管内流体流动现象
化工原理-流体在管内的流动.
对本题 Z1=Z2 We=0 ∑hf=0
因而上式中有两个未知数u1、u2。
再借助连续性方程
u1d12= u2d22
两式联解即可求出
13
2.5 柏努利方程的应用
二、确定容器间的相对位置
例2.如本题附图所示，密度为850kg/m3的料液从高 位槽送入塔中，高位槽内的液面维持恒定。塔内表 压强为9.81×103Pa，进料量为5m3/h。连接管直径为 φ38×2.5mm，料液在连接管内流动时的能量损失为 30J/kg(不包括出口的能量损失)。试求高位槽内的液 面应比塔的进料口高出多少?
p2
上式称柏努利方程式，其条件为1）连续、稳定、不可压缩； 2）理想流体，无外加机械功。
10
2.4 柏努利方程 (B.e.q)
三、柏努利方程式的讨论
1）从理想流体的柏努利方程式可见，流体流动过程中各种形式的机械能 可以相互转换的。 2)柏努利方程式中各项单位为J/kg，表示单位质量流体所具有的能量。应 注意gZ、u2/2、p/ρ、与We、∑hf的区别。前三项是指在某截面上流体本身 所具有的能量，而后两项是指流体在两截面之间所获得相应的和所消耗的 能量。
u
2
2.1 流量与流速
工程上输送流体管路直径的确定 d 4Vs
u
流量VS为生产任务所决定，一般是给定的。 关键：在于选择合适的流速。
若流速选得太大，管径虽然可以减小，但流体流过管道的阻力 增大，消耗的动力就大，操作费随之增加。反之，流速选得太小， 操作费可以相应减小，但管径增大，管路的基建费随之增加。所以 当流体以大流量在长距离的管路中输送时，需根据具体情况在操作 费与基建费之间通过经济权衡来确定适宜的流速。
p
管内流体流动现象
第一章 流体流动§4 流体在管内流动时的摩擦阻力损失本节重点：直管阻力与局部阻力的计算，摩擦系数的影响因素。
难点：用量纲分析法解决工程实际问题。
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。
化工管路系统主要由两部分组成，一部分是直管，另一部分是管件、阀门等。
相应流体流动阻力也分为两种：直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力； 局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。
一 范宁公式（Fanning ）1、范宁公式 ：范宁经过理论推导，得到了以下公式： 22l u h f d λ= （1-53） 式（1-53）为计算流体在直管内流动阻力的通式，称为范宁（Fanning ）公式。
式中λ为无量纲系数，称为摩擦系数或摩擦因数，与流体流动的Re 及管壁状况有关。
式（1－53）也可以写成：22u d l h p f f ρλρ==∆ （1－54） 应当指出，范宁公式对层流与湍流均适用，只是两种情况下摩擦系数λ不同。
2、管壁粗糙度对摩擦系数λ的影响光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；粗糙管：钢管、铸铁管等。
管道壁面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度，以ε表示。
绝对粗糙度与管径的比值即dε，称为相对粗糙度。
工业管道的绝对粗糙度数值见教材（P27表1－1）。
管壁粗糙度对流动阻力或摩擦系数的影响，主要是由于流体在管道中流动时，流体质点与管壁凸出部分相碰撞而增加了流体的能量损失，其影响程度与管径的大小有关，因此在摩擦系数图中用相对粗糙度dε，而不是绝对粗糙度ε。
流体作层流流动时，流体层平行于管轴流动，层流层掩盖了管壁的粗糙面，同时流体的流动速度也比较缓慢，对管壁凸出部分没有什么碰撞作用，所以层流时的流动阻力或摩擦系数与管壁粗糙度无关，只与Re有关。
流体作湍流流动时，靠近壁面处总是存在着层流内层。
如果层流内层的厚度δL大于管壁的绝对粗糙度ε，即δL>ε时，如图1-28（a）所示，此时管壁粗糙度对流动阻力的影响与层流时相近，此为水力光滑管。
化工原理 第二章 流体流动.
本章着重讨论流体流动过程的基本原理和流体 在管内的流动规律，并应用这些规律去分析和计 算流体的输送问题：
1. 流体静力学 3. 流体的流动现象 5. 管路计算
2. 流体在管内的流动 4. 流动阻力 6. 流量测量
要求 掌握连续性方程和能量方程 能进行管路的设计计算
概述 流体: 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称
为流体。如气体和液体。
流体的特征：具有流动性。即
抗剪和抗张的能力很小； 无固定形状，随容器的形状而变化；
在外力作用下其内部发生相对运动。
流体的研究意义
流体的输送：根据生产要求，往往要将这些流体按照生产 程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成流体输送的任
务：流速的选用、管径的确定、输送功率计算、输送设备选用
为理想气体)
解： 首先将摄氏度换算成开尔文：
100℃＝273+100=373K
求干空气的平均分子量： Mm ＝ M１y1 + M2y2 + … + Mnyn
Mm =32 × 0.21+28 ×0.78+39.9 × 0.01
=28.96
气体平均密度：
0
p p0
T0 T
0
T0 p0
p T
Mm R
解：应用混合液体密度公式，则有
1
m
a1
1
a2
2
0.6 0.4 1830 998
7.285 10 4
m 1370 kg / m3
例2 已知干空气的组成为：O221%、N278%和Ar1%(均为体积%)。 试求干空气在压力为9.81×104Pa、温度为100℃时的密度。(可作
第七章 管内流体流动分析
第九章 管内流体流动
§9.1 粘性流体的两种流动状态（内部结构） §9.2 圆管中充分发展的层流流动 §9.3 湍流（紊流）的半经验公式 §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 §9.5 管道入口段中的流动
§9.1 粘性流体的两种流动状态
一、层流与湍流
1.流动形态 雷诺试验揭示出粘性流体有两种性
层流 过渡状态
紊流
§9.1 粘性流体的两种流动状态
雷诺实验(续)
实验现象(续)
§9.1 粘性流体的两种流动状态
2.两种流动状态的判定
a、实验发现
v vcr v vcr
流动较稳定 流动不稳定
b、临界流速
vcr ——下临界流速
vcr ——上临界流速
层 流： v vcr
不稳定流： vcr v vcr
§9.2 圆管中充分发展的层流流动
4. 阻力系数与 流动损失
定义式
p
L D
um2 2
um
p L
R2
8
p L
D2
32
阻力系数
64
Re
水平管:
hf
p
gL uΒιβλιοθήκη 2 D 2gRe Dum
雷诺数
结论：层流流动的沿程损失与平均流速的一次方成正比。
§9.3 湍流的半经验理论
一、湍流假说---普朗特混合长度理论
紊 流： v vcr
§9.1 粘性流体的两种流动状态
2、两种流动状态的判定（续）
c、临界雷诺数 雷诺数
Re ud
Recr 2300 ——下临界雷诺数
Recr 4000 ——上临界雷诺数
工程上常用的圆管临界雷诺数
化工原理第一章 流体流动
例1-10 20℃的水在内径为 50mm的管内流动,流速为 2m/s，是判断管内流体流动的 型态。
三.流体在圆管内的速度分布
(a)层流
(b)湍流
u umax / 2 u 0.82umax
hf
le
d
u2 2
三.管内流体流动的总摩擦阻力损失计算 总摩擦阻力损失 =直管摩擦阻力损失+局部摩擦阻力损失
hf hf 直 hf局
l u2 ( le u2 z u2 )
d2 d 2
2
[
(
l
d
l
e
)
z
]
u2 2
管内流体流动的总摩擦阻力损失计算 直管管长 管件阀件当量长度法
hf
l
制氮气的流量使观察瓶内产生少许气泡。 已知油品的密度为850 kg／m3。并铡得水 银压强计的读数R为150mm，同贮槽内的 液位 h等于多少?
（三）确定液封高度 h p ρg
H 2O
气体 压力 p(表压)
为了安全， 实际安装
水 的管子插入 液面的深度
h 比上式略低
第二节 流体流动中的基本方程式
截面突然变化的局部摩擦损失
突然扩大
突然缩小
A1 / A2 0
z (1 A1 )2
A2
z 0.5(1 A2 )2
A1
当流体从管路流入截面较 大的容器或气体从管路排 到大气中时z1.0
当流体从容器进入管的入 口，是自很大截面突然缩 小到很小的截面z=0.5
局部阻力系数法
hf
z
u2 2
1.4 流体流动现象
4 边界层的概念
讨论 ⑴边界层分离的必要条件： 流体具有粘性； 流动过程中存在逆压梯度。 ⑵边界层分离的后果： 产生大量旋涡； 造成较大的能量损失。 ⑶流体沿着壁面流过时的阻力称为摩擦阻力。 由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的能 量损耗称为形体阻力。 ⑷粘性流体绕过固体表面的阻力为摩擦阻力与形 体阻力之和这两者之和又称为局部阻力。
M L L3 L0 M 0 0 M L
Re ⑶Re准数是一个无因次的数群。
L
第1章 （第4节） 流体流动现象
1 流动类型与雷诺准数
⑷流体的流动类型可用雷诺数Re判断。
Re 2000时为层流
流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无 径向脉动，质点之间互不混合,不碰撞。
1 流动类型与雷诺准数
⑵ 调节阀门开度， 使流量变大，细管 内有色液体成波浪 形。说明流体质点 除沿轴向流动外， 沿径向也运动。相 邻流体层之间混合， 碰撞。 （如动画）
第1章 （第4节） 流体流动现象
1 流动类型与雷诺准数
⑶调节阀门开度，使
流量再变大，细管内 有色液体细线便完全 消失，有色液体出细 管后完全散开，与水 混合在一起。说明流 体质点除沿轴向流动 外，还作不规则杂乱 运动。彼此之间混合， 碰撞。 （如动画）
齐齐哈尔大学
第1章 （第4节） 流体流动现象
1.4 流体流动现象
1 流动类型与雷诺准数
本节 讲授 内容
2 流体在圆形直管内速度分布 3 滞流与湍流的比较
4 边界层的概念
第1章 （第4节） 流体流动现象
化工原理第一章(流体的流动现象)
ρ(
∂v ∂v ∂v ∂v ∂p ∂ ∂v 2 r ∂ ∂v ∂w ∂ ∂u ∂v + u + v + w ) = k y − + µ(2 − ∇v) + µ( + ) + µ( + ) ∂t ∂x ∂y ∂z ∂y ∂y ∂y 3 ∂z ∂z ∂y ∂x ∂y ∂x
2012-4-18
湍 流 的 实 验 现 象
2012-4-18
（3）流体内部质点的运动方式（层流与湍流的区别） ）流体内部质点的运动方式（层流与湍流的区别） ①流体在管内作层流流动 层流流动时，其质点沿管轴作有规 有规 层流流动 互不碰撞，互不混合 则的平行运动，各质点互不碰撞 互不混合 的平行运动 互不碰撞 互不混合。 ②流体在管内作湍流流动 湍流流动时，其质点作不规则的杂 湍流流动 不规则的杂 乱运动，并互相碰撞混合 互相碰撞混合，产生大大小小的旋涡 旋涡。 乱运动 互相碰撞混合 旋涡 管道截面上某被考察的质点在沿管轴向 轴向运动的同时 轴向 ，还有径向 径向运动（附加的脉动 脉动）。 径向 脉动
du F = µA dy
式中：F——内摩擦力，N； du/dy——法向速度梯度 法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的 法向速度梯度 y方向流体速度的变化率，1/s； µ——比例系数，称为流体的粘度或动力粘度 粘度或动力粘度，Pa·s。 粘度或动力粘度
2012-4-18
【剪应力 剪应力】 剪应力 【定义 定义】单位面积上的内摩擦力称为剪应力 剪应力，以τ表 定义 剪应力 示，单位为Pa。
ρ(
2012-4-18
著名的“纳维-斯托克斯方程”，把流体的速度、压力、密 度和粘滞性全部联系起来，概括了流体运动的全部规律；只 是由于它比欧拉方程多了一个二阶导数项，因而是非线性的 ，除了在一些特殊条件下的情况外，很难求出方程的精确解 。分析这个方程的性态，“仿佛是在迷宫里行走，而迷宫墙 的隔板随你每走一步而更换位置”。计算机之父冯·诺意曼（ Neumann，Joha von 1903～1957）说：“这些方程的特性…… 在所有有关的方面同时变化，既改变它的次，又改变它的阶 。因此数学上的艰辛可想而知了。 有一个传说，量子力学家海森伯在临终前的病榻上向上帝提 有一个传说 了两个问题：上帝啊！你为何赐予我们相对论 相对论？为何赐予我 相对论 们湍流 湍流？海森伯说：“我相信上帝也只能回答第一个问题” 湍流 。
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。
第一章 流体流动
气体密度 一般温度不太低，压强不太高时气体可按理想气 体考虑，所以理想气体密度可由理想气体状态方程 导出： T0 p M pM m
v
RT
0
Tp 0
0 22.4 ，kg / m
3
混合气体密度
ρm= ρ1y1+ ρ2y2+ …+ ρnyn
MT0 p 22.4Tp 0
式 y1、y2……yn——气体混合物各组分的体积分数 ρ1、 ρ2、…、 ρn—气体混合物中各组分的密度，kg/m3; ρm——气体混合物的平均密度，kg/m3；
2.2 流体静力学基本方程的应用
1、压力的测量 (1) U型管压差计 构造： U型玻璃管内盛指示液A 指示液：指示液A(蓝色)与被测液B(白)互不相溶，且ρA＞ρB 原理：图中a、b两点在相连通的同一静止流体内，并且在 同一水平面上，故a、b两点静压力相等，pa=pb。 对a、b两点分别由静力学基本方程，可得 pa= p1+ρB· g(Z+R) pb= p2+ρB· gZ+ρAgR
三、流体的研究方法
连续介质假说：流体由无数个连续的质点组
成。﹠质点的运动过程是连 续的 质点：由许多个分子组成的微团，其尺寸比 容器小的多，比分子自由程大的多。 （宏观尺寸非常小，微观尺寸又足够大）
四、流体的物理性质
◆密度ρ 单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表 m 达式为
V
式中 ρ——流体的密度，kg/m3; m——流体的质量，kg; V——流体的体积，m3。 流体的密度除取决于自身的物性外，还与其温 度和压力有关。液体的密度随压力变化很小，可 忽略不计，但随温度稍有改变；气体的密度随温 度和压力变化较大。
pA=p0+ ρgz pB=p0+ ρi gR 又∵ pA=pB
化工原理 1.3管内流体流动现象
一、黏度
管内流体流动现象
（一） 牛顿黏性定律 1、牛顿黏性定律
du 或 F A dy
F
du dy
dy
u
u＋du
式中：F——内摩擦力，N； τ ——剪应力，Pa； ——法向速度梯度，1/s； du μ y——比例系数，称为流体的粘度，Pa· s 。 d
1
2、粘度的物理意义
湍流速度分布 的经验式：
r u umax 1 R
1 n
n =7
13
n与Re有关，取值如下：
4 10 Re 1.1 10 ,
4 5
1.1 105 Re 3.2 106 , Re 3.2 106
1 n 6 1 n 7 1 n 10
2
流体层间内摩擦力
dur ( p1 p2 )πr (2πrl ) dr
dur ( p1 p2 ) r dr 2 l
u 0，可得速度分布方程 管壁处r＝R时，＝ p 2 ur (R r2 ) 4 l
11
.
u ＝umax 管中心流速为最大，即r＝0时， ( p1 p2 ) 2 umax R 4l r 2 ur umax 1 R
流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生
单位速度梯度所需的剪应力。 粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。
f ( p, T )
液体 : f (T ) T↑→↓ 气体 : 一般 f (T ) T ↑ → ↑ 超高压 f ( p, T ) p ↑ → ↑
混合；
湍流（或紊流） ：流体质点除了沿管轴方向向前
流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方
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。
化工原理课件 第一章第三节
如图所示，设有上、下两块面积很大且相距 很近的平行平板，板间充满某种静止液体。 若将下板固定，而对上板施加一个恒定的外 力，上板就以恒定速度u沿x方向运动。 若u较小，则两板间的液体就会分成无数平行 的薄层而运动，粘附在上板底面下的一薄层流体 以速度u随上板运动， 其下各层液体的速度 依次降低，紧贴在下 板表面的一层液体， 因粘附在静止的下板 上, 其速度为零，两平 板间流速呈线性变化。
随着流体的向前流动，流速受影响的区域逐 渐扩大，即在垂直于流体流动方向上产生了速度 梯度。 流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区 域，即流速降为主体流速的99％ 以内的区域。
边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。
流体在平板上流动时的边界层： 如图1-26所示， 由于边界层的形成，把沿壁面 的流动分为两个区域：边界层区和主流区。
二、流体的粘度 （动力粘度）
1.粘度的物理意义
流体流动时在与流动方向垂直的方向上产 生单位速度梯度所需的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系，流体只有在运 动时才显现出来。分析静止流体的规律时就不用 考虑粘度这个因素。 粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与 碰撞。
讨论 :
μ=f(p，T) T位时间通过单位截面积流体的质量；
μu/d 与流体内的黏滞力成正比。
u /( u / d )
2
du
Re
Re 数实际上反映了流体流动中惯性力与
黏滞力的比。标志着流体流动的湍动程度。 当惯性力较大时， Re 数较大；
当黏滞力较大时， Re 数较小；
一、层流时的速度分布 实验和理论分析都已证明，层流时的速度分 布为抛物线形状，如图1- 23所示。以下进行理论 推导。
物理单位制：
管内流体流动现象
剪应力可写为以下形式
F ma m du d (mu ) τ= = = = A A A dθ Adθ
式中： 式中： 为时间； （mu）为动量，θ为时间； ）为动量， 为时间
所以剪应力表示了单位时间、 所以剪应力表示了单位时间 、 通过单位 面积的动量， 即动量通量， 面积的动量 ， 即动量通量 ， 牛顿粘性定律也 反映了动量通量的大小。 反映了动量通量的大小。
d u µ d ( ρu ) d ( ρu ) = =ν τ =µ dy ρ dy dy
式中： 式中：
.
.
.
.
（1-31b） ）
ρu =
.
mu V
.
——为单位体积流体的动量，称 为单位体积流体的动量， 为单位体积流体的动量 为动量浓度； 为动量浓度； ——为动量浓度梯度。 为动量浓度梯度。 为动量浓度梯度
二、流型判据——雷诺准数 流型判据 雷诺准数
1.流体的流动类型可用雷诺数 判断 流体的流动类型可用雷诺数Re判断 流体的流动类型可用雷诺数
Re =
dρu
µ
（1-33） ）
Re准数是一个无因次的数群。 准数是一个无因次的数群。 准数是一个无因次的数群
2.判断流型： 判断流型： 判断流型 大量的实验结果表明，流体在直管内流动时： 大量的实验结果表明，流体在直管内流动时： Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区； 时 流动为层流，此区称为层流区； Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区； 时 一般出现湍流，此区称为湍流区； 2000< Re <4000 时，流动可能是层流，也可能 流动可能是层流， 是湍流，该区称为不稳定的过渡区。 是湍流，该区称为不稳定的过渡区。
如图所示，设有上、下两块面积很大且相距 如图所示，设有上、 很近的平行平板，板间充满某种静止液体。 很近的平行平板，板间充满某种静止液体。 若将下板固定， 若将下板固定 ， 而对上板施加一个恒定的外 上板就以恒定速度u沿 方向运动 方向运动。 力，上板就以恒定速度 沿x方向运动。 较小， 若u较小，则两板间的液体就会分成无数平行 较小 的薄层而运动， 的薄层而运动 ， 粘附在上板底面下的一薄层流体 以速度u随上板运动 随上板运动， 以速度 随上板运动， 其下各层液体的速度 依次降低， 依次降低 ， 紧贴在下 板表面的一层液体， 板表面的一层液体 ， 因粘附在静止的下板 其速度为零， 上, 其速度为零，两平 板间流速呈线性变化。 板间流速呈线性变化 。
管道内的流动
道内的阻力，提高流动效率。
能耗优化
优化泵的选择
根据实际需求选择合适型号和参数的泵，可以更有效地利 用能源，降低能耗。例如，选择高效率、低能耗的泵，根 据实际流量和扬程需求进行泵的选型计算。
流体输送优化
通过优化流体的输送方式，降低能耗。例如，采用变频调 速技术，根据实际需求调整泵的运行速度；采用无泄漏的 密封技术，减少流体泄漏造成的能耗损失。
流动阻力
摩擦阻力
流体在管道内流动时，由于流体 与管壁之间的摩擦而产生的阻力。
局部阻力
由于流体在管道内流动过程中受到 管道形状、大小和方向的变化而产 生的阻力。
速度阻力
由于流体在管道内流动速度的变化 而产生的阻力。
03 管道流动的数学模型
连续性方程
总结词
连续性方程描述了流体在管道内流动时质量守恒的规律。
油气管道运
01
油气管道运输是管道内流动的另一个重要应用，它用于将石油和天然 气从产地输送到消费地。
02
油气管道运输具有高效、安全、环保等优点，能够实现大规模的能源 输送。
03
油气管道运输需要考虑到管道的材质、防腐、地形、地质等多种因素， 以确保运输的安全和可靠性。
04
油气管道运输的管理和维护也需要定期进行，包括管道检测、设备维 护和应急处理等，以确保运输的安全和稳定。
忽略流体粘性和压缩性的 影响，适用于高速流动或 粘性较小的流体。
粘性流体模型
考虑流体粘性影响，适用 于低速流动或粘性较大的 流体。
压缩性流体模型
考虑流体压缩性影响，适 用于可压缩流体或压力变 化较大的情况。
02 流体动力学
流体特性
连续性
压缩性
粘性
流体在管道内流动时， 其质点是连续的，没有
刘体流动过程管内流体流动现象
刘体流动过程管内流体流动现象刘体流动过程是管道内流体流动的一种现象。
流体流动的基本原理是流体在管道内受力的作用下产生的运动。
在实际应用中，流体流动现象广泛存在于各个领域，如工业生产、交通运输、能源供应等。
本文将从流体运动的基本特征、数学描述、流动类型和流体运动的影响因素等方面进行论述，以便更好地理解刘体流动过程。
一、刘体流动的基本特征1.流体的连续性：刘体流动过程中，粒子之间的距离虽然会发生变化，但流体质点间距离的变化不大，整个流体质点仍然保持着连续的状态。
2.流体的非黏性：刘体流动过程中，流体质点之间的摩擦力相对较小，不会对流体的流动性质产生重要影响。
3.流体的不可压性：刘体流动过程中，流体质点相对变动量较小，流体密度基本不变。
4.流体的运动速度不同：刘体流动过程中，流体质点之间的运动速度不同，导致流速梯度的产生。
流体速度最大的地方为流体的中心轴线，流体速度逐渐减小，最靠近管道壁的地方速度最小。
二、刘体流动的数学描述刘体流动过程可以通过对连续介质流动的描述来进行数学建模。
在不同的情况下，刘体流动可以通过不同的数学模型来描述。
常用的数学模型有连续介质方程、动量方程、能量方程和物质守恒方程。
这些方程可以用来描述流体的流动特性，如速度分布、压力分布等。
在实际应用中，可以通过求解这些方程来预测流体流动的行为。
三、刘体流动的类型刘体流动可以分为层流和湍流两种类型。
1.层流：层流是指流体质点在流动过程中遵循谢姆的流体力学规律，流体质点的运动方式有序，并且流速的分布是有规律的。
层流一般发生在低速流或小管径情况下，流体的运动速度不超过一定的临界速度。
2.湍流：湍流是指流体质点在流动过程中运动不规则，流速分布无序的流动方式。
湍流一般发生在高速流或大管径情况下，流体的运动速度超过临界速度。
四、刘体流动的影响因素刘体流动的行为受到多种因素的影响，包括以下几个方面：1.管道形状：管道形状对刘体流动的行为有着重要的影响。
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（1-27）
其单位为m2/s。显然运动粘度也是流体的物理
性质。
二、流体的流动型态
1、两种流型——层流和湍流 图1-18为雷诺实验装置示意图。水箱装有溢流装置， 以维持水位恒定，箱中有一水平玻璃直管，其出口 处有一阀门用以调节流量。水箱上方装有带颜色的 小瓶，有色液体经细管注入玻璃管内。
图1-17 流体在管内的速度分布
实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F与两流体 层的速度差成正比，与两层之间的垂直距离dy成 反比，与两层间的接触面积A成正比，即
.
F A（ddyu1-26）
式中：.F——内摩擦力，N；
du
—dy —法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的
y方向流体速度的变化率，1/s；
2． 湍流时的速度分布 湍流时的速度分布目前尚不能利用理论推导获得，而是通过
实验测定，结果如图1-22所示，其分布方程通常表示成以下 形式：
图1-22 湍流时的速度分布
四、流体流动边界层
图1-19 流体流动型态示意图
2、流型判据——雷诺准数
流体的流动类型可用雷诺数Re判断。
Re d（u1-28）
Re准数是一个无因次的数群。
大量的实验结果表明，流体在直管内流动时， （1）当Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区； （2）当Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区； （3）当2000< Re <4000 时，流动可能是层流，也可
μ——比例系数，称为流体的粘度或动力粘度，Pa·s。
一般，单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以τ表
示，单位为Pa，则式（1-26）变为
.
（1-26ddyua）
式（1-26）、（1-26a）称为牛顿粘性定律，表 明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度 成正比。
剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律 的流体，称为牛顿型流体，包括所有气体和 大多数液体；
一固定点的流体质点在沿管轴向前运动的同时，还有径向
上的运动，使速度的大小与方向都随时变化。湍流的基本
特征是出现了径向脉动速度，使得动量传递较之层流大得
多。此时剪应力不服从牛顿粘性定律表示，但可写成相仿
的形式：
.
( e) d u
dy
式中e称为湍流粘度，单位与μ相同。但二者本质上不同： 粘度μ是流体的物性，反映了分子运动造成的动量传递； 而湍流粘度e不再是流体的物性，它反映的是质点的脉动 所造成的动量传递，与流体的流动状况密切相关。
1．层流时的速度分布
实验和理论分析都已证明，层流时的速度分布为抛物线形 状，如图1- 20所示。
图1-20 层流时的速度分布
流体在圆管内作层流流动时的平均速度为管中心最大速度
的一半。
u VS
R 2
1 2 umax
2．湍流时的速度分布
湍流时流体质点的运动状况较层流要复杂得多，截面上某
不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流 体，如高分子溶液、胶体溶液及悬浮液等。 本章讨论的均为牛顿型流体。
2、流体的粘度
（1）粘度的物理意义 流体流动时在与流动方向 垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。 粘度是反映流体粘性大小的物理量。
粘度也是流体的物性之一，其值由实验测定。液 体的粘度，随温度的升高而降低，压力对其影响 可忽略不计。气体的粘度，随温度的升高而增大， 一般情况下也可忽略压力的影响，但在极高或极 低的压力条件下需考虑其影响。
（2）粘度的单位
在国际单位制下，其单位为
d
.
u
dy
Pa ms m
Pa s
在一些工程手册中，粘度的单位常常用物理单位制 下的cP（厘泊）表示，它们的换算关系为
1cP＝10-3 Pa·s
（3）运动粘度
流体的粘性还可用粘度μ与密度ρ的比值表示， 称为运动粘度，以符号ν表示，即
能是湍流，与外界干扰有关，该区称为不稳定的过渡区。 雷诺数的物理意义 Re反映了流体流动中惯性力与粘性
力的对比关系，标志流体流动的湍动程度。其值愈大， 流体的湍动愈剧烈，内摩擦力也愈大。
三、流体在圆管内的速度分布
流体在圆管内的速度分布是指流体流动时管截面上 质点的速度随半径的变化关系。无论是层流或是湍 流，管壁处质点速度均为零，越靠近管中心流速越 大，到管中心处速度为最大。但两种流型的速度分 布却不相同。
下板上, 其速度为零，两平板间流速呈
线性变化。对任意相邻两层流体来说，
上层速度较大，下层速度较小，前者对
后者起带动作用，而后者对前者起拖曳 作用，流体层之间的这种相互作用，产 生内摩擦，而流体的粘性正是这种内摩
图1-16 平板间液体速 度变化
擦的表现。
平行平板间的流体，流速分布为直线，而流体在圆 管内流动时，速度分布呈抛物线形，如图1-17所示。
图1-18 雷诺实验装置
从实验中观察到，当水的流速从小到大 时，有色液体变化如图1-19所示。实验 表明，流体在管道中流动存在两种截然 不同的流型。
层流（或滞流） 如图1-19（a）所示， 流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直 线运动，质点无径向脉动，质点之间互 不混合；
湍流（或紊流） 如图1-19（c）所示， 流体质点除了沿管轴方向向前流动外， 还有径向脉动，各质点的速度在大小和 方向上都随时变化，质点互相碰撞和混 合。
第四节 管内流体流动现象
一、流体的粘度
1. 牛顿粘性定律 流体的典型特征是具有流动性，但不同流体的流动
性能不同，这主要是因为流体内部质点间作相对运 动时存在不同的内摩擦力。这种表明流体流动时产 生内摩擦力的特性称为粘性。 粘性是流动性的反面，流体的粘性越大，其流动性 越小。流体的粘性是流体产生流动阻力的根源。
设有上、下两块面积很大且相距很近的
平行平板，板间充满某种静止液体。若
将下板固定，而对上板施加一个恒定的
外力，上板就以恒定速度u沿x方向运动。
若u较小，则两板间的液体就会分成无
数平行的薄层而运动，粘附在上板底面
下的一薄层流体以速度u随上板运动，
其面的一层液体，因粘附在静止的