管路上的局部阻力損失

1、管路上的局部阻力損失 阻力系數法阻力系數法 將局部能量損失表示成流動動能因子 2 2 u 的一個函數， 2 2 f u P 2 2 f u h即有： 或： 系數由實驗 測定 局部阻力系數 。 1.突然擴大 2.突然縮小 a曲線：管截面突然擴大 b曲線：管截面突然縮小 3.進口 A2 /A1=0, c=0.5-進口阻力系數 流體從容器進入管內，相當于流體從無限大截面A1 進入小截面A2 4.出口 A1 /A2=0, e=1-出口阻力系數 流體從管內進入容器，相當于流體從小截面A1進 入無限大截面A2 當流體從管子直接排放到管外空間時，管出 口內側截面上的壓強可取為與管外空間相同，但 出口截面上的

2、動能及出口阻力應與截面選取相匹 配。若截面取管出口內側，則表示流體并未離開若截面取管出口內側，則表示流體并未離開 管路，此時截面上仍有動能，系統的總能量損失管路，此時截面上仍有動能，系統的總能量損失 不包含出口阻力；若截面取管出口外側，則表示不包含出口阻力；若截面取管出口外側，則表示 流體已經離開管路，此時截面上動能為零，而系流體已經離開管路，此時截面上動能為零，而系 統的總能量損失中應包含出口阻力統的總能量損失中應包含出口阻力。由于出口阻 力系數，兩種選取截面方法計算結果相同。 注意點 5.管件與閥門 180回彎管 三通 四通 異徑管 90彎頭 閘閥 截止閥 止回閥 局部阻力系數從相關手冊查

3、得 當量長度法當量長度法 2 2 f l u h d 2 2 ff l u ph d 2 2 f e l u h d 將流體流過管件或閥門的局部阻力，折合成直徑 相同、長度為le的直管所產生的阻力即： 直管阻力損失公式 非直管阻力損失如何計算？ 2 2 ff e l u ph d 管路系統中總的能量損失 2 () 2 ie fi ll u h d f h i l e l i u 管路系統中總的能量損失，J/kg 管路系統中各段直管的總長度，m 管路系統中全部管件與閥門的當量長度之和，m 管路系統中全部阻力系數之和，1 流體在管路中的流速，m/s 管路計算 簡單管路 復雜管路 簡單管路 簡單管路

4、是指流體從入口到出口是在一條管路 中流動，無分支或匯合的情形。整個管路直徑可以相同， 也可由內徑不同的管子串聯組成，如圖所示。 特點：特點： 1流體通過各管段的質量流量不變，對于不 可壓縮流體，則體積流量也不變，即 2整個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度的苯從地下儲罐送到高位罐，流量為300L/min, 高位槽液面比儲罐液面高10m。泵吸入管用 89mmX 4mm的無縫鋼管，直管長10m，管路上裝有一底閥，一個 標準彎頭；泵排除管用 57mmX 3.5mm的無縫鋼管，直管 長度為50m，管路上裝有一個全開的閘閥，一個全開的

5、截 止閥，三個標準的彎頭。儲罐及高位槽液面上方均為大氣 壓。設儲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，并高于塔的進料口4.5m，塔 內表壓強為3.82103Pa，送液管道直徑為 45mm2.5m， 長為35m，管壁的絕對粗糙度為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 重設值 復雜管路 1、并聯管路、并聯管路 特點：（1）主管中的流量為并聯的各支路流量之 和 321SSSS VVVV

6、 （2）并聯管路中各支路的單位質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：特點： （1）主管中的流量為各支路流量之和； 21SSS VVV （2）流體在各支管流動時的阻力損失是相等的。 fcfafb hhh 在并聯管路中，支管1直徑為 56mm2.5m，其長 度為30m；支管2直徑為 85mm2.5m，其長度為 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兩支管同時放水，AB段管長6m， 內徑41mm，BC段長15m，內徑25mm，BD段長24m，內

7、徑25mm，上述管長均包括閥門及其它局部阻力損失的當 量長度，但不包括出口動能項，分支點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D閥關閉時，求水槽由C支管流出的水量，設全部管路 摩擦系數為0.03，出口阻力損失另計。 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 根據連續(xù)性方程 在高位水槽面和C-C面建立伯努 利方程 帶入數據計算得到 括號內不加 阻力系數 測速管（Pitot管） 流量測量 2 2 r A up h 2 2 r u B p h 2 2 r AB u hhh 2 r uh 測速管的內管測得的為管口所在位置的局部流體動能與 靜壓能P/之和，稱為沖壓能， 測速管的外管前端壁面四周的測壓孔口與管道中流體的流動 方

9、向相平行，所測得的是流體的靜壓能P/ 測量點處的沖壓能與靜壓能之差h為 測量點處的流速為 h怎么求？ 測速管優(yōu)缺點 1、優(yōu)點：準確性較高，流體阻力 小，適用于測量大直徑管路中氣體 流速。 2、缺點：不能直接測出平均流速， 且壓差讀數較小，當流體中含固體 雜質時，易將測壓孔堵塞，故不宜 適用測速管。 孔板流量計 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 設不可壓縮流體在管內做水平流動，在1-1和0-0處建立伯努利 方程，并忽視能量損失，則有： 對于水平管，則

10、有： 整理得到： 引入校正系數C1，校正忽視能量損失帶來的誤差 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C2 22 10 011 2()pp uuC 根據連續(xù)性方程，對于不可壓縮流體，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系： 質量流量與壓差的關系： 若壓差由U型管讀出，則有： 體積流量與壓差的關系： 質量流量與壓差的關系： 系數C0由實驗測定 標準孔板的流量系數 孔板流量計優(yōu)缺點 1、 優(yōu)點：制造簡單，隨測量條件變 化時，更換方便。 2、缺點：能量損失較大。 文丘里流量計 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系： o p Ao:喉管出 截面積 文丘里流量計優(yōu)缺點 1、優(yōu)點：能量損失小 2、缺點：各部分尺寸要求嚴格， 要精細加工，造價高。 轉子流量計 當被測流體自錐管下端流入流 量計時，由于流體的作用，浮

12、子 上下端面產生一差壓，該差壓即 為浮子的上升力。當差壓值大于 浸在流體中浮子的重量時，浮子 開始上升。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 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，浮子便穩(wěn) 定在某一高度上。這時浮子在錐 管中的高度與所通過的流量有對 應的關系。 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Vf為轉子體積，Af為轉子最大部分的截面積，f為轉子 密度， 為被測流體密度。流體流經環(huán)形

13、截面產生的壓強 差為(p1-p2) 當轉子平衡時， 根據孔板流量計流量公式， 將壓強差(p1-p2)帶入上式 AR：環(huán)隙面積 轉子流量計優(yōu)缺點 1、優(yōu)點：讀數方便，能量損失小， 測量范圍寬，能用于腐蝕性流體的 測量。 2、缺點：管壁大多為玻璃制品， 不能受高溫和高壓，易破碎而且安 裝時要求保持垂直。 習題課(緒論、第一章) 化工生產過程： 對原料進行化學加工，最終獲得有價值產品的生 產過程 單元操作： 構成多種化工產品生產的物理過程按照原理都 可以歸納為幾個基本過程，這些過程稱為化工單 元操作。 化工原理課程的兩條主線 1、傳遞過程（三傳理論） (1)動量傳遞過程（單相或多相流動）； (2)熱

14、量傳遞過程傳熱； (3)質量傳遞過程傳質； 2、研究方法論 (1)試驗研究方法（經驗方法） 優(yōu)點、不足 (2)數學模型方法（半理論半經驗方法） 必要性、 廣泛被應用 單位制與單位換算 質量熱容： 3kcal/(kg)=（ ）J/(kgK) 表面張力： 5kgf/m=（ ）N/m 在0-1000 范圍內，空氣的質量定壓熱容公式為 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)過程：連續(xù)操作過程 非穩(wěn)態(tài)過程：間歇操作過程 物料衡算 10A GGG 1 G 0 G A G 本質表征：質量

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)過程 10 GG 適合穩(wěn)態(tài)過程 能量衡算 0IL QQQ I Q L Q O Q 熱量衡算 進入系統的總熱量 離開系統的總熱量 散失的總熱量 第一章 流體流動 大氣壓強，絕對壓強，表壓強(真空度)之間的關系 表壓強絕對壓強大氣壓強 真空度大氣壓強絕對壓強 12 12 pp gzgz 21 pp h g 20 ppgh 流體流動基本方程 流體流動基本方程 單位時間內流過管道任一截面的流體量，稱為流量 體積流量(Vs) 流量 質量流量(ws) ss wV 單位時間內流體方向上流過的距離，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 對于內徑為d的圓形管道 則有： 穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動 穩(wěn)態(tài)流動：各截面上流體的流速、壓強、密度等物理 性質不隨位置變化； 非穩(wěn)態(tài)流動：流體在各個截面上的物理性質隨位置的 改變而變化。 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 穩(wěn)態(tài)流動系統 輸入量與輸出量相等 12ss ww 111222s wu Au A 111222s wu Au AuA常數 質量守恒 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， 并且無外功輸入的情況 位能+動能+勢能

17、=常數(機械能) 位能動能 勢能 22 1122 12 22 ef upup gZWgZh 對于非理想流體，由于存在流動過程中的能量損失， 如果無外功輸入，系統的總機械能沿流動方向逐漸 減小 對于實際流體，在管路流動中，上游的總機械能大 于下游的總機械能 伯努利方程的討論 ees NW e N ：有效功率，單位時間輸送設備所做的有效功 s ：流體的質量流量，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、鼓風機吸入管直徑為200mm，在喇叭口型進口處測得U型 管壓差計讀數為R=25mm，指示液為水，不計空氣阻力損失， 空氣密度為1.2kg/m3，求管路內空氣流量。 水以3.7710-3m3/s的流量流經一擴大管道。細管直徑d=40mm， 粗管直徑D為80mm，倒U型管壓差計中水位差R=170mm，求水 流經擴大管段的阻力損失。 （a） 層流；（b） 過渡流；（c）湍流 層流（或滯流）層流（或滯流） 如圖（a）所示，流體質點僅沿著與管軸平行的 方向作直線運動，質點無徑向脈動，質點之間互不混合； 湍流（或紊流）湍流（或紊流） 如圖（c）所示，流體質點除了沿管軸方向向前 流動外，還有徑向脈動，各質點

19、的速度在大小和方向上都隨時變 化，質點互相碰撞和混合。 過渡流過渡流是介于這兩種流型之間的流動。 從實驗中觀察到，當水的 流速從小到大時，有色液體變 化如圖所示。實驗表明，流體 在管道中流動存在兩種截然不 同的流型。 雷諾準數雷諾準數 流體的流動類型可用雷諾數Re判斷。 Re準數是一個無因次的數群。 du Re 3 000 Re LM L du TL LMT M L T 無量綱量 2 Re duu u d u 2 u u d u d 雷諾數的物理意義 單位時間通過單位質量截面積流體的質量 單位時間通過單位質量截面積流體的動量 流體內部的速度梯度 與流體內的粘滯力成正比 慣性力與粘 性力的比值

20、i u i u u 1 2 點A處流體質點的速度脈動曲線示意圖 湍流的描述湍流的描述 主要特征：質點的脈動 瞬時速度= 時均速度+ 脈動速度 邊界層的概念 ususus 層流邊界層 湍流邊界層 層流內層 A x0 平板上的流動邊界層 邊界層的形成條件邊界層的形成條件 流動； 實際流體； 流過固體表面。 形成過程形成過程 流體流經固體表面； 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相鄰流層流動起阻礙作用，使其流速下降； 對相鄰流層的影響，在離開壁的方向上傳遞，并逐漸減小。 最終影響減小至零，當流速接近或達到主流的流速時，速度梯度減少至零。 流體在管內的流動阻力 f h f

21、 h 流體阻力的種類： 直管阻力： 流體流經一定管徑的直管時，內摩擦力形成的阻力 局部阻力： 流體流經管路中的管件、閥門、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 流體在管內的流動阻力 根據伯努利方程有： 流體流動壓力差成因：外力作功、勢能差、動能差、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 計算流體流動阻力的一般公式 水利半徑rH 流體在流道里的流道截面積A與潤濕周邊長度之比。 rH=A/ 使用與圓形管道直徑相當的“直徑”來代替 非圓形管道如何計算阻力系數 管路上的局部阻力損失 阻力系數法 2 2 f u P 2 2 f u h 或： 局部阻力系數。 a曲線：管截面突然擴大 b曲線：管截面突然縮小 1.管道突然擴大 2.管道突然縮小 3.管道進口 4.管道出口 =0.5 =1 當量長