流体流动阻力.ppt

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流体在圆管内分层流动示意图
(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


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
u F
dy Y
dBaidu Nhomakorabea y
0
u=0 x
平板间的流体剪应力与速度梯度
速度分布(速度侧形):速度沿距离的变化关系。
2)环形流道
de

4 (
4) (D2 d 2 )
(D d)

Dd
b 矩形流道
D d 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
① 当量长度法
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。
平板间的流体剪应力与速度梯度
实测发现:
F u
AY
牛顿粘性定律: du
dy
剪应力与速度梯度的关系
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
① 物理意义



du
dy
—— 动力粘度,简称粘度
② 单位
SI单位制 :
Pa·s ( N ·s /m2)
墨水流线
D
B
玻璃管
C A
雷诺实验
(2)雷诺实验现象 用红墨水观察管中水的流动状态
层流
(a)
过渡流
(b)
湍流
(c)
两种稳定的流动状态:层流、湍流。
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。
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 。
知识回顾

z1g

p1


u12 2
we

z2 g

p2


u
2 2
2
hf
J / kg
位能 静压能 动能 外加能量
损失能量

z1

p1
g

u12 2g

He

z2

p2
g

u22 2g

Hf
J/N m
位头 压力头 动压头 外加压头
压头损失
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。
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。
dl
流体恒速流动时:
( p1


p2) 4
d2
dl
又:
p1 p2 p f
所以
p f
4
l d
h f
p f


8 u 2
l u2 d2
② 范宁公式 计算流体流动阻力的一般公式
令: 8 u 2
范宁公式:
hf

l d
u2 2
J/kg
记忆我啊
Hf
Ⅱ 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。
Ⅲ 粘塑性流体:当应力低于τ 0 时,不流动;当应力高于τ 0时, 流动与牛顿型流体一样。 τ 0 称为屈服应力。 如纸浆、牙膏、污水泥浆等。
Ⅳ 触变性流体:表观粘度随时间的延长而减小,如油漆等。
Ⅴ 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。
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、阀件及管截面 的变化等局部地方所引起的阻力。
hf hf hf
(2) 圆形直管内的阻力损失 ① 直圆管内阻力计算公式推导
1
u
p1
d
F
F
2 p2
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
Re≤2000
umax
u
u

0.5um
(层流)
ax
层流时流体在圆管中的速度分布
r R
d
Re¡Ý 4000
umax ur
u
ÍÄ Á÷ʱÁ÷Ìå ÔÚ Ô² ¹Ü ÖÐ µÄ ËÙ ¶È · Ö ²¼
u 0.8uma(x 湍流)
Hf
( l le d


)
u2 2g
P1
1
1
l p f ( d
le
) u2
2
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。
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 le 表示。
hf
le
d
u2 2
式中 : le —— 当量长度
查数据表或当量长度共线图
当量长度 数据表
名称 45º标准弯头 90º标准弯头 截止阀(全开) 角阀(全开)
le / d
15 30~40
300 145
举例:截止阀配置在Φ114×4mm管道上,则它的当量长度

32lu
d2
—— Hangen-Poiseuille方程
② 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:


(Re ,

d
)
式中: — 粗糙度 — 相对粗糙度
甘油 =1.499Pa s,
ν =1.19×10 -3 m2/s
(6)流体类型 ① 牛顿型流体:符合牛顿粘性定律的流体。
du
dy
气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。 ② 非牛顿型流体


a
du dy
a——表观粘度,非纯物性, 是剪应力的函数。
Ⅰ 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。
d
根据实验,得到莫狄(Moody)摩擦系数图。
0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05
λ 0.04
0.03
0.02
0.01
0.009
0.008
102
103
104 Re
105
106
摩擦系数λ与Re、ε/d关系图
ε/d
0.05 0.04 0.03
0.02 0.015 0.01 0.008 0.006 0.0045 0.002

l d
u2 2g
m
p f
l
d
u 2
2
Pa
知识回顾

z1g

p1


u12 2
we

z2 g

p2


u
2 2
2
hf
J / kg
位能 静压能 动能 外加能量
损失能量

z1

p1
g

u12 2g

He

z2

p2
g

u22 2g

Hf
J/N m
位头 压力头 动压头 外加压头
le 300 (114 2 4) 31800mm 31.8m
100mm 的闸阀 1/2 关 le = 22m
100mm 的闸阀全开
le = 0.75m 100mm 的标准三通
le = 2.2m
当量长度 共线图
② 局部阻力系数法
hf
u2
2
式中 : ----局部阻力系数
d
1
2
直圆管内阻力公式的推导
在1-1和2-2截面之间列机械能衡算式:
gz1
p1
u12
2

gz2

p2

u22
2
p f
因 z1 z2 u1 u2
所以 p1 p2 p f
流体柱受到的与流动方向一致的推动力:
(
p1

p2
)

4
d
2
流体柱受到的与流动方向相反的阻力:
如塑料和纤维生产中都存在这种现象。
τ
0
d u /d y
A -牛顿流体; B -假塑性流体;
C -宾汉塑性流体;
D -胀塑性流体;
牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系
2.3.3 流体流动的类型---层流及湍流
(1)雷诺实验 1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。
(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,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
log m xi log i
常压下气体混合物的粘度,可用下式计算
m
yi i M 0.5
yi M 0.5
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 =17.9×10-6 Pa s, ν =14.8×10 -6 m2/s
水 =1.01×10 -3 Pa s, ν =1.01×10 -6 m2/s
压头损失
总结:层流与湍流的区别
1. 雷诺准数 2. 质点运动方式 3. 速度分布 4. 能量损失
(3) 摩擦系数
摩擦系数:


8 u 2
① 层流时的摩擦系数及Hangen-Poiseuille方程
8u
d
知道我就行了
8 64u 64 u 2 u 2d Re
p f
的获得:实验,见有关资料。
名称 标准弯头90°
全开闸阀 ½ 开闸阀
阻力系数 0.75 0.17 4.5
特例:突然扩大 1.0
突然缩小 0.5
(5)系统的总阻力 系统总阻力=系统各直管阻力+局部阻力
① 等径管总阻力计算
hf
( l le
d



)
u2 2
P2
2
2
FIC
⑤ 用公式求取摩擦系数
例如:Blasuis公式
0.3164
Re0.25
⑥ 非圆直管中流动阻力
条件:光滑管
de

4 流通截面积 润湿周边长度
4S L
4rH (水力半径)
2500 Re 106
a
几种常见非圆管的当量直径
1)矩形流道
de

4
ab 2(a b)

2ab ab
g
J/N
pf hf
Pa
J/m3
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。
二者之间的关系:
p

We

gz


u2 2

p f
当 We 0 z 0 u 0 时:
p p f
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。
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
u2
hf
2g
p g
3
4
O
O
1
2
实际流体的能量分布
P1


P2


hf
hf

P1 P2

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。
物理单位制 :
P(泊), 达因·秒/厘米2
cP(厘泊)
换算关系:1cp=0.01 P=10-3 Pa · s=1 mPa ·s
③ 运动粘度

m2/s
水在293K条件下的 粘度为1 mPa ·s
单位:1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s
(3) 影响因素 ① 液体 粘度随温度升高而降低,压力影响很小。 ② 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。
总结:层流与湍流的区别
1. 雷诺准数 2. 质点运动方式 3. 速度分布 4. 能量损失
2.3.4 流体流动阻力计算
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。
(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:
hf
J/kg
Hf

hf

d
)
完全湍流区
( )
d
(阻力平方区)
hf

l d
u2 2
u2
④ 摩擦因子变化规律分析 粗糙度对λ的影响: 层流时:绕过突出物,对λ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λ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λ的影响大。
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 ① 影响状态的因素:
d、u、、
Re du
Re



du


L

L T

M L3
M
L0M 0T 0
Re是量纲为一数群
LT
② 圆形直管中
Re≤2000
稳定的层流
Re ≥4000
0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002
0.0001
0.00005
0.00001 107
③ 摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度的关系
层流区
过渡区 湍流区
Re≤2000
(Re )
2000<Re≤4000 Re>4000


(Re ,

d
)
不完全湍流区


(Re ,
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