流動(dòng)阻力與能量損失

1、關(guān)于流動(dòng)阻力和能量損失課件第一張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月學(xué)習(xí)導(dǎo)引 實(shí)際流體在流動(dòng)過(guò)程中必然要克服流動(dòng)阻力而消耗一定的能量，形成能量損失。能量損失的計(jì)算是流體力學(xué)計(jì)算的重要內(nèi)容之一，也是本章要著力解決的基本問(wèn)題。本章將以恒定流為研究對(duì)象，從介紹流體流動(dòng)形態(tài)入手，分析不同流態(tài)下能量損失產(chǎn)生的規(guī)律，最后給出能量損失的常用計(jì)算公式與方法。 第二張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月學(xué)習(xí)要求1.了解流動(dòng)阻力的兩種形式，掌握能量損失的計(jì)算式。2.理解雷諾實(shí)驗(yàn)過(guò)程及層流、湍流的流態(tài)特點(diǎn)，掌握流態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)。3.了解圓管層流和湍流流速分布規(guī)律，了解邊界層概念。4.理解湍流的層流底層和粗糙度對(duì)

2、流體流動(dòng)的影響，理解莫迪圖中沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律，掌握用莫迪圖及公式法確定的方法，并能應(yīng)用范寧公式進(jìn)行沿程損失計(jì)算。5.了解非圓管的當(dāng)量直徑概念，了解非圓管的沿程損失計(jì)算方法。6.理解局部損失產(chǎn)生的主要原因，能正確選擇局部阻力系數(shù)進(jìn)行局部損失計(jì)算。7.了解減小流動(dòng)阻力的措施。第三張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月重點(diǎn)與難點(diǎn)本章的重點(diǎn)是雷諾數(shù)及流態(tài)判斷，沿程阻力系數(shù)的確定，沿程損失和局部損失計(jì)算 。本章的難點(diǎn)在于: 1.層流和湍流的概念較抽象，理解起來(lái)有一定難度，結(jié)合雷諾實(shí)驗(yàn)增加感性認(rèn)識(shí)，理解起來(lái)會(huì)容易些。 2.對(duì)莫迪圖中的阻力分區(qū)和沿程阻力系數(shù)不同計(jì)算公式的應(yīng)用會(huì)有一定難度。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)

3、公式只需會(huì)用即可，不必對(duì)其來(lái)源多加探究，也不必對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式死記硬背，能根據(jù)條件選用公式即可。第四張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 第一節(jié) 流體的兩種流態(tài)一、雷諾實(shí)驗(yàn)和流態(tài) 1883年英國(guó)物理學(xué)家雷諾（Reynolds）通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流體的運(yùn)動(dòng)有兩種不同性質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)流態(tài)。能量損失的規(guī)律與流態(tài)有關(guān)。 雷諾實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖所示。 第五張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 (1) 微開(kāi)閥門(mén)C: (2)逐漸開(kāi)大閥門(mén)C: (3) 繼續(xù)開(kāi)大閥門(mén)C: (4) 逐漸關(guān)小閥門(mén)C: 有色液是一條界線(xiàn)分明的直線(xiàn)，與周?chē)那逅幌嗷臁?vc時(shí)，有色細(xì)流開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)而成波浪形細(xì)線(xiàn)。

4、 有色開(kāi)始抖動(dòng)、彎曲，然后斷裂與周?chē)逅耆旌稀?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象將按相反程序出現(xiàn)，vc小于vc。 雷諾實(shí)驗(yàn)第六張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 實(shí)驗(yàn)表明 （1）當(dāng)流速不同時(shí)，流體的流動(dòng)具有兩種完全不同的流態(tài)。 湍流(紊流)臨界流速vcvc 。 層流(滯流) 過(guò)渡流 （2）兩種流態(tài)在一定的流速下可互相轉(zhuǎn)變。 一般用下臨界流速vc作為判別流態(tài)的界限，vc也直接稱(chēng)為臨界流速。 雷諾實(shí)驗(yàn)vc:上臨界流速vc:下臨界流速第七張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、流態(tài)的判斷依據(jù) 流體的流動(dòng)狀態(tài)不僅與流體的速度v有關(guān)，還與流體的黏度、密度和管徑d有關(guān)。 引入無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)雷諾數(shù)Re: 只要雷諾數(shù)相

5、同，流態(tài)必然相同。 :流體密度，kg/m3；v :截面的平均流速，m/s；d :管內(nèi)徑，m； :流體動(dòng)力黏度，Pas； :流體運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。 利用雷諾數(shù)的大小可判斷流體的流態(tài)。 第八張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月臨界雷諾數(shù)Rec:對(duì)應(yīng)于臨界流速的雷諾數(shù)。 Re2000時(shí)，是層流流動(dòng)；Re2000時(shí)，是湍流流動(dòng)。慣性力 黏性力 雷諾數(shù)= 兩種流態(tài)Rec穩(wěn)定在20002320，一般取Rec2000。 第九張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 例10-1 某低速送風(fēng)管道，內(nèi)徑d200mm，風(fēng)速v3m/s，空氣溫度為40。求：（1）判斷風(fēng)道內(nèi)氣體的流動(dòng)狀態(tài)；（2）該風(fēng)道內(nèi)空氣保

6、持層流的最大流速。 第十張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 例10-2 某油的黏度為7010-3Pas，密度為1050kg/m3，在管徑為114mm4mm的管道內(nèi)流動(dòng)，若油的流量為30m3/h，試確定管內(nèi)油的流動(dòng)狀態(tài)。 第十一張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 第二節(jié) 沿程損失和局部損失能量損失分為兩種形式： 流體在流動(dòng)過(guò)程中受到流動(dòng)阻力,由此產(chǎn)生能量損失。流動(dòng)阻力是造成能量損失的根本原因，而能量損失則是流動(dòng)阻力在能量消耗上的反映。 影響流動(dòng)阻力的主要因素: 沿程損失hf局部損失hj 流體的黏滯性和慣性(內(nèi)因) 固體邊壁形狀及壁面的粗糙度的阻礙和擾動(dòng)作用(外因) 第十二張，PP

7、T共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、沿程阻力與沿程損失 沿程阻力: 流體在邊壁沿程不變的管段（直管段）上流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生; 其值沿程均勻分布。 沿程損失: 為克服沿程阻力產(chǎn)生的能量損失，用符號(hào)hf表示，單位為J/kg 、kJ/kg 。 沿程損失hf的大小與流程的長(zhǎng)度成正比。 第十三張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、局部阻力與局部損失 局部阻力: 流體流過(guò)管件，閥門(mén)及進(jìn)出口等局部阻礙時(shí)，因固體邊壁形狀的改變，使流體的流速和方向發(fā)生變化，導(dǎo)致產(chǎn)生局部阻力。 局部損失: 為克服局部阻力產(chǎn)生的能量損失，用符號(hào)hj表示，單位為J/kg 、kJ/kg 。 局部損失與管長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只與局部管件有關(guān)。第

8、十四張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、能量損失的計(jì)算公式 整個(gè)管路的總能量損失等于各管段的沿程損失和各處的局部損失的總和，即： （m） （J/kg） （Pa） 以壓頭損失形式表示 以壓力降（壓力損失）形式表示 第十五張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(1) 沿程損失的計(jì)算范寧公式 （J/kg） （m） （Pa） 式中 沿程阻力系數(shù), 為無(wú)因次系數(shù)； v截面的平均流速，m/s。 第十六張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(2) 局部損失的計(jì)算（J/kg） （m） （Pa） 式中 局部阻力系數(shù), 為無(wú)因次系數(shù)。或第十七張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第六節(jié)流體在

9、管內(nèi)流動(dòng)阻力損失的計(jì)算 一、沿程損失計(jì)算1.沿程阻力系數(shù)的影響因素 流體層流流動(dòng)時(shí): Re較小，黏性力起主導(dǎo)作用，產(chǎn)生黏性阻力，其值取決于雷諾數(shù)Re，而與管壁粗糙度無(wú)關(guān)。 流體流態(tài)不同，對(duì)流動(dòng)阻力的影響也不同。 因此，對(duì)于層流：第十八張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 流體湍流流動(dòng)時(shí): Re較大，其阻力為黏性阻力和慣性阻力之和，其值分別取決于雷諾數(shù)Re及管壁面粗糙度。 壁面粗糙度對(duì)沿程損失的影響取決于相對(duì)粗糙度K/d 。 因此，對(duì)于湍流：絕對(duì)粗糙度K: 管壁表面粗糙突起絕對(duì)高度的平均距離。K為絕對(duì)粗糙度, d 為管徑第十九張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.圓形管內(nèi)層流時(shí)沿程

10、阻力系數(shù)的計(jì)算 理論分析得出，流體在圓形直管內(nèi)作層流流動(dòng)時(shí)的壓力損失pf為：可得圓管層流流動(dòng)時(shí)的沿程阻力系數(shù)為 :由于pfhf 哈根-泊謖葉方程 而沿程阻力系數(shù)與Re成反比，與管壁粗糙度無(wú)關(guān)。 第二十張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 例10-3 用內(nèi)徑為d10mm，長(zhǎng)為L(zhǎng)3m的輸油管輸送潤(rùn)滑油，已知該潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度1.80210-4m2/s，求流量為qV=75cm3/s時(shí)，潤(rùn)滑油在管道上的沿程損失。 第二十一張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.圓形管內(nèi)湍流時(shí)沿程阻力系數(shù)的計(jì)算 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流體在管內(nèi)作湍流流動(dòng)時(shí)，其沿程阻力系數(shù)不僅與v、d、和有關(guān)，而且還與管壁的粗糙度( K

11、、K/d )有關(guān)。 管壁上凸起部分都被有規(guī)則的流體層所覆蓋，而流速又較緩慢，流體質(zhì)點(diǎn)對(duì)管壁凸起部分不會(huì)有碰撞作用，所以， 與K/d無(wú)關(guān)。 （1）管壁的粗糙度對(duì)沿程阻力系數(shù)的影響 流體層流時(shí)，第二十二張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 bK，管壁凸起部分被層流底層覆蓋，此狀態(tài)下為光滑 管，與Re有關(guān)。 bK，管壁凸起部分 完全暴露于湍流核心區(qū) 中，為粗糙管， 主要與 K/d有關(guān)。 bK，粗糙度影響到湍流核心區(qū)的流動(dòng)，與Re、K/d有關(guān)。 b層流底層厚度 流體湍流時(shí)，湍流中流速較大的流體質(zhì)點(diǎn)沖擊凸起部位，形成旋渦，能量損失激增第二十三張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月莫迪圖的五個(gè)區(qū)

12、域： 以Re為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，K/d為參數(shù)，標(biāo)繪出Re與關(guān)系的圖稱(chēng)為莫迪圖。（2）莫迪圖與沿程阻力系數(shù) 從中可直接查出值 層流區(qū) Re2000, 64/Re。 臨界過(guò)渡區(qū) Re20004000，一般將湍流時(shí)的曲線(xiàn) 延伸，按湍流狀況查取值。 湍流光滑區(qū) Re4000，bK ， f2（Re）。 和Re成曲線(xiàn)關(guān)系，且隨著Re的增加而減小第二十四張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月bK , f（Re，K/d）。 湍流過(guò)渡區(qū) Re4000及圖中虛線(xiàn)以下、湍流光滑區(qū)曲線(xiàn)以上的區(qū)域。 湍流粗糙區(qū)Re4000及圖中虛線(xiàn)以上的區(qū)域。 bK，f（K/d）。此區(qū)又稱(chēng)阻力平方區(qū)或完全湍流區(qū)。 當(dāng)K/d一定時(shí)，

13、 隨Re值的增大而減小，Re值增至某一數(shù)值后 值下降緩慢；當(dāng)Re值一定時(shí)， 隨K/d值的增加而增大 莫迪圖此區(qū)域內(nèi)流體流動(dòng)阻力所引起的能量損失hf與v2成正比 莫迪圖的使用方法 第二十五張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二十六張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月布拉休斯公式 湍流光滑區(qū)（3）湍流的計(jì)算公式 均為計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)公式 （Re105） 尼古拉茲公式 f2（Re）第二十七張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月希弗林松公式 湍流粗糙區(qū) 尼古拉茲公式 湍流的計(jì)算 f（K/d）第二十八張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 湍流過(guò)渡區(qū) 湍流的計(jì)算 莫迪公式 柯

14、列勃洛克公式 阿里特蘇里公式 適合于整個(gè)湍流區(qū)的綜合經(jīng)驗(yàn)公式 f（Re，K/d）第二十九張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 分區(qū)計(jì)算，首先要準(zhǔn)確地判定湍流所處的區(qū)域，然后才能選用恰當(dāng)?shù)墓竭M(jìn)行計(jì)算。 （4）湍流分區(qū)判別式 湍流光滑區(qū) 湍流的計(jì)算 湍流過(guò)渡區(qū) 湍流粗糙區(qū) Re 2000Re Re 第三十張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月表10-1 常用工業(yè)管道的絕對(duì)粗糙度數(shù)值 管道材料 K/mm 管道材料 K/mm 管道材料 K/mm 新銅管 0.00150.01新鑄鐵管0.250.42鋼板制風(fēng)道0.15新無(wú)縫鋼管 0.040.19舊鑄鐵管0.51.6塑料板制風(fēng)道0.01舊無(wú)縫鋼

15、管0.2涂瀝青鑄鐵管0.12膠合板風(fēng)道1.0鍍鋅鋼管0.15白鐵皮管0.150.010.05混凝土管0.33.0新焊接鋼管0.060.33玻璃管0.01礦渣混凝土板風(fēng)道1.5生銹鋼管0.53.0橡皮軟管0.010.05墻內(nèi)磚砌風(fēng)道510 在選取管壁的絕對(duì)粗糙度K值時(shí)，要充分考慮流體對(duì)管壁 的腐蝕性，液體中固體雜質(zhì)是否會(huì)黏附在壁面上以及使 用情況等因素。 第三十一張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 例10-4 水管為一根長(zhǎng)為50m，直徑d0.1m的新鑄鐵管，水的運(yùn)動(dòng)黏度1.3110-6m2/s，水的平均流速v5m/s，試求該管段的沿程壓頭損失。 第三十二張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于202

16、2年6月 對(duì)非圓形管道，如矩形風(fēng)道、梯形或三角形明渠等 ，上述計(jì)算公式仍適用，但公式中的直徑d需采用 “當(dāng)量直徑de”來(lái)進(jìn)行計(jì)算 。 4.非圓管內(nèi)流動(dòng)的沿程損失（1）水力半徑R 流體流經(jīng)通道的截面積A與濕周x 之比。即： 濕周: 流道截面上流體接觸即潤(rùn)濕固體壁面部分的周邊長(zhǎng)度。 只有在滿(mǎn)流情況下濕周才等于周長(zhǎng)。 第三十三張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓管滿(mǎn)流時(shí) (圖a) 圓管半流時(shí) （圖b） 套管環(huán)形通道滿(mǎn)流時(shí) （圖c） 矩形通道滿(mǎn)流時(shí) （圖d） 明渠 （圖e)第三十四張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（2）當(dāng)量直徑de 當(dāng)量直徑為水力半徑的四倍，即： 用前面介紹的方法對(duì)非

17、圓管進(jìn)行沿程阻力計(jì)算時(shí)， 涉及Re、K/d、L/d中d的確定必需用當(dāng)量直徑de來(lái) 代替。 第三十五張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 例10-5 某鋼板制風(fēng)道，截面尺寸為400mm200mm，長(zhǎng)度為80m，管內(nèi)平均流速v10m/s，空氣溫度t20，求該風(fēng)道的沿程壓力損失pf。第三十六張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1.局部損失產(chǎn)生的主要原因 （1）邊壁條件的急劇變化，使流體產(chǎn)生邊界層分離，形成旋渦區(qū)，產(chǎn)生能量損失。 （2）邊壁條件的改變，使流體受到壓縮或擴(kuò)張，引起流動(dòng)速度重新分布。 第八節(jié)、局部損失計(jì)算第三十七張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.影響局部損失的主要因

18、素知（J/kg） 為局部阻礙形狀和流速。 由局部損失hj主要與局部阻力系數(shù)和流速v有關(guān)，而僅與形成局部阻力的局部阻礙幾何形狀有關(guān)而與Re無(wú)關(guān)。第三十八張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.局部阻力系數(shù)及局部損失計(jì)算或 局部阻力系數(shù)值通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 （1）管徑突然擴(kuò)大 典型局部阻礙阻力系數(shù)的確定方法和局部損失計(jì)算: 或第三十九張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 擴(kuò)散角，一般取=612 ； 漸擴(kuò)管前細(xì)管內(nèi)流體的沿程阻力系數(shù)； （2）管徑逐漸擴(kuò)大（漸擴(kuò)管） 式中 K 與擴(kuò)散角有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)20時(shí)， 可近似取ksin。在60左右損失最大 的計(jì)算第四十張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（4）管徑逐漸縮?。u縮管） 其能量損失主要發(fā)生在變徑前后，對(duì)應(yīng)于v2的公式為: （3）管徑突然縮小 在收縮角30的情況下，對(duì)應(yīng)于v2的公式為: 的計(jì)算第四十一張，PPT共四十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（6）管道進(jìn)口 由管徑突然擴(kuò)大的計(jì)算公式知： （5）管道出口（流入大容器） 管道進(jìn)口的局部阻力系數(shù)與進(jìn)口邊緣的情況有關(guān)。 的計(jì)算當(dāng)A2 A1時(shí)，1 （7）各種管件如彎頭、三通、閥門(mén)等見(jiàn)附表13 第四十二