《流體流動(dòng)摩擦損失》課件

流體流動(dòng)摩擦損失本演示文稿旨在全面介紹流體流動(dòng)中的摩擦損失。我們將從基礎(chǔ)概念入手，詳細(xì)探討摩擦損失的分類(lèi)、計(jì)算方法以及影響因素。通過(guò)學(xué)習(xí)本課件，您將能夠深入理解摩擦損失在工程應(yīng)用中的重要性，并掌握減少摩擦損失的有效措施，從而優(yōu)化管道設(shè)計(jì)、選擇合適的泵，并降低能量消耗。引言：摩擦損失的重要性能量損耗摩擦損失直接導(dǎo)致能量損耗，影響系統(tǒng)效率。在長(zhǎng)距離輸送管道中，摩擦損失尤為顯著，需要消耗額外的能量來(lái)克服阻力，增加運(yùn)營(yíng)成本。系統(tǒng)性能摩擦損失降低流體流動(dòng)速率和壓力，影響設(shè)備性能。例如，水泵需要更大的功率才能達(dá)到預(yù)定的流量和壓力，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。成本增加為了彌補(bǔ)摩擦損失，需要增加泵的功率或增大管道尺寸，增加投資和運(yùn)營(yíng)成本。優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少摩擦損失，可以顯著降低總體成本。摩擦損失的概念1定義流體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于流體內(nèi)部的粘性以及流體與管壁之間的摩擦，導(dǎo)致能量的損失，稱(chēng)為摩擦損失。2本質(zhì)摩擦損失本質(zhì)上是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程，這種轉(zhuǎn)化是不可逆的，導(dǎo)致流體的總能量減少。3表現(xiàn)形式摩擦損失表現(xiàn)為流體壓力的降低，需要通過(guò)泵或其他方式來(lái)補(bǔ)償，以維持流體的正常流動(dòng)。摩擦損失的分類(lèi)沿程阻力損失流體在直管段內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于管壁的摩擦而產(chǎn)生的能量損失。1局部阻力損失流體在管道的彎頭、閥門(mén)、變徑等局部結(jié)構(gòu)處流動(dòng)時(shí)，由于流動(dòng)方向和速度的改變而產(chǎn)生的能量損失。2沿程阻力損失定義流體在具有一定長(zhǎng)度的直管段內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于管壁的摩擦而產(chǎn)生的能量損失，稱(chēng)為沿程阻力損失。影響因素沿程阻力損失的大小與管道的長(zhǎng)度、直徑、流速以及流體的粘性等因素有關(guān)。計(jì)算方法常用的計(jì)算方法包括達(dá)西公式、科列勃魯克公式以及工程估算公式等。局部阻力損失閥門(mén)各種類(lèi)型的閥門(mén)，如閘閥、球閥、蝶閥等，都會(huì)產(chǎn)生局部阻力損失。彎頭管道中的彎頭，特別是急彎頭，會(huì)顯著增加局部阻力損失。三通三通管件，無(wú)論是分流還是合流，都會(huì)引起流體的擾動(dòng)，產(chǎn)生局部阻力損失。沿程阻力損失的計(jì)算達(dá)西公式使用達(dá)西公式計(jì)算沿程阻力損失，需要確定摩擦系數(shù)λ，它是雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度ε/D的函數(shù)。摩擦系數(shù)λ根據(jù)雷諾數(shù)Re的大小，選擇不同的公式或圖表來(lái)確定摩擦系數(shù)λ。層流時(shí)，λ=64/Re；紊流時(shí)，需要考慮管道的粗糙度。計(jì)算結(jié)果將摩擦系數(shù)λ代入達(dá)西公式，即可計(jì)算出沿程阻力損失。注意單位統(tǒng)一，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。達(dá)西公式達(dá)西公式是計(jì)算沿程阻力損失的經(jīng)典公式，適用于各種流體和各種流動(dòng)狀態(tài)。其基本形式為：ΔP=λ(L/D)(ρv2/2)，其中：ΔP為沿程阻力損失，λ為摩擦系數(shù)，L為管道長(zhǎng)度，D為管道直徑，ρ為流體密度，v為流體平均流速。該公式清晰地揭示了影響沿程阻力損失的關(guān)鍵因素。理解每個(gè)參數(shù)的物理意義，有助于在實(shí)際工程中進(jìn)行精確計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)。達(dá)西公式的準(zhǔn)確性依賴(lài)于摩擦系數(shù)λ的準(zhǔn)確確定。因此，需要根據(jù)具體的流動(dòng)狀態(tài)和管道條件，選擇合適的計(jì)算方法。摩擦系數(shù)λ的確定1層流區(qū)當(dāng)雷諾數(shù)Re小于2300時(shí)，流動(dòng)處于層流狀態(tài)，摩擦系數(shù)λ僅與雷諾數(shù)有關(guān)，λ=64/Re。2過(guò)渡區(qū)當(dāng)雷諾數(shù)Re介于2300和4000之間時(shí)，流動(dòng)處于過(guò)渡區(qū)，摩擦系數(shù)λ的確定較為復(fù)雜，需要查閱相關(guān)圖表或使用經(jīng)驗(yàn)公式。3紊流區(qū)當(dāng)雷諾數(shù)Re大于4000時(shí)，流動(dòng)處于紊流狀態(tài)，摩擦系數(shù)λ不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，還與管道的相對(duì)粗糙度有關(guān)。雷諾數(shù)Re1意義雷諾數(shù)Re是表征流體流動(dòng)狀態(tài)的重要無(wú)量綱參數(shù)，用于判斷流體流動(dòng)是層流還是紊流。2公式Re=(ρvD)/μ，其中：ρ為流體密度，v為流體平均流速，D為管道直徑，μ為流體動(dòng)力粘度。3應(yīng)用根據(jù)雷諾數(shù)的大小，可以確定摩擦系數(shù)λ的計(jì)算方法，從而計(jì)算沿程阻力損失。粗糙度ε絕對(duì)粗糙度絕對(duì)粗糙度ε是指管道內(nèi)壁表面不平整程度的量度，單位通常為毫米（mm）。不同的管道材料和制造工藝會(huì)導(dǎo)致不同的絕對(duì)粗糙度。相對(duì)粗糙度相對(duì)粗糙度ε/D是指絕對(duì)粗糙度與管道直徑D的比值，是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)。相對(duì)粗糙度越大，表明管道內(nèi)壁越粗糙，摩擦阻力越大。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯坎煌植诙裙艿缹?duì)摩擦系數(shù)的影響實(shí)驗(yàn)方法在不同粗糙度的管道中進(jìn)行流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量壓力損失和流速實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度ε/D的關(guān)系圖，為工程應(yīng)用提供了重要依據(jù)莫迪圖1定義莫迪圖是根據(jù)尼古拉茲實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制的，用于確定摩擦系數(shù)λ的圖表。2使用方法根據(jù)雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度ε/D，在莫迪圖上查出對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)λ。3優(yōu)點(diǎn)直觀(guān)方便，適用于工程估算?？屏胁斂斯娇屏胁斂斯绞怯?jì)算紊流區(qū)摩擦系數(shù)λ的隱式公式，具有較高的精度。其基本形式為：1/√λ=-2log(ε/(3.7D)+2.51/(Re√λ))。該公式需要通過(guò)迭代計(jì)算才能求解，可以使用計(jì)算器或計(jì)算機(jī)程序。盡管計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，但科列勃魯克公式被廣泛認(rèn)為是計(jì)算紊流區(qū)摩擦系數(shù)λ最可靠的公式之一。在對(duì)精度要求較高的工程項(xiàng)目中，通常會(huì)選擇使用該公式。科列勃魯克公式適用于各種類(lèi)型的管道，包括光滑管道和粗糙管道。在使用該公式時(shí)，需要注意單位統(tǒng)一，并進(jìn)行多次迭代計(jì)算，直至結(jié)果收斂。工程估算公式簡(jiǎn)化計(jì)算在工程實(shí)踐中，為了快速估算沿程阻力損失，可以使用一些經(jīng)驗(yàn)公式或簡(jiǎn)化公式。這些公式通常基于一定的假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，精度相對(duì)較低，但計(jì)算簡(jiǎn)便?？焖僭u(píng)估常見(jiàn)的工程估算公式包括海森-威廉姆斯公式等。這些公式適用于特定的流體和管道條件，在使用時(shí)需要注意其適用范圍。注意事項(xiàng)工程估算公式的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單快捷，但缺點(diǎn)是精度較低。因此，在使用時(shí)需要謹(jǐn)慎，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行修正。沿程阻力損失計(jì)算例題題目計(jì)算直徑為100mm，長(zhǎng)度為100m的鋼管中，水以2m/s的流速流動(dòng)時(shí)的沿程阻力損失。已知水的密度為1000kg/m3，動(dòng)力粘度為1×10?3Pa·s，鋼管的絕對(duì)粗糙度為0.1mm。解題步驟首先計(jì)算雷諾數(shù)Re，然后根據(jù)Re和相對(duì)粗糙度ε/D，查莫迪圖或使用科列勃魯克公式確定摩擦系數(shù)λ，最后代入達(dá)西公式計(jì)算沿程阻力損失。答案計(jì)算結(jié)果表明，該管道中的沿程阻力損失為XXXPa。局部阻力損失的計(jì)算局部阻力系數(shù)法局部阻力損失與流體動(dòng)能的乘積，通過(guò)局部阻力系數(shù)ζ來(lái)表征各種管件的阻力特性。1局部阻力系數(shù)ζ查閱相關(guān)手冊(cè)或文獻(xiàn)，獲取各種管件的局部阻力系數(shù)ζ，它是雷諾數(shù)和管件幾何形狀的函數(shù)。2計(jì)算結(jié)果將局部阻力系數(shù)ζ代入公式，即可計(jì)算出局部阻力損失。注意單位統(tǒng)一，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。3局部阻力系數(shù)ζ定義局部阻力系數(shù)ζ是表征局部阻力大小的無(wú)量綱參數(shù)，定義為局部阻力損失與流體動(dòng)能之比。影響因素局部阻力系數(shù)ζ的大小與管件的幾何形狀、流體的流動(dòng)狀態(tài)以及雷諾數(shù)等因素有關(guān)。獲取方法可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量、數(shù)值模擬或查閱相關(guān)手冊(cè)和文獻(xiàn)來(lái)獲取各種管件的局部阻力系數(shù)ζ。各種管件的局部阻力系數(shù)閥門(mén)閥門(mén)的局部阻力系數(shù)ζ因閥門(mén)類(lèi)型和開(kāi)度而異。全開(kāi)的閘閥ζ較小，而蝶閥ζ較大。彎頭彎頭的局部阻力系數(shù)ζ與彎頭的曲率半徑和彎曲角度有關(guān)。曲率半徑越小，彎曲角度越大，ζ越大。三通三通的局部阻力系數(shù)ζ因流體流動(dòng)方向而異。直通ζ較小，而支路ζ較大。閥門(mén)閘閥全開(kāi)時(shí)阻力小，但調(diào)節(jié)性能差，不宜用于流量調(diào)節(jié)。球閥阻力小，開(kāi)關(guān)迅速，適用于頻繁啟閉的場(chǎng)合。蝶閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，適用于大口徑管道。彎頭190°彎頭常用的彎頭類(lèi)型，阻力系數(shù)較大。245°彎頭阻力系數(shù)較小，適用于對(duì)阻力要求較低的場(chǎng)合。3彎曲半徑大的彎頭阻力系數(shù)最小，但占用空間較大。三通直通阻力系數(shù)較小，流體流動(dòng)方向不變。1分流阻力系數(shù)較大，流體分為兩路。2合流阻力系數(shù)較大，兩路流體匯合為一路。3漸擴(kuò)管1小角度阻力系數(shù)較小，能量損失較小。2大角度阻力系數(shù)較大，能量損失較大。漸縮管小角度阻力系數(shù)較小，能量損失較小。大角度阻力系數(shù)較大，能量損失較大。管路突變擴(kuò)大阻力系數(shù)較大，能量損失較大。縮小阻力系數(shù)較小，能量損失較小。局部阻力損失計(jì)算例題2彎頭計(jì)算90°彎頭的局部阻力損失，已知流速為2m/s，彎頭的局部阻力系數(shù)ζ為0.9。0.5閥門(mén)計(jì)算全開(kāi)閘閥的局部阻力損失，已知流速為2m/s，閘閥的局部阻力系數(shù)ζ為0.17。等效長(zhǎng)度法簡(jiǎn)化計(jì)算將局部阻力損失等效為一段具有相同阻力損失的直管段的長(zhǎng)度，從而簡(jiǎn)化計(jì)算。等效長(zhǎng)度各種管件的等效長(zhǎng)度可以通過(guò)查閱相關(guān)手冊(cè)或文獻(xiàn)來(lái)獲取?？傋枇p失將所有管件的等效長(zhǎng)度相加，再加上直管段的長(zhǎng)度，即可得到總的等效長(zhǎng)度，然后使用達(dá)西公式計(jì)算總的摩擦損失。等效長(zhǎng)度的概念1定義等效長(zhǎng)度是指一段直管段，其產(chǎn)生的沿程阻力損失與某個(gè)局部阻力元件（如彎頭、閥門(mén)等）產(chǎn)生的局部阻力損失相等。2意義等效長(zhǎng)度法可以將復(fù)雜的管道系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一段具有一定長(zhǎng)度的直管段，從而方便進(jìn)行摩擦損失的計(jì)算。3應(yīng)用在工程實(shí)踐中，等效長(zhǎng)度法被廣泛應(yīng)用于管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。不同管件的等效長(zhǎng)度管件類(lèi)型等效長(zhǎng)度（倍數(shù)于管道直徑D）90°彎頭30D45°彎頭16D全開(kāi)閘閥8D注：以上數(shù)據(jù)僅供參考，實(shí)際等效長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)具體情況查閱相關(guān)手冊(cè)。等效長(zhǎng)度法計(jì)算例題題目一段管道包括50m直管，2個(gè)90°彎頭，1個(gè)全開(kāi)閘閥，管道直徑為100mm。計(jì)算該管道的總摩擦損失，已知水的流速為2m/s，摩擦系數(shù)λ為0.02。解題步驟首先查閱相關(guān)手冊(cè)，獲取90°彎頭和全開(kāi)閘閥的等效長(zhǎng)度，然后計(jì)算總的等效長(zhǎng)度，最后使用達(dá)西公式計(jì)算總的摩擦損失。答案計(jì)算結(jié)果表明，該管道的總摩擦損失為XXXPa?？偰Σ翐p失的計(jì)算確定管路類(lèi)型根據(jù)管道的連接方式，將其分為串聯(lián)管路、并聯(lián)管路和復(fù)雜管路。計(jì)算各段摩擦損失分別計(jì)算各段管道的沿程阻力損失和局部阻力損失。計(jì)算總摩擦損失根據(jù)管路類(lèi)型，將各段管道的摩擦損失進(jìn)行疊加，得到總的摩擦損失。串聯(lián)管路1定義串聯(lián)管路是指流體依次流經(jīng)各個(gè)管道的管路，各個(gè)管道的流量相等。2總摩擦損失串聯(lián)管路的總摩擦損失等于各個(gè)管道的摩擦損失之和。3計(jì)算公式ΔP總=ΔP1+ΔP2+...+ΔPn。并聯(lián)管路定義并聯(lián)管路是指流體同時(shí)流經(jīng)各個(gè)管道的管路，各個(gè)管道的壓力損失相等。1總流量并聯(lián)管路的總流量等于各個(gè)管道的流量之和。2計(jì)算方法計(jì)算并聯(lián)管路的總摩擦損失需要進(jìn)行迭代計(jì)算，直到各個(gè)管道的壓力損失相等。3復(fù)雜管路定義復(fù)雜管路是指既有串聯(lián)又有并聯(lián)的管路，其摩擦損失的計(jì)算較為復(fù)雜。計(jì)算方法計(jì)算復(fù)雜管路的摩擦損失需要將管路分解為若干個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)的子管路，然后分別計(jì)算各個(gè)子管路的摩擦損失，最后進(jìn)行疊加。串聯(lián)管路計(jì)算例題題目一段串聯(lián)管路包括兩段管道，第一段管道的長(zhǎng)度為50m，直徑為100mm，第二段管道的長(zhǎng)度為30m，直徑為80mm。計(jì)算該串聯(lián)管路的總摩擦損失，已知水的流速為2m/s，摩擦系數(shù)λ為0.02。并聯(lián)管路計(jì)算例題Pipe1Pipe2一段并聯(lián)管路包括兩段管道，兩段管道的壓力損失都是150Pa。管道1的長(zhǎng)度為50m，直徑為100mm。管道2的長(zhǎng)度為30m，直徑為80mm。計(jì)算該并聯(lián)管路的總摩擦損失，已知水的流速為2m/s，摩擦系數(shù)λ為0.02。復(fù)雜管路計(jì)算例題題目一段復(fù)雜管路包括一段串聯(lián)管路和一段并聯(lián)管路，計(jì)算該復(fù)雜管路的總摩擦損失，已知水的流速為2m/s，摩擦系數(shù)λ為0.02。解題步驟首先將管路分解為串聯(lián)和并聯(lián)的子管路，然后分別計(jì)算各個(gè)子管路的摩擦損失，最后進(jìn)行疊加。答案計(jì)算結(jié)果表明，該復(fù)雜管路的總摩擦損失為XXXPa。非圓形管道的摩擦損失水力直徑使用水力直徑的概念將非圓形管道轉(zhuǎn)化為等效的圓形管道，從而可以使用達(dá)西公式進(jìn)行計(jì)算。摩擦系數(shù)修正對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行修正，以考慮非圓形管道的特殊形狀對(duì)摩擦損失的影響。計(jì)算方法將水力直徑和修正后的摩擦系數(shù)代入達(dá)西公式，即可計(jì)算非圓形管道的摩擦損失。水力直徑的概念定義水力直徑是指非圓形管道的橫截面積的4倍與濕周之比。公式Dh=4A/P，其中：A為橫截面積，P為濕周。應(yīng)用使用水力直徑可以將非圓形管道轉(zhuǎn)化為等效的圓形管道，從而可以使用達(dá)西公式進(jìn)行計(jì)算。非圓形管道的摩擦系數(shù)修正由于非圓形管道的流動(dòng)特性與圓形管道不同，因此需要對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行修正。常用的修正方法是引入一個(gè)修正系數(shù)，該系數(shù)與管道的形狀有關(guān)。例如，矩形管道的修正系數(shù)為0.9，橢圓形管道的修正系數(shù)為0.95。非圓形管道摩擦損失計(jì)算例題1矩形計(jì)算截面為100mm×50mm的矩形管道中，水以2m/s的流速流動(dòng)時(shí)的摩擦損失，已知水的密度為1000kg/m3，動(dòng)力粘度為1×10?3Pa·s，管道的摩擦系數(shù)為0.02。氣體流動(dòng)中的摩擦損失可壓縮性氣體具有可壓縮性，其密度隨壓力和溫度的變化而變化，這會(huì)影響摩擦損失的計(jì)算。1高速氣流在高速氣流中，摩擦損失會(huì)顯著增加，需要考慮氣體的可壓縮性效應(yīng)。2計(jì)算方法計(jì)算氣體流動(dòng)中的摩擦損失需要使用氣體狀態(tài)方程和相關(guān)的修正公式。3氣體可壓縮性的影響Pressure(Pa)Density(kg/m^3)氣體的密度隨壓力的增加而增加，這會(huì)導(dǎo)致摩擦損失的增加。在高壓氣體管道中，必須考慮氣體的可壓縮性效應(yīng)，才能準(zhǔn)確計(jì)算摩擦損失。否則，計(jì)算結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。高速氣流的摩擦損失馬赫數(shù)摩擦損失的影響低馬赫數(shù)摩擦損失與流速的平方成正比高馬赫數(shù)摩擦損失會(huì)顯著增加，需要考慮可壓縮性效應(yīng)當(dāng)氣體的流速接近或超過(guò)音速時(shí)，氣體的可壓縮性效應(yīng)會(huì)變得非常顯著，導(dǎo)致摩擦損失的急劇增加。此時(shí)，需要使用專(zhuān)門(mén)的高速氣流摩擦損失計(jì)算公式。影響摩擦損失的因素流體性質(zhì)流體的密度、粘度等性質(zhì)會(huì)直接影響摩擦損失的大小。密度越大，粘度越大，摩擦損失越大。管道材料管道材料的粗糙度會(huì)影響摩擦損失的大小。粗糙度越大，摩擦損失越大。流速流速越高，摩擦損失越大。摩擦損失與流速的平方成正比。流體性質(zhì)密度密度越大，慣性力越大，摩擦損失越大。粘度粘度越大，流體內(nèi)部的摩擦力越大，摩擦損失越大。溫度溫度會(huì)影響流體的密度和粘度，從而影響摩擦損失。管道材料鋼管表面粗糙度較大，摩擦損失較大。銅管表面光滑，摩擦損失較小。塑料管表面非常光滑，摩擦損失最小。管道內(nèi)壁粗糙度影響管道內(nèi)壁的粗糙度直接影響流體與管壁之間的摩擦力，從而影響摩擦損失的大小。測(cè)量管道內(nèi)壁粗糙度可以使用粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量。選擇在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量選擇內(nèi)壁光滑的管道材料，以減少摩擦損失。流速1低速摩擦損失較小。2高速摩擦損失顯著增加。3臨界速度超過(guò)臨界速度，流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，摩擦損失會(huì)急劇增加。溫度Temperature(°C)Viscosity(Pa·s)溫度會(huì)影響流體的密度和粘度，從而影響摩擦損失。一般來(lái)說(shuō)，溫度升高，流體的粘度會(huì)降低，摩擦損失會(huì)減小。但是，對(duì)于某些特殊的流體，溫度的影響可能較為復(fù)雜。壓力液體壓力對(duì)液體摩擦損失的影響較小，可以忽略不計(jì)。氣體壓力對(duì)氣體摩擦損失的影響較大，需要考慮氣體的可壓縮性效應(yīng)。對(duì)于液體，壓力對(duì)摩擦損失的影響通常較小，可以忽略不計(jì)。但是，對(duì)于氣體，壓力會(huì)顯著影響其密度和粘度，從而影響摩擦損失，尤其是在高壓氣體管道中。工程應(yīng)用中的摩擦損失管道設(shè)計(jì)在管道設(shè)計(jì)中，需要合理選擇管道的直徑、材料和布局，以減少摩擦損失，降低能量消耗。1泵的選擇在泵的選擇中，需要根據(jù)管道的摩擦損失和流量要求，選擇合適的泵的型號(hào)和參數(shù)。2流量測(cè)量通過(guò)測(cè)量管道的壓力損失，可以計(jì)算流體的流量。3管道設(shè)計(jì)直徑選擇選擇合適的管道直徑，既要滿(mǎn)足流量要求，又要避免流速過(guò)高導(dǎo)致摩擦損失過(guò)大。材料選擇選擇內(nèi)壁光滑的管道材料，以減少摩擦損失。布局優(yōu)化優(yōu)