1、第二章第二章 流体的流动与输送流体的流动与输送第一节第一节 一些基本概念一些基本概念第二节第二节 流体定态流动时的衡算流体定态流动时的衡算第三节第三节 实际流体的流动实际流体的流动第四节第四节 流体在管内流动时的阻力计算流体在管内流动时的阻力计算第五节第五节 流体的输送机械流体的输送机械2022-11-17第二章 流体的流动与输送2研究目的研究目的u 确定输送量的大小和设备类型确定输送量的大小和设备类型u 确定输送管径大小确定输送管径大小u 流体流量的测定与控制流体流量的测定与控制u 强化生产设备强化生产设备2022-11-17第二章 流体的流动与输送3操操 作作操作实质操作实质应用实例应用实
2、例流体输送流体输送流体经过圆管的流动流体经过圆管的流动流体输送，孔板流量计的应用，泵的流体输送，孔板流量计的应用，泵的应用应用过过 滤滤液体经过固体颗粒床层的毛细管运液体经过固体颗粒床层的毛细管运动动悬浮液的回转吸滤，板框压滤悬浮液的回转吸滤，板框压滤重力沉降重力沉降固体颗粒在流体中的相对运动固体颗粒在流体中的相对运动悬浮液的重力沉降，矿石的沉降分级悬浮液的重力沉降，矿石的沉降分级离心分离离心分离离心力作用下的物体颗粒在流体中离心力作用下的物体颗粒在流体中的相对运动的相对运动炉气的旋风除尘，悬浮液的离心分离，炉气的旋风除尘，悬浮液的离心分离，搅搅 拌拌搅拌桨形成的流体的整体运动和湍搅拌桨形成的
3、流体的整体运动和湍动动乳浊液的搅拌乳浊液的搅拌流态化流态化固体颗粒床层在气流作用下膨胀，固体颗粒床层在气流作用下膨胀，悬浮，沸腾，相对运动而成流化床悬浮，沸腾，相对运动而成流化床（密相流化）（密相流化）硫铁矿的沸腾培烧，萘流化床催化硫铁矿的沸腾培烧，萘流化床催化氧化氧化固体颗粒受气流作用，悬浮并夹带固体颗粒受气流作用，悬浮并夹带而成气流输送（固相流化）而成气流输送（固相流化）催化裂化中催化剂的气流提升固体，催化裂化中催化剂的气流提升固体，粉末的气流输送粉末的气流输送2022-11-17第二章 流体的流动与输送4第一节第一节 一些基本概念一、理想流体和实际流体一、理想流体和实际流体理想流体：是指
4、不具粘度，因而流动时不产生摩理想流体：是指不具粘度，因而流动时不产生摩 擦的流体。擦的流体。理想流体理想流体 理想气体理想气体 理想液体理想液体理想流体的特点理想流体的特点 理想液体不可压缩不膨胀，无相理想液体不可压缩不膨胀，无相互作用。互作用。理想气体流动时没有摩擦阻力理想气体流动时没有摩擦阻力2022-11-17第二章 流体的流动与输送5当温度等条件改变时可用理想气体方程确定当温度等条件改变时可用理想气体方程确定以当时条件和标准条件对比时：以当时条件和标准条件对比时：mPVnRTRTM000PVP VTTV 该条件下气体的体积，单位为该条件下气体的体积，单位为m3P 该条件下系统的压力，该
5、条件下系统的压力，单位为单位为Pa；T该条件下系统的温度，单位为该条件下系统的温度，单位为KM气体的摩尔质量，单位为气体的摩尔质量，单位为kg.mol-1R摩尔气体常数，摩尔气体常数，8.314J.K-1.mol-1 或或0.08206m3.atm.k-1.kmol-12022-11-17第二章 流体的流动与输送6实际流体：是指具有粘度，流动时会产生摩实际流体：是指具有粘度，流动时会产生摩 擦阻力的流体。擦阻力的流体。实际气体：分子间有相互作用，分子有一定体积。实际气体：分子间有相互作用，分子有一定体积。实际液体：分子间有相互作用，可压缩，有热膨胀。实际液体：分子间有相互作用，可压缩，有热膨胀
6、。流动时会产生阻力流动时会产生阻力 不是可以无限压缩不是可以无限压缩 高高T T低低p p时可按理想气体处理。时可按理想气体处理。流动产生阻力较气体的大流动产生阻力较气体的大 可可压缩性小：压缩性小：100atm,100atm,减小减小1/2001/200。2022-11-17第二章 流体的流动与输送7二、流体的密度、相对密度和比容二、流体的密度、相对密度和比容 1、密度：密度：密度密度 是指单位体积物料所具有的质量。是指单位体积物料所具有的质量。kg.mkg.m-3-3 2、相对密度相对密度：相对密度相对密度d d是指给定条件下某一物质的密度是指给定条件下某一物质的密度 1 1 与另一参考物
7、质的密度与另一参考物质的密度 2 2之比。之比。mV1d常用的是与常用的是与277K277K的纯水之比，用的纯水之比，用d dT T277277或或d dT T4 4表示：表示：277277Td水2772772771000TTdd水kg/mkg/m3 32022-11-17第二章 流体的流动与输送8比容比容v数值上是密度的倒数。数值上是密度的倒数。1Vvm单位：单位：m3.kg-1关系：关系：27711000TmdV2022-11-17第二章 流体的流动与输送9 纯液体密度一般可从手册查得。如本书附表三纯液体密度一般可从手册查得。如本书附表三 纯气体在纯气体在T较大，较大，p较低时，可按理想气
8、体处理：较低时，可按理想气体处理：mpMVRTmpVnRTRTM 混合气体：高混合气体：高T低低p时：时：pMRT均均其中其中1 122.nniiMM xM xM xM x均2022-11-17第二章 流体的流动与输送10三、流体的压力及其测量三、流体的压力及其测量1、压力、压力：物体单位面积上所受到得流体的垂直作用的力称物体单位面积上所受到得流体的垂直作用的力称 为压力强度，简称压力或压强。为压力强度，简称压力或压强。p=F/A帕斯卡，Pa=N/m2公斤(力)/厘米2，kg(f)/cm2标准大气压，atm工程大气压，at千克/厘米2，kg/cm2毫米汞柱，mm Hg米水柱，m H2O毫米水柱
9、，mm H2O单位单位换算：1atm=760 mm Hg=10.33 m H2O=1.033 kg(f)/cm2=1.033 at=101.25 kPaSI单位：帕斯卡，Pa1MPa=103kPa=106Pa=109mPa2022-11-17第二章 流体的流动与输送11换算时，可选一常用的单位为中间单位，比如atm:600 mmHg=(600 760)101.25=79.9 kPa =(600 760)1.033=0.816 kgf/cm2100 kPa?kgf/cm2?mmHg例：600 mmHg?kPa?kgf/cm2例：100kPa=(100 101.25)1.033=1.02 at =
10、(100 101.25)760=750.9 mmHg2022-11-17第二章 流体的流动与输送123 3、压力的计量基准、压力的计量基准 绝对压力：以绝对真空绝对压力：以绝对真空(即零压力即零压力)为基准。为基准。表压表压：以当地大气压为起点的压力称为表压以当地大气压为起点的压力称为表压真空度：真空度：对低于当时当地大气压的系统测压时，低于对低于当时当地大气压的系统测压时，低于 当时大气压的这部分称为真空度当时大气压的这部分称为真空度.2022-11-17第二章 流体的流动与输送13绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力绝对压力测定压力测定压力表压表压大气压大气压当
11、时当地大气压当时当地大气压（表压为零）（表压为零）绝对压力为零绝对压力为零真空度真空度绝对压力绝对压力测定压力测定压力（a）测定压力测定压力大气压大气压（b）测定压力测定压力大气压大气压表压表压=绝对压力绝对压力 当地大气压当地大气压真空度真空度=当地大气压当地大气压 绝对压力绝对压力2022-11-17第二章 流体的流动与输送14（1）流体静力学基本方程式）流体静力学基本方程式下底面所受之向上总压力为下底面所受之向上总压力为p2A上底面所受之向下总压力为上底面所受之向下总压力为p1A整个液柱之重力整个液柱之重力GgA(H(H1-H2)向下向下向上向上所选液柱为静止流体的一部分，受力应平衡：所
12、选液柱为静止流体的一部分，受力应平衡：2112()0p Ap AgA HH2112()ppg HH（1）1122pgHpgH（2）上端面为液面时：上端面为液面时：20ppgh（3）p0p1p2GH2H1hAA2022-11-17第二章 流体的流动与输送15当液面压强有变化时，液体内部各点当液面压强有变化时，液体内部各点压强压强也发生相同大小的变化。也发生相同大小的变化。连通着的同一流体同一水平面各点的压强相等。连通着的同一流体同一水平面各点的压强相等。20ppgh（3）静止流体内任一点的压强与流体性质静止流体内任一点的压强与流体性质()和位置和位置(h)有关。有关。p=f(,h)2022-11
13、-17第二章 流体的流动与输送16(2)以液柱表示的压力以液柱表示的压力20ppghp0为当地大气压时：为当地大气压时：p=gh(表压表压)h=p/g因此可以用液柱高度因此可以用液柱高度h来表示压力大小。来表示压力大小。要指明液体的种类，必要时，指明温度。要指明液体的种类，必要时，指明温度。同种流体，不同高度表示不同的压力：同种流体，不同高度表示不同的压力：不同流体相同高度表示不同压力：不同流体相同高度表示不同压力：1122phph1122pp不同流体表示同一压力：不同流体表示同一压力：1gh1=2gh21221hh2022-11-17第二章 流体的流动与输送17弹簧管压力表5、测压仪表（1）
14、、弹簧管压力表压力表结构图1.表壳 2.弹簧管 3.指针 4.机芯 5.连杆 6.刻度盘 7.接头只测表压、真空压力表、联成表等。2022-11-17第二章 流体的流动与输送18根据流体静力学基本方程式则有根据流体静力学基本方程式则有U型管左侧型管左侧 pbp2+mg+R0g papbU型管右侧型管右侧 pap1+(m+R)g得得 p1-p2R(0)gU型压力计型压力计管内盛有与测量流体互不相溶的、密度为管内盛有与测量流体互不相溶的、密度为0的指示液，的指示液，U型管的两侧分别联结到被测系统的两点，随测量的型管的两侧分别联结到被测系统的两点，随测量的压力差不同，压力差不同，U型管中指示液显示不
15、同的高度差型管中指示液显示不同的高度差 结构：结构：原理：原理：2022-11-17第二章 流体的流动与输送19 当测量气体时当测量气体时 0-0，可简化为可简化为 p=p1-p2R0g 当压力计的一端通大气时，测得的是表压或真空度。当压力计的一端通大气时，测得的是表压或真空度。R在通大气一测，在通大气一测，p为表压；为表压；R在被测流体一测，在被测流体一测，p为真空度；为真空度；当当p 一定时，一定时，R读数大小与指示液密度有关。读数大小与指示液密度有关。（0）大）大，R小；小；（0）小）小，R大；大；2022-11-17第二章 流体的流动与输送20 质量流量质量流量qm：单位时间内流体流经
16、管道任一截面的质量。：单位时间内流体流经管道任一截面的质量。1、流量：流体单位时间内通过流道任一截面的流体的量。、流量：流体单位时间内通过流道任一截面的流体的量。体积流量体积流量qV：单位时间内流体流经管道任一截面的体积。：单位时间内流体流经管道任一截面的体积。VtVq m3/s 或或 m3/hmmqtkg/s，t/h qV与与qm关系：关系：mVmVqqtt即：即：mVqq2022-11-17第二章 流体的流动与输送212、流速、流速v定义：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离定义：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离,m/s。或或与流量的关系：与流量的关系：36003600Vm
17、qqvAAVmqqvAA流速通常是指流体在整个流道截面上的平均流速。流速通常是指流体在整个流道截面上的平均流速。工业上流体的流速一般：工业上流体的流速一般：v v液液vv气气vh2h4h32022-11-17第二章 流体的流动与输送37（3）计算外加能量。计算外加能量。2221212122efvvppHHHHgggg22fvpHHgg 计算输送流体所需功率可按下式进行：计算输送流体所需功率可按下式进行：eVemeaPqgHq gHP其中其中Pa为实际功率，为实际功率，Pe为理论功率，为理论功率，为效率。为效率。emeVePq gHqgH2022-11-17第二章 流体的流动与输送38（4）对于
18、静止流体：对于静止流体：v1=v2=0，He=0，Hf=0，则有：则有：1212ppHHgg或或1122pgHpgH这就是我们前面导出的流体静力学方程。因此，静止这就是我们前面导出的流体静力学方程。因此，静止流体是流体流动的一种特殊形式。流体是流体流动的一种特殊形式。2022-11-17第二章 流体的流动与输送391 1、利用柏努利方程进行计算应注意的问题：、利用柏努利方程进行计算应注意的问题：、根据题意画出流动示意图，将主要数据列于图上。、根据题意画出流动示意图，将主要数据列于图上。、确定物料能量衡算的范围，合理选择截面。、确定物料能量衡算的范围，合理选择截面。截面与流动方向垂直，两截面间流
19、体应连续。截面与流动方向垂直，两截面间流体应连续。、基准面的选择：、基准面的选择：一般可选择两截面中的一个为基准面，一个一般可选择两截面中的一个为基准面，一个H H为为0 0。、计算时，各物理量单位一致，基准一致。、计算时，各物理量单位一致，基准一致。如压力，可选表压，也可选绝压，应注明并前后一致。如压力，可选表压，也可选绝压，应注明并前后一致。截面上的量已知或可求，不选急变流动处作截面。截面上的量已知或可求，不选急变流动处作截面。上游为上游为1-11-1截面，下游为截面，下游为2-22-2截面。截面。若截面与基准面不平行，则选截面中心与基准面的距离。若截面与基准面不平行，则选截面中心与基准面
20、的距离。2022-11-17第二章 流体的流动与输送40例例 ：高位水槽水面距出水管净垂直距离为：高位水槽水面距出水管净垂直距离为6m(6m(如图如图)，出，出 水管为水管为D Dg g7070水管，管道较长，流动过程的压头损失水管，管道较长，流动过程的压头损失 为为5.75.7米水柱，求每小时可输送的水量（单位米水柱，求每小时可输送的水量（单位m m3 3.h.h-1-1）2、计算流体流动的流速和流量、计算流体流动的流速和流量解：解：作图作图 选截面：选截面：1-11-1，2-22-2 选出水管口为基准面选出水管口为基准面 H H1 1=6m=6m，H H2 2=0=0 以表压计算：以表压计
21、算：p p1 1=p=p2 2=0=0高位槽宽液面：高位槽宽液面：v1 0He=0，Hf=5.7m2022-11-17第二章 流体的流动与输送412211221222efvpvpHHHHgggg2212fvHHg212fvg HH代入数据得：代入数据得：22 9.81 65.72.426/vm sDg 70Dg 70管内径为：管内径为：d=75.5-2d=75.5-23.75=68mm=0.068m3.75=68mm=0.068m则每小时送水量为：则每小时送水量为：qv=Av=0.785d2 v =0.7850.06822.426 =8.80610-3 m3/s =31.7 m3/h若无阻力：
22、若无阻力：22 9.81 610.85/vm s动压头较小，只有位压头的动压头较小，只有位压头的5%5%。30.785/Vqmh 2022-11-17第二章 流体的流动与输送423、求泵的外加功率、求泵的外加功率用用2022-11-17第二章 流体的流动与输送432221212122efvvppHHHHgggg如取碱液槽液面为如取碱液槽液面为1-1面，喷头口为面，喷头口为2-2面，面，池底为基准面：池底为基准面：H1=1.5m，H2=16m，以表压计算：以表压计算：p1=0，p2=30 kPa碱液面是宽液面：碱液面是宽液面：v1=0Hf=3m解：解：求外加能量的柏努利方程为：求外加能量的柏努利
23、方程为：2252.863/mqvm sA 压出管压出管Dg 50的内径的内径d=60-23.5=53mm=0.053m22.8633000016 1.5320.721100eHm则：则：25emePq gHW 1410.225642.560.55eaPPWkW2022-11-17第二章 流体的流动与输送444、计算有规律的非定态流动、计算有规律的非定态流动例例：水从敞口容器底的小孔中流出（如图），试计算水面：水从敞口容器底的小孔中流出（如图），试计算水面从从H1降到降到H2所需的时间。所需的时间。解：选取容器内液面为解：选取容器内液面为1-1截面，小截面，小孔为孔为2-2截面，容器底为基准面，
24、以截面，容器底为基准面，以表压计算，柏努利方程简化为：表压计算，柏努利方程简化为：22vHg或或2vgH考虑小孔阻力系数：考虑小孔阻力系数：2vcgH若经过时间若经过时间d液面下降液面下降dH，则：，则：()AdHa v d 2acgHd2022-11-17第二章 流体的流动与输送452AdHdcagH积分：2102HHAdHdcagH1222AHHcag这就是液面从这就是液面从H1下降到下降到H2所需的时间。所需的时间。若液体全部流完，则若液体全部流完，则H2=0，这时所需时间为：，这时所需时间为：122AHcag2022-11-17第二章 流体的流动与输送46 1 1、孔板流量计、孔板流量
25、计原理：原理：通过改变流体在管道中的流通通过改变流体在管道中的流通截面积而引起动能与静压能改变来检截面积而引起动能与静压能改变来检测流量。测流量。孔板流量计孔板流量计结构结构：其主要元件是在管道中插入的：其主要元件是在管道中插入的一块中心开圆孔的板。用一块中心开圆孔的板。用U U型管测量孔型管测量孔板前后的压力变化。流体流经孔板时板前后的压力变化。流体流经孔板时因流道缩小，动能增加，且由于惯性因流道缩小，动能增加，且由于惯性作用从孔口流出后继续收缩形成一最作用从孔口流出后继续收缩形成一最小截面（缩脉小截面（缩脉)。该截面处流速最大因。该截面处流速最大因而静压相应最低。而静压相应最低。利用流体流
26、动力学原理测量流体流量的仪表：利用流体流动力学原理测量流体流量的仪表：孔板流量计；文氏流量计；转子流量计孔板流量计；文氏流量计；转子流量计孔板流量计.swfVv.exe2022-11-17第二章 流体的流动与输送472200022vpvpHHgggg H=H0220022vpvppHggggg 22022gppvvg 00AvvAU U形管压差计：形管压差计：p p=g=gR(R(i-)220002ig RAvvA020211ig RvAA2022-11-17第二章 流体的流动与输送480020221iig Rg RcvcAA00002ivg RqvAAcR R是对应的。是对应的。2022-1
27、1-17第二章 流体的流动与输送492、文丘里流量计（、文丘里流量计（Venturi Meter）原理：通过改变流体流通截原理：通过改变流体流通截 面积引起动能与静压面积引起动能与静压 能改变来进行测量，能改变来进行测量，其原理与孔板流量计其原理与孔板流量计 相同。相同。结构：采取渐缩后渐扩的流道，避免使流体出现边界层结构：采取渐缩后渐扩的流道，避免使流体出现边界层 分离而产生旋涡，因此阻力损失较小。分离而产生旋涡，因此阻力损失较小。ABR2022-11-17第二章 流体的流动与输送50文丘里流量计的计算公式仍可采用孔板流量计的形式，文丘里流量计的计算公式仍可采用孔板流量计的形式，所不同的是用
28、文丘里流量系数所不同的是用文丘里流量系数 CV 代替其中的孔流系数代替其中的孔流系数 C0，即，即 式中式中 CV 也随也随 Re和文丘里管的结构而变，由实验标定。和文丘里管的结构而变，由实验标定。在湍流情况下，喉径与管径比在在湍流情况下，喉径与管径比在 0.25-0.5 的范围内，的范围内，CV 的值一般为的值一般为 0.98 0.99。002iVg Rvc A2022-11-17第二章 流体的流动与输送512022-11-17第二章 流体的流动与输送52结构：在上大下小的垂直锥形管结构：在上大下小的垂直锥形管内放置一个可以上下浮动的内放置一个可以上下浮动的转子，转子材料的密度大于转子，转子
29、材料的密度大于被测流体被测流体流体出口锥形硬玻璃管刻度转子流体入口11220u原理：锥形管中流体在可以上下原理：锥形管中流体在可以上下浮动的转子上下截面由于压浮动的转子上下截面由于压差（差（p1p2）所形成的向上推）所形成的向上推力与转子的重力相平衡。稳力与转子的重力相平衡。稳定位置与流体通过环隙的流定位置与流体通过环隙的流速速 v0 有关。有关。2022-11-17第二章 流体的流动与输送53当向上推力浮力与转子的重力相平衡时：当向上推力浮力与转子的重力相平衡时：式中式中A AR R、V VR R 和和R分别为转子截面积分别为转子截面积(最大部份最大部份)、体积和密度。、体积和密度。流体出口
30、锥形硬玻璃管刻度转子流体入口11220uRRRRpggVVA2RRpvc2RRVRRRgVqa cAVRqaRRRgVpA2RRRRgVcA2022-11-17第二章 流体的流动与输送54第三节第三节 实际流体的流动实际流体的流动 实际流体由于有粘性，管截面上流体质点的速度分布实际流体由于有粘性，管截面上流体质点的速度分布是不均匀的从而引起能量的损失是不均匀的从而引起能量的损失一、牛顿型流体的粘性一、牛顿型流体的粘性流体流动时产生内摩擦力的性质，称为流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性粘性。流体粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘流体粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完要比把一
31、桶水放完慢得多，这是因为甘油流油放完要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力比水大的缘故。动时内摩擦力比水大的缘故。1、粘度、粘度2022-11-17第二章 流体的流动与输送55设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充满着设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充满着静止的液体，如图静止的液体，如图所示。所示。流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小。流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小。剪切力：与流体流动方向剪切力：与流体流动方向 一致的作用力。一致的作用力。剪应力：单位面积上的剪剪应力：单位面积上的剪 切力。又称为内切力。又称为内 摩擦力。摩擦力。F A
32、速度梯度：流体速度在与流动方向垂直方向上随距离的速度梯度：流体速度在与流动方向垂直方向上随距离的 变化率，变化率，dv/d dv/d。2022-11-17第二章 流体的流动与输送56实验证明：对一定的流体，剪切力实验证明：对一定的流体，剪切力F与面积成正比，与速与面积成正比，与速 度梯度成正比。度梯度成正比。dvFAddvFAdFdvAd为为粘性系数，或动力粘度粘性系数，或动力粘度，简称粘度。简称粘度。满足上述关系的流体为牛顿型流体。满足上述关系的流体为牛顿型流体。以后讨论的流体，除特别指明外一般都是牛顿型流体。以后讨论的流体，除特别指明外一般都是牛顿型流体。2022-11-17第二章 流体的
33、流动与输送572、粘度的物理意义：、粘度的物理意义：流体流动产生单位速度梯度时，流体单位面积上所产流体流动产生单位速度梯度时，流体单位面积上所产生的内摩擦力。生的内摩擦力。u 粘度是物质的物性参数。粘度是物质的物性参数。u 粘度只有在流体流动时才表现出来。粘度只有在流体流动时才表现出来。u 当流速一定时，粘度越大，阻力就越大，能量损当流速一定时，粘度越大，阻力就越大，能量损 失也越大。失也越大。u 粘度与温度有关：粘度与温度有关：液体液体 T，气体气体 T，2022-11-17第二章 流体的流动与输送583、粘度的单位：、粘度的单位：物理制单位：物理制单位：2达因 秒泊p 厘米厘泊厘泊 cpc
34、p1p=100cpSI单位：帕斯卡单位：帕斯卡秒，秒，Pa s换算：换算：1p=0.1 Pa s=100cp1 Pa s=1000cp1cp=110-3 Pa s293K时，水：时，水：1cp 空气：空气：0.0184cp2022-11-17第二章 流体的流动与输送59二、非牛顿型流体二、非牛顿型流体定义：定义：不服从牛顿粘性定律的流体，如泥浆、某些不服从牛顿粘性定律的流体，如泥浆、某些高分子溶液、悬浮液等。高分子溶液、悬浮液等。对于非牛顿型液体流动的研究，属于流变学的范畴。对于非牛顿型液体流动的研究，属于流变学的范畴。1、宾汉塑性流体宾汉塑性流体 宾汉塑性流体与牛顿型流体的唯一差别是：为使该
35、类流体宾汉塑性流体与牛顿型流体的唯一差别是：为使该类流体流动需加入一个额外的剪应力流动需加入一个额外的剪应力:实际中的实际中的宾汉塑性流体有宾汉塑性流体有:干酪、巧克力浆、肥皂、纸浆、泥浆等干酪、巧克力浆、肥皂、纸浆、泥浆等0dvd2022-11-17第二章 流体的流动与输送602、胀流性流体胀流性流体 这类流体不普遍，其运动特征是表观粘这类流体不普遍，其运动特征是表观粘度随剪切速率的增加而更快的增大度随剪切速率的增加而更快的增大实际中的实际中的胀流性流体有胀流性流体有:淀粉溶液、蜂蜜、湿沙等淀粉溶液、蜂蜜、湿沙等ndvkdn12022-11-17第二章 流体的流动与输送613、假塑性流体、假
36、塑性流体大多数非牛顿型流体属于假塑性流体，这类流体的大多数非牛顿型流体属于假塑性流体，这类流体的流动特性是其表观粘度随剪切速率的增大而增流动特性是其表观粘度随剪切速率的增大而增加的较少加的较少实际中的实际中的假塑性流体有假塑性流体有:蛋黄酱、血液、番茄酱、果酱、高分子溶液等蛋黄酱、血液、番茄酱、果酱、高分子溶液等ndvkdn4000 Re4000 湍流湍流通常选用通常选用20002000做为做为ReRe的临界值，此时的流速称为临界流速的临界值，此时的流速称为临界流速.这就是雷诺数，这就是雷诺数，18831883年英国物理学家雷诺提出。年英国物理学家雷诺提出。Re2000 Re2000 滞流滞流
37、2000Re4000 2000Re4000 过度状态过度状态2022-11-17第二章 流体的流动与输送66圆管中平均流速与最大流速比随Re的变化圆管中流速分布2022-11-17第二章 流体的流动与输送67注意注意 流动虽由流动虽由Re划分为三个区，但流型只有两种：层流和湍划分为三个区，但流型只有两种：层流和湍流。过渡区并不代表一种流型，只是一种不确定区域，流。过渡区并不代表一种流型，只是一种不确定区域，是否为湍流取决于外界干扰条件。如流道截面和方向的是否为湍流取决于外界干扰条件。如流道截面和方向的改变，外来震动等都易导致湍流的发生改变，外来震动等都易导致湍流的发生所谓特征数是指几个有内在联
38、系的物理量按无量纲条所谓特征数是指几个有内在联系的物理量按无量纲条件组合起来的数群，它既反映所含物理量之间的内在件组合起来的数群，它既反映所含物理量之间的内在联系，又能说明某一现象或过程的本质。联系，又能说明某一现象或过程的本质。Re数实际上数实际上反映了流体流动中惯性力反映了流体流动中惯性力(v2)与剪应力与剪应力(v/d)的对比关的对比关系，系，Re愈大，说明惯性力愈占主导地位，湍动程度就愈大，说明惯性力愈占主导地位，湍动程度就愈大。愈大。2022-11-17第二章 流体的流动与输送68u当量直径当量直径4de 流体流过的横截面积流体润湿的周边环形流道的当量直径为：环形流道的当量直径为：1
39、2122212()/44)eddddddd（对于非圆管导管，计算对于非圆管导管，计算Re数值时，应当用当量直径数值时，应当用当量直径de代替特代替特征数中的直径征数中的直径d，当量直径定义为：，当量直径定义为：矩形流道的当量直径为：矩形流道的当量直径为：242ea babdabab2022-11-17第二章 流体的流动与输送69例例 若将若将20硫酸用硫酸用48mmx3.5mm的冷拨无缝钢管输送，试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。求其达到湍流时的最低流速和流量，并与水比较。解解 20的硫酸粘度为的硫酸粘度为2.5410-3Pa.s，密度为，密度为1840kg.
40、m-3，湍流的条件为：湍流的条件为：Re4000dv0.0411840Re4000v 由此求得达到湍流的最低流速由此求得达到湍流的最低流速v=1.35m.s-1，最低流量为，最低流量为231.0.00178.qvvdm s按同样条件输送水时，可求得相应流速按同样条件输送水时，可求得相应流速v=0.098m.s-1,最低流最低流量为量为0.00013m3.s-12022-11-17第二章 流体的流动与输送70五、边界层的概念五、边界层的概念u 定义：流体流动时，靠近相界面，定义：流体流动时，靠近相界面，有明显速度梯度有明显速度梯度的流层的流层称为边界层。称为边界层。u 滞流层与湍流层之间还存在缓
41、冲层滞流层与湍流层之间还存在缓冲层u 在边界层以外、几乎没有速度梯度的区域，称为主在边界层以外、几乎没有速度梯度的区域，称为主流区。流区。u 湍流时，除除主要区域是是湍流外，靠近壁面的一湍流时，除除主要区域是是湍流外，靠近壁面的一薄层流体仍保持滞流，称为滞流内层。薄层流体仍保持滞流，称为滞流内层。2022-11-17第二章 流体的流动与输送71流体流入管中时，边界层并不是一进管口就出现，而是进入流体流入管中时，边界层并不是一进管口就出现，而是进入管口后逐渐形成的管口后逐渐形成的从管口到形成边界层所经历的管长称为从管口到形成边界层所经历的管长称为稳定长度稳定长度，此长度，此长度与管的形状。管壁粗
42、糙程度及雷诺数等因素有关与管的形状。管壁粗糙程度及雷诺数等因素有关Xouod进口段进口段2022-11-17第二章 流体的流动与输送72对光滑管，滞流时的稳定段长度为：对光滑管，滞流时的稳定段长度为：(0.050.06)Re.ld7/861.5/Red规则流动，传热传质阻力的主要来源。规则流动，传热传质阻力的主要来源。2022-11-17第二章 流体的流动与输送73第四节第四节 流体在管内流动时的阻力计算流体在管内流动时的阻力计算流体的性质；流体的性质；流动类型；流动类型；流过距离；流过距离；壁面形状等。壁面形状等。阻力产生的机理：阻力产生的机理：内因：流体具有粘性，流动时存在内摩擦；内因：流
43、体具有粘性，流动时存在内摩擦；外因：流体与其相接触的固体壁面之间的作用，外因：流体与其相接触的固体壁面之间的作用，是促使流体内部发生相对运动；是促使流体内部发生相对运动；流动阻力产生的大小相关因素：流动阻力产生的大小相关因素：2022-11-17第二章 流体的流动与输送74滞流流动时的阻力服从牛顿粘性定律。滞流流动时的阻力服从牛顿粘性定律。一、滞流时的摩擦阻力一、滞流时的摩擦阻力对于园管：对于园管：滑动摩擦阻力：滑动摩擦阻力：2dvdvFArldrdr静压差推力：静压差推力：2FpApr 2022-11-17第二章 流体的流动与输送75两力方向相反，定态滞流时，大小应相等：两力方向相反，定态滞
44、流时，大小应相等：22dvprrldr 整理得：整理得：2prdrldv 两边同时定积分：两边同时定积分：0002Rvprdrldv 20122pRlv其中：其中：R=d/2R=d/2，02vv232 lvpd 232 lvvpdv 2322lvd vd264Re2lvdPaPa264Re2flvHdgm m流体柱流体柱滞流流动：低速流动，粘性流体流动，毛细管流动。滞流流动：低速流动，粘性流体流动，毛细管流动。上式称为泊肃叶公式，也可写成：上式称为泊肃叶公式，也可写成：2022-11-17第二章 流体的流动与输送76例例 20的甘油在的甘油在Dg25管中以管中以0.2m.s-1流速流动。试求其
45、流速流动。试求其 流动阻力，并与硫酸流动做对比。流动阻力，并与硫酸流动做对比。解：解：20时甘油时甘油=1499cp=1.499Pa.s，=1260kg/m3；流动属于明显的滞流，流过每米管长的摩擦阻力为：流动属于明显的滞流，流过每米管长的摩擦阻力为：Dg25管的内径为管的内径为35.5-2x3.25=27mm若为若为20的硫酸：的硫酸：=23cp=0.023Pa.s，=1840kg/m30.0274.542000edvR0.0274322000eR2320.2201.90.027pPa 223232131600.027lvpPad 2022-11-17第二章 流体的流动与输送77二、湍流时流
46、动阻力二、湍流时流动阻力湍流时，流体的质点不规则的紊乱扰动并相互碰撞，湍流时，流体的质点不规则的紊乱扰动并相互碰撞，根据多方面实验并进行适当处理得以下公式根据多方面实验并进行适当处理得以下公式或或1、计算公式（范宁、计算公式（范宁Fanning公式）公式）22lvpd Pa22flvHdgm液柱液柱为摩擦阻力系数，与为摩擦阻力系数，与ReRe、等有关，等有关，=f(Re,)=f(Re,)l/dl/d为几何相似特征数，无量纲。为几何相似特征数，无量纲。：为管道的相对粗糙度。：为管道的相对粗糙度。=e/d=e/d，e e为绝对粗糙度。为绝对粗糙度。对于滞流，对于滞流，=64/Re=64/Re。20
47、22-11-17第二章 流体的流动与输送782、阻力系数的获取 查图与Re、的关系图 2022-11-17第二章 流体的流动与输送79从上图中可以看出从上图中可以看出滞流区：滞流区：Re 2000，=64/Re，与，与 无关。无关。过渡区：过渡区：2000 Re 10 Re105 52022-11-17第二章 流体的流动与输送81同时，因强烈湍流，可近似设同时，因强烈湍流，可近似设 变化不大变化不大流量与流速关系为：流量与流速关系为：q qV V=Av=Av，则，则例：例：具具有一定静压头的水经过一定长度的光滑水平管道流出，其流量有一定静压头的水经过一定长度的光滑水平管道流出，其流量 为为q
48、qv v；若压头不变，管长不变，而管径加倍，流动形态前后均为；若压头不变，管长不变，而管径加倍，流动形态前后均为 强烈湍流，试近有似计算管径加倍后的流量。强烈湍流，试近有似计算管径加倍后的流量。222212222pvlvvllvHggdggddg22121222vvlldgdg122211vdvd解：解：因是水平管道，静压头转化成流体的动压头和摩擦损耗：因是水平管道，静压头转化成流体的动压头和摩擦损耗：152522222222222221111111125.66vvqv Avddddqv Avdddd(1 l/d)流量增加并非（流量增加并非（d2/d1)2=22=4倍。倍。流道截面积增加，阻力
49、减小，流速增加。流道截面积增加，阻力减小，流速增加。2022-11-17第二章 流体的流动与输送82三、局部阻力三、局部阻力 流体流经管件时，其速度的大小、方向等发生变化，出流体流经管件时，其速度的大小、方向等发生变化，出 现漩涡，内摩擦力增大，形成局部阻力。现漩涡，内摩擦力增大，形成局部阻力。常见的局部阻力有：常见的局部阻力有：突扩突扩突缩突缩弯头弯头三通三通2022-11-17第二章 流体的流动与输送831、产生、产生管件：阀门、弯头、三通、流量计等管件：阀门、弯头、三通、流量计等流动发生改变处：流道突然扩大、收缩、小孔流出、流动发生改变处：流道突然扩大、收缩、小孔流出、管道流入容器等管道
50、流入容器等2、原因、原因流动状态改变使流体质点产生扰动、涡流。从而产生流动状态改变使流体质点产生扰动、涡流。从而产生摩擦阻力。摩擦阻力。3、特点、特点流动改变越剧烈、越突然，局部阻力就越大流动改变越剧烈、越突然，局部阻力就越大2022-11-17第二章 流体的流动与输送844、局部阻力的计算：从当量长度共线图，查出局部阻力的当量长度le进行计算。22efllvHdg22fvHg或以局部阻力系数计算：为局部阻力系数。2022-11-17第二章 流体的流动与输送85四、管路计算四、管路计算计算管路系统的阻力损失、外加能量等。计算管路系统的阻力损失、外加能量等。根据管路允许的阻力损失，计算流速、流量
