流體阻力課件

1.4流體流動現(xiàn)象1.4.1流體流動類型與雷諾準數(shù)1.雷諾實驗（Reynold’stest）滯流或?qū)恿魍牧骰蛭闪?.4流體流動現(xiàn)象1.4.1流體流動類型與雷諾準數(shù)111.4流體流動現(xiàn)象雷諾數(shù)（Reynold’snumber）Re的物理意義：流體流動中慣性力與黏滯力的比。是流體湍動程度的大小的體現(xiàn)。若慣性力較大時，Re數(shù)較大；當黏滯力較大時，Re數(shù)較小。對于非圓形管，內(nèi)徑d用當量直徑de來代替：de=4×水利學半徑1.4流體流動現(xiàn)象雷諾數(shù)（Reynold’snumber2圓形管正方形管長方形管圓形套管：設(shè)大環(huán)套內(nèi)徑為D，小管外徑為d，則：圓形管正方形管長方形管圓形套管：設(shè)大環(huán)套內(nèi)徑為D，小管外徑為31.4流體流動現(xiàn)象2.流動形態(tài)的判據(jù)----Reynold’snumber雷諾數(shù)反映了流體流動的湍動程度，可以判斷流體的流動型態(tài)。當Re≤2000，為滯流（層流）laminarflowRe≥4000，為湍流（紊流）turbulentflowRe≥10000時，為穩(wěn)定的湍流。

2000＜Re＜4000，為過度流(transitionalflow)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。1.4流體流動現(xiàn)象2.流動形態(tài)的判據(jù)----Reyn41.4流體流動現(xiàn)象1.4.2

滯流與湍流的比較①流體質(zhì)點運動的方式----基本特征管內(nèi)滯流時，流體質(zhì)點沿管軸作有規(guī)則的平行運動，各質(zhì)點互不碰撞，互不干擾。流體可以看作無數(shù)同心圓筒薄層一層套一層作同向平行運動。管內(nèi)湍流時，流體質(zhì)點作不規(guī)則的雜亂運動，相互碰撞，產(chǎn)生大大小小的漩渦。碰撞阻力＞＞黏性阻力管內(nèi)湍流時，流體質(zhì)點在沿管軸流動的同時還伴著隨機的徑向脈動，任一點處的速度大小和方向都隨時變化。微觀上為不穩(wěn)地流動，但宏觀上可以當做穩(wěn)定流動處理。1.4流體流動現(xiàn)象1.4.2滯流與湍流的比較①流體質(zhì)點51.4流體流動現(xiàn)象速度和壓力圍繞“平均值”——時均速度波動，該值不隨時間改變1.4流體流動現(xiàn)象速度和壓力圍繞“平均值”——時均速度波動61.4流體流動現(xiàn)象湍流流動是一個時均流動上疊加了一個隨機的脈動量。

湍流的特征是出現(xiàn)速度的脈動。質(zhì)點的徑向脈動是湍流的最基本特點，層流時只有軸向速度而徑向速度為零，湍流時則出現(xiàn)了徑向脈動速度ui′。1.4流體流動現(xiàn)象湍流流動是一個時均流動上疊加了一個隨機的71.4流體流動現(xiàn)象②阻力的來源滯流的流動阻力來自流體本身所具有的粘性而引起的內(nèi)摩擦；湍流時流體質(zhì)點彼此碰撞混合，產(chǎn)生大量的旋渦，產(chǎn)生的附加阻力比粘性產(chǎn)生的阻力大得多。1.4流體流動現(xiàn)象②阻力的來源滯流的流動阻力來自流體本身81.4流體流動現(xiàn)象③流體在圓管內(nèi)的速度分布r=R，ur=0；r=0，ur=umax

。

1.4流體流動現(xiàn)象③流體在圓管內(nèi)的速度分布r=R，ur=91.4流體流動現(xiàn)象滯流時，流體的流速沿管子斷面呈拋物線分布滯流時的平均流速

um=0.5umax1.4流體流動現(xiàn)象滯流時，流體的流速沿管子斷面呈拋物線分布101.4流體流動現(xiàn)象湍流時的流速分布狀況與拋物線相近，但頂端稍平坦，湍流程度越高，越平坦，靠近管壁處的滯流底層越薄。湍流的速度分布至今尚未能夠以理論導出，通常將其表示成經(jīng)驗公式或圖的形式。

湍流時的平均流速um=0.8umax1.4流體流動現(xiàn)象湍流時的流速分布狀況與拋物線相近，但頂端111.4流體流動現(xiàn)象1.4流體流動現(xiàn)象121.4流體流動現(xiàn)象

④

從流動形態(tài)的分布上：滯流時整個流動層都是滯流層1.4流體流動現(xiàn)象④從流動形態(tài)的分布上：滯流時整131.4流體流動現(xiàn)象1.4.3流體流動的邊界層（boundarylayer）邊界層----在壁面附近存在的較大的速度梯度的流體層。

邊界層的形成邊界層產(chǎn)生的原因：流體的粘性。工程規(guī)定邊界層外緣的流速：u=0.99u01.4流體流動現(xiàn)象1.4.3流體流動的邊界層（boun141.4流體流動現(xiàn)象

邊界層的發(fā)展1）流體在平板上的流動x↑→δ↑，邊界層有一個發(fā)展過程；最終流型可能是滯流，也可能發(fā)展為湍流。1.4流體流動現(xiàn)象邊界層的發(fā)展1）流體在平板上的流動x↑15①平板上流動的流體邊界層層流邊界層厚度：湍流邊界層厚度：邊界層內(nèi)的流動為滯流；邊界層內(nèi)的流動為湍流；

在平板前緣處，x=0，則δ=0。隨著流動路程的增長，邊界層逐漸增厚；隨著流體的粘度減小，邊界層逐漸減薄。①平板上流動的流體邊界層層流邊界層厚度：湍流邊界層厚度：邊界161.4流體流動現(xiàn)象②圓形直管內(nèi)進口段的邊界層——對稱發(fā)展邊界層厚度δ：當x=0時，δ=0當x=x0時，δ=R穩(wěn)定段長度：x0/d=0.0575Re進口段1.4流體流動現(xiàn)象②圓形直管內(nèi)進口段的邊界層——對稱發(fā)展邊17管內(nèi)流動的邊界層也可以從滯流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，于x0處在管中心線上匯合。x0≈(40-100)d;δ=R安裝儀表！管內(nèi)流動的邊界層也可以從滯流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，于x0處在管中心線上18邊界層分離：形體阻力：固體表面形狀造成邊界層分離而引起能量損耗邊界層分離：形體阻力：固體表面形狀造成邊界層分離而引起能量損19流體在管徑突然擴大或縮小，或流經(jīng)直角、彎管、球體等情況時，會發(fā)生倒流，引起流體與固體壁面發(fā)生分離現(xiàn)象，并產(chǎn)生大量的旋渦，結(jié)果造成流體能量的損失。流體在管徑突然擴大或縮小，或流經(jīng)直角、彎管、球體等情況時，會201.4流體流動現(xiàn)象研究邊界層的意義：在邊界層內(nèi)，∵du/dy較大，∴內(nèi)摩擦阻力也較大；主流區(qū)內(nèi)，du/dy≈0，內(nèi)摩擦阻力也≈0，∴主流區(qū)的流體可視為理想流體?！嗾承缘挠绊懴拗圃谶吔鐚觾?nèi)，并且傳熱和傳質(zhì)的阻力也限制在邊界層內(nèi)，使實際流體的流動問題大大簡化了1.4流體流動現(xiàn)象研究邊界層的意義：在邊界層內(nèi)，∵du/d211.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf流動阻力產(chǎn)生的根源：流體的黏性+固體表面特性流動阻力產(chǎn)生的條件：固體壁面促使流體內(nèi)部發(fā)生相對運動流動阻力的影響因素：流體本身的物理性質(zhì)流動狀況流道形狀及尺寸1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf流動阻力產(chǎn)生的根源：流體22直管阻力損失hf：流體沿直管流動時，因內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力損失。

1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf局部阻力損失hf′：流體在通過閥門、管件的進出口時由于局部的障礙，使得流速↑或↓，或方向發(fā)生改變而造成的能量損失。形體阻力+相應(yīng)的摩擦阻力∴∑hf=hf

+hf

′∑hf----單位質(zhì)量流體流動時的能量損失,J/kg∑hf

/g

----單位重量流體流動時的能量損失,mρ∑hf

=ΔPf

----單位體積流體流動時的能量損失,Pa直管阻力損失hf：流體沿直管流動時，因內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力231.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf1.5.1流體在直管中流動的阻力hf1.圓形直管內(nèi)的阻力-----范寧公式(Fanningformula)

λ----摩擦阻力系數(shù)(frictionfactor)流體阻力會引起壓強的降低，若用壓強降表示，則：1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf1.5.1流體在直管241.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf摩擦阻力系數(shù)λ（frictionfactor）管壁粗糙程度對λ的影響絕對粗糙度ε----壁面凸出部分的平均高度相對粗糙度=ε/d1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf摩擦阻力系數(shù)λ（fric251.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf流體滯流時，壁面凸凹不平的地方被流體層遮蓋，流體質(zhì)點對管壁凸出部分不產(chǎn)生碰撞?！唳伺c管壁粗糙度無關(guān)。1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf流體滯流時，壁面凸凹不平261.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf如果湍流時，滯流內(nèi)層厚度δb＞ε，則管壁粗糙度對λ的影響也與滯流相似若湍流的滯流內(nèi)層厚度δb＜ε，則管壁粗糙度對λ的影響成為重要因素。Re越大，影響越顯著。1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf如果湍流時，滯流內(nèi)層厚度271.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hfRe≤2000，為滯流，λ只與Re有關(guān)，與管壁粗糙程度無關(guān)。Re≥4000或10000，為湍流或穩(wěn)定的湍流，此時λ不僅與Re有關(guān)，還與管壁粗糙程度有關(guān)。此時λ可由經(jīng)驗公式求算或查表。1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hfRe≤2000，為滯流，28流體阻力課件291.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf湍流時，不同的管材的λ的幾種經(jīng)驗公式:光滑管為例柏拉修斯公式：Re=3×103~1×105顧毓珍公式：Re=3×103~3×1061.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf湍流時，不同的管材的λ的301.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf1.5.2局部阻力hf′局部阻力系數(shù)法

----用動壓頭的倍數(shù)表示損失的能量ζ----局部阻力系數(shù)（localresistancefactor）由實驗測得。

若用壓強降來表示,則：1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf1.5.2局部阻力h311.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf局部阻力系數(shù)----ζ管路突然放大或突然縮小，ζ值由小管與大管的截面積之比A1/A2查得，且流速取小管的流速。1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf局部阻力系數(shù)----ζ321.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf

管件與閥門的ζ從手冊中查

進口時,ζc=0.5，若為光滑管則ζ減半

出口時,ζe=1∴總的阻力為：1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf管件與閥門的ζ從手冊中331.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf②當量長度法（equivalentlength）將各種局部阻力損失折合成相當長度的直管的阻力損失，與此相當?shù)闹惫荛L度稱為當量長度。用le表示，其值由實驗測定∴總的阻力為：1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf②當量長度法（equ34流體阻力課件35流體阻力課件36流體阻力課件37流體阻力課件381.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf阻力通式：1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf阻力通式：391.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf例:用泵把20℃苯從地下貯罐送到高位槽,流量300L/min,高位槽液面比貯罐液面高10m,上方均為大氣壓.泵的吸入管為φ89mm×4mm的無縫鋼管,長15m,管路上裝有一全開的底閥,一個標準彎頭,泵排出管為φ57mm×3.5mm無縫鋼管,長50m,一個全開的閘閥,一個全開的截止閥和3個標準彎頭,假設(shè)貯罐送和高位槽的液面維持恒定,求泵的軸功率,設(shè)泵的效率為70%.1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf例:用泵把20℃40解:取貯罐液面為1-1’,高位槽液面為2-2’,并以

1-1’截面為基準面.在兩截面之間列柏努利方程Z1g

+u12/2+p1/ρ+We=Z2g

+u22/2+p2/ρ+∑hf

其中,Z1=0,Z2

=10,p1=p2∵貯罐送和高位槽的液面維持恒定∴u1

≈0,u2≈0柏努利方程可簡化為:We=10g+∑hf

=98.1+∑hf

解:取貯罐液面為1-1’,高位槽液面為2-2’,并以41(1)吸入管路的能量損失∑hf

,a∑hf

,a=

hf

,a+h’f

,ada=89-2×4=81mm=0.081m,la=15m查表得:底閥的當量長度6.3m標準彎頭的當量長度2.7m進口局部阻力系數(shù)ζc=0.5(1)吸入管路的能量損失∑hf,a∑hf,a=hf42∴∑hf

,a=

hf

,a+h’f

,a∴∑hf,a=hf,a+h’f,a43查

20℃苯的物性參數(shù)為ρ=880kg/m3,μ=6.5×10–4Pa.s查

ε=0.3mm→ε/d=0.3/81=0.0037,

查得λ=0.029查20℃苯的物性參數(shù)為ρ=880kg/m3,μ=6.544∴∑hf

,a=

hf

,a+h’f

,a(2)排出管路的能量損失∑hf

,b∑hf,b=

hf,b+h’f,b∴∑hf,a=hf,a+h’f,a(2)排出管路45db=57-2×3.5=50mm=0.05m,lb=50m查表得:全開閘閥的當量長度0.33m3個標準彎頭的當量長度3×1.6=4.8m全開止截閥的當量長度17m出口局部阻力系數(shù)ζe=1db=57-2×3.5=50mm=0.05m,lb=5046ε/d=0.3/50=0.006,查得λ=0.0313∴∑hf,b=

hf,b+h’f,b∴管路的能量損失∑hf

=∑hf

,a+∑hf

,b=4.28+150=154.28J/kgWe=10g+∑hf

=98.1+∑hf

=98.1+154.28≈252.4J/kgε/d=0.3/50=0.006,查得λ=0.0313∴∑h47Ne=We

Ws=Vs

ρWe

=252.4×880×300/1000/60≈1.11kW軸功率N=Ne/η=1.11/0.7=1.591kWNe=WeWs=VsρWe=252.4×880×48小結(jié)

----連續(xù)性方程：u1d12=u2d22

流體靜力學②防漏----流體靜力學方程式:P=Pa+ρgh----應(yīng)用：①泄壓

流體流動規(guī)律

----柏努利方程的應(yīng)用小結(jié)

----連續(xù)性方程：u1d12=u2d22流體靜49應(yīng)用柏努利方程的解題思路z1+u12/2g+p1/ρg+He=

z2

+u22/2g+p2/ρg+Hf（m）

ρ的求法①根據(jù)比重求：[S]T277=ρ/ρ水=ρ/1000②氣體的密度③液體的密度應(yīng)用柏努利方程的解題思路z1+u12/2g+p1/ρg+50

流速u的求法③根據(jù)連續(xù)性方程：①當1-1’截面很大時，u

1≈0②根據(jù)體積流量求：Vs

=u

?A

=u

?πd2/4u1d12=u2d22

壓強的求法①根據(jù)流體靜力學方程式p=pa+ρgh②根據(jù)U型壓差計△p=p2-p1=(ρi-ρ)gR流速u的求法③根據(jù)連續(xù)性方程：①當1-1’截面很大時51

阻力∑hf的求法①當u=0時，∑Hf=0

λ：當Re≤2000，圓管內(nèi)，λ=64/Re當Re≥4000，（1）查Re-ε/d-λ關(guān)聯(lián)圖（2）對于光滑管，②當u≠0時，∑Hf=阻力∑hf的求法①當u=0時，∑Hf=0λ：當Re≤52求功率軸功率：Na=Ne/η

有效功率：Ne=Q·He·ρ·g=ws·He·g求功率軸功率：Na=Ne/η有效功率：Ne=Q·He·ρ·53例題1、某油脂化工廠用φ108×4mm的鋼管，每小時輸送19噸油料，油料的密度為900kg/m3，粘度為72厘泊，已知管子總長為160公里，管子允許的最大壓強為60kgf/cm2(表壓)，管子水平安裝，局部阻力忽略不計，試定量地判斷輸送的途中是否需要增加加壓站？需要加幾個？例題1、某油脂化工廠用φ108×4mm的鋼管，每小時輸送1954λ解：由于在油料輸送的過程中，存在摩擦阻力，壓強會逐漸↓∴需要添加加壓站加壓站的數(shù)量N=△P/P△P→→hf→→→→→→Reλ解：由于在油料輸送的過程中，存在摩擦∴需要添加加壓站55d=108-4×2=100mm=0.1mws=19t/h=19000/3600=190/36kg/sμ=72cp=0.072Pa·su=ws/(ρA)=190/(900×36×π/4×0.12)=0.747(m/s)∴Re=duρ/μ=0.1×0.747×900/0.072=934＜2000∴λ=64/Re=64/934=0.069=0.069×160000/0.1×900×0.7472/2=2.75×107(Pa)N=△P/P=2.75×107/(60×9.81×104)=4.68≈5(個)d=108-4×2=100mm=0.1mws=19t/h=1562、從水塔接φ57×3.5mm的無縫鋼管到一冷卻器，管子的粗糙度為e=0.2mm，管長為83m（包括系統(tǒng)的當量長度），冷卻器壓力為0.5atm（表壓），水塔水面較冷卻器入口高15m，水溫20℃，其粘度為1cp，求此管道最大的輸水量。2、從水塔接φ57×3.5mm的無縫鋼管到一57流體阻力課件58解：選擇水塔水面為1-1’截面，冷卻器水面為2-2’

截面，基準面為2-2’截面。在兩截面之間列柏努利方程z1+u12/2g+p1/ρg=

z2

+u22/2g+p2/ρg+∑Hf因兩截面都比較大，∴u1=u2

=0水塔的p1=0（表壓）20℃水的密度ρ=998.2kg/m3z2=0，z1=15冷卻器的p2=0.5atm=0.5×101325=5.07×104(Pa)解：選擇水塔水面為1-1’截面，冷卻器水面為2-2’z1+59

∴15=5.07×104/(9.81×998.2)+∑Hf=5.18+∑Hf∴∑Hf=9.82(m)=(83λ/0.05)u2/2g=830λu2/g=9.82ε=e/d=0.2/50=0.004采用試差法：假設(shè)水的流速u=2.5m/s，Re=duρ/μ=0.05×2.5×998.2/0.001=1.25×105查表λ約0.027，代入損失壓頭式得：u=2.07m/s∴15=5.07×104/(9.81×998.260說明還有一點誤差,設(shè)u=2.0m/sRe=duρ/μ=0.05×2.0×998.2/0.001=1.0×105查表λ約0.028，u=2.04m/s,合適∴管道中的流量Vs=u

?A

=u

?πd2/4

=2.04×0.052π/4=0.004m3/s=14.4m3/h代入損失壓頭式得：說明還有一點誤差,設(shè)u=2.0m/sRe=duρ/μ=0.0617、某糖廠的輸水系統(tǒng)，水箱液面距離出口管5米，出口處管徑為φ44×2mm，輸水管段部分總阻力為∑hf=3.2u2/2g，u

為出口流速，試求水的體積流量。欲使水的體積流量增加20%，應(yīng)將水箱水面升高多少米？7、某糖廠的輸水系統(tǒng)，水箱液面距離出口62解：選擇貯槽水面為1-1’截面，離心泵吸入口處為2-2’

截面，基準面為1-1’截面。在兩截面之間列柏努利方程z1g

+u12/2+p1/ρ+We=

z2

g

+u22/2

+p2/ρ+∑hfz1=0，u1=0，p1=0，We=0∴0=1.5×9.81+u22/2

+(-24.66×103)/1000+2u22

u2

=2m/s解：選擇貯槽水面為1-1’截面，離心泵吸入口處為2-2’z163再以貯槽水面為1-1’截面，排出管口處為3-3’截面，基準面為1-1’截面。在兩截面之間列柏努利方程z1g

+u12/2+p1/ρ+We=

z3

g

+u32/2

+p3/ρ+∑hfz1=0，u1=0，p1=0，u3=u2∴0+We=14×9.81+22/2

+(98.07×103)/1000+12×22We=285.3J/kgNe=WeWs=Weuρπd2/4=285.3×2×1000×3.14×0.0712/4=2.28kW再以貯槽水面為1-1’截面，排出管口處為3-3’截面，基準64解：選擇貯槽水面為1-1’截面，測壓點處為2-2’

截面，基準面為2-2’截面。在兩截面之間列柏努利方程部分開啟時:z1g

+u12/2+p1/ρ+We=

z2

g

+u22/2

+p2/ρ+∑hfz2=0，u1=0，p1=0，We=0解：選擇貯槽水面為1-1’截面，測壓點處為2-2’部分開啟時65z1g=

u22/2

+p2/ρ+∑hf=

u22/2

+p2/ρ+2.215u22p2+hgρW=RgρHg∴p2=RgρHg-hgρW閥門關(guān)閉時,P2’=RgρHg-hgρW

=0.6×9.81×13600-1.5×9.81×1000z1=p2’/ρg=(0.6×9.81×13600-1.5×9.81×1000)/(1000×9.81)=6.66mz1g=

u22/2

+p2/ρ+2.215u22u2=3.13m/sVs=u2πd2/4=88.5m3/h部分開啟時,p2=RgρHg-hgρW

=0.4×9.81×13600-1.4×9.81×1000=4040×9.81z1g=u22/2+p2/ρ+∑hf=u2266貯槽水面為1-1’截面，出口處為3-3’截面，基準面為3-3’截面。在兩截面之間列柏努利方程z1g

+u12/2+p1/ρ+We=

z3

g

+u32/2

+p3/ρ+∑hfz3=0，u1=0，u3=u,p1=p3=0，We=0z1g=

u32/2

+

∑hf貯槽水面為1-1’截面，出口處為3-3’截面，基準面為3-367z1g=

u32/2

+

∑hf6.66×9.81=5.31u2→→u2=12.3再以貯槽水面為1-1’截面，測壓點處為2-2’截面z1g=

u22/2

+p2/ρ+∑hfu2=

u3=u,We=06.66×9.81=6.15

+p2/ρ+2.215×12.3

p2=3.3×104paz1g=u32/2+∑hf6.66×9.81=5681.4流體流動現(xiàn)象1.4.1流體流動類型與雷諾準數(shù)1.雷諾實驗（Reynold’stest）滯流或?qū)恿魍牧骰蛭闪?.4流體流動現(xiàn)象1.4.1流體流動類型與雷諾準數(shù)1691.4流體流動現(xiàn)象雷諾數(shù)（Reynold’snumber）Re的物理意義：流體流動中慣性力與黏滯力的比。是流體湍動程度的大小的體現(xiàn)。若慣性力較大時，Re數(shù)較大；當黏滯力較大時，Re數(shù)較小。對于非圓形管，內(nèi)徑d用當量直徑de來代替：de=4×水利學半徑1.4流體流動現(xiàn)象雷諾數(shù)（Reynold’snumber70圓形管正方形管長方形管圓形套管：設(shè)大環(huán)套內(nèi)徑為D，小管外徑為d，則：圓形管正方形管長方形管圓形套管：設(shè)大環(huán)套內(nèi)徑為D，小管外徑為711.4流體流動現(xiàn)象2.流動形態(tài)的判據(jù)----Reynold’snumber雷諾數(shù)反映了流體流動的湍動程度，可以判斷流體的流動型態(tài)。當Re≤2000，為滯流（層流）laminarflowRe≥4000，為湍流（紊流）turbulentflowRe≥10000時，為穩(wěn)定的湍流。

2000＜Re＜4000，為過度流(transitionalflow)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。1.4流體流動現(xiàn)象2.流動形態(tài)的判據(jù)----Reyn721.4流體流動現(xiàn)象1.4.2

滯流與湍流的比較①流體質(zhì)點運動的方式----基本特征管內(nèi)滯流時，流體質(zhì)點沿管軸作有規(guī)則的平行運動，各質(zhì)點互不碰撞，互不干擾。流體可以看作無數(shù)同心圓筒薄層一層套一層作同向平行運動。管內(nèi)湍流時，流體質(zhì)點作不規(guī)則的雜亂運動，相互碰撞，產(chǎn)生大大小小的漩渦。碰撞阻力＞＞黏性阻力管內(nèi)湍流時，流體質(zhì)點在沿管軸流動的同時還伴著隨機的徑向脈動，任一點處的速度大小和方向都隨時變化。微觀上為不穩(wěn)地流動，但宏觀上可以當做穩(wěn)定流動處理。1.4流體流動現(xiàn)象1.4.2滯流與湍流的比較①流體質(zhì)點731.4流體流動現(xiàn)象速度和壓力圍繞“平均值”——時均速度波動，該值不隨時間改變1.4流體流動現(xiàn)象速度和壓力圍繞“平均值”——時均速度波動741.4流體流動現(xiàn)象湍流流動是一個時均流動上疊加了一個隨機的脈動量。

湍流的特征是出現(xiàn)速度的脈動。質(zhì)點的徑向脈動是湍流的最基本特點，層流時只有軸向速度而徑向速度為零，湍流時則出現(xiàn)了徑向脈動速度ui′。1.4流體流動現(xiàn)象湍流流動是一個時均流動上疊加了一個隨機的751.4流體流動現(xiàn)象②阻力的來源滯流的流動阻力來自流體本身所具有的粘性而引起的內(nèi)摩擦；湍流時流體質(zhì)點彼此碰撞混合，產(chǎn)生大量的旋渦，產(chǎn)生的附加阻力比粘性產(chǎn)生的阻力大得多。1.4流體流動現(xiàn)象②阻力的來源滯流的流動阻力來自流體本身761.4流體流動現(xiàn)象③流體在圓管內(nèi)的速度分布r=R，ur=0；r=0，ur=umax

。

1.4流體流動現(xiàn)象③流體在圓管內(nèi)的速度分布r=R，ur=771.4流體流動現(xiàn)象滯流時，流體的流速沿管子斷面呈拋物線分布滯流時的平均流速

um=0.5umax1.4流體流動現(xiàn)象滯流時，流體的流速沿管子斷面呈拋物線分布781.4流體流動現(xiàn)象湍流時的流速分布狀況與拋物線相近，但頂端稍平坦，湍流程度越高，越平坦，靠近管壁處的滯流底層越薄。湍流的速度分布至今尚未能夠以理論導出，通常將其表示成經(jīng)驗公式或圖的形式。

湍流時的平均流速um=0.8umax1.4流體流動現(xiàn)象湍流時的流速分布狀況與拋物線相近，但頂端791.4流體流動現(xiàn)象1.4流體流動現(xiàn)象801.4流體流動現(xiàn)象

④

從流動形態(tài)的分布上：滯流時整個流動層都是滯流層1.4流體流動現(xiàn)象④從流動形態(tài)的分布上：滯流時整811.4流體流動現(xiàn)象1.4.3流體流動的邊界層（boundarylayer）邊界層----在壁面附近存在的較大的速度梯度的流體層。

邊界層的形成邊界層產(chǎn)生的原因：流體的粘性。工程規(guī)定邊界層外緣的流速：u=0.99u01.4流體流動現(xiàn)象1.4.3流體流動的邊界層（boun821.4流體流動現(xiàn)象

邊界層的發(fā)展1）流體在平板上的流動x↑→δ↑，邊界層有一個發(fā)展過程；最終流型可能是滯流，也可能發(fā)展為湍流。1.4流體流動現(xiàn)象邊界層的發(fā)展1）流體在平板上的流動x↑83①平板上流動的流體邊界層層流邊界層厚度：湍流邊界層厚度：邊界層內(nèi)的流動為滯流；邊界層內(nèi)的流動為湍流；

在平板前緣處，x=0，則δ=0。隨著流動路程的增長，邊界層逐漸增厚；隨著流體的粘度減小，邊界層逐漸減薄。①平板上流動的流體邊界層層流邊界層厚度：湍流邊界層厚度：邊界841.4流體流動現(xiàn)象②圓形直管內(nèi)進口段的邊界層——對稱發(fā)展邊界層厚度δ：當x=0時，δ=0當x=x0時，δ=R穩(wěn)定段長度：x0/d=0.0575Re進口段1.4流體流動現(xiàn)象②圓形直管內(nèi)進口段的邊界層——對稱發(fā)展邊85管內(nèi)流動的邊界層也可以從滯流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，于x0處在管中心線上匯合。x0≈(40-100)d;δ=R安裝儀表！管內(nèi)流動的邊界層也可以從滯流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，于x0處在管中心線上86邊界層分離：形體阻力：固體表面形狀造成邊界層分離而引起能量損耗邊界層分離：形體阻力：固體表面形狀造成邊界層分離而引起能量損87流體在管徑突然擴大或縮小，或流經(jīng)直角、彎管、球體等情況時，會發(fā)生倒流，引起流體與固體壁面發(fā)生分離現(xiàn)象，并產(chǎn)生大量的旋渦，結(jié)果造成流體能量的損失。流體在管徑突然擴大或縮小，或流經(jīng)直角、彎管、球體等情況時，會881.4流體流動現(xiàn)象研究邊界層的意義：在邊界層內(nèi)，∵du/dy較大，∴內(nèi)摩擦阻力也較大；主流區(qū)內(nèi)，du/dy≈0，內(nèi)摩擦阻力也≈0，∴主流區(qū)的流體可視為理想流體?！嗾承缘挠绊懴拗圃谶吔鐚觾?nèi)，并且傳熱和傳質(zhì)的阻力也限制在邊界層內(nèi)，使實際流體的流動問題大大簡化了1.4流體流動現(xiàn)象研究邊界層的意義：在邊界層內(nèi)，∵du/d891.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf流動阻力產(chǎn)生的根源：流體的黏性+固體表面特性流動阻力產(chǎn)生的條件：固體壁面促使流體內(nèi)部發(fā)生相對運動流動阻力的影響因素：流體本身的物理性質(zhì)流動狀況流道形狀及尺寸1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf流動阻力產(chǎn)生的根源：流體90直管阻力損失hf：流體沿直管流動時，因內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力損失。

1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf局部阻力損失hf′：流體在通過閥門、管件的進出口時由于局部的障礙，使得流速↑或↓，或方向發(fā)生改變而造成的能量損失。形體阻力+相應(yīng)的摩擦阻力∴∑hf=hf

+hf

′∑hf----單位質(zhì)量流體流動時的能量損失,J/kg∑hf

/g

----單位重量流體流動時的能量損失,mρ∑hf

=ΔPf

----單位體積流體流動時的能量損失,Pa直管阻力損失hf：流體沿直管流動時，因內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力911.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf1.5.1流體在直管中流動的阻力hf1.圓形直管內(nèi)的阻力-----范寧公式(Fanningformula)

λ----摩擦阻力系數(shù)(frictionfactor)流體阻力會引起壓強的降低，若用壓強降表示，則：1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf1.5.1流體在直管921.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf摩擦阻力系數(shù)λ（frictionfactor）管壁粗糙程度對λ的影響絕對粗糙度ε----壁面凸出部分的平均高度相對粗糙度=ε/d1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf摩擦阻力系數(shù)λ（fric931.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf流體滯流時，壁面凸凹不平的地方被流體層遮蓋，流體質(zhì)點對管壁凸出部分不產(chǎn)生碰撞?！唳伺c管壁粗糙度無關(guān)。1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf流體滯流時，壁面凸凹不平941.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf如果湍流時，滯流內(nèi)層厚度δb＞ε，則管壁粗糙度對λ的影響也與滯流相似若湍流的滯流內(nèi)層厚度δb＜ε，則管壁粗糙度對λ的影響成為重要因素。Re越大，影響越顯著。1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf如果湍流時，滯流內(nèi)層厚度951.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hfRe≤2000，為滯流，λ只與Re有關(guān)，與管壁粗糙程度無關(guān)。Re≥4000或10000，為湍流或穩(wěn)定的湍流，此時λ不僅與Re有關(guān)，還與管壁粗糙程度有關(guān)。此時λ可由經(jīng)驗公式求算或查表。1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hfRe≤2000，為滯流，96流體阻力課件971.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf湍流時，不同的管材的λ的幾種經(jīng)驗公式:光滑管為例柏拉修斯公式：Re=3×103~1×105顧毓珍公式：Re=3×103~3×1061.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf湍流時，不同的管材的λ的981.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf1.5.2局部阻力hf′局部阻力系數(shù)法

----用動壓頭的倍數(shù)表示損失的能量ζ----局部阻力系數(shù)（localresistancefactor）由實驗測得。

若用壓強降來表示,則：1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf1.5.2局部阻力h991.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf局部阻力系數(shù)----ζ管路突然放大或突然縮小，ζ值由小管與大管的截面積之比A1/A2查得，且流速取小管的流速。1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf局部阻力系數(shù)----ζ1001.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf

管件與閥門的ζ從手冊中查

進口時,ζc=0.5，若為光滑管則ζ減半

出口時,ζe=1∴總的阻力為：1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf管件與閥門的ζ從手冊中1011.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf②當量長度法（equivalentlength）將各種局部阻力損失折合成相當長度的直管的阻力損失，與此相當?shù)闹惫荛L度稱為當量長度。用le表示，其值由實驗測定∴總的阻力為：1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf②當量長度法（equ102流體阻力課件103流體阻力課件104流體阻力課件105流體阻力課件1061.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf阻力通式：1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf阻力通式：1071.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf例:用泵把20℃苯從地下貯罐送到高位槽,流量300L/min,高位槽液面比貯罐液面高10m,上方均為大氣壓.泵的吸入管為φ89mm×4mm的無縫鋼管,長15m,管路上裝有一全開的底閥,一個標準彎頭,泵排出管為φ57mm×3.5mm無縫鋼管,長50m,一個全開的閘閥,一個全開的截止閥和3個標準彎頭,假設(shè)貯罐送和高位槽的液面維持恒定,求泵的軸功率,設(shè)泵的效率為70%.1.5流體在管內(nèi)的流動阻力∑hf例:用泵把20℃108解:取貯罐液面為1-1’,高位槽液面為2-2’,并以

1-1’截面為基準面.在兩截面之間列柏努利方程Z1g

+u12/2+p1/ρ+We=Z2g

+u22/2+p2/ρ+∑hf

其中,Z1=0,Z2

=10,p1=p2∵貯罐送和高位槽的液面維持恒定∴u1

≈0,u2≈0柏努利方程可簡化為:We=10g+∑hf

=98.1+∑hf

解:取貯罐液面為1-1’,高位槽液面為2-2’,并以109(1)吸入管路的能量損失∑hf

,a∑hf

,a=

hf

,a+h’f

,ada=89-2×4=81mm=0.081m,la=15m查表得:底閥的當量長度6.3m標準彎頭的當量長度2.7m進口局部阻力系數(shù)ζc=0.5(1)吸入管路的能量損失∑hf,a∑hf,a=hf110∴∑hf

,a=

hf

,a+h’f

,a∴∑hf,a=hf,a+h’f,a111查

20℃苯的物性參數(shù)為ρ=880kg/m3,μ=6.5×10–4Pa.s查

ε=0.3mm→ε/d=0.3/81=0.0037,

查得λ=0.029查20℃苯的物性參數(shù)為ρ=880kg/m3,μ=6.5112∴∑hf

,a=

hf

,a+h’f

,a(2)排出管路的能量損失∑hf

,b∑hf,b=

hf,b+h’f,b∴∑hf,a=hf,a+h’f,a(2)排出管路113db=57-2×3.5=50mm=0.05m,lb=50m查表得:全開閘閥的當量長度0.33m3個標準彎頭的當量長度3×1.6=4.8m全開止截閥的當量長度17m出口局部阻力系數(shù)ζe=1db=57-2×3.5=50mm=0.05m,lb=50114ε/d=0.3/50=0.006,查得λ=0.0313∴∑hf,b=

hf,b+h’f,b∴管路的能量損失∑hf

=∑hf

,a+∑hf

,b=4.28+150=154.28J/kgWe=10g+∑hf

=98.1+∑hf

=98.1+154.28≈252.4J/kgε/d=0.3/50=0.006,查得λ=0.0313∴∑h115Ne=We

Ws=Vs

ρWe

=252.4×880×300/1000/60≈1.11kW軸功率N=Ne/η=1.11/0.7=1.591kWNe=WeWs=VsρWe=252.4×880×116小結(jié)

----連續(xù)性方程：u1d12=u2d22

流體靜力學②防漏----流體靜力學方程式:P=Pa+ρgh----應(yīng)用：①泄壓

流體流動規(guī)律

----柏努利方程的應(yīng)用小結(jié)

----連續(xù)性方程：u1d12=u2d22流體靜117應(yīng)用柏努利方程的解題思路z1+u12/2g+p1/ρg+He=

z2

+u22/2g+p2/ρg+Hf（m）

ρ的求法①根據(jù)比重求：[S]T277=ρ/ρ水=ρ/1000②氣體的密度③液體的密度應(yīng)用柏努利方程的解題思路z1+u12/2g+p1/ρg+118

流速u的求法③根據(jù)連續(xù)性方程：①當1-1’截面很大時，u

1≈0②根據(jù)體積流量求：Vs

=u

?A

=u

?πd2/4u1d12=u2d22

壓強的求法①根據(jù)流體靜力學方程式p=pa+ρgh②根據(jù)U型壓差計△p=p2-p1=(ρi-ρ)gR流速u的求法③根據(jù)連續(xù)性方程：①當1-1’截面很大時119

阻力∑hf的求法①當u=0時，∑Hf=0

λ：當Re≤2000，圓管內(nèi)，λ=64/Re當Re≥4000，（1）查Re-ε/d-λ關(guān)聯(lián)圖（2）對于光滑管，②當u≠0時，∑Hf=阻力∑hf的求法①當u=0時，∑Hf=0λ：當Re≤120求功率軸功率：Na=Ne/η

有效功率：Ne=Q·He·ρ·g=ws·He·g求功率軸功率：Na=Ne/η有效功率：Ne=Q·He·ρ·121例題1、某油脂化工廠用φ108×4mm的鋼管，每小時輸送19噸油料，油料的密度為900kg/m3，粘度為72厘泊，已知管子總長為160公里，管子允許的最大壓強為60kgf/cm2(表壓)，管子水平安裝，局部阻力忽略不計，試定量地判斷輸送的途中是否需要增加加壓站？需要加幾個？例題1、某油脂化工廠用φ108×4mm的鋼管，每小時輸送19122λ解：由于在油料輸送的過程中，存在摩擦阻力，壓強會逐漸↓∴需要添加加壓站加壓站的數(shù)量N=△P/P△P→→hf→→→→→→Reλ解：由于在油料輸送的過程中，存在摩擦∴需要添加加壓站123d=108-4×2=100mm=0.1mws=19t/h=19000/3600=190/36kg/sμ=72cp=0.072Pa·su=ws/(ρA)=190/(900×36×π/4×0.12)=0.747(m/s)∴Re=duρ/μ=0.1×0.747×900/0.072=934＜2000∴λ=64/Re=64/934=0.069=0.069×160000/0.1×900×0.7472/2=2.75×107(Pa)N=△P/P=2.75×107/(60×9.81×104)=4.68≈5(個)d=108-4×2=100mm=0.1mws=19t/h=11242、從水塔接φ57×3.5mm的無縫鋼管到一冷卻器，管子的粗糙度為e=0.2mm，管長為83m（包括系統(tǒng)的當量長度），冷卻器壓力為0.5atm（表壓），水塔水面較冷卻器入口高15m，水溫20℃，其粘度為1cp，求此管道最大的輸水量。2、從水塔接φ57×3.5mm的無縫鋼管到一125流體阻力課件126解：選擇水塔水面為1-1’截面，冷卻器水面為2-2’

截面，基準面為2-2’截面。在兩截面之間列柏努利方程z1+u12/2g+p1/ρg=

z2

+u22/2g+p2/ρg+∑Hf因兩截面都比較大，∴u1=u2

=0水塔的p1=0（表壓）20℃水的密度ρ=998.2kg/m3z2=0，z1=15冷卻器的p2=0.5atm=0.5×101325=5.07×104(Pa)解：選擇水塔水面為1-1’截面，冷卻器水面為2-2’z1+127

∴15=5.07×104/(9.81×998.2)+∑Hf=5.18+∑Hf∴∑Hf=9.82(m)=(83λ/0.05)u2/2g=830λu2/g=9.82ε=e/d=0.2/50=0.004采用試差法：假設(shè)水的流速u=2.5m/s，Re=duρ/μ=0.05×2.5×998.2/0.001=1.25×105查表λ約0.027，代入損失壓頭式得：u=2.07m/s∴15=5.07×104/(9.81×998.2128說明還有一點誤差,設(shè)u=2.0m/sRe=duρ/μ=0.05×2.0×998.2/0.001=1.0×105查表λ約0.028，u=2.04m/s,合適∴管道中的流量Vs=u

?A

=