层流 - 新乡学院精品课程
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1.4 管内流体流动现象
1.4.1 流体的流动型态
1.4.2 流体在圆管内的速度分布
1.4.3 流体流动边界层
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1.4.1 流体的流动型态
一、雷诺实验
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层流(或滞流):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;
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
向上都随时变化,质点互相碰撞和混合。
二、流型判据——雷诺准数
Re
du
无因次数群
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1. 判断流型
Re≤2000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;
2000< Re <4000 时,流动可能是层流,也可能是
湍流,该区称为不稳定的过渡区。
2.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,标志着流体流动的湍动程度。
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1.4.2 流体在圆管内的速度分布
速度分布:流体在圆管内流动时,管截面上
质点的速度随半径的变化关系。
一、层流时的速度分布
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.
速度分布方程 u
( p1 p2 ) 2
u
(R r 2 )
4l
.
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.
管中心流速为最大,即r=0时,u =umax
( p1 p2 ) 2
u max
R
4l
.
r 2
u u max 1
R
即流体在圆形直管内层流流动时,其速度呈抛物线分布。
管截面上的平均速度 :
VS
u
A
R .
0
u 2rdr
1
umax
2
R 2
即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。
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二、湍流时的速度分布
.
剪应力 : ( e) d u
dy
e为湍流粘度,与流体的流动状况有关。
湍流速度分布
的经验式:
r
u u max 1
R
.
n
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VS
u
0.82u max
A
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流体在平板上流动时的边界层:
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1.4.3 流体流动边界层
一、边界层的形成与发展
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。
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边界层区(边界层内):沿板面法向的速度梯度
很大,需考虑粘度的影响,剪应力不可忽略。
主流区(边界层外):速度梯度很小,剪应力可
以忽略,可视为理想流体 。
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边界层流型:层流边界层和湍流边界层。
层流边界层:在平板的前段,边界层内的流型为层流。
湍流边界层:离平板前沿一段距离后,边界层内的流型
转为湍流。
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流体在圆管内流动时的边界层
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充分发展的边界层厚度为圆管的半径;
进口段内有边界层内外之分 。
也分为层流边界层与湍流边界层(层流内
层)。
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湍流流动时:
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湍流主体:速度脉动较大,以湍流粘度为主,径向
传递因速度的脉动而大大强化;
过渡层:分子粘度与湍流粘度相当;
层流内层:速度脉动较小,以分子粘度为主,径向
传递只能依赖分子运动。
——层流内层为传递过程的主要阻力
Re越大,湍动程度越高,层流内层厚度越薄。
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2. 边界层的分离
B
A
S
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边界层分离的后果:
产生大量旋涡;
造成较大的能量损失。
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1.5 流体流动阻力
1.5.1 直管阻力
1.5.2 局部阻力
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1.5 流体流动阻力
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。
1.5.1 直管阻力
一、阻力的表现形式
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流体在水平等径直管中作定态流动。
1 2 p1
1 2 p2
z1 g u1 z2 g u2
h f
2
2
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u1 u2
z1 z 2
h
f
p1 p2
若管道为倾斜管,则
h
f
(
p1
z1 g ) (
p2
z2 g )
流体的流动阻力表现为静压能的减少;
水平安装时,流动阻力恰好等于两截面的静压
能之差。
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二、直管阻力的通式
2
1
u
p1
F
d
F
d
1
p2
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
因 z1 z 2
u12
2
gz2 p2
u1 u2
所以
u22
2
p f
p1 p2 p f
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流体柱受到的与流动方向一致的推动力:
( p1 p2 )
4
d2
流体柱受到的与流动方向相反的阻力:
F A dl
流体定态流动时:
( p1 p2 )
又:
d dl
2
4
p1 p2 p f
hf
p1 p2
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4l
8 l u 2
h f d u 2 d 2
② 范宁公式
8
l u2
令 2 ,则 h f
u
d 2
计算流体流动阻力的一般公式
范宁公式:
l u2
hf d 2
l u2
Hf
d 2g
l u 2
p f
d 2
J/kg
m
Pa
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该公式层流与湍流均适用;
注意 p 与 p f 的区别。
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二者之间的关系:
u2
p We gz p f
2
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。
管路中的流动阻力=直管阻力+局部阻力
直管阻力:由于流体和管壁之间的摩擦而产生;
局部阻力:由于速度的大小或方向的改变而引起。
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三、层流时的摩擦系数
速度分布方程
又
u max
( p1 p2 ) 2
R
4l
1
u u max
2
d
R
2
32 lu
( p1 p 2 )
d2
32 lu
p f
d2
——哈根-泊谡叶
(Hagen-Poiseuille)方程
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能量损失
32lu
h f d 2
层流时阻力与速度的一次方成正比 。
32lu 32lu 64 l u 2 64 l u 2
变形: h f
2
2
d
d
d u d 2 Re d 2
64
比较得
Re
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四、湍流时的摩擦系数 e du
1. 因次分析法
dy
目的:(1)减少实验工作量;
(2)结果具有普遍性,便于推广。
基础:因次一致性
即每一个物理方程式的两边不仅数值相等,
而且每一项都应具有相同的因次。
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基本定理:白金汉(Buckinghan)π定理
设影响某一物理现象的独立变量数为n个,
这些变量的基本因次数为m个,则该物理现象可
用N=(n-m)个独立的无因次数群表示。
湍流时压力损失的影响因素:
(1)流体性质:,
(2)流动的几何尺寸:d,l,(管壁粗糙度)
(3)流动条件:u
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p f f , , u, d , l ,
物理变量
n= 7
基本因次
m=3
无因次数群 N=n-m=4
即该过程可用4个无因次数群表示。
无因次化处理
式中:Eu
p f
du l
, ,
2
u
d d
p f
u 2
——欧拉(Euler)准数
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Re
du
——雷诺数
l d ——管道的几何尺寸
d ——相对粗糙度
根据实验可知,流体流动阻力与管长成正比,即
p f
l
Re,
2
d
d
u
p f
l
2
或
h f d Re, d u
(Re, )
d
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莫狄(Moody)摩擦因数图:
0.1
e/l
0.09
0.08
0.05
0.07
0.04
0.03
0.06
λ
0.05
0.02
0.015
0.04
0.01
0.008
0.006
0.03
0.0045
0.002
0.001
0.02
0.0008
0.0006
0.0004
0.0002
0.0001
0.01
0.00005
0.009
0.008
0.00001
102
103
104
Re
摩擦系数λ与Re、ε/l关系图
105
106
107
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(1)层流区(Re≤ 2000)
λ与
64
d无关,与Re为直线关系,即 Re
W f u ,即 W f 与u的一次方成正比。
(2)过渡区(2000<Re<4000)
将湍流时的曲线延伸查取λ值 。
(3)湍流区(Re≥4000以及虚线以下的区域)
f (Re, d )
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(4)完全湍流区 (虚线以上的区域)
λ与Re无关,只与 d 有关 。 d 一定时,W f u 2
该区又称为阻力平方区。
经验公式 :
(1)柏拉修斯(Blasius)式:
适用光滑管
Re=5×103~105
(2)考莱布鲁克(Colebrook)式
0.3164
Re 0.25
2
18.7
1.74 2 log
d Re
1
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总结:摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度的关系
层流区
Re≤2000
过渡区
2000<Re≤4000
湍流区
Re>4000
不完全湍流区
完全湍流区
( Re )
( Re ,
( Re ,
l u2
R
u2
d 2
d
( )
d
(阻力平方区)
d
)
)
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2.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;
粗糙管:钢管、铸铁管等。
绝对粗糙度 :管道壁面凸出部分的平均高度。
相对粗糙度 d : 绝对粗糙度与管内径的比值。
层流流动时:
流速较慢,与管壁无碰撞,阻力与 d 无关,
只与Re有关。
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湍流流动时:
水力光滑管
完全湍流粗糙管
只与Re有关,与 d无关。 只与 d有关,与Re无关。
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五、 非圆形管内的流动阻力
当量直径: d e 4 流通截面积=4 A
润湿周边
套管环隙,内管的外径为d1,外管的内径为d2 :
de 4
d
4
2
2
d 12
d 2 d 1
d 2 d1
边长分别为a、b的矩形管 :
ab
2ab
de 4
2(a b) a b
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说明:
(1)Re与hf中的直径用de计算;
(2)层流时:
正方形
C
Re
C=57
套管环隙 C=96
(3)流速用实际流通面积计算 。
u
Vs
0.785d e
2
作业:p70 1-14
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1.5.2 局部阻力
阻力系数法
当量长度法
一、阻力系数法
将局部阻力表示为动能的某一倍数。
或
u2
hf 2
J/kg
2
u
h 'f
2g
J/N=m
ζ——局部阻力系数
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1. 突然扩大
A1 2
(1 )
A2
0—1
特例:突然扩大
u12
hf 2
1.0
u1 —小管中的大速度
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2.突然缩小
0.5(1
A2 2
)
A1
u22
hf 2
0 0.5
突然缩小
u2 小管中的大速度
0.5
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3. 管进口及出口
进口:流体自容器进入管内。
ζ进口 = 0.5 进口阻力系数
出口:流体自管子进入容器或从管子排放到管外
空间。
ζ出口 = 1
4 . 管件与阀门
出口阻力系数
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蝶阀
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二、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Le的直管所产生的阻力 。
2
le u
h f d 2
2
le u
或 H
d 2g
'
f
Le —— 管件或阀门的当量长度,m。
Le 的求取:P54 图1-36
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总阻力:
2
l le u 2
l
u
h f
( )
d
2
d
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。
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例: 如图所示,料液由常压高位槽
流入精馏塔中。进料处塔中的压力
为 30kpa ( 表 压 ) , 送 液 管 道 为
φ45×2.5mm、 长8 m的 钢管 。管路 h
中装有180°回弯头一个,全开标准
截止阀一个,90°标准弯头一个。
塔的进料量要维持在5m3/h,试计算
高位槽中的液面要高出塔的进料口
多少米?
pa
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1.6 管路计算
1.6.1 简单管路
1.6.2 复杂管路
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1.6管路计算
1.6.1 简单管路
Vs1,d1
Vs2,d2 Vs ,d
3 3
一、特点
(1)流体通过各管段的质量流量不变,对于不可
压缩流体,则体积流量也不变。
wS1 wS 2 wS 3
不可压缩流体
VS1 VS 2 VS 3
(2) 整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和 。
hf hf 1 hf 2 hf 3
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二、管路计算
基本方程:
连续性方程:Vs
4
d 2u
u1d12 u2 d 22
2
2
p
u
p
u
柏努利方程: 1 z1 g 1 We 2 z2 g 2 h f
2
2
l
u
l le u
阻力计算
h f ( ) (
)
d
2
d
2
(摩擦系数):
2
2
物性、一定时,需给定独立的9个参数,方可
求解其它3个未知量。
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(1)设计型计算
设计要求:规定输液量Vs,确定一经济的管径及
供液点提供的位能z1(或静压能p1)。
给定条件:
(1)供液与需液点的距离,即管长l;
(2)管道材料与管件的配置,即及 ;
(3)需液点的位置z2及压力p2;
(4)输送机械 We。
选择适宜流速
确定经济管径
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(2)操作型计算
已知:管子d 、、l,管件和阀门 ,供液点z
1、p1,
需液点的z2、p2,输送机械 We;
求:流体的流速u及供液量VS。
已知:管子d、、 l、管件和阀门 、流量V
s等,
求:供液点的位置z1 ;
或供液点的压力p1;
或输送机械有效功We 。
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试差法计算流速的步骤:
(1)根据柏努利方程列出试差等式;
(2)试差:
可初设阻力平方区之值
d
假设
u
Re
查
符合?
注意:若已知流动处于阻力平方区或层流,则无需
试差,可直接解析求解。
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三、阻力对管内流动的影响
pa
1
1
pA
阀门F开度减小时:
A
pB
F B
2
2
(1)阀关小,阀门局部阻力系数↑ → Wf,A-B ↑
→流速u↓ →即流量↓;
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(2)在1-A之间,由于流速u↓→ hf,1-A ↓ →pA ↑ ;
(3)在B-2之间,由于流速u↓→ hf,B-2 ↓ →pB ↓
。
结论:
(1)当阀门关小时,其局部阻力增大,将使管路中
流量下降;
(2)下游阻力的增大使上游压力上升;
(3)上游阻力的增大使下游压力下降。
可见,管路中任一处的变化,必将带来总体的
变化,因此必须将管路系统当作整体考虑。
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1.6.2 复杂管路
一、并联管路
VS1
VS
VS2
A
B
VS3
1、特点:
(1)主管中的流量为并联的各支路流量之和;
wS wS1 wS 2 wS 3
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不可压缩流体
VS VS1 VS 2 VS 3
(2)并联管路中各支路的能量损失均相等。
hf 1 hf 2 hf 3 hfAB
注意:计算并联管路阻力时,仅取其中一支路即
可,不能重复计算。
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2. 并联管路的流量分配
(l le )i ui2
h fi i
di
2
4Vsi
而 ui d 2
i
2
2
(l le )i 1 4Vsi
8iVsi (l le )i
h fi i
2
di
2 di
2 di5
d 35
d15
d 25
VS 1 : VS 2 : VS 3
:
:
1 (l le )1 2 (l le ) 2
3 (l le ) 3
支管越长、管径越小、阻力系数越大——流量越小;
反之
——流量越大。
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二、分支管路与汇合管路
A
C
A
O
O
B
分支管路
B
汇合管路
C
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1、特点:
(1)主管中的流量为各支路流量之和;
wS wS1 wS 2
不可压缩流体
VS VS1 VS 2
(2)流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损
失之和相等。
pA
pB
1 2
1 2
z A g u A h fOA
zB g uB h fOB
2
2
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用泵输送密度为710kg/m3的油品,如附图所示,
从贮槽经泵出口后分为两路:一路送到A塔顶部,最
大流量为10800kg/h,塔内表压强为98.07×104Pa。
另一路送到B塔中部,最大流量为6400kg/h,塔内表
压强为118×104Pa。贮槽C内液面维持恒定,液面上
方的表压强为49×103Pa。
现已估算出当管路上的阀门全开,且流量达到
规定的最大值时油品流经各段管路的阻力损失是:
由截面1―1至2―2为201J/kg;由截面2―2至3-3为
60J/kg;由截面2-2至4―4为50J/kg。油品在管内流
动时的动能很小,可以忽略。各截面离地面的垂直
距离见本题附图。
已知泵的效率为60%,求此情况下泵的轴功率。
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1.7 流速与流量的测量
1.7.1 测速管
1.7.2 孔板流量计
1.7.3 文丘里流量计
1.7.4 转子流量计
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1.7 流速与流量的测量
1.7.1 测速管(皮托管)
一、结构
二、原理
内管A处
1 .2
u
2
pA
p
外管B处
pB
p
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p
1 .2
p 1 .2
( u ) u
2
2
pA
pB
.
点速度:
即
p
u
.
u
2p
2 Rg( 0 )
讨论:
(1)皮托管测量流体的点速度,可测速度分布曲线;
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(2)流量的求取:
由速度分布曲线积分 VS udA
测管中心最大流速,由 u umax ~ Remax 求平
均流速,再计算流量。
三、安装
(1)测量点位于均匀流段,上、下游各有50d直管距离;
(2)皮托管管口截面严格垂直于流动方向;
(3)皮托管外径d0不应超过管内径d的1/50,即d0<d/50 。
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1.7.2 孔板流量计
一、结构与原理
1
d1S1u1
0
2
d0S0u0
0
d2S2u2
2
1
R
孔板流量计
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二、流量方程
在1-1′截面和2-2′截面间列柏努利方程,暂不计
能量损失
p1
1 2 p2 1 2
u1
u2
2
2
变形得
u 22 u12 p1 p2
2
u u
2
2
2
1
2p
问题:(1)实际有能量损失;
(2)缩脉处A2未知。
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解决方法:用孔口速度u0替代缩脉处速度u2
u u C
2
0
由连续性方程
u0
2
1
2p
A0
u1 u0
A1
1
A
1 ( 0 )2
A1
2 p1 p2
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考虑(1)孔口的局部阻力损失,需引入系数C1进行
校正;
(2)孔板前后引出的两测压管不能真实反映p1-p2的
值,需引入系数C2进行校正。
C1C2
u0
A0 2
1 ( )
A1
令
2 p1 p2
C1C2
C0
A0 2
1 ( )
A1
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则
2p
u0 C0
u 0 C0
体积流量
质量流量
2Rg( 0 )
VS u0 A0 C0 A0
2Rg( 0 )
wS C0 A0 2Rg ( 0 )
C0——流量系数(孔流系数)
A0——孔面积。
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讨论:
(1)特点:
恒截面、变压差——差压式流量计
(2)流量系数C0
对于取压方式、结构尺寸、加工状况均
已规定的标准孔板
A0
C0 f (Re d , )
A1
Re是以管道的内径d1计算的雷诺数 Re d
d1 u1
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当Re >Re临界时,
C0
A0
C0 f ( )
A1
Re临界值
一般 C0=0.6~0.7
A0
A1
(3) 测量范围
VS R
R VS
2
Re d
孔板流量计的测量范围受U形压差计量程决定。
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三、安装及优缺点
(1)安装在稳定流段,上游l >10d,下游l >5d;
(2)结构简单,制造与安装方便 ;
(3)能量损失较大 。
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1.7.3 文丘里(Venturi)流量计
属差压式流量计;
能量损失小,造价高。
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VS CV A0
2Rg ( A )
CV——流量系数(0.98~0.99)
A0——喉管处截面积
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1.7.4 转子流量计
一、结构与原理
从转子的悬浮高度
直接读取流量数值。
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二、流量方程
0
转子受力平衡
( p1 p0 ) Af f V f g
0′
1
在1-1′和0-0′截面间列柏努利方程
p0 u 02
u12
z1 g
z0 g
2
2
p1
p1 p 0 ( z 0 z1 ) g
2
(u 02 u12 )
1′
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( p1 p 0 ) A f A f ( z 0 z1 ) g A f
V f g
流体的浮力
V f ( f )g Af
2
1
1 A0 A1
2
A f
CR——流量系数
2
(u u )
2
0
2
1
动能差
(u 02 u12 )
A0
u1 u0
A1
2V f ( f ) g
由连续性方程
u0
CR
2V f ( f ) g
A f
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体积流量
Vs C R AR
2( f )V f g
A f
讨论:
(1)特点:
恒压差、恒流速、变截面——截面式流量计。
(2)刻度换算
标定流体:20℃水(=1000kg/m3 )
20℃、101.3kPa下空气( =1.2kg/m3)
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CR相同,同刻度时
VS 2
VS 1
1 ( f 2 )
2 ( f 1 )
式中:1——标定流体;
2——被测流体。
气体转子流量计
VS 2
VS1
1
2
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三、安装及优缺点
(1)永远垂直安装,且下进、上出,
安装支路,以便于检修。
(2)读数方便,流动阻力很小,测量
范围宽,测量精度较高;
(3)玻璃管不能经受高温和高压,在
安装使用过程中玻璃容易破碎。
习
题
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一、填空题:
1、圆形直管内,qV 一定,设计时若将d增加一倍,则
层流时 hf是原值的
倍,高度湍流时,hf是原值的
倍。(忽略ε/d的变化)
2、流体在直管内流动造成阻力损失的根本原因
是
,直管阻力损失体现在
。
3、某孔板流量计用水测得Co=0.64,现测ρ=900kg/m3 ,
μ=0.8mPas的液体,问此时Co
0.64。(>, =, <)
4、如图示管线,将支管A的阀门开大,则管内以下参
数如何变化?(↑,↓)
qVA
,qVB
,
qV总
,P
,
hfA
, hfMN
。
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2
qV 1
qV
1
1.hf∝ ,
h
;
,
∝
f
4
d 16
d5
32
2.流体的黏性;总势能降低
3.同样u, d, v液 v水 ,Re du , Re液 Re水
C0 0.64
v
4. ζA↓, qVA↑, qVB↓, qV总↑, p↓, hfA↓, hfMN↓
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5、图示管路系统中,已知
流体流动的总阻力损失
hf=56J/kg, 若关小阀门,
则总阻力损失hf’= J/kg,
两槽液面的垂直距离 H=
6、图示管路系统中,
已知dab=dcd, εab=εcd,
lab=lcd,μ≠0。比较
ua uc, (pa-pb) (pc-pd),
(Pa-Pb) (Pc-Pd)。
m.
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56
5. 56J/kg;H
5.7m
9.81
6. ua=uc, ( pa pb ) ( pc pd ) , (Pa Pb ) (Pc Pd )
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7、如图示供水管线。管长
L, 流量qV, 今因检修管子,
用若干根直径为0.5d、管长
相同于L的管子并联代替原
管, 保证输水量qV不变, 设λ
为常数,ε/d相同,局部阻力均忽略,则并联管数至少
需要
根。
8、如图通水管路,当
流量为qV时, 测得(P1-P2)
=5mH2O, 若流量为2 qV
mH2O
时, (P1-P2)=
(设在阻力平方区)。
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qV2
q'V 2
d' 5
7. hf∝ 5 , ( ) ( )
d
qV
d
qV
qV
qV单 2.5
取6根并联
2
5.7
p1 p2
( z1 z2 ) =5-6×0.5=2m
8. H f 1 2
g
Hf∝qV ,
2
1
2
H f1-2=2
Hf1-2= 8m
p'1 p'2
H ' f 1 2 ( z2 z1 )
g
=8+3=11m
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二、选择
1、倒U型压差计,指示剂
为空气,现改指示剂为油,
水的流向不变,则R( )
A)增大; B)变小; C)不变
D)R不变, 但倒U型压差计中左侧液位高于右侧。
2、圆形直管内径d=100mm,一般情况下输水能力为
( )。
A)3m3/h;B)30m3/h;C)200 m3/h;D)300 m3/h
3、某孔板流量计, 当水流量为qV 时, U型压差计读数
R=600mm,(ρi=3000kg/m3), 若改用ρi=6000 kg/m3的指示
液, 水流量不变, 则此时读数R为( )
A)150mm; B)120mm; C)300mm; D)240mm
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二、选择
1.ΔP=R(ρ-ρi)g, (ρ-ρi) ↓ ,R ↑, 选A
2. u=1~3m/s,
2
qV d u 0.785×0.12×1×3600≈30m3/h
4
选B
3. ΔP=R(ρi -ρ)g =R’(ρ’i -ρ)g
3000 1000
i
0.6 0.24m
R'
R
6000 1000
'i
选D
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三 计算
某敞口高位槽输送管路, 在管路OC段的水平位置
装一孔板流量计, 已知孔径do=25mm, 流量系数
Co=0.62。管长LOC=45m, LCB=15m, LCD=15m (均
包括全部局部阻力的当量长度), 管径dOC=50mm,
dCB=40mm, dCA=40mm, 压力容器B中的压强维持
在9.81kPa(表压)。试求:
1)阀门D全关时, 孔板两侧的压差△P为多少Pa?
2)逐渐打开D阀, 直到使得 CA,CB段管中的流速
相等,此时压力表PD读数为多少?
(已知液体密度为1000kg/m3,λ均取0.03)
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1.1)从1至B处排能量方程
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2) 由1至B处排能量方程
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第一章 基本概念:
连续性假定 质点 定态流动 黏性的物理本质
理想流体与实际流体的区别
可压缩流体与不可压缩流体的区别
牛顿流体与非牛顿流体的区别
伯努利方程的物理意义 平均流速
层流与湍流的本质区别
雷诺数的物理意义
量纲分析实验研究方法的主要步骤
摩擦系数
局部阻力
当量长度
孔板流量计、转子流量计的特点