1、压头损失,损失能量,位能,静压能,动能,外加能量,位头,压力头,动压头,外加压头,知识回顾,2.3 流体阻力,流体在流动过程中所消耗的部分或全部能量是用来克服流动阻力的，因此，流动阻力的计算很关键。流体阻力的大小与流体的动力学性质（粘度）以及其他因素有关。,2.3.1 流体粘度的基本知识,（1） 流体阻力的表现,1,2,结论：流体在静止时没有流体阻力,实际流体的能量分布,1,2,结论：由左式可见，存在流体阻力致使静压能下降。阻力越大，静压强下降就越大。 静压强下降就是流体阻力的表现。,注意此公式的应用条件,（2） 流体阻力的来源,流体在静止时不承受切向力，但在运动时，层与层之间的阻碍力形成了流
2、体阻力，这种在流体内部发生的相互作用力称为剪切力（也称内摩擦力），内摩擦力是产生流体阻力的根本原因。流体流动状况是产生流体阻力的第二位原因。另外，管壁的粗糙程度、管子的长度、直径均对流体阻力的大小有影响。,（3）流体的粘度,决定流体内摩擦力大小的物理性质成为粘性。衡量粘性大小的物理量-粘度,油,水,比一比谁先漏完？,2.3.2 流体的粘性和牛顿粘性定律 （1）牛顿粘性定律,速度分布（速度侧形）：速度沿距离的变化关系。,平板间的流体剪应力与速度梯度,牛顿粘性定律：,实测发现：,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, 物理意义, 动力粘度，
3、简称粘度,剪应力与速度梯度的关系, 单位SI单位制 ： Pa s ( N s /m2)物理单位制 ： P(泊), 达因秒/厘米2cP(厘泊)换算关系：1cp=0.01 P=10-3 Pa s=1 mPa s,单位：1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s, 运动粘度,m2/s,水在293K条件下的粘度为1 mPa s,(3) 影响因素, 液体粘度随温度升高而降低，压力影响很小。, 气体粘度随温度升高而增大，压力影响很小。但在极高压力下，随压力增加有所增加；而在压力极低情况下也要考虑压力的影响。,（4） 数据来源各种流体的粘度数据，主要由实验测得。,在缺少粘度实验数据时，
4、可按理论公式或经验公式估算粘度。对于压力不太高的气体，估算结果较准，对于液体则较差。,(5) 混合物的粘度按一定混合规则进行加和对于分子不聚合的混合液可用下式计算,常压下气体混合物的粘度，可用下式计算,说明：不同流体的粘度差别很大。例如：在压强为101.325kPa、温度为20的条件下，空气、水和甘油的动力粘度和运动粘度分别为：空气 17.910-6 Pa s， 14.810 -6 m2/s水 1.0110 -3 Pa s， 1.0110 -6 m2/s甘油 1.499Pa s， 1.1910 -3 m2/s,（6）流体类型, 牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。,气体及大多数低分子量液体是牛
5、顿型流体。 非牛顿型流体, a表观粘度，非纯物性, 是剪应力的函数。, 假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。几乎所有高分子溶液或溶体属于假塑性流体。 胀塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。 粘塑性流体：当应力低于0 时，不流动；当应力高于0时，流动与牛顿型流体一样。 0 称为屈服应力。如纸浆、牙膏、污水泥浆等。 触变性流体：表观粘度随时间的延长而减小，如油漆等。 粘弹性流体：既有粘性，又有弹性。当从大容器口挤出时， 挤出物会自动胀大。如塑料和纤维生产中都存在这种现象。,2.3.3 流体流动的类型-层流及湍流,（1）雷诺实验1883年, 英国物理
6、学家Osbone Reynolds作了如下实验。,（2）雷诺实验现象,两种稳定的流动状态：层流、湍流。,用红墨水观察管中水的流动状态,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 。,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。,过渡流：不是独立流型（层流+湍流），流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。,（3）实验分析, 影响状态的因素：,Re是量纲为一数群, 圆形直管中Re2000 稳定的层流,Re 4000 稳定的湍流,2000 Re 4000 不稳定的过渡流,（4）层流与湍流的速度分布,总结：层流与湍流的区别,雷诺
7、准数质点运动方式速度分布能量损失,2.3.4 流体流动阻力计算（1）流体阻力的表示方法对应于机械能衡算的三种形式，流体阻力损失亦有三种表达形式：,阻力损失与压力差的区别： pf 流体流经两截面间仅由于流动阻力所消耗的能量； p 任意两点间的压力差。,Pa,流体阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况、壁面的形状等因素有关。,J/kg,J/N,J/m3,二者之间的关系：,即：水平、等径直管，无外功加入时，两截面间的阻力损失与两截面间的压力差在数值上相等。,管路中的流动阻力=直管阻力+局部阻力 直管阻力 hf：流体流经一定的直管中，由于流体内摩擦而产生的阻力； 局部阻力 hf：流体流经管路中的管件
8、、阀件及管截面的变化等局部地方所引起的阻力。,（2） 圆形直管内的阻力损失,在1-1和2-2截面之间列机械能衡算式：, 直圆管内阻力计算公式推导,因,所以,流体柱受到的与流动方向一致的推动力：,流体柱受到的与流动方向相反的阻力：,流体恒速流动时：,又：,J/kg,m,Pa, 范宁公式计算流体流动阻力的一般公式,所以,令：,记忆我啊,压头损失,损失能量,位能,静压能,动能,外加能量,位头,压力头,动压头,外加压头,知识回顾,总结：层流与湍流的区别,雷诺准数质点运动方式速度分布能量损失, 层流时的摩擦系数及Hangen-Poiseuille方程,摩擦系数：,（3） 摩擦系数, Hangen-Poi
9、seuille方程,知道我就行了, 湍流条件下的摩擦系数影响因素复杂，一般由实验确定。 影响因素：几何尺寸及形状；表面情况 ；流体的物性，如 密度，粘度等；流速的大小。利用量纲分析法可以得到：,根据实验，得到莫狄（Moody）摩擦系数图。, 摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度的关系层流区 Re2000 过渡区 2000Re4000,（阻力平方区）,不完全湍流区,完全湍流区,湍流区 Re4000, 摩擦因子变化规律分析粗糙度对的影响：层流时：绕过突出物，对无影响。湍流时： 当Re较小时，层流底层厚，形体阻力小，突出物对的影响小； 当高度湍流时，层流底层薄，突出物充分暴露，形成较大的形体阻力，突出物对的
10、影响大。, 非圆直管中流动阻力,几种常见非圆管的当量直径1）矩形流道,例如：Blasuis公式, 用公式求取摩擦系数,条件：,2）环形流道,（4） 局部阻力,流体流经管件、阀门、测量接口、管进出口段的阻力,产生原因：形体阻力；,确定方法：实验，归纳出经验公式。,蝶阀,式中 ： le 当量长度, 当量长度法,查数据表或当量长度共线图,当量长度法：以当量长度代替范宁公式中直管的长度进行计算。当量长度：管件、阀门产生的阻力相当于同直径且阻力损失相同的圆管的长度，以 表示。,举例：截止阀配置在1144mm管道上，则它的当量长度,当量长度 数据表,100mm 的闸阀 1/2 关,le = 22m,100
11、mm 的标准三通,le = 2.2m,100mm 的闸阀全开,le = 0.75m,当量长度 共线图,的获得：实验，见有关资料。,式中 ： -局部阻力系数, 局部阻力系数法,突然缩小,特例：突然扩大, 等径管总阻力计算,（5）系统的总阻力系统总阻力=系统各直管阻力+局部阻力,减少流动阻力的途径：,管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些。, 变径管总阻力计算,变径管d、u、不同，需分段计算阻力 例：,不做要求,例 如图所示，料液由常压高位槽流入精馏塔中。进料处塔中的压力为0.2at（表压），送液管道为452.5mm、长8m的钢管。管路中装有180回弯头一个，全开标准截止阀一个，90标准弯头一个。塔的进料量要维持在5m3/h，试计算高位槽中的液面要高出塔的进料口多少米？,
