管路上的局部阻力損失

1、管路上的局部阻力損失 阻力系數(shù)法阻力系數(shù)法 將局部能量損失表示成流動(dòng)動(dòng)能因子 2 2 u 的一個(gè)函數(shù)， 2 2 f u P 2 2 f u h即有： 或： 系數(shù)由實(shí)驗(yàn) 測(cè)定 局部阻力系數(shù) 。 1.突然擴(kuò)大 2.突然縮小 a曲線：管截面突然擴(kuò)大 b曲線：管截面突然縮小 3.進(jìn)口 A2 /A1=0, c=0.5-進(jìn)口阻力系數(shù) 流體從容器進(jìn)入管內(nèi)，相當(dāng)于流體從無(wú)限大截面A1 進(jìn)入小截面A2 4.出口 A1 /A2=0, e=1-出口阻力系數(shù) 流體從管內(nèi)進(jìn)入容器，相當(dāng)于流體從小截面A1進(jìn) 入無(wú)限大截面A2 當(dāng)流體從管子直接排放到管外空間時(shí)，管出 口內(nèi)側(cè)截面上的壓強(qiáng)可取為與管外空間相同，但 出口截面上的

2、動(dòng)能及出口阻力應(yīng)與截面選取相匹 配。若截面取管出口內(nèi)側(cè)，則表示流體并未離開(kāi)若截面取管出口內(nèi)側(cè)，則表示流體并未離開(kāi) 管路，此時(shí)截面上仍有動(dòng)能，系統(tǒng)的總能量損失管路，此時(shí)截面上仍有動(dòng)能，系統(tǒng)的總能量損失 不包含出口阻力；若截面取管出口外側(cè)，則表示不包含出口阻力；若截面取管出口外側(cè)，則表示 流體已經(jīng)離開(kāi)管路，此時(shí)截面上動(dòng)能為零，而系流體已經(jīng)離開(kāi)管路，此時(shí)截面上動(dòng)能為零，而系 統(tǒng)的總能量損失中應(yīng)包含出口阻力統(tǒng)的總能量損失中應(yīng)包含出口阻力。由于出口阻 力系數(shù)，兩種選取截面方法計(jì)算結(jié)果相同。 注意點(diǎn) 5.管件與閥門(mén) 180回彎管 三通 四通 異徑管 90彎頭 閘閥 截止閥 止回閥 局部阻力系數(shù)從相關(guān)手冊(cè)查

3、得 當(dāng)量長(zhǎng)度法當(dāng)量長(zhǎng)度法 2 2 f l u h d 2 2 ff l u ph d 2 2 f e l u h d 將流體流過(guò)管件或閥門(mén)的局部阻力，折合成直徑 相同、長(zhǎng)度為le的直管所產(chǎn)生的阻力即： 直管阻力損失公式 非直管阻力損失如何計(jì)算？ 2 2 ff e l u ph d 管路系統(tǒng)中總的能量損失 2 () 2 ie fi ll u h d f h i l e l i u 管路系統(tǒng)中總的能量損失，J/kg 管路系統(tǒng)中各段直管的總長(zhǎng)度，m 管路系統(tǒng)中全部管件與閥門(mén)的當(dāng)量長(zhǎng)度之和，m 管路系統(tǒng)中全部阻力系數(shù)之和，1 流體在管路中的流速，m/s 管路計(jì)算 簡(jiǎn)單管路 復(fù)雜管路 簡(jiǎn)單管路 簡(jiǎn)單管路

4、是指流體從入口到出口是在一條管路 中流動(dòng)，無(wú)分支或匯合的情形。整個(gè)管路直徑可以相同， 也可由內(nèi)徑不同的管子串聯(lián)組成，如圖所示。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1流體通過(guò)各管段的質(zhì)量流量不變，對(duì)于不 可壓縮流體，則體積流量也不變，即 2整個(gè)管路的總能量損失等于各段能量損失 之和，即 321SSS VVV 321ffff hhhh 用泵把20度的苯從地下儲(chǔ)罐送到高位罐，流量為300L/min, 高位槽液面比儲(chǔ)罐液面高10m。泵吸入管用 89mmX 4mm的無(wú)縫鋼管，直管長(zhǎng)10m，管路上裝有一底閥，一個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)彎頭；泵排除管用 57mmX 3.5mm的無(wú)縫鋼管，直管 長(zhǎng)度為50m，管路上裝有一個(gè)全開(kāi)的閘閥，一個(gè)全開(kāi)的

5、截 止閥，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的彎頭。儲(chǔ)罐及高位槽液面上方均為大氣 壓。設(shè)儲(chǔ)罐及高位槽液面維持恒定，求泵的軸功率，泵的 效率為70%。 密度為950kg/m3、粘度為1.24mPas的料液從高位槽送入塔 中，高位槽的液面維持恒定，并高于塔的進(jìn)料口4.5m，塔 內(nèi)表壓強(qiáng)為3.82103Pa，送液管道直徑為 45mm2.5m， 長(zhǎng)為35m，管壁的絕對(duì)粗糙度為0.2m，求輸液量。 2 1 2() 1.5 e p gZ u ll d Re du (Re,)f d 0.03 2 4 Vsd u 初值 重設(shè)值 復(fù)雜管路 1、并聯(lián)管路、并聯(lián)管路 特點(diǎn)：（1）主管中的流量為并聯(lián)的各支路流量之 和 321SSSS VVVV

6、 （2）并聯(lián)管路中各支路的單位質(zhì)量流體的能量損失均 相等。 fABfff hhhh 321 A VS VS1 VS2 VS3 B 分支管路分支管路 C O A B 特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1）主管中的流量為各支路流量之和； 21SSS VVV （2）流體在各支管流動(dòng)時(shí)的阻力損失是相等的。 fcfafb hhh 在并聯(lián)管路中，支管1直徑為 56mm2.5m，其長(zhǎng) 度為30m；支管2直徑為 85mm2.5m，其長(zhǎng)度為 50m?？偣苈分兴牧髁繛?0m3/h，試求水在兩支 管中的流量。 水位恒定的高位槽從C、D兩支管同時(shí)放水，AB段管長(zhǎng)6m， 內(nèi)徑41mm，BC段長(zhǎng)15m，內(nèi)徑25mm，BD段長(zhǎng)24m，內(nèi)

7、徑25mm，上述管長(zhǎng)均包括閥門(mén)及其它局部阻力損失的當(dāng) 量長(zhǎng)度，但不包括出口動(dòng)能項(xiàng)，分支點(diǎn)B的能量損失可忽 略。求 D、C兩支管的流量，水槽的總排水量； 當(dāng)D閥關(guān)閉時(shí)，求水槽由C支管流出的水量，設(shè)全部管路 摩擦系數(shù)為0.03，出口阻力損失另計(jì)。 f -BCf -BD hh 22 BCBCBDBD BCBD lulu (+1)(+1) d2d2 1524 (0.031)(0.031) 0.0250.025 22 BCBD uu 22 0.798 BDBC uu 222 111 444 ABABCCBDD dududu 0.669 AC uu 22 11 11 22 CC CfC pupu gZgZ

8、h 22 1 () 22 BCBCABA fC ABBC lulu h dd 22 10 9.812.1959.5 ABC uu 3.06/ ,2.05/ ,2.43/ BCAD um s um s um s 由于BC和BD兩管路并聯(lián) 根據(jù)連續(xù)性方程 在高位水槽面和C-C面建立伯努 利方程 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得到 括號(hào)內(nèi)不加 阻力系數(shù) 測(cè)速管（Pitot管） 流量測(cè)量 2 2 r A up h 2 2 r u B p h 2 2 r AB u hhh 2 r uh 測(cè)速管的內(nèi)管測(cè)得的為管口所在位置的局部流體動(dòng)能與 靜壓能P/之和，稱為沖壓能， 測(cè)速管的外管前端壁面四周的測(cè)壓孔口與管道中流體的流動(dòng) 方

9、向相平行，所測(cè)得的是流體的靜壓能P/ 測(cè)量點(diǎn)處的沖壓能與靜壓能之差h為 測(cè)量點(diǎn)處的流速為 h怎么求？ 測(cè)速管優(yōu)缺點(diǎn) 1、優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確性較高，流體阻力 小，適用于測(cè)量大直徑管路中氣體 流速。 2、缺點(diǎn)：不能直接測(cè)出平均流速， 且壓差讀數(shù)較小，當(dāng)流體中含固體 雜質(zhì)時(shí)，易將測(cè)壓孔堵塞，故不宜 適用測(cè)速管。 孔板流量計(jì) 縮脈，流速最大縮脈，流速最大 1 1 0 0 22 0011 10 22 upup gZgZ 10 ZZ 22 10 01 2()pp uu 22 10 011 2()pp uuC 設(shè)不可壓縮流體在管內(nèi)做水平流動(dòng)，在1-1和0-0處建立伯努利 方程，并忽視能量損失，則有： 對(duì)于水平管，則

10、有： 整理得到： 引入校正系數(shù)C1，校正忽視能量損失帶來(lái)的誤差 22 0112 2() ab pp uuC C 1122 u Au A 222 0 10 1 () A uu A 引入壓差降校正系數(shù)C2 22 10 011 2()pp uuC 根據(jù)連續(xù)性方程，對(duì)于不可壓縮流體，則有 12 0 2 0 1 2() 1 () ab ppC C u A A 則有： 12 0 2 0 1 1 () C C C A A 00 2() ab pp uC 0000 2() ab pp VsA uC A 0000 2() ab s pp A uC A () abA ppgR 00 2() A gR VsC A

11、00 2() sA C AgR 令則有： 體積流量與壓差的關(guān)系： 質(zhì)量流量與壓差的關(guān)系： 若壓差由U型管讀出，則有： 體積流量與壓差的關(guān)系： 質(zhì)量流量與壓差的關(guān)系： 系數(shù)C0由實(shí)驗(yàn)測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)孔板的流量系數(shù) 孔板流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn) 1、 優(yōu)點(diǎn)：制造簡(jiǎn)單，隨測(cè)量條件變 化時(shí)，更換方便。 2、缺點(diǎn)：能量損失較大。 文丘里流量計(jì) 接U型管接U型管 0 2() ao V pp VsC A a p 體積流量與壓差的關(guān)系： o p Ao:喉管出 截面積 文丘里流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn) 1、優(yōu)點(diǎn)：能量損失小 2、缺點(diǎn)：各部分尺寸要求嚴(yán)格， 要精細(xì)加工，造價(jià)高。 轉(zhuǎn)子流量計(jì) 當(dāng)被測(cè)流體自錐管下端流入流 量計(jì)時(shí)，由于流體的作用，浮

12、子 上下端面產(chǎn)生一差壓，該差壓即 為浮子的上升力。當(dāng)差壓值大于 浸在流體中浮子的重量時(shí)，浮子 開(kāi)始上升。隨著浮子的上升浮 子最大外徑與錐管之間的環(huán)形面 積逐漸增大，流體的流速則相應(yīng) 下降，作用在浮子上的上升力逐 漸減小，直至上升力等于浸在流 體中的浮子的重量時(shí)，浮子便穩(wěn) 定在某一高度上。這時(shí)浮子在錐 管中的高度與所通過(guò)的流量有對(duì) 應(yīng)的關(guān)系。 12 () ffff ppAVgVg 12 () ff f V g pp A 12 2() RR pp VsC A 2() ff RR f V g VsC A A 設(shè)Vf為轉(zhuǎn)子體積，Af為轉(zhuǎn)子最大部分的截面積，f為轉(zhuǎn)子 密度， 為被測(cè)流體密度。流體流經(jīng)環(huán)形

13、截面產(chǎn)生的壓強(qiáng) 差為(p1-p2) 當(dāng)轉(zhuǎn)子平衡時(shí)， 根據(jù)孔板流量計(jì)流量公式， 將壓強(qiáng)差(p1-p2)帶入上式 AR：環(huán)隙面積 轉(zhuǎn)子流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn) 1、優(yōu)點(diǎn)：讀數(shù)方便，能量損失小， 測(cè)量范圍寬，能用于腐蝕性流體的 測(cè)量。 2、缺點(diǎn)：管壁大多為玻璃制品， 不能受高溫和高壓，易破碎而且安 裝時(shí)要求保持垂直。 習(xí)題課(緒論、第一章) 化工生產(chǎn)過(guò)程： 對(duì)原料進(jìn)行化學(xué)加工，最終獲得有價(jià)值產(chǎn)品的生 產(chǎn)過(guò)程 單元操作： 構(gòu)成多種化工產(chǎn)品生產(chǎn)的物理過(guò)程按照原理都 可以歸納為幾個(gè)基本過(guò)程，這些過(guò)程稱為化工單 元操作。 化工原理課程的兩條主線 1、傳遞過(guò)程（三傳理論） (1)動(dòng)量傳遞過(guò)程（單相或多相流動(dòng)）； (2)熱

14、量傳遞過(guò)程傳熱； (3)質(zhì)量傳遞過(guò)程傳質(zhì)； 2、研究方法論 (1)試驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)方法） 優(yōu)點(diǎn)、不足 (2)數(shù)學(xué)模型方法（半理論半經(jīng)驗(yàn)方法） 必要性、 廣泛被應(yīng)用 單位制與單位換算 質(zhì)量熱容： 3kcal/(kg)=（ ）J/(kgK) 表面張力： 5kgf/m=（ ）N/m 在0-1000 范圍內(nèi)，空氣的質(zhì)量定壓熱容公式為 5 (0.23774.466 10)/() p cT kcalkgC 式中溫度T單位為，將溫度單位換為K，Cp單位 換為J/(kgK) 物料衡算與能量衡算 穩(wěn)態(tài)過(guò)程：連續(xù)操作過(guò)程 非穩(wěn)態(tài)過(guò)程：間歇操作過(guò)程 物料衡算 10A GGG 1 G 0 G A G 本質(zhì)表征：質(zhì)量

15、守恒 式中：輸入物料的總和 輸出物料的總和 累積的物料量 適合非穩(wěn)態(tài)過(guò)程 10 GG 適合穩(wěn)態(tài)過(guò)程 能量衡算 0IL QQQ I Q L Q O Q 熱量衡算 進(jìn)入系統(tǒng)的總熱量 離開(kāi)系統(tǒng)的總熱量 散失的總熱量 第一章 流體流動(dòng) 大氣壓強(qiáng)，絕對(duì)壓強(qiáng)，表壓強(qiáng)(真空度)之間的關(guān)系 表壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng) 真空度大氣壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng) 12 12 pp gzgz 21 pp h g 20 ppgh 流體流動(dòng)基本方程 流體流動(dòng)基本方程 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道任一截面的流體量，稱為流量 體積流量(Vs) 流量 質(zhì)量流量(ws) ss wV 單位時(shí)間內(nèi)流體方向上流過(guò)的距離，稱為流速(u) 管中心處流 速最大，管 壁處

16、流速為 零 平均流速：() ss Vw u AA 2 4 s V u d 4 s V d u 對(duì)于內(nèi)徑為d的圓形管道 則有： 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和非穩(wěn)態(tài)流動(dòng) 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：各截面上流體的流速、壓強(qiáng)、密度等物理 性質(zhì)不隨位置變化； 非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：流體在各個(gè)截面上的物理性質(zhì)隨位置的 改變而變化。 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng) 輸入量與輸出量相等 12ss ww 111222s wu Au A 111222s wu Au AuA常數(shù) 質(zhì)量守恒 伯努利方程的討論 22 1122 12 22 upup gZgZ 公式只適用于不可壓縮的理想流體做穩(wěn)定流動(dòng)， 并且無(wú)外功輸入的情況 位能+動(dòng)能+勢(shì)能

17、=常數(shù)(機(jī)械能) 位能動(dòng)能 勢(shì)能 22 1122 12 22 ef upup gZWgZh 對(duì)于非理想流體，由于存在流動(dòng)過(guò)程中的能量損失， 如果無(wú)外功輸入，系統(tǒng)的總機(jī)械能沿流動(dòng)方向逐漸 減小 對(duì)于實(shí)際流體，在管路流動(dòng)中，上游的總機(jī)械能大 于下游的總機(jī)械能 伯努利方程的討論 ees NW e N ：有效功率，單位時(shí)間輸送設(shè)備所做的有效功 s ：流體的質(zhì)量流量，單位為J/s 伯努利方程的討論 22 1122 12 22 ef upup gZWgZh 22 1122 12 22 ef upup ZHZH gggg 22 12 1122 22 ef uu ZgpWZgph 伯努利方程的三種基本形式 某

18、鼓風(fēng)機(jī)吸入管直徑為200mm，在喇叭口型進(jìn)口處測(cè)得U型 管壓差計(jì)讀數(shù)為R=25mm，指示液為水，不計(jì)空氣阻力損失， 空氣密度為1.2kg/m3，求管路內(nèi)空氣流量。 水以3.7710-3m3/s的流量流經(jīng)一擴(kuò)大管道。細(xì)管直徑d=40mm， 粗管直徑D為80mm，倒U型管壓差計(jì)中水位差R=170mm，求水 流經(jīng)擴(kuò)大管段的阻力損失。 （a） 層流；（b） 過(guò)渡流；（c）湍流 層流（或滯流）層流（或滯流） 如圖（a）所示，流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的 方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無(wú)徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合； 湍流（或紊流）湍流（或紊流） 如圖（c）所示，流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前 流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)

19、的速度在大小和方向上都隨時(shí)變 化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。 過(guò)渡流過(guò)渡流是介于這兩種流型之間的流動(dòng)。 從實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)水的 流速?gòu)男〉酱髸r(shí)，有色液體變 化如圖所示。實(shí)驗(yàn)表明，流體 在管道中流動(dòng)存在兩種截然不 同的流型。 雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù) 流體的流動(dòng)類型可用雷諾數(shù)Re判斷。 Re準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無(wú)因次的數(shù)群。 du Re 3 000 Re LM L du TL LMT M L T 無(wú)量綱量 2 Re duu u d u 2 u u d u d 雷諾數(shù)的物理意義 單位時(shí)間通過(guò)單位質(zhì)量截面積流體的質(zhì)量 單位時(shí)間通過(guò)單位質(zhì)量截面積流體的動(dòng)量 流體內(nèi)部的速度梯度 與流體內(nèi)的粘滯力成正比 慣性力與粘 性力的比值

20、i u i u u 1 2 點(diǎn)A處流體質(zhì)點(diǎn)的速度脈動(dòng)曲線示意圖 湍流的描述湍流的描述 主要特征：質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng) 瞬時(shí)速度= 時(shí)均速度+ 脈動(dòng)速度 邊界層的概念 ususus 層流邊界層 湍流邊界層 層流內(nèi)層 A x0 平板上的流動(dòng)邊界層 邊界層的形成條件邊界層的形成條件 流動(dòng)； 實(shí)際流體； 流過(guò)固體表面。 形成過(guò)程形成過(guò)程 流體流經(jīng)固體表面； 由于粘性，接觸固體表面流體的流速為零 ； 附著在固體表面的流體對(duì)相鄰流層流動(dòng)起阻礙作用，使其流速下降； 對(duì)相鄰流層的影響，在離開(kāi)壁的方向上傳遞，并逐漸減小。 最終影響減小至零，當(dāng)流速接近或達(dá)到主流的流速時(shí)，速度梯度減少至零。 流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力 f h f

21、 h 流體阻力的種類： 直管阻力： 流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)，內(nèi)摩擦力形成的阻力 局部阻力： 流體流經(jīng)管路中的管件、閥門(mén)、管截面的突然變化 所引起的阻力。 fff hhh 總能量損失： 2 2 f uP g ZWeh 2 21 2 f u PPPWeg Zh 流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力 根據(jù)伯努利方程有： 流體流動(dòng)壓力差成因：外力作功、勢(shì)能差、動(dòng)能差、阻力損失 g u d l hf 2 2 2 2 u d l pf J/kg m Pa 2 2 u d l R 范寧公式： 范寧公式范寧公式 計(jì)算流體流動(dòng)阻力的一般公式 水利半徑rH 流體在流道里的流道截面積A與潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度之比。 rH=A/ 使用與圓形管道直徑相當(dāng)?shù)摹爸睆健眮?lái)代替 非圓形管道如何計(jì)算阻力系數(shù) 管路上的局部阻力損失 阻力系數(shù)法 2 2 f u P 2 2 f u h 或： 局部阻力系數(shù)。 a曲線：管截面突然擴(kuò)大 b曲線：管截面突然縮小 1.管道突然擴(kuò)大 2.管道突然縮小 3.管道進(jìn)口 4.管道出口 =0.5 =1 當(dāng)量長(zhǎng)