传输原理-第五章 管道中的流动
传输原理-第五章 管道中的流动
湍流核心区：
* y 30
v
5.4 圆管内湍流速度分布
指数定律：湍流时光滑圆管中的速度分布也可以用指
数定律来表示：
x ( r )n
xmax
R
• 当Re=1.1×105时，n=1/7，于是
x ( r )1/7
xmax
R
• 这就是湍流的七分之一次方速度分布规律。因此，只
x
1
4
dP dx
r2
c1 ln r
c2
• 由于在r=0处，υx为有限值，因此c1=0。c2由边界条件：
r=R，υx=0来确定，因此 • 于是，管内速度分布为：
c2
R2
4
dP dx
x
1
4
dP dx
R2 r2
• 若考虑长度为L的一段管道，设上游截面1与下游截面2
之间的压力差为△P=P1-P2>0，则
论管内流动的速度分布、流量及阻力。
根据流场边界是轴对称的特点，取柱坐标系(r, θ, x)的x 轴与管轴重合，如图所示。
(1) 速度分布 柱坐标系中的纳维-斯托克斯方程公式可简化为：
1 r
d dr
r
dx
dr
1
dP dx
5.1 圆管中的层流流动
• 将上式两边对r积分，得：
5.2 湍流的流动
(
y'
xm
)m
dA=
1 t
t 0
(
y'
xm
)dAdt
=xm
dA
1 t
t 0
管道流体原理
管道流体原理管道是一种常见的输送流体的工程结构，广泛应用于石油、化工、水利、供热等领域。
了解管道流体原理对于设计和操作管道系统至关重要。
本文将介绍管道流体的基本原理以及与之相关的一些重要概念和公式。
一、流体基本概念流体是指在外力作用下可以流动的物质，包括液体和气体。
与固体相比，流体的分子间距较大，分子间相互作用力较小，因此具有流动性。
流体的性质可通过以下两个基本参数来描述：1. 密度（ρ）：流体单位体积的质量，通常以千克/立方米（kg/m³）表示。
2. 粘度（μ）：流体内部抵抗剪切力的能力，即流体的黏稠程度，通常以帕斯卡秒（Pa·s）表示。
二、流体力学中的基本定律1. 连续方程：根据质量守恒定律，流体在管道中的质量守恒可由连续方程描述。
连续方程的数学表达为：∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0其中，∂ρ/∂t表示流体密度随时间的变化率，∇·(ρv)表示流体质量流入单位面积内的变化率。
2. 动量方程：根据动量守恒定律，流体在管道中的动量守恒可由动量方程描述。
动量方程的数学表达为：∂(ρv)/∂t + ∇·(ρv⃗v) = -∇P + ∇·τ + ρg⃗其中，∂(ρv)/∂t表示流体动量随时间的变化率，∇·(ρv⃗v)表示流体动量流入单位面积内的变化率，∇P表示压力梯度，∇·τ表示剪应力的散度，ρg⃗表示重力作用力。
三、流体在管道中的流动状态管道中的流体可分为层流和湍流两种流动状态。
1. 层流：当流体在管道中呈现出较为有序的分层流动状况时，称为层流。
层流时，流体的速度随距离变化较平缓，流线间相对稳定，分子间相互作用力起主导作用。
层流的特点是低速、流线整齐。
2. 湍流：当流体在管道中呈现出非线性、脉动和流线交错等现象时，称为湍流。
湍流时，流体的速度和压力有大幅度波动，分子间相互作用力起次要作用。
湍流的特点是高速、流线混乱。
化工原理课件 流动传输 2.2.3-5
1
1 0
K K
0
p0 pk Hg H f ,01 ( NPSH)C g g
•可得避免发生汽蚀离心泵的 最大安装高度 Hg, 必需汽蚀余量
当pk pv时 Hgmax p0 pv H f , 01 ( NPSH) C g
( NPSH)r ( NPSH)C
（20，26）
（15，19）
注意：以下解法错误!!!，因为新旧工作点
为非等效率点。 q n V n 0.75 2900 2175 . p.m r qV
qV qV
3、离心泵的并联和串联
1）串联组合泵的特性曲线
两台相同型号的离心泵串联组合，在同样的流量下，其提
供的压头是单台泵的两倍 。
He 10 0.04qV
2
qV 20 75% 15m3 h
新转速下泵的特性曲线方程为：
2 2
He 10 0.04152 19m
n n 2 H 30 0.01 qV n n 2 n n 2441 . p.m. r 19 30 0.01 152 2900
2
——管路的特性 方程
在特定管路中输送液体时，管路所需的压头随所输送液体流
量qv的平方而变
2）离心泵的工作点
离心泵的特性曲线与管 路的特性曲线的交点M， 就是离心泵在管路中的工 作点。
M点所对应的流量qve和压头He 表示离心泵在该特定管路中
实际输送的流量和提供的压头。
2、离心泵的流量调节
1）改变出口阀开度
(B)
2.2.4离心泵的气蚀现象与安装高度
• 1.离心泵的气蚀现象 • 2.离心泵的抗气蚀性能 a.离心泵的气蚀余量 b.离心泵的允许吸上真空度 • 3.离心泵的允许安装（吸上）高度
第五章 管中流动PPT课件
一、时均流动与脉动
根据图所示的一点上的速度变化曲线，用一
定时间间隔T内的统计平均值，称为时均流速v
来代替瞬时 vtdt
瞬时速度v与时均速度 v 之间的差值称为脉动
速度，用v’表示，即
vvv
脉动值时正时负，且在T时间段内有
1
T
vdt 0
T0
用同样的方法可以定义任一流动参数 f 的时均值为
b) 颜色开始弯曲颤动，但仍然层 次分明，互不混掺。流体在纵 向和横向都有速度脉动
c) 颜色水与周围液体完全混掺， 不再维持流束状态，流体做复 杂的、无规则的、随机不定常 运动。
一、临界速度与临界雷诺数
上临界流速vc ：层流→湍流时的流速。 下临界流速vc：湍流→层流时的流速。 vc < vc
Re＝ vd/
64
为沿程阻力系数
Re
则
hf
l
d
v2 2g
达西公式
3、功率损失
克服沿程阻力所消耗的功率
Phf
gqV
p
g
gqV
pqV
Fv
PpqV 12d8l4qV2
七、层流起始段
流体以均匀的速度流入管道后，由于粘性，近壁处产生边界层，边界 层沿着流动方向逐渐向管轴扩展，因此沿流动方向的各断面上速度分布不 断改变，流经一段距离L后，过流断面上的速度分布曲线才能达到层流或湍 流的典型速度分布曲线，这段距离L称为进口起始段。
2. 切应力分布
壁面切应力：
0
pd 4l
切应力分布：
0
r R
即适应层流， 也适应湍流。
湍流： dv l2 dv dv
dy dydy
3. 速度分布
传热学第五章_对流换热原理-1
Velocity = v Velocity = 0
Velocity Temperature
Boundary Boundary
Layer
Layer
HOT SURFACE, TEMP = TH
3. 热边界层厚度δt和流动边界层厚度δ的区 别与联系
(2) 边界层产生原因：
由于粘性的作用，流体与 壁面之间产生一粘滞力， 粘滞力使得靠近壁面处的 速度逐渐下降，最后使壁 面上的流体速度降为零， 流体质点在壁面上产生一 薄层。随着流体的流动， 粘滞力向内传递，形成的 薄层又阻碍邻近流体层中 微粒运动的作用，依此类 推，形成的薄层又阻碍邻 近流体层微粒运动，到一 定程度，粘滞力不再起作 用。
➢ 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪来 测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上，即y 方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速急剧 增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度，普朗特 研究了这一现象，并且在1904年第一次提出了边界层的概 念。
普朗特在仔细观察了粘性流体流过固体表面的特性后提出了 突破性的见解。他认为，粘滞性起作用的区域仅仅局限在 靠近壁面的薄层内。在此薄层以外，由于速度梯度很小粘 滞性所造成的切应力可以略而不计，于是该区域中的流动 可以作为理想流体的无旋流动。这种在固体表面附近流体 速度发生剧烈变化的薄层称为流动边界层(又称速度边界 层)．图5—5示出了产生流动边界层的两种常见情形。如 图5—5a所示，从y＝o处u＝0开始，流体的速度随着离开 壁面距离y的增加而急剧增大，经过一个薄层后u增长到接 近主流速度。这个薄层即为流动边界层，其厚度视规定的 接近主流速度程度的不同而不同。通常规定达到主流速度 的99％处的距离y为流动边界层的厚度，记为δ 。
管道输送原理
管道输送原理管道输送是一种常见的物流运输方式，它通过管道将物体或流体从一个地方输送到另一个地方。
管道输送广泛应用于石油、天然气、水、化工品等领域，具有高效、快速、经济等特点。
本文将详细介绍管道输送的原理。
一、管道输送的基本原理管道输送的基本原理是利用压力差将物体或流体从一个点推动到另一个点。
在管道中，通过增加压力将物体或流体推动向较低压力的方向。
管道中的流体在受到压力作用下，会沿着管道的方向流动，实现输送的目的。
二、流体的性质对管道输送的影响管道输送的效果受流体的性质影响较大。
流体的黏度、密度、流动性等参数会影响管道输送的阻力和能耗。
例如，黏稠的液体需要更大的压力来推动，而密度大的流体则需要更大的管道直径来保持流速。
三、管道的选择与设计合理选择和设计管道是实现高效输送的关键。
管道的直径、材料、布局等因素都影响着输送的效率和成本。
对于大流量的物体或流体，需要选择较大直径的管道以减少阻力；对于特殊介质，需要选择耐腐蚀性能良好的管道材料。
四、管道输送系统的维护与管理管道输送系统的维护与管理对于确保长期稳定的运行至关重要。
定期的检查、维修和清洗可以防止管道堵塞、泄漏和损坏。
在管道系统中设置监测装置，及时发现问题并采取相应措施，有助于提高输送效率和安全性。
五、管道输送的优势和应用领域管道输送相比其他物流运输方式具有许多优势。
首先，管道输送速度快，能够满足大规模的物质流动需求。
其次，管道输送成本低，节约能源和人力资源。
此外，管道输送对环境污染较小，利于可持续发展。
管道输送广泛应用于各个领域。
在石油、天然气工业中，管道输送是主要的物流运输方式，将大量的石油和天然气从油田、气田输送至加工厂或消费地。
在化工工业中，管道输送用于运输各种化学原料和成品。
在城市水务系统中，管道输送用于供水和排水。
此外，管道输送也被应用于工业废水处理、食品工业等多个领域。
总之，管道输送是一种高效、经济的物流运输方式，基于压力差原理实现物体或流体的输送。
管道中的液体流动
管道中的液体流动管道中的液体流动是液体在管道中运动和传输的过程。
液体流动在日常生活和工业生产中起着重要的作用，涉及到很多领域，如供水、石油输送、化学工程等。
了解液体在管道中的流动规律，对于管道设计、操作和维护都具有重要意义。
一、液体流动的原理液体流动的原理主要涉及两个重要的物理学定律，即贯穿流方程和伯努利定律。
1. 贯穿流方程贯穿流方程是描述液体流动的基本方程之一，可以表示为：Q = Av其中，Q是液体的流量，A是流体通过管道横截面的面积，v是液体的流速。
贯穿流方程表明，在单位时间内通过管道单位面积的液体流动的体积等于液体的流速乘以管道的横截面积。
2. 伯努利定律伯努利定律是描述液体在流动过程中能量转换的定律，可以表示为：P + 1/2ρv² + ρgh = 常数其中，P是液体的压力，ρ是液体的密度，v是液体的流速，g是重力加速度，h是液体的高度。
伯努利定律表明，在液体流动中，液体的压力、速度和重力势能之间存在着相互转换的关系。
二、管道中的液体流动类型在管道中，液体的流动可以分为层流和湍流两种类型。
1. 层流层流是指液体在管道中呈现出规则的、无交错的流动状态。
在层流中，液体的流速是均匀的，流体粒子的速度分布呈现顺序排列，层与层之间不存在明显的混合和对流的现象。
层流具有流速低、流动平稳和粘性损失小等特点。
2. 湍流湍流是指液体在管道中呈现出不规则的、随机的流动状态。
在湍流中，液体的流速不均匀，流体粒子的速度呈现混乱的分布，存在着涡流和涡旋的运动。
湍流具有流速高、流动不稳定和粘性损失大等特点。
三、影响管道液体流动的因素管道液体流动受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 管道的几何形状管道的几何形状直接影响液体的流速和流量。
例如，管道的直径和长度会影响液体流动的阻力和压力损失，管道的弯曲和收缩等处会引起液体的湍流和涡流现象。
2. 液体的性质液体的粘度、密度和流变性质等都会对液体的流动特性产生影响。
管道输送原理
管道输送原理管道输送是一种常见的物质输送方式，它通过利用管道内液体、气体或固体的流动来实现物质的输送。
管道输送广泛应用于工业生产、城市供水、天然气输送等领域。
本文将介绍管道输送的基本原理和相关知识。
一、管道输送的基本原理管道输送是利用流体的动力学原理将物质从一处输送到另一处。
其基本原理可概括为三个方面：流体的动力学性质、管道的特性和输送系统的运行机制。
1. 流体的动力学性质管道输送的基础是流体的动力学性质，其中最主要的是液体和气体的运动规律。
液体在管道中的流动可分为层流和紊流两种状态，其分界点由雷诺数确定。
而气体在管道中的运动则受到气体性质、流量、流速和压力等因素的影响。
了解流体的动力学性质有助于优化管道系统的设计和运行。
2. 管道的特性管道在输送过程中扮演着重要的角色，其特性直接影响输送效率和能耗。
主要的管道特性包括管径、管壁摩擦、管道材质和管道布局等。
合理选择管道特性，减小摩擦阻力、降低能耗，能提高输送系统的效率和可靠性。
3. 输送系统的运行机制管道输送系统通常包括输送站、管道和控制装置等组成部分。
输送站用于将物料输入管道，并通过控制装置实现流量和压力的调节。
通过控制装置可以减小流体的波动和压力损失，保证系统的平稳运行。
此外，还需要考虑输送的物料特性、温度、粘度等参数的影响。
二、管道输送的应用领域管道输送广泛应用于各个领域，以下是其中几个常见的应用领域：1. 石油和天然气工业管道输送在石油和天然气工业中起到关键作用。
它们是将石油和天然气从生产地输送到市场的主要手段。
通过长距离的管道输送，可以将大量的石油和天然气快速、高效地运输到各地供应商和消费者。
2. 城市供水城市供水是管道输送的另一个主要应用领域。
通过将水源引入城市，并通过管道输送到各个家庭和机构，保障了城市居民的日常用水需求。
管道输送系统通常包括水源地的提取、水处理、储存和输送等环节。
3. 化工和制药工业在化工和制药工业中，管道输送被广泛应用于各种流体介质的输送。
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d2
0.3
2
5.2 湍流的流动
一、临界雷诺数
• 雷诺通过圆管内的黏性流动实验，发现一定条件下层 流转化为湍流的控制因素是雷诺数Re。由层流转变为 湍流的雷诺数称为临界雷诺数Recr，它不是一个固定 的值，依赖于外部扰动的大小。
• 实验证明：Recr的下界约为2000。 Re<2000时，层流状态
Re>2000而小于某一上界时，共存或间隙发生
论管内流动的速度分布、流量及阻力。
根据流场边界是轴对称的特点，取柱坐标系(r, θ, x)的x 轴与管轴重合，如图所示。
(1) 速度分布 柱坐标系中的纳维-斯托克斯方程公式可简化为：
1 r
d dr
r
dx
dr
1
dP dx
5.1 圆管中的层流流动
• 将上式两边对r积分，得：
R2
P
8 L
R2
m
1 2
x
max
• 可见，圆管层流流动的平均速度是最大速度的一半。
5.1 圆管中的层流流动
(3) 阻力及阻力系数
• 管内层流剪应力分布为：
P r
r 2L
• 在管轴r=0上，τ =0 ；在管壁上达到最大值τ0 ：
0
P 2L
R
• 由于长度为L的圆管对流体的摩擦阻力F与两截面上压 力差的合力之间相互平衡，即流体流经L长度圆管所克 服摩擦阻力F，其动力来源于压力降△P，因此
• 对于圆管内的层流，入口段的长度由下式近似给出
L 0.057Re d
5.2 湍流的流动
三、湍流的描述
• 右图表示管道中某 点的轴向速度随时 间的变化曲线。
• 研究思路：把湍流 场可看成是统计平均场和随机脉动场的叠加，然后应 用统计平均的方法，从纳维-斯托克斯方程出发研究平 均运动的变化规律。
dP P dx L
5.1 圆管中的层流流动
• 速度分布可改写为：
x
1
4
P L
R2 r2
• 在管轴r=0处，速度达到最大值：
x max
P
4L
R2
• 这样，公式还可以表示成：
x
xmax
1
r2 R2
• 从上式可见，圆管内层流流动的速度分布也是抛物型的 (回转抛物面)，它称为圆管中的泊松(Poiseuille)流。
Re大于某上界时，完全发展的湍流
• 从空间角度看，即使Re >Recr，在管内中心沿流动方向 也存在着层流区、过渡区和湍流区。
5.2 湍流的流动
二、充分发展流
• 无论层流还是湍流， 都假定流体充满圆管 的整个截面。在实际 管道中，从入口处开
始，流动有一个逐渐发展的过程。如图所示，假设均 匀流进入直径为d的直圆管。将入口至边界层汇合这一 段称为入口段，其长度为L，而充分发展流是层流还是 湍流则取决于雷诺数。
• 对于管内某点的轴向瞬时速度，其时间平均值定义为
xm
x,
y,t0 t1
x
t0
x,
y,
z,t
dt
5.2 湍流的流动
• 引入平均值后，瞬时物理量可表示成：
x xm x' , y ym y' , z zm z' , P Pm P '
• 根据平均值的定义公式，脉动值的均值应为零，即：
' xm
0,
' ym
0,
' zm
0,
Pm' 0
• 以平均速度为υm的均匀来流(湍流)为例，定义为湍流度 ε为：
1
m
' x
2
' y
2
' z
2
• 流体流动状态的变化，与来流的Re数，来流的湍流度、 壁面粗糙度以及外部主流的压力梯度等有关。
5.2 湍流的流动
x
1
4
dP dx
r2
c1 ln r
c2
• 由于在r=0处，υx为有限值，因此c1=0。c2由边界条件：
r=R，υx=0来确定，因此 • 于是，管内速度分布为：
c2
R2
4
dP dx
x
1
4
dP dx
R2 r2
• 若考虑长度为L的一段管道，设上游截面1与下游截面2
之间的压力差为△P=P1-P2>0，则
解：首先判断流动是层流还是湍流。
m
Q A
41103
0.32
0.58m/s
4
Re md 850 0.58 0.3 1479 2300 因此属于层流。
0.1
64 64 0.0433
Re 1479
P L m2 0.0433 3000 850 0.582 61906 Pa
第五章 管道中的流动
第五章 管道中的流动
• 5.1 圆管中流体的层流流动 • 5.2 湍流的流动 • 5.3 普朗特混合长度理论 • 5.4 圆管内湍流速度分布 • 5.5 圆管内的摩擦阻力系数 • 5.6 气体通过固体散料层的公式 • 5.7 管路计算
5.1 圆管中的层流流动
• 有一半径为R的无限长 直圆管，不可压黏性流 体在压力梯度dP/dx的 作用下作定常直线层流 运动。设圆管水平放置， 忽略质量力，现讨
P L m2
d2
h f
P
L m2
d 2g
0
1 8
m2
•
对于层流可得：P
8 Lm
R2
64
md
L d
m2
2
λ = 64 Re
其中Re
md
是对于圆管直径和平均速度而言的雷诺数。
5.1 圆管中的层流流动
• [例题1] 设有μ=0.1Pa·s，ρ=850 kg/m3的油，流过 长为L=3000m，直径d=300mm的铸铁管，流量 Q=41×10-3 m3/s。试求摩擦压力损失△P。
5.1 圆管中的层流流动
(2) 流量与平均流速
• 通过圆管的体积流量为：
Q
R
0 x 2 rdr 2xmax
R
0
1
r2 R2
rdr
R2
2
x max
或 Q R4 P 泊松定律 8 L
• 根据流量Q可以求出圆管截面上的平均流速υm：
m
Q
F 0 2 RL R2P
5.1 圆管中的层流流动
• 考虑到直径d=2R，定义λ为圆管的摩擦阻力系数，也称 沿程阻力系数：
4F 0 P
1 2
m2
Ld
1 8
m2
L d
1 2
m2
• 在得到阻力系数λ后，流动的压力降△P、沿程损失△hf =△P/γ和壁面剪应力分别给出如下：