P=10-3 Pa s=1 mPa s單位：1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s運(yùn)動粘

2、度m2/s第四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(3) 影響因素 液體 粘度隨溫度升高而降低，壓力影響很小。 氣體 粘度隨溫度升高而增大，壓力影響很小。 但在極高壓力下，隨壓力增加有所增加；而在壓力極低情況 下也要考慮壓力的影響。 （4） 數(shù)據(jù)來源 各種流體的粘度數(shù)據(jù)，主要由實驗測得。在缺少粘度實驗數(shù)據(jù)時，可按理論公式或經(jīng)驗公式估算粘度。對于壓力不太高的氣體，估算結(jié)果較準(zhǔn)，對于液體則較差。第五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(5) 混合物的粘度 按一定混合規(guī)則進(jìn)行加和 對于分子不聚合的混合液可用下式計算常壓下氣體混合物的粘度，可用下式計算說明：不同流體的粘度差別很大。例如：

3、在壓強(qiáng)為101.325kPa、溫度為20的條件下，空氣、水和甘油的動力粘度和運(yùn)動粘度分別為： 空氣 17.910-6 Pa s， 14.810 -6 m2/s 水 1.0110 -3 Pa s， 1.0110 -6 m2/s 甘油 1.499Pa s， 1.1910 -3 m2/s第六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（6）流體類型牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體。 氣體及大多數(shù)低分子量液體是牛頓型流體。 非牛頓型流體 a表觀粘度，非純物性, 是剪應(yīng)力的函數(shù)。第七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 假塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而減小。 幾乎所有高分子溶液或溶體屬于假塑

4、性流體。 脹塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸鹽等懸浮液屬于脹塑性流體。 粘塑性流體：當(dāng)應(yīng)力低于0 時，不流動；當(dāng)應(yīng)力高于0時，流動與牛頓型流體一樣。 0 稱為屈服應(yīng)力。 如紙漿、牙膏、污水泥漿等。 觸變性流體：表觀粘度隨時間的延長而減小，如油漆等。 粘彈性流體：既有粘性，又有彈性。當(dāng)從大容器口擠出時，擠出物會自動脹大。 如塑料和纖維生產(chǎn)中都存在這種現(xiàn)象。第八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月0du/dy粘塑料流體假塑料流體脹塑料流體CBADA-牛頓流體；B-假塑性流體；C-賓漢塑性流體；D-脹塑性流體；牛頓流體與非牛頓流體剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系第九張，PPT共五十

5、三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.4.2 流體流動的類型-層流及湍流（1）雷諾實驗 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第十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）雷諾實驗現(xiàn)象 兩種穩(wěn)定的流動狀態(tài)：層流、湍流。用紅墨水觀察管中水的流動狀態(tài)(a)層流(b)過渡流(c)湍流第十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月湍流： 主體做軸向運(yùn)動，同時有徑向脈動； 特征：流體質(zhì)點(diǎn)的脈動 。 層流： * 流體質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動； * 流體分層流動，層間不相混合、不碰撞； * 流動阻力來源于層間粘性摩擦力。 過渡流： 不是獨(dú)立流型（層流+湍流

6、）， 流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變）。 第十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）實驗分析影響狀態(tài)的因素：Re是量綱為一數(shù)群 圓形直管中 Re2000 穩(wěn)定的層流 Re 4000 穩(wěn)定的湍流2000 Re 4000 不穩(wěn)定的過渡流第十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）剪應(yīng)力分布 1.4.3 直圓管內(nèi)流體的流動穩(wěn)態(tài)流動:整理得：適用于層流或湍流ldrRuy流體在圓管中速度分布曲線的推導(dǎo)p1p2h1h2第十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 剪應(yīng)力分布max第十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（2） 層流的速度分布 流體在圓管內(nèi)分層流動示意圖

7、第十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月可見，層流流動的速度分布為一拋物線； 壁面處速度最小，0管中心處速度最大或Re2000uumaxd層流時流體在圓管中的速度分布第十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月因此動能校正因子：說明：圓管內(nèi)層流流動時的幾個重要關(guān)系第十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 壁面剪應(yīng)力與平均流速間的關(guān)系 故：第十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（3） 湍流時的速度分布和剪應(yīng)力 湍流描述 主要特征：質(zhì)點(diǎn)的脈動 瞬時速度= 時均速度+ 脈動速度 渦流粘度，與流動狀態(tài)有關(guān) 。湍流時uOttC點(diǎn)A處流體質(zhì)點(diǎn)的速度脈動曲線示意圖第二十張，PP

8、T共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月較常見的情況，當(dāng)Re處于1.11053.2106之間時，指數(shù)此時動能校正因子獲得方法：實測、經(jīng)驗公式 速度分布第二十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月u/umaxReRemax1061051041031021070.90.80.70.60.5106105104103102107通?？扇【_計算時，利用下圖。第二十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月橫坐標(biāo)：縱坐標(biāo)：求平均流速的方法: 速度分布未知速度分布已知第二十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.4.4 邊界層概念（1）流動邊界層邊界層的形成條件流動；實際流體；流過固體表面。 形

9、成過程流體流經(jīng)固體表面；由于粘性，接觸固體表面流體的流速為零 ；附著在固體表面的流體對相鄰流層流動起阻礙作用，使其流速下降；對相鄰流層的影響，在離開壁的方向上傳遞，并逐漸減小。 最終影響減小至零，當(dāng)流速接近或達(dá)到主流的流速時，速度梯度減少至零。uuu層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0平板上的流動邊界層第二十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月uuu層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0平板上的流動邊界層流動邊界層流體的速度梯度主要集中在邊界層內(nèi)，邊界層外，向壁靠近，速度梯度增大；湍流邊界層中，速度梯度集中在層流底層。第二十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月流動邊界層的發(fā)展 平板上

10、：流體最初接觸平板時，x=0 處，u0=0;=0；隨流體流動，x增加，增加（層流段）；隨邊界層發(fā)展， x增加，增加。質(zhì)點(diǎn)脈動，由層流向湍流過渡，轉(zhuǎn)折點(diǎn)距端點(diǎn)處為x0；充分發(fā)展：x x0 ，發(fā)展為穩(wěn)定湍流。uuu層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0平板上的流動邊界層第二十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月層流：湍流：轉(zhuǎn)折點(diǎn)：邊界層厚度隨x增加而增加uuu層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0平板上的流動邊界層第二十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月uuuuux0d圓管進(jìn)口處層流邊界層的發(fā)展圓形管中：測量點(diǎn)必須選在進(jìn)口段 x0 以后，通常取 x0 =（50-100）d0 x0以后為充

11、分發(fā)展的流動。第二十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月層流時湍流時不管層流還是湍流，邊界層厚度等于圓管半徑。完全發(fā)展了的流動：第二十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 (a）當(dāng)流速較小時 流體貼著固體壁緩慢流過 (爬流)。流動邊界層的分離 流體繞固體表面的流動。第三十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(b) 流速不斷提高，達(dá)到某一程度時，邊界層分離 。 第三十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月流體流過單球體第三十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 (c)邊界層分離的條件 逆壓梯度 壁面附近的粘性摩擦 (d) 邊界層分離對流動的影響 邊界層分離大量

12、旋渦消耗能量增大阻力。 由于邊界層分離造成的能量損失，稱為形體阻力損失。 邊界層分離使系統(tǒng)阻力增大。 (e) 減小或避免邊界層分離的措施改變表面的形狀，如汽車、飛機(jī)、橋墩都是流線型。第三十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.4.5 流體流動阻力計算（1）流體阻力的表示方法對應(yīng)于機(jī)械能衡算的三種形式，流體阻力損失亦有三種表達(dá)形式：阻力損失與壓力差的區(qū)別： pf 流體流經(jīng)兩截面間的機(jī)械能損失； p 任意兩點(diǎn)間的壓力差。kJ/kgmPa第三十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二者之間的關(guān)系：管路中的流動阻力=直管阻力+局部阻力直

13、管阻力：由于流體和管壁之間的摩擦而產(chǎn)生；局部阻力：由于速度的大小或方向的改變而引起。即：水平、等徑直管，無外功加入時，兩截面間的阻力損失 與兩截面間的壓力差在數(shù)值上相等。第三十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（2） 圓形直管內(nèi)的阻力損失在1-1和2-2截面之間列機(jī)械能衡算式：up1p21122FFd d 直圓管內(nèi)阻力公式的推導(dǎo) 直圓管內(nèi)阻力計算公式推導(dǎo)因所以第三十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月流體柱受到的與流動方向一致的推動力：流體柱受到的與流動方向相反的阻力：流體恒速流動時：又：第三十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月J/kgmPa 范寧公式 計算流體流動

14、阻力的一般公式所以第三十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 層流時的摩擦系數(shù)及Hangen-Poiseuille方程摩擦系數(shù)：（3） 摩擦系數(shù) Hangen-Poiseuille方程第四十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 湍流條件下的摩擦系數(shù) 影響因素復(fù)雜，一般由實驗確定。影響因素： 幾何尺寸及形狀； 表面情況 ； 流體的物性，如 密度，粘度等； 流速的大小。 利用量綱分析法可以得到： 第四十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 摩擦系數(shù)與Re、/l關(guān)系圖 0.10.010.030.020.070.060.050.040.090.080.0080.009102104

15、1071061051030.010.050.020.0150.030.040.0080.00450.0020.00080.0060.00060.0010.00040.00020.00010.000050.00001Ree/l根據(jù)實驗，得到莫狄（Moody）摩擦系數(shù)圖。第四十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)和相對粗糙度的關(guān)系 層流區(qū) Re2000 過渡區(qū) 2000Re4000（阻力平方區(qū)） 不完全湍流區(qū)完全湍流區(qū) 湍流區(qū) Re4000 第四十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 摩擦因子變化規(guī)律分析 粗糙度對的影響： 層流時：繞過突出物，對無影響。 湍流時：

16、 當(dāng)Re較小時，層流底層厚，形體阻力小，突出物對的 影響?。?當(dāng)高度湍流時，層流底層薄，突出物充分暴露，形成 較大的形體阻力，突出物對的影響大。第四十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月非圓直管中流動阻力幾種常見非圓管的當(dāng)量直徑 1）矩形流道例如：Blasuis公式 用公式求取摩擦系數(shù)條件：ab矩形流道Dd環(huán)形流道 2）環(huán)形流道 第四十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（4） 局部阻力 流體流經(jīng)管件、閥門、測量接口、管進(jìn)出口段的阻力產(chǎn)生原因：形體阻力； 確定方法：實驗，歸納出經(jīng)驗公式。3）三角形流道的當(dāng)量直徑det第四十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 式中 ： le 當(dāng)量長度 Le及的獲得：實驗，見有關(guān)資料。 式中 ： -局部阻力系數(shù) 1）當(dāng)量長度法2）局部阻力系數(shù)法 突然縮小特例：突然擴(kuò)大 第四十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 等徑管總阻力計算（5）系統(tǒng)的總阻力 系統(tǒng)總阻力=系統(tǒng)各直管阻力+局部阻力FICP1P21122第四十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 變徑管總阻力計算 變徑管d、u、不同，需分段計算阻力例：AABBCC第四十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.4.6 量綱分析流動阻力量綱分析方法：減少實驗工作量