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文檔簡介

剪應(yīng)力:e為湍流粘度,與流體的流動狀況有關(guān)。

湍流速度分布的經(jīng)驗式:湍流時的速度分布2/1/20231n與Re有關(guān),取值如下:

1/7次方定律當(dāng)1/7次方定律時,流體的平均速度

:2/1/20232流體流動邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展

流動邊界層:存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域,即流速降為主體流速的99%以內(nèi)的區(qū)域。邊界層厚度:邊界層外緣與壁面間的垂直距離。2/1/20233流體在平板上流動時的邊界層:

2/1/20234邊界層區(qū)(邊界層內(nèi)):沿板面法向的速度梯度很大,需考慮粘度的影響,剪應(yīng)力不可忽略。主流區(qū)(邊界層外):速度梯度很小,剪應(yīng)力可以忽略,可視為理想流體。2/1/20235邊界層流型:層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層:在平板的前段,邊界層內(nèi)的流型為層流。湍流邊界層:離平板前沿一段距離后,邊界層內(nèi)的流型轉(zhuǎn)為湍流。

2/1/20236流體在圓管內(nèi)流動時的邊界層

2/1/20237充分發(fā)展的邊界層厚度為圓管的半徑;進口段內(nèi)有邊界層內(nèi)外之分。也分為層流邊界層與湍流邊界層。進口段長度:層流:湍流:2/1/20238湍流流動時:2/1/20239湍流主體:速度脈動較大,以湍流粘度為主,徑向傳遞因速度的脈動而大大強化;過渡層:分子粘度與湍流粘度相當(dāng);層流內(nèi)層:速度脈動較小,以分子粘度為主,徑向傳遞只能依賴分子運動?!獙恿鲀?nèi)層為傳遞過程的主要阻力Re越大,湍動程度越高,層流內(nèi)層厚度越薄。2/1/2023102.邊界層的分離ABS2/1/202311A→C:流道截面積逐漸減小,流速逐漸增加,壓力逐漸減?。槈禾荻龋?;C→S:流道截面積逐漸增加,流速逐漸減小,壓力逐漸增加(逆壓梯度);S點:物體表面的流體質(zhì)點在逆壓梯度和粘性剪應(yīng)力的作用下,速度降為0。SS’以下:邊界層脫離固體壁面,而后倒流回來,形成渦流,出現(xiàn)邊界層分離。2/1/202312邊界層分離的后果:產(chǎn)生大量旋渦;造成較大的能量損失。邊界層分離的必要條件:流體具有粘性;流動過程中存在逆壓梯度。2/1/202313流體流動阻力直管阻力局部阻力

2/1/2023141.4流體流動阻力直管阻力:流體流經(jīng)一定直徑的直管時由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力;局部阻力:流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。

1.4.1直管阻力一、阻力的表現(xiàn)形式

2/1/202315流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動。2/1/202316若管道為傾斜管,則

流體的流動阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少;水平安裝時,流動阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。

2/1/202317二、直管阻力的通式

由于壓力差而產(chǎn)生的推動力:流體的摩擦力:令

定態(tài)流動時2/1/202318——直管阻力通式(范寧Fanning公式)

其它形式:——摩擦系數(shù)(摩擦因數(shù))

J/kg壓頭損失m壓力損失Pa該公式層流與湍流均適用;注意與的區(qū)別。2/1/202319三、層流時的摩擦系數(shù)

速度分布方程又——哈根-泊謖葉

(Hagen-Poiseuille)方程

2/1/202320能量損失層流時阻力與速度的一次方成正比。變形:比較得2/1/202321四、湍流時的摩擦系數(shù)1.因次分析法

目的:(1)減少實驗工作量;(2)結(jié)果具有普遍性,便于推廣。基礎(chǔ):因次一致性即每一個物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等,而且每一項都應(yīng)具有相同的因次。2/1/202322基本定理:白金漢(Buckinghan)π定理設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨立變量數(shù)為n個,這些變量的基本因次數(shù)為m個,則該物理現(xiàn)象可用N=(n-m)個獨立的無因次數(shù)群表示。

湍流時壓力損失的影響因素:(1)流體性質(zhì):,(2)流動的幾何尺寸:d,l,(管壁粗糙度)(3)流動條件:u2/1/202323物理變量n=7基本因次m=3無因次數(shù)群N=n-m=4

無因次化處理式中:——歐拉(Euler)準(zhǔn)數(shù)即該過程可用4個無因次數(shù)群表示。2/1/202324——相對粗糙度——管道的幾何尺寸——雷諾數(shù)根據(jù)實驗可知,流體流動阻力與管長成正比,即

或2/1/202325莫狄(Moody)摩擦因數(shù)圖:2/1/202326(1)層流區(qū)(Re≤2000)

λ與無關(guān),與Re為直線關(guān)系,即

,即與u的一次方成正比。(2)過渡區(qū)(2000<Re<4000)將湍流時的曲線延伸查取λ值。(3)湍流區(qū)(Re≥4000以及虛線以下的區(qū)域)

2/1/202327(4)完全湍流區(qū)

(虛線以上的區(qū)域)

λ與Re無關(guān),只與有關(guān)。該區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。一定時,經(jīng)驗公式:(1)柏拉修斯(Blasius)式:適用光滑管Re=5×103~105(2)考萊布魯克(Colebrook)式2/1/2023282.管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響

光滑管:玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等;粗糙管:鋼管、鑄鐵管等。絕對粗糙度:管道壁面凸出部分的平均高度。相對粗糙度:絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值。層流流動時:流速較慢,與管壁無碰撞,阻力與

無關(guān),只與Re有關(guān)。2/1/202329湍流流動時:水力光滑管只與Re有關(guān),與無關(guān)。完全湍流粗糙管只與有關(guān),與Re無關(guān)。2/1/202330

例分別計算下列情況下,流體流過φ76×3mm、長10m的水平鋼管的能量損失、壓頭損失及壓力損失。(1)密度為910kg/m3、粘度為72cP的油品,流速為1.1m/s;(2)20℃的水,流速為2.2m/s。2/1/202331五、非圓形管內(nèi)的流動阻力

當(dāng)量直徑:

套管環(huán)隙,內(nèi)管的外徑為d1,外管的內(nèi)徑為d2:邊長分別為a、b的矩形管

:2/1/202332說明:(1)Re與Wf中的直徑用de計算;(2)層流時:正方形C=57套管環(huán)隙C=96(3)流速用實際流通面積計算。2/1/202333局部阻力

一、阻力系數(shù)法

將局部阻力表示為動能的某一倍數(shù)。

ζ——局部阻力系數(shù)

J/kgJ/N=m2/1/2023341.突然擴大2/1/2023352.突然縮小2/1/2023363.管進口及出口進口:流體自容器進入管內(nèi)。

ζ進口

=0.5進口阻力系數(shù)出口:流體自管子進入容器或從管子排放到管外空間。

ζ出口

=1出口阻力系數(shù)4.管件與閥門2/1/2023372/1/2023382/1/202339蝶閥2/1/2023402/1/2023412/1/202342二、當(dāng)量長度法將流體流過管件或閥門的局部阻力,折合成直徑相同、長度為Le的直管所產(chǎn)生的阻力。Le——

管件或閥門的當(dāng)量長度,m。2/1/202343總阻力:減少流動阻力的途徑:管路盡可能短,盡量走直線,少拐彎;盡量不安裝不必要的管件和閥門等;管徑適當(dāng)大些。2/1/202344例如圖所示,料液由常壓高位槽流入精餾塔中。進料處塔中的壓力為0.2at(表壓),送液管道為φ45×2.5mm、長8m的鋼管。管路中裝有180°回彎頭一個,全開標(biāo)準(zhǔn)截止閥一個,90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭一個。塔的進料量要維持在5m3/h,試計算高位槽中的液面要高出塔的進料口多少米?hpa2/1/202345管路計算

簡單管路

復(fù)雜管路

2/1/202346管路計算

簡單管路

一、特點

(1)流體通過各管段的質(zhì)量流量不變,對于不可壓縮流體,則體積流量也不變。

(2)整個管路的總能量損失等于各段能量損失之和。Vs1,d1Vs3,d3Vs2,d2不可壓縮流體2/1/202347二、管路計算基本方程:連續(xù)性方程:柏努利方程:阻力計算(摩擦系數(shù)):物性、一定時,需給定獨立的9個參數(shù),方可求解其它3個未知量。2/1/202348(1)設(shè)計型計算

設(shè)計要求:規(guī)定輸液量Vs,確定一經(jīng)濟的管徑及供液點提供的位能z1(或靜壓能p1)。

給定條件:(1)供液與需液點的距離,即管長l;

(2)管道材料與管件的配置,即及;

(3)需液點的位置z2及壓力p2;(4)輸送機械We。選擇適宜流速確定經(jīng)濟管徑2/1/202349(2)操作型計算

已知:管子d

、、l,管件和閥門,供液點z1、p1,

需液點的z2、p2,輸送機械We;

求:流體的流速u及供液量VS。

已知:管子d、

l、管件和閥門、流量Vs等,求:供液點的位置z1

;

或供液點的壓力p1;

或輸送機械有效功We

。2/1/202350試差法計算流速的步驟:(1)根據(jù)柏努利方程列出試差等式;(2)試差:符合?可初設(shè)阻力平方區(qū)之值注意:若已知流動處于阻力平方區(qū)或?qū)恿?,則無需試差,可直接解析求解。2/1/202351三、阻力對管內(nèi)流動的影響pApBpaF1122AB

閥門F開度減小時:(1)閥關(guān)小,閥門局部阻力系數(shù)↑

Wf,A-B

↑→流速u↓→即流量↓;2/1/202352(2)在1-A之間,由于流速u↓→Wf,1-A

→pA

;(3)在B-2之間,由于流速u↓→Wf,B-2

→pB

。

結(jié)論:(1)當(dāng)閥門關(guān)小時,其局部阻力增大,將使管路中流量下降;(2)下游阻力的增大使上游壓力上升;(3)上游阻力的增大使下游壓力下降??梢?,管路中任一處的變化,必將帶來總體的變化,因此必須將管路系統(tǒng)當(dāng)作整體考慮。2/1/202353例1-9粘度為30cP、密度為900kg/m3的某油品自容器A流過內(nèi)徑40mm的管路進入容器B。兩容器均為敞口,液面視為不變。管路中有一閥門,閥前管長50m,閥后管長20m(均包括所有局部阻力的當(dāng)量長度)。當(dāng)p1p2ABpapa2/1/202354閥門全關(guān)時,閥前后的壓力表讀數(shù)分別為8.83kPa和4.42kPa?,F(xiàn)將閥門打開至1/4開度,閥門阻力的當(dāng)量長度為30m。試求:(1)管路中油品的流量;(2)定性分析閥前、閥后的壓力表的讀數(shù)有何變化?例1-1010C水流過一根水平鋼管,管長為300m,要求達(dá)到的流量為500l/min,有6m的壓頭可供克服流動的摩擦損失,試求管徑。2/1/202355例1-11如附圖所示的循環(huán)系統(tǒng),液體由密閉容器A進入離心泵,又由泵送回容器A。循環(huán)量為1.8m3/h,輸送管路為內(nèi)徑等于25mm的碳鋼管,容器內(nèi)液面至泵入口的壓頭損失為0.55m,離心泵出口至容器A液面的壓頭損失為1.6m,泵入口處靜壓zA頭比容器液面靜壓頭高出2m。試求:(1)管路系統(tǒng)需要離心泵提供的壓頭;(2)容器液面至泵入口的垂直距離z。2/1/202356復(fù)雜管路

一、并聯(lián)管路

AVSVS1VS2VS3B1、特點:(1)主管中的流量為并聯(lián)的各支路流量之和;2/1/202357(2)并聯(lián)管路中各支路的能量損失均相等。

不可壓縮流體注意:計算并聯(lián)管路阻力時,僅取其中一支路即可,不能重復(fù)計算。2/1/2023582.并聯(lián)管路的流量分配而支管越長、管徑越小、阻力系數(shù)越大——流量越??;反之——流量越大。2/1/202359COAB分支管路COAB匯合管路二、分支管路與匯合管路

2/1/2023601、特點:(1)主管中的流量為各支路流量之和;不可壓縮流體(2)流體在各支管流動終了時的總機械能與能量損失之和相等。

2/1/202361

例1-12

如圖所示,從自來水總管接一管段AB向?qū)嶒灅枪┧?,在B處分成兩路各通向一樓和二樓。兩支路各安裝一球形閥,出口分別為C和D。已知管段AB、BC和BD的長度分別為100m、10m和20m(僅包括管件的當(dāng)量長度),管內(nèi)徑皆為30mm。假定總管在A處的表壓為0.343MPa,不考慮分支點B處的動能交換和能量損失,且可認(rèn)為各管段內(nèi)的流動均進入阻力平方區(qū),摩擦系數(shù)皆為0.03,試求:2/1/202362(1)D閥關(guān)閉,C閥全開()時,BC管的流量為多少?(2)D閥全開,C閥關(guān)小至流量減半時,BD管的流量為多少?總管流量又為多少?5mACDB自來水總管2/1/202363流速與流量的測量

測速管孔板流量計文丘里流量計轉(zhuǎn)子流量計2/1/202364流速與流量的測量測速管(皮托管)一、結(jié)構(gòu)二、原理內(nèi)管A處外管B處2/1/202365點速度:即討論:(1)皮托管測量流體的點速度,可測速度分布曲線;2/1/202366三、安裝(1)測量點位于均勻流段,上、下游各有50d直管距離;(2)皮托管管口截面嚴(yán)格垂直于流動方向;(3)皮托管外徑d0不應(yīng)超過管內(nèi)徑d的1/50,即d0<d/50。(2)流量的求取:由速度分布曲線積分測管中心最大流速,由求平均流速,再計算流量。2/1/202367孔板流量計孔板流量計2/1/202368一、結(jié)構(gòu)與原理2/1/202369在1-1′截面和2-2′截面間列柏努利方程,暫不計能量損失變形得

二、流量方程問題:(1)實際有能量損失;

(2)縮脈處A2未知。2/1/202370解決方法:用孔口速度u0替代縮脈處速度u2,引入校正系數(shù)C。由連續(xù)性方程令

2/1/202371體積流量質(zhì)量流量則C0——流量系數(shù)(孔流系數(shù))A0——孔面積。2/1/202372討論:(1)特點:

恒截面、變壓差——差壓式流量計(2)流量系數(shù)C0對于取壓方式、結(jié)構(gòu)尺寸、加工狀況均已規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)孔板Re是以管道的內(nèi)徑d1計算的雷諾數(shù)2/1/202373當(dāng)Re>Re臨界時,(3)測量范圍一般C0=0.6~0.7孔板流量計的測量范圍受U形壓差計量程決定。Re臨界值2/1/202374三、安裝及優(yōu)缺點(1)安裝在穩(wěn)定流段,上游l>10d,下游l>5d;(

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