流动阻力(多媒体教案).ppt

第1页,主要内容： 1.5.1 概述 1.5.2 圆形直管层流流动阻力 1.5.3 管壁粗糙度对摩擦系数的影响 1.5.4 圆形直管湍流流动阻力 1.5.5 非圆形管流动阻力 1.5.6 局部阻力,第2页,1.5.1 概述 （1）按能量损失的外因来分 直管阻力（沿程阻力）流体在流经一定直 径的直管时所产生的能量损失 局部阻力流体在流经管件、阀门或管径突然 发生变化等局部地方时，速度的大小与方向都要发生 变化，并受到阻碍和干扰所产生的能量损失,P32-P46,第3页,（2）按能量损失的内因来分 表皮阻力（摩擦阻力）流体沿壁面流过而产 生的能量损失 形体阻力流体流过的流道有弯曲、突然扩大 或缩小、流体绕过物体流动可造成边界层分离，引起 机械能损耗 归根结底，都是由于流体的黏性所造成的内摩擦。,P32-P46,第4页,1.5.2 圆形直管层流流动阻力,P32-P46,第5页,（1）内因 流体从第一个截面流到第二个截面时， 由于流体层之间的分子动量传递而产生的内摩擦力（层流），或者由于湍流动量传递而引起的内摩擦力（湍流），由此产生了能量损失。,P32-P46,第6页,（2）表现形式 流体在无外加能量的情况下流经直管时的能量损 失是由伯努利方程求出，对于管径相同的水平直管道 为静压能之差（压力降）。 对于倾斜安装的管路， 如管径相等，表现为静压 能和位能的减少；如直径 不等，表现为机械能的损 失量。,P32-P46,第7页,（3）定量分析 流体在直管中层流流动的速度分布方程式时可知压力降的公式 流体流经水平等径直管的能量损失为,P32-P46,第8页,称为层流时的摩擦系数,则流体层流流动的能量损失计算式（J/kg）：,范宁公式是计算圆形直管内层流流动时的流体流动阻力的通式。 式中为无量纲数，称为摩擦系数或摩擦因数。 层流时的摩擦系数是雷诺数Re 的函数。,P32-P46,第9页,根据伯努利方程的其他形式，范宁公式也可表示为： 流体在层流流动时的压头损 失计算式（m 液柱） 流体在层流流动时的压 力损失计算式（Pa）,P32-P46,第10页,（4）讨论 压力损失 pf 是流体流动能量损失的一种表示形 式，是指单位体积流体的机械能损失，与两截面间的 压力差p 意义不同，在什么情况下数值相等。 （等径水平直管） 某种流体在直管内做层流流动时的能量损失与流 速的几次方成正比（1次方），与流体的雷诺数成什么 比例（成反比），与管长的几次方成正比（1次方）， 与管径的几次方成什么比例（2次方成反比）。,P32-P46,第11页,1.5.3 管壁粗糙度对摩擦系数的影响 （1）管壁粗糙度的表示方法 绝对粗糙度：管壁面凸出部分的平均高度，用符号 来表示。 相对粗糙度：绝对粗糙度与管内径的比值，即/d （2）管壁粗糙度对层流流动阻力的影响 层流流动流速较慢，无径向运动，与管壁无碰 撞，流体流动阻力与/d 无关，只与 Re 有关。,P32-P46,第12页,（3）管壁粗糙度对湍流流动阻力的影响 L表示层流内层的厚度 水力光滑管 完全湍流粗糙管,P32-P46,第13页,结论： （1）湍流时的层流底层的厚度L时，管壁的粗 糙度对流体阻力或摩擦系数的影响与层流相近。 （2）当Re大到一定程度时，层流内层的厚度L, 使壁面突出部分暴露在湍流主体中，与质点碰撞更加 加剧，致使粘性力不起作用，Re不再影响摩擦系数， 流体进入完全湍流区。,P32-P46,第14页,1.5.4 圆形直管湍流流动阻力 1.5.4.1 量纲分析法 目标：将影响一个物理过程的各物理量之间的关系 转换为较少的无量纲数群之间的关系，然后 通过实验确定这些数群之间的关系。 任务：利用量纲分析法来建立流体在圆形直管中湍 流流动的能量损失计算公式,P32-P46,第15页,研究步骤： （1）析因实验寻找影响过程的主要因素 （2）规划实验减少实验工作量 量纲分析法指导实验的优点（目的）： 减少实验次数，便于实验结果的推广,流体性质,流动的几何尺寸,流动条件,P32-P46,第16页,量纲分析法的理论依据： 量纲一致性原则：即每一个物理方程式的两边 不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的量纲。 白金汉的定理，目的是确定无量纲数群的个 数。设影响某一物理现象的独立变量数为 n 个，这 些变量的基本量纲数为 m 个，则该物理现象可用 N=n-m 个独立的无量纲数表示。,P32-P46,第17页,独立变量数7 个， 基本量纲数3 个 质量M 时间T 长度 L ， 根据定理，无量纲数为4 个。,P32-P46,第18页,将这些变量写成幂函数的形式： 其量纲关系式： 根据量纲一致性原则： 设b,e,f 已知，将指数相同的物理量合并，得,P32-P46,第19页, Re 雷诺准数，表示惯性力与粘性力之比； Eu 欧拉准数，表示压力与惯性力之比； 管长与管径之比； 绝对粗糙度与管径之比（相对粗糙度）。,P32-P46,第20页,（3）数据处理实验结果的正确表达 可将幂函数进行线性回归。 根据实验可知，流体流动阻力与管长 l 成正比， 则 与范宁公式相对照，得,P32-P46,第21页,则流体在圆形直管中湍流时的能量损失计算公式为：,P32-P46,第22页,1.5.4.2 莫狄摩擦系数图,P32-P46,第23页,结论： 层流区（Re2000） 与/d 无关，与Re为直线关系，即 ， 此时 ,即Wf 与u 的一次方成正比。 过渡区（2000 Re 4000) 将湍流时的曲线延伸查取值。 湍流区（Re4000以及虚线以下的区域）,P32-P46,第24页,完全湍流区 （虚线以上的区域） 与Re无关，只与/d 有关 。对于/d 一定 时， ，该区又称为阻力平方区。 1.5.4.3 经验公式 柏拉修斯（Blasius）式： 适用光滑管 Re5103105 问题：此时的能量损失与速度的几次方成正比。1.75,P32-P46,第25页,层流流动： 湍流流动： （1）光滑管：,小结：,P32-P46,第26页,（2）粗糙管： ，查莫狄摩擦系数图 完全湍流区（阻力平方区）： 对于非圆形管：（怎么办？）,P32-P46,第27页,1.5.5 非圆形管流动阻力 （1）当量直径的定义,例1：套管环隙，内管的外径为d1，外管的内径为d2：,P32-P46,第28页,例2：边长分别为a、b 的矩形管： 说明： 计算Re与Wf 时非圆形直管用de； 在层流流动时，要进行修正（见P40 表1-2）： 正方形 C57 套管环隙 C96,P32-P46,第29页,流速用实际流通面积计算 （2）非圆形直管流动阻力 其中： 按层流和湍流分别计算 按光滑管和粗糙管分别计算,P32-P46,第30页,讨论： （1）流体流经管道截面面积A相等，如果形状不同， 润湿周边长度也不同，润湿周边长度小，当量直径越 大，能量损失随着当量直径的增加而减小。 如果生产任务（qV）相等，流速？(相等) 在流速和管长不变时，层流流动阻力与当量直径 的关系？（与de的2次方成反比）,P32-P46,第31页,（2）当流通截面积 A 相等，r2=a2=bd=const 则润湿周边长： 2r 4a 2(b+d) 圆形管道 方形管道 矩形管道 那么能量损失： 圆形管道 方形管道 矩形管道 从节能的观点来看，圆形管道是最佳的。,P32-P46,第32页,1.5.6 局部阻力 1.5.6.1 管件和阀门,P32-P46,第33页,P32-P46,第34页,蝶阀,P32-P46,第35页,P32-P46,第36页,P32-P46,第37页,1.5.6.2 局部阻力的计算 （1）局部阻力系数法 将局部阻力表示为动能的某一倍数。,J/kg,P32-P46,第38页,突然扩大,P32-P46,第39页,突然缩小,P32-P46,第40页,管进口及出口 进口：流体自容器进入管内，相当于突然缩小。 进口 = 0.5 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，相当于突然扩大。 出口 = 1 出口阻力系数 问题：选择出口外侧和出口内侧，为什么结论一致？,P32-P46,第41页,管件 管件的局部阻力系数一般由实验测定，常用管件 的局部阻力系数见书P43的表1-3。 注意：1、管件的类型 45的弯头的阻力系数为0.35 90的弯头的阻力系数为0.75 2、阀门的开度 截止阀全开的阻力系数为6.0 截止阀半开的阻力系数为9.5,P32-P46,第42页,（2）当量长度法 将流体流过管件的局部阻力，折合成直径相同、长度为 le 的直管所产生的阻力。 管件的当量长度也是由实验测定，查P44图1-43。,le 管件的当量长度，m,P32-P46,第43页,（3）流体在管路中的总阻力 减少流动阻力的途径： 管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯； 尽量不安装不必要的管件等； 管径适当大些。,P32-P46,第44页,思考题： 1、代表能量损失的压力降pf 与截面之间的压力差 p的区别在那里？ 2、流体在圆形直管中流动，若管径一定而将流量增 大一倍，则层流时能量损失是原来的多少倍？完全湍 流时能量损失又是原来的多