第四章流体动量传输中的阻力精选文档.ppt

第四章流体动量传输中的阻力本讲稿第一页，共四十七页1.1.流动阻力的分类流动阻力的分类 （1 1）管流摩擦阻力）管流摩擦阻力-流体在管路系统中流动时受到的磨擦阻力；流体在管路系统中流动时受到的磨擦阻力；(沿程阻力损失、沿程阻力损失、长度损失长度损失h hf f)（2 2）绕流摩擦阻力）绕流摩擦阻力-流体流过固体物体外表面时受到的磨擦阻力；流体流过固体物体外表面时受到的磨擦阻力；（3 3）管路系统内的局部阻力）管路系统内的局部阻力-流体因流体因流道形状变化流道形状变化时受到的流动阻力；时受到的流动阻力；（局部阻力损失（局部阻力损失h hj j）（4 4）复杂流动状态时的综合阻力。）复杂流动状态时的综合阻力。2.2.流动阻力的表达流动阻力的表达:式中：式中：u u为流体的运动速度（为流体的运动速度（m/sm/s）；）；为流体的密度（为流体的密度（kg/mkg/m3 3）；）；K K为阻力系数。为阻力系数。K-K-速度水头的倍数速度水头的倍数阻阻力力系系数数法法：将将局局部部阻阻力力表表示示为为动能的某一倍数。动能的某一倍数。基本概念基本概念单位为压强单位为压强本讲稿第二页，共四十七页3.3.能量损失能量损失 流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体层之间或流体之间的湍流产生的内流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体层之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力，使一部分机械能转化为热能。我们把这部分机械能称为能量损失。能量损失可摩擦阻力，使一部分机械能转化为热能。我们把这部分机械能称为能量损失。能量损失可以通过以通过阻力计算阻力计算阻力计算阻力计算求得。求得。4.4.用水头线表示用水头线表示本讲稿第三页，共四十七页第一节第一节 管流摩擦阻力管流摩擦阻力一、管内层流摩阻一、管内层流摩阻层流摩擦阻力层流摩擦阻力层流摩擦阻力层流摩擦阻力 不同流速的流层之间的粘性阻力引起。不同流速的流层之间的粘性阻力引起。不同流速的流层之间的粘性阻力引起。不同流速的流层之间的粘性阻力引起。对于：对于：动量平衡方程为：动量平衡方程为：剪力差压力差剪力差压力差剪力差压力差剪力差压力差0 0 0 0 （合力为零，匀速运动）（合力为零，匀速运动）（合力为零，匀速运动）（合力为零，匀速运动）水平长管水平长管 重力对流动无影响重力对流动无影响不可压缩不可压缩 对流动量之差为对流动量之差为0 0稳定流动稳定流动 动量累积为动量累积为0 0本讲稿第四页，共四十七页速度分布：速度分布：当当r=0r=0时，速度最大：时，速度最大：（速度呈抛物线分布）（速度呈抛物线分布）平均速度：平均速度：本讲稿第五页，共四十七页根据工程伯努利方程有：根据工程伯努利方程有：=0=0=0=0=0=0流动阻力用压差表示流动阻力用压差表示本讲稿第六页，共四十七页（P57P57）为流体的雷诺数为流体的雷诺数 流体层流摩擦阻力流体层流摩擦阻力系数系数 流体层流摩擦阻力流体层流摩擦阻力流体层流摩擦阻力流体层流摩擦阻力系数系数系数系数 摩擦阻力系数：摩擦阻力系数：对直管，用对直管，用摩擦系数摩擦系数表示表示压差压差与与流速流速的关系还是很方便的关系还是很方便的，摩擦系数的，摩擦系数f fr r定义为：定义为：本讲稿第七页，共四十七页摩擦系数：摩擦系数：由此可知，摩擦系数是由此可知，摩擦系数是压差压差或或摩擦功率摩擦功率与与平均流速平均流速之间之间的比例系数。应当再一次指出，上述定义只适用于的比例系数。应当再一次指出，上述定义只适用于直管内的直管内的直管内的直管内的层流层流层流层流。本讲稿第八页，共四十七页管道摩擦系数与雷诺数的关系：管道摩擦系数与雷诺数的关系：（P58P58）本讲稿第九页，共四十七页本讲稿第十页，共四十七页层流区层流区过渡区过渡区湍流区湍流区完全湍流，粗糙管完全湍流，粗糙管光滑管光滑管Re/dfr摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系(双对数坐标双对数坐标)本讲稿第十一页，共四十七页上图可以分成上图可以分成4个不同区域。个不同区域。层流区：层流区：Re 2320，与，与/d无关。无关。过渡区：过渡区：2320 Re 3000湍流区：湍流区：Re 3000,fr与与Re 和和/d有关。有关。完全湍流区完全湍流区(阻力平方区阻力平方区)：fr与与Re 无关，无关，仅与仅与/d有关。有关。复习绝对粗糙度和相对粗糙度复习绝对粗糙度和相对粗糙度复习绝对粗糙度和相对粗糙度复习绝对粗糙度和相对粗糙度本讲稿第十二页，共四十七页用当量直径用当量直径dede取代圆管直径。借用圆管各公式。取代圆管直径。借用圆管各公式。二、非圆形管内的流动阻力二、非圆形管内的流动阻力本讲稿第十三页，共四十七页三、管内紊流摩阻三、管内紊流摩阻 根据普朗特（根据普朗特（PrandtlPrandtl）紊流动量传递理论）紊流动量传递理论(或称混合长理论或称混合长理论)，得到紊流状态下的，得到紊流状态下的摩擦系数关系式为：摩擦系数关系式为：ReRe3103105 510106 6 Re10Re105 5 金属管壁金属管壁 砖砌管壁砖砌管壁 工程上常采用的经验数值为：金属光滑管道工程上常采用的经验数值为：金属光滑管道f fr r=0.025=0.025；金属氧化管道；金属氧化管道f fr r =0.035=0.035；金属生锈管道；金属生锈管道 f fr r=0.045=0.045；砖砌管道；砖砌管道 f fr r=0.05=0.05。本讲稿第十四页，共四十七页四、圆管进口段的流动阻力四、圆管进口段的流动阻力层流入口段长度：层流入口段长度：紊流入口段长度：紊流入口段长度：1.1.入口段的流动入口段的流动通常采用近似的实验结果：通常采用近似的实验结果：L Le e=(25=(2540)d40)d。本讲稿第十五页，共四十七页2.2.入口段的压头损失入口段的压头损失流体在入口段的能量损失流体粘性引起的能量损失附加能量损失流体在入口段的能量损失流体粘性引起的能量损失附加能量损失流体的压差（压头损失）可表示为：流体的压差（压头损失）可表示为：K K为粘性阻力系数，为粘性阻力系数，K Ke e为进口段附加阻力系数。因此，总阻力系数为进口段附加阻力系数。因此，总阻力系数K K：本讲稿第十六页，共四十七页3.3.层流进口段阻力损失层流进口段阻力损失（1 1）阻力系数）阻力系数当当LLeLLe：附加阻力系数：附加阻力系数KeKe与雷诺数与雷诺数ReRe无关（其值为：无关（其值为：2.2-2.42.2-2.42.2-2.42.2-2.4）。）。当当L LLeLe：本讲稿第十七页，共四十七页（2 2）压头损失）压头损失（3 3）平均速度：）平均速度：（4 4）流量：）流量：C Ce e为层流进口段效应流量修正系数。当为层流进口段效应流量修正系数。当L L很大时，很大时，C Ce e接接近于近于1 1，即对于长圆管不需进行修正；但对于短圆，即对于长圆管不需进行修正；但对于短圆管，则必须考虑进口段效应。管，则必须考虑进口段效应。本讲稿第十八页，共四十七页4.4.紊流进口段阻力损失紊流进口段阻力损失（1 1）阻力系数（）阻力系数（40004000ReRe10105 5）当当LLeLLe：阻力系数：阻力系数KeKe为为1.071.07，如进口端尖锐，加，如进口端尖锐，加0.70.7。当当L LLeLe：本讲稿第十九页，共四十七页（2 2）压头损失）压头损失C Ce e为紊流进口段效应流量修正系数。为紊流进口段效应流量修正系数。本讲稿第二十页，共四十七页（3 3）平均速度）平均速度（4 4）流量）流量本讲稿第二十一页，共四十七页进口：流体自容器进入管内。进口：流体自容器进入管内。K K进口进口=0.5 =0.5 进口阻力系数进口阻力系数出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外空间。出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外空间。K K出口出口=1 =1 出口阻力系数出口阻力系数5.5.管进口及出口管进口及出口本讲稿第二十二页，共四十七页6.6.弯管和折管弯管和折管本讲稿第二十三页，共四十七页7.7.阀门阀门本讲稿第二十四页，共四十七页本讲稿第二十五页，共四十七页五、明渠流动五、明渠流动力的平衡关系可表示为：力的平衡关系可表示为：定义明渠流摩擦系数为：定义明渠流摩擦系数为：雷诺数雷诺数ReRe大于大于50005000时，摩擦系时，摩擦系数与雷诺数无关，与渠壁的粗糙度有数与雷诺数无关，与渠壁的粗糙度有关，其大小为：关，其大小为：明渠是一种人工修建或自然形成的渠槽，当流体通过渠槽时，将形成与明渠是一种人工修建或自然形成的渠槽，当流体通过渠槽时，将形成与大气相接触的自由表面，表面上各点压强均为大气压，称为明渠流或无压流。大气相接触的自由表面，表面上各点压强均为大气压，称为明渠流或无压流。本讲稿第二十六页，共四十七页（1 1）平均速度）平均速度（2 2）流量）流量本讲稿第二十七页，共四十七页第二节第二节 管流局部阻力管流局部阻力一、管道截面突然扩大一、管道截面突然扩大u1u2（1 1）阻力）阻力用用u u1 1表示表示用用u u2 2表示表示（2 2）阻力系数）阻力系数用用u u1 1表示表示用用u u2 2表示表示管道截面突然扩大的局部阻力系数只与管道的截面变化有关，与雷诺数无关。管道截面突然扩大的局部阻力系数只与管道的截面变化有关，与雷诺数无关。本讲稿第二十八页，共四十七页二、管道截面突然缩小二、管道截面突然缩小（1 1）阻力）阻力（2 2）阻力系数）阻力系数缩流系数，由试验确定，通常取缩流系数，由试验确定，通常取缩流系数，由试验确定，通常取缩流系数，由试验确定，通常取0.620.620.620.62。本讲稿第二十九页，共四十七页当量长度法：当量长度法：流体流经管件，阀门等时引起的局部阻力损失流体流经管件，阀门等时引起的局部阻力损失流体流经管件，阀门等时引起的局部阻力损失流体流经管件，阀门等时引起的局部阻力损失h h h hf f f f等同于流过一等同于流过一等同于流过一等同于流过一般与其具有相同直径，长度为般与其具有相同直径，长度为般与其具有相同直径，长度为般与其具有相同直径，长度为L L L Le e e e的直管的阻力的直管的阻力的直管的阻力的直管的阻力.三、局部阻力的近似计算三、局部阻力的近似计算 1.1.由实验方法确定局部阻力系数由实验方法确定局部阻力系数K K值。值。2.2.用当量长度直管的摩擦损失来代替局部损失。用当量长度直管的摩擦损失来代替局部损失。L Le e 当量长度，表示由管件引起的局部阻力损失。相当于流过一段直径相同，长度为当量长度，表示由管件引起的局部阻力损失。相当于流过一段直径相同，长度为LeLe的直管的直管所损失的能量，其值可查共线图和列线图。所损失的能量，其值可查共线图和列线图。总阻力：总阻力：本讲稿第三十页，共四十七页当量长度当量长度共线图共线图此图使用说明：此图使用说明：从左边竖线从左边竖线找出管线或阀门的相应点，从找出管线或阀门的相应点，从右侧找到管径值的相应位置点，右侧找到管径值的相应位置点，两点连线交于中线，其交点即两点连线交于中线，其交点即为相应管件、阀门的当量长度。为相应管件、阀门的当量长度。本讲稿第三十一页，共四十七页第三节第三节 管流系统阻力管流系统阻力一、减小系统阻力的方法一、减小系统阻力的方法 1.1.管道直径与管道直径与“经济流速经济流速”管道直径的确定应兼顾减小沿程阻力管道直径的确定应兼顾减小沿程阻力和降低工程造价。和降低工程造价。流量流量V VS S一般由生产任务决定。一般由生产任务决定。流速选择：流速选择：管管径径的的估估算算(对对于于圆形管道圆形管道)：u u d d设备费用设备费用 流动阻力流动阻力动力消耗动力消耗操作费操作费均衡均衡考虑考虑u uu u适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费本讲稿第三十二页，共四十七页常用流体适宜流速范围：常用流体适宜流速范围：水及一般液体水及一般液体 1 13 m/s3 m/s粘度较大的液体粘度较大的液体 0.5 0.51 m/s1 m/s低压气体低压气体 8 815 m/s15 m/s压力较高的气体压力较高的气体 15 1525 m/s 25 m/s 2.2.降低局部阻力降低局部阻力 尽量不安装不必要的管件和阀门等；尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些管径适当大些;将突然扩大或缩小变为逐惭扩大或缩小；将突然扩大或缩小变为逐惭扩大或缩小；以两个以两个4545转弯或圆转弯代替转弯或圆转弯代替9090转弯；转弯；使用导向叶片等。使用导向叶片等。3.3.降低摩擦阻力降低摩擦阻力 管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；采用光滑管。采用光滑管。本讲稿第三十三页，共四十七页二、管路系统的计算二、管路系统的计算1.1.简单管路计算简单管路计算 VsVs1 1,d,d1 1VsVs3 3,d,d3 3VsVs2 2,d,d2 2（1 1）已知）已知L L、d d、q qv v，求，求h hf f ;（2 2）已知）已知h hf f、L L、d d，求，求u u或或q qv v 基本方程：基本方程：连续性方程：连续性方程：柏努利方程：柏努利方程：阻力计算（摩擦系数）：阻力计算（摩擦系数）：流流体体通通过过各各管管段段的的质质量量流流量量不不变变，对对于于不不可可压缩流体，则压缩流体，则体积流量体积流量也不变。也不变。整整个个管管路路的的总总能能量量损损失失等等于于各各段段能能量量损损失失之和之和 。特点：特点：本讲稿第三十四页，共四十七页2.2.串联管路计算串联管路计算 串联管路是由若干段简单管路（包括直通、变直径以及变流向串联管路是由若干段简单管路（包括直通、变直径以及变流向各种情况）首尾相接组合而成。其特点是各段流量相同，阻力损失各种情况）首尾相接组合而成。其特点是各段流量相同，阻力损失为各段摩擦与局部阻力为各段摩擦与局部阻力之和之和之和之和。（P66P66P66P66例例例例4-24-24-24-2）本讲稿第三十五页，共四十七页3.3.并联管路计算并联管路计算 并联管路是由若干支管并联组合而成。并联管路的特点是：并联管路是由若干支管并联组合而成。并联管路的特点是：各支路各支路阻阻力损失力损失相同，管路流量为各支路流量之和，相同，管路流量为各支路流量之和，即：即：Q QQ Q1 1Q Q2 2Q Q3 3B BA A注注意意：计计算算并并联联管管路路阻阻力力时时，仅仅取取其中一支路即可，不能重复计算。其中一支路即可，不能重复计算。本讲稿第三十六页，共四十七页证明证明:本讲稿第三十七页，共四十七页并联管路的流量分配并联管路的流量分配:支管越长、管径越小、阻力系数越大支管越长、管径越小、阻力系数越大流量越小；流量越小；反之反之 流量越大。流量越大。本讲稿第三十八页，共四十七页4.4.分支管路计算分支管路计算 P P1 1P P2 20 01 12 2Q QQ1Q1Q Q2 2 Q=Q Q=Q1 1+Q+Q2 2HH1 1=H=H2 2 (各支管终点总能量相等各支管终点总能量相等各支管终点总能量相等各支管终点总能量相等)0-10-10-20-2对多个分支，则有：对多个分支，则有：证明：证明：比较上两式，得：比较上两式，得：本讲稿第三十九页，共四十七页第四节第四节 流量与流速的测定流量与流速的测定一、流量的测量一、流量的测量1.1.孔板流量计孔板流量计21RA1A0A2（管嘴及文德里流（管嘴及文德里流量计自学）量计自学）流体流过一收缩管道部分时，流速加快，流体流过一收缩管道部分时，流速加快，此时流体的动能增加，而相应的压能亦将发此时流体的动能增加，而相应的压能亦将发生变化，并反映在压差上而被测量出来。因生变化，并反映在压差上而被测量出来。因此，根据流动过程中流体的质量和能量平衡此，根据流动过程中流体的质量和能量平衡关系关系(伯努利方程伯努利方程)，通过测得的，通过测得的压差值压差值压差值压差值可计可计算出流体的流量。算出流体的流量。本讲稿第四十页，共四十七页流量方程式：流量方程式：对图示的水平管道，在对图示的水平管道，在1 1、2 2截面间列柏努利方程式，即截面间列柏努利方程式，即:根据连续性方程，有：根据连续性方程，有：联立上两式，则有：联立上两式，则有：则质量流量为：则质量流量为：本讲稿第四十一页，共四十七页2.2.转子流量计转子流量计组成：锥形玻璃管和转子组成：锥形玻璃管和转子原理：转子上下的压差与转子的净重力（重力与浮原理：转子上下的压差与转子的净重力（重力与浮力之差）相等。力之差）相等。从转子的从转子的悬浮高度悬浮高度悬浮高度悬浮高度直接读取直接读取流量数值流量数值流量数值流量数值。n流体通过转子与管壁的环隙时流体通过转子与管壁的环隙时,由于通道截面积减小由于通道截面积减小,流速增流速增大大,流体的静压力降低流体的静压力降低,使转子上下产生压力差使转子上下产生压力差.也就是说也就是说,转转子上下的压力差是由于流体通过环隙时流速增大而形成的子上下的压力差是由于流体通过环隙时流速增大而形成的.n对特定的转子和特定的流体对特定的转子和特定的流体,转子横截面积不变转子横截面积不变,流体的流体的流流量越大量越大,转子在锥管中上升的转子在锥管中上升的位置越高位置越高,环隙面积越大环隙面积越大.本讲稿第四十二页，共四十七页00111 10 0转子受力平衡：转子受力平衡：在在1-11-1和和0-00-0截面间列柏努利方程：截面间列柏努利方程：动能差动能差 本讲稿第四十三页，共四十七页由连续性方程：由连续性方程：C CR R转子流量系数转子流量系数 体积流量：体积流量：本讲稿第四十四页，共四十七页二、流体速度的测量二、流体速度的测量1.1.皮托管皮托管点速度：点速度：内管所测的是静压能内管所测的是静压能p p1 1/和动能和动能u u1 12 2/2/2之和，合称为之和，合称为冲压能冲压能冲压能冲压能，即：，即：外管壁上的外管壁上的测压小孔测压小孔测压小孔测压小孔与流体流动方向平与流体流动方向平行，故外管测的是流体静压能行，故外管测的是流体静压能p p1 1/。压差计读数反映压差计读数反映冲压能冲压能冲压能冲压能与与静压能静压能静压能静压能之差，即：之差，即：本讲稿第四十五页，共四十七页 若该若该U U型管压差计的读数为型管压差计的读数为R R，指示液的密度为，指示液的密度为0 0，流体的密度为，流体的密度为，则根据静力，则根据静力学基本方程，可得：学基本方程，可得：当被测的流体为气体时，上式可化简为：当被测的流体为气体时，上式可化简为：注：测速管测得的是流体的点速度。注：测速管测得的是流体的点速度。本讲稿第四十六页，共四十七页2.2.其他流体测量装置其他流体测量装置（自学）（自学）热膜或热线速仪热膜或热线速仪激光测速仪激光测速仪示踪剂配合的延时摄影法示踪剂配合的延时摄影法干涉仪法干涉仪法纹影照法纹影照法3.3.金属熔体的流速测量金属熔体的流速测量（自学）（自学）本讲稿第四十七页，共四十七页