流體流動(dòng)現(xiàn)象

1、第三節(jié)第三節(jié) 流體流動(dòng)現(xiàn)象流體流動(dòng)現(xiàn)象Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke21-9 1-9 流動(dòng)類(lèi)型和雷諾數(shù)流動(dòng)類(lèi)型和雷諾數(shù) 一、雷諾實(shí)驗(yàn)一、雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)層流（滯流）層流（滯流）湍流（紊流）湍流（紊流） 過(guò)渡流過(guò)渡流 Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke3二、雷諾數(shù)二、雷諾數(shù) duRe 00023/)/()/(ReskgmmsNmkgsmmdu 雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re大量實(shí)驗(yàn)大量實(shí)驗(yàn)流型

2、與流型與u有關(guān)有關(guān)還與還與、以及以及d有關(guān)有關(guān)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)得到一個(gè)數(shù)群得到一個(gè)數(shù)群du/其因次為：其因次為：無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)無(wú)因次準(zhǔn)數(shù) 注意：數(shù)群中各物理量必須采用注意：數(shù)群中各物理量必須采用同一單位制同一單位制 Re=2000 4000 過(guò)渡流過(guò)渡流 Re2000 滯流滯流Re4000 湍流湍流Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke4duuGduu/2 與慣性力與慣性力成正比成正比單位時(shí)間通過(guò)單單位時(shí)間通過(guò)單位管截面的動(dòng)量位管截面的動(dòng)量剪應(yīng)力或剪應(yīng)力或粘性力粘性力 與粘性力與粘性力成正比成正比 u或或Re

3、慣性力占主導(dǎo)地位慣性力占主導(dǎo)地位u或或Re粘性力占主導(dǎo)地位粘性力占主導(dǎo)地位湍動(dòng)程度愈劇烈湍動(dòng)程度愈劇烈 du ReDepartment of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke5zyx1-10 1-10 滯流與湍流的比較滯流與湍流的比較滯流：質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)滯流：質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)湍流：質(zhì)點(diǎn)做不規(guī)則雜亂運(yùn)動(dòng)，湍流：質(zhì)點(diǎn)做不規(guī)則雜亂運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)劇烈地碰撞質(zhì)點(diǎn)劇烈地碰撞u=0dyu+duu質(zhì)點(diǎn)碰撞而產(chǎn)質(zhì)點(diǎn)碰撞而產(chǎn)生附加阻力較生附加阻力較由粘性所產(chǎn)生由粘性所產(chǎn)生的阻力大得多的阻力大得多碰撞將使流碰撞將使流體體流動(dòng)阻力流動(dòng)阻力急劇加大急

4、劇加大 層流層流湍流湍流Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke61-11 1-11 流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布 無(wú)論是滯流或湍流，速度在管道截面上的分布無(wú)論是滯流或湍流，速度在管道截面上的分布1、流體的力平衡：、流體的力平衡：up2p1Frrwl1122受力分析：如圖，穩(wěn)定流動(dòng)受力分析：如圖，穩(wěn)定流動(dòng) rlrprp22221P1=p1A1=p1r2因?yàn)榱黧w在等徑水平管內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)，所以因?yàn)榱黧w在等徑水平管內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)，所以Fx=0，即：，即：外表面上的剪應(yīng)力外表面上的剪應(yīng)力(摩擦

5、力摩擦力)： P2=p2A2=p2r2 rlF2Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke72、層流時(shí)的速度分布：、層流時(shí)的速度分布：層流時(shí)：層流時(shí)： drdurrlrprp22221rlppdrdur221rdrlppdur2)(21積分積分rRurrrRlpprdrlppduur)(42)(2221210221max4Rlppu令令 2max1Rruur221max22max82121RlppuRrdrRruAdAuAVuArs平均速度平均速度 Department of Chemical and

6、 Environmental Engineering CTGU Lai Qingke83、圓管內(nèi)湍流的速度分布、圓管內(nèi)湍流的速度分布由于質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)烈碰撞與混合，湍流時(shí)速度分布至今尚未能夠由于質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)烈碰撞與混合，湍流時(shí)速度分布至今尚未能夠以理論導(dǎo)出，通常將其表示成經(jīng)驗(yàn)公式或圖的形式。以理論導(dǎo)出，通常將其表示成經(jīng)驗(yàn)公式或圖的形式。實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)驗(yàn)測(cè)得 Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke94、湍流時(shí)的滯流內(nèi)層和緩沖層、湍流時(shí)的滯流內(nèi)層和緩沖層滯流內(nèi)層或滯流底層滯流內(nèi)層或滯流底層 緩沖層或過(guò)渡層緩沖層或過(guò)

7、渡層 湍流主體湍流主體Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke101-13 1-13 邊界層概念邊界層概念一、邊界層的形成一、邊界層的形成u0uu0u層流內(nèi)層層流內(nèi)層湍流邊界層湍流邊界層x層流邊界層層流邊界層y邊界層界線邊界層界線u0主流區(qū)主流區(qū)Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke11二、邊界層的發(fā)展二、邊界層的發(fā)展1、流體在平板上的流動(dòng)、流體在平板上的流動(dòng)平板上邊界層厚度的估算：平板上邊界層厚度的估

8、算：層流邊界層：層流邊界層：/x=4.64/Rex0.5 Rex2105湍流邊界層：湍流邊界層：/x=0.376/Rex0.2 Rex=uxx/ 2、流體在圓形直管的進(jìn)口段內(nèi)的流動(dòng)、流體在圓形直管的進(jìn)口段內(nèi)的流動(dòng) 邊界層邊界層 uxo充分發(fā)展的流動(dòng)充分發(fā)展的流動(dòng)層流層流Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke12 邊界層 x0 充分發(fā)展的流動(dòng) 湍流 uxo穩(wěn)定段長(zhǎng)度穩(wěn)定段長(zhǎng)度穩(wěn)定段以后，管內(nèi)各截面上的速度分布和流型保持不變穩(wěn)定段以后，管內(nèi)各截面上的速度分布和流型保持不變測(cè)量?jī)x表在管道上的安裝位置應(yīng)距

9、入口或轉(zhuǎn)彎等處測(cè)量?jī)x表在管道上的安裝位置應(yīng)距入口或轉(zhuǎn)彎等處xo Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke131 1、當(dāng)流速較小時(shí)、當(dāng)流速較小時(shí)三、邊界層的分離三、邊界層的分離流體繞固體表面的流動(dòng)：流體繞固體表面的流動(dòng)： 流體貼著固體壁緩慢流過(guò)，（流體貼著固體壁緩慢流過(guò)，（爬流爬流）Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke14x2 2、流速不斷提高，達(dá)到某一程度時(shí)，、流速不斷提高，達(dá)到某一程度時(shí)，邊界層分離

10、邊界層分離Aumin=0，pmax；停滯點(diǎn)，駐點(diǎn)停滯點(diǎn)，駐點(diǎn)BumaxpminCumin=0，pmax；新停滯點(diǎn)，分離點(diǎn)新停滯點(diǎn)，分離點(diǎn)分離面分離面空白區(qū)，渦流區(qū)空白區(qū)，渦流區(qū)AB加速減壓加速減壓BC減速加壓減速加壓旋渦旋渦 流體質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行著強(qiáng)烈的碰撞與混合而消耗能量，這流體質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行著強(qiáng)烈的碰撞與混合而消耗能量，這部分能量損耗是由于固體表面形狀而造成邊界層分部分能量損耗是由于固體表面形狀而造成邊界層分離而引起的，稱(chēng)為離而引起的，稱(chēng)為形體阻力形體阻力。Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke15 邊界層

11、分離邊界層分離大量旋渦大量旋渦消耗能量消耗能量增大阻力增大阻力 在流體輸送中應(yīng)設(shè)法避免或減輕，措施：調(diào)解流速，選擇在流體輸送中應(yīng)設(shè)法避免或減輕，措施：調(diào)解流速，選擇適宜的流速，改變固體的形體。適宜的流速，改變固體的形體。由于邊界層分離造成的能量損失，稱(chēng)為由于邊界層分離造成的能量損失，稱(chēng)為形體阻力損失形體阻力損失時(shí)，發(fā)生分離1210 xxP如汽車(chē)、飛機(jī)、橋墩都是流線型如汽車(chē)、飛機(jī)、橋墩都是流線型但在傳熱、傳質(zhì)混合中應(yīng)加以利用。但在傳熱、傳質(zhì)混合中應(yīng)加以利用。Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke16

12、 流體具有流體具有粘性粘性，流動(dòng)時(shí)存在著，流動(dòng)時(shí)存在著內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦，它是流動(dòng)阻力產(chǎn)生的它是流動(dòng)阻力產(chǎn)生的根源根源；固定的；固定的管壁管壁或其他形狀或其他形狀固體壁固體壁面面促使流動(dòng)的流體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為流動(dòng)阻力的產(chǎn)生促使流動(dòng)的流體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為流動(dòng)阻力的產(chǎn)生提供提供了了條件條件。流動(dòng)阻力的大小與流體本身的物理性質(zhì)，流。流動(dòng)阻力的大小與流體本身的物理性質(zhì)，流動(dòng)狀況及壁面的形狀等因素有關(guān)。動(dòng)狀況及壁面的形狀等因素有關(guān)。流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因與影響因素流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因與影響因素可以歸納為：可以歸納為：流體在管路中流動(dòng)時(shí)的阻力有兩種：流體在管路中流動(dòng)時(shí)的阻力有兩種： 2、局部阻力局部阻力粘性流

13、體繞過(guò)固體表面的阻力為摩粘性流體繞過(guò)固體表面的阻力為摩擦阻力與形體阻力之和。流體流徑管路中的管件、閥門(mén)及擦阻力與形體阻力之和。流體流徑管路中的管件、閥門(mén)及管截面的突然擴(kuò)大或縮小等局部地方所產(chǎn)生的阻力。管截面的突然擴(kuò)大或縮小等局部地方所產(chǎn)生的阻力。 1、直管阻力直管阻力流體流徑一定管徑的直管時(shí)，因流流體流徑一定管徑的直管時(shí)，因流體內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力。體內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力。表皮阻力表皮阻力或或摩擦阻力摩擦阻力。Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke17第四節(jié)第四節(jié) 管內(nèi)流動(dòng)的阻力損失管內(nèi)流動(dòng)的阻力損失

14、定量定量Wf 直管造成的機(jī)械能損失稱(chēng)為直管造成的機(jī)械能損失稱(chēng)為直管阻力損失直管阻力損失管件造成的機(jī)械能損失稱(chēng)為管件造成的機(jī)械能損失稱(chēng)為局部阻力損失局部阻力損失 Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke181-14 1-14 計(jì)算直管摩擦損失的通式計(jì)算直管摩擦損失的通式一、計(jì)算圓形直管阻力的通式一、計(jì)算圓形直管阻力的通式、力平衡（以前導(dǎo)得）、力平衡（以前導(dǎo)得）不可壓縮流體，不可壓縮流體，Z1=Z2，u1=u2=u，由柏氏方程，由柏氏方程 ：、推導(dǎo)、推導(dǎo)fWpp21wfdlW4 將將(1)式代入式代入(

15、2)式得：式得：wdlpp421(1)fWpp/ )(21令令 fffghWppp21(2)up2p1Frrwl1122Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke19wfdlW4不能直接計(jì)算不能直接計(jì)算 在在、d、l相同情況下，相同情況下，uWf 由于動(dòng)能由于動(dòng)能u2/2與與Wf的單位相同，均為的單位相同，均為J/，經(jīng)常把，經(jīng)常把Wf表示為動(dòng)能表示為動(dòng)能u2/2的若的若干倍數(shù)的關(guān)系。干倍數(shù)的關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)由實(shí)驗(yàn)流體只有在流動(dòng)時(shí)才產(chǎn)生阻力流體只有在流動(dòng)時(shí)才產(chǎn)生阻力流動(dòng)阻力與流速有關(guān)。流動(dòng)阻力與流速有關(guān)。2

16、2422uudlWwf2822udluw令令 2/8uw22udlWf范寧公式范寧公式 對(duì)滯流和湍流均適用對(duì)滯流和湍流均適用 gudlgWhff2222udlWpff摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) 適用于適用于不變，不變，d不變得穩(wěn)定流動(dòng)。不變得穩(wěn)定流動(dòng)。若管徑若管徑d變化，變化，則直管阻力要分則直管阻力要分段計(jì)算。段計(jì)算。 Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke20可看出，能量損失是動(dòng)能的倍數(shù)，或壓頭損失是速度頭的倍數(shù)?？煽闯?，能量損失是動(dòng)能的倍數(shù)，或壓頭損失是速度頭的倍數(shù)。2/8uw w因流型而異，因流型而

17、異，值也隨流型而變，滯流和湍流的值也隨流型而變，滯流和湍流的要分要分別討論。別討論。找出找出值值要計(jì)算要計(jì)算Wf22udlWf此外，管壁粗燥度對(duì)此外，管壁粗燥度對(duì)的影響也與流型有關(guān)的影響也與流型有關(guān) Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke21二、管壁粗糙度對(duì)二、管壁粗糙度對(duì)的影響的影響光滑管：玻璃管、黃銅管和塑料管；光滑管：玻璃管、黃銅管和塑料管；當(dāng)當(dāng)b b ，粗，粗糙糙度對(duì)度對(duì)影響與滯流相近影響與滯流相近; ;粗糙管：鋼管和鑄鐵管等。粗糙管：鋼管和鑄鐵管等。絕對(duì)粗糙度絕對(duì)粗糙度 ：壁面凸出部分的

18、平均高度。：壁面凸出部分的平均高度。某些工業(yè)管道的絕對(duì)粗糙度某些工業(yè)管道的絕對(duì)粗糙度 如如 新的鑄鐵管新的鑄鐵管 0.3mm 舊的鑄鐵管舊的鑄鐵管 0.85mm 相對(duì)粗糙度相對(duì)粗糙度：絕對(duì)粗糙度與管徑的比值：絕對(duì)粗糙度與管徑的比值 /d b-滯流內(nèi)層厚度滯流內(nèi)層厚度粗糙度對(duì)粗糙度對(duì)的影響的影響滯流滯流: 粗糙度對(duì)粗糙度對(duì)無(wú)影響無(wú)影響如圖如圖湍流：湍流：當(dāng)當(dāng)b ，粗糙度對(duì)，粗糙度對(duì)的影響顯著。的影響顯著。Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke221-15 層流時(shí)的摩擦損失 221221328dlpp

19、Rlppu2/32dlupf2/32dluhf泊謖葉方程泊謖葉方程Re64du64g2udlh2f范寧公式范寧公式 與與w無(wú)關(guān)無(wú)關(guān) 與與Re成反比成反比 Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke231-16 湍流時(shí)的直管阻力損失 及因次分析法22udlWf要計(jì)算要計(jì)算Wf 關(guān)鍵關(guān)鍵是找出是找出值值湍流湍流 dydu)(渦流粘度渦流粘度 情況復(fù)雜得多，尚未能得情況復(fù)雜得多，尚未能得出出的的理論計(jì)算式理論計(jì)算式 通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 因次分析法因次分析法pf = f(d、l、u、

20、) 湍流阻力湍流阻力pf與與d、 l、u、有關(guān)有關(guān)，直管湍直管湍流的摩擦阻力寫(xiě)成一般不定函數(shù)形式：流的摩擦阻力寫(xiě)成一般不定函數(shù)形式： 大量實(shí)驗(yàn)大量實(shí)驗(yàn)用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)求以上關(guān)系，十分困難用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)求以上關(guān)系，十分困難 因次分析法因次分析法 Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke24pf = f(d、l、u、) 將幾個(gè)變量組合成一個(gè)無(wú)因次數(shù)群（將幾個(gè)變量組合成一個(gè)無(wú)因次數(shù)群（Re），它提供了），它提供了減小變量數(shù)的有效手段減小變量數(shù)的有效手段 因次分析法因次分析法: 用無(wú)因次數(shù)群代替?zhèn)€別變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)用

21、無(wú)因次數(shù)群代替?zhèn)€別變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)次數(shù)就可大大減少，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的工作就會(huì)有所簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)次數(shù)就可大大減少，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的工作就會(huì)有所簡(jiǎn)化 因次一致性原則因次一致性原則：凡是根據(jù)基本物理規(guī)律導(dǎo)出的物理方程，：凡是根據(jù)基本物理規(guī)律導(dǎo)出的物理方程，其中各項(xiàng)的因次必然相同。其中各項(xiàng)的因次必然相同。白金漢白金漢定理定理：設(shè)影響該現(xiàn)象的物理量為：設(shè)影響該現(xiàn)象的物理量為n個(gè)，這些物理量的個(gè)，這些物理量的基本因次為基本因次為m個(gè)，則該物理現(xiàn)象可用個(gè)，則該物理現(xiàn)象可用i=n-m個(gè)獨(dú)立的無(wú)因次個(gè)獨(dú)立的無(wú)因次數(shù)群關(guān)系式表示，此即數(shù)群關(guān)系式表示，此即定理。定理。因次分析法的基本原理因次分析法的基本原理Department o

22、f Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke25pf=Kdalbcduefa、b、c、d、e、f為待定值為待定值雷萊指數(shù)法雷萊指數(shù)法 冪函數(shù)冪函數(shù) pf = f(d、l、u、) 基本因次基本因次： 長(zhǎng)度長(zhǎng)度 L 質(zhì)量質(zhì)量 M 時(shí)間時(shí)間 溫度溫度 T式中各物理量的因次為：式中各物理量的因次為：pf = M-2 L-1u=L-1=Ld=L=ML-3l=L=M-1L-1M-2 L-1= LaLb（L-1）c（ML-3）d（M-1L-1）eLf M-2 L-1= Md+eLa+b+c-3d-e+f-c-e 因次一致性原則因次一致性原則

23、 對(duì)于對(duì)于L對(duì)于對(duì)于M對(duì)于對(duì)于 d+e=1a+b+c-3d-e+f=-1-c-e =-2a=-b-e-fc=2-ed=1-eDepartment of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke26pf=Kdalbcduefa=-b-e-f、c=2-e、d=1-epf=Kd-d-e-f lbu2-e1-eef feb2fddudlkupfebfddudlkuh2式中的待定參數(shù)式中的待定參數(shù)K、b、e、f由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定 由由pflb=1duRe 又又 fe2fdRedlkup2upf歐拉數(shù)群歐拉數(shù)群Eu l/d、/d均為

24、簡(jiǎn)單的無(wú)因次比值均為簡(jiǎn)單的無(wú)因次比值 Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke271-17 湍流時(shí)摩擦阻力系數(shù)2udlp2ffe2fdRedlkup)d/(Re,f常見(jiàn)的幾種解析式有：常見(jiàn)的幾種解析式有：光滑管，光滑管，Re=31031105，=0.3164/Re0.25(Blasius公式公式)粗糙管，粗糙管，Re4000， Re35. 9delog214. 11柯?tīng)柌剪斂斯娇聽(tīng)柌剪斂斯?Moody圖圖 Department of Chemical and Environmental Engi

25、neering CTGU Lai Qingke28 1082 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8103104105106107雷諾數(shù)duRe 0.09 0.10 0.08 0.07 0.060.050.04 0.030.0250.02 0.015 0.01 0.0090.008 0.050.040.030.0150.0080.0060.004d0.0020.00060.00040.00020.00010.000050.000010.0000050.0000010.001 0.00080.01 0.02Re64層流層流區(qū)區(qū)過(guò)渡過(guò)渡區(qū)區(qū)湍流區(qū)湍流區(qū)光滑管光滑

26、管dRe,d完全湍流區(qū)完全湍流區(qū)阻力平方區(qū)阻力平方區(qū)思考思考：由圖可見(jiàn)，：由圖可見(jiàn)，Re， ，這與阻力損失隨，這與阻力損失隨 Re增大而增大是否矛盾？增大而增大是否矛盾？g2udlh2fMoody圖圖 例如：例如：Re=40000，/ /d d=0.02=0.02，= =？Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke29例例1-12 p44已知：已知：t=10，水平鋼管，水平鋼管，l=300m，Vm=500l/min，hf=6m。求。求d=?g2udlh2f分析：分析：=300mVm=500l/min2sd4Vu=6mdeRe,fduRe ？t=10水的物性水的物性如何求解？如何求解？試差法試差法 ？鋼管鋼管Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU