第六章 农业物料的流体动力学特性

速度。
2. 悬浮速度 ：如果流体以物料的沉降速度向上运动，
则物料颗 粒将会在某一水平上呈悬浮状态，把此流
体速度称作物料的悬浮速度。 显然，悬浮速度和沉降速度意义不同而数值相同， 把沉降速度和悬浮速度统称为 临界速度 。
临界速度计算公式:
物料在静止流体中 自由下落达到临界速 度时，物料受到的流 体阻力、重力和流体 浮力将达到平衡，即
雷诺数小，意味着流体流动时各质点间 的粘性力占主要地位，呈层流流动状态。 雷诺数大，意味着惯性力占主要地位， 流体呈紊流流动状态。
式中: ρ:流体的密度；η:流体的粘度； v、d为流场的特征速度和特征长度。对外流问题，v、d一 般取远前方来流相对速度和物体主要尺寸(如机翼展长或圆球 直径)；内流问题则取通道内平均相对流速和通道直径 。

式中 φ：速度系数。 φ =1.3-2.5（松散物料在垂直管道中） φ =1.5-2.5（松散物料在水平管道中） φ =2.4-5.0（松散物料在复杂管道中） φ =5.0-10（粘性物料）
气流输送时空气流量计算方法:
Qa
ms
f
Qa ms
f
：单位时间内流过的空气体积； ：单位时间气流输送的物料质量；
阻力:摩擦阻力、形面阻力 摩擦阻力为作用在物体表面上的切向力沿相对
运动方向上的总和。
形面阻力或压差阻力是由于流体的附面层在物
体后部产生分裂而形成涡流，使后部的压力降 低所致，其数值为作用在物体表面上所有压力 沿相对运动方向上的总和。
在层流或低速流动中，流体的密度变化不大，
粘性作用支配着流体的流ห้องสมุดไป่ตู้，形面阻力可以忽
设物料在静止空气中自由下落，其所受重力为mg， 阻力为: 如不计空气浮力，则可建立如下运动方程式：
第三节 在农业工程中的应用
一、农业物料的清选和分离 二、气力输送 三、水力输送
一、农业物料的清选和分离
基本原理:农业物料的清选和分离是根据物料
中各组成成分的阻力系数或临界速度的不同
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Fg Fr Fb
Fg mg (重力)
Fb m f g (浮力)
s
1 2 Fr CA f vi (流体对物料的阻力) 2
于是，当物料处于临界速度时，得:
1 2 mg f g CA f vi s 2 m
最后得物料的临界速度：
vi 2mg ( s f ) AC s f
气力输送时物料呈悬 浮状态流动。
垂直管道中:只要上升 气流对颗粒的作用力与 其所受重力相平衡，物 料就将悬浮起来。
水平管道中:
影响物料流动状态的因素主要是气流 速度和物料在气流中的浓度。速度愈小 和 浓度愈大，物料分布在管底愈密， 愈易堵塞。

实际设计中，应有足够的气流速 度及流量以保证管道不堵塞。 气流速度应根据 理论研究及实验 结果综合选取，通常可按下式确 定:
v i ：物料的临界速度
m
s
f
：物料的质量
：物料的密度 ：流体的密度
A
：物体在垂直于相对速度方向上的投影面积
C ：阻力系数
一、计算法确定物料的临界速度

1. 球形物料的临界速度 直径为d(不规则物料取当量直径)、密度为ρ的球形物料： 质量为
投影面积为
由于阻力系数在不同的雷诺数区段内存在不同的函数关系，所以物料临 界速度应根据不同的雷诺数区段分别加以计算：
第六章 农业物料的流体动力学特性
教学内容：1 阻力和阻力系数 2 临界速度 3 临界速度计算及测定方法 4 临界速度在农业工程中的应用 学习要求：1 掌握临界速度概念 2 熟悉临界速度测定方法 3 了解临界速度在农业工程中的 应用
在农业工程中以空气或水作为载运体，利用流体 动力学原理对农业物料进行加工、输送和分离是比较常 用的方法。这时，固体物料存在于流体之中，并受到来 自流体的力的作用。因此，了解农业物料流体动力学特 性是十分必要的。
而完成的。各组成成分的阻力系数或临界速
度不同，流体对其作用力不同，运动规律也 不同，从而把不同组成成分分别收集起来。
小麦脱出物各组成成分的临界速度、阻力系数c
垂直气流分离谷物脱出物的实验结果

二、气力输送 气力输送是利用气流对颗粒物料进行输送，在农业物料 中主要用于谷粒、草料、面粉以及其它松散物料的输送。气 力输送是固体与流体混合在一起的流动，为两相流。
二、平板的阻力系数

板面与流速方向平行时，对于层流附面层的平板，阻力系数 由下式求出：
对于紊流附面层的平板，阻力系数由下式求出：
对于附面层为层流转变为紊流的过渡区，阻力系数由下式求出：
三、其它形状物体的阻力系数(略)
第二节 临界速度

1. 沉降速度 ：物料从静止的流体中自由下落，最终
达到匀速向下 运动，把这一速度称为该物料的沉降

1. 当Re≤1时 ： 阻力主要是流体的粘性摩擦力，此时α=24， k=1
阻力Fr为：
-------斯托克斯公式

2. 当1 < Re < 1000 时 ： 阻力既有流体的粘性摩擦力，又 有形面阻力，此时α=10，k=0.5
阻力Fr为：
3. 当 1000< Re < 200000 时 ： 形面阻力远大于粘性摩 擦力，此时C基本为一常数，α=10，k=0。 阻力 Fr为: 4. 当 Re > 200000时 ： 阻力系数C下降，降至原数值的 1/4-1/5，称阻力危机。
当Re≤1时,C=24/Re,临界速度：
当1<Re<1000时，
，临界速度：
当1000<Re<200000 时：C=0.44，临界速度：

2. 几种规则形状物料的临界速度

3. 一些农业物料的临界速度
二、实验法确定物料的临界速度

临界速度=悬浮速度=沉降速度
1.测定悬浮速度

2.测定沉降速度
第一节 阻力和阻力系数
当流体流过固体时，固体物料从 流体中获得能量，使固体受到两种力， 一种是阻力，另一种升力。
作用在机翼上的力 例：绕机翼运动的气流方向有所变化， 在其上表面形成低压区，在下表面形成 高 压区，产生向上的合力，并垂直于气流方向， 在产生升力的同时，也产生了 阻力，风速 有所下降。 风机叶片压力分布
：空气密度；
ms ma
：物料相对气流浓度
ma
；
：单位时间内的气流质量；
不同种类物料输送时的气流速度与物料相对气流浓度

三、水力输送 水力输送主要用于 饲料、畜禽粪便、水果 和蔬菜等的输送。按输 送方式可分为敞开式沟 槽和封闭式管道两种。 水力输送的优点是比较 经济而且可减小物料的 损伤，在输送过程个又 对物料进行了清选。

物体的阻力系数 C随雷诺数 Re 而变,如图示:
一、球体的阻力系数

球体阻力系数与雷诺数的关系：
C

Re k
(α、k为系数)
阻力系数与Re的关系可分为以下四个区域讨论：
1. 当Re≤1时 2. 当1 < Re < 1000 时 3. 当 1000< Re < 200000 时 4. 当 Re > 200000时
略不计。
在紊流或高速流动中，摩擦阻力可忽略不计，
形面阻力占主导地位。

流体的阻力可按下式计算：
式中： Fr ——阻力； A ——物体在垂直于相对速度方向上的投影面积； v ——流体和物体的相对速度； C ——阻力系数，与物体的形状、表面状态和流体的流 动状态有关，一般由实验确定。

雷诺数（Reynolds number）：一种可用来表征 流体流动情况的无量纲数，以Re表示