流體動量傳輸中的阻力

1、流體動量傳輸中的阻力第1頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四1.流動阻力的分類 （1）管流摩擦阻力-流體在管路系統(tǒng)中流動時受到的磨擦阻力；(沿程阻力損失、長度損失hf)（2）繞流摩擦阻力-流體流過固體物體外表面時受到的磨擦阻力；（3）管路系統(tǒng)內(nèi)的局部阻力-流體因流道形狀變化時受到的流動阻力；（局部阻力損失hj）（4）復(fù)雜流動狀態(tài)時的綜合阻力。2.流動阻力的表達(dá): 式中：u為流體的運(yùn)動速度（m/s）；為流體的密度（kg/m3）；K為阻力系數(shù)。K-速度水頭的倍數(shù)阻力系數(shù)法：將局部阻力表示為動能的某一倍數(shù)。 基本概念單位為壓強(qiáng)第2頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，

2、星期四3.能量損失 流體在管內(nèi)從第一截面流到第二截面時，由于流體層之間或流體之間的湍流產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力，使一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。我們把這部分機(jī)械能稱為能量損失。能量損失可以通過阻力計算求得。4.用水頭線表示第3頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四第一節(jié) 管流摩擦阻力一、管內(nèi)層流摩阻層流摩擦阻力 不同流速的流層之間的粘性阻力引起。對于： 動量平衡方程為：剪力差壓力差0 （合力為零，勻速運(yùn)動） 水平長管 重力對流動無影響不可壓縮 對流動量之差為0穩(wěn)定流動 動量累積為0第4頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四速度分布：當(dāng)r=0時，速度最大：（速度呈拋物線分布

3、） 平均速度： 第5頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四根據(jù)工程伯努利方程有： =0=0=0流動阻力用壓差表示第6頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四（P57） 為流體的雷諾數(shù) 流體層流摩擦阻力系數(shù) 流體層流摩擦阻力系數(shù) 摩擦阻力系數(shù)： 對直管，用摩擦系數(shù)表示壓差與流速的關(guān)系還是很方便的，摩擦系數(shù)fr定義為： 第7頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四摩擦系數(shù)： 由此可知，摩擦系數(shù)是壓差或摩擦功率與平均流速之間的比例系數(shù)。應(yīng)當(dāng)再一次指出，上述定義只適用于直管內(nèi)的層流。第8頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四管道摩擦系

4、數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系： （P58） 第9頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四第10頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四層流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)完全湍流，粗糙管光滑管Re/dfr摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)、相對粗糙度的關(guān)系(雙對數(shù)坐標(biāo))第11頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四上圖可以分成4個不同區(qū)域。層流區(qū)： Re2320，與/d無關(guān)。過渡區(qū)：2320 Re 3000湍流區(qū)：Re 3000, fr與Re 和/d有關(guān)。完全湍流區(qū)(阻力平方區(qū))：fr與Re 無關(guān)， 僅與/d有關(guān)。復(fù)習(xí)絕對粗糙度和相對粗糙度第12頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0

5、分，星期四用當(dāng)量直徑de取代圓管直徑。借用圓管各公式。二、非圓形管內(nèi)的流動阻力第13頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四三、管內(nèi)紊流摩阻 根據(jù)普朗特（Prandtl）紊流動量傳遞理論(或稱混合長理論)，得到紊流狀態(tài)下的摩擦系數(shù)關(guān)系式為：Re3105106 Re105 金屬管壁 磚砌管壁 工程上常采用的經(jīng)驗數(shù)值為：金屬光滑管道fr =0.025；金屬氧化管道fr =0.035；金屬生銹管道 fr =0.045；磚砌管道 fr =0.05。 第14頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四四、圓管進(jìn)口段的流動阻力層流入口段長度：紊流入口段長度：1.入口段的流動通常

6、采用近似的實驗結(jié)果：Le = (2540)d。 第15頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四2.入口段的壓頭損失流體在入口段的能量損失流體粘性引起的能量損失附加能量損失流體的壓差（壓頭損失）可表示為：K為粘性阻力系數(shù)，Ke為進(jìn)口段附加阻力系數(shù)。因此，總阻力系數(shù)K：第16頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四3.層流進(jìn)口段阻力損失（1）阻力系數(shù)當(dāng)LLe：附加阻力系數(shù)Ke與雷諾數(shù)Re無關(guān)（其值為：）。當(dāng)LLe：第17頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四（2）壓頭損失（3）平均速度：（4）流量：Ce為層流進(jìn)口段效應(yīng)流量修正系數(shù)。當(dāng)L很大時，Ce

7、接近于1，即對于長圓管不需進(jìn)行修正；但對于短圓管，則必須考慮進(jìn)口段效應(yīng)。 第18頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四4.紊流進(jìn)口段阻力損失（1）阻力系數(shù)（4000Re105）當(dāng)LLe：阻力系數(shù)Ke為1.07，如進(jìn)口端尖銳，加0.7。當(dāng)LLe：第19頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四（2）壓頭損失Ce為紊流進(jìn)口段效應(yīng)流量修正系數(shù)。第20頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四（3）平均速度（4）流量第21頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四進(jìn)口：流體自容器進(jìn)入管內(nèi)。 K進(jìn)口 = 0.5 進(jìn)口阻力系數(shù)出口：流體自管子進(jìn)入

8、容器或從管子排放到管外空間。 K出口 = 1 出口阻力系數(shù)5.管進(jìn)口及出口第22頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四6.彎管和折管第23頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四7.閥門第24頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四第25頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四五、明渠流動力的平衡關(guān)系可表示為：定義明渠流摩擦系數(shù)為： 雷諾數(shù)Re大于5000時，摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)無關(guān)，與渠壁的粗糙度有關(guān)，其大小為： 明渠是一種人工修建或自然形成的渠槽，當(dāng)流體通過渠槽時，將形成與大氣相接觸的自由表面，表面上各點壓強(qiáng)均為大氣壓，稱為明渠

9、流或無壓流。第26頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四（1）平均速度（2）流量第27頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四第二節(jié) 管流局部阻力一、管道截面突然擴(kuò)大u1u2（1）阻力用u1表示用u2表示（2）阻力系數(shù)用u1表示用u2表示管道截面突然擴(kuò)大的局部阻力系數(shù)只與管道的截面變化有關(guān)，與雷諾數(shù)無關(guān)。第28頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四二、管道截面突然縮?。?）阻力（2）阻力系數(shù)縮流系數(shù)，由試驗確定，通常取0.62。第29頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四當(dāng)量長度法：流體流經(jīng)管件，閥門等時引起的局部阻力損失h

10、f等同于流過一般與其具有相同直徑，長度為Le的直管的阻力. 三、局部阻力的近似計算 1.由實驗方法確定局部阻力系數(shù)K值。2.用當(dāng)量長度直管的摩擦損失來代替局部損失。Le 當(dāng)量長度，表示由管件引起的局部阻力損失。相當(dāng)于流過一段直徑相同，長度為Le的直管所損失的能量，其值可查共線圖和列線圖?？傋枇Γ旱?0頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四當(dāng)量長度共線圖此圖使用說明：從左邊豎線找出管線或閥門的相應(yīng)點，從右側(cè)找到管徑值的相應(yīng)位置點，兩點連線交于中線，其交點即為相應(yīng)管件、閥門的當(dāng)量長度。第31頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四第三節(jié) 管流系統(tǒng)阻力一、減小系統(tǒng)阻

11、力的方法 1.管道直徑與“經(jīng)濟(jì)流速” 管道直徑的確定應(yīng)兼顧減小沿程阻力和降低工程造價。流量VS一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇：管徑的估算(對于圓形管道)： u d設(shè)備費(fèi)用 流動阻力動力消耗操作費(fèi)均衡考慮uu適宜費(fèi)用總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)第32頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四常用流體適宜流速范圍： 水及一般液體 13 m/s粘度較大的液體 0.51 m/s低壓氣體 815 m/s壓力較高的氣體 1525 m/s 2.降低局部阻力 盡量不安裝不必要的管件和閥門等； 管徑適當(dāng)大些; 將突然擴(kuò)大或縮小變?yōu)橹饝M擴(kuò)大或縮小； 以兩個45轉(zhuǎn)彎或圓轉(zhuǎn)彎代替90轉(zhuǎn)彎； 使用導(dǎo)向葉片等。 3.降

12、低摩擦阻力 管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎；采用光滑管。 第33頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四二、管路系統(tǒng)的計算1.簡單管路計算 Vs1,d1Vs3,d3Vs2,d2（1）已知L、d、qv，求hf ;（2）已知hf、L、d，求u或qv 基本方程：連續(xù)性方程：柏努利方程：阻力計算（摩擦系數(shù)）：流體通過各管段的質(zhì)量流量不變，對于不可壓縮流體，則體積流量也不變。整個管路的總能量損失等于各段能量損失之和 。特點：第34頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四2.串聯(lián)管路計算 串聯(lián)管路是由若干段簡單管路（包括直通、變直徑以及變流向各種情況）首尾相接組合而成。其

13、特點是各段流量相同，阻力損失為各段摩擦與局部阻力之和。（P66例4-2）第35頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四3.并聯(lián)管路計算 并聯(lián)管路是由若干支管并聯(lián)組合而成。并聯(lián)管路的特點是：各支路阻力損失相同，管路流量為各支路流量之和，即： QQ1Q2Q3BA注意：計算并聯(lián)管路阻力時，僅取其中一支路即可，不能重復(fù)計算。第36頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四證明:第37頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四并聯(lián)管路的流量分配:支管越長、管徑越小、阻力系數(shù)越大流量越??；反之 流量越大。 第38頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，

14、星期四4.分支管路計算 P1P2012QQ1Q2 Q=Q1+Q2H1= H2 (各支管終點總能量相等)0-10-2對多個分支，則有：證明：比較上兩式，得：第39頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四第四節(jié) 流量與流速的測定一、流量的測量1.孔板流量計21RA1A0A2（管嘴及文德里流量計自學(xué)） 流體流過一收縮管道部分時，流速加快，此時流體的動能增加，而相應(yīng)的壓能亦將發(fā)生變化，并反映在壓差上而被測量出來。因此，根據(jù)流動過程中流體的質(zhì)量和能量平衡關(guān)系(伯努利方程)，通過測得的壓差值可計算出流體的流量。 第40頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四流量方程式：對圖

15、示的水平管道，在1、2截面間列柏努利方程式，即:根據(jù)連續(xù)性方程，有：聯(lián)立上兩式，則有：則質(zhì)量流量為：第41頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四2.轉(zhuǎn)子流量計組成：錐形玻璃管和轉(zhuǎn)子原理：轉(zhuǎn)子上下的壓差與轉(zhuǎn)子的凈重力（重力與浮力之差）相等。從轉(zhuǎn)子的懸浮高度直接讀取流量數(shù)值。流體通過轉(zhuǎn)子與管壁的環(huán)隙時,由于通道截面積減小,流速增大,流體的靜壓力降低,使轉(zhuǎn)子上下產(chǎn)生壓力差.也就是說,轉(zhuǎn)子上下的壓力差是由于流體通過環(huán)隙時流速增大而形成的.對特定的轉(zhuǎn)子和特定的流體,轉(zhuǎn)子橫截面積不變,流體的流量越大,轉(zhuǎn)子在錐管中上升的位置越高,環(huán)隙面積越大.第42頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四0110轉(zhuǎn)子受力平衡：在1-1和0-0截面間列柏努利方程： 動能差 第43頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四由連續(xù)性方程： CR轉(zhuǎn)子流量系數(shù) 體積流量：第44頁，共47頁，2022年，5月20日，11點0分，星期四二、流體速度的測量1.皮托管點速度： 內(nèi)管所測的是靜壓能p1/和動能u12/2之和，合稱為沖壓能，即： 外管壁上的測壓小孔與流體流動方向平行，故外管測的是流體靜壓能p1/。 壓差計