化工原理多媒體課件化學(xué)工程學(xué)院2017年9月第一章流體的流動通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握流體流動過程的基本原理及流體在管道內(nèi)的流動規(guī)律，并運用這些原理與規(guī)律去分析和計算流體的輸送問題。學(xué)習(xí)目的與要求第一章流體的流動第一節(jié)、流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)主要研究流體在外力作用下達到平衡時各物理量的變化規(guī)律。

靜止的流體內(nèi)部，取通過某點的任意截面的面積為ΔA，垂直作用于該截面上的總壓力為ΔP，在此情況下，單位面積上所受的壓力，稱為壓力強度，簡稱壓強，俗稱壓力，其表達式為1.1.1流體的靜壓力(1)單位：SI制：

習(xí)慣使用單位：(2)計量基準(zhǔn)：絕對真空(零壓)絕對壓強大氣壓相對壓強表壓強=絕對壓強—大氣壓強真空度=大氣壓強—絕對壓強壓強表真空表表示方法：真空度=-表壓(3)絕壓、表壓和真空度三者之間的關(guān)系大氣壓線絕對零壓線A大氣壓表壓強絕對壓強絕對壓強真空度B壓力表真空表例1:將南京操作真空度為740mmHg的真空蒸餾塔搬至蘭州操作時,若要求塔內(nèi)維持相同的絕對壓強,其真空表讀數(shù)應(yīng)控制多少？南京的大氣壓強為761mmHg,蘭州地區(qū)的大氣壓強為640mmHg.例2:海平面處測得的密封容器內(nèi)表壓為5Pa,另一容器的真空度為5Pa。若將二容器連同壓力表和真空表一起移至高山,其測出的表壓強和真空度會變化嗎？

大氣壓真空度絕壓南京761mmHg740mmHg蘭州640mmHg解：21mmHg21mmHg619mmHg流體的密度單位體積流體具有的質(zhì)量，即掌握密度單位的換算一、密度1.1.2流體的密度和比體積(1)純物質(zhì)的密度液體：基本不隨壓力變化（極高壓力除外），隨溫度略有變化。氣體：密度隨溫度、壓力改變。流體的密度流體的密度已知標(biāo)準(zhǔn)狀況下所有1mol氣體體積均為22.4L對于任意狀態(tài)下的1mol氣體，其密度為所以有氣體混合物，混合前后質(zhì)量不變液體混合物，混合前后體積不變組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)組分的體積分?jǐn)?shù)(2)混合物的密度流體的密度二、比體積單位質(zhì)量流體的體積稱為流體的比體積1.1.3流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)：研究的實質(zhì):流體靜力學(xué)基本方程：研究流體在外力作用下處于平衡的規(guī)律。描述靜止流體內(nèi)部壓強的變化規(guī)律描述在重力作用下，靜止流體內(nèi)部壓強的變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式。161)重力G:即：1.推導(dǎo)過程:受力分析2)作用于上表面積的壓力P1

3)作用于下底面積的壓力P2

流體靜力學(xué)基本方程分析：2)

壓強具有可傳遞性（巴斯噶定理）靜止的*連續(xù)的同一種流體*同一水平面壓強處處相等1)一定時3)(液柱高度)4)

氣體：若高度差不大，壓強相等5)

適用條件：靜止的、連續(xù)的同一種流體不連續(xù)的流體，分段使用例：如圖,敞口容器內(nèi)盛有油和水,試判斷,及、是否成立？答：(1)(2)(3)(非同一種流體)(同一種流體)(同一種流體)解：例：試比較上例中的大小。1.壓強和壓強差的測量：(1)普通U型管壓差計(等壓面)1.1.4流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用①當(dāng)管道水平(=0o)時:②當(dāng)管道垂直時：（=90o）（=-90o）11’22’1212

分析：1)2)被測流體為氣體，3)測表壓及真空度跟U型管的直徑無關(guān);跟連接管長度無關(guān)例1:常溫水在管道流過。為測a、b兩點壓力差,安裝U型壓差計,R=0.1m,試計算a、b兩點壓力差為若干？已知水與汞的密度分別為1000kg/m3及13600kg/m3。解：(和等壓面)方法一方法二1)倒U管壓差計：結(jié)構(gòu):A—空氣,B—被測液;計算:(2).測小壓差差壓計：待側(cè)流體密度27例:常溫水在水平等徑管內(nèi)以一定的流量流過1-1和2-2截面的壓差為2.472kPa,問采用普通U管水銀壓差計和倒U管壓差計測量,讀數(shù)R分別為多少？已知水與汞密度為1000kg/m3及13600kg/m3。解：①U管壓差計

(水銀-水)②倒U管壓差計

(水-空氣)2)微差壓差計：計算:測量:擴張室液位均不變結(jié)構(gòu):兩端均有擴張室,且;

注意：是兩種指示液的密度差，不是指示液與被測流體的密度差。適于更小壓差(氣流)的測量；Zmaa’(3)測大壓差差壓計：P10:例1-42.液位的測量：1)普通玻璃管液位計

h’=h2)壓差法測量液位3)遠距離液位測量。解：例：自管口通入壓縮氮氣,用閥1控制氣速很小(通過吹氣管4的流阻可忽略)。U管壓差計3的讀數(shù)R,可反映貯罐5內(nèi)液位。已知指示液為水銀,R=lOOmm,罐內(nèi)液體密度125Okg/m3,貯罐上方與大氣相通,求h為若干。3.液封高度的計算(1)防爆(2)防泄漏混合冷凝器36《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動

生產(chǎn)過程中流體的輸送都是在密閉的管道中進行的，因此研究流體在管內(nèi)的流動規(guī)律是非常必要的。無論是在化工廠、制藥廠、生物發(fā)酵工廠，管道是隨處可見。要實現(xiàn)流體的輸送這一單元操作，必須了解流體在管道內(nèi)流動的相應(yīng)規(guī)律。反映這一規(guī)律的基本關(guān)系有連續(xù)性方程式和Bernoulli`s方程式。37《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動38一、流量和流速2.流速1.流量1)平均流速2)質(zhì)量流速體積流量質(zhì)量流量單位時間內(nèi)流體流過的距離《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動，m/s，kg/s.m239《化工原理》課件——第一章流體流動例:以內(nèi)徑105mm鋼管輸送壓力2atm、溫度120℃的空氣。已知空氣在標(biāo)態(tài)下的體積流量為630m3/h，求此空氣在管內(nèi)的流速和質(zhì)量流速。解：由PVT方程:《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動40《化工原理》課件——第一章流體流動3.管徑的估算：《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動4.流速的選擇：u大,則di小,投資費小,操作費用大；液體流速可取0.5-3m/s，氣體流速可取10-30m/s。u投資費操作費總費用$$$$$$$$$$41《化工原理》課件——第一章流體流動例:某精餾塔進料量為50000kg/h，料液性質(zhì)和水相近,密度為960kg/m3，試選擇進料管徑。解：查附錄19,選用1O84mm的無縫鋼管,其內(nèi)徑為:

選取u=l.8m/s,可得:核算流速,即：《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動42《化工原理》課件——第一章流體流動1.穩(wěn)態(tài)流動—任一點上流速、壓強等物理量均不隨時間而變,僅隨位置而變《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動二、穩(wěn)態(tài)流動與非穩(wěn)態(tài)流動43《化工原理》課件——第一章流體流動2.非穩(wěn)態(tài)流動：《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動44第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動對于非穩(wěn)態(tài)流動：1

uA1<uB12uA2<uB23uA3<uB3uA1>uA2>uA3，uB1>uB2>uB3《化工原理》——第一章流體流動《化工原理》課件——第一章流體流動45三、連續(xù)性方程－物料衡算

對于穩(wěn)態(tài)流動：輸入量=輸出量

《化工原理》——第一章流體流動推廣到任一截面:不可壓縮流體在穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)中，流量一定時，管路各截面上流速的變化規(guī)律圓形管道第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動《化工原理》課件——第一章流體流動46例:輸水管道內(nèi)徑為:d1=2.5cm;d2=10cm;d3=5cm。(1)當(dāng)流量為4L/s時，各管段的平均流速為若干？(2)當(dāng)流量增至8L/s時，平均流速如何變化？解：（1）同理：（2）流量增為原來的2倍，則各段流速亦增加至2倍，即u1＝16.3m/s，u2=1.02m/s，u3=4.08m/s《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動47《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動例:某壓縮機的吸入管路直徑為200mm，壓出管路直徑為80mm，吸入管內(nèi)氣體壓強為9.73×104Pa，溫度為30℃，壓出管路內(nèi)氣體壓強為5.886×105Pa（表壓），溫度為80℃，已測得吸入管內(nèi)氣體平均流速為20m/s，試求壓出管的流速、質(zhì)量流速和壓縮機的排氣量（以質(zhì)量流量表示）

解：吸入管48《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動壓出管壓縮機的排氣量49《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動

柏努利，Ｄ.（DanielBernouli,1700～1782）瑞士物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、醫(yī)學(xué)家。他是先后獲得過哲學(xué)碩士學(xué)位、醫(yī)學(xué)碩士學(xué)位，并成為外科名醫(yī)并擔(dān)任過解剖學(xué)教授。但在父兄熏陶下最后仍轉(zhuǎn)到數(shù)理科學(xué)。柏努利成功的領(lǐng)域很廣，除流體動力學(xué)這一主要領(lǐng)域外，還有天文測量、引力、行星的不規(guī)則.柏努利開辟并命名了流體動力學(xué)這一學(xué)科，區(qū)分了流體靜力學(xué)與動力學(xué)的不同概念。1738年，他發(fā)表了十年寒窗寫成的《流體動力學(xué)》一書。他用流體的壓強、密度和流速等作為描寫流體運動的基本概念，引人了“勢函數(shù)”“勢能”（“位勢提高”）來代替單純用“活力’討論，從而表述了關(guān)于理想流體穩(wěn)定流動的伯努利方程，這實質(zhì)上是機械能守恒定律的另一形式。他還用分子與器壁的碰撞來解釋氣體壓強，并指出，只要溫度不變，氣體的壓強總與密度成正，與體積成反比，用此解釋了玻意耳定律。50第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動《化工原理》——第一章流體流動四、柏努利方程―能量衡算

衡算范圍：1-1至2-2截面

衡算基準(zhǔn)：1kg不可壓縮流體

基準(zhǔn)水平面：0-0平面依據(jù):輸入總能量=輸出總能量

1.流動系統(tǒng)的總能量衡算《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動51①內(nèi)能U:J/kg；②位能:③動能:(1)流體在流動過程中所具有的能量(對于1kg流體):mkg：位能=mgZ，Jmkg：動能=mu2/2，J④靜壓能(壓強能)m

kg-V

m3：,J

1kg：位能=gZ，J/kg1kg：動能=u2/2，J/kg1kg-m3

：靜壓能,J/kg

在右圖所示的管道上開孔，裝上一垂直于管軸的細(xì)玻璃管，管內(nèi)流動的液體便會在玻璃管內(nèi)升起，這就是流動著的液體具有靜壓強的表現(xiàn)。在管道內(nèi)取一任意截面n

，該處的靜壓強為

p

，流體要流過該截面所受的總阻力即為：52《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動流動系統(tǒng)中流體靜壓能的測定

設(shè)1kg流體被壓過n截面所經(jīng)過的距離為L（L=v/A，v為流體的比容），則對這1kg流體作功為此即為此處流體的靜壓能流動流體的靜壓能《化工原理》課件——第一章流體流動53《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動(2)外部環(huán)境對流體提供的能量(對于1kg流體):

①外功()—凈功或有效功，J/kg；②熱量()—獲得的熱量，J/kg；總能量衡算式We對單位質(zhì)量的流體所做的功單位質(zhì)量的流體所交換的熱量54《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動55《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動2.機械能衡算式為方便考慮機械能的轉(zhuǎn)換，要把ΔU和Qe

項消除

—流體受熱而引起體積膨脹所作的功,J/kg

式中—因流阻而損失的能量，J/kg

56《化工原理》課件——第一章流體流動57《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動機械能衡算式不可壓縮流體：比容ν或密度ρ為常數(shù)58《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動

理想流體(即),若,則：3.柏努利方程式伯努利方程59《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動4.柏努利方程式的討論(1)理想流體(即),若,則：

能量之間相互轉(zhuǎn)換各項不一定相等總機械能守恒60例:理想流體穩(wěn)態(tài)流經(jīng)異徑的水平管從1-1截面流至2-2截面，比較P1與P2哪個大。即部分靜壓能轉(zhuǎn)化為動能《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動61《化工原理》課件——第一章流體流動例:理想流體在如圖所示的等徑管中作穩(wěn)定流動時,機械能將如何轉(zhuǎn)換？解：因此，部分位能轉(zhuǎn)化為動能

《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動62第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動《化工原理》——第一章流體流動(2)實際流體(黏性損耗），若無外功加入，即，則上游截面的總機械能大于下游截面的總機械能63第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動《化工原理》——第一章流體流動

無外功：

輸送條件：(3)輸送流體的方法①用壓縮空氣壓送液體，即提高p1(1)P1

壓縮空氣(2)Z1

②利用高位槽輸送液體，即提高Z164第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動《化工原理》——第一章流體流動(3)P2(4)We>0④通過泵、風(fēng)機等輸送設(shè)備向流體提供能量We。③抽送液體，即降低p265第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動《化工原理》——第一章流體流動(4)靜止時,(靜力學(xué)方程）(5)對于可壓縮流體：若,則—能量表達方式—壓強表達方式若(6)gz，，，為某一截面上流體所具有的機械能，We，hf為流體在兩截面間獲得或損失的能量。66(7)不同基準(zhǔn)的柏努利方程：①以單位重量為基準(zhǔn)《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動—1N流體67《化工原理》課件——第一章流體流動②以單位體積為基準(zhǔn)《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動—1m3流體68《化工原理》課件——第一章流體流動《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動五、柏努利方程式的應(yīng)用

測定管道中流體的流量（流速）

確定設(shè)備之間的相對位置

確定輸送設(shè)備的有效功率

確定管路中流體的壓強69《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動1.計算步驟（1）繪制流程圖，標(biāo)出流向（2）確定上下游截面（3）選擇基準(zhǔn)水平面（4）列柏努利方程求解70《化工原理》課件——第一章流體流動《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動2.注意事項：(1)截面的選取

垂直于流動方向(2)基準(zhǔn)水平面選取

與地面平行

注意對應(yīng)

連續(xù)流體

Z值為垂直距離

宜取低水平面

已知量較多71《化工原理》課件——第一章流體流動《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動(3)物理量大小及單位：

大截面處的流速視為0；出口管道的截面宜取管內(nèi)側(cè)u平均流速Z,P以管中心線為基準(zhǔn)

注意計算單位(1kg,1m3,1N)

可用絕壓或表壓,但兩截面須一致72《化工原理》課件——第一章流體流動《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動例:求We1200kg/m3P=101325Pa。蒸發(fā)室壓強2OOmmHg(真空度)。15m,684mm,2Om3/h,全部能損為12OJ/kg。求泵的有效功率分析：上游截面：下游截面：1-1’，3-3’，4-4’5-5’，2-2’，6-6’73《化工原理》——第一章流體流動解：由柏努利方程：其中74《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動[例]:求Z小區(qū)輸水系統(tǒng)水管管徑684mm,4.0m3/h,全部能損為2OJ/kg(不含出口)。求液面距管出口的垂直距離。分析：上游截面：1-1’

下游截面：選擇管道出口的內(nèi)側(cè)為2-2’截面基準(zhǔn)水平面：出口管軸線所在水平面75解：柏努利方程:其中Z1=2.03m

d=0.068-2×0.004=0.06m《化工原理》——第一章流體流動76《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動例：求p。某車間用壓縮空氣壓送稀硫酸(密度1240kg/m3)，流量為2m3/h，φ37×3.5mm的無縫鋼管，總能量損失為10J/kg(不包括出口損失)，貯槽液位恒定，輸送管路出口高于貯槽內(nèi)液面10M，求所需壓縮空氣的壓力。77《化工原理》——第一章流體流動第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動(表壓)解：取貯槽液面為1-1’截面，管路出口內(nèi)側(cè)為2-2’，在1-1’和2-2’兩截面之間列柏努利方程(表壓)78第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動理想流體0真實流體>0靜止流體0小結(jié)穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動（與時間的關(guān)系）物料衡算－連續(xù)性方程（Ws=常數(shù)）能量衡算－伯努利方程輸入的能量=輸出的能量形式：能量：機械能E、外功we和能量損失應(yīng)用：u→WsΔZ,We,P流量、流速、管徑估算流體在管內(nèi)流動《化工原理》——第一章流體流動79第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動一、牛頓粘性定律和流體的粘度1.流體流動中的內(nèi)摩擦

運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力。是流體粘性的表現(xiàn),稱為粘滯力或粘性摩擦力。

流體在流動時的內(nèi)摩擦,是流動阻力產(chǎn)生的依據(jù),流體動時必須克服內(nèi)摩擦力而作功,從而將流體的一部分機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫鴵p失掉。80第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動2.粘性：流體在運動狀態(tài)時抗拒內(nèi)在向前運動的特性，粘性是流動性的反面。＊流體的粘性越大，其流動性就越?。黧w的粘性只在流動時才表現(xiàn)出來＊流速相同時，粘性越大，能量損失越大81第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動引入比例系數(shù)內(nèi)摩擦應(yīng)力τ:單位面積上的內(nèi)摩擦力，與作用面平行內(nèi)摩擦力與哪些因素有關(guān)上式只適用于u與y成直線關(guān)系的場合。82第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動(牛頓粘性定律)μ－比例系數(shù)，流體粘性愈大，其值愈大。所以稱為粘滯系數(shù)或動力粘度，簡稱為粘度

圓管內(nèi)以較低速度流動時，徑向速度變化是非線性時－速度梯度，在與流動方向垂直的y方向上速度的變化率

物理意義：牛頓粘性定律說明流體在流動過程中流體層間所產(chǎn)生的剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比，與壓力無關(guān)83第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動剪應(yīng)力與動量傳遞:τ實際上反映了動量傳遞注意：理想流體不存在內(nèi)摩擦力，τ=0，

du/dy=0，μ=0。引進理想流體的概念，對解決工程實際問題具有重要意義84第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動3.粘度()：(1)物理意義：

粘度——物理性質(zhì)參數(shù)，與流動狀態(tài)無關(guān)

粘度的物理意義：促使流體流動時產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力

粘度總是和速度梯度相聯(lián)系，只有在流體運動時才顯示出來85第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動(2)單位：SI制：CGS制：86第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動(3)影響因素：流體種類與壓力無關(guān)溫度有關(guān)氣體：T↑，μ↑；液體：T↑，μ↓

氣體:分子運動速度加快、碰撞次數(shù)增加是主要方面，所以升溫使粘性力增大。

溫度升高分子運動速度加快、碰撞次數(shù)增加，內(nèi)摩擦力增加分子間距離增加，內(nèi)摩擦力減小液體:分子間距比氣體分子間距小、分子間距變大是矛盾的主要方面，所以升溫使粘性力減??；87第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動（4）粘度數(shù)據(jù)的獲得常用流體的粘度可從有關(guān)手冊和附錄查得s88第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動常壓混合氣體的粘度估算μm－常壓下混合氣體的粘度yi－混合氣體中組分的摩爾分?jǐn)?shù)μi－組分的粘度Mi－組分的摩爾質(zhì)量不締合液體混合物的粘度μm－混合液體的粘度

xi

－混合液體中的組分的摩爾分?jǐn)?shù)μi

－與液體混合物同溫度下組分的粘度下標(biāo)i表示組分的序號89第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動1St=100cSt（5）運動粘度——粘度另一表現(xiàn)形式單位：SI制：m2/sCGS制：

㎝2/S

稱為斯托克斯，簡稱為“St”1㎡/s=104St=106cSt即粘度與密度之比稱為運動粘度90第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動滿足牛頓粘性定律的流體稱為牛頓流體（Newtonianfluid）(6)牛頓流體：非牛頓流體（血液、牛奶、果汁等）：

不再為一常數(shù)，而與dux/dy有關(guān)本書只研究牛頓流體91二、流動類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象1.雷諾實驗－層流和湍流（內(nèi)部質(zhì)點的運動情況）

流體流動形態(tài)有兩種截然不同的類型，一種是滯流（或?qū)恿鳎?；另一種為湍流（或紊流）。兩種流型在內(nèi)部質(zhì)點的運動方式，流動速度分布規(guī)律和流動阻力產(chǎn)生的原因都有所不同，但其根本的區(qū)別還在于質(zhì)點運動方式的不同。92《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象1883年，雷諾實驗93《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象層流：質(zhì)點沿管軸作有規(guī)則的平行運動，各質(zhì)點互不碰撞，互不混合。湍流：流體質(zhì)點沿管軸線方向流動的同時還有任意方 向上的湍動，因此空間任意點上的速度都是不 穩(wěn)定的，大小和方向不斷改變。

湍流流體的流速波形反映了湍動的強弱與頻率，同時也說明宏觀上仍然有一個穩(wěn)定的時間平均值。其它參數(shù)如溫度、壓強等也有類似性質(zhì)。

湍流的特點94《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象研究發(fā)現(xiàn)影響流體質(zhì)點運動情況的因素流體的性質(zhì)（主要為ρ、μ

）設(shè)備情況（主要為d）

操作參數(shù)（主要為流速u）把這三種影響流動狀態(tài)的因素組合成duρ/μ的形式，成為雷諾準(zhǔn)數(shù)95《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象—無因次數(shù)群2.流型的判據(jù)—雷諾(Reynolds)準(zhǔn)數(shù)

無論采用何種單位制，只要數(shù)群中各物理量單位一致，所算出的Re數(shù)值必相等ρ----流體密度μ----流體粘度

d-----管內(nèi)徑

u-----流速量綱，又叫作因次（Fundamentalunit），是表示一個物理量由基本量組成的情況。確定若干個基本量后，每個導(dǎo)出量都可以表示為基本量的冪的乘積的形式。將一個物理導(dǎo)出量用若干個基本量的冪之積表示出來的表達式，稱為該物理量的量綱乘積式或量綱式，亦簡稱量綱。規(guī)定七個基本物理量，在量綱中分別用七個字母表示它們的量綱，他們是：長度（L），質(zhì)量（M），時間（T），電流（I），溫度（θ），物質(zhì)的量（N），發(fā)光強度（J）《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象雷諾準(zhǔn)數(shù)的量綱推導(dǎo)：d的單位為m:

u的單位為m/s:ρ的單位為kg/m3:μ的單位為pa*s:《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象雷諾準(zhǔn)數(shù)的量綱推導(dǎo)：99《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象層流湍流過渡區(qū)對直管內(nèi)的流動而言：流型的判別*在生產(chǎn)操作條件下，常將Re＞3000的情況按湍流考慮。*Re的大小不僅是作為層流與湍流的判據(jù)，而且在很多地方都要用到它。不過使用時要注意單位統(tǒng)一。另外，還要注意d，有時是直徑，有時是別的特征長度。注意事項例:20oC的水在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)流動,流速為2m/s。試計算：(1)Re的數(shù)值，并判斷水在管內(nèi)的流動狀態(tài)；(2)水在管內(nèi)保持層流流動的最大流速。解：(1)由附錄查得水在20oC時,=998.2kg/m3,《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象(2)水在管內(nèi)保持層流流動的最大雷諾數(shù)為2000，即湍流101《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象例：運動粘度為90cSt的油品在φ168×5mm的管內(nèi)流動，試求油品作層流流動的臨界（即最大）速度。

解：d=0.158m，Re=2000，=90cSt=9×10-5m2/s時均量與脈動量圖1-17點i的流體質(zhì)點的速度脈動曲線示意圖時均值脈動值第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象層流與湍流的區(qū)別在于質(zhì)點運動的方式有本質(zhì)區(qū)別103《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象三、圓管內(nèi)的速度分布

無論是滯流、湍流還是過渡流，在管道內(nèi)任意截面上不同半徑處，各流體質(zhì)點的速度是不同的，即由于粘性的作用，在管壁上速度為零，在管道的軸線上速度最大。管道內(nèi)的速度分布因流動類型的不同而各異。圖1-18作用于圓管中流體上的力《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象R《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象設(shè)流體在半徑為R的水平直管段內(nèi)作層流流動，取流體元：長為l、半徑為r。分析受力，得到《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象層流時剪應(yīng)力服從牛頓黏性定律作用在流體柱上的阻力為流體作等速運動時，推動力與阻力大小必相等，方向必相反，故《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象積分上式的邊界條件:當(dāng)r=r時，ur=ur;當(dāng)r=R(在管壁處)時，ur=0。上式為流體在圓管內(nèi)作層流流動時的速度分布表達式。它表示在某一壓強降Δpf之下，ur與r的關(guān)系為拋物線方程。《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象圖1-19圓管內(nèi)速度分布

(a)

滯流

《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象管截面平均速度管截面體積流量代入積分，得管截面平均速度《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象當(dāng)r=0時，管中心處的速度為最大流速，即層流時圓管截面平均速度與最大速度的關(guān)系為比較與管截面平均速度《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象湍流時，流體質(zhì)點的運動情況比較復(fù)雜，目前還不能完全采用理論方法得出湍流時的速度分布規(guī)律。112層流—呈拋物線狀分布,且湍流—與有關(guān)，速度分布曲線不再是嚴(yán)格的拋物線《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象113《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象RemaxReu/umax與Re、Remax的關(guān)系（湍流）114《化工原理》——第一章流體流動第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象流型

滯（層）流

湍（紊）流判據(jù)Re≤2000Re≥4000

質(zhì)點運動情況沿軸向作直線運動，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

管內(nèi)速度分布

拋物線方程:壁面處uw=0,管中心umaxu＝１／２ｕｍａｘ碰撞和混合使速度平均化壁面處uw=0,管中心umax

現(xiàn)象方程

可解析

不可解析

表2兩種流型的比較115第三節(jié)流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象《化工原理》——第一章流體流動四、層流內(nèi)層①薄②隨湍流程度增大，越來越薄很大③層流內(nèi)層：邊界層內(nèi)近壁面處一薄層，無論邊界層的流 型為層流或湍流，其流動類型均為層流116流體在平板上流動時的邊界層：

1171.4.3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。118

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。119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。

120流體在圓管內(nèi)流動時的邊界層

在完全發(fā)展了的流動開始之時，若邊界層為層流，則管內(nèi)流動仍為層流，反之，為湍流121

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(層流內(nèi)層)。122湍流流動時：1232.邊界層的分離ABS粘性應(yīng)力對邊界層的流體來說是阻力，所以隨著流體沿物面向后流動，邊界層內(nèi)的流體會逐漸減速，增壓。由于流體流動的連續(xù)性，邊界層會變厚以在同一時間內(nèi)流過更多的低速流體。因此邊界層內(nèi)存在著正壓梯度，流動在正壓梯度作用下，會進一步減速，最后整個邊界層內(nèi)的流體的動能都不足以長久的維持流動一直向下游進行，以致在物體表面某處其速度會與勢流的速度方向相反，即產(chǎn)生逆流。該逆流會把邊界層向勢流中排擠，造成邊界層突然變厚或分離124邊界層分離的后果：產(chǎn)生大量旋渦；造成較大的能量損失。125流體在管內(nèi)流動現(xiàn)象小結(jié)

牛頓粘性定律是牛頓流體在作層流流動時的過程特征方程。它雖然是一個簡單的實驗定律，但在流體流動尤其是層流解析中具有重要作用。流體按其流動狀態(tài)有層流與湍流兩種流型，這是有本質(zhì)區(qū)別的流動現(xiàn)象。在流體流動、傳熱及傳質(zhì)過程等工程計算中，往往必須先確定之。流型判斷依據(jù)是Re的數(shù)值。層流速度分布的描述采用一般物理定律十過程特征定則的方法，得到完全解析的結(jié)果。湍流時，由于過程特征規(guī)律不確定(渦流粘度e為流動狀態(tài)的函數(shù)，難以關(guān)聯(lián))，而使問題無法解析，只有采用實驗測定的方法。層流內(nèi)層的厚度與Re值有關(guān)，對傳遞過程有很大的影響?！痘ぴ怼贰谝徽铝黧w流動126第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力《化工原理》——第一章流體流動本節(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’,前者主要是表面摩擦，后者以形體阻力為主。

（2）管路系統(tǒng)總能量損失的計算（3）降低管路系統(tǒng)能量損失的途徑127第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力《化工原理》——第一章流體流動阻力產(chǎn)生的原因:1)流體具有粘性，流動時存在內(nèi)摩擦2)流體流過閥門、管件、三通時速度的大小方向改變流動阻力hf直管阻力局部阻力hf’直管阻力損失+阻力損失=局部阻力損失阻力的表現(xiàn)形式——壓強降Δpf

Δpf=ρ∑hf128129130蝶閥131132133第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力《化工原理》——第一章流體流動一、直管阻力損失范寧公式討論：＊范寧公式適用于計算各種直管阻力。適于層流和湍流，適用于水平管、垂直管、傾斜管等各種管道中直管阻力的計算。134《化工原理》課件——第一章流體流動《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力＊其他表示形式＊135第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力《化工原理》——第一章流體流動絕對粗糙度——壁面凸出部分的平均高度相對粗糙度——按管壁粗糙度可分為：光滑管（玻璃管、黃銅管、塑料管等）粗糙管（鋼管和鑄鐵管等）1.管壁促造度對λ的影響注：實際上，管壁的粗糙程度不僅與材質(zhì)有關(guān)，而且與腐蝕、污垢、使用時間等因素有關(guān)。136《化工原理》課件——第一章流體流動層流：湍流《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力光滑管粗糙管與光滑管相似層流137《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力138《化工原理》課件——第一章流體流動(1)層流區(qū)()：2.Moody圖—四個區(qū)域：《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力Moodyλ與無關(guān)，泊謖葉方程139《化工原理》課件——第一章流體流動(2)湍流區(qū)(及虛線以下的區(qū)域)①光滑管：《化工原理》——第一章流體流動(3)過渡區(qū)(Re=2000～4000)—按湍流處理。②粗糙管：得

=0.028查圖：第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力查圖Moody140《化工原理》課件——第一章流體流動(4)完全湍流區(qū):=f(/d),與Re無關(guān)

《化工原理》——第一章流體流動虛線以上區(qū)域,又稱阻力平方區(qū)。若ε/d為常數(shù)，λ即為常數(shù)ε/d越大，達到阻力平方區(qū)的Re值越低。第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力Moody141《化工原理》課件——第一章流體流動Moody圖《化工原理》——第一章流體流動層流湍流完全湍流滯流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)完全湍流區(qū)，粗糙管142《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力四區(qū)域阻力系數(shù)比較143《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力3.非圓直管流動阻力

當(dāng)量直徑代替d

例:外管內(nèi)徑為Di、內(nèi)管外徑為do的同心套管環(huán)隙:144《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力說明：①

②計算流速u時，應(yīng)以實際的流通截面積計算。③計算湍流較可靠，用于層流時，修正為

145《化工原理》課件——第一章流體流動例:套管換熱器內(nèi)外管均為光滑管,直徑各為302.5mm與563mm。平均溫度為40oC的水以10m3/h流過套管環(huán)隙,試估算水通過環(huán)隙每米管長的壓強降。

解：設(shè)外管內(nèi)徑為d0，內(nèi)管外徑為di《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力流通截面積流速d0di146《化工原理》課件——第一章流體流動查附錄查Moody圖：《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力湍流環(huán)隙當(dāng)量直徑147《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力

流體流過角彎、閥門、以及管徑突變處，流速、方向發(fā)生變化，使渦流加劇而消耗能量，即使在直管中處于滯流狀態(tài)，流過這些局部也可能變?yōu)橥牧?；因此計算流動阻力時必須考慮這些局部的影響。二、局部阻力的計算：局部阻力損失難于精確計算，通常采用以下兩種方法：

1、阻力系數(shù)法

2、當(dāng)量長度法148《化工原理》課件——第一章流體流動二、局部阻力損失1.阻力系數(shù)法：《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力式中h`f——局部阻力，Jkg-1

——局部阻力系數(shù)，無因次(1)局部阻力系數(shù)一般由實驗測定，可查手冊獲取。某些管件和閥門的局部阻力系數(shù)列于表1-3中。149《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力表1-3某些管件和閥門的局部阻力系數(shù)

150《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力(2)管路突然擴大與突然縮小突然擴大突然縮小

計算能量損失時為小管平均流速；151《化工原理》課件——第一章流體流動(3)進口與出口：注意：①管內(nèi)側(cè)：動能為u2/2，不計出口損失，h’f出口=0；②管外側(cè)：動能為0，h’f出口=u2/2?！痘ぴ怼贰谝徽铝黧w流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力152《化工原理》——第一章流體流動第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力2.當(dāng)量長度()法::當(dāng)量長度計算局部阻力時，λ及u值與管徑為d的圓管相同。表示流體流過某一管件或閥門的局部阻力，相當(dāng)于流過一段管徑為d、長度為le的直管阻力。153《化工原理》——第一章流體