流動(dòng)阻力和能量損失課件

流動(dòng)阻力和能量損失

能量損失一般有兩種表示方法：

流體阻力是造成能量損失的原因。產(chǎn)生阻力的內(nèi)因是流體的粘性和慣性，外因是固體壁面對(duì)流體的阻滯作用和擾動(dòng)作用。通常用單位重量流體的能量損失（或稱水頭損失）h1來(lái)表示，用液柱高度來(lái)量度；用液柱高度來(lái)量度；對(duì)于氣體，則常用單位體積流體的能量損失（或稱壓力損失）H損來(lái)表示，用壓力來(lái)量度。它們之間的關(guān)系為：H損=γh1一、能量損失的兩種形式：能量損失分為兩類：沿程損失和局部損失。㈠沿程阻力和沿程損失

在邊壁沿程不變的管段上，流速基本上是沿程不變的，流動(dòng)阻力只有沿程不變的切應(yīng)力，稱為沿程阻力。克服沿程阻力引起的能量損失，稱為沿程損失，用hf（或Hf）表示。㈡局部阻力和局部損失在邊界急劇變化的區(qū)域，由于出現(xiàn)了漩渦區(qū)和速度分布的變化，流動(dòng)阻力大大增加，形成比較集中的能量損失。這種阻力稱為局部阻力，相應(yīng)的能量損失稱為局部損失，用hj（或Hj）表示。

㈢能量損失的計(jì)算公式工程上常用的能量損失計(jì)算公式為：1．沿程水頭損失：一、能量損失的兩種形式：

整個(gè)管路的能量損失等于各管段的沿程損失和所有局部損失的總和，即：

hL=Σhf+Σhj2．局部水頭損失：寫成壓力損失的形式，則為：

式中：

L—管長(zhǎng)[米]；

d—管徑[米]；

V—斷面平均流速[米/秒]；

λ—沿程阻力系數(shù)（無(wú)因次參數(shù)）；

ζ—局部阻力系數(shù)（無(wú)因次參數(shù)）。一、能量損失的兩種形式：二、層流、紊流和雷諾實(shí)驗(yàn)實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)存在著兩種不同的狀態(tài)，即層流和紊流。這兩種流動(dòng)狀態(tài)的沿程損失規(guī)律大不相同。

㈠雷諾實(shí)驗(yàn)

液體沿管軸方向流動(dòng)時(shí)，流束之間或流體層與層之間彼此不相混雜，質(zhì)點(diǎn)沒有徑向的運(yùn)動(dòng)，都保持各自的流線運(yùn)動(dòng)。這種流動(dòng)狀態(tài)，稱為層流運(yùn)動(dòng)。

管中流速再稍增加，或有其它外部干擾振動(dòng)，則有色液體將破裂、混雜成為一種紊亂狀態(tài)。這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，稱為紊流運(yùn)動(dòng)二、層流、紊流和雷諾實(shí)驗(yàn)

雷諾和其它學(xué)者的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，若這四個(gè)物理量寫成無(wú)因次數(shù)：二、層流、紊流和雷諾實(shí)驗(yàn)則流動(dòng)是紊流；則流動(dòng)是層流。二、層流、紊流和雷諾實(shí)驗(yàn)

研究非圓形斷面或在流體中運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，式中的d應(yīng)以其相應(yīng)的特征尺寸代替。能夠綜合反映斷面水力特性的量是水力半徑R；它被定義為

其中A為有效斷面面積（米2）。X稱為濕周（米），指在有效斷面A上，流體與固體邊界的接觸長(zhǎng)度，下圖為幾種濕周的例子。二、層流、紊流和雷諾實(shí)驗(yàn)

對(duì)于圓形管道，其水力半徑R為：

R=1/4πd2/πd=d/4或?qū)懗桑篸=4R

以d當(dāng)表示，即d=4R=d當(dāng)。

在通風(fēng)工程中，除圓斷面管道外，常見的還有矩形斷面管道，其相應(yīng)的d當(dāng)為：

d當(dāng)=4R=4ab/2（a+b）=2ab/（a+b）㈢流態(tài)分析

層流和紊流的根本區(qū)別在于層流各流層間互不摻混，只存在粘性引起的摩擦阻力；紊流則有大小不等的渦流動(dòng)蕩于各流層之間，除了粘性阻力，還存在著由于質(zhì)點(diǎn)摻混、互相碰撞所造成的慣性阻力。因此，紊流阻力比層流阻力大得多。

雷諾數(shù)之所以能判別流態(tài)，正是因?yàn)樗从沉藨T性力和粘性力的對(duì)比關(guān)系。因此，當(dāng)管中流體流動(dòng)的雷諾數(shù)小于2320時(shí)，其粘性起主導(dǎo)作用，層流穩(wěn)定。當(dāng)雷諾數(shù)大于2320時(shí)，在流動(dòng)核心部分的慣性力克服了粘性力的阻滯而產(chǎn)生渦流，摻混現(xiàn)象出現(xiàn)，層流向紊流轉(zhuǎn)化。二、層流、紊流和雷諾實(shí)驗(yàn)三、單位摩阻R及沿程阻力的計(jì)算

每米長(zhǎng)管道所具有的沿程摩擦阻力損失稱為單位摩阻，以R表示。

㈠圓管的沿程摩擦阻力：對(duì)于每米長(zhǎng)的圓管，其單位摩阻為：R=λ/d·H動(dòng)

代入公式得：

Hm=R·L

圓管的單位摩阻R的數(shù)值可從附錄中查找。三、單位摩阻R及沿程阻力的計(jì)算

㈡矩形直長(zhǎng)管道的沿程摩擦阻力：求矩形管道中的摩擦阻力時(shí)，最方便的方法是利用當(dāng)量直徑來(lái)計(jì)算。

在計(jì)算中，不必自行計(jì)算摩擦阻力系數(shù)λ，根據(jù)流速v和流速當(dāng)量直徑d當(dāng)可直接求出單位摩阻R，上述數(shù)字均可通過(guò)查表取得。

四、局部阻力的計(jì)算

㈠局部阻力的分類

1．流向改變⒉流速改變方向四、局部阻力的計(jì)算㈡、局部阻力的計(jì)算1．突然擴(kuò)大圓管的局部阻力計(jì)算：（1）流體斷面1-1上的總壓力。

P1=p1F1P2=p2F2（2）流體漩渦區(qū)上的作用力。

P0=p1（F2-F1）（3）流體段本身的重量。

G=γF2L外力在水平方向的合力為：

P=P1-P2+P0=p1F1-p2F2+p1（F2-F1）=（p1-p2）F2四、局部阻力的計(jì)算㈡、局部阻力的計(jì)算1．突然擴(kuò)大圓管的局部阻力計(jì)算：又根據(jù)伯努利方程式（若流體為空氣時(shí)）：四、局部阻力的計(jì)算㈡、局部阻力的計(jì)算1．突然擴(kuò)大圓管的局部阻力計(jì)算：令：稱ξ為局部阻力系數(shù)，則有：

四、局部阻力的計(jì)算2．局部阻力損失的計(jì)算公式（普遍式）從定性上分析，由于引起局部阻力損失的原因是一致的，即流速的變化均伴隨渦流的產(chǎn)生。因此可以用同一形式來(lái)表達(dá)，只是局部阻力系數(shù)不同而已，因此，確定任何局部阻力損失的普遍公式，可以寫成：

式中的局部阻力系數(shù)ξ，取決于局部阻力構(gòu)件的幾何形狀，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。局部阻力損失是集中產(chǎn)生的，常常可以通過(guò)改變管道的幾何形狀使之減弱或加強(qiáng)。減小局部阻力的途徑是避免產(chǎn)生渦流區(qū)和質(zhì)點(diǎn)的撞擊。四、局部阻力的計(jì)算

㈢常用管件及其局部阻力

1．彎頭

（1）彎頭的規(guī)格1）D——彎頭的直徑[毫米]2）α——彎頭的轉(zhuǎn)向角[度]3）R——彎頭的曲率半徑，通常以管徑D的倍數(shù)來(lái)表示。四、局部阻力的計(jì)算

㈢常用管件及其局部阻力

1．彎頭

在除塵風(fēng)網(wǎng)中，彎頭的曲率半徑R可在（1-2）D的范圍內(nèi)選擇。在氣力輸送裝置中，彎頭的曲率半徑R在（6-10）D為宜。彎頭的節(jié)數(shù)不宜過(guò)多，一般每節(jié)不大于（15-180），但D或R較大時(shí)，節(jié)數(shù)需適當(dāng)增多。（2）彎頭局部阻力的計(jì)算四、局部阻力的計(jì)算

㈢常用管件及其局部阻力

2．三通

三通是匯合和分開氣流的一種管件。四、局部阻力的計(jì)算

㈢常用管件及其局部阻力

2．三通（1）三通的規(guī)格

三通的直管直徑D直、支管直徑D支、總管直徑D總以及支管和直管的中心夾角α。

對(duì)空氣而言，匯合氣流的三通稱吸氣三通，分開氣流的三通稱壓氣三通。根據(jù)管網(wǎng)的需要，常用中心夾角為300-450的三通。三通的阻力取決于兩股氣流合并的角度α及直流與支流的直徑比（D直/D支）、支流與直流的速度比（V支/V直）。四、局部阻力的計(jì)算

㈢常用管件及其局部阻力

2．三通（2）三通的直管和支管的局部阻力計(jì)算：

H直=ξ直·H動(dòng)直

H支=ξ支·H動(dòng)支

式中：ξ直、ξ支——直管和彎管的阻力系數(shù)四、局部阻力的計(jì)算

㈢