1.4 流体流动-管路计算

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1.4 边界层和阻力公式

1.4 边界层和阻力公式
du dy 0, 0,
x 0
dp / dy 0, 认为是实际流体流动 , 产生流动阻力
u x u0,du dy 0, * 边界层外, y , 看作是理想流体流动 , 无流动阻力
层流边界层 u∞ u∞ δ A x0 u∞
y 0、ux 0 * 壁面处,
湍流边界层
层流边界层 湍流边界层Biblioteka u 0.99uu∞
u∞
u∞
A
δ 层流内层 平板上的流动边界层
例:
x0
20C的空气以10m/s流过平板时,在距离平板前
缘100mm处,边界层厚度约为1.8mm
1、平板上流体的流动边界层 边界层意义:
流动阻力及速度梯度,主要集中在边界层内 边界层内, y ,u u
p:任意两点间的压力差
2、总阻力 直管阻力(粘滞力引起) 局部阻力(形体阻力) 总阻力=直管阻力+局部阻力
Pi2
FIC
Pi1
一、圆形直管内的阻力损失 1、范宁公式 公式推导: 稳态流动流体 作受力分析
F F F
P
G
Ff 0
压力差:FP ( p1 p2 ) A
重力:FG gpV cos gA( z1 z2 )
其中,n f ( Re )
Re: 1.1105 3.2 106时,n 1 7 u 0.82 (常用公式) umax
书P39 图1.4.12:给出算图,查取平均流速 坐标:
Re u Re,max umax
问题:求平均流速的方法
1、速度分布未知
2、速度分布已知
qV u S u 0.5umax (层流)
提出问题?
3、强化传递过程的流动条件及其代价。 湍流时传热、传质,传递阻力↓↓,强化过程。 代价: 流动阻力↑↑,动力消耗↑。

化工原理天大柴诚敬

化工原理天大柴诚敬

所以
2
或 gz1u212p1 gz2u222p2
适用条件:不 可压缩理想流

伯努利 (Bernoulli)方程
34
三、对伯努利方程的讨论
1.
gz1u212p1 gz2u222p2
(1-38a)
式1-38表明,理想流体在管路中作定态流动而又 无外功加入时,在任一截面上单位质量流体所具 有的总机械能相等,换言之,各种机械能之间可 以相互转化,但其总量不变。
注意:以上各式的适用条件
例10、例11(P26)
10
11
12
第一章 流体流动
1.4 流体流动的基本方程 1.4.1 总质量衡算-连续性方程 1.4.2 总能量衡算方程
13
一、流动系统的总能量衡算方程
选取如图1-12所示的定态流动系统作为衡算 的控制体,控制体内装有对流体作功的机械 (泵或风机)以及用于与外界交换热量的装置。 流体由截面1-1流入,经粗细不同的管道,由截 面2-2流出
在不可压缩流体的情况下:
故:
表明:流体压力能的损失转变为流体的内能, 从而使流体的温度略微升高。从流体输送角度看, 这部分机械能“损失”了。
30
二、流动系统的机械能衡算方程
2. 流动系统的机械能衡算方程
假设流动为稳态过程,1-1到2-2截面,由热力
学第一定律可知
UQe
v2 v1
pdv
1kg流体在截面1-1与2-2之间所获得的克总服热流量动阻
41
机械能衡算方程的应用
在应用机械能衡算方程与质量衡算方程解题时, 要注意下述几个问题: 1.衡算范围的划定 2. 控制面的选取 3. 基准面的确定 4. 单位一致性
42
第一章 流体流动

化工原理

化工原理
VV
pVM pM RTV RT
理想气体在标况下的密度为:
0

M 22.4
例如:标况下(0℃(273.15K),101.325kPa)的空气,
0

M 22.4

29 22.4

1.29kg
/
m3
操作条件下(T, P)下的密度:


0
p p0
T0 T
二、混合物的密度
1.液体混合物的密度ρm
P1 p1 A
P2 p2 A
因为小液柱处于静止状态,
P2 P1 Az1 z1 g 0
两边同时除A
P2 A

P1 A

gz1

z2
0
p2 p1 gz1 z2 0
p2 p1 gz1 z2
令 z1 z2 h 则得: p2 p1 gh
此时双液体U管的读数为 R' 14.3R 14.310 143mm
即,改为双液体U型管压差计后,读数放大14.3倍; 此时读数为143mm。
【例1-6】 如图1-9所示, 控制乙炔发生器内的压 强不大于80mmHg(表压), 试计算水封的水应比气 体出口管高出多少米?
【解】由题意有:
【解】 用U形压差计测量时,被测流体为气体,可根据式 (1-10a)计算
p1 p2 Rg0
用双液体U管压差计测量时,可根据式(1-12)计算
p1 p2 R ' g( A C )
因为所测压力差相同,联立以上二式,可得放大倍数
R' 0 1000 14.3 R A C 920 850
化简有 P1 P2 Rg(0 )

化工原理 第一章 流体流动 1.4

化工原理 第一章 流体流动 1.4

层流 湍流
层流
层流
(a)
过渡流
(b)
过渡流
湍流
(c)
湍流
层流(或滞流 流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直 滞流) 层流 滞流
线运动,质点无径向脉动,质点之间互不混合;
湍流(或紊流 质点速度的大小和方向随时间而发生变化. 紊流) 湍流 紊流
层流: 层流 * 流体质点做直线运动 * 流体分层流动,层间不相混合、不碰撞 * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力 湍流: 湍流:主体做轴向运动,同时有径向脉动 特征:流体质点的脉动 过渡流: 过渡流 不是独立流型(层流+湍流),
层流边界层
过渡区
湍流边界层
Rex=ρu ox/
层流底层
x
边界层的发展
流体流过光滑平板时,边界层由层流转变为湍流发生在
Rec=2×105~3×106 × ×
滞流内层(或层流底层) 湍流边界层内划 分为三个区域 缓冲层(过渡层) 湍流层 边界层厚度(边界层外缘u=0.99u0与壁面间 的垂直距离)用下式估算,即 :
四. 滞流与湍流 判据:Re≤2000 稳定的层流 Re≥4000 湍流 判据 特征(质点的运动方式不同) 特征(质点的运动方式不同) 层流:流体沿管轴作有规则的平行线状流动 平行线状流动, 层流 平行线状流动 各质点互不碰撞,互不混合. 湍流:总体轴向流动 径向随机波动.质点作 总体轴向流动+径向随机波动 湍流 总体轴向流动 径向随机波动 不规则的杂乱运动,并相互碰撞,产生大大小小 的旋涡.
2.牛顿粘性定律 实验证明,对于一定的液体,内摩擦力与两流 体层的速度差成正比;与两层之间的垂直距离 成反比;与两层间的接触面积成正比. 对于平板间的线性速度分布可写出

流体阻力PPT课件

流体阻力PPT课件

u2 2
ζ ----局部阻力系数(local resistance factor) 由实验测得。
若用压强降来表示 ,则:
= △ P = ρ hf ′
ρ u2 ζ2
1.5 流体在管内的流动阻力∑hf
局部阻力系数---- ζ • 管路突然放大或突然缩小, ζ值由小管与大管的截
面积之比A1/A2查得,且流速取小管的流速。
阻力通式:
∑ h f = hf+hf ′ =λ
l + le u2 d2
∑hf
=
hf+
hf ′ =

l d
+ζ )
u2 2
1.5 流体在管内的流动阻力∑hf
例 : 用泵把20℃苯从地下贮罐送到高位槽, 流量300L/min, 高位槽液面比贮罐液面高10m, 上方均为大气压. 泵的吸入 管为φ89mm×4mm 的无缝钢管, 长15m, 管路上装有一全 开的底阀, 一个标准弯头, 泵排出管为φ57mm×3.5mm无缝 钢管, 长50m, 一个全开的闸阀, 一个全开的截止阀和3个标 准弯头, 假设贮罐送和高位槽的液面维持恒定, 求泵的轴功 率, 设泵的效率为70%.
层流边界层厚度:
δ x=
4.64 Rex0.5
湍流边界层厚度: δ 0.376
x = Rex0.2
Rex = us x ρ μ
当Rex 2105时,边界层内的流动为滞流 ;
当Rex 3106时, 边界层内的流动为湍流;
在平板前缘处,x=0,则δ=0。随着流动路程的增长,边界层 逐渐增厚;随着流体的粘度减小,边界层逐渐减薄。
1.4 流体流动现象
速度和压力围绕“平均值”——时均速度波动,该值 不随时间改变

流体流动管路计算

流体流动管路计算

例 在风机出口后的输气管壁上开一测压孔,用U型管测得该
处静压力为186mmH2O,测压孔以后的管路包括80m直管及4个 90º弯头。管出口与设备相通,设备内的表压为120mmH2O。输 气管为铁管,内径500mm。所输送的空气温度为25℃ ,试估 计其体积流量。
解: 本题已知风机压头求气体流速,在流速未知时无法先计
4
d
2u
0.785
(0.082)2
1.843
9.73 103
m3 s1
3、复杂管路的特点
并联和分支管路称为复杂管路。
A
B
并联管路
A
C B
分支管路
1、 并联管路
VA 1
B
➢ qV=qV1+qV2
2
➢∑hfAB= ∑hf1 =∑hf2 (各支管单位质量流体阻
力损失相等)
证明
z A
pA
g
u
2 A
管长为 138 m ,管子相对粗糙度 0.0001,
d
若该管路能量损失 H f 5.1 m ,求水的流量为若
干?水的密度为 1000 kg m3 ,粘度为1厘泊。
解: 设: 0.02
Hf
Wf g
l u2
d 2g
u
2dH f g
l
u 2 0.082 5.1 9.8 1.724 m s1 0.02 138
d 500
查图得:λ=0.0205
该值与所设的λ值相差甚微,可认为所求得的u1=13.4m/s已 够正确,据此计算体积流量为
Vs
4
0.52
13.4
2.63m3
/
s
验算
Re
du

(04)1.4流体流动过程的物料衡算与机械能衡算

(04)1.4流体流动过程的物料衡算与机械能衡算
二、沿流线的机械能守恒
定态流动时,流线与迹线重合,所以沿迹线的伯努利方程也适用 于每一条流线。
三、理想流体管流的机械能守恒
管流包含大量流线,管道截面上各条流线的机械能是否相等?
机 械 能
总势 能
动能
垂直于平行流线的平截面上,流体没有加速度,服 从静力学方程,同一截面上各点的总势能 pm/ρ相等。
理想流体,粘度为零,没有内摩擦力,同一截面上 各点的流速u相等,动能相同。
即:W1 W2 — —连续性方程式
流体不可压缩: c,V1 V2 c; 即 u1 A1 u2 A2 c;
2 u1 A2 u1 d 2 有 ,对圆管有 2。 u2 A1 u2 d1
1.4.2 理想流体流动的机械能守恒
一、沿迹线的机械能守恒 沿迹线(拉格朗日考察法,某一流体质点轨迹)的机械能守恒。 回顾在静止流体中,立方体微元所受各力平衡(静止):
流经截面1 - 1和 2 - 2的压强变化为: p1 p2 101330 3335 101330 4905 0.079 101330 3335 p1 7.9% 20%
1.4.3 真实流体流动的机械能守恒
四、伯努利方程式的应用—1确定流体流量
在截面 1 - 1和截面 2 - 2之间列伯努利方程式, 以管道中心线 作基准水平面。两截面间无外功加入,能量损失可忽略。
1.4.3 真实流体流动的机械能守恒
三、伯努利方程式的讨论
4、伯努利方程的不同形式
a) 若以单位重量流体为衡算基准(单位:m)
p u2 Z 常数 g 2 g
2 p1 u12 p2 u 2 Z1 Z2 Hf g 2 g g 2 g
p u2 Z、 、 、 H f 分别代表位压头、静压头、动压头、压头损失。 g 2 g

1.4.1流体的粘性和牛顿粘性定律(1)牛顿粘性定律

1.4.1流体的粘性和牛顿粘性定律(1)牛顿粘性定律

R
1
r
2
3
2rdr
2.0
0 R
② 壁面剪应力与平均流速间的关系
w
R 2l
(
p1
p2 )
p1 p2 4l
d
uav
p1 p2
8l
R2
故:
w
4uav
R
8uav
d
(3) 湍流时的速度分布和剪应力 ① 湍流描述 主要特征:质点的脉动
瞬时速度= 时均速度+ 脉动速度
u
uA
uA
u
' A
u
' A
墨水流线
D
B
玻璃管
C A
雷诺实验
(2)雷诺实验现象 用红墨水观察管中水的流动状态
层流
(a)
过渡流
(b)
湍流
(c)
两种稳定的流动状态:层流、湍流。
层流: * 流体质点做直线运动; * 流体分层流动,层间不相混合、不碰撞; * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力。
湍流: 主体做轴向运动,同时有径向脉动; 特征:流体质点的脉动 。
平板间的流体剪应力与速度梯度
实测发现:
F u
AY
牛顿粘性定律: du
dy
意义:剪应力的大小与速度梯度成正比。 描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。
(2) 流体的粘度
① 物理意义
du
dy
—— 动力粘度,简称粘度
② 单位
SI单位制 :
Pa·s ( N ·s /m2)
物理单位制 :
P(泊), 达因·秒/厘米2
m
yii M 0.5
yi M 0.5
说明:不同流体的粘度差别很大。例如:
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(如压力、位能等)有关,可通过柏努利方程式、范宁公
式,及莫狄图进行联解,通过试差计算可求得各支路的 流量。
此外,在设计计算中,如要确定分支管路所需的外加 能量We时,为了确保完成整个管路的输送任务,必须按 所需能量较大的支路来计算。操作中,可通过关小其他支
路上的阀门开度,将其流量调节到所要求的数值。


A pa B pb
阀门开度为四分之一时,列 A 至 B 界面的伯努利方程
PA
2 2 uA PB uB l hf 2 2
1
P M
P N
l2
uA= uB =0
h
f
l u d
2
2
现假设管内为层流,则有
64 64 Re ud
PA
(3)各并联支路的流量分配 尽管各并联支路的阻力相等,但由于各支路的管径、 管长、粗糙度情况一般不相同,所以各支路的流量也不相
等。各支路的流量分配关系可由计算得到。
4Vi ui d i2
li u 8i l iVi h f i 2 5 di 2 di
2 i
2
将上式代入式 hf主 hf1 hf主 hf 2 hf主 hf 3 ,得
A pa B pb
l1
P M
P N
l2
解: 取阀门的高度Z=0,阀门关闭时流体静止,由静力
学方程有
PA Pa PM G 1.013 105 0.9 9.81 104 1.90 105 N m 2


PB Pa PN G 1.013 105 0.45 9.81 104 1.45 105 N m 2
为27m3/h。要求输送过程中摩擦阻力不大于40Nm/kg,试确定
输送管路的最小直径。已知20℃时水的粘度 =1.00510 -3 pas, 密度ρ=998.2kg/m3。 解:管径用流率公式计算,即
Vs

4
d u
2 p
其中流速 u 为允许的摩擦阻力所限制,即
l u2 hf dp 2
式中 及 u 为 dp 的函数。故要用试差法求管径 dp
2 l u 2 先将式 Vs d p u 中的 u 代入式 h f ,得 dp 2 4
Vs 2 d l u2 l 4 p hf d 2 d 2 p p
100 27 2 2d p 3600 d p 4
2

2
0.00456 5 dp
由于水在管道中流过时的 值约在0.02~0.04左右,故 易于假设 值。即先假设 值,由 值求出管径 d ,然后 利用已算出的 d 去计算 Re 值,由此查出 值,以与假设
的 值相比较。
100 27 将式 2d p 3600 d 2 p 4 式整理成
由 u2 1.39 m s 可算出
V

4
d2 p u2 0.0542 1.39


4 3 0.00318 m s 11.4 m 3 h

(2)管路布局一定,要求核算操作条件改变时, 流动参数的变化情况
如图所示,高位槽A内的液体通过一等径管流向槽B。 在管线上装有阀门,阀门前后M、N处分别安装压力表。假 设槽A、B液面维持不变,阀门前后管长分为 l1、l2 。现将 阀门关小,试分析管内流量及M、N处压力表的读数如何变
4Vi ui 2 di
W W1 W2 W3
V V1 V2 V3
由此可知,各并联支路的流量分配与各支路的管径、 管长(包括当量长度)、粗糙度及流动型态有关。当改变某 一支路的阻力时,必将引起各支路流量的变化。联解上面 几式,可得到各支路的流量。因摩擦系数λ与流量有关,所 以当各支路的摩擦系数视为常数时,可直接求解;否则要 通过试差求解。
试问该管路能达到多大的供液流量。
解: 由题知 d=60 – 3×2=54mm=0.054m,l=35m, =0.2mm,查得3个标准弯头和1个1/4闸阀的阻力系数分 别为0.75 ×3=2.25 和 0.9,高位槽底部进口的阻力系数
为0.5。
列截面1-1到2-2间的柏努利方程式,即
2 2 u1 p1 u2 p2 l gz1 gz2 2 2 dp 2 u2 2
钢管。
校验: 管内实际流速
u V

4
3600
27
d2 p

4
1.46 m s
0.08052
9485 Re 1.17 105 0.0805
0.2 0.0025 d p 80.5

由图查出 =0.025
l u2 100 1.462 hf d 2 0.025 0.0805 2 33 N m kg p
所以,假设是成立的。
V Au

4 9.42 10 6 m 3 s
d 2 u 0.785 0.042 0.75
(2) 当阀门打开时,u 上升 由
PA
l1 u d 2 PM
2
PA 不变,因此 PM变小。

u2 PN PB l 2 u2 2 d 2 PN l2 u 1 d 2 PB
81l1V12 82 l 2V22 81l1V32 2 5 2 5 5 d1 d2 2d 3
81l1V12 82 l 2V22 81l1V32 2 5 2 5 5 d1 d2 2d 3

V1 : V2 : V3
5 5 d3 d 15 d2 : : 1l1 2 l 2 3 l 3
(a)并联管路
(b)分支管路
(c)汇合管路
并联管路
(1)主管路中流体的质量等于各并联支路中流体质量
流量之和,即
W W1 W2 W3
对不可压缩性气体,还有
V V1 V2 V3
(2)由于各并联支路的起、止端均为分点支 A 和汇合 点B,因此各支路的起、止端截面的总比能差相等,则各 并联支路单位质量流体的阻力损失相等,即
化?
A p1 B p2
l1
P M
P N
l2
例:已知, =30cp, =900kg/m3,d =40mm,l1=50m,
l2=20m,阀全关,PM(G)=0.9at,PN(G)=0.45at。若阀打
开至四分之一时,le=30m。
求: (1)V(流量)的大小;(2)阀打开时,PM、 PN如何变化?
2
PN
l2 u 1 d 2 PB
2
因 l2 还包括突然扩大损失 ,所以 u >0 因此
l2 u 0 1 d 2
2
l2 1 d
所以 PN 增大。
复杂管路
有分支或汇合的管路称为复杂管路,按其联接
特点复杂管路又分为并联管路和分支管路。




Reporter
第一章
流体流动
主 要 内 容
1
基础知识 流体静力学 流体动力学 流体流动的类型
2 3 4
5 6
流体流动阻力的计算 管路计算 流量测量
7
管路计算
管路计算是连续性方程式、柏努利方程式和阻
力公式的综合应用。根据管路有无分支,可分
为简单管路和复杂管路。
简单管路
无分支或汇合的管路,称为简单管路。简单管
例 如图所示的输送管路,已知进料管口处的压力 p2
=1.96104Pa(G),管子的规格为 60×3mm、直管长度 35m,管路上有3个标准弯头、1个1/4〞闸阀,管子绝对粗 糙度为0.2mm,高位槽内液面距进料管口中心的高度 z= 4.2m,液体的密度和粘度分别为1100kg/m3和1.7×10-3Pa· s。
设 =0.03,由式 d p 0.163
1 5 1 5
算出
d p 0.163 0.03 0.081
取钢管相对粗糙度
0.2mm ,则
0.2 0.00247 d p 81
9485 Re 1.17 105 0.081

由图查出 = 0.025,与假设值不符,重 新 假 设
满足要求。 应该注意的是,算出的管径 dp 必须根据管子标准进行圆整。
校核计算
校核计算常见有以下两种情况
(1)管路布局一定,要求核算在某给定条件下管路的
输送能力;

(2)管路布局一定,要求核算操作条件改变时,流动
参数的变化情况;
(1)管路布局一定,要求核算在某给定条件下管
路的输送能力
代入数据,得
2 2 u2 1.96 104 35 u2 9.81 4.2 0 0 0 2.25 0.9 0.5 2 1100 0.054 2
2 2 u2 1.96 104 35 u 9.81 4.2 0 0 0 2.25 0.9 0.5 2 2 1100 0.054 2
分支管路与汇合管路
对分支或汇合管路,由于各支路终端的总比能一般不
相等,则各支路的阻力损失一般也是不相等的,这是与
并联管路的不同之处。而分支或汇合管路与并联管路一 样,主管路中的流量等于各分支管路的流量之和。至于 各支路的流量分配关系,除了与各支路的管径、管长 (包括当量长度)和粗糙度有关外还与合支路终端的条件
设 =0.03,算出 u2 1.39 m s

Re
d p u

0.054 1.39 1100 4 4.86 10 1.7 10 3
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