化工原理1液體流動課件

化工原理課件1液體流動2024/4/17化工原理課件1液體流動1.1概述1.1.1流體流動的考察方法1.1.2流體流動中的作用力1.1.3流體流動中的機械能

1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.1.1流體流動的考察方法問題的引出：1、為什么要研究流體流動？流體流動規(guī)律是本門課程的重要基礎(chǔ)，涉及流體流動規(guī)律的主要有以下三個方面：(1)流動阻力及流量計算(2)流動對傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響(3)流體的混合效果2、流體流動研究的內(nèi)容是什么？流體流動的宏觀規(guī)律與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3、采用什么方法研究流體流動的宏觀規(guī)律？力-運動-能量，即受力分析、運動描述、能量分布。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.1.1流體流動的考察方法一、連續(xù)性假定(Continumhypotheses)1、為什么流體要看成連續(xù)？原因：氣體和液體統(tǒng)稱為流體。流體是由大量的彼此間有一定間隙的單個分子所組成。不同的考察方法對流體流動情況的理解也就不同。在流動規(guī)律的研究中，感興趣的不是單個分子的微觀運動，而是流體宏觀的機械運動，因此可以流體在空間流動假定為連續(xù)分布的。在物理化學(xué)中（氣體分子運動論）是考察單個分子的微觀運動，分子的運動是隨機的、不規(guī)則的混亂運動，在某一方向上有時有分子通過，有時沒有。因此這種考察方法認(rèn)為流體是不連續(xù)的介質(zhì)，所需處理的運動是一種隨機的運動，問題將是非常復(fù)雜的。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.1.1流體流動的考察方法2、怎樣看成連續(xù)的（假定內(nèi)容）？⑴考察對象：取流體質(zhì)點而不是單個分子作為最小的考察對象。流體質(zhì)點（微團）——是指一個含有大量分子的流體微團，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸，但比起分子自由程卻要大得多，即足夠大、足夠小。⑵流體是由大量質(zhì)點組成的，彼此之間沒有空隙、完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)。

注意：這種假定在絕大多數(shù)情況下是適合的，但是在高真空稀薄氣體的情況下是不成立的。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.1.1流體流動的考察方法二、運動的描述方法——拉格朗日法和歐拉法1、拉格朗日法：選定一個流體質(zhì)點，對其跟蹤觀察，描述其運動參數(shù)（位移、速度等）與時間的關(guān)系。即，同一質(zhì)點在不同時期的運動狀態(tài)（跟蹤法。）2、歐拉法：在固定的空間位置上觀察流體質(zhì)點的運動情況，直接描述各有關(guān)參數(shù)在空間各點的分布情況隨時間的變化，例如對速度u，可作如下描述：1.流體流動可見：歐拉法是空間一定，不同質(zhì)點在同一時刻的運動狀態(tài)(關(guān)卡法)。化工原理課件1液體流動1.1.1流體流動的考察方法3、它們的應(yīng)用場所拉格朗日法應(yīng)用于所研究的任一點均遵循一般規(guī)律的問題。一般情況下，需對流動作出描述時，都采用歐拉法。對定態(tài)流動更是如此。三、定態(tài)流動空間各質(zhì)點的運動不隨時間而變化，則稱為定態(tài)流動。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.1.1流體流動的考察方法四、兩種考察方法的比較

1、流線與軌線⑴軌線：某一質(zhì)點的運動軌跡(拉格朗日法的結(jié)果)。⑵流線：同一瞬間時不同質(zhì)點的速度方向(歐拉法的結(jié)果)。如右圖，流線上四個箭頭分別表示在同一時間四個不同空間位置上a、b、c、d四個流體質(zhì)點

1.流體流動⑶流線的兩個重要屬性①各流線是不會相交的②不是真正幾何意義上的點，而是具有質(zhì)點尺寸的點

化工原理課件1液體流動1.1.1流體流動的考察方法2、系統(tǒng)與控制體⑴系統(tǒng)：是包含眾多流體質(zhì)點的集合（是采用拉格朗日法考察流體的），系統(tǒng)的邊界隨著流體一起流動，其形狀和大小都是隨著時間而變化。⑵控制體：是劃定一固定的空間體積，構(gòu)成控制體的空間界面稱為控制面，控制面總是封閉的固定界面。（采用歐拉法考察流體的）1.流體流動系統(tǒng)控制體控制面化工原理課件1液體流動1.1.1流體流動的考察方法小結(jié)：考察方法選擇：固體質(zhì)點運動——拉格朗日法流體流動——歐拉法1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.1.2流體流動中的作用力一、種類1、體積力體積力（質(zhì)量力）與流體的質(zhì)量成正比，對于均質(zhì)的流體也與流體的體積成正比。如流體在重力場中運動時受到的重力就是一種體積力，F(xiàn)＝mg。重力與離心力都是典型的體積力。2、表面力—內(nèi)摩擦力表面力與流體的表面積成正比。若取流體中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分為壓力P與剪力τ。

1.流體流動化工原理課件1液體流動1.1.2流體流動中的作用力⑴垂直于表面的力P，稱為壓力。單位面積上所受的壓力稱為壓強p。1.流體流動⑵平行于表面的力F，稱為剪力（切力）。單位面積上所受的剪力稱為剪應(yīng)力τ。1MPa（兆帕）＝106Pa（帕斯卡）注意：國內(nèi)許多教材習(xí)慣上把壓強稱為壓力?；ぴ碚n件1液體流動1.1.2流體流動中的作用力二、粘性與內(nèi)摩擦力1、粘性的宏觀表現(xiàn)—內(nèi)摩擦力。2、粘性的物理本質(zhì)—分子間引力和分子的運動和碰撞。3、牛頓粘性定律1.流體流動—流體的粘度；

—法向速度梯度化工原理課件1液體流動1.1.2流體流動中的作用力三、流體與固體的力學(xué)特性兩個不同點（一般了解）1、固體表面的剪應(yīng)力τ∝剪切變形（角變形）而流體內(nèi)部的剪應(yīng)力τ∝剪切變形速率（角變形速率）（見下圖）

1.流體流動

這是由于流體在剪切力的作用下其變形是無止境的，只要作用力存在，變形與運動將一直維持下去，只能在剪應(yīng)力τ與變形的快慢（即變形速率）之間建立關(guān)系，牛頓粘性定律就是這種關(guān)系，式中的速率梯度就是剪切變形速率化工原理課件1液體流動⑵單位：SI制：CGS制：cP（厘泊）運動粘度SI制的單位為m2/s粘度μ又稱為動力粘度。液體：μ＝f（t），與壓強p無關(guān)，溫度t↑，μ↓，水(20℃)，cP，要記住，油的粘度可達(dá)幾十到幾百cP,

1.1.2流體流動中的作用力2、靜止流體不能承受剪應(yīng)力（哪怕是非常微小的剪應(yīng)力）和抵抗剪切變形。固體可以承受很大的剪應(yīng)力和抵抗剪切變形。

四、流體的剪應(yīng)力與動量傳遞1、粘度μ

⑴物性參數(shù)之一1.流體流動輸送原油加熱目的？氣體：p<40atm時μ＝f（p）與t無關(guān)，溫度p↑，μ↑化工原理課件1液體流動1.1.2流體流動中的作用力2、牛頓型流體與非牛頓型流體服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體（大多數(shù)如水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動規(guī)律。不服從牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓型流體，非牛頓型流體（血液、牙膏等）的τ與速度梯度關(guān)系見本章第8節(jié)。3、粘性流體與理想流體μ＝0，流體無粘性（理想流體，如下圖所示，實際不存在）

1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.1.3流體流動中的機械能一、內(nèi)能內(nèi)能是貯存于液體內(nèi)部的能量，是由于原子與分子的運動及其相互作用存在的能量。因此液體的內(nèi)能與其狀態(tài)有關(guān)。內(nèi)能大小主要決定于液體的溫度，而液體的壓力影響可以忽略。單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能U＝f（t），J/Kg二、位能在重力場中，液體高于某基準(zhǔn)面所具有的能量稱為液體的位能。液體在距離基準(zhǔn)面高度

1.流體流動為z時的位能相當(dāng)于流體從基準(zhǔn)面提升高度為z時重力對液體所作的功。單位質(zhì)量流體所具有的位能gz化工原理課件1液體流動1.1.3流體流動中的機械能三、動能液體因運動而具有的能量，稱為動能。1.流體流動

單位質(zhì)量流體所具有的動能四、壓強能流體自低壓向高壓對抗壓力流動時，流體由此獲得的能量稱為壓強能。，v——流體的比容

單位質(zhì)量流體所具有的壓強能化工原理課件1液體流動1.1.3流體流動中的機械能機械能（位能、動能、壓強能）在流動過程可以互相轉(zhuǎn)換，亦可轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄蛄黧w的內(nèi)能。但熱和內(nèi)能在流體流動過程不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能而用于流體輸送。機械能損失—內(nèi)摩擦力作用。1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.2流體靜力學(xué)本節(jié)將回答以下問題：1、靜力學(xué)研究什么？2、采用什么方法研究？3、主要結(jié)論是什么？4、這些結(jié)論有何作用？1.流體流動化工原理課件1液體流動1.2流體靜力學(xué)1.2.1靜壓強在空間的分布1.2.2壓強能與位能1.2.3壓強的表示方法1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法

1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.2.1靜壓強在空間的分布一、補充內(nèi)容：密度的概念和影響因素1、定義1.流體流動

單位體積流體所具有的質(zhì)量，如果表示流體上某點的密度則為：2、影響因素⑴對于液體化工原理課件1液體流動1.2.1靜壓強在空間的分布⑵對于氣體1.流體流動二、流體靜力學(xué)基本方程式1、靜壓強

空間各點。2、流體微元的受力平衡

如下圖所示，作用于立方體流體微元上的力有兩種，即表面力和體積力?；ぴ碚n件1液體流動A1.2.1靜壓強在空間的分布1.流體流動X化工原理課件1液體流動1.2.1靜壓強在空間的分布①表面力1.流體流動abcd表面的壓力（N）為：a/b/c/d/表面的壓力（N）為：對于其他表面，也可以寫出相應(yīng)的表達(dá)式。

②體積力設(shè)單位質(zhì)量流體上的體積力在x方向的分量為X(N/Kg)，則微元所受的體積力在x方向的分量為，該流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，外力之和必等于零、對x方向，有化工原理課件1液體流動1.2.1靜壓強在空間的分布與x方向相同的力取“＋”號，相反取“－”號。1.流體流動上式兩邊同除以得：同理

化工原理課件1液體流動1.2.1靜壓強在空間的分布?xì)W拉平衡方程

若將該微元流體移動dl距離，此距離對x，y，z軸的分量為dx、dy、dz，將上列方程組分別乘以dx、dy、dz并相加得：1.流體流動化工原理課件1液體流動1.2.1靜壓強在空間的分布3、平衡方程在重力場中的應(yīng)用如流體所受的體積力僅為重力，并取z軸方向與重力方向相反，則：

1.流體流動將此式代入流體平衡的一般表達(dá)式有：設(shè)流體不可壓縮，即密度ρ與壓力無關(guān)，可將上式積分得：化工原理課件1液體流動1.2.1靜壓強在空間的分布對于靜止流體中任意兩點1和2，如右圖所示：1.流體流動必須指出，以上三式稱為流體靜力學(xué)方程式。

物理意義：壓強能+位能=常數(shù)，總勢能保持不變?；ぴ碚n件1液體流動1.2.1靜壓強在空間的分布補充內(nèi)容：流體靜力學(xué)方程式適用范圍和等壓面1、適用于重力場中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性流體；2、在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，處于同一水平面上各點的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓面；3、壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時，液體內(nèi)部各點的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。即壓力可傳遞，這就是巴斯噶定理；4、若記，ψ稱為廣義壓力，代表單位體積靜止流體的總勢能（即靜壓能p與位能

gz之和），靜止流體中各處的總勢能均相等。因此，位置越高的流體，其位能越大，而靜壓能則越小。

1.流體流動化工原理課件1液體流動1.2.1靜壓強在空間的分布5、衡算基準(zhǔn)衡算基準(zhǔn)不同，方程形式不同。1.流體流動壓強或壓強差的大小可用某種液體的液柱高度表示，但必須注明是何種液體。如mmHg，mH2O。各項均除以密度和g，可得進一步化簡可得：化工原理課件1液體流動1.2.1靜壓強在空間的分布6、等壓面的判斷等壓面的條件：同一高度，水平面、均質(zhì)、連續(xù)、不可壓縮流體、靜止、重力場。請判斷下面哪些是等壓面？1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.2.2壓強能與位能1.流體流動物理意義：壓強能+位能=常數(shù)，總勢能保持不變?；ぴ碚n件1液體流動1.2.2壓強能與位能即：連續(xù)、靜止、不可壓縮的同種流體，總勢能保持不變。1.流體流動即：壓頭+位頭=常數(shù)推論：1、靜壓強與其深度呈線性關(guān)系。2、等高面即為等壓面。返回化工原理課件1液體流動1.2.3壓強的表示方法一、壓強定義和單位1、定義垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的靜壓強,簡稱壓強。工程上習(xí)慣上將壓強稱之為壓力。2、單位

在SI中，壓強的單位是帕斯卡，以Pa表示。但習(xí)慣上還采用其它單位，它們之間的換算關(guān)系為：1.流體流動1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133×105Pa

化工原理課件1液體流動1.2.3壓強的表示方法二、壓強的表示方法以流體柱高度表示：米水柱(mH2O)、毫米汞柱(mmHg)。三、壓強的基準(zhǔn)壓強有不同的計量基準(zhǔn)：絕對壓強、表壓強、真空度。

絕對壓強以絕對零壓作起點計算的壓強，是流體的真實壓強。

表壓強壓強表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對壓強比大氣壓強高出的數(shù)值，即:

表壓強＝絕對壓強－大氣壓強

真空度真空表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對壓強低于大氣壓強的數(shù)值，即:真空度＝大氣壓強－絕對壓強=-表壓強1.流體流動化工原理課件1液體流動1.2.3壓強的表示方法絕對壓強，表壓強，真空度之間的關(guān)系見下圖：1.流體流動返回動畫化工原理課件1液體流動1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法流體靜力學(xué)原理的應(yīng)用很廣泛，它是連通器和液柱壓差計工作原理的基礎(chǔ)，還用于容器內(nèi)液柱的測量，液封裝置，不互溶液體的重力分離（傾析器）等。解題的基本要領(lǐng)是正確確定等壓面。本節(jié)介紹它在測量液體的壓力和確定液封高度等方面的應(yīng)用。一、壓力的測量測量壓強的儀表很多，現(xiàn)僅介紹以流體靜力學(xué)基本方程式為依據(jù)的測壓儀器---液柱壓差計。液柱壓差計可測量流體中某點的壓力，亦可測量兩點之間的壓力差。常見的液柱壓差計有以下幾種。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法普通U型管壓差計、倒U型管壓差計、傾斜U型管壓差計、微差壓差計。

1.流體流動常見液柱壓差計化工原理課件1液體流動p0

p0

0

p1

p2

>

R

a

b

1、普通U型管壓差計

U型管內(nèi)位于同一水平面上的a、b兩點在相連通的同一靜止流體內(nèi)，兩點處靜壓強相等

若被測流體為氣體，其密度較指示液密度小得多，上式可簡化為

1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法1.流體流動化工原理課件1液體流動1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法2、單管壓力計1.流體流動式中Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮骸喂軌毫τ嬛荒苡脕頊y量高于大氣壓的液體壓力，不能測氣體壓力?；虮韷夯ぴ碚n件1液體流動1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法3、U形壓力計設(shè)U形管中指示液液面高度差為R，指示液密度為

0，被測流體密度為

，則由靜力學(xué)方程可得：

1.流體流動方程可得：將以上三式合并得：

化工原理課件1液體流動1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法若容器A內(nèi)為氣體，則

gh項很小可忽略，于是：1.流體流動顯然，U形壓力計既可用來測量氣體壓力，又可用來測量液體壓力，而且被測流體的壓力比大氣壓大或小均可?；ぴ碚n件1液體流動1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法例1-1靜壓強計算解：按靜力學(xué)原理，同一種靜止流體的連通器內(nèi)、同一水平面上的壓強相等，故有：1.流體流動對于水平面1-2，即有：對于水平面3-4，即有：ρρi化工原理課件1液體流動1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法1.流體流動對于水平面5-6，即有：對于鍋爐的表壓，即有：化工原理課件1液體流動1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法二、液封高度

液封在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用：通過液封裝置的液柱高度，控制器內(nèi)壓力不變或者防止氣體泄漏。

為了控制器內(nèi)氣體壓力不超過給定的數(shù)值，常常使用安全液封裝置（或稱水封裝置）如下圖，其目的是確保設(shè)備的安全，若氣體壓力超過給定值，氣體則從液封裝置排出。1.流體流動安全液封動畫化工原理課件1液體流動1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法

液封還可達(dá)到防止氣體泄漏的目的，而且它的密封效果極佳，甚至比閥門還要嚴(yán)密。例如煤氣柜通常用水來封住，以防止煤氣泄漏。

液封高度可根據(jù)靜力學(xué)基本方程式進行計算。設(shè)器內(nèi)壓力為p（表壓），水的密度為ρ，則所需的液封高度h0應(yīng)為1.流體流動為了保證安全，在實際安裝時使管子插入液面下的深度應(yīng)比計算值略小些，使超壓力及時排放；對于防止氣體泄漏，應(yīng)比計算值略大些，嚴(yán)格保證氣體不泄漏?；ぴ碚n件1液體流動1.2.4壓強的靜力學(xué)測量方法三、液位的測定圖1.流體流動返回作業(yè)：P561-1，1-5，1-8化工原理課件1液體流動1.3流體流動中的守恒定理本節(jié)將解決以下問題：1、研究的內(nèi)容是什么？2、采用什么研究方法？3、得到什么結(jié)論？4、工程上有什么用途？1.流體流動返回化工原理課件1液體流動方程式子—牢記靈活應(yīng)用高位槽安裝高度?

物理意義—明確解決問題輸送設(shè)備的功率?適用條件—注意1.3流體流動中的守恒定理1.流體流動本節(jié)內(nèi)容提要主要是研究和學(xué)習(xí)流體流動的宏觀規(guī)律及不同形式的能量的如何轉(zhuǎn)化等問題，其中包括：（1）質(zhì)量守恒定律——連續(xù)性方程式（2）能量守恒定律——柏努利方程式

推導(dǎo)思路、適用條件、物理意義、工程應(yīng)用。本節(jié)學(xué)習(xí)要求學(xué)會運用兩個方程解決流體流動的有關(guān)計算問題化工原理課件1液體流動1.3流體流動中的守恒定理本節(jié)重點以連續(xù)方程及柏努利方程為重點，掌握這兩個方程式推導(dǎo)思路、適用條件、用柏努利方程解題的要點及注意事項。通過實例加深對這兩個方程式的理解。本節(jié)難點無難點，但在應(yīng)用柏努利方程式計算流體流動問題時要特別注意流動的連續(xù)性、上、下游截面及基準(zhǔn)水平面選取正確性。正確確定衡算范圍（上、下游截面的選?。┦墙忸}的關(guān)鍵。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.3流體流動中的守恒定理1.3.1質(zhì)量守恒1.3.2機械能守恒1.3.3動量守恒1.流體流動返回化工原理課件1液體流動表示。1.3.1質(zhì)量守恒一、基本概念1、流量流量是指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的物質(zhì)量稱為流量。一般有體積流量和質(zhì)量流量兩種表示方法。1.流體流動⑴體積流量(或)，解題指南用由于氣體的體積與其狀態(tài)有關(guān)，因此對氣體的體積流量，須說明它的溫度t和壓強p。

⑵質(zhì)量流量（Kg/s或Kg/h）與的關(guān)系為：⑶

注意：流量是一種瞬時的特性，不是某時間內(nèi)累計流過的量。由流量計測出?；ぴ碚n件1液體流動1.3.1質(zhì)量守恒2、平均流速（簡稱流速）u

單位時間內(nèi)流體在流動方向上所流過的距離稱為流速u（m/s）。流體在管截面上的速度分布規(guī)律較為復(fù)雜，如在工程上為計算方便起見，流體的流速通常指整個管截面上的平均流速，其表達(dá)式為：1.流體流動常用A——垂直于流動方向的管截面積，m2。

問題：粘性流體，圓管內(nèi)同一截面上各點流速不同，怎么樣求平均流速？化工原理課件1液體流動1.3.1質(zhì)量守恒平均流速：1.流體流動化工原理課件1液體流動1.3.1質(zhì)量守恒1.流體流動注意：由于氣體的體積流量qV隨溫度、壓強而變，所以氣體流速亦隨t、p而變，因此，對于氣體在管內(nèi)流動的有關(guān)計算，采用不隨狀態(tài)變化的質(zhì)量流速較為方便，如計算氣體雷諾準(zhǔn)數(shù)

，哪個方便？化工原理課件1液體流動1.3.1質(zhì)量守恒二、質(zhì)量守恒方程(也稱連續(xù)性方程式)依據(jù)：穩(wěn)定流動（定態(tài)流動）過程中的質(zhì)量守恒流入-流出=積累1.流體流動如圖1-11，取截面1-1至2-2之間的管段作為控制體（歐拉法，截面固定）定態(tài)流動時

化工原理課件1液體流動1.3.1質(zhì)量守恒1.流體流動對不可壓縮流體：對圓形截面管道：

對均勻直管：

化工原理課件1液體流動1.3.1質(zhì)量守恒討論：1、適用條件：流體流動的連續(xù)性方程式僅適用于穩(wěn)定流動時的連續(xù)性流體。2、對圓形截面管道，體積流量一定時，流速與管徑的平方成正比，此規(guī)律與管路的安排以及管路上是否裝有管件、閥門或輸送設(shè)備等都無關(guān)。3、連續(xù)性方程式(Equationofcontinuity)應(yīng)用：⑴變徑管流速或內(nèi)徑的確定（水平放置或斜置）—常用⑵u形管壓差計中的應(yīng)用—壓力的測定1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒柏努利方程式是流體流動中機械能守恒和轉(zhuǎn)化原理的體現(xiàn)。柏努利方程式的推導(dǎo)方法一般有兩種

(1)理論解析法比較嚴(yán)格，較繁瑣(2)能量衡算法比較直觀，較簡單本節(jié)采用后者。推導(dǎo)思路：從解決流體輸送問題的實際需要出發(fā)，采取逐漸簡化的方法，即先進行流體系統(tǒng)的總能量衡算（包括熱能和內(nèi)能）

流動系統(tǒng)的機械能衡算（消去熱能和內(nèi)能）

不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)流動的機械能衡算—柏努利方程式。方法論：先簡化修正1.流體流動化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒一、沿軌線的機械能守恒(拉格朗日考察法，是某一流體質(zhì)點的軌跡)根據(jù)牛頓第二定律進行推導(dǎo)：

體積力+表面力=質(zhì)量×加速度回顧在靜止流體中，立方體微元所受各力平衡（靜止）1.流體流動在運動流體中，立方體微元表面不受剪應(yīng)力（∵設(shè)μ＝0），微元受力與靜止流體相同（體積力＋表面力）但受力不平衡造成加速度（力＝質(zhì)量×加速度，力/質(zhì)量＝加速度），即化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒設(shè)流體微元在dt時間力位移dl，它在x軸上的分量位dx，將dx乘上式各項得：

1.流體流動同理在y，z方向上有：化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒以上三式相加得：1.流體流動若流體僅在重力場中流動，取z軸垂直向上，則：上式成為對不可壓縮流體，ρ＝常數(shù)，積分上式得此式稱為沿軌線的柏努利(Bernoulli)方程化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒討論：1、沿軌線的柏努利方程適用的場合是重力場中不可壓縮的理想流體定態(tài)流動。2、流體微元在流動過程中與其它微元之間未發(fā)生機械能交換量

1.流體流動3、柏努利方程也可以寫成：化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒4、沿流線（歐拉考擦法，固定截面上考擦）的機械能守恒定態(tài)流動，流線與軌跡線重合，上式仍適用，即：1.流體流動5、理想流體管流的機械能守恒

⑴理想流體管截面流速分布均勻，各點的動能相等。為什么？⑵若考察截面處于均勻流段(流線平行且垂直截面)，各點總勢能保持不變。化工原理課件1液體流動所以：理想流體的柏努利方程式為：1.3.2機械能守恒1.流體流動所以：不可壓縮、理想流體、定態(tài)流動時的機械能守恒(柏努利方程式)為：化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒1.流體流動化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒6、實際流體管流的機械能守恒

1.流體流動

實際流體(）

修正之一：μ>0，有速度分布，動能以代替。引入動能校正系數(shù)α以后計算均取，誤差不大。化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒修正之二：μ>0，有內(nèi)摩擦力，必導(dǎo)致機械能損耗—阻力損失（），還有外界對單位質(zhì)量流體加入的機械能1.流體流動以后可以把上的－去掉，u表示平均速度

習(xí)慣上也把上式稱為實際流體的柏努利方程或擴展了的柏努利方程?；ぴ碚n件1液體流動1.3.2機械能守恒7、在衡算范圍內(nèi)是不可壓縮、連續(xù)穩(wěn)態(tài)流體，同時要注意是實際流體還是理想流體，有無外功加入的情況又不同。8、不同衡算基準(zhǔn)下的柏努利方程1.流體流動J/kgm——位頭，單位重量流體所具有的位能?！獕侯^，單位重量流體所具有的壓強能。

化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒二、柏努利方程的應(yīng)用1、求流量及流速（書p22，重力射流和壓力射流）2、求截面或設(shè)備的垂直距離z3、求設(shè)備的有效功率He和功率4、求管路中某一位置流體的壓強(一)、解題要點在方程的應(yīng)用中，是否按照以下要點進行直接關(guān)系到解題的正確性。1.流體流動——速度頭，單位重量流體所具有的動能。

化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒1、在流程圖或流程示意圖上選擇衡算范圍，應(yīng)包含待求參數(shù)，弄清流動方向。2、順流動方向選取上、下游截面，截面應(yīng)垂直于流動方向，截面間流體必須連續(xù)，待求量應(yīng)在截面之間。3、進行能量衡算必須選擇，水平基準(zhǔn)面一般選擇地面、樓面或設(shè)備基礎(chǔ)、管子和設(shè)備中心，截面至基準(zhǔn)面的垂直距離必須是可知。4、各參數(shù)的計量單位必須一致，否則應(yīng)事先將單位化成一致，以免代入方程再來換算而造成計算時錯誤，壓強的表示必須一致、統(tǒng)一用絕壓或表壓。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒(二)解題步驟1、衡算范圍的確定：畫出示意圖，選擇截面。2、截面的選取1.流體流動3、基準(zhǔn)面選取4、列方程式5、列出已知數(shù)例如：Z1=Z1，Z2=Z2，u1=u2,p2=0（表壓），p1=6、把已知數(shù)代入方程，解方程?；ぴ碚n件1液體流動1.3.2機械能守恒例：如圖所示，用泵將水從貯槽送至敞口高位槽，兩槽液面均恒定不變，輸送管路尺寸為

83×3.5mm，泵的進出口管道上分別安裝有真空表和壓力表，壓力表安裝位置離貯槽的水面高度H2為5m。當(dāng)輸水量為36m3/h時，進水管道全部阻力損失為1.96J/kg，出水管道全部阻力損失為4.9J/kg，壓力表讀數(shù)為2.452×105Pa，泵的效率為70%，水的密度

為1000kg/m3，試求：（1）兩槽液面的高度差H為多少？（2）泵所需的實際功率為多少kW？1.流體流動化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒解：1、兩槽液面的高度差H在壓力表所在截面1-1′與高位槽液面2-2′間列柏努利方程，以貯槽液面為基準(zhǔn)水平面，得：1.流體流動1/12/2已知量：Z1=H2=5m，u1=qV/A=2.205m/s，p1=2.452×105Pa，u2=0,p2=0,化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒把已知量代入上式可得：1.流體流動2、泵所需的實際功率在貯槽液面0-0′與高位槽液面2-2′間列柏努利方程，以貯槽液面為基準(zhǔn)水平面，如圖所示，有：

2/0/02其中Z0=H0=0，Z2=H=34.74m，u0=u2=0,p0=p2=0化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒代入方程求得：he=298.64J/kg1.流體流動又η=70%，化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒小結(jié)：1、不可壓縮、理想流體、定態(tài)流動時的機械能守恒(柏努利方程式)為1.流體流動化工原理課件1液體流動1.3.2機械能守恒2、實際流體的機械能衡算式1.流體流動J/kgm3、解題步驟和要點及注意事項4、工程應(yīng)用習(xí)題9、10、13，選作14返回化工原理課件1液體流動1.3.3動量守恒

有興趣的同學(xué)自學(xué)，一般了解。僅在阻力損失無法計算或本身要求流體對壁面的作用力時才用動量守恒定律解題。

1.流體流動化工原理課件1液體流動1.4流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)本節(jié)內(nèi)容提要簡要分析在微觀尺度上流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為流動阻力的計算奠定理論基礎(chǔ)。以滯流和湍流兩種基本流型的本質(zhì)區(qū)別為主線展開討論，本節(jié)重點(1)牛頓粘性定律的表達(dá)式、適用條件；粘度的物理意義及不同單位之間的換算。(2)兩種流型的判據(jù)及本質(zhì)區(qū)別；Re的意義及特點。(3)流動邊界層概念

本節(jié)的目的是了解流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便為阻力損失計算打下基礎(chǔ)。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.4流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題的引出：1、1.流體流動機械能衡算式?jīng)]有解決hf的質(zhì)(物理本質(zhì))、量(大小)2、100多年前，人們在研究流體流動中發(fā)現(xiàn)：(1)管流：u小，速度分布不均勻；u大，速度分布均勻。(2)流體流動的阻力：u小，hf與u成正比；u大，hf與u的1.75~2次方成正比。1883年，著名的雷諾(Reynolds)實驗提示了流動的兩種型態(tài)?；ぴ碚n件1液體流動1.4流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4.1流動的型態(tài)1.4.2湍流的基特征1.4.3邊界層及邊界層脫體1.4.4圓管內(nèi)部流體運動的數(shù)學(xué)描述1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.4.1流動的型態(tài)一、兩種流型—層流和湍流(LaminarandTurbulentFlow)是1883年著名的雷諾實驗(Reynolds)揭示出來的，下列看一看動畫1-011、層流（又稱滯流）流體質(zhì)點作直線運動，即流體分層流動，層次分明，彼此互不混雜，質(zhì)點無徑向混合。如下圖所示

1.流體流動化工原理課件1液體流動1.4.1流動的型態(tài)2、湍流流體在總體上沿著向前運動，同時還在各個方向作隨機的脈動。如下圖1.流體流動化工原理課件1液體流動1.4.1流動的型態(tài)湍流的特點如下：構(gòu)成質(zhì)點在主運動之外還有附加的脈動。質(zhì)點的脈動是湍流運動的最基本特點。如下圖所示的為截面上某一點i的流體質(zhì)點的速度脈動曲線。同樣，點i的流體質(zhì)點的壓強也是脈動的，可見湍流實際上是一種不穩(wěn)定的流動。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.4.1流動的型態(tài)二、流型的判據(jù)——雷諾數(shù)Re(Reynoldsnumber)1、影響流動狀況因素流速u，管徑d，流體的粘度μ，流體的密度ρ。2、定義雷諾數(shù)Re1.流體流動所以，其物理意義是：慣性力與粘性力的比值?；ぴ碚n件1液體流動1.4.1流動的型態(tài)雷諾準(zhǔn)數(shù)的因次1.流體流動Re準(zhǔn)數(shù)是一個無因次數(shù)群。組成此數(shù)群的各物理量,必須用一致的單位表示。因此，無論采用何種單位制，只要數(shù)群中各物理量的單位一致，所算出的Re值必相等?；ぴ碚n件1液體流動1.4.1流動的型態(tài)3、判據(jù)雷諾數(shù)的大小足以反映這四個參數(shù)對運動狀況的影響，故雷諾數(shù)是流動狀況的唯一判據(jù)，根據(jù)其數(shù)值的大小可確定流體流動類型。實驗證明，對直管內(nèi)的流動而言：Re≤2000，必定出現(xiàn)層流，穩(wěn)定的層流區(qū)2000<Re<4000，有時出現(xiàn)層流，有時出現(xiàn)湍流，依賴于環(huán)境，此為過渡區(qū)Re≥4000，一般都出現(xiàn)湍流，此為湍流區(qū)注意：1、上述以Re為判據(jù)將流動劃分為三區(qū)，但是只有兩種流型，即層流和湍流。2、在一般工程計算中，Re>2000可作為湍流處理。1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.4.2湍流的基本特征一、時均速度和脈動速度如右圖，湍流流體某質(zhì)點i的速度脈動曲線，該質(zhì)點的速度在一平均值（稱為時均值）上下波動。湍流時流體質(zhì)點總體上沿軸向運動，但在徑向上還有脈動，流體質(zhì)點彼此間碰撞劇烈，阻力損失比因摩擦力而引起阻力損失大的多。1.流體流動化工原理課件1液體流動是指分子粘度，反映了分子引力和分子運動造成1.4.2湍流的基本特征二、湍流粘度1.流體流動層流時式中的動量傳遞湍流時，動量傳遞不僅起因于分子運動，且來源于流體質(zhì)點的橫向脈動，故不服從牛頓粘性定律，如仍希望用其形式，則：——湍流粘度，無法試驗測定或理論計算化工原理課件1液體流動1.4.2湍流的基本特征三、湍流時層流內(nèi)層和過渡層，如下圖1.流體流動1、管中心：2、過渡區(qū)：3、管壁：所以，層流內(nèi)層是傳遞過程中的主要阻力之所在。返回化工原理課件1液體流動1.4.3邊界層及邊界層脫體如果在流速均勻的流體中放置一個固體（平板、球體或圓柱體），流體將發(fā)生怎樣的運動？1904年，法國布朗特：邊界層理論。一、邊界層(BoundaryLayer)1、定義具有明顯速度梯度的流體層，其邊緣流體流速為主體平均流速的99%以內(nèi)的區(qū)域，叫做邊界層。2、邊界層的形成⑴流體在平板上流動時的邊界層

1.流體流動化工原理課件1液體流動注意：層流邊界層和層流內(nèi)層的區(qū)別層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層邊界層界限u0u0u0xy層流邊界層：邊界層內(nèi)的流動類型為層流湍流邊界層：邊界層內(nèi)的流動類型為湍流層流內(nèi)層：邊界層內(nèi)近壁面處一薄層，無論邊界層內(nèi)的流型為層流或湍流，其流動類型均為層流1.4.3邊界層及邊界層脫體1.流體流動化工原理課件1液體流動內(nèi)摩擦：一流體層由于粘性的作用使與其相鄰的流體層減速邊界層：受內(nèi)摩擦影響而產(chǎn)生速度梯度的區(qū)域(

)u=0.99u0邊界層發(fā)展：邊界層厚度

隨流動距離增加而增加流動充分發(fā)展：邊界層不再改變，管內(nèi)流動狀態(tài)也維持不變充分發(fā)展的管內(nèi)流型屬層流還是湍流取決于匯合點處邊界層內(nèi)的流動屬層流還是湍流進口段1.4.3邊界層及邊界層脫體1.流體流動⑵管流時的邊界層化工原理課件1液體流動1.4.3邊界層及邊界層脫體注意：①邊界層形成的原因是實際流體具有粘性。②流體流動阻力主要集中在邊界層內(nèi)，尤其在層流內(nèi)層中，而且邊界層還集中了傳熱和傳質(zhì)的阻力。③測定流體速度分布曲線時，其測定地點必須選在圓管中流體速度分布保持不變的平直部分，即要壁開進口段（此處到入口或轉(zhuǎn)彎處的距離要大于L0）1.流體流動化工原理課件1液體流動AB：流道縮小，順壓強梯度，加速減壓BC：流道增加，逆壓強梯度，減速增壓CC/以上：分離的邊界層CC/以下：在逆壓強梯度的推動下形成倒流，產(chǎn)生大量旋渦1.4.3邊界層及邊界層脫體1.流體流動三、邊界層的分離現(xiàn)象流體對圓柱體的繞流，如下圖所示?；ぴ碚n件1液體流動1.4.3邊界層及邊界層脫體總之，流道擴大時必造成逆壓強梯度，逆壓強梯度容易造成邊界層的分離，邊界層分離造成大量漩渦，大大增加機械能消耗。即：流體通道擴大逆壓強梯度邊界層分離大量漩渦機械能損失增大討論：①邊界層分離是由于幾何形狀發(fā)生變化而產(chǎn)生的。②因固體表面形狀造成邊界層分離而消耗的能量稱為形體阻力。③在發(fā)生邊界層分離的流體流動阻力有兩部分—摩擦阻力和形體阻力。1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述一、流體的力平衡如右圖所示

1.流體流動

左端面的力：

右端面的力：

外表面的剪切力：

圓柱體的重力：

因流體在均勻直管內(nèi)作等速運動，各外力之和必為零，即：

化工原理課件1液體流動1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述二、剪應(yīng)力分布

1.流體流動將、、、代入上式，并整理

此式表示圓管中沿管截面上的剪應(yīng)力分布。由以上推導(dǎo)可知，剪應(yīng)力分布與流動截面的幾何形狀有關(guān)，與流體種類、層流或湍流無關(guān)，即對層流和湍流皆適用?；ぴ碚n件1液體流動為正，加負(fù)號。1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述由上式可知：1.流體流動三、層流時的速度分布

層流時剪應(yīng)力服從牛頓粘性定律：為負(fù)，為保證化工原理課件1液體流動1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述1.流體流動管中心r＝0，化工原理課件1液體流動1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述1.流體流動層流時圓管截面上的速度是拋物線分布，如下圖所示：化工原理課件1液體流動1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述即圓管內(nèi)作層流流動時的平均速度為管中心最大速度的一半。因此，當(dāng)流體在圓管內(nèi)作層流流動時，以平均速度計算平均動能，動能校正系統(tǒng)值為2。

1.流體流動四、層流時的平均速度和動能校正系數(shù)

化工原理課件1液體流動1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述五、圓管內(nèi)湍流時的速度分布

1.流體流動湍流

不是物性，其值與Re及流體質(zhì)點位置有關(guān)，故湍流時速度分布不能像層流一樣通過流體柱受力分析從理論上導(dǎo)出，只能將試驗結(jié)果用經(jīng)驗式表示：n與Re有關(guān)，在不同Re范圍內(nèi)取不同的值：

化工原理課件1液體流動1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述1.流體流動討論：化工原理課件1液體流動1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述1.流體流動2、對于近管中心部分剪應(yīng)力不大而湍流粘度數(shù)值很大，由上式可知湍流核心處的速度梯度必定很小。而在壁面附近很薄的層流內(nèi)層中，剪應(yīng)力相當(dāng)大且以分子粘度的作用為主；但的數(shù)值又遠(yuǎn)較湍流核心處的為小，故此薄層中的速度梯度必定很大。圖1-30表示湍流時的速度分布。Re數(shù)愈大，近壁區(qū)以外的速度分布愈均勻。

化工原理課件1液體流動1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述1.流體流動問題：層流與湍流的不同點？化工原理課件1液體流動流型滯（層）流湍（紊）流判據(jù)

質(zhì)點運動情況管內(nèi)速度分布

現(xiàn)象方程

兩種流型的比較1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述1.流體流動

Re≤2000

Re≥4000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拋物線方程u＝1/2umax壁面處uw=0,管中心u=umax碰撞和混合使速度平均化u＝0.8umax壁面處uw=0,管中心u=umax可解析

不可解析

化工原理課件1液體流動1.4.4圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述1.流體流動本節(jié)小結(jié)：1、流體流動的兩種形態(tài)：層流、湍流2、流型判據(jù)Re：Re≤2000必為層流，Re>4000，一般為湍流。3、湍流的基本特征是出現(xiàn)速度脈動。4、湍流流動分為湍流核心、過渡層和層流內(nèi)層。5、邊界層脫體及影響：流體通道擴大逆壓強梯度邊界層分離大量漩渦機械能損失增大6、層流速度分布呈拋物線，7、湍流截面速度分布較層均勻，返回化工原理課件1液體流動1.5阻力損失本節(jié)內(nèi)容提要解決流體在管截面上的速度分布及柏努利方程式中流動阻力Σhf的計算問題。本節(jié)重點(1)流體在管路中的流動阻力的計算問題。管路阻力又包括包括直管阻力hf和局部阻力hf/

(2)流體在直管中的流動阻力因流型不同而采用不同的工程處理方法。對于層流，通過過程本征方程（牛頓粘性定律）可用解析方法求解管截面上的速度分布及流動阻力；而對于湍流，需借助因次分析方法來規(guī)劃試驗，采用實驗研究方法。(3)建立“當(dāng)量”的概念（包括當(dāng)量直徑和當(dāng)量長度）?！爱?dāng)量”要具有和原物量在某方面的等效性，并依賴于經(jīng)驗。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.5阻力損失1.流體流動流體阻力問題的研究方法

數(shù)學(xué)分析法、數(shù)學(xué)模型法、實驗研究法例：圓管內(nèi)層流流動的數(shù)學(xué)描述——數(shù)學(xué)分析法兩類方程：衡算方程—力平衡方程過程特征方程—流體本構(gòu)方程(牛頓粘性定律)方法論：取微分控制體列力平衡方程、特征方程確定邊界條件、全管內(nèi)積分化工原理課件1液體流動1.5阻力損失1.5.1兩種阻力損失1.5.2湍流時直管阻力損失的實驗研究方法1.5.3直管阻力損失的計算式1.5.4局部阻力損失1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.5.1兩種阻力損失一、直管阻力和局部阻力1.流體流動1、直管阻力hf：直管對流動具有的一定阻力，是流體流經(jīng)管徑的直管時，由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力。2、局部阻力hf/:管件（彎頭、三通、閥門等）對流體流動具有的一定阻力，主要是由于流體流經(jīng)管路中的管件及截面的突然擴大或縮小等局部地方所引起的阻力?；ぴ碚n件1液體流動（無外加機械能），二、阻力損失表現(xiàn)為流體勢能的降低

如右圖，在截面1-1和2-2列柏努利方程可得：1.流體流動1.5.1兩種阻力損失（等徑）化工原理課件1液體流動由此式可知，對于通常的管路，無論是直管阻力或是局部阻力，也不論是層流或是湍流，阻力損失均主要表現(xiàn)為流體勢能的降低。三、層流時直管阻力損失1.流體流動1.5.1兩種阻力損失化工原理課件1液體流動討論：1、hf與u成正比1.流體流動1.5.1兩種阻力損失有何工程意義？返回化工原理課件1液體流動1.5.2湍流時直管阻力損失的試驗研究方法一、析因試驗—尋找影響過程的主要因素(靠初步試驗和經(jīng)驗)

1.流體流動二、規(guī)劃試驗——減少試驗工作量，試驗結(jié)果易總結(jié)整理，有物理意義。正交設(shè)計法，因次分析法等。一個完整物理量＝數(shù)值×單位，如，因次分析法將物理量因次（單位）抽出分析（不考慮數(shù)值部分），將影響過程的物理量組合成幾個無因次的數(shù)群（準(zhǔn)數(shù)），數(shù)群的數(shù)目將少于自變量的數(shù)目，試驗工作量減少，但數(shù)群前的系數(shù)及各數(shù)群的指數(shù)因次分析法無法確定。（為什么？因為不考慮物理量的數(shù)值部分），仍要靠試驗確定，這種研究方法就是在緒論課中提到的半經(jīng)驗半理論的研究方法。

化工原理課件1液體流動1.5.2湍流時直管阻力損失的試驗研究方法因次分析法的基本步驟①確定與研究對象相關(guān)的物理量；

②構(gòu)造成一定函數(shù)形式；(如次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等形式)；

③將函數(shù)式表示成相關(guān)物理量的因次式；

④按因次一致性原則建立線性基本因次方程組；

⑤給定多余變量，求解因次方程；⑥列出特征數(shù)群方程。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.5.2湍流時直管阻力損失的試驗研究方法

因次分析的基礎(chǔ)：因次一致性（物理方程兩邊數(shù)值相等，因次相等）例如：層流時的阻力損失

1.流體流動可變?yōu)椋夯ぴ碚n件1液體流動1.5.2湍流時直管阻力損失的試驗研究方法因次分析基本原理：π定理(白金漢Buckingham提出)任何物理方程必可能轉(zhuǎn)化為無因次形式，即以無因次數(shù)群的關(guān)系式代替原物理方程，無因次數(shù)群的個數(shù)等于原方程的變量數(shù)減去基本因次數(shù)，即：N=n-m1、因次分析1.流體流動化工原理課件1液體流動1.5.2湍流時直管阻力損失的試驗研究方法2、變量無因次化⑴選擇基本變量

要求：①個數(shù)=基本因次數(shù)②包含基本因次（M、L、T）③因次相互獨立一般選擇尺寸d，運動u，與質(zhì)量有關(guān)的量ρ或μ(μ比ρ復(fù)雜)作為基本變量。⑵變量無因次化1.流體流動化工原理課件1液體流動1.5.2湍流時直管阻力損失的試驗研究方法1.流體流動化工原理課件1液體流動1.5.2湍流時直管阻力損失的試驗研究方法3、函數(shù)無因次化1.流體流動4、實驗整理化工原理課件1液體流動1.5.2湍流時直管阻力損失的試驗研究方法1.流體流動返回化工原理課件1液體流動1.5.2湍流時直管阻力損失的試驗研究方法5、因次分析方法的優(yōu)缺點

①優(yōu)點是因次分析方法在實驗研究中，不僅能避免實驗工作遍及所有變量與各種規(guī)格的圓形直管及各種流體，而且能正確地規(guī)劃整理實驗結(jié)果；

對于涉及多變量的復(fù)雜工程問題，若采用因次分析方法和其他手段使多變量，變換成為由若干個無因次數(shù)群；通過組合成特征數(shù)，減少變量數(shù)，以致大幅度地減少實驗工作量；通過組合特征數(shù)使之具有普遍的適用性。

②缺點是因次分析方法并不能代替開始的變量數(shù)目的分析。如果一開始就沒有列入重要的物理量，或列入了無關(guān)的物理量，將得不出正確的結(jié)論。

因次分析方法也不能代替實驗，如本例的曲線的具體形狀，只能依靠實驗來確定。1.流體流動化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式一、統(tǒng)一的表達(dá)式

直管阻力損失，無論是層流還是湍流，都與雷諾數(shù)、速度的平方以及絕對粗糙度有關(guān)。因此，我們可以將其寫成以下統(tǒng)一的表達(dá)式：

1.流體流動化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式二、摩擦系數(shù)1.流體流動1、層流當(dāng)時，流體在管內(nèi)作層流流動，由式可得：2、過渡層波動，常作湍流處理（以安全計）化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式1.流體流動3、湍流當(dāng)時，或流體作湍流流動時，摩擦系數(shù)怎么求呢？前人通過大量的實驗，得到了各種各樣的的關(guān)聯(lián)式

4、摩擦因數(shù)圖

前面學(xué)過的摩擦因數(shù)，除了層流時比較簡單外，其余各公式都比較復(fù)雜，用起來比較不方便。在工程計算中為了避免試差，一般是將通過實驗測出的與和的關(guān)系，以為參變量，以為縱坐標(biāo)，以為橫坐標(biāo)，標(biāo)繪在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上。如圖1-32所示，此圖稱為莫狄摩擦因數(shù)圖。

化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式1.流體流動層流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)光滑管阻力平方區(qū)湍流粗糙管區(qū)化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式⑴層流區(qū)

1.流體流動則流體的流動阻力損失與流速的關(guān)系為，與無關(guān)，與成直線關(guān)系，即

⑵過渡區(qū)在此區(qū)內(nèi)，流體的流型可能是層流，也可能是湍流，視外界的條件而定，在管路計算時，為安全起見，對流動阻力的計算一般將湍流時的曲線延伸查取的數(shù)值。

化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式⑶湍流粗糙管區(qū)

1.流體流動化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式⑸

完全湍流區(qū)——阻力平方區(qū)

1.流體流動⑷湍流光滑管區(qū)

化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式三、粗糙度對影響1.流體流動1、層流：粗糙度對無影響2、湍流當(dāng)在層流底層時，則對無影響當(dāng)在湍流邊界層時，則對有影響影響情況：化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式1.流體流動四、實際管的當(dāng)量粗糙度

粗糙度的表示方法絕對粗糙度：是指壁面凸出平均高度相對粗糙度：是指絕對粗糙度與管徑的比值。化工上常用管道的當(dāng)量絕對粗糙度如表1-1所示。

化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式五、非圓形管的當(dāng)量直徑

在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到非圓形截面的管道或設(shè)備。如套管換熱器環(huán)隙，列管換熱器管間，長方形的通分管等。其工程計算并不復(fù)雜，只要將管子的直徑換成當(dāng)量直徑就可以計算出Re等值。對非圓形管的當(dāng)量直徑為：1.流體流動問題：矩形管和套管球隙的當(dāng)量直徑怎么樣求？化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式1、對長a，寬b為的矩形管道

1.流體流動但當(dāng)時，此式誤差比較大。

2、對于外管內(nèi)徑為，內(nèi)管外徑為的套管環(huán)隙abr2r1r1化工原理課件1液體流動1.5.3直管阻力損失的計算式討論：1、當(dāng)量直徑不能用于計算流速u、流量qv、截面面積A1.流體流動2、當(dāng)量直徑的定義是經(jīng)驗性的，并無充分的理論依據(jù)。在求阻力損失中的改成即可求。3、流體在非圓形直管中層流時，其摩擦系數(shù)要進行修正。套管環(huán)隙

正方形截面

返回化工原理課件1液體流動1.5.4局部阻力的損失

流體在管徑流動受到閥門管體阻礙，以及進出突然擴大或縮小等，在局部受到的阻力，稱局部阻力。其計算方法有局部阻力系數(shù)法和當(dāng)量長度法。1.流體流動一、阻力系數(shù)法這種方法是模仿直管阻力的計算公式，而將直管阻力系數(shù)必為局部阻力系數(shù)即可：化工原理課件1液體流動1.5.4局部阻力的損失確定局部阻力系數(shù)1.流體流動查手冊，可參考書表1-2和圖1-35、1-36實驗測得計算化工原理課件1液體流動1.5.4局部阻力的損失1.流體流動討論：1、由小截面突然變成很大截面，圖右1所示，其212、由大截面突然變成很小截面，圖右2所示，其3、選擇外側(cè)面，右圖所示，其4、選擇內(nèi)側(cè)面，右圖所示，其在計算過程中，截面發(fā)生變化時，u則發(fā)生變化，在計算時，我們?nèi)∽畲蟮膗值（小管截面的平均速度u）進行計算?；ぴ碚n件1液體流動1.5.4局部阻力的損失二、當(dāng)量長度法

1.流體流動le稱為管件或閥門的當(dāng)量長度，其單位為m，表示流體流過某一管件或閥門的局部阻力，相當(dāng)于流過一段與其具有相同直徑、長度為le之直管阻力。各種管件閥門的le值可查有關(guān)資料。見和圖1-36管件和閥門的當(dāng)量長度的共線圖。（共線圖的用法）。怎么用呢？

下面來學(xué)習(xí)一下?；ぴ碚n件1液體流動局部阻力損失計算

100mm的閘閥1/2關(guān)

le=

22m100mm的標(biāo)準(zhǔn)三通le=

2.2m100mm的閘閥全開le=

0.75m化工原理課件1液體流動1.5.4局部阻力的損失

注：當(dāng)我們進行設(shè)計計算時，實際應(yīng)用時，長距離輸送是以直管阻力損失為主；車間管路常以局部阻力為主。

三、管路總能量損失管路的總阻力損失的直管阻力損失與局部阻力損失之和。

1.流體流動化工原理課件1液體流動1.5.4局部阻力的損失1、減少阻力損失的方法1.流體流動化工原理課件1液體流動1.5.4局部阻力的損失2、阻力損失的計算例1-3如圖所示，將敞口高位槽中密度861kg/m3、粘度0.643

10-3Pa

s的溶液送入某一設(shè)備B中。設(shè)B中壓力為0.02MPa（表壓），輸送管道為

38

3無縫鋼管，其直管段部分總長為8m，管路上有一個90

標(biāo)準(zhǔn)彎頭、180回彎頭一個，一個球心閥（全開）。為使溶液能以3m3/h的流量流入設(shè)備中，問高位槽應(yīng)高出設(shè)備多少米即z為多少米？1.流體流動化工原理課件1液體流動1.5.4局部阻力的損失解：在1-1和2-2截面列柏努利方程：1.流體流動已知：p1=0(表壓)，u1=0,he=0,z1-z2=z,p2=0.02MPa(表壓),u2可求，下面求u2化工原理課件1液體流動1.5.4局部阻力的損失1.流體流動