流体动力学4

课时授课计划N0.5课程：《制药过程原理及设备》年级：级20/20学年第学期教师课时授课计划插页N0.1授课内容时间分配班级课时2学时课型理论课章节课题§1-3流体阻力教学目标掌握1.流体流动类型及其判断，雷诺准数的物理意义及计算；2.流体流动阻力产生的原因及在管内流动时流动阻力熟悉直管阻力和局部阻力的计算；了解——教学重点流体黏度的物理意义及其查找；管内流动时流动阻力计算教学难点当量直径及非圆形管内阻力的理解教学方法课堂讲授所需教具教学后记（本章节教学的优点和存在的问题以及提出今后改进教学的建议）1.学生对当量概念了解不是很清楚，特别是直管阻力当量长度法的计算公式需好好解释2.本教材的Moody图太粗糙，需要事先布置学生查阅相应教材的图，方便讲解复习提问：1.伯努利方程（要求写单位质量、单位重量、单位体积三种形式）2.应用的注意事项导入新课：fehgpugzHgpugz222212112121中阻力项的计算新课：一、流体的粘度1.流体阻力产生的原因1）内摩擦力是流体流动阻力产生的根本原因。2）流体的流动状况是产生阻力的第二原因。3）管路情况（管壁粗糙度、管径大小，管子长度）也是产生流体阻力的原因。2.流体的黏度流体流体时流层之间产生内摩擦力的这种特性称为黏性。符号μ，单位Pa.s。专用单位：泊（P）换算关系：1Pa.s=10P。因数值较大，也用CP。1P=100CP。1cP＝10-3Pa·s粘度是反映流体粘性大小的物理量。是流体的物性之一，其值由实验测定。黏度是温度的函数。液体的黏度随温度的升高而降低，气体的黏度随温度的升高而增大，一般情况下可忽略压力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。二、流体流动的类型1．两种流型——层流和湍流雷诺试验简介：装有溢流装置水箱：有一水5分10分10分课时授课计划插页N0.2授课内容时间分配平玻璃进水直管，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。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，出现不规则运动，质点在大小和方向上互相碰撞和混合即径向方向出现了脉动。2.流型判据——雷诺准数流体的流动类型可用雷诺数Re判断。udRe（1-28）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2000Re4000时，流动可能是层流，也可能是湍流，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。5分课时授课计划插页N0.3授课内容时间分配图1-19流体流动型态示意图三、流体在圆管内的速度分布1．层流时的速度分布实验和理论分析都已证明，。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。经试验证明：层流时管截面上的平均速度为max221uRVuS即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。2.湍流时的速度分布流体的平均速度约为管中心最大速度的0.82倍，即max82.0uu应当指出：无论层流还是湍流在管壁处总有一层层流流动的流体称为流体流动边界层。厚度很小，但对流体传热、传质等方面影响很大。边界层厚度与Re有关，Re越大厚度越小。四、流动阻力的计算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：30分课时授课计划插页N0.4授课内容时间分配图1-20层流时的速度分布图1-21层流时管内速度分布的推导直管阻力：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、阀门等地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。1．直管阻力计算（1-29）式（1-29）为流体在直管内流动阻力的通式，称为范宁（Fanning）公式。式中为无因次系数，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。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不同。以下对层流与湍流时摩擦系数分别讨论。1).层流时的摩擦系数流体在直管中作层流流动时，=f（Re）其计算式Re64（1-32）2）湍流时的摩擦系数λ=f（Re，相对粗糙度d），查莫狄（Moody）摩擦系数图。根据Re不同，图1-19可分为四个区域；（1）层流区（Re≤2000），λ与d无关，与Re为直线关系，即Re64，此时uWf，即与u的一次方成正比。（2）过渡区（2000Re4000），在此区域内层流或湍流的λ～Re曲线均可应用，对于阻力计算，宁可估计大一些，一般将湍流时的曲线延伸，以查取λ值。（3）湍流区（Re≥4000以及虚线以下的区域），此时λ与Re、d都有关，当d一定时，λ随Re的增大而减小，Re增大至某一数值后，λ下降缓慢；当Re一定时，λ随d的增加而增大。课时授课计划插页N0.5授课内容时间分配（4）完全湍流区（虚线以上的区域），此区域内各曲线都趋近于水平线，即λ与Re无关，只与d有关。对于特定管路d一定，λ为常数，根据直管阻力通式可知，2uWf，所以此区域又称为阻力平方区。从图中也可以看出，相对粗糙度d愈大，达到阻力平方区的Re值愈低。说明：管壁粗糙度对摩擦系数的影响光滑管：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表示。绝对粗糙度与管径的比值即d，称为相对粗糙度。工业管道的绝对粗糙度数值见教材。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d，而不是绝对粗糙度。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。例分别计算下列情况下，流体流过φ76×3mm、长10m的水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。（1）密度为910kg/、粘度为72cP的油品，流速为1.1m/s；（2）20℃的水，流速为2.2m/s。解：（1）油品：15分课时授课计划插页N0.6授课内容时间分配200097310721.191007.0Re3ud流动为层流。0658.097364Re64所以能量损失J/kg69.521.107.0100658.0222udlWf压头损失m58.081.969.5gWhff压力损失Pa517869.5910ffWp（2）20℃水的物性：3kg/m2.998，310005.1Pa·s531053.110005.12.22.99807.0udRe流动为湍流。求摩擦系数尚需知道相对粗糙度d，查表1-2，取钢管的绝对粗糙度为0.2mm，则00286.0702.0d根据Re=1.53×105及d＝0.00286查图1-25，得λ＝0.027所以能量损失J/kg33.922.207.010027.0222udlWf压头损失m95.081.933.9gWhff压力损失Pa931333.92.998ffWp3）.非圆形管道的流动阻力（学生自学）对于非圆形管内的湍流流动，仍可用在圆形管内流动阻力的计算式，但需用非圆形管道的当量直径代替圆管直径。Ade44＝润湿周边流通截面积对于套管环隙，当内管的外径为d1，外管的内径为d2时，其当量直径为1212212244ddddddde对于边长分别为a、b的矩形管，其当量直径为10分baabbaabde2)(24注意，当量直径只用于非圆形管道流动阻力的计算，而不能用于流通面积及流速的计算。2.局部阻力局部阻力有两种计算方法：阻力系数法和当量长度法。1）阻力系数法克服局部阻力所消耗的机械能，可以表示为动能的某一倍数，即guhf22'（1-33）式中ζ称为局部阻力系数，一般由实验测定。2）当量长度法将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为el的直管所产生22'udlWef（1-49）式中el称为管件或阀门的当量长度。同样，管件与阀门的当量长度也是由实验测定。3.流体在管路中的总阻力流体流经管路的总阻力应是直管阻力和所有局部阻力之和。计算局部阻力时，可用局部阻力系数法，亦可用当量长度法。对同一管件，可用任一种计算，但不能用两种方法重复计算。课时授课计划插页N0.7授课内容时间分配当管路直径相同时，总阻力：22'udl（1-34）或22'udll（1-34a）式中、el分别为管路中所有局部阻力系数和当量长度之和。小节：1.粘度的定义、单位以及物理意义2.流体流动类型以及判断标准3.直管阻力以及局部阻力的计算作业：P42225分