流體動(dòng)量傳輸中的阻力

流體動(dòng)量傳輸中的阻力第1頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.流動(dòng)阻力的分類(lèi)（1）管流摩擦阻力----流體在管路系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)受到的磨擦阻力；(沿程阻力損失、長(zhǎng)度損失—hf)（2）繞流摩擦阻力----流體流過(guò)固體物體外表面時(shí)受到的磨擦阻力；（3）管路系統(tǒng)內(nèi)的局部阻力----流體因流道形狀變化時(shí)受到的流動(dòng)阻力；（局部阻力損失—hj）（4）復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的綜合阻力。2.流動(dòng)阻力的表達(dá):式中：u為流體的運(yùn)動(dòng)速度（m/s）；

為流體的密度（kg/m3）；K為阻力系數(shù)。K--速度水頭的倍數(shù)阻力系數(shù)法：將局部阻力表示為動(dòng)能的某一倍數(shù)?；靖拍顔挝粸閴簭?qiáng)第2頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.能量損失流體在管內(nèi)從第一截面流到第二截面時(shí)，由于流體層之間或流體之間的湍流產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力，使一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。我們把這部分機(jī)械能稱(chēng)為能量損失。能量損失可以通過(guò)阻力計(jì)算求得。4.用水頭線表示第3頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)管流摩擦阻力一、管內(nèi)層流摩阻層流摩擦阻力

不同流速的流層之間的粘性阻力引起。對(duì)于：

動(dòng)量平衡方程為：剪力差＋壓力差＝0（合力為零，勻速運(yùn)動(dòng)）水平長(zhǎng)管

重力對(duì)流動(dòng)無(wú)影響不可壓縮

對(duì)流動(dòng)量之差為0穩(wěn)定流動(dòng)

動(dòng)量累積為0第4頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月速度分布：當(dāng)r=0時(shí)，速度最大：（速度呈拋物線分布）平均速度：

第5頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)工程伯努利方程有：

=0=0=0流動(dòng)阻力用壓差表示第6頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（P57）為流體的雷諾數(shù)

流體層流摩擦阻力系數(shù)流體層流摩擦阻力系數(shù)摩擦阻力系數(shù)：對(duì)直管，用摩擦系數(shù)表示壓差與流速的關(guān)系還是很方便的，摩擦系數(shù)fr定義為：

第7頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月摩擦系數(shù)：

由此可知，摩擦系數(shù)是壓差或摩擦功率與平均流速之間的比例系數(shù)。應(yīng)當(dāng)再一次指出，上述定義只適用于直管內(nèi)的層流。第8頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月管道摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系：

（P58）第9頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第10頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月層流區(qū)過(guò)渡區(qū)湍流區(qū)完全湍流，粗糙管光滑管Re

/dfr摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)、相對(duì)粗糙度的關(guān)系(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo))第11頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上圖可以分成4個(gè)不同區(qū)域。層流區(qū)：Re

2320，與

/d無(wú)關(guān)。過(guò)渡區(qū)：2320<Re<3000湍流區(qū)：Re

3000,fr與Re和

/d有關(guān)。完全湍流區(qū)(阻力平方區(qū))：fr與Re無(wú)關(guān)，僅與

/d有關(guān)。復(fù)習(xí)絕對(duì)粗糙度和相對(duì)粗糙度第12頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用當(dāng)量直徑de取代圓管直徑。借用圓管各公式。二、非圓形管內(nèi)的流動(dòng)阻力第13頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、管內(nèi)紊流摩阻根據(jù)普朗特（Prandtl）紊流動(dòng)量傳遞理論(或稱(chēng)混合長(zhǎng)理論)，得到紊流狀態(tài)下的摩擦系數(shù)關(guān)系式為：Re＝3×105－106

Re<105

金屬管壁磚砌管壁工程上常采用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值為：金屬光滑管道fr=0.025；金屬氧化管道fr=0.035；金屬生銹管道fr=0.045；磚砌管道fr=0.05。第14頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、圓管進(jìn)口段的流動(dòng)阻力層流入口段長(zhǎng)度：紊流入口段長(zhǎng)度：1.入口段的流動(dòng)通常采用近似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：Le=(25～40)d。第15頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.入口段的壓頭損失流體在入口段的能量損失＝流體粘性引起的能量損失＋附加能量損失流體的壓差（壓頭損失）可表示為：K為粘性阻力系數(shù)，Ke為進(jìn)口段附加阻力系數(shù)。因此，總阻力系數(shù)K′：第16頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.層流進(jìn)口段阻力損失（1）阻力系數(shù)當(dāng)L≥Le：附加阻力系數(shù)Ke與雷諾數(shù)Re無(wú)關(guān)（其值為：2.2-2.4）。當(dāng)L＜Le：第17頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）壓頭損失（3）平均速度：（4）流量：Ce為層流進(jìn)口段效應(yīng)流量修正系數(shù)。當(dāng)L很大時(shí)，Ce接近于1，即對(duì)于長(zhǎng)圓管不需進(jìn)行修正；但對(duì)于短圓管，則必須考慮進(jìn)口段效應(yīng)。第18頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.紊流進(jìn)口段阻力損失（1）阻力系數(shù)（4000＜Re＜105）當(dāng)L≥Le：阻力系數(shù)Ke為1.07，如進(jìn)口端尖銳，加0.7。當(dāng)L＜Le：第19頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）壓頭損失Ce為紊流進(jìn)口段效應(yīng)流量修正系數(shù)。第20頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）平均速度（4）流量第21頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月進(jìn)口：流體自容器進(jìn)入管內(nèi)。K進(jìn)口=0.5進(jìn)口阻力系數(shù)出口：流體自管子進(jìn)入容器或從管子排放到管外空間。K出口=1出口阻力系數(shù)5.管進(jìn)口及出口第22頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.彎管和折管第23頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.閥門(mén)第24頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第25頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、明渠流動(dòng)力的平衡關(guān)系可表示為：定義明渠流摩擦系數(shù)為：雷諾數(shù)Re大于5000時(shí)，摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，與渠壁的粗糙度有關(guān)，其大小為：明渠是一種人工修建或自然形成的渠槽，當(dāng)流體通過(guò)渠槽時(shí)，將形成與大氣相接觸的自由表面，表面上各點(diǎn)壓強(qiáng)均為大氣壓，稱(chēng)為明渠流或無(wú)壓流。第26頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）平均速度（2）流量第27頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)管流局部阻力一、管道截面突然擴(kuò)大u1u2（1）阻力用u1表示用u2表示（2）阻力系數(shù)用u1表示用u2表示管道截面突然擴(kuò)大的局部阻力系數(shù)只與管道的截面變化有關(guān)，與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。第28頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、管道截面突然縮小（1）阻力（2）阻力系數(shù)縮流系數(shù)，由試驗(yàn)確定，通常取0.62。第29頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)量長(zhǎng)度法：流體流經(jīng)管件，閥門(mén)等時(shí)引起的局部阻力損失hf等同于流過(guò)一般與其具有相同直徑，長(zhǎng)度為L(zhǎng)e的直管的阻力.

三、局部阻力的近似計(jì)算

1.由實(shí)驗(yàn)方法確定局部阻力系數(shù)K值。2.用當(dāng)量長(zhǎng)度直管的摩擦損失來(lái)代替局部損失。Le

—當(dāng)量長(zhǎng)度，表示由管件引起的局部阻力損失。相當(dāng)于流過(guò)一段直徑相同，長(zhǎng)度為L(zhǎng)e的直管所損失的能量，其值可查共線圖和列線圖?？傋枇Γ旱?0頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)量長(zhǎng)度共線圖此圖使用說(shuō)明：從左邊豎線找出管線或閥門(mén)的相應(yīng)點(diǎn)，從右側(cè)找到管徑值的相應(yīng)位置點(diǎn)，兩點(diǎn)連線交于中線，其交點(diǎn)即為相應(yīng)管件、閥門(mén)的當(dāng)量長(zhǎng)度。第31頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)管流系統(tǒng)阻力一、減小系統(tǒng)阻力的方法1.管道直徑與“經(jīng)濟(jì)流速”管道直徑的確定應(yīng)兼顧減小沿程阻力和降低工程造價(jià)。流量VS一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇：管徑的估算(對(duì)于圓形管道)：u↑→d↓→設(shè)備費(fèi)用↓流動(dòng)阻力↑→動(dòng)力消耗↑→操作費(fèi)↑均衡考慮uu適宜費(fèi)用總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)第32頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常用流體適宜流速范圍：水及一般液體1～3m/s粘度較大的液體0.5～1m/s低壓氣體8～15m/s壓力較高的氣體15～25m/s2.降低局部阻力盡量不安裝不必要的管件和閥門(mén)等；管徑適當(dāng)大些;將突然擴(kuò)大或縮小變?yōu)橹饝M擴(kuò)大或縮??；以?xún)蓚€(gè)45°轉(zhuǎn)彎或圓轉(zhuǎn)彎代替90°轉(zhuǎn)彎；使用導(dǎo)向葉片等。3.降低摩擦阻力管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎；采用光滑管。第33頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、管路系統(tǒng)的計(jì)算1.簡(jiǎn)單管路計(jì)算Vs1,d1Vs3,d3Vs2,d2（1）已知L、d、qv，求∑hf

;（2）已知∑hf、L、d，求u或qv

基本方程：連續(xù)性方程：柏努利方程：阻力計(jì)算（摩擦系數(shù)）：◆流體通過(guò)各管段的質(zhì)量流量不變，對(duì)于不可壓縮流體，則體積流量也不變?！粽麄€(gè)管路的總能量損失等于各段能量損失之和。特點(diǎn)：第34頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.串聯(lián)管路計(jì)算串聯(lián)管路是由若干段簡(jiǎn)單管路（包括直通、變直徑以及變流向各種情況）首尾相接組合而成。其特點(diǎn)是各段流量相同，阻力損失為各段摩擦與局部阻力之和。（P66例4-2）第35頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.并聯(lián)管路計(jì)算并聯(lián)管路是由若干支管并聯(lián)組合而成。并聯(lián)管路的特點(diǎn)是：各支路阻力損失相同，管路流量為各支路流量之和，即：QQ1Q2Q3BA注意：計(jì)算并聯(lián)管路阻力時(shí)，僅取其中一支路即可，不能重復(fù)計(jì)算。第36頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月證明:第37頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月并聯(lián)管路的流量分配:支管越長(zhǎng)、管徑越小、阻力系數(shù)越大——流量越??；反之——流量越大。第38頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.分支管路計(jì)算P1P2012QQ1Q2Q=Q1+Q2∑H1=∑H2(各支管終點(diǎn)總能量相等)0-10-2對(duì)多個(gè)分支，則有：證明：比較上兩式，得：第39頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)流量與流速的測(cè)定一、流量的測(cè)量1.孔板流量計(jì)21RA1A0A2（管嘴及文德里流量計(jì)自學(xué)）流體流過(guò)一收縮管道部分時(shí)，流速加快，此時(shí)流體的動(dòng)能增加，而相應(yīng)的壓能亦將發(fā)生變化，并反映在壓差上而被測(cè)量出來(lái)。因此，根據(jù)流動(dòng)過(guò)程中流體的質(zhì)量和能量平衡關(guān)系(伯努利方程)，通過(guò)測(cè)得的壓差值可計(jì)算出流體的流量。第40頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流量方程式：對(duì)圖示的水平管道，在1、2截面間列柏努利方程式，即:根據(jù)連續(xù)性方程，有：聯(lián)立上兩式，則有：則質(zhì)量流量為：第41頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.轉(zhuǎn)子流量計(jì)組成：錐形玻璃管和轉(zhuǎn)子原理：轉(zhuǎn)子上下的壓差與轉(zhuǎn)子的凈重力（重力與浮力之差）相等。從轉(zhuǎn)子的懸浮高度直接讀取流量數(shù)值。流體通過(guò)轉(zhuǎn)子與管壁的環(huán)隙時(shí),由于通道截面積減小,流速增大,流體的靜壓力降低,使轉(zhuǎn)子上下產(chǎn)生壓力差.也就是說(shuō),轉(zhuǎn)子上下的壓力差是由于流體通過(guò)環(huán)隙時(shí)流速增大而形成的.對(duì)特定的轉(zhuǎn)子和特定的流體,轉(zhuǎn)子橫截面積不變,流體的流量越大,轉(zhuǎn)子在錐管中上升的位置越高,環(huán)隙面積越大.第42頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月0′1′10轉(zhuǎn)子受力平衡：在1-1′和0-0′截面間列柏努利方程：動(dòng)能差第43頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由連續(xù)性方程：CR——轉(zhuǎn)子流量系數(shù)體積流量：第44頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、流體速度的測(cè)量1.皮托管點(diǎn)速度：內(nèi)管所測(cè)的是靜壓能p1/ρ和動(dòng)能u12/2之和，合稱(chēng)為沖壓能，即：外管壁上的測(cè)壓小孔與流體流動(dòng)方向平行，故外管測(cè)的是流體