流體流動流體流動阻力

流體流動流體流動阻力第一頁，共五十二頁，2022年，8月28日用柏努利方程式解題時的注意事項：(3)確定基準面

基準面是用以衡量位能大小的基準。必須與地面平行；宜于選取兩截面中位置較低的截面；若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準面應選過管中心線的水平面。強調(diào)：只要在連續(xù)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，任意兩個截面均可選用。不過，為了計算方便，截面常取在輸送系統(tǒng)的起點和終點的相應截面。

第二頁，共五十二頁，2022年，8月28日(4)壓力

各物理量的單位應保持一致，柏努利方程式中的壓力p1與p2只能同時使用表壓或絕對壓力，不能混合使用。（5）流速如果兩個橫截面積相差很大，則可取大截面處的流速為零。用柏努利方程式解題時的注意事項：第三頁，共五十二頁，2022年，8月28日(6)外加能量

外加能量We在上游截面一側，能量損失hf在下游截面一側。外加能量We是對每kg流體而言的，若要計算的軸功率，需將W乘以質(zhì)量流量，再除以效率。（7）方程的選用

不同基準柏努利方程式的選用：通常依據(jù)習題中損失能量或損失壓頭的單位，選用相同基準的柏努利方程。第四頁，共五十二頁，2022年，8月28日例用泵將貯槽(通大氣)中的稀堿液送到蒸發(fā)器中進行濃縮，如附圖所示。泵的進口管為φ89×3.5mm的鋼管，堿液在進口管的流速為1.5m/s，泵的出口管為φ76×2.5mm的鋼管。貯槽中堿液的液面距蒸發(fā)器入口處的垂直距離為7m，堿液經(jīng)管路系統(tǒng)的能量損失為40J/kg，蒸發(fā)器內(nèi)堿液蒸發(fā)壓力保持在0.2kgf/cm2（表壓），堿液的密度為1100kg/m3。試計算所需的外加能量。第五頁，共五十二頁，2022年，8月28日基準第六頁，共五十二頁，2022年，8月28日式中，z1=0，z2=7；p1=0(表壓)，p2=0.2kgf/cm2×9.8×104=19600Pa，u10,u2=u1(d2/d1)2=1.5((89-2×3.5)/(76-2×2.5))2=2.0m/s代入上式，得W=128.41J/kg解：解題要求規(guī)范化第七頁，共五十二頁，2022年，8月28日流體流動過程要解決的重要問題之一：流體流動的阻力本節(jié)核心內(nèi)容：分析流動阻力形成因素、計算流動阻力第四節(jié)流體流動的阻力與能量損失第八頁，共五十二頁，2022年，8月28日一、流體的黏度1、流體阻力的表現(xiàn)和來源（1）阻力的表現(xiàn)如圖由兩截面間的柏努利方程式可得：即：

第九頁，共五十二頁，2022年，8月28日結論：流體阻力致使靜壓能下降。阻力越大，靜壓能下降就越多。（2）流體阻力的來源內(nèi)摩擦是產(chǎn)生流體阻力的根本原因。流體流動狀況是產(chǎn)生流體阻力的第二位原因。管壁粗糙程度和管子的長度、直徑均對流體陰力的大小有影響。第十頁，共五十二頁，2022年，8月28日2．流體的黏度（粘度）黏性（粘性）：流體流動時流層之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的這種特性，稱為黏性。黏性是決定流體內(nèi)摩擦力大小的物理量。黏性↑、內(nèi)摩擦力↑、流體阻力↑黏度：衡量流體黏性大小的物理量。（黏性系數(shù)或動力黏度）符號：。第十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日（1）黏度的單位物理單位制：（dyn·s/cm2），稱為（泊），符號：P由于泊的單位太大，一般常用的是厘泊（cP）。1P＝100cPSI制中：（N·s/m2）或（Pa·s）。物理單位制中黏度的單位與SI制中黏度單位的換算關系如下：1Pa·s=10P=1000cP=1000mPa·s或者1cP=1mPa·s流體的黏度隨溫度而變化。壓力對流體黏度的影響可忽略不計。液體:T↑，↓。氣體：T↑，↑。第十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日

單一流體的黏度可由實驗測定或從手冊上查到混合物的黏度在缺乏實驗數(shù)據(jù)時，可選用經(jīng)驗公式估算。3.運動黏度

有時用運動黏度來衡量流體的黏性，表示為黏度μ與密度ρ的之比。

m2/s第十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日4、混合物黏度的計算（1）互溶的混合液體（2）混合氣體第十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日二、流體流動的類型1、雷諾實驗a.層流b.過渡流c.湍流第十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日2．流動類型及其判定（1）流體的兩種流動類型層流（或滯流）：流體質(zhì)點僅沿著與管軸平行的方向作直線運動，質(zhì)點無徑向脈動，質(zhì)點之間互不混合；即分層流動。湍流（或紊流）：流體質(zhì)點除了沿管軸方向向前流動外，還有徑向脈動，各質(zhì)點的速度在大小和方向上都隨時變化，質(zhì)點互相碰撞和混合。（附：三種流體流動類型的演示圖）第十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日（2）流動類型的判定流動類型判定依據(jù)——雷諾準數(shù)

雷諾準數(shù)物理意義：反映了影響流體流動類型的主要因素，標志著流體流動的湍動程度Re≤2000時，流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re≥4000時，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000<Re<4000時，流動可能是層流，也可能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。P36，例題1-21第十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日3．當量直徑如果管路的截面不是圓形，Re計算式中的d應用當量直徑de當代替。按下式計算：

對于邊長為a和b的長方形管路，則第十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日對于套管環(huán)隙的當量直徑，若外管的內(nèi)徑為，內(nèi)管的外徑為，則：圖1-17環(huán)形截面第十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日三、圓管內(nèi)流體的速度分布

由于流體流動時，流體質(zhì)點之間、流體與管壁之間都有摩擦阻力。因此，靠近管壁附近處的流層流速較小，附在管壁上的流層流速為零，離管壁越遠流速越大，在管中心線上流速最大。

第二十頁，共五十二頁，2022年，8月28日1．層流時的速度分布2．湍流時的速度分布3．流體邊界層：在湍流時無論流體主體湍動的程度如何劇烈，在靠近管壁處總粘附著一層作層流流動的流體薄層。其厚度雖然很小，但對流體傳熱、傳質(zhì)等方面影響很大。層流邊界層的厚度與Re有關，Re值越大，厚度越?。环粗酱?。第二十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日1、流體阻力產(chǎn)生的原因流體粘性－－產(chǎn)生摩擦阻力的內(nèi)因湍流應力－－產(chǎn)生摩擦阻力的外因四、流體流動阻力與范寧公式2、流體阻力的分類直管阻力損失（沿程阻力損失）

－流體流經(jīng)直管產(chǎn)生的機械能損失局部阻力損失

－流體流經(jīng)管件、閥門產(chǎn)生的機械能損失第二十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日分類：按材料：鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬、塑料管及橡膠管等；按加工方法：鋼管又有有縫與無縫之分；按顏色：有色金屬管又可分為紫銅管、黃銅管、鉛管及鋁管等。管子(pipe)第二十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日作用：改變管道方向(彎頭);

連接支管(三通);改變管徑(變形管);堵塞管道(管堵)。螺旋接頭卡箍接頭彎頭三通變形管管件：管與管的連接部件。管件(pipefitting)第二十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日第二十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日第二十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日截止閥閘閥球閥蝶閥止逆閥(止回閥裝于管道中用以開關管路或調(diào)節(jié)流量。閥門

(Valve)第二十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日蝶閥第二十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日第二十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日第三十頁，共五十二頁，2022年，8月28日3、阻力損失計算通式

-范寧公式分析流體在直徑為d，長度為l的水平管內(nèi)的水平受力圓直管中的范寧公式推導第三十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日FF

u

p1Ｐ2ld121`2`第三十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日對勻速運動，合力為零，即：第三十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日

已知不可壓縮流體在水平等徑管內(nèi)作穩(wěn)定流動時，柏努利方程為：

上式為流體在圓形直管流動時，阻力損失與摩擦應力之間的一般關系式。第三十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日阻力損失與流速有關，將hf表示為動能的函數(shù)，即：第三十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日

范寧（Fanning)公式，λ為摩擦系數(shù)?；颍毫睿旱谌?，共五十二頁，2022年，8月28日4、阻力能量損失的各種表示法－單位質(zhì)量流體流動阻力能量損失，J/kg－單位重量流體流動阻力能量損失，

J/N=m，也稱阻力壓頭。

－單位體積流體流動阻力能量損失，J/m3=Pa，也稱為壓力降或壓力損失。第三十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日湍流運動時，管壁的粗糙度對阻力、能量的損失有較大的影響。絕對粗糙度：管壁粗糙部分的平均高度。相對粗糙度

/d：絕對粗糙度與管道直徑的比值。duε5、管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響第三十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日材料與加工精度；光滑管：玻璃管，銅管等；粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。使用時間；絕對粗糙度可查表或相關手冊(P40，表1-2)。

粗糙度的產(chǎn)生第三十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日duδbbεδb>ε層流運動流體運動速度較慢,與管壁碰撞不大，因此對阻力、摩擦系數(shù)無影響，只與Re有關。層流時，在粗糙管的流動與在光滑管的流動相同。

粗糙度對摩擦系數(shù)的影響第四十頁，共五十二頁，2022年，8月28日δb<εδb>εδb<εεdδbuduδbbεδb>ε，Re

δb

質(zhì)點通過凸起部分時產(chǎn)生漩渦能耗對摩擦系數(shù)有影響。湍流運動阻力與層流相似，此時稱為水力光滑管。第四十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日五、流體流動的阻力損失計算1、直管阻力損失計算式中：

—流體在圓形直管中流動時的損失能量，J/kg；

—管長，m；

—管內(nèi)徑，m；

—動能，J/kg；

—摩擦系數(shù)，無單位第四十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日

摩擦系數(shù)與管內(nèi)流體流動時的雷諾數(shù)Re有關，也與管道內(nèi)壁的粗糙程度有關。（1）層流時的摩擦系數(shù)流體作層流流動時，摩擦系數(shù)只與雷諾數(shù)Re有關，而與管壁的粗糙程度無關（公式推導過程略）。（2）湍流時的摩擦系數(shù)當流體呈湍流時，摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re及管壁粗糙程度都有關。通常是通過實驗，將與Re的函數(shù)關系標繪在雙對數(shù)坐標系中，如圖P44頁1-24所示。

過渡流時，管內(nèi)流動隨外界條件的影響而出現(xiàn)不同的類型。工程計算中一般按湍流處理，將相應湍流時的曲線延伸查取值。第四十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日Re/d滯流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)完全湍流，粗糙管光滑管摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)、相對粗糙度的關系第四十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日2．局部阻力的計算局部阻力的計算，通常采用兩種方法：當量長度法和阻力系數(shù)法。（1）當量長度法將某一局部阻力折合成相當于同直徑一定長度直管所產(chǎn)生的阻力，此折合的直管長度稱為當量長度，用符號表示。即（3）非圓形管的直管阻力當流體流經(jīng)非圓形管道時，計算式及Re中的值，均應以當量直徑代替。第四十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日

當量長度一般由實驗測得，見書上的管件與閥門當量長度共線圖（P50，圖1-27）（2）阻力系數(shù)法將局部阻力看成是動能的函數(shù)式中為局部阻力系數(shù)，簡稱阻力系數(shù)，其值由實驗測定。

幾種常見的局部阻力系數(shù)求算法a.突然擴大與突然縮?。≒48，圖1-26）；或者經(jīng)驗公式：第四十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日b.出口與進口（P48），是突然擴大與突然縮小的特例；進口：容器進入管道，突縮。A小/A大0，阻力系數(shù)=0.5出口：管道進入容器，突擴。A小/A大0，阻力系數(shù)=1.0c.管件與閥門（表1-4）。查表第四十七頁，共五十二頁，2022年，8