《泵與風(fēng)機(jī)》課件-第四章 流體阻力及能量損失

第四章流體阻力及能量損失知識點(diǎn)1流動阻力及流動狀態(tài)目錄12流體流動阻力及其分類流體流動的兩種狀態(tài)3圓管中流體的層流與紊流1流體流動阻力及其分類概念：流體流動時，為克服摩擦力所消耗的能量損失原因：流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生摩擦

流體表面與流道壁面產(chǎn)生摩擦表示方法：氣體：單位體積氣體能量損失ΔPw-壓強(qiáng)損失液體：單位重力作用下的能量損失hw-水頭損失1流體流動阻力及其分類根據(jù)邊界條件，流動阻力分為：1.沿程阻力—在流動的全行程上，流體與壁面以及流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間存在摩擦阻力。沿程阻力損失（hf）：流體流動克服沿程阻力而損失的能量。2.局部阻力—在流動的局部地區(qū)，由于斷面突然變化或者流動方向突然改變，流體流經(jīng)這些局部時流速將重新分布，流體質(zhì)點(diǎn)之間，以及流體與局部裝置之間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生旋渦，使流體流動受到阻礙。（hw）1流體流動阻力及其分類粘性流體在流動過程中所產(chǎn)生的阻力與流體的流動狀態(tài)有關(guān)，不同的流動狀態(tài)，產(chǎn)生阻力的方式及阻力的大小也不相同。因此，我們有必要先了解流體的流動狀態(tài)。2流動的兩種狀態(tài)雷諾實驗2流動的兩種狀態(tài)雷諾實驗2流動的兩種狀態(tài)過渡狀態(tài)紊流層流層流：整個流場呈一簇互相平行的流線，著色流束為一條明晰細(xì)小的直線。紊流：流體質(zhì)點(diǎn)作復(fù)雜的無規(guī)則的運(yùn)動。著色流束與周圍流體相混，顏色擴(kuò)散至整個玻璃管。過渡狀態(tài)：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動處于不穩(wěn)定狀態(tài)。著色流束開始振蕩。2流動的兩種狀態(tài)由層流過渡到紊流的臨界狀態(tài)下的流體速度稱為上臨界速度，用Vc′表示。由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯呐R界速度稱為下臨界速度，用Vc表示。過渡狀態(tài)紊流層流2流動的兩種狀態(tài)結(jié)論：（1）流體流動分為層流和紊流兩種狀態(tài)。將由紊流變?yōu)閷恿鞯姆纸缇€作為判斷層流和紊流的標(biāo)準(zhǔn)，因為由層流變紊流的分界線不穩(wěn)定。（2）流體流動狀態(tài)與流速有關(guān)。（3）流體流動狀態(tài)與管徑有關(guān)。（4）流體流動狀態(tài)與流體黏性有關(guān)。2流動的兩種狀態(tài)（1）雷諾數(shù)實驗發(fā)現(xiàn)，判別流體的流動狀態(tài)，僅靠臨界速度很不方便，因為隨著流體的粘度、密度以及流道線尺寸的不同，臨界速度在變化，很難確定。雷諾根據(jù)大量的實驗歸納出一個無因次綜合量作為判別流體流動狀態(tài)的準(zhǔn)則，稱為雷諾準(zhǔn)則或雷諾準(zhǔn)數(shù)，簡稱雷諾數(shù)，用Re表示，即2流動的兩種狀態(tài)（1）雷諾數(shù)

對應(yīng)于臨界速度的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，用Rec表示，即判別條件是：層流：Re<2000

湍流：Re>20002流動的兩種狀態(tài)（2）流態(tài)的判別實驗表明，只要雷諾數(shù)相等，流動狀態(tài)就相同。Re<Rec時為層流；Re>Rec時為紊流。液體在圓管內(nèi)流動時的臨界雷諾數(shù)為Rec=2300。當(dāng)Re≤2000時，流動為層流：當(dāng)Re＞2000時，流動為紊流。2流動的兩種狀態(tài)（2）流態(tài)的判別黏性流體在管內(nèi)流動時受到慣性力F和粘性力T的同時作用。流體在管內(nèi)的運(yùn)動是有序分層流動還是雜亂無章的混亂流動，取決于兩種力的互相作用。Re的大小反應(yīng)了流體流動過程中兩個力大小：雷諾數(shù)小，粘性力主導(dǎo)作用，流體保持層流狀態(tài)；雷諾數(shù)大，慣性力主導(dǎo)作用，流體處于紊流狀態(tài)。2流動的兩種狀態(tài)例題：

用管道輸送密度為900kg/m3，動力黏度μ為0.045Pa.S的原油，維持平均流速不超過1m/s，若要保持在層流狀態(tài)輸送，試確定管徑不超過多少？層流時Re≤2000，即2流動的兩種狀態(tài)流動狀態(tài)與沿程損失的關(guān)系lghf層流時，能頭損失hf與流速的一次方成正比；紊流流動時，能頭損失hf與流速的1.75-2次方成正比。這就是說，流動狀態(tài)直接影響著能頭損失的計算規(guī)律，所以要正確計算能頭損失，必須判斷流動狀態(tài)。lghflghflghflghflghflghflgVEBDFAVcVc’層流過渡區(qū)紊流3圓管中的層流與紊流（1）圓管中的層流速度分布：在有效截面上各點(diǎn)的流速u與點(diǎn)所在的半徑r成二次拋物線關(guān)系。平均流速：圓管中層流流動時，平均流速為最大流速的一半。切應(yīng)力分布：在圓管的有效截面上，切應(yīng)力τ與管半徑r的一次方成比例，為直線關(guān)系，在管軸心處，r=0時，τ=0。3圓管中的層流與紊流層流底層：靠近管壁很薄的一層液體沒有混亂攙雜的不規(guī)則運(yùn)動，呈現(xiàn)為有條不紊的層流運(yùn)動，這層液體稱為層流底層。厚度用δ表示。δ＞管壁表面凸凹不平的平均值（絕對粗糙度）稱為水力光滑管。δ＜管壁表面凸凹不平的平均值（絕對粗糙度）稱為水力粗糙管。（2）圓管中的紊流3圓管中的層流與紊流層流底層中的速度是按直線規(guī)律分布的，在紊流的核心區(qū)速度是按對數(shù)規(guī)律分布的，在核心區(qū)速度分布的特點(diǎn)是速度梯度較小，速度比較均勻，這是由于紊流時質(zhì)點(diǎn)脈動摻混，動量交換強(qiáng)烈的結(jié)果。知識點(diǎn)2流動阻力損失的計算目錄12沿程損失計算局部損失計算3總阻力損失計算4減少阻力損失的措施1沿程損失計算實驗?zāi)康模?/p>

層流:紊流:在實驗的基礎(chǔ)上提出某些假設(shè)，通過實驗獲得計算紊流沿程損失系數(shù)λ的半經(jīng)驗公式或經(jīng)驗公式。代表性實驗:尼古拉茲實驗?zāi)蠈嶒?沿程損失計算（1）尼古拉茲實驗實驗對象:不同直徑圓管不同流量不同相對粗糙度實驗條件:實驗示意圖1沿程損失計算（1）尼古拉茲實驗1沿程損失計算（1）尼古拉茲實驗?zāi)峁爬潓嶒炃€的五個區(qū)域1）層流區(qū)管壁的相對粗糙度對沿程損失系數(shù)沒有影響。2）過渡區(qū)不穩(wěn)定區(qū)域，可能是層流，也可能是紊流。1沿程損失計算（1）尼古拉茲實驗?zāi)峁爬潓嶒炃€的五個區(qū)域3）紊流光滑管區(qū)沿程損失系數(shù)

與相對粗糙度無關(guān)，而只與雷諾數(shù)有關(guān)。勃拉休斯公式：尼古拉茲公式：卡門-普朗特公式：1沿程損失計算（1）尼古拉茲實驗?zāi)峁爬潓嶒炃€的五個區(qū)域4）紊流粗糙管過渡區(qū)沿程損失系數(shù)

與相對粗糙度和雷諾數(shù)有關(guān)。洛巴耶夫公式：闊爾布魯克公式：蘭格公式：1沿程損失計算（1）尼古拉茲實驗?zāi)峁爬潓嶒炃€的五個區(qū)域5）紊流粗糙管平方阻力區(qū)沿程損失系數(shù)

只與相對粗糙度有關(guān)。尼古拉茲公式：此區(qū)域內(nèi)流動的能量損失與流速的平方成正比，故稱此區(qū)域為平方阻力區(qū)。1沿程損失計算（2）莫迪實驗實驗對象:不同直徑工業(yè)管道不同流量不同相對粗糙度實驗條件:1沿程損失計算（2）莫迪實驗?zāi)蠈嶒炃€1沿程損失計算（2）莫迪實驗?zāi)蠈嶒炃€的五個區(qū)域1.層流區(qū)——層流區(qū)2.臨界區(qū)3.光滑管區(qū)完全紊流粗糙管區(qū)4.過渡區(qū)——紊流光滑管區(qū)——過渡區(qū)——紊流粗糙管過渡區(qū)——紊流粗糙管平方阻力區(qū)1沿程損失計算33例題：有一長方形風(fēng)道長l=40m，截面積A=0.5×0.8m2，管壁絕對粗糙度△=0.19mm，輸送t=20℃的空氣，流量qv=21600m3/h，試求在此段風(fēng)道中的沿程損失。解：平均流速m/s當(dāng)量直徑20℃空氣的運(yùn)動黏度=1.63×10-5m2/s，密度1.2kg/m3。1沿程損失計算34雷諾數(shù)：相對粗糙度：查莫迪圖得：沿程損失：沿程壓強(qiáng)損失：=mH2OPa2局部損失計算局部損失：ζ用分析方法求得，或由實驗測定。局部損失產(chǎn)生的原因：當(dāng)流體流經(jīng)各種閥門、彎頭和變截面管等局部裝置，流體將發(fā)生變形，產(chǎn)生阻礙流體運(yùn)動的力，這種力稱為局部阻力，由此引起的能量損失稱為局部損失，計算局部損失用下面的公式：2局部損失計算（1）管道截面突然擴(kuò)大流體從小直徑的管道流往大直徑的管道112v2A2v1A12取1-1、2-2截面以及它們之間的管壁為控制面。連續(xù)方程動量方程能量方程2局部損失計算112v2A2v1A12將連續(xù)方程、動量方程代入能量方程，以小截面流速計算的

以大截面流速計算的

（1）管道截面突然擴(kuò)大2局部損失計算管道出口損失速度頭完全消散于池水中（1）管道截面突然擴(kuò)大2局部損失計算（2）管道截面突然縮小流體從大直徑的管道流往小直徑的管道v2A2v1A1vcAc流動先收縮后擴(kuò)展，能量損失由兩部分損失組成2局部損失計算（2）管道截面突然縮小由實驗等直管道隨著直徑比由0.115線性減小到12局部損失計算（3）彎管AA'CBD'D流體在彎管中流動的損失由三部分組成:2.由切向應(yīng)力產(chǎn)生的沿程損失1.形成漩渦所產(chǎn)生的損失3.由二次流形成的雙螺旋流動所產(chǎn)生的損失3總阻力損失計算液體在管道中流動時，因克服流動阻力所消耗的總能量是各段沿程阻力和每個局部阻力所損失的能量之和。4減少阻力損失的措施（1）從公式分析減小沿程阻力損失：1）減小管長選用合理的經(jīng)濟(jì)流速，適當(dāng)增大管徑減小管壁的絕對粗糙度提高液體溫度，以減小動力粘滯系數(shù)使用圓管4減少阻力損失的措施（1）從公式分析減小沿程阻力損失：2）減小局部阻力損失減少局部阻件個數(shù)改善局部阻件形狀管道進(jìn)口采用圓弧光滑過渡改突然變徑管為漸變管采用較大的轉(zhuǎn)彎半徑減小三通阻力4減少阻力損失的措施4減少阻力損失的措施（2）從運(yùn)行角度考慮減小阻力損失主要是保持各管路部件處于合理的運(yùn)行狀態(tài)。減少由于節(jié)流、堵塞等非正常流動而造成的阻力損失：1）保持閥門正常開度，減少局部阻力的節(jié)流損失2）減少管壁以及各傳熱面的結(jié)垢與堵塞減少鍋爐煙氣側(cè)受熱面積灰與結(jié)渣保持冷卻水側(cè)管壁清潔控制汽水品質(zhì)，減少汽水循環(huán)系統(tǒng)管路與設(shè)備通流部分結(jié)垢。知識點(diǎn)3管道的水力計算目錄12管道的種類長管和短管3簡單管道系統(tǒng)4復(fù)雜管道系統(tǒng)1管道的種類各種管道和管道附件連接起來輸送流體，形成管道系統(tǒng)。在電力生產(chǎn)過程中，除了鍋爐本體、汽輪機(jī)的管道系統(tǒng)，還有起輔助作用的各個局部熱力管道系統(tǒng)，例如：給水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)、補(bǔ)充水系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)等。2長管和短管為了計算方便，我們按管道系統(tǒng)連接的特點(diǎn)對其進(jìn)行分類。按流動阻力損失的特點(diǎn)，管道系統(tǒng)分為長管和短管。長管是指整個管道系統(tǒng)中，局部阻力損失所占比重很小，一般可以忽略不計，或按沿程阻力損失的5%~10%進(jìn)行估算。短管在電廠中占大多數(shù)，指局部阻力損失不能忽略的管道系統(tǒng)。3簡單管道系統(tǒng)管道系統(tǒng)也可以分為簡單管道系統(tǒng)和復(fù)雜管道系統(tǒng)。簡單管道系統(tǒng)是指在整個管道系統(tǒng)中，管徑保持不變，流量保持恒定。復(fù)雜管道系統(tǒng)是指在整個管道系統(tǒng)中，管徑或流量發(fā)生變化。管道直徑和管壁粗糙度均相同的一根管子或這樣的數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道系統(tǒng)。計算基本公式連續(xù)方程沿程損失能量方程3簡單管道系統(tǒng)三類計算問題1）已知qV、l、d、

、

，求hf；2）已知hf

、l、d、

、

，求qV；3）已知hf

、qV

、l、

、

，求d。簡單管道的水力計算是其它復(fù)雜管道水力計算的基礎(chǔ)。3簡單管道系統(tǒng)第一類問題的計算步驟1）已知qV、l、d、

、

，求hf；qV、l、d計算Re由Re、

查莫迪圖得

計算hf3簡單管道系統(tǒng)第二類問題的計算步驟2）已知hf

、l、d、

、

，求qV；假設(shè)

由hf計算v

、Re由Re、

查莫迪圖得

New校核

New

=

NewNY由hf計算v

、qV3簡單管道系統(tǒng)第三類問題的計算步驟（3）已知hf

、qV

、l、

、

，求d。hf

qVl

計算

與d的函數(shù)曲線由Re、

查莫迪圖得

New校核

New

=

NewNY由hf計算v

、qV3簡單管道系統(tǒng)4復(fù)雜管道系統(tǒng)復(fù)雜管道系統(tǒng)按管道的連接方式，分為串聯(lián)管道系統(tǒng)、并聯(lián)管道系統(tǒng)和分支管道系統(tǒng)。串聯(lián)管道系統(tǒng)由不同管徑的管道前后順序連接而成。并聯(lián)管道系統(tǒng)由有共同的起點(diǎn)和終點(diǎn)的多個管道組成。分支管道系統(tǒng)是指多個管道由起點(diǎn)分開后，不再匯合。（1）串聯(lián)管道系統(tǒng)由不同管道直徑和管壁粗糙度的數(shù)段根管子連接在一起的管道。ABH21各管段的流量相等總損失等于各段管道中損失之和4復(fù)雜管道系統(tǒng)ABH211）已知串聯(lián)管道的流量qV，求總水頭H；2）已知總水頭H，求串聯(lián)管道的流量qV

。（1）串聯(lián)管道系統(tǒng)4復(fù)雜管道系統(tǒng)由幾條簡單管道或串聯(lián)管道，入口端與出口端分別連接在一起的管道系統(tǒng)?？偭髁渴歉鞣止芏瘟髁恐?。并聯(lián)管道的損失等于各分管道的損失。AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ（2）并聯(lián)管道系統(tǒng)4復(fù)雜管道系統(tǒng)1）已知A點(diǎn)和B點(diǎn)的靜水頭線高度（即z+p/

g)，求總流量qV；假設(shè)

由hf計算v

、Re由Re、

查莫迪圖得

New校核

New

=

NewNY由hf計算v

、qV求解方法相當(dāng)于簡單管道的第二類計算問題。（2）并聯(lián)管道系統(tǒng)4復(fù)雜管道系統(tǒng)2）已知總流量qV，求各分管道中的流量及能量損失假設(shè)管1的q’V1

由q’V1計算管1的h’f1

由h’f1求q’V2和

q’V3h’f1=

h’f2=

h’f3q’V1=qV1N結(jié)束計算按q’V1、q’V2和q’V3的比例計算qV1、qV2和qV3計算h’f1、

h’f2和h’f3

Y（2）并聯(lián)管道系統(tǒng)4復(fù)雜管道系統(tǒng)流入?yún)R合點(diǎn)的流量等于自匯合點(diǎn)流出的流量。（3）分支管道系統(tǒng)4復(fù)雜管道系統(tǒng)已知管道的尺寸、粗糙度和流體性質(zhì)，求通過各管道的流量。213Jz2z1z3假設(shè)J點(diǎn)的zJ+pJ/

g求qV1、qV2和qV3

是否滿足連續(xù)方程

N結(jié)束計算調(diào)整J點(diǎn)的zJ+pJ/

g

Y（3）分支管道系統(tǒng)4復(fù)雜管道系統(tǒng)知識點(diǎn)4繞流物體的阻力和升力目錄12繞流阻力繞流升力3熱力設(shè)備中的繞流現(xiàn)象黏性流體繞流靜止物體或物體在靜止流體中運(yùn)動時，物體表面會受到流體的壓力和切向應(yīng)力的作用，這些力的合力FG可分解為沿流動方向的力，也就是物體所受到的繞流阻力FD，和與流動方向垂直的合力，即物體所受到的繞流升力FL。1繞流阻力一部分是由于流體的黏性，在物體表面上形成的摩擦阻力；另一部分是由于邊界層分離，物體前后形成壓力差而產(chǎn)生的壓差阻力。繞流阻力=摩擦阻力+壓差阻力1繞流阻力摩擦阻力的大小取決于邊界層內(nèi)流體的運(yùn)動狀態(tài)。層流邊界層內(nèi)，切向內(nèi)摩擦力可直接由牛頓內(nèi)摩擦定律計算得出。紊流邊界層內(nèi)，除了切向內(nèi)摩擦力以外，還有流體微團(tuán)摻混所引起的附加切向力。1繞流阻力壓差阻力是黏性間接作用的結(jié)果。流體繞流圓柱體時，由于黏性作用，流體在逆壓區(qū)的速度滯止點(diǎn)不是C點(diǎn)，而提前至S點(diǎn)，之后進(jìn)入旋渦區(qū)。旋渦區(qū)的壓力接近于S點(diǎn)的大小，所以C點(diǎn)至S點(diǎn)之間的壓力，要低于圓柱體前半部分對稱位置的壓力，從而圓柱體前后形成壓力差。壓差阻力就是作用在物體表面上的壓力在