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1、流体流动与输送机械,第二章,00:17:30,2,三.流动类型与雷诺准数,（一）雷诺试验,a称为滞流或层流,b称为湍流或紊流,水的质点沿着与管轴平行的方向作直线运动，不产生横向运动。,质点除了沿管道向前运动外，还作不规则的杂乱运动，质点速度的大小和方向随时间而发生变化,00:17:30,3,三.流动类型与雷诺准数,影响流体质点运动情况的因素有三个方面，即流体的性质（主要为、），设备情况（主要为d）及操作参数（主要为流速u）。（二）雷诺准数Re,雷诺综合上述诸因素整理出一个无因次数群雷诺准数,Re2000时属于层流；Re4000时（生产条件下Re3000）属湍流；Re=20004000之间时，属
2、不稳定的过渡区。,对于流体在直管内的流动,00:17:30,4,四、滞流与湍流,（一）流体内部质点的运动方式流体在管内作滞流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并互相碰撞混合，产生大大小小的旋涡。管道截面上某被考察的质点在沿管轴向前运动的同时，还有径向运动。即在湍流中，流体质点的不规则运动，构成质点在主运动之外还有附加的脉动。质点的脉动是湍流运动的最基本特点。湍流实际上是一种非定态的流动。,00:17:30,5,四、滞流与湍流,（二）流体在圆管内的速度分布 无论是滞流或湍流，在管道任意截面上，流体质点的速度沿管径而
3、变化，管壁处速度为零，离开管壁以后速度渐增，到管中心处速度最大。速度在管道截面上的分布规律因流型而异。,滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布，截面上各点速度的平均值u等于管中心处最大速度umax的0.5倍。,湍流时，由于流体质点的强烈分离与混合，使截面上靠管中心部分各点速度彼此扯平，速度分布比较均匀，所以速度分布曲线不再是严格的抛物线。,00:17:30,6,五.边界层的概念,边界层的存在，对流体流动、传热和传质过程都有重大影响。,（一）流体在平板上流动边界层的形成和发展,平板上的流动边界层1-8,u99us的区域称为流动边界层,边界层的形成，把沿壁面的流动简化成边界层区与主流区两个区域，离壁
4、面越近，速度梯度越大，摩擦应力相当大，不可忽视。,在主流区内，可认为速度梯度不变，即速度梯度为零，粘度没有影响，摩擦应力可忽略不计，此区域流体可视为理想流体。,00:17:30,7,随着流体的向前运动，粘性对外流区流体持续作用，促使更多的流体层速度减慢，从而使边界层的厚度随自平板前缘的距离x的增长而逐渐变厚。此过程即边界层的发展。,五.边界层的概念,00:17:30,8,边界层内进壁面处的一薄层，无论边界层的流型为层流或湍流其流动类型均为层流。,厚度随雷诺数Re的增加而减小,层流内层的厚薄，不仅对流体流动时产生的阻力大小有影响，而且对传热传质过程都有重大影响。,层流内层,00:17:30,9,
5、2-4 流体在管内的流动阻力,一、概述 1流动阻力产生的原因 2流动阻力分类二、流体在直管中的流动阻力（一）圆形直管中的流动阻力（二）非圆形管的当量直径 三、管路上的局部阻力 1.局部阻力系数法 2.当量长度法四、管路系统中的总能量损失,00:17:30,10,一.概述,1、流动阻力产生的原因,流体有粘性，流动时产生内摩擦阻力产生根源,固体表面促使流动流体内部发生相对运动提供了流动阻力产生的条件。流动阻力大小与流体本身物性（主要为m，r），壁面形状及流动状况等因素有关。,00:17:30,11,一.概述,2、流动阻力分类,流体在管路中流动的总阻力由直管阻力与局部阻力两部分构成,直管阻力：由于流
6、体和管壁之间的摩擦而产生；局部阻力（形体阻力）：由于速度的大小或方向的改变而引起。,00:17:30,12,二、流体在直管中的流动阻力,在图中1-1与2-2两截面之间（以管中心线为基准水平面）列柏努利方程式并化简，得到,1、不可压缩流体定态流过水平直管,(二)圆形管的阻力损失,2、流体阻力的表示方法对应于机械能衡算的三种形式，流体阻力损失亦有三种表达形式：,阻力损失与压力差的区别：pf 流体流经两截面间的机械能损失；p 任意两点间的压力差。,kJ/kg,m,Pa,二者之间的关系：,即：水平、等径直管，无外功加入时，两截面间的阻力损失与两截面间的压力差在数值上相等。,3、计算圆形直管阻力的通式,
7、垂直作用于截面1-1上的压力：,垂直作用于截面2-2上的压力：,平行作用于流体表面上的摩擦力为：,3、计算圆形直管阻力的通式,水平、等径、直管、定态,成立的条件？,圆形直管内能量损失与摩擦应力关系式,公式的变换,为无因次的系数，称为摩擦因数。,?,4、管壁粗糙度对摩擦系数的影响,层流运动流体运动速度较慢,与管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系数与无关，只与Re有关。层流时，在粗糙管的流动与在光滑管的流动相同。,4、管壁粗糙度对摩擦系数的影响,4.滞流时的摩擦损失,哈根-泊谡叶公式,滞流流动时与Re的关系,湍流时直管阻力损失,式中 为摩擦系数，无因次，其值随流型而变，湍流时还受管壁粗糙度的影响。,式中
8、：/d为管壁粗糙程度和管径d之比，称为相对粗糙度，量纲为一。,a)层流区：Re2000，与Re成直线关系，=64/Re。b)过渡区：2000Re4000，管内流动随外界条件的影响而 出现不同的流型，摩擦系数也因之出现波动。,c)湍流区：Re4000且在图中虚线以下处时，值随Re数的增大而减小。,d)完全湍流区：图中虚线以上的区域，摩擦系数基本上不随Re的变化而变化，值近似为常数。根据范宁公式，若l/d一定，则阻力损失与流速的平方成正比，称作阻力平方区。,2)值的经验关系式,柏拉修斯(Blasius)光滑管公式,适用范围为Re=51031105，此时能量损失约与u的1.75次方成正比。考莱布鲁克
9、（Coebrook)公式：,适用于湍流区的光滑管与粗糙管，直至完全湍流区,00:17:31,28,二、流体在直管中的流动阻力,（二）非圆形管内的摩擦损失,对于非圆形截面的通道，可以用一个与圆形管直径d相当的“直径”来代替，称作当量直径，用de表示。,de=,试推导下面两种形状截面的当量直径的计算式。（1）管道截面为长方形，长和宽分别为a、b；（2）套管换热器的环形截面，外管内径为d1，内管外径为d2。,对于长宽分别为a与b的矩形管道：,对于一外径为d1的内管和一内径为d2的外管构成的环形通道,00:17:31,31,三、管路上的局部阻力,1、局部阻力系数法,突然扩大和突然缩小的局部阻力系数1-
10、12.,克服局部阻力所引起的能量损失，可表示成动能,的某个倍数，,（1-58）,或,（1-58a）,式中为局部阻力系数由实验测定,即,00:17:31,32,2、当量长度法,把局部阻力折算成相应长度的直管阻力，即,（1-59）,常见的管件和阀门的局部阻力系数及当量长度le值可查表1-7（教材P35）。,100mm 的闸阀 1/2 关,le=22m,100mm 的缩口1/4的三通,le=2.2m,100mm 的闸阀全开,le=0.75m,三、局部阻力损失计算,00:17:31,34,四、管路系统中的总能量损失,管路系统的总能量损失（总阻力损失）是管路上全部直管阻力和局部阻力之和。当流体流经直径不
11、变的管路时，可写出,（1-60）,或,（1-60a）,00:17:31,35,（1）合理布局，尽量减少管长，少装不必要的管件阀门；（2）适当加大管径并尽量选用光滑管；（3）在允许条件下，将气体压缩或液化后输送；（4）高粘度液体长距离输送时，可用加热方法（蒸汽伴管），或强磁场处理，以降低粘度；（5）允许的话，在被输送液体中加入减阻剂；（6）管壁上进行预处理低表面能涂层或小尺度肋条结构。,根据上述可分析欲降低可采取如下的措施：,四、管路系统中的总能量损失,【例 1】,容器 B 内保持一定真空度，溶液从敞口容器 A 经内径 为30mm导管自动流入容器 B 中。容器 A 的液面距导管出口的高度为 1.
12、5m，管路阻力损失可按 hf=5.5u2 计算（不包括导管出口的局部阻力），溶液密度为 1100kg/m3。试计算：送液量每小时为 3m3 时，容器 B 内应保持的真空度。,解：取容器A的液面1-1截面为基准面，导液管出口内侧为2-2截面，在该两截面间列柏努利方程，有,【例 1】,水由水箱底部 d=30mm的泄水孔排出。若水面上方保持 20mmHg 真空度，水箱直径 D 为1.0m，盛水深度1.5m，试求(1)能自动排出的水量及排水所需时间；(2)如在泄水孔处安装一内径与孔径相同的0.5m长的导水管（虚线所示），水箱能否自动排空及排水所需时间（流动阻力可忽略不计。）,解：(1)设 t 时箱内水
13、深 H，孔口流速为 u，以孔口面为基准面，在水面与孔口截面间列柏努利方程，有,【例 2】,设 dt 时间内液面下降高度为 dH，由物料衡算得,u=0 时，不再有水流出，此时,【例 2】,(2)t 时刻，以导管出口为基准面，在水箱液面与导管出口间列柏努利方程，有,箱内水排空，H=0，导管内流速 u=1.50 m/s，水能全部排出。所需时间为,【例 2】,用泵向压力为0.2MPa（表）的密闭水箱供水，流量为150m3/h，泵轴中心线距水池和水箱液面的垂直距离分别为 2.0m 和 25m。吸入、排出管内径为 205mm 和180mm。吸入管长 10m，装有吸水止逆底阀(摇板式）和 90标准弯头各一；
14、排出管长 200m，有全开闸阀和 90标准弯头各一。试求泵吸入口处 A 点的真空表读数和泵的轴功率（设泵的效率为65%）。,解：1000 kg/m3，1.010-3 Pas，设吸入和排出管内流速为 uA 和 uB，则,【例 3】,取管壁绝对粗糙度0.3mm，则,查图得摩擦系数,水泵吸水底阀,90的标准弯头,闸阀（全开）,进口突然缩小,【例 3】,/d=1.4610-3 Re=2.58 105,=0.022,【例 3】,取水池液面1-1截面为基准面，泵吸入点处A为2-2截面，在该两截面间列柏努利方程，有,【例 3】,泵的轴功率,又取水箱液面为3-3截面，在1-1与3-3截面间列柏努利方程有,管路
15、质量流量,排出管路：,90的标准弯头,闸阀（全开）,出口突然缩小,【例 3】,用泵把20的苯从地下储罐送到高位槽，流量为300 l/min。高位槽液面比储罐液面高10m。泵吸入管路用894mm的无缝钢管，直管长为15m，管路上装有一个底阀（可粗略的按旋启式止回阀全开时计）、一个标准弯头；泵排出管用573.5mm的无缝钢管，直管长度为50m，管路上装有一个全开的闸阀、一个全开的截止阀和三个标准弯头。储罐及高位槽液面上方均为大气压。设储罐液面维持恒定。试求泵的轴功率。设泵的效率为70%。,【例 4】,分析：,求泵的轴功率,柏努利方程,管径不同,范宁公式,l、d已知,摩擦因数图,【例 4】,解：取储
16、罐液面为上游截面1-1，高位槽液面为下游截面2-2，并以截面1-1为基准水平面，在两截面间列柏努利方程式。,式中：,（1）吸入管路上的能量损失,【例 4】,式中,管件、阀门的当量长度为：底阀(按旋转式止回阀全开时计）6.3m 标准弯头 2.7m,进口阻力系数 c=0.5,【例 4】,苯的密度为880kg/m3，粘度为6.510-4Pas,取管壁的绝对粗糙度=0.3mm，/d=0.3/81=0.0037，查得=0.029,【例 4】,（2）排出管路上的能量损失 hf,b,式中:,管件、阀门的当量长度分别为：全开的闸阀 0.33m全开的截止阀 17m三个标准弯头 1.63=4.8 m,【例 4】,
17、出口阻力系数 e=1,仍取管壁的绝对粗糙度=0.3mm，/d=0.3/50=0.006，查得=0.0313,【例 4】,（3）管路系统的总能量损失:,苯的质量流量为：,泵的有效功率为：,泵的轴功率为：,【例 4】,00:17:31,54,1-5 管路计算与管路布置原则,一、概述二、简单管路计算 三、并联管路计算 四、分支管路计算 五、管路布置的一般原则,00:17:31,55,一、概述,1、管路计算内容和基本关系式,设计型计算,是给定输送任务，设计经济合理的输送管路系统，其核心是管径。,操作型计算,是对一定的管路系统求流量或对规定的输送流量计算所需能量。,是连续性方程，柏努力方程（包括静力学方
18、程）及能量损失计算式（含的确定）。,管路计算的基本关系式,00:17:31,56,一、概述,2、管路分类 按管路布局可分为简单管路与复杂管路（包括并联管路和分支管路）的计算。按计算目的有三种命题：（1）对于已有管路系统，规定流量，求能量损失或We；（2）对于已有管路系统，规定允许的能量损失或推动力，求流体的输送量；（3）规定输送任务和推动力，选择适宜的管径。,00:17:31,57,二、简单管路计算,1、简单管路操作型计算,对一定的流体输送管路系统，核算在给定条件下的输送量或能量损失,2、简单管路设计型计算,对于规定流量和推动力求管径的设计型计算，需试差法。试差起点一般是先选流速u，然后计算d
19、和We。由于不同的u对应一组d与We，需要选择一组最经济合理的数据优化设计。,由等径或异径管段串联而成的管路系统称为简单管路，流体通过各串联管段的流量相等，总阻力损失等于各管段损失之和。,00:17:31,58,二、简单管路计算,3、简单管路的计算原则简单管路计算常用三个方程联立求解，,连续性方程,柏努利方程,摩擦阻力系数计算式,【例113】10的水以10m3h的流量流经25m长的水平无缝钢管，设管两端的压强差为5mH 20，求管子的适宜直径?,00:17:31,59,解,因为所给Hf0Hf，故所选管径符合要求。,00:17:31,60,三、并联管路计算,流体流经图1-43所示的并联管路系统时，遵循如下原则：,主管总流量等于各并联管段之和,即,V=V1+V2+V3,各并联管段的压强降相等,即,或,各并联管路中流量分配按等压降原则计算，即,00:17:31,61,四、分支管路计算,分支管路1-14,流体经图1-44所示的分支管路系统时，遵循如下原则：,五、管路布置的一般原则,见教材P37 共有9项原则,00:17:31,62,作业：,
