化工原理1流体流动课件.ppt

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1、1.5.1流体在直管内的流动阻力一.概述1．流动阻力产生的原因1.5流体在管内的流动阻力c.流动阻力大小与流体本身物性（主要为,）,壁面形状及流动状况等因素有关。a.流体有粘性，流动时产生内摩擦——阻力产生根源b.固体表面促使流动流体内部发生相对运动——阻力产生的条件2．流动阻力分类(J/kg)3．直管中流体摩擦阻力损失的测定由于：——伯努利方程流体摩擦阻力损失为：对于水平等径直管：(一).层（滞）流时的摩擦阻力损失计算二.流体在直管中的流动阻力损失计算Hagen-Poiseuille哈根－泊稷叶方程故摩擦阻力损失将上式改写为：令：上式为圆形直管阻力损失的计算通式,称为范

2、宁公式.层流，湍流均适用(二)滞流时的摩擦阻力损失计算1.管壁粗糙度的影响1)按材料性质和加工情况，将管道分为两类，即水力光滑管:如玻璃管，黄铜管，塑料管等粗糙管:如钢管，铸铁管，水泥管等。其粗糙度可用绝对粗糙度ε和相对粗糙度ε/d表示2)粗糙度ε对λ(摩擦阻力损失)的影响绝对粗糙度ε:壁面凸起部分的平均高度（m）相对粗糙度ε/d:考虑ε对λ的影响程度与d大小有关概念:壁面粗糙度对λ的影响便成为重要的因素。Re值愈大，滞流内层愈薄，这种影响愈显著。ε对λ的影响程度与流型有关滞流:λ=f(Re)，λ与管壁粗糙度无关湍流:（滞流内层的厚度δb）当δb＞ε时λ=f(Re)当δb＜ε

3、时λ=f(Re,ε/d)2.湍流时的摩擦阻力系数（因次分析法）1)问题的提出问题:湍流时影响因素的复杂性,难以通过数学方程式直接求解.优点:借助因次分析方法规则组织试验，以减少试验工作量，并使试验结果整理成便于推广应用的经验关联式。解决方法:须通过实验建立经验关联式——因次分析方法。2)因次分析的基础――因次一致原则和Π定理a.因次一致的原则:凡是根据基本物理规律导出的物理方程中各项的因次必相同。b.白金汉Π定理:任何因次一致的物理方程均可表达成一组无因次数群的零函数.无因次数群的数目N等于影响该现象物理量数目n减去用以表示这些物理量的基本因次数目m，即：N＝n-m3)实验研

4、究的基本步骤若过程比较复杂，仅知道影响某一过程的物理量，而不能列出该过程的微分方程，则常采用雷莱（LordRylegh）指数法，将影响该过程的因素组成为无因次数群。下面以湍流时流动阻力问题为例说明雷莱指数法的用法和步骤。a.析因试验——寻找影响过程的主要因素 对所研究的过程进行初步试验的综合分析，尽可能准确的列出主要影响因素。流体性质：ρ，μ如对湍流阻力所引起的压强降Δp的影响因素有：流动条件：主要为流速u设备几何尺寸：d，l，以函数形式表示为也可用幂函数来表示即量纲（因次）量的名称SI单位量纲SI单位符号长度Lm质量Mkg时间Ts电流IA热力学温度K物质的量Nmol发光强度

5、Jcd物理量的基本量的量纲为其本身。SI量值中，基本单位的符号为L、M、T、I、Θ、N、J。b.因次分析法规划实验——减少实验工作量式中K,a,b,c等均为待定值，各物理量的因次为：把各物理量的因次代入并整理得到根据因次一致原则，两侧各基本量因次的指数应相等，即对于因次M d+e=1对于因次T –c–e=–2对于因次L a+b+c–3d–e+f=–1将b，e，f表示为a，c及d的函数，则可解得：代入得：于是：把指数相同的物理量合并在一起,便得到无因次数群的关系式,即式中：——欧拉准数——雷诺准数根据实验得知：b=1c.实验数据处理与待定数的确定使用时注意经验式的适用范围4)湍

6、流时的λa.湍流时λ的关联式柏拉修斯（Blasius）式：科尔布鲁克（Colebrook）式：哈兰德（haanland）式：以下适用湍流区的光滑管，粗糙管，直到完全湍流区的关联式：b.莫狄（Moody）图4.高度湍流区:由此决定了工程实际中管道流速不可能太高讨论:1.层流区:λ随Re增大而减小,并不意味着此时阻力随流速增大而下降，而只是说明在层流时阻力损失正比于速度的一次方.——一次方定律2.过渡区:3.湍流区:当ε/d一定时,阻力损失与速度的平方成正比——平方定律例:20℃的水，以1m/s的速度在直径为的钢管中流动。求：水通过100m长直管的压强降Δpf及压头损失Hf。解：

7、从教材附录中可查出在20℃时，水的流动为湍流查教材表，取钢管的管壁绝对粗糙度，。查莫狄图，可得λ＝0.03压强降Δpf＝所以压头损失水柱。3.非圆形直管的流动阻力计算一般说来，截面形状对速度分布及流动阻力的大小都会有影响实验表明，对于非圆形截面的通道，可以用一个与圆形管直径d相当的“直径”来代替，称作当量直径，用de表示。当量直径等于4倍水力半径rH。水力半径（1-56）当量直径（1-57）对于直径为d的圆形管子，由水力半径的定义可知特别：对于矩形管:对于正方形管:对于正三角形管:对于套环管:对于圆形管