1、Chapter One 流体流动 Fluid Flow,2,2,2,2,1.序言,流体的定义：气体和液体的总称. 流动性，即抗剪抗张（shear stresses)能力都很小。 无固定形状，随容器的形状而变化。 在外力作用下流体内部发生相对运动。 研究流体流动的重要性： 工业中流体状态多。(管路输送、设备、传热) 单元操作涉及流体多。(混合、过滤、传热、传质),2,3,3,3,3,概述：流体力学是力学的一个分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。 主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律。,流体力学 (fluid mechanics)：
2、,3,4,4,4,4,流体力学理论的形成,阿基米德 牛顿 欧拉 柏努利与其他学科交叉，发展。,4,5,5,5,5,流体连续性假设,假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。 目的：为了摆脱复杂的分子运动，而从宏观的角度来研究流体的流动规律。,大量分子构成的集团， 但其大小与管路线容器 的尺寸相比仍微不足道。,5,6,6,6,6,流体流动的实质,实质：并非指其内部分子的运动（静止流体的分子是运动的）。而是流体内部无数质点运动的总和。,6,7,7,7,7,研究流体流动的重要意义,流体的输送：研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算； 压强、流
3、速及流量的测量：为了了解和控制生产过程，需要对管路或设备内的压强、流量及流速等一系列的参数进行测量，这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的； 为强化设备提供适宜的流动条件：化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的，设备的操作效率与流体流动状况有密切的联系,7,8,8,8,8,流体力学研究内容,fluid statics fluid dynamics （流体静力学） （流体动力学）.,外力作用下静止的流体,运动的流体,8,9,9,9,9,本章研究的内容,流体的静止规律； 流体的流动规律； 压强、流量、流速等的测量； 流体输送机械和管道特性和有关计算； 如何利用有关
4、规律去强化生产过程，解决实际问题,9,10,10,10,10,1. pressure 2. density and specific volume 3. hydrostatic equilibrium 4. application,2. 流体静力学基本方程式 (Hydrostatic equilibrium ）,10,11,11,11,11,2.1 Pressure,pressure( P) and force (F)units: PPa（帕）,FN(牛顿)压强单位的转换：1 atm = 101325 Pa = 10330 kgf/m2 = 10.33 mH2O = 760 mmHg,11,1
5、2,12,12,12,Different expression of pressure:,绝对压力 (absolute pressure)， 真空度(vacuum)， 表压(gauge pressure)， 大气压(atmosphere)绝对压力 - 大气压 = 表压大气压 - 绝对压力 = 真空度真空度 = - 表压,12,13,13,13,13,例题1,在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80103Pa。在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为若干？兰州地区的平均大气压强为85.3103Pa，天津地区的平均大气压强为101.33103Pa。 解：根据兰州地区的大
6、气压强条件，可求得操作时塔顶的绝对压强为绝对压强=大气压强真空度=85 300-80 000=5 300 Pa在天津操作时，要求塔内维持相同的绝对压强，由于大气压强与兰州的不同，则塔顶的真空度也不相同，其值为真空度= 大气压强绝对压强=101 330-5 300=96 030 Pa,14,14,14,14,2.2 密度（density） 与比容（specific volume）,=m/Vkg/m3type of fluid; P; T;,14,15,15,15,15,不可压缩性流体(Incompressible fluid),一般流体的体积（密度）都是随压强和温度的变化而变化的。 对于液体（如
7、水），压强的变化对其密度的影响很小，可以忽略不计，流体的特性称为不可压缩性。 液体被视为不可压缩流体，其密度只与温度有关，即= (T),15,16,16,16,16,可压缩性流体(Compressible fluid),它的密度随温度和压强的不同而出现较大的差别，气体是可压缩流体。 一般在压强不太高，温度不太低的情况下，可以按理想气体处理。即(p,T),17,17,17,17,2.2.1 气体密度的计算,当压力温度适中，按照理想气体状态方程，pV=mRT /M =pM/RTp kPa TK Mkg/kmol（摩尔质量） R8.31 kJ /kmolK,17,18,18,18,18,标准状态下：
8、 =pMT0/22.4Tp0质量一定时，温度、压力和体积变化关系： pV/T = pV/T,19,19,19,19,比例法计算:,=0 PT0 / P0T0= M/22.4 kg/m3 (标态下， T0=273 K, P0=101.325103 Pa, 摩尔体积是 22.4 m3/kmol ),19,20,20,20,20,m= AxVA+ BxVB + nxVn当P 、T适中, M 用Mm代替，Mm=(M yi) , m = pMm/RTor m = (yii) yi 摩尔分数,混合气体密度计算,20,21,21,21,21,若混合前后体积变化不大或不变， 则，1Kg 混合液的体积 = 各组
9、分单独存在的体积之和，1/m=(i /i )i i组分的密度, ii组分的质量分率,2.2.2 液体混合物密度计算,21,22,22,22,22,2.2.3 相对密度（relative density ）/ 比重常压下，4 摄氏度的水的密度为（1000 kg/m3 ）.2.2.4 比容（Specific volume ，)v =1/m3/kg,22,23,23,23,23,2.3 流体静力学基本方程式,推导 应用,23,24,24,24,24,推导的前提：不可压缩流体，密度不随压力变化。,24,受力分析： pA-(p+dp)AgAdZ=0 同除以A，得dp +g dZ = 0,25,25,25
10、,25,Integration(积分)，得,or,25,26,26,26,26,如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为p0，液柱Za-Zbh，则上式可改写为p = p0+gh,26,27,27,27,27,讨论,1）等压面静止的，连续的同一液体内，深度相等的各点压力相等。 2）P0变化时，内部各点变化值相等。 3）液柱高度：h= P2-P0 / g 4) 气体压力温度变化不大时（20%以内），可视为不可压缩流体。,27,28,28,28,28,(5) energy conservation （能量守恒）P/g + Z =constant (m or J/N)P/ + Zg =cons
11、tant (N or J/kg)P + g Z=constant (Pa or J/m3),static head,static energy,static press,potential head,potential energy,potential pressure,Z-从基准面算起的位压头， P/g-从基准面算起的静压头，,28,29,29,29,29,例题2,1)判断下列两关系是否成立，即pA=pA pB=pB 计算水在玻璃管内的高度h,30,30,30,30,2.3.3 流体静力学基本方程式的应用,(1)测压强 U形管液位压差计（U-tube manometer）.,30,31,31
12、,31,31,b. inclined manometer(斜管压差计),R=R/ sin ,31,32,32,32,32,c. two-liquid manometer(双液压差计),P1- P2 =R g (a-b) (a-b )越小, R 越大.,32,33,33,33,33,(2) measurement of the liquid level,The smaller R, the higher liquid level.,R,x,33,34,34,34,34,(3) height of liquid seal (确定液封高度)？ p1 (gauge pressure)h = p1 /
13、(H2Og) Consideration of safe, h is shallower (no deeper) than the value calculated.,34,35,35,35,35,Homework,P59 思考题 1-4， P60 ，习题 1-2， 1-5， 1-8 推导题,35,36,36,36,36,3. 流体流动基本方程,管道中流动的流体 1. 流量与流速 2. 稳定流动与不稳定流动 3. Continuity Equation (连续性方程式) 4. Bernoulli Equation (柏努利方程式) 5. 实际流体机械能衡算式,36,37,37,37,37,3.
14、1 流量与流速,3.1.1 流量 (1) Vs (体积流量)，m3/s (2) ws (质量流量)，kg/s ws = Vs 3.1.2 流速 (1) u (平均流速)，m/su = Vs /A A-截面积, m2 流量与流速的关系： ws =uA,37,38,38,38,38,点速度local velocity 与平均速度average velocity,产生原因: 流体有粘性.,38,39,39,39,39,G 、ws 与 T 、P无关。,39,(2) G(质量流速), kg/(m2.s) G= ws/A= u A / A =u,40,40,40,40,3.1.3 管道直径的估算(d) u
15、 = Vs/AA = d2/4 =0.785d2(Vs / 0.785 u)1/2一般的u 范围见下页表. 液体 0.5-3 m/s, 气体10-30 m/s.Examples,40,41,41,41,某些流体在管道中常用的流速范围,41,液体种类及状况 常用流速范围 （ m/s）自来水（3105Pa） 1.01.5水及低黏度液体 1.53.0高黏度液体 0.51.0低压气体 8.015易燃易爆的低压气体（如乙炔） 8压力较高的气体 1525饱和水蒸气（0.8Mpa） 4060饱和水蒸气（0.3Mpa） 2040过热水蒸气 3050,42,42,42,Example,例：要求安装输水量为30m
16、3/h的一条管路，试选择适当规格的水管 解：选流速为1.8 m/s则查阅相关规格公称直径 外径 壁厚 *80/mm 3 88.5/mm 4/mm(普通管) 实际流速u =(30/3600/0.785/0.0805)1/2 =1.6(m/s),42,43,43,43,43,3.2 定态流动与非定态流动,定态流动（Steady Flow） ： u 、P 与时间无关。 过程无积累。 非定态流动（Unsteady Flow）,43,44,44,44,44,3.3 连续性方程式,前提: 一种流体；连续稳定流动,44,45,45,45,45,推导,若在管道两截面之间无流体漏损，根据质量守恒定律，ws1ws
17、21A1u12A2u2 此关系可推广到管道的任一截面，Au常数连续性方程式 Ws 1 u1A1= 2 u2A2 = uA=constant若流体不可压缩，常数，则A u常数,45,46,46,46,连续性方程式 Ws 1 u1A1= 2 u2A2 = uA=constant 若流体可视为不可压缩的流体（常数），改写为：Vsu1A1= u2A2 = uA=constant,46,47,47,47,47,由此可知，在连续稳定的不可压缩流体的流动中，流体流速与管道的截面积成反比。对于圆形管道，可得流体流速与管径的平方成反比。,47,48,48,48,3.4 能量衡算方程式,稳定流动系统中，流体从截面
18、1-1流入，经粗细不同的管道，从截面2-2流出；管路上装有对流体作功的泵及向流体输入或从流体取出热量的换热器。 衡算范围：内壁面、1-1与2-2截面间 衡算基准：1 kg流体。基准水平面：o o平面,48,u1、u2 流体分别在截面1-1与2-2处的流速, m/s p1、p2 流体分别在截面1-1与2-2处的压强, N/m Z、Z 截面1-1与2-2的中心至基准水平面o-o的垂直距离, m A1、A2 截面1-1与2-2的面积，m2 v1、v2 流体分别在截面1-1与2-2处的比容, m3/kg,49,49,49,1kg流体进、出系统时输入和输出的能量,49,50,50,50,50,3.4 B
19、ernoulli Equation(柏努利方程式),-管中流动流体的机械能衡算式柏努利方程式研究管内流体流动的机械能衡算式 静力学基本方程式研究的是静止流体的机械能衡算式.,50,51,51,51,51,能量守恒-热力学第一定律,51,根据能量守恒定律，连续稳定流动系统的能量衡算是以输入的总能量等于输出的总能量为依据的， 列出以kg流体为基准的能量衡算式：,此即为单位质量流体稳定流动过程的总能量衡算式，也称流动系统的热力学第一定律,52,52,52,52,机械能衡算式的推导,Qe = Qe + hf U = Qe - p dv,52,53,53,53,53,对于不可压缩流体,= vP,实际流体
20、的柏努利方程式,53,54,54,54,54,对于理想流体，且无外功加入，,理想流体柏努利方程式,54,55,55,55,55,理想流体柏努利方程式的物理意义,gz为单位质量液体所具有的位能，p/为单位质量液体所具有的静压能。u2/2为单位质量流体所具有的动能.(因为质量为m、速度为u的流体所具有的动能为mu2/2) 注: u2/2, gZ, P/, m2/s2 =kg m2/kg s2=N m/kg =J/kg位能、静压能及动能均属于机械能，三者之和称为总机械能或总能量。,J/kg,55,56,56,56,柏努利方程式讨论,理想流体在各截面上所具有的总机械能相等； 每一种形式的机械能不一定相
21、等； 各种形式的机械能可以相互转换； 柏努利方程式描述了理想流体流动过程中各种形式的机械能相互转换的数量关系。,56,57,57,57,57,柏努力方程的其他形式:,Z+ P/g + u2/2g = 常数单位: 米,或J/N. 指单位重量流体具有的能量.位压头, 静压头, 动压头, 总压头守衡.gZ + P +u2/2 = 常数 单位:J/m3, 指单位体积流体具有的能量.,57,58,58,58,58,在没有能量损失的情况下(理想流体), 任何一个截面上总机械能守恒.相互转化！,58,59,59,59,59,Z+ P/g + u2/2g = 常数,当u = 0, 柏努利方程变成静力学方程。静
22、止是流动的特殊形式！,59,60,60,60,60,对气体而言，当P20%P, 视为不可压缩流体。对于非定态流动，瞬间可视为满足柏努利方程。,60,61,61,61,61,3.4 实际流体的机械能衡算式,实际流体 （有粘性） 理想流体平均流速 能量损失,61,62,62,62,62,gZ + P/ + u2/2 在流动方向上不守恒。,热量,62,63,63,63,63,有损失Z1 + P1/+ u12/2g = Z2 + P2/+ u22/2g + Hf m Hf -压头损失, m.,63,64,64,64,64,需外加功Z1 + P1/g+u12/2g + H = Z2 + P2/g+u22
23、/2g + Hf , m H-外界提供的压头, m,64,65,65,65,65,或：Z1g + P1/+u12/2 + We = Z2g + P2/+u22/2 + hf , J/kgWe = gH, J/kg hf = gHf,能量损失，J/kg,65,66,66,66,66,讨论：,Hf 特点：（1）Hf 代表了两个截面间的压头损失。( 2 ) Hf 与其他项不可相互转化。,66,67,67,67,67,3.4.2 柏努利方程的应用,柏努利方程是流体流动的基本方程式，它的应用范围很广。 一. 确定管道中流体的流量(流速)； u 二、确定容器间的相对位置； Z 三、确定输送设备的有效功率；
24、 We 四、确定管路中流体的压强 P,Examples,67,68,68,68,确定管道中流体的流量(流速),20空气,流过文丘里管,能量损失可忽略不计。当U管压差计读数R=25mm、h=0.5m时，试求时空气的流量为若干m3h?当地大气压强为101.33103Pa。 解：,68,69,69,69,70,70,70,确定容器间的相对位置,70,71,71,71,确定容器间的相对位置,72,72,72,确定输送设备的有效功率,72,73,73,73,确定管路中流体的压强,73,74,74,74,75,75,75,应用柏努利方程式解题要点,76,76,76,76,应用柏努利方程式解题时，注意事项：
25、,(1)选取截面 连续、稳定的范围内. 截面常取在输送系统的起点和终点的相应截面，因为起点和终点的已知条件多。另外，两截面均应与流动方向相垂直。,76,77,77,77,78,78,78,(2)确定基准面,79,79,79,79,(3)压力 柏努利方程式中的压力p1与p2只能同时使用表压或绝对压力，不能混合使用。单位： Pa(4)外加能量 外加能量W是对每kg流体而言的。W *qm = Ne (有效功率)Ne/ = N (轴功率),79,80,80,80,81,81,81,81,Homework,习题： 1-17, 1-20,81,82,82,柏努利方程式复习,单位质量流体所具有的能量(J/k
26、g) 单位重量流体所具有的能量(m) 单位体积流体所具有的能量(Pa),82,83,83,83,83,4. 管内流体的流动现象,能量损失的原因 管内速度分布 能量损失计算( 下节）,83,84,84,84,84,1. viscosity(粘度) 2. 流体流动类型与雷诺准数 3. 流体在圆管中的速度分布 4. 边界层的概念,viscous adj. 粘性的,84,85,85,85,85,4.1 粘度,流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性。流体粘性越大，其流动性就越小。粘性与粘度溶解性与溶解度甘油与水,85,86,86,86,86,Velocity distribution Of practi
27、cal fluid,Velocity distribution Of ideal fluid,86,87,87,87,87,(2) 牛顿粘性定律,87,88,88,88,88,在两层平板之间液体中形成流速分布。这种运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力或粘滞力。 流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小 。,88,89,89,89,89,y ， . y+dy, +d. d/dy 速度梯度 Fs /As = 剪应力,89,90,90,90,90,粘度系数，动力粘度，粘度 ： = d/dy 的方向与接触面平行。牛顿粘性定律（从实验中来）,90,91,
28、91,91,91,(3) 粘度的物理意义, 由剪切力而来. 与速度梯度相联系。 只对流动的流体有意义.静止流体反映不出来。,91,92,92,92,92,单位:, = Pas = kg/ms In CGS system, P (g/cms, 泊) 1P= 0.1 Pa s, 1 P（泊) = 100 cP (厘泊), 1 Pas = 1000cP let / = - 运动粘度， m2/s. In CGS system, cm2/s (St)1 m2/s = 104 St,92,93,93,93,93,气、液的粘度：,Appendixes,93,94,94,94,94,A牛顿型流体B塑 性 流
29、体C假塑性流体D胀塑性流体, = d/dy,94,95,95,95,95,4.2 流体流动类型与雷诺准数,静静的小河奔腾的瀑布,95,96,96,96,96,壶口瀑布上游,96,97,97,97,97,壶口瀑布下游,97,98,98,98,98,西湖,98,99,99,99,99,西湖,99,100,100,100,100,Osborne Reynolds (1842-1912):,In 1883, Osborne Reynolds, a famous British scientist and engineer, published a pioneering paper on transit
30、ion of flow type.流动类型的转变,100,101,101,101,101,Reynolds 首次通过实验展示了流动类型的变化。,101,102,102,102,102,4.2.1 雷诺实验,102,103,103,103,103,What could be found?,103,水流速度不大时，有色细流成一直线，与水不混合 玻璃管内的水的质点是沿着与管轴平行的方向作直线运动 流体分层流动，层次分明，彼此互不混杂，掺和(唯其如此，才能使有色液体保持直线) 流型叫层流或滞流,水流速度增大到某临界值时，有色细流开始抖动，弯曲，继而断裂，细流消失，与水完全混合在一起，整根玻璃管呈均匀颜
31、色 玻璃管内的水的质点除了沿着管道向前运动外，各质点还作不规则的，杂乱的运动，且彼此间相互碰撞，相互混合，质点速度的大小和方向随时发生变化 湍流或紊流,104,104,104,104,大量的实验总结： 影响因素： 管径、粘度、流速、密度.可以关联为一个无因次数群，是判断流体流动类型的准则。,How to judge by theory?,104,105,105,105,105,Re = du/ = du/ d - mu -m/s- Pa.s- kg/m3 -m2/s,105,106,106,106,106,无因次,unit of Re:,106,107,107,流型的判据雷诺准数,107,Wh
32、en Re 2000, laminar flow;2000Re4000, transition flowRe 4000, turbulent flow.,从高流速至低流速或从低流速到高流速时过渡点Re不同。,108,108,108,108,Analogy law(相似性原理):只要Re值相等，几何边界相似，流动类型一定相同。 便于实验室模拟研究。Example 1-18,108,109,109,109,109,关于无因次数群由几个物理量组成，有明确的含义。大量实验加上数学推导。Examples：Re， Pr， Nu（人名命名）,109,110,110,层流(滞流)与湍流的基本特征,层流(滞流)
33、的基本特征 管内滞流时，流体质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。流体可以看作而无数同心圆筒薄层一层套一层作同向平行运动 湍流的基本特征 管内湍流时，流体质点在沿管轴流动的同时还伴着随机的脉动，空间任一点的速度(包括大小和方向)都随时变化，流体质点彼此相互碰撞，相互混合，产生大大小小的漩涡,110,111,111,111,111,Reading material: 湍流的偏离速度,漩涡,111,112,112,112,112,圆管中流体的速度分布?,Velocity distribution,112,113,113,113,113,4.3.1 流体在圆管中层流时的速度分布,F
34、ig.1-18 Fluid element in steady flow through pipe,(2rdL),113,114,114,114,114,Simplifying this equation and dividing by (r2dL) gives:,For steady state,Resultant force :,114,115,115,115,115,When r=R, u=0, the integration of the Eq is:,And u reach max when r equals to 0, so,So the relation of u and uma
35、x can be obtained, that is,115,116,116,116,116,(1) 形成,当管中心的速度等于平均速度的两倍时，层流速度分布的抛物线规律完全形成。 尚未形成层流抛物线规律的这一段，称为层流的起始段，X00.05dRe。,116,117,117,117,117,(3) 平均流速,(4) 哈根-泊素叶方程P = 32L u/d2,117,118,118,118,118,意义: 静压能损失与流速成正比。应用：通过测压差，来测流速,哈根-泊素叶方程,P = 32L u/d2,118,119,119,119,119,4.3.2 流体在圆管中湍流时的速度分布,特征: edd
36、ies (漩涡) 管截面上的速度分布比较均匀,119,120,120,120,120,Re越大，曲线越平坦。,120,121,121,121,121,完全经验公式：When Re 105, r = max(1-r/R)1/7（1/7次方定律）,121,122,122,122,122,湍流主体过渡区层流底层,122,123,123,湍流时的滞流内层和缓冲层,在湍流的圆管内流体流动也存在层流内层，过渡层（缓冲层）和湍流层。由于湍流时管壁处的速度为零，则靠近管壁时流体仍作滞流流动，这一作滞流流动的流体薄层，称为滞流内层或滞流底层。 自滞流内层往管中心推移，速度逐渐增大，出现了既非滞流流动亦非完全湍流
37、流动的区域，这一区域称为缓冲层或过渡层，再往中心才是湍流主体。滞流内层的厚度随Re值的增大而减小。 滞流内层的存在，对传热与传质过程都有重大影响。,123,124,124,流体在直管内的流体阻力,流动阻力所遵循的规律因流型不同而不同。滞流时，流动阻力来自流体本身所具有的粘性而引起的内摩擦；对牛顿型流体则为摩擦应力（剪应力） =du/dy 湍流时，流动阻力的来源有两个，粘性引起的内摩擦及流体质点的径向脉动产生的附加阻力（称之为湍流应力）。 总摩擦应力=粘性摩擦应力+湍流应力，不再服从牛顿粘性定律，但可仿照其写成=(+e)du/dy e为湍流粘度，单位PaS，不是流体的物理性质，与流体流动状态有关
38、。,124,125,125,4.4 边界层的概念,边界层的形成 边界层的发展 边界层的分离,125,126,126,边界层的形成,设有流速为us的均匀平行流流过平行于流速方向的平壁面 紧贴壁面的流体质点因与壁面的相互作用而流速为零 流体粘性的存在使得静止的流体层对上方相邻的流体层施加一个阻碍其向前运动的力,126,使该层流体减速，该减速层又对其上方相邻流速较快的流层施以剪切力，促其减速，这样在垂直流体流动方向上便产生了速度梯度 流动边界层在壁面附近存在着较大的速度梯度的流体层 流体外流区（主流区）边界层以外，粘性不起作用，速度梯度为零，流速未受壁面影响，为us 边界层厚度的确定 u=0.99u
39、s 处 边界层区： du/dy 很大，很大，壁面du/dy很大 主流区： du/dy=0， =0， 与理想流体相当,127,127,边界层的发展 流体在平板上的流动,边界层厚度随x的增大而增厚，这说明边界层在平板前缘后的一定距离内是发展的； 在发展过程中，边界层内流体的流型可能是滞流，也可能是由滞流转变的湍流，但在靠近壁面处的流体层仍保持滞流，这称为滞流底层。 平板上边界层厚度的估算： 层流边界层：/x=4.64/Rex0.5 Rex2105 湍流边界层：/x=0.376/Rex0.2 Rex=uxx/ Rex3106,127,128,128,边界层的发展 流体在圆形直管的进口段内的流动,12
40、8,129,129,129,130,130,130,131,131,131,132,132,边界层的分离,若流体流过曲面，如球体，圆柱体及其他几何形状物体的表面时。所形成的边界层不管是滞流还是湍流，在一定条件下都将产生边界层与固体表面脱落的现象，即边界层的分离 分析如下：如上图所示，流体以均匀的流速垂直流过一无限长的圆柱体表面，(以圆柱体的上半部分为例)，由于流体粘性的存在，在壁面上形成边界层，其厚度随流过的距离而增加。流体的流速与压强沿圆周边而变化,132,133,133,A点(停滞点、驻点),当流体到达A点时，受到壁面的粘滞，流速为零，压强最大，后继而来的流体在高压作用下，被迫改变原来的运
41、动方向，由A点绕圆柱表面而流动,133,134,134,B点,流速最大而压强最低，流体自点流到点，因流道逐渐减小，边界层内流动处于加速减压的情况之下，所减小的压强能一部分转化为动能 另一部分消耗于克服因流体的内摩擦而引起的流动阻力,134,135,135,C点(分离点),流体流过B点后，流道截面逐渐增加，流体又处于减速增压的情况，所减小的动能，一部分转变为压强能，另一部分消耗于克服摩擦阻力 直至C点处，流体的动能消耗殆尽，流速为零，压强为最大，形成了新的停滞点 后继向来的流体在高压作用下，脱离壁面沿新的流动方向前进。这种边界层脱离壁面的现象，称为边界层的分离,135,136,136,C点D点,
42、边界层脱离导致在C点的下游形成了流体的空白区，后面的流体倒流填充，产生流向相反的两股流体，两股流体的交界面称为分离面（CD面）。 分离面与壁面之间有流体回流而产生漩涡，形成涡流区。,136,137,137,形体阻力、局部阻力,涡流区内流体质点进行着强烈的碰撞与混合而消耗能量，这部分能量损耗是由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的，称为形体阻力。 局部阻力：粘性流体绕过固体表面的阻力。 局部阻力=摩擦阻力+形体阻力,137,138,138,要减小或消除形体阻力，则必须将物体的形状做成流线形 即必须使物体的外形与流体的流线重叠，这样就不会产生边界层脱体，也就不存在形体阻力了,138,139,13
43、9,139,139,5. 流体流动的摩擦阻力损失,如何计算hf ? 阻力损失产生的机理？,139,5.0 柏努利方程中的能量损失项 5.1 流体在直管中的流动阻力 5.2 管路上的局部阻力 5.3 管路系统的总能量损失,140,140,5.0 柏努利方程中的能量损失项 流动阻力产生的原因与影响因素,流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，它是流动阻力产生的根源； 固定的管壁或其他形状固体壁面促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件； 流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。,141,141,流动阻力的分类,流动阻力=直管阻力+局部阻力=摩擦阻力+形体阻力
44、直管阻力hf 流体流径一定管径的直管时，因流体内摩擦而产生的阻力。 局部阻力hf 流体流径管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所产生的阻力。,142,142,柏努利方程中的能量损失项,142,单位质量流体流动时损失的机械能,单位重量流体流动时损失的机械能,单位体积流体流动时损失的机械能,(J/kg),(m),(Pa),143,143,143,143,5.1 流体在直管中的流动阻力 (Friction loss),两种阻力损失: 直管阻力损失：流体流过直管造成的机械能损失称为直管阻力损失。局部阻力损失：流体流经管件（弯头、三通、阀门）造成的机械能损失称为局部阻力损失。,143,1
45、44,144,144,144,144,145,145,145,145,流体在直管内的阻力损失,（1）压力降阻力损失的直观表现,问: 上、下截面的压力差等于流体流动的阻力损失，此话对否？,145,力平衡 ：p1-p2=4l/d,hf 4l/ d,146,146,146,146,当液体流经非水平的等直径的直管时，对于水平等直径管道，流体的能量损失应为 应该注意：(1)对于同一根直管，不管是垂直或水平安装，所测得能量损失应该相同；(2)只有水平安装时，能量损失等于两截面上的静压能之差。,146,147,范宁（Fanning）公式,由于动能u2/2与hf的单位相同，均为J/，经常把hf表示为动能u2/
46、2的若干倍数的关系:令： 则：摩擦系数，把hf与的乘积记作pf：,147,Fanning公式,148,5.2 管壁粗糙度(Roughness)对的影响,化工管道大致有两种： 光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管 粗糙管：钢管和铸铁管管壁粗糙度： 绝对粗糙度壁面凸出部分的平均高度，以表示，mm。 相对粗糙度/d(无因次)。,148,149,管壁粗糙度对的影响,流体在管道中流动时，流体质点与管壁面凸出部分相碰撞而增加了流体的阻力，所以，其影响的大小是与管径d的大小和流体流动的滞流底层厚度有关 管壁粗糙度对摩擦系数的影响程度与管径d有关例如对于相同，直径d不同，对的影响就不相同，对直径小的影响要大些，所以
47、在流动阻力的计算中不但要考虑绝对粗糙度的大小还要考虑/d的大小,150,管壁粗糙度对摩擦系数的影响,层流时，=(Re)，与管壁粗糙度无关这是因为流体作层流流动时，管壁上凹凸不平的地方都被有规则的流体层所覆盖，而流动速度又比较缓慢，流体质点对管壁凸出部分不会有碰撞作用,151,管壁粗糙度对的影响,湍流时，湍流流动的流体靠管壁处总是存在着一层层流内层，此层的厚度以b表示，在此分两种情况讨论 b此时管壁粗糙度对的影响与滞流时相近 Re，b壁面凸出部分便伸入湍流区内与流体质点发生碰撞，使涡流加剧，此时=(Re，/d)，Re愈大，粗糙度对的影响愈显著（如图）,152,152,152,152,5.3 层流
48、阻力损失,Hagen-Poiseuille方程：对于水平等直径管, 摩擦系数 = 64/ Re,152,153,153,153,153,5.4 湍流阻力损失,hf = (P1- P2)/ = P/,对于层流：hf = (l/d) (u2/2)= 64/Re 牛顿型流体摩擦应力（剪应力） =du/dy 对于湍流呢， ? 与Re、 有关 . 湍流时，流动阻力的来源有两个，粘性引起的内摩擦及流体质点的径向脉动产生的附加阻力（称之为湍流应力）。总摩擦应力=粘性摩擦应力+湍流应力，不再服从牛顿粘性定律，但可仿照其写成=(+e)du/dye为湍流粘度，单位PaS，不是流体的物理性质，与流体流动状态有关。,
