化工原理流体流动中的守恒原理课件.ppt

1、1.4 流体流动的内部结构流体流动的内部结构1.4.1 流动的型态流动的型态 两种流型两种流型a.层流层流：质点仅作轴向运动，无径向脉动；质点仅作轴向运动，无径向脉动；b.湍流湍流：质点不仅作轴向运动，还作随机的径向脉动。质点不仅作轴向运动，还作随机的径向脉动。流型的判据流型的判据1、雷诺数雷诺数Re4000湍流湍流 2000Re4000过渡区，不稳定的过渡区，不稳定的 du Re2、稳定性的概念、稳定性的概念稳定稳定：过程反抗外界干扰的能力。：过程反抗外界干扰的能力。当外界扰动移去后，过程能恢复原有状态，则该过当外界扰动移去后，过程能恢复原有状态，则该过程是稳定的或具有稳定性，反之则是不稳定

2、的。程是稳定的或具有稳定性，反之则是不稳定的。注意区分注意区分定态定态：全部过程参数均不随时间而变。流动有定态全部过程参数均不随时间而变。流动有定态、非定态之分，其它单元操作亦如此、非定态之分，其它单元操作亦如此3 3、严格地讲，临界雷诺数是流动稳定性的判据。、严格地讲，临界雷诺数是流动稳定性的判据。1.4.2湍流的基本特征湍流的基本特征基本特征：出现了速度的脉动基本特征：出现了速度的脉动湍流的强度和尺度湍流的强度和尺度主体流动主体流动+各种大小、强弱的旋涡各种大小、强弱的旋涡drdu)(湍流粘度湍流粘度 与流动状况有关，与物性无关。与流动状况有关，与物性无关。=f(Re,r=f(Re,r)1

3、.4.3 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体1.4.3 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体 边界层的定义边界层的定义 边界层的分离现象边界层的分离现象 边界层脱体的原因边界层脱体的原因 边界层脱体的后果边界层脱体的后果边界层：流动流体受固体壁面阻滞而造成速度梯度的边界层：流动流体受固体壁面阻滞而造成速度梯度的区域。区域。湍流时的层流内层湍流时的层流内层 当流体作湍流流动时，在近壁处速度脉动很小，当流体作湍流流动时，在近壁处速度脉动很小，流动仍保持层流特征。这样一薄层称层流内层。，流动仍保持层流特征。这样一薄层称层流内层。其厚度随其厚度随ReRe增大而减小。层流内层是径向传递过程的增大而减小

4、。层流内层是径向传递过程的主要阻力。主要阻力。边界层的分离现象边界层的分离现象 边界层脱体的条件边界层脱体的条件：逆压强梯度逆压强梯度 外层动量来不及传入外层动量来不及传入 平板不会发生脱体（无倒压区）平板不会发生脱体（无倒压区）流线型物体不会发生脱体（尾部收缩缓慢，动量来流线型物体不会发生脱体（尾部收缩缓慢，动量来得及传入）得及传入）边界层脱体后果边界层脱体后果：1、形成大量旋涡；、形成大量旋涡；2、造成较大机械能消耗。、造成较大机械能消耗。1.4.4 圆管内流体运动的数学描述圆管内流体运动的数学描述数学描述数学描述：建立过程各有关变量之间定量关系，：建立过程各有关变量之间定量关系，一般总力

5、图列两类方程：一般总力图列两类方程：l l 各种衡算方程；各种衡算方程；l l 过程特征方程。过程特征方程。流体的力平衡：取控制体列力平衡方程，以建流体的力平衡：取控制体列力平衡方程，以建立立 P与与 之间的关系之间的关系流体的力平衡：取控制体列力平衡流体的力平衡：取控制体列力平衡方程，以建立方程，以建立 P与与 之间的关系之间的关系推导结果：推导结果：圆管内流体的剪应力分布规律圆管内流体的剪应力分布规律即圆管内剪应力的大小与通道的几何尺寸有关（与半即圆管内剪应力的大小与通道的几何尺寸有关（与半径一次方成正比），与流动类型（径一次方成正比），与流动类型（层流或湍流）无关层流或湍流）无关rl 2

6、21P PP P r=0,=0r=R,Rl 2maxP P 层流时的速度分布层流时的速度分布层流（牛顿流体）特征方程：层流（牛顿流体）特征方程：与力平衡方程联立与力平衡方程联立 边界条件边界条件r=R,u=0积分积分dydu rdrldu 221P PP P urRrdrldu0 0P PP P 221 22214rRlu P PP Pr=0221max4Rlu P PP P 221max821Rluu P PP P 湍流的速度分布湍流的速度分布经验式：经验式：n=f f(Re)r=0，uumaxnRruu 1maxmax8.0 uu 1.5.1阻力损失阻力损失hf f 1-2截面列机械能衡算

7、式截面列机械能衡算式 fhupgZupgZ 2222222111 hf分类（以外部条件分）分类（以外部条件分）直管阻力（沿程阻力）直管阻力（沿程阻力）直管段；直管段；局部阻力局部阻力管件管件(弯头、阀门、突然扩大、突然缩小等弯头、阀门、突然扩大、突然缩小等）重点弄清三个问题：重点弄清三个问题：1、造成阻力损失的原因是什么？、造成阻力损失的原因是什么？2、阻力损失、阻力损失hf体现在哪里？体现在哪里？3、hf的大小用什么方法解决？的大小用什么方法解决？造成阻力损失的原因造成阻力损失的原因：内因（根源）：实际流体是粘黏性流体。内因（根源）：实际流体是粘黏性流体。外因（外部条件）外因（外部条件）直管

8、：内摩擦，湍流时产生旋涡等；直管：内摩擦，湍流时产生旋涡等；局部：边界层脱体造成旋涡。（突然扩大、突然缩局部：边界层脱体造成旋涡。（突然扩大、突然缩小、转弯等）小、转弯等）突然扩大突然扩大边界层脱体边界层脱体旋涡旋涡机械能消耗机械能消耗 外因是条件，内因是依据。对理想流体（外因是条件，内因是依据。对理想流体（=0），在任何），在任何情况下，情况下，hf 0。阻力损失体现在哪阻力损失体现在哪？fhupgZupgZ 2222222111 P P fh即即阻力损失表现为流体势能的降低阻力损失表现为流体势能的降低。而且，而且，P=Rg(i-)可测。可测。Hf大小用什么方法解决大小用什么方法解决？工程问

9、题的解决方法取决于对过程的了解与描述。工程问题的解决方法取决于对过程的了解与描述。主要有：解析法主要有：解析法 直接实验法直接实验法 数学模型法数学模型法 1.5.1 层流时直管阻力损失层流时直管阻力损失 P =fh 又层流时平均流速又层流时平均流速2221328dlRlu P PP PP P=-泊谡叶方程泊谡叶方程 讨论讨论：1.层流时，直管阻力损失与流速一次方成正比，与粘层流时，直管阻力损失与流速一次方成正比，与粘度（度（）或运动粘度（）或运动粘度（=/）的一次方成正比，与密）的一次方成正比，与密度一次方成反比；度一次方成反比；2.将将 代入可知，当流量一定时，代入可知，当流量一定时，；3

10、.圆形直管内层流，虚拟压降圆形直管内层流，虚拟压降 ，与，与流体密度无关。流体密度无关。232dluhf 24dquV 4 dhf232dlu P P 实验研究的任务：实验研究的任务：hf f=f(u,d,l,)函数形式及式中的参数。函数形式及式中的参数。1.5.2湍流时直管阻力损失的实验研究方法湍流时直管阻力损失的实验研究方法直接实验研究的困难：直接实验研究的困难：1.影响变量多，实验工作量大，费时费钱。影响变量多，实验工作量大，费时费钱。实验次数实验次数i=mn，若，若10个水平则个水平则i=106。2.许多变量变化范围广，物性千变万化。许多变量变化范围广，物性千变万化。3.设备几何边界条

11、件的复杂性。设备几何边界条件的复杂性。量纲论指导下的实验方法量纲论指导下的实验方法量纲分析法。量纲分析法。量纲分析法的基本步骤：量纲分析法的基本步骤：1.通过预实验或过程分析找出所有的，不可通过预实验或过程分析找出所有的，不可忽略的影响因素；忽略的影响因素；2.函数的无量纲化；函数的无量纲化；3.寻找合适的具体的函数形式逼近。工程上常用寻找合适的具体的函数形式逼近。工程上常用线性函数：线性函数：y=ax+b多项式：多项式：y=a0+a1x+a2x2幂函数：幂函数：y=Ax1ax2b指数函数：指数函数：y=Aeax (反应工程反应工程)4.4.实验确定待定参数。实验确定待定参数。函数的无量纲化函

12、数的无量纲化1.写出每个变量的量纲：写出每个变量的量纲：hf L2T-2;d,l,L1;uL1T-1 M1L-1T-1;M1L-32.选取选取n个独立变量代替基本量纲。力学系统个独立变量代替基本量纲。力学系统n=3,取取d，u，为基本变量；为基本变量；3.对剩余变量无量纲化对剩余变量无量纲化hf fhf f /u2;du4.待求函数无量纲化待求函数无量纲化hf f=f(u,d,l,)定理定理：任何物理方程必可转化为无量纲形式，无：任何物理方程必可转化为无量纲形式，无量纲数群的个数等于原方程变量数减去基本量纲数。量纲数群的个数等于原方程变量数减去基本量纲数。量纲分析方法的量纲分析方法的主要特点主

13、要特点：1.在某些时候，有效减少工作量；在某些时候，有效减少工作量；2.能够做到由此及彼，由小见大；能够做到由此及彼，由小见大；3.方法是纯经验的，对过程内在本质不了解；方法是纯经验的，对过程内在本质不了解；4.实验的目的是探索方程。实验的目的是探索方程。),1,1,1(2ddlduuhf ),(Re,2ddlfuhf 1.5.3 湍流直管阻力计算式湍流直管阻力计算式整理成便于使用的形式，显然整理成便于使用的形式，显然hf lhf f=(Re,/d)令令=(Re,/d)，则，则hf f=),(Re,2ddlfuhf 22udl22udl 摩擦系数摩擦系数 l l 层流区：层流区：Re2000，

14、与与/d无关。无关。l l 过渡区：过渡区：2000Re4000，Re l l 充分湍流区（阻力平方区）：充分湍流区（阻力平方区）：与与Re无关，无关，hf u2Re64 Re7.182log274.11d d 2log274.11 粗糙度对粗糙度对 的影响的影响 层流时，层流时，与与/d无关无关 湍流时，湍流时，/d 实际管的实际管的当量粗糙度当量粗糙度 测定测定hf f值值 对照对照莫迪图莫迪图 反推反推/d，称实际管的当量相对粗糙度，称实际管的当量相对粗糙度 ，称实际管的当量绝对粗糙度，称实际管的当量绝对粗糙度当量直径当量直径de 对几何形状接近于圆管时，计算式中对几何形状接近于圆管时，

15、计算式中d 用当量直径用当量直径de代替。代替。例：边长为例：边长为a的正方形管的正方形管 长长a宽宽b矩形管矩形管 套管环隙外径套管环隙外径D，内径，内径dAde44浸润周边流通截面积aaade442baabbaabde2)(24dDdDdDde4/422 需注意：需注意：l l de是经验的近似的，所以层流时是经验的近似的，所以层流时 计算式调整为计算式调整为，几何，几何形状不同形状不同a不同不同l l Rea 1.5.4 局部阻力损失局部阻力损失 局部阻力损失是由于流道的急剧变化局部阻力损失是由于流道的急剧变化使流动边界层分离，产生大量旋涡，消耗机械能。使流动边界层分离，产生大量旋涡，消耗机械能。局部阻力损失的计算方法局部阻力损失的计算方法l l 局部阻力系数局部阻力系数 ，由实验测得。对多股流体的合流或单由实验测得。对多股流体的合流或单股流体的分流，股流体的分流，可能为负值。即部分流体获得能量。可能为负值。即部分流体获得能量。22uhf