流體流動5-阻力損失

第四節(jié)管內(nèi)阻力損失二、直管內(nèi)的兩種阻力損失：1、直管阻力和局部阻力：（1）直管阻力損失（或稱沿程阻力損失、摩擦損失）：直管造成的機械能損失（2）局部阻力損失：管道的出入口和管件（彎頭、閥門）造成的機械能損失（1）阻力損失表現(xiàn)為流體勢能的降低對于通常的管路，無論是直管阻力或是局部阻力，也不論是層流和湍流，阻力損失均主要表現(xiàn)為流體機械能的降低，即/只有水平管道2、直管流動阻力的計算通式：（2）范寧公式選一個水平等徑直管，對它作受力分析：（二）直管阻力的通式

由于壓力差而產(chǎn)生的推動力：流體的摩擦力：令

定態(tài)流動時——直管阻力通式（范寧Fanning公式）

其它形式：——摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)）

則

J/kg壓頭損失m壓力損失Pa該公式層流與湍流均適用；注意與的區(qū)別。（三）層流時的摩擦系數(shù)

速度分布方程又——哈根-泊謖葉

（Hagen-Poiseuille）方程

能量損失層流時阻力與速度的一次方成正比。變形：比較得二、湍流時直管阻力損失1、湍流的直管阻力損失的研究方法：層流時阻力損失的計算：理論推導湍流時由于情況復雜，影響因素多，不可能得出理論式，但可以通過實驗研究，獲得經(jīng)驗的計算式本節(jié)以湍流時直管阻力損失的實驗研究為例（1）析因?qū)嶒灒?/p>

尋找影響過程的主要因素影響湍流時直管阻力損失hf的因素為：流體物性：密度、黏度流動的幾何尺寸：管徑d、管長l、管壁粗糙度（突出物的平均高度）流動條件：流速u

于是待求的關(guān)系式應為：量綱分析法：通過將變量組合成無量綱數(shù)群，從而減少實驗自變量的個數(shù)，大幅度地減少實驗次數(shù)量綱和諧和量綱的一致性：任何完整物理方程的等式兩邊和方程中的每一項均具有相同的量綱——量綱分析法的基礎、主要依據(jù)從這一基本點出發(fā)，任何物理方程都可以轉(zhuǎn)化為無量綱形式（2）規(guī)劃實驗（量綱分析）

——減少實驗工作量，即將變量組合成若干個無量綱數(shù)群只要通過實驗，逐個地改變Re、（l/d）和（/d），即可求出K、b、f、g即可得出求解阻力損失的關(guān)系式由此及彼、由大及小對比以上兩個公式2、湍流時的摩擦系數(shù)：Stanton和Pannell于1914發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象實驗得到Moody（莫狄）圖：雙對數(shù)圖關(guān)聯(lián)全范圍流體流動的λ、Re和ε/d

三者之間的關(guān)系LewisF.Moody（1880-1953）杰出的美國工程師和教授其他貢獻：水力機械的相似性和汽蝕現(xiàn)象1944年提出Moody圖該圖又稱為Stanton圖，因其首先提出了類似的圖層流區(qū)：Re＜2000，/Re=64則與Re的關(guān)系為一直線，與/d無關(guān)過渡區(qū)：Re=2000～4000，管內(nèi)流型因外界條件而異工程上常按湍流處理，按湍流的曲線外延查取湍流區(qū)：Re＞4000，隨Re的增大而減小隨/d的增大而增大充分湍流區(qū)(完全湍流區(qū)、阻力平方區(qū))：

Re足夠大時，不再隨Re而變，僅取決于/d對比得hf

u2光滑管Smoothpipe經(jīng)驗關(guān)系式：常用的柏拉修斯式（Blasius，1913年）適用范圍：Re=5000～10000的光滑管層流管壁上凸凹不平的地方被層流流體所覆蓋粗糙度對值無影響……Prandtl的學生J.Nikuradse于1933年對這個問題有了重要的進展3、粗糙度對的影響當Re較小時,δ

>ε，ε對無影響

----------水力光滑管

隨著Re增大，δ

<ε，ε對的影響較大管壁粗糙度對阻力系數(shù)的影響首先是在人工粗糙管中可以精確測定的工業(yè)管道內(nèi)壁的凸出物形狀不同高度也參差不齊粗糙度無法精確測定4、實際管的當量粗糙度當量相對粗糙度：通過試驗測定阻力損失并計算值然后由Moody圖反求出相當?shù)南鄬Υ植诙然ど铣Ｓ霉艿赖漠斄拷^對粗糙度示于表1-1三、局部阻力損失化工管路系統(tǒng)中的管件、閥門管件：用來改變管道流向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等閥門：用作開關(guān)或調(diào)節(jié)流量Pipefittings蝶閥（butterflyvalve）蝶閥的優(yōu)點1、啟閉方便迅速、省力、流體阻力小，可以經(jīng)常操作2、結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕

3、可以運送泥漿，在管道口積存液體最少

4、低壓下，可以實現(xiàn)良好的密封5、調(diào)節(jié)性能好蝶閥的缺點1、使用壓力和工作溫度范圍小

2、密封性較差截止閥（stopvalve，GlobeValve）

截止閥的優(yōu)點：1、結(jié)構(gòu)簡單，制造和維修比較方便。

2、工作行程小，啟閉時間短。

3、密封性好，密封面間磨擦力小，壽命較長截止閥的缺點1、流體阻力大，開啟和關(guān)閉時所需力較大

2、不適用于帶顆粒、粘度較大、易結(jié)焦的介質(zhì)3、調(diào)節(jié)性能較差截止閥：只適用于全開和全關(guān)，不允許作調(diào)節(jié)和節(jié)流閘閥只能作全開和全關(guān)不能作調(diào)節(jié)和節(jié)流只能粗略的調(diào)節(jié)流量半開半閉是對其壽命也是有一些影響的

閘閥的特點1、流動阻力?。洪y體內(nèi)部介質(zhì)通道是直通的2、啟閉時較省力：與截止閥相比而言，因為無論是開或閉，閘板運動方向均與介質(zhì)流動方向相垂直3、高度大，啟閉時間長。閘板的啟閉行程較大，降是通過螺桿進行的4、不易產(chǎn)生水錘現(xiàn)象：源于關(guān)閉時間長5、介質(zhì)可向兩側(cè)任意方向流動，易于安裝：閘閥通道兩側(cè)是對稱的6、結(jié)構(gòu)長度(系殼體兩連接端面之間的距離)較小7、密封面易磨損，影響使用壽命。啟閉時，閘板與閥座兩個密封面相互摩擦滑動，要介質(zhì)壓力作用下易產(chǎn)生擦傷磨損，影響密封性能，縮短使用壽命8、價格較貴：接觸密封面較多，加工較復雜，特別是閘板座上的密封面不易加工，而且零件較多形體簡單,結(jié)構(gòu)長度短，制造工藝性好，適用范圍廣角閥角閥結(jié)構(gòu)其實是碟閥可以精確調(diào)節(jié)流量球閥球閥只能開和關(guān)并不能調(diào)節(jié)流量如果人為將球閥半開半閉的工作還會損害球閥,大大縮短它的壽命單向閥：止回閥流體只能沿一個方向流通，另一方向不能通過的閥止回閥關(guān)閉時，會在管路中產(chǎn)生水錘壓力嚴重時會導致閥門、管路或設備的損壞尤其對于大口管路或高壓管路故應引起止回閥選用者的高度注意1、定義：各種管件都會產(chǎn)生阻力損失和直管阻力的沿程均勻分布不同這種阻力損失是由管件內(nèi)流道多變所造成局部阻力損失產(chǎn)生的原因邊界層分離所產(chǎn)生的大量旋渦消耗了機械能流體即使在管內(nèi)為層流流動但通過管件或閥門時也容易變?yōu)橥牧?、突然擴大與突然縮小突然擴大SuddenEnlargement產(chǎn)生阻力損失的原因在于邊界層分離突然擴大的阻力損失計算由動量守衡定律推導見教材習題19下標：1：表示小管，2：表示大管突然縮小SuddenContraction：收縮部分不發(fā)生明顯的阻力損失突然縮小造成的阻力主要還在于突然擴大突然縮小的阻力損失的經(jīng)驗公式下標：1：表示小管，2：表示大管書上的寫法？3、局部阻力損失的計算難以精確計算以下兩種近似方法（1）阻力系數(shù)法：局部阻力損失表示為動能的倍數(shù)：式中：局部阻力系數(shù)，由實驗測定

u：管內(nèi)平均流速例題：由很小截面突然進入很大的截面：如管入口：A2>>A1，A1/A2=0

則→ζ＝1…出口阻力系數(shù)由很大截面突然進入很小的截面如管出口：A2>>A1，A1/A2=0則→ζ＝0.5…進口阻力系數(shù)

（2）當量長度法：近似地認為局部阻力損失可以相當于某個長度的直管，即式中l(wèi)e為管件的當量長度常用管件的和le值可在P33的圖1-34至圖1-36和表1-2中查得注意：阻力系數(shù)法和當量長度法計算的結(jié)果不一定一致都是近似的估算值實際應用時長距離輸送以直管阻力損失為主車間管路往往以局部阻力為主

影響流體流動阻力的各個因素

及相應的減阻措施：（1）u：是影響流動阻力的主要因素u減小，則流動阻力降低但在輸送量一定的情況下，u降低則意味著管徑繼而設備費的增大工程上應合理選擇流體流動的適宜流速（2）l/d：在長距離輸送時應簡化管路，減少管道長度并選用經(jīng)濟合理的管徑（3）：及時清除管道中的雜物盡量減少管壁的腐蝕以降低管內(nèi)壁的粗糙度降低最新節(jié)能措施：添加減阻劑來減少流動阻力減阻劑：某種高分子聚合物添加極少的量，即可改變與Re的關(guān)系，使小于純液體時的相應值影響減阻效果的因素：管徑、減阻劑種類、濃度和流速當Re超過某一臨界值時才有明顯效果，且減阻效果隨u增加而提高當溶液流過泵、閥門時，受到高剪切后，高分子鏈的斷裂會影響減阻效果應用可用于農(nóng)林灌溉、航海、消防等領(lǐng)域如：在消防用水中添加減阻劑可使阻力減小，提高水的射出速度和射程大大提高滅火效率，減小火災損失

數(shù)據(jù)：使用減阻劑后對世界各地的20條輸油管線統(tǒng)計：平均減阻達37.2％對工業(yè)用水（熱水）減阻試驗表明，加入0.0044％減阻劑，可使阻力減小20％以上如質(zhì)量分數(shù)為5×10-6的聚氧化乙烯在Re＝105時減阻可達40％蘭成渝成品油管道工程蘭成渝管道是我國目前海拔落差最大、施工難度最大的一條輸送多品種成品油管道工程全長1247公里，途經(jīng)甘肅、陜西、四川、重慶三省一市，是西部經(jīng)濟開發(fā)的大動脈該管線建成后可極大地緩解我國石油資源分布不均衡的現(xiàn)狀特別是改善我國西部地區(qū)石油資源富集和西南部地區(qū)石油匱乏的矛盾將極大地促進西部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展該管線于2000年11月開工2002年6月底達到投產(chǎn)條件干線分別采用直徑508毫米、457毫米、323.9毫米的3種鋼管設計運行壓力為10兆帕蘭州至成都段設計年均輸量為500萬噸成都至重慶段設計輸量為210萬噸干線共設計各類站場18座蘭成渝管道成功添加ＥＰ減阻劑

2005年12月18日至2006年1月16日先后進行了汽油減阻劑、柴油添加減阻劑的試驗開展了減阻劑低濃度下多種工況的減阻和增輸試驗地點：四川省廣元市：蘭成渝管道的

“

卡脖子地段

”---

全長２９４

km

的廣元至成都段完成在國內(nèi)首次的成品油減阻劑現(xiàn)場工業(yè)應用試驗添加減阻劑對油品無不良影響減阻效果明顯，注入管道后能夠充分展開并與流動物體發(fā)生相互作用，阻止湍流形成減少油品的流動阻力達到了增加管線輸量、減少設備損耗的預期目標試驗結(jié)果表明：（4）管件、閥門等局部阻力：去除不必要的管件、閥門等以減少流體流動的局部阻力對車間管路效果更明顯因為總阻力中局部阻力比例比較大（5）流體的物性：主要是黏度液體：在泵前預熱，減小特別適用于加熱流體所消耗的能量遠小于用來克服黏度大而增加的摩擦損失的場合如長距離輸送高黏度的油品但注意：考慮對泵汽蝕性能帶來的影響

例：用泵把20℃的苯從地下儲罐送到高位槽，流量為300l/min。高位槽液面比儲罐液面高10m。泵吸入管路用φ89×4mm的無縫鋼管，直管長為15m，管路上裝有一個底閥（可粗略的按旋啟式止回閥全開時計）、一個標準彎頭；泵排出管用φ57×3.5mm的無縫鋼管，直管長度為50m，管路上裝有一個全開的閘閥、一個全開的截止閥和三個標準彎頭。儲罐及高位槽液面上方均為大氣壓。設儲罐液面維持恒定。試求泵的軸功率。設泵的效率為70%。舉例分析求泵的軸功率柏努利方程△Z、△u、△p已知求∑hf管徑不同吸入管路排出管路范寧公式L、d已知求λ求Re、e/d摩擦系數(shù)圖當量長度阻力系數(shù)查圖解：取儲罐液面為上游截面1-1，高位槽液面為下游截面2-2，并以截面1-1為基準水平面。在兩截面間列柏努利方程式。式中：（1）吸入管路上的能量損失解