化工原理(流体流动)分解.ppt

第一章 流体流动 三、确定液封高度 1 测速管 湍流时的?为阻力系数 光滑管：3×103Re105, 湍流 粗糙管： 3×103Re106, 滞流区 过渡区 湍流区 完全湍流，粗糙管 光滑管 Re ?/d ? 摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系 (双对数坐标) 上图可以分成4个不同区域。 层流区： Re?2000，?=64/Re ，与?/d无关。 过渡区： 2000 Re 4000 湍流区： Re ?4000, ?与Re 和?/d有关。 完全湍流区(阻力平方区)： ?与Re 无关， 仅与?/d有关。 查表举例 1. Re=103， ?=0.06 Re=104，?/d=0.002 ?=0.034 3. Re=107，?/d=0.002 ?=0.023 圆管 R r A— 管道截面积 ?— 浸润周边长度 当量直径法： a b 矩形管 环形管 流体在非圆直管中的阻力 研究结果表明，当量直径用于湍流时很可靠，用于层流时还需对阻力系数?作进一步校正。 式中：C为校正系数 长/宽=4 长/宽=2 73 62 96 53 57 常数C 长方形 环形 等边三角形 正方形 非圆形管的截面形状 表 某些非圆形管的常数C 流体流经管件时，其速度的大小、方向等发生变化，出现漩涡，内摩擦力增大，形成局部阻力。 局部阻力以湍流为主，层流很少见，因为层流流体受阻后一般不能保持原有的流动状态。 常见的局部阻力有： 突扩 突缩 弯头 三通 2 局部阻力 由局部阻力引起的能耗损失的计算方法有两种：阻力系数法和当量长度法。 ?为局部阻力系数。由实验得出，可查表或图。 2.1 阻力系数法 影响流体流动类型的因素： 流体的流速u ； 管径d； 流体密度ρ； 流体的粘度μ。 u、d、ρ越大，μ越小，就越容易从层流转变为湍流。上述中四个因素所组成的复合数群duρ/μ，是判断流体流动类型的准则。 这数群称为雷诺准数或雷诺数(Reynolds number)，用Re表示。 雷诺准数的因次 Re数是一个无因次数群。 大量实验表明： Re≤2000，流动类型为层流； Re≥4000，流动类型为湍流； 2000＜Re＜4000，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。 在两根不同的管中，当流体流动的Re数相同时，只要流体边界几何条件相似，则流体流动状态也相同。这称为流体流动的相似原理。 图1-16 速度分布：流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。 一、流体在圆管中层流时的速度分布 ??? ??? 由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。 速度分布为抛物线形状。 管中心的流速最大； 速度向管壁的方向渐减； 靠管壁的流速为零； 平均速度为最大速度的一半。 ??? 流体在圆管内的速度分布 实验证明，层流速度的抛物线分布规律要流过一段距离后才能充分发展成抛物线的形状。 当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度的两倍时，层流速度分布的抛物线规律才算完全形成。尚未形成层流抛物线规律的这一段，称为层流起始段。X0＝0.05dRe X0 滞流边界层 R u r P1 F P2 u l 1 1 2 2 如图所示，流体在半径为R 的水平管中作稳定流动。在流体中取一段长为 l，半径为r的流体圆柱体。在水平方向作用于此圆柱体的力有两端的总压力(P1-P2)及圆柱体周围表面上的内摩擦力F。 1 速度分布方程式 作用于圆柱体两端的总压力分别为 P1＝πr2p1 P2＝πr2p2 式中的p1、p2分别为左、右端面上的压强，N/m2。 式中的负号表示流速沿半径增加的方向而减小。 流体作层流流动时内摩擦力服从牛顿粘性定律，即 作用于流体圆柱体周围表面2πrl上的内摩擦力为 由于流体作等速流动，根据牛顿第二定律，这些力的合力等于零。 故 式中 Δp —— 两端的压力差(p2－p1)。 即 利用管壁处的边界条件，r＝R时，u＝0 。可得 （1-36） 积分 式(1-36)为速度分布微分方程式。由此式可知，速度分布为抛物线形状。 （1-36） 当r =0 时，有 R dr r u R u r P1 F P2 l 1 1 2 2 2 流量 ——哈根方程 3 平均流速 湍流：除沿轴向的运动外，在径向上还有舜时脉动，从而产生漩涡。 ui ui’ ui θ θ1 θ2 三、流体在圆管中湍流时的速度分布 湍流的速度分布目前还没有理论推导，但有经验公式。 1 2 速度分布有两个区域：