化工原理课件第1章：流体流动.ppt

1.4.2 湍流的基本特征 1. 层流时的速度分布 1.4.3 流体在圆管内的速度分布 则外表面所受剪应力： 把（2）代入（1）得： 积分： 2. 湍流时的速度分布 实验研究结果： 3. 平均速度和动能校正系数α ① 层流的u和α ② 湍流的u和α 平板上边界层的形成 1. 边界层（boundary layer) 主流区 边界层 u=0.99uo x 1.4.4 边界层及边界层脱体 2. 边界层的发展 湍流区：μ’＞＞μ 层流内层： μ’＜＜ μ 过渡层： μ’≈ μ 圆管入口段边界层的发展 δ＝d/2 3. 边界层分离 A点：u=0，Pmax A→B 流道缩小，加速减压， B→C： 减速加压， C 点： u迅速下降至0， C→C’ ： u=0， C’ 1.5 流体流动阻力 1.5.1 直管阻力损失 1. 层流时直管阻力损失 2. 湍流时直管阻力损失 106 ② 规划实验——减少工作量 （1） 以层流的阻力损失计算式为例： 可以写为： （2） 未处理前函数形式为： 处理后可写为： 可推测湍流时 的无因次形式为： 106 →103 线性化处理： 可求出K、a、b、c 关键： 必须无一遗漏地找出影响过程的主要因素 经过因次分析法组成有一定物理意义的无因次数群。 因次分析法的基础：量纲一致性原则 基本定理：π定理 1.5.2 直管阻力损失的计算式 1. 统一的表达形式： （层） （湍） 范宁公式 2. 摩擦系数λ ① 层流（Re＝2000） ② 湍流 考莱布鲁克式（Colebrook) 实际管的当量ε 1.5.3 局部阻力损失 1. 局部阻力系数法 1.5.3 局部阻力损失 2.当量长度法 突然扩大 突然缩小 容器的进口：ξ＝1.0 容器出口：ξ＝0.5 几种典型的局部阻力 1.5.3 局部阻力损失 ② 粘度——流体流动的特征 粘性系数或粘度是流体的一种物性。表示单位接触表面积上法向速度梯队为1时，由于流体粘性所引起的内摩擦力或剪应力的大小。 1.3.1 流体流动的基本概念 换算如下： 1厘泊（cP）＝10－2 泊（P）＝10－3 N·s/m2＝10－3 Pa·s 运动粘度： 单位：SI制 C.G.S制 1.3.1 流体流动的基本概念 温度对粘度的影响： 气体的粘度比液体的粘度大约小两个数量级。 压力对粘度的影响一般可以忽略不计 混合物的粘度 对于不缔合混合液体： 对于低压混合气体： 1.3.1 流体流动的基本概念 4. 粘性流体与理想流体 自然界中的流体都具有粘性，具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体。完全没有粘性即μ＝0 的流体称为理想流体。 理想流体实际上不存在，但引入理想流体的概念在研究实际流体流动时很重要。因为粘性的存在给流体流动的数学描述和处理带来很大困难，因此对于粘度较小的流体如水和空气等，在某些情况下可首先将其视为理想流体。但当粘性对流动起主导作用时，则实际流体不能按理想流体处理。 5. 非牛顿型流体 μ不为常数的流体称为非牛顿型流体。讨论非牛顿型流体时常取剪应力和法向速度梯度之比为表观粘度。 1.3.1 流体流动的基本概念 表观粘度随速度梯度的增大而增加 高固体含量的悬浮液 涨塑性流体 表观粘度随速度梯度的增大而降低 高分子溶液、油漆 假塑性流体 剪应力超过某临界值后才能流动，剪应力正比于法向速度梯度 油墨、泥浆 塑性流体 非牛 顿型 流体 剪应力正比于法向速度梯度 气体、水、大多数液体 牛顿型流体 特点 典型举例 类型 表1 牛顿型流体与非牛顿型流体特性 1.3.2 连续性方程式 对于一个稳定流动系统，系统内任意位置上均无物料累积，所有物料衡算关系可以写为： 流入体系的质量流量＝流出体系的质量流量 u1 u2 推广到管路系统中的任意截面，则有： （1-1） 若流体不可压缩，ρ为常数，则上式化为 （1-2） （1-1）和（1-2）称为一维稳态流动的连续性方程式。 对于圆形管道，不可压缩流体稳态流动的连续性方程可写为： 1.3.2 连续性方程式 1.3.3 机械能守恒 1. 假设流体为理想流体，沿轨线取微元作受力分析： 整理得： 同理有： 等式两边乘以dx、dy、dz，得： 按照速度的定义，有： ……代入上式，得： 三式相加，得： 1.3.3 机械能守恒 积分（ρ、g为常数），得： 此即沿轨线的柏努利方程 1.3.3 机械能守恒 1.3.3 机械能守恒 2. 理想流体管流的机械能守恒 管流：流体充满圆管内空间且沿管轴向流动 均匀管流，即流线平行，则截面为平面。 流线 p