化工基础._管内流体流动的阻力.ppt

湍流: 流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流或紊流。 过渡流： 流动类型不稳定，介于层流和湍流之间，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。过渡流不是一种流型。 将流体受壁面影响而存在速度梯度的区域称为流体流动的边界层。 当流体流入圆管时，只在进口附近一段距离内(入口段)有边界层内外之分。 经此段距离后，边界层扩大到管中心，如图。在会合时，若边界层内流动是滞流，则以后管路中的流动为滞流。若在会合点之前边界层内流动已发展为湍流，则以后管路中的流动为湍流。 边界层的分离 （2） 局部阻力 * 化 工 基 础 3.4 管内流体流动的阻力 教学目的： 重 点： 难 点： 了解流体流动时产生阻力的原因，掌握流动阻力的计算，并应用于实际管路中阻力的计算。 流体在圆管内流动时阻力的计算 利用因次分析法解决工程实际问题 1、管、管件及阀门简介 （1）管： 管子 铸铁管（水管、煤气管、污水管） 钢管（有缝、无缝） 特殊钢管 有色金属管 塑料管 橡胶管 管子 光滑管（玻璃管、铜管、铅管、塑料管等） 粗糙管（旧钢管、铸铁管） 管壁的相对粗糙度 （2）管件： 弯管 大小头 冲压弯 管与管的连接部分，它主要是用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。 承插管件 法兰 法兰 封头 （3）阀门: 安装于管道中用以切断或调节流量。 球阀 截止阀 闸阀 止逆阀 2. 流动的形态 （1）两种流动形态 为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响,可安排如图所示的实验。这个实验称为雷诺实验。 流体流动形态有两种截然不同的类型，一种是滞流（或层流）；另一种为湍流（或紊流）。两种流型在内部质点的运动方式，流动速度分布规律和流动阻力产生的原因都有所不同，但其根本的区别还在于质点运动方式的不同。 滞流（也称为层流）：流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。层与层之间没有明显的干扰。 实验证明，流体的流动状况是由多方面因素决定的，流速u能引起流动状况改变,而且管径d、流体的粘度μ和密度ρ也可以。通过进一步的分析研究，可以把这些影响因素组合成为一个复合数群，此类数群称为特征数。 （2）流动形态的判据 Re准数是一个无因次数群。组成此数群的各物理量,必须用一致的单位表示。因此,无论采用何种单位制,只要数群中各物理量的单位一致,所算出的Re值必相等。 此数群称为雷诺数，以Re表示，可判别流体的流动形态 对直管内的流动而言： Re ≤ 2000 层流区 2000 Re 4000 由层流转变为湍流的过渡区 Re ≥ 4000 湍流区 （3）滞流和湍流的特征 滞流时流速沿管径呈抛物线分布，管中心处流速最大，管截面各点速度的平均值为管中心处最大速度的0.5倍 湍流时，流体质点强烈湍动有利于交换能量，使得管截面靠中心部分速度分布比较均匀流速分布曲线前沿平坦，而近壁部分的质点受壁面阻滞，流速分布较为陡峭，湍流的平均速度约为最大速度的0.8倍。 图：滞流和湍流的流速分布 对于非圆形管道，计算Re时，应以当量直径de代替特征数中的直径d 。当量直径的定义为： 例：直径d1的外套管与直径d2的内套管所形成的环行通道的 当量直径为： 矩形流道的当量直径为： 例 若将20℃硫酸用48mmx3.5mm的冷拨无缝钢管输送，试求其达到湍流时的最低流速和流量，并与水比较。 解 20℃的硫酸粘度为2.54×10-3Pa.s，密度为1840kg.m-3， 湍流的条件为： 由此求得达到湍流的最低流速v=1.35m.s-1，最低流量为 按同样条件输送水时，可求得相应流速v=0.098m.s-1,最低流量为0.00013m3.s-1 在边界层内，由于速度梯度较明显，即使流体的粘性很小，粘滞力的作用也不容忽略；在边界层以外，速度梯度小到可以忽略，无需考虑流体的粘滞力。 边界层的界限延伸至距壁面无穷远处。工程上规定u=0.99u主体 （4）流动边界层 A-B:流通截面减小，加速减压 B-C：减速加压 C-D：分离面 C点：分离点 B点:流速最大,压力最小 边界层分离后出现流体空白区，回流形成涡流。 流体对圆柱体的绕流 边界层分离：当流体沿曲面流动或流动中遇障碍物时，不论是层流或湍流，会发生