流体流动-流体阻力的计算.ppt

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1、化工原理Reporter基础知识124流体静力学流体流动的类型第一章流体流动主要内容3流体动力学5流体流动阻力的计算6管路计算7流量测量流体流动的类型雷诺实验为了直接观察流体流动的类型及各种因素对流动状况的影响，英国著名科学家雷诺(Reynolds)于1883年首先作了一个如图所示的实验，揭示了流体流动的两种截然不同的流动型态，故称此实验为雷诺实验。当水的流速较小时，玻璃管水流中出现一条稳定而明显的染色直线。表明流体质点沿管轴作直线运动，即流体分层流动，且各层流体以不同的速度向前运动，把这种流型称为层流或滞流；水的流速逐渐加大到一定程度后

2、，染色细线开始弯曲并出现波浪形。表明流体质点不但沿管轴向前运动，而且开始有径向运动。当水流速度增大到某一临界值时，染色细线完全消失，与水流主体完全混成均匀的颜色。表明流体质点在总体上沿管路向前运动外，还有各个方向上的随机运动，把这种流型称为湍流或紊流。尽管湍流在流速快的部分有很强的径向混合，但在靠近壁的地方，流体流速很慢（原因是什么？），在壁面上的流体则流速为0，这一部分流体层面很薄，常被称为层流底层（层流内层）。层流底层与湍流层交界部分称为过渡区。边界层及边界层脱体边界层如何形成在层流中：层流边界层边界层界限湍流边界层层流内层（层流底层

3、）圆管入口边界层的发展边界层的分离（脱体）现象：自学入口段流型的判据──雷诺数如何知道流型是层流还是湍流？雷诺发现，除了流体的流速可引起流动型态的转变外，还有管径和流体的粘度、密度。在大量实验的基础上，雷诺把这些影响流型的因素组合成一个无因次的数群，此数群称为雷诺准数(简称雷诺数)，以符号Re表示什么是无因次？单位：m单位：m/s单位：kg/m3单位：kg/(ms)因为雷诺数是一个无因次数群，所以不论采用何种单位制，只要其中各物理量用同一单位制的单位，Re值相等。例：密度为1000kg/m3、粘度为0.001Pa·s的水在直径为0.2米

4、的直管中以0.1m/s的速度流动，另一密度为800kg/m3、粘度为0.005Pa·s的流体在直径为0.5m的直管中以0.25m/s的速度流动。求两种流体流动的雷诺数Re为多少？大量的实验证明，Re值的大小，可以判断流体的流动型态。当流体在直管内流动时，若(2)时，流型不固定，依赖于环境条件，可能是层流，也可能是湍流，称为过渡流；(3)时，流动型态为湍流。(1)时，流动型态为层流;由于流体流动的管路是由直管和管件(三通、弯头、管路截面突然扩大和缩小等)、阀门、测量元件(如流量计)等组成。因此，流体在管内的流动阻力可分为直管阻力和局部阻力，

5、分别以hf和hf′表示。柏努利方程式中的阻力损失是直管阻力和局部阻力损失之和，即流体流动阻力的计算直管阻力损失当流体在直管内以一定速度流动时，有两个相反的力相互作用着。一个是促使流体流动的推动力，此力的方向与流体流动方向一致；另一个是由于流体的内摩擦力所产生的阻止流体流动的阻力，其方向与流体流动方向相反。根据牛顿第二运动定律，只有在上述两个力达到平衡、相互抵消的条件下，才能维持流体在管内作稳定流动。如图l-26所示为一长度为l、管内径为d的水平直管内流体以速度u流动时的受力情况。垂直作用于上游截面1上的力为垂直作用于下游截面2上的力为则流

6、体流动的推动力为w为单位管壁面积上的摩擦力，即管壁处摩擦应力，那么管内流动流体与管内壁间的摩擦力Fw，为wπdl。当达到稳定流动时，推动力与摩擦力达到平衡，即或上式中∆p表示由于摩擦力所引起的压力降低，也是能量损失的一种表示形式，单位为J/m3，净单位同压力单位，即N/m2，常把–∆p记为∆pf。若把能量损失的单位以J/kg表示，则有上式是流体在圆形直管内流动时能量损失与管壁处摩擦应力的关系。因为直接用计算有困难，为此作如下变换，以便消去。由于流体流动的阻力损失与流动速度u密切相关，且流体比动能与的单位相同，均为J/kg。因此，常把能

7、量损失表示为流体比动能的倍数于是可写成令则或该式为计算圆形直管流动阻力的通式，称为范宁(Fanning)公式，对不可压缩性流体稳定流动条件下的层流和湍流均适用。式中λ称为摩擦系数，λ是无因次的。要通过范宁公式计算流动阻力，关键是求取摩擦系数λ。流体流动型态不同，流体在流动管路截面上的速度分布规律和阻力损失的性质就不相同，所以摩擦系数的求法也因流体流动型态的不同而异。因此，对层流和湍流的速度分布和摩擦系数分别进行讨论。层流时的速度分布和摩擦系数层流时流体层间的内摩擦应力可以用牛顿粘性定律表示，故利用此定律可以推导出层流时速度分布表达式。为了

8、研究层流时的速度分布，设流体在半径为R、直径为d的水平管路作稳定的层流流动，于管路轴心处取一半径为r、长度为l的流体柱作为研究对象：作用于流体柱上的推动力为设半径为r处的流体层流速为ur，(r