管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力

講授

姜華化工基礎(chǔ)AnIntroductiontoChemicalIndustryandEngineering13.4管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力教學(xué)目的：重點(diǎn)：課型：教學(xué)方法：參考文獻(xiàn)：難點(diǎn)：了解流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力的原因，掌握流動(dòng)阻力的計(jì)算，并應(yīng)用于實(shí)際管路中阻力的計(jì)算。流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)阻力的計(jì)算新知識(shí)理論課講解、談話(huà)、應(yīng)用訓(xùn)練[5]、[6]利用因次分析法解決工程實(shí)際問(wèn)題2實(shí)際流體的Bernoulli方程:流體流動(dòng)的阻力與流體的性質(zhì)(如粘度等)、流體流動(dòng)形態(tài)、導(dǎo)管的長(zhǎng)度、管徑、壁面情況以及流動(dòng)時(shí)的變動(dòng)狀態(tài)（如縮小、擴(kuò)張等）有關(guān)。阻力∑hf直管阻力(沿程阻力)——由于內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的能量損失局部阻力截面驟然變化流動(dòng)方向改變流經(jīng)管件、儀表等——由于局部障礙引起邊界層分離而造成能量損失?3一、管、管件及閥門(mén)簡(jiǎn)介管:管子鑄鐵管（水管、煤氣管、污水管）鋼管（有縫、無(wú)縫）特殊鋼管有色金屬管塑料管橡膠管管子光滑管（玻璃管、銅管、鉛管、塑料管等）粗糙管（舊鋼管、鑄鐵管）管壁的相對(duì)粗糙度4管件：彎管大小頭沖壓彎管與管的連接部分，它主要是用來(lái)改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。5管件承插管件法蘭法蘭封頭6閥門(mén):安裝于管道中用以切斷或調(diào)節(jié)流量。球閥截止閥閘閥止逆閥7二流體流動(dòng)的形態(tài)滯流(laminarflow):也稱(chēng)為層流，流體的質(zhì)點(diǎn)作一層滑過(guò)一層的位移，層與層之間沒(méi)有明顯的干擾。各層間分子只因擴(kuò)散而轉(zhuǎn)移。流體的流速沿?cái)嗝姘磼佄锞€(xiàn)分布；管中流體的平均流速為最大流速的1/2。8湍流(turbulentflow):流體在流動(dòng)時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)有劇烈的騷擾渦動(dòng)，只是靠近管壁處還保留滯流的形態(tài)。接近管中央相當(dāng)大范圍內(nèi)的流體流速接近于最大流速。管內(nèi)流體的平均流速為管中央最大流速的0.8左右。圖1-22湍流時(shí)的速度分布9流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)

——雷諾數(shù)（Reynold’snumber）雷諾數(shù)：滯流湍流過(guò)渡狀態(tài)滯流轉(zhuǎn)變的臨界值相應(yīng)的流速稱(chēng)為臨界流速NOTE：工業(yè)上輸送流體時(shí)大多數(shù)是以湍流形態(tài)進(jìn)行的。10當(dāng)量直徑

(equivalentdiameter)對(duì)于非圓形導(dǎo)管，計(jì)算Re時(shí)，應(yīng)以當(dāng)量直徑de代替特征數(shù)中的直徑d：例：直徑d1的外套管與直徑d2的內(nèi)套管所形成的環(huán)行通道的當(dāng)量直徑為：11三邊界層（boundarylayer）邊界層：流體的流速低于未受壁面影響的流速的99%的區(qū)域。主流區(qū)：在邊界層以外，速度梯度接近為零的區(qū)域。邊界層邊界層邊界層邊界層主流區(qū)主流區(qū)滯流湍流12圖1-25湍流流動(dòng)NOTE：滯流內(nèi)層的厚度雖然不大，但粘附在壁面，成為傳熱和傳質(zhì)的主要阻力；Re值越小，滯流內(nèi)層厚度越大，傳遞過(guò)程的阻力隨之增大。13邊界層的形成從管口到形成邊界層所經(jīng)歷的管長(zhǎng)稱(chēng)為穩(wěn)定段長(zhǎng)度，此長(zhǎng)度與管的形狀、管壁粗糙程度及雷諾數(shù)等因素有關(guān)。14邊界層分離B流體流經(jīng)管件、閥門(mén)、管束或異形壁面時(shí)，也會(huì)發(fā)生邊界層分離。NOTE：邊界層分離會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)阻力的增大。1516阻力∑hf直管阻力(沿程阻力)hf局部阻力hl

四流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻力計(jì)算17◆

滯流時(shí)的摩擦阻力——主要是流體的內(nèi)摩擦力服從牛頓粘性定律：1直管阻力的計(jì)算18◆湍流時(shí)的流動(dòng)阻力l/d——幾何相似數(shù)；——摩擦阻力系數(shù)，是Re，/d的函數(shù)。Fanning公式管壁的相對(duì)粗糙度:——管的粗糙度，mm19查表：摩擦阻力系數(shù)20摩擦阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：對(duì)光滑管：柏拉相修斯（Blasius）公式柯納柯夫（KypnaKOB）公式粗糙管：接近一常數(shù),其值主要取決于管壁的粗糙度。尼庫(kù)拉則(Nokuradse)公式用沿程阻力系數(shù)表示阻力計(jì)算公式:柯?tīng)柋?Colburn)公式212局部阻力當(dāng)流體在管道系統(tǒng)中流經(jīng)各種管件、閥門(mén)、接頭、改變方向，導(dǎo)管截面積驟然變化時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生擾動(dòng)而形成渦流，產(chǎn)生摩擦阻力，這類(lèi)阻力稱(chēng)為局部阻力。局部阻力的計(jì)算：②當(dāng)量長(zhǎng)度法:將局部阻力的壓頭損失折算成相應(yīng)長(zhǎng)度的管子所造成的壓頭損失，再并入總管長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。此相應(yīng)的管子長(zhǎng)度稱(chēng)為當(dāng)量長(zhǎng)度le。局部阻力①阻力系數(shù)法:22管

件

與

閥

門(mén)

的

當(dāng)

量

長(zhǎng)

度

共

線(xiàn)

圖。23例:料液由敞口高位槽流入精餾塔中。塔內(nèi)操作壓力為0.4kgf/cm2(表壓)，輸送管路為φ108×4mm的鋼管，直管長(zhǎng)為(h+1.5)m。管路中裝有180o回彎頭、90o標(biāo)準(zhǔn)彎頭、截止閥各一個(gè)。若維持進(jìn)料量為50m3/h，問(wèn)高位槽中的液面至少高出進(jìn)料口多少米？料液的粘度為1.510-3Pa.s，密度為900kg.m-3，24復(fù)雜管路的計(jì)算分支管路：主管處有分支，但最終不再匯合的管路。分支管路120主管中的質(zhì)量流量等于并聯(lián)的各支管質(zhì)量流量之和:qm=qm1+qm2各分支管路流動(dòng)終了時(shí)，總機(jī)械能與該管路中總摩擦阻力之和為常數(shù)。25并聯(lián)管路：在主管某處分為幾支，然后又匯合成一主管路。主管中的質(zhì)量流量等于并聯(lián)的各支管質(zhì)量流量之和，qm=qm1+qm2+qm3123單位質(zhì)量流體通過(guò)各支管的能量損失均相等，Hf1=Hf2=Hf3=HfAB并聯(lián)管路復(fù)雜管路的計(jì)算AB26例題例2-18高位水槽引出內(nèi)徑40mm的出水管至B處，此管道連同局部阻力管長(zhǎng)為100m。在B出分出內(nèi)徑均為25mm的、水平平行的C和D兩管，C管連同局部阻力管長(zhǎng)為20m，D管為40m。管內(nèi)水流動(dòng)的阻力系數(shù)可取0.03。求(1)C管單獨(dú)全開(kāi)時(shí)的流量；(2)C管和