1、第3章流體的流動過程及流體輸送設備3.1基本的基本性質1 教學目的和要求：掌握流體的基本性質；推導牛頓粘性定律。2 .本知識點的重點：流體的基本性質3 .本知識點的難點：粘度及牛頓粘性定律4.教學時數：2學時研究流體的流動和輸送主要解決以下問題： 確定輸送流體所需管徑。管徑由生產任務及被輸送流體在流動過程的物料和能量衡算 決定； 確定輸送流體所需能量和設備。根據流體的性質、輸送的距離和管路阻力等，計算所需的能量，選擇合適的輸送設備； 流體性能參數的測量和控制。 監控生產過程，準確而及時地測量流體流動時的各參數， 選用可靠而準確的測量和控制儀表； 研究流體的流動形態，為強化設備和操作提供依據。觀

2、察流動形態，選用合適設備； 了解輸送設備的工作原理和性能，正確使用輸送設備。壓力有兩種不同的表達方式。一是絕對壓力：以絕對零壓為起點而計量的壓力；另一是表壓或真空度：以大氣壓力為基準而計量的壓力。當被測容器的壓力高于大氣壓時，所測壓力稱為表壓，當測容器的壓力低于大氣壓時（工 程上稱為負壓），所測壓力稱為真空度。壓力的換算關系：表壓 =絕對壓力-大氣壓力真空度=大氣壓力-絕對壓力3. 流量和流速流量：單位時間內流體流經管道任一截面的流體量，稱為流體的流量。若流體量用體積來計量，稱為體積流量，以符號 qv表示，單位為m3f ；若流體量用質量來計量，則稱為質量流量，以符號qm表示，其單位為kgs-1

3、。若流體量用物質的量表示，稱為摩爾流量，以符號qn表示，其單位為 mol s-1。體積流量和質量流量的關系為：qm= " qv質量流量與摩爾流量的關系為：qm= Mqn流速：單位時間內，流體在管道內沿流動方向所流過的距離，稱為流體的流速，以U表示，單位為 ms-1。流速是指流道整個截面上的平均流速，以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值表示：u=qv/ S流速的分布：由于流體本身的粘滯性以及流體與管壁之間存在摩擦力，所以流體在管道內同一截面上各點的流速是不相同的。管道中心流速最大，離管中心越遠，流速越小，在緊靠管壁處，流速為零。工業上流速范圍大致為：液體1.53.0ms-1,高粘度

4、液體 0.51.0 m-s-1;氣體1020m-s-1，高壓氣體1525 m -s-1;飽和水蒸氣 2040 ms-1，過熱水蒸氣 3050 ms-1。4. 粘度粘性是流體內部摩擦力的表現，粘度是衡量流體粘性大小的物理量，是流體的重要參數之一。流體的粘度越大，其流動性就越小。實驗證明，對于一定的液體，內摩擦力F與兩流體層間的速度差：u呈正比，與兩層間的接觸面積A呈正比，而與兩層間的垂直距離Ay呈反比，即：F CC （厶 u/ ：y）A引入比例系數.二，則:F=丄（二u/iy）A內摩擦力F的方向與作用面平行。單位面積上的內摩擦力稱為內摩擦應力或剪應力，以T表示，則有:當流體在管內流動時，徑向速度

5、的變化并不是直線關系，而是曲線關系，則有：=(du/dy)du/dy 與流動方向相垂直的 y方向上流體速度的變化率J 比例系數，亦稱為粘性系數，簡稱粘度。上式稱為牛頓粘性定律。凡符合牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體，所有氣體和大多數液體都屬于牛頓型流體。反之，為非牛頓型流體，如某些高分子溶液、膠體溶液及泥漿等。液體的粘度隨著溫度的升高而減小，氣體的粘度隨著溫度的升高而增加。壓力變化時， 液體的粘度基本上不變，氣體的粘度隨壓力的增加而增加得很少。粘度的單位為：-2-1 -1-2 .L= ./(du/dy)=(N m )/(m m )= N - s m = Pas1 P= 100cP(厘泊)=10

6、-1Pa s。流體的粘度還用粘度 與密度r的比值來表示，稱為運動粘度，以表示之，即：、=/ r運動粘度的單位為 m2 s-1。1 st = 100 cst(厘沲)=10-4m2 s-1工業上各種混合物粘度用實驗的方法測定，缺乏數值時，可參考有關資料以選用適當的經驗公式進行估算。對氣體混合物的粘度，可采用下式進行計算：J m=( 7 y i 丄iMi1/2/ 7 yi Mi 2對分子不發生締合的液體混合物的粘度，可采用下式進行計算：lgm八x lg叫3.2流體流動的基本規律1 教學目的和要求：掌握流體流動的基本規律；掌握流體流動過程中的物料衡算和能量衡算。2 本知識點的重點 ：流體流動過程中的物

7、料衡算和能量衡算3 本知識點的難點：流體流動過程中的物料衡算和能量衡算4.教學時數：2學時1定態流動和非定態流動流體在管道或設備中流動時，若在任一截面上流 體的流速、壓力、密度等有關物理量僅隨位置而改變, 但不隨時間而改變，稱為定態流動；只要有一項隨時 間而變化，則稱為非定態流動。如圖。2 流體定態流動過程的物料衡算 一一連續性方程當流體作定態流動時， 根據質量作用定律， 在沒有物料累積和泄漏情況下，單位時間內通過流動系統任一截面的流體的質量應相等。如圖所示，對截面1 1和2 2之間作衡算，單位時間流入截面1 1的流體質量應等于 流出截面22'的流體的質量，即：qm,1=qm,2推廣到

8、任何一個截面，則：qm=1U1S1=nUnSn =常數對于不可壓縮流體，即上式；?=常數，則：qv=U1S1 = U2S2= =UnSn=常數不可壓縮流體不僅流經各截面的質量流量相等，它們的體積流量也相等。它反映在定態流動體系中，流量一定時，管路各截面上流體流速的變化規律。3流體定態流動過程的能量衡算一一柏努利方程流動體系的能量形式主要有：流體的動能、位能、靜壓能以及流體本身的內能。前三種 又稱為流體的機械能。(1) 理想流體流動過程的能量衡算所謂理想流體是指在流動時內部沒有內摩擦力存在的流體，即粘度為零。若過程中沒有熱量輸入，其溫度和內能沒有變化， 則理想流體流動時的能量恒算可以只考慮機械能

9、之間的相互轉換。(1)理想流體流動過程的能量衡算所謂理想流體是指在流動時內部沒有內摩擦力存在的流體，即粘度為零。若過程中沒有熱量輸入，其溫度和內能沒有變化， 則理想流體流動時的能量恒算可以只考慮機械能之間的相互轉換。1| P2叭-4 r円 °基準面截面22”之間應符合：' E入八E出即mgZi+m ui2/2+pim/=mgZ2+m U22/2+p2m/單位質量流體，則：2 2gZi+ ui /2+pi/=gZ2+U2 /2+p2/對于單位重力(重力單位為牛頓)流體，則有：Zi+ ui2/(2 g)+p i/( ' g) =Z2+U22/(2g)+p2/( '

10、 g)上式稱為：理想流體在定態流動時的能量衡算方程式，又稱為柏努利方程 equation)。工程上，將單位重力的流體所具有的能量單位為J N-1,即m如圖，根 據能量守恒定 律，沒有外界 能量輸入，在 截面11”和(Bernoulli稱為壓頭”，則Z、u2/(2g)和p/(g)分別是以壓頭形式表示的位能、動能和靜壓能，分別稱為位壓 頭、動壓頭和靜壓頭。理想流體在管道各截面上的每種能量并不一定相等，在流動時可相互轉化，但其在管道任一截面上各項能量之和相等，即總能量(或總壓頭)是常數。(2) 實際流體流動過程的能量衡算實際流體在流動時，由于流體粘性的存在，必然造成阻力損失。單位重力的流體在定態流動

11、時因摩擦阻力而損失的能量(壓頭)記為送hf；,單位J N-1或m。為克服流動阻力使流體流動，往往需要安裝流體輸送機械。設單位重力的流體從流體輸送機械所獲得的外加壓頭為He,單位J N-1域m。則實際流體在流動時的柏努利方程為：Z什 ui2/(2 g)+pi/( Eg) +He=Z2+U22/(2g)+p2/( ：、g)+ hf(3 22)以上得到的各種形式柏努利方程僅適用于不可壓縮的液體。對靜止狀態的流體，u=0,沒有外加能量，He =0,而且也沒有因摩擦而造成的阻力損失'、 hf= o,則柏努利方程簡化為：Z什 pi/(g) =Z2+p2/(g)或pi- p2=g(Zi -Z 2)4

12、.流體流動規律的應用舉例連續性方程和柏努利方程可用來計算化工生產中流體的流速或流量、流體輸送所需的壓頭和功率等流體流動方面的實際問題。在應用柏努利方程時，注意以下幾點。 作圖：根據題意作出流動系統的示意圖，注明流體的流動方向。 截面的選取：確定出上下游截面以明確對流動系統的衡算范圍。 基準水平面的選取：為了簡化計算，通常將所選兩個截面中位置較低的一個作為基準水平面。如果截面與基準水平面不平行，則Z值是指截面中心點與基準水平面的垂直距離。 單位統一：方程式兩側的各個物理量單位必須一致，最好均采用國際單位制。(1) 管道流速的確定例3l今有一離心水泵，其吸入管規格為茂88.5 mm X4 mm，壓

13、出管為75.5 mm X3.75mm，吸入管中水的流速為1.4 m s-1,試求壓出管中水的流速為多少？解：吸入管內徑 dl=88.5 2 X4= 80.5 mm壓出管內徑 d2= 75.5 2 X3.75=68 mm根據不可壓縮流體的連續性方程U£1= U2S2圓管的截面積S=：d2/4，于是上式寫成：U2/ 5=(d 1/ d?)2故壓出管中水的流速為：2 2 1 1U2=(di/d2) ui=(80.5/68) X1.4m s- = 1.96 m s'當流量一定時，圓管中流體的流速與管徑的平方呈反比。(2) 容器相對位置的確定例32采用虹吸管從高位槽向反應釜中加料。高位

14、槽和反應釜均與大氣相通。要求物料在管內以1.05 m s'1的速度流動。若料液在管內流動時的能量損失為2.25 J N-1(不包括出口的能量損失)，試求高位槽的液面應比虹吸管的出口高出多少米才能滿足加料要求？取高位槽的液面為截面1 1'虹吸管的出口內側為截面22'并取截面22'為基準水平面。在兩截面間列出柏努利方程式：Z什 ui2/(2 g)+pi/( ''g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hf式中 乙冷，ui =0 pi=O(表壓)，He =0 ；-1Z2= 0,氏=1.05 m s- , P2=0(表壓),、hf= 2.25

15、 J N-1代入柏努利方程式，并簡化得：2 2 2 2h= 1.05 m /2 %.81 m + 2.25m=2.31m即高位槽液面應比虹吸管的出口高2.31m，才能滿足加料的要求。(3) 送料用壓縮空氣的壓力的確定例 3 3某生產車間用壓縮空氣壓送20C, H2SO4= 98.3%的濃硫酸。若每批壓送量為0.36 m3,要求在10 min內壓送完畢。管子為 尬38 mm x 3 mm鋼管，管子出口在硫酸罐液 面上垂直距離為 15 m。設硫酸流經全部管路的能量損失為1.22 J N-1(不包括出口的能量損失)，試求開始壓送時，壓縮空氣的表壓力為多少？壓縮空氣解：繪示意圖。取硫酸罐內液面為截面1

16、 1'硫酸出口管管口內側為截面22'并以截面1 1'為基準水平面。在兩截面間列出拍努利方程式：Z什 u12/(2 g)+p('g) +He=Z2+U22/(2g)+p2/('g)+、hf式中 Z1=0, uiZ2= 15 m, U2=qv/S, P2 = 0(表壓)，E hf= 1.22 J N因為 qv=0.36 m3/ (10 >60 S) = 6.0 X0 4 S1S=: >(0.038 2 >0.003)2 m2/ 442=8.0410 m故u2= qV/S = 6.0 10 4m3 S-1/(8.04 10-4m2)-1=0.

17、746 m s由手冊查得，20C濃硫酸的密度 "=1831 kg m-3將上列數據代入拍努利方程式：3 2222pi/(1831 kg m»9.81m s )= 15 m + 0.746 m-s /(2 >>9.81m s )+ 1.22m解得：Pi= 2.92 >05N -m-2(表壓)即開始壓送時，壓縮空氣的表壓力至少為2.92 >05Nm-2。（4）流體輸送設備所需功率的確定例34用離心泵將貯槽中的料液輸送到蒸發器內，敞口 貯槽內液面維持恒定。已知料液的密度為1200 kg m-3,蒸發器上部的蒸發室內操作壓力為200 mmHg（真空度）,蒸發

18、器進料口高于貯槽內的液面15 m，輸送管道的直徑為 血68 min >4mm送液量為20 m3 h-1。設溶液流經全部 管路的能量損失為12.23 J N-1（不包括出口的能量損失）,若泵的效率為60 %，試求泵的功率。解:取貯槽液面為截面 1 1 '管路出口內側為截面 2 2'以截面1 一 l為基準水平面。在截面1 1'和截面22'可能量衡算，有:Z什 u12/(2 g)+p1/( Eg) +He=Z2+u22/(2g)+p2/( r g)+、 hf式中 Z|=0, ui0 p 1 = 0(表壓)；Z2 = 15 m, 因為qv = 20/3600 =

19、15.56 >0-3m3 s-1S=二 >0.0682 0.004) m /4-32=2.83>0 m故 U2= qv/S= 5.56 >0-3m3 S-1/2.83 > 3m2=1.97 m s-1又 P2= 200 XI.013 >05/760=2.67>4Pa(真空度)=-2.671>4Pa(表壓)、hf= 12.23 J N-1將上列各數值代入拍努利方程式得：He= 15 m + 1.9722m2 s 2/(2 >9.81m s-1) 2.67 >04-2 1 “-2 -2kg s m / (1200 >9.81 kg

20、s- m )+12.23 m=25.16 m 液柱泵理論功率：Ne = qmgHe= ?qvgHe=1200 kg m-3 X5.56 10 m3 s-1X9.81 m/s2 >25.16m3=1.65 >10 W = 1.65kw實際功率：Na=Ne/ =1.65kw/0.60=2.75 kw3.3流體壓力和流量的測量1 教學目的和要求：理解各種測壓儀表的測壓原理；推導孔板流量計及其它流量計測量流體流量的關系式；了解介紹管、管件及閥門；2本知識點的重點：孔板流量計及其它流量計測量流體流量的工作原理和計算關系式;3 本知識點的難點：孔板流量計及其它流量計測量流體流量的關系式4.教學

21、時數：2學時1. 流體壓力的測量對處于靜止狀態的流體，柏努利方程簡化為：P2-p仁：g = (Zi -Z2)(1) U形管壓力計U形管壓力計的結構如圖 3 8所示。管中盛有與測量液體不互溶、 密度為的指示劑。U形管的兩個側管分別連接到被測系統的兩點。隨測量的壓力差的不同U形管中指示液所顯示的高度差亦不相同，根據 (323b)式，可推得：p= p2-pi=( r i -(Zi -Z2)= ( 6- r )g ：: R測系統中某點壓力時，若U形管壓力計的一側與大氣相通，測量的是表壓或真空度。若被測量的流體是氣體，一般情況下，氣體的密度較指示液的密度小得多，上式簡化為：.:p= p2 -pi= i

22、g(Zi -Z2)= ig. ：R(2) 倒置U形管壓力計倒置U形管壓力計結構如圖示。以被測液體為指示液，液體的上方充滿空氣，空氣通過頂端的旋塞調節。(3) 微差壓力計.: p= P2 Pi=( ?i-2)g . ： R在被測系統的壓力差p也一定時，若所選用的兩種指示液的密度差(t 12)越小，貝也示值厶R就越大，即提高了測量的靈敏度。上述各種壓力計構造簡單，測壓準確，實驗室有廣泛的應用。缺點是不耐高壓，測量范圍受到限制。當測量較高壓力時，可采用彈簧管壓力計，即通常所說的壓力表。2. 流體流量的測定利用流體的機械能相互轉換原理設計的流體流量測量儀表：孔板流量計，文丘里流量計和轉子流量計等。(1

23、)孔板流量計孔板流量計結構簡單，圖所示。右液柱壓力計的讀數為.'：R,指示液的密度為6，則Uo " f)Co的值由實驗或經驗關系確定，一般情況下，其值為0.610.63。將上式換算為流量計算公式為孔板流量計結構簡單，制造方便，應用較廣泛，缺點是能量損耗較大。(2) 文丘里流量計文氏流量計針對孔板流量計能量損耗較大的缺點，參照孔板流量計孔板前后的流體流線形狀設計而成的，所示。主要部件為收縮管和擴大管， 兩者的中心角度依次為 15°20°和5°7 °結合處的截面積最小，稱為“喉管”。文氏流量計的流量與測壓仿照孔板流量計推導出:qv= uo

24、So= cv So2g R( - )式中：Cv為文丘里流量計的流量系數，同樣需要由實驗測定， 在湍流情況下，其值約為0.98,So為喉管處的截面積。文丘里流量計的優點能量損耗比孔板流量計要小得多，加工制造比孔板流量計復雜。(3)轉子流量計tirTJ并求出流量得qv= urSr=crSr . 2g-p/g式中SR轉子與玻璃管環隙的面積，m2qv 流體的體積流量， m31由于環隙的面積Sr隨著流體的流量而改變，其大小則決定于轉子位置的高低，因此流 體的流量與轉子的高度保持一定的關系。轉子流量計的轉子可以采用不銹鋼、銅及塑料等各種抗腐蝕材料制成，使用維護也很方便，使用廣泛，適用于中小流量的測定，常用

25、于2”以下管道系統中，耐壓在300400 kPa范圍。3.4 管內流體流動的阻力1教學目的和要求：掌握兩種流動形態及其判據； 理解流體流動邊界層及其特點； 結合流體流動阻力計算公 式的推導， 掌握局部管件阻力和直管阻力的計算方法； 掌握簡單管路的計算方法； 理解流體 流動管路設計的基本方法； 了解離心泵的結構和工作原理， 掌握離心泵性能曲線的測定方法； 2本知識點的重點 ： 局部管件阻力和直管阻力的計算方法，簡單管路的計算方法、離 心泵性能曲線的測定方法；3 本知識點的難點： 局部管件阻力和直管阻力的計算方法。4. 教學時數： 2 學時1. 管、管件及閥門簡介( 1) 管 鑄鐵管、鋼管、特殊鋼

26、管、有色金屬管、塑料管及橡膠管等。鋼管又分有縫鋼管和無縫 鋼管， 前者多用低碳鋼制成；后者的材料有普通碳鋼、優質碳鋼以及不銹鋼等。鑄鐵管常用 于埋在地下的給水總管、煤氣管及污水管等。化工中的管子按照管材的性質和加工情況， 分為光滑管和粗糙管。 通常把玻璃管、 銅管、 鉛管及塑料管等稱為光滑管；把舊鋼管和鑄鐵管稱為粗糙管。(2)管件管件為管與管的連接部分，它主要是用來改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞 管道等。(3)閥門閥門安裝于管道中用以切斷流動或調節流量。 常用的閥門有 截止閥、閘閥和止逆閥 等。-招 襪止御ffl A - 16 閘閥圈3-17止逆曲 截止閥，它是依靠閥桿的上升或下降，以

27、改變閥盤與閥座的距離，從而達到切斷流動 或調節流量的目的。 閘閥 閘閥又稱為閘板閥。閘閥是利用間板的上升或下降來調節管路中流體的流量。閘閥 的結構簡單，流體阻力小，且不易為懸浮物所堵塞，所以常用于大直徑管道。其缺點是閘閥 閥體高，制造和檢修較困難。 止逆閥 止逆閥又稱為單向閥。它只允許流體單向流動。當流體自左向右流動時，閥自動 開啟；如流體反向流動時，閥自動關閉。止逆閥只在單向開關的特殊情況下使用。2. 流動的形態圖3館雷謹實臉(c)輝訐巒器遼莎;(1)兩種流動形態圖3 - 19流體機動形奇示意圈滯流：充滿玻璃管內的水流如同一層層平行于管壁的圓筒形薄層，各層以不同的流速向 前運動，這種流動形態

28、稱為滯流或層流。湍流：表明水的質點除了沿著管道向前流動以外，各質點還作不規則的紊亂運動，且彼此相互碰撞，互相混合，水流質點除了沿管軸方向流動外，還有徑向的復雜運動，這種流動形態 稱為湍流或紊流。(2)流動形態的判據雷諾數，以符號 Re表示：Re= du ' / J雷諾數是量綱為一的數群，是一個特征數，計算時注意式中各個物理量必須采用統一的單位 制。Rev 2 000，流體流動雷諾數可以作為流體流動形態的判據。流體在直管中流動時，當形態為滯流；當Re> 4 000時，流體流動形態為湍流；而當2000 v Rev 4000時，流體的流動則認為處于一種過渡狀態，可以是滯流，也可以 是湍

29、流，取決于流動的外部條件。滯流和湍流是兩種本質不同的流動形態，兩者在一定條件下可以相互轉化。流體流動阻力的大小與雷諾數有直接聯系，流體流動的雷諾數越大，流體的湍動程度越大， 流動阻力也愈大。(3) 滯流和湍流的特征滯流：流速沿管徑呈拋物線分布，管中心處流速最大， 管截面各點速度的平均值為管中心處最大速度的0.5倍；湍流：流體質點強烈湍動有利于交換能量，使得管截面靠中心部分速度分布比較均勻流 速分布曲線前沿平坦，而近壁部分的質點受壁面阻滯，流速分布較為陡峭，顯然，湍流的流速分布曲線與雷諾數大小有關，湍流的平均速度約為最大速度的0.8倍。(») 圖3-加滯施(叮和簡流(b)的流速分布湍流

30、流動還有一個特征，無論流體主體的湍動程度如何劇烈，在靠近管壁處總有一層作滯流流動的流體薄層，稱之為滯流底層。其厚度隨雷諾數的增大而減小，但永遠不會消失。 滯流內層的存在對傳熱過程和傳質過程有很大的影響。工業生產中的流體流動大多數是以湍流形態進行的。例35在168 mm X 5 mm的無縫隙鋼管中輸送原料油，已知油的運動粘度為90cst,密度為910 kg m-3,試求燃料油在管中作滯流時的臨界速度。解：因為運動粘度 v=/'，又在滯流時 Re的臨界值為2 000,代入Re= dW 得:Re = du=du/= 2 000其中 d= 168-2 X5=158 mm=0.158 m-22亠

31、 ,-5 2 -1v = 9 0 cst= 90 X0 X 10-4m s = 9 X10 m s故臨界速度為 u= 2000 X9 X0-5m2 s-1/0.158m = 1.14m s-1計算非圓形管的 Re值時，要以當量直徑 de代替do ,當量直徑de定義為：de=4 X流體流動截面積/流道潤濕周邊長度例如邊長為a的方形管道的當量直徑為：de=4(a2/ 4a) = a(4) 流動邊界層(自學)3管內流動阻力計算管內流動阻力可分為直管阻力和局部阻力。直管阻力是當流體在直管中流動時因內摩擦力而產生的阻力；局部阻力是流體在流動中，由于管道的局部阻力障礙(管件、閥門、流量計及管徑的突然擴大或

32、收縮等)所引起的阻力。送 hf=hf + h|流體在管路中流動阻力與流速有關。動壓頭呈正比流速愈快，能量損失就愈大，即阻力損失與流體的2hfu2g式中 是一比例系數，稱為阻力系數。(1) 直管阻力的計算圖直背阻力計算式的椎導、l u2hf='d 2g稱為范寧(Fanning)公式，是直管阻力的計算通式。 滯流時的摩擦阻力系數 滯流時，流體呈一層層平行管壁的圓筒形薄層，以不同速度平 滑地向前流動，其阻力主要是流體層間的內摩擦力，遵從牛頓粘性定律，所以可以通過 理論分析，推導出滯流時的 .Pi滯貳時的腐撩阻力:p =32 " ul/d2Ap 64 l u2hf=(3-41)Pg

33、Re d 2g 湍流時的摩擦阻力系數湍流時，流體質點是不規則的紊亂運動，質點間互相碰撞激烈，瞬間改變方向和大小，流動狀況比滯流要激烈得多。滯流時，流體層掩蓋了管道的粗糙面， 管壁的粗糙度并未改變其速度分布和內摩擦力的規律，因此對滯流的流體阻力或摩擦阻力系數沒有影響。強烈湍流時，由于滯流底層很薄，不足以掩蓋壁面的凹凸表面，凹凸部分露出 在湍流主體與流體質點發生碰撞，使流體阻力或摩擦阻力系數增大。Re越大，滯流底層越薄，管壁粗糙度。對湍流阻力的影響越大。因而，湍流的流體阻力或摩擦阻力系數還與管壁粗糙度有關。實驗研究的步驟和方法如下。a. 析因實驗：對所研究的過程作理論分析和探索實驗，尋找影響過程的

34、主要因素。對于湍流的直管阻力損失，經分析和初步實驗，影響的諸因素為：流體本身的物理性質：密度，粘度；流體流動的外部條件：流速u、管徑d、管長l和管壁的粗糙度；等。待求關系式為：b規劃實驗：要確定所研究的物理量與各影響因素的具體關系，需要在其它變量不變下，多次改變一個變量的數值，著自變量個數較多， 實驗工作量將很大，同時要把過程結果關聯成一個形式簡單、便于應用的公式往往是困難的。因此，在實驗前，要進行實驗規劃。采用 正交實驗法、量綱分析法等可以簡化實驗。喝=K(l/d) b(du/)-e( ； /d)fc.實驗數據處理a.滯流區 Rew 2 000九=64/Re,與8/d無關。b. 過渡區2 0

35、00 v Rev 4000，流形為非定態'易波動。工程上為留有余量，常作湍 流處理。c. 湍流區 Re>4 000以及虛線以下區域，與Re和；/d均有關。該區域內對于不同 ；/d標出一系列曲線，其中最下面的一條曲線為光滑管與Re的關系，表示的關系一致，hfXu1.75，但將Re范圍擴寬至107。其余曲線與式(349)表示的關系一致，此區域 '隨Re 數的增大而減小，隨；/ d增加而增大。d. 完全湍流區 Re足夠大(虛線以上區域)時，與Re無關，僅與；/d有關。此區域， ；/d 一定，'為常數，當I / d 一定時，由hf= ' (l / d)u2/2g知

36、，hf u2,所以又稱阻力平 方區。該區域的曲線與式 (3 - 49)表示的關系也是一致的，此時式(349)中括號內的第二項可以略去。例36 20C的水在直徑為 60mm x 3.5mm的鍍鋅鐵管中以1m -s-1的流速流動，試求水通過100 m長度管子的壓力降及壓頭損失為多少。解：查手冊得水在20 C時，P=998 . 2 kg s-3, 4 =1.005 X03pas又已知 d = 60 3.5 X = 53 mm ,1=100 m , u= 1m s-1 所以 Re=du p /A =0.053 X X98.2/1.005 X0-3=5.26 X04取鍍鋅鐵管的管壁絕對粗糙度為:=0.2

37、 mm則；/d = 0.2/ 53 = 0.004在圖3 25中的橫坐標上找到Re= 5. 26 >104位置，垂直向上，再在右邊縱坐標上找到；/d = 0. 004的線條，由兩者的交點在左邊的縱坐標上讀出入的值為 =0.031。將上述數據代入(340a)式，得壓力降：.: Pf=入 /d)(宀 2/2) = 0.031 X(100 m/0.053 m)X(998.2 kg m3 x 12 m2 s-2/2)=2.92 >104-2N rn故其壓頭損失為：hf= - (l / d)2/(2g): =0.031(100 m / 0.053 m) >12 m2 s-2/ 2 X9

38、.807 m s-2)=2 . 98 m水柱(2) 局部阻力的計算阻力系數法 h|= ' u2/(2g)式中 為局部阻力系數，用來表示局部阻礙的幾何形狀對局部阻力的影響，其值由實驗確 定。下面介紹幾種常見的局部阻力系數。a. 突然擴大與突然收縮：b. 進口和出口：若截面處在管出口的內側：'=0;截面取在管子出口的外側=1。當量長度法hl= ' (、le/d )u2/(2g)例3 7要求向精餾塔中以均勻的流速進料，現裝設一高位糟，使得料液自動流入精餾塔中，如附圖所示。若高位槽的液面保持1.5m的高度不變，塔內操作壓力為0.4kgf cm-2(表壓),塔的進料量需維持在50

39、 m3 h-1,則高位槽的液面應該高出塔的進-料口多少米才能達到要求？若已知料液的粘度為1.5 X0-3Pa s,密度為900 kg m-3，連接管的尺寸為* 108mmx 4mm的鋼管，其長度為 h+1.5 m ,管道上的管件有 180 °勺回彎頭、截止閥及90。的彎頭各一個。解：取高位槽內液面為截面1 一 1'精餾塔的加料口內側為截面22”，并取此加料口的中心線為基準水平面。在兩截面間列柏努利方程式：2 2Z1+ ui/(2 g)+pi/(g) =Z2+U2/(2g)+p2/( r g)+、hf式中 Zi=h, Z2=0, ui0U2= (50/3 600)/ 二(0.1

40、00/2)2= 1.77 m s-1(p2-pi)/ ( ：“)=0.4區807 W4/ (900 X9.807)=4.44 m液柱、hf= hf+ hl = (1+、le )/du 2/(2g)Re= du '/= 0.10077900/0.001 = 1.06105取；=0.3 mm,;/d= 0.3/100=0.003，由圖 3 25 查得'=0.02752由 hf=丸(1+ 遲 le )/du /(2g) = 0.0275 (W + 1.5)/0.100 (0.772/2 W.807)=0.044(h + 1.5)(物料由貯槽流入管子，取le1= 2.1； 180”回彎

41、頭le2= 10；截止閥(按 1 / 2開度計)le13=28 ； 90 ”彎頭 le4= 4.5hf = (1+、le)/du2/(2g) = hf = ' lei+ le2+ le3+ le4/du 2/(2g) = 0.0275 : (2.l + 10 + 28 +4.5)/0.100: Xl.772/ (2 W.807)=1.96m 液柱將以上數據代入拍努利方程式：2h = 4.44 + 1.772/(2 >9.807) + 0.044(h + 1.5) + 1.96解得：h= 6.93 m即高位槽的液面至少須高出塔內進料口6.93 m，才能滿足精餾塔的進料要求。3.5流體輸送設備1. 輸送機械流體流動需要一定的推動力來克服管路和設備的阻力，把流體從低處送到高處，或從低壓系