流体动量传输中的阻力

流体动量传输中的阻力第1页，课件共47页，创作于2023年2月1.流动阻力的分类（1）管流摩擦阻力----流体在管路系统中流动时受到的磨擦阻力；(沿程阻力损失、长度损失—hf)（2）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；（3）管路系统内的局部阻力----流体因流道形状变化时受到的流动阻力；（局部阻力损失—hj）（4）复杂流动状态时的综合阻力。2.流动阻力的表达:式中：u为流体的运动速度（m/s）；

为流体的密度（kg/m3）；K为阻力系数。K--速度水头的倍数阻力系数法：将局部阻力表示为动能的某一倍数。基本概念单位为压强第2页，课件共47页，创作于2023年2月3.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。能量损失可以通过阻力计算求得。4.用水头线表示第3页，课件共47页，创作于2023年2月第一节管流摩擦阻力一、管内层流摩阻层流摩擦阻力

不同流速的流层之间的粘性阻力引起。对于：

动量平衡方程为：剪力差＋压力差＝0（合力为零，匀速运动）水平长管

重力对流动无影响不可压缩

对流动量之差为0稳定流动

动量累积为0第4页，课件共47页，创作于2023年2月速度分布：当r=0时，速度最大：（速度呈抛物线分布）平均速度：

第5页，课件共47页，创作于2023年2月根据工程伯努利方程有：

=0=0=0流动阻力用压差表示第6页，课件共47页，创作于2023年2月（P57）为流体的雷诺数

流体层流摩擦阻力系数流体层流摩擦阻力系数摩擦阻力系数：对直管，用摩擦系数表示压差与流速的关系还是很方便的，摩擦系数fr定义为：

第7页，课件共47页，创作于2023年2月摩擦系数：

由此可知，摩擦系数是压差或摩擦功率与平均流速之间的比例系数。应当再一次指出，上述定义只适用于直管内的层流。第8页，课件共47页，创作于2023年2月管道摩擦系数与雷诺数的关系：

（P58）第9页，课件共47页，创作于2023年2月第10页，课件共47页，创作于2023年2月层流区过渡区湍流区完全湍流，粗糙管光滑管Re

/dfr摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系(双对数坐标)第11页，课件共47页，创作于2023年2月上图可以分成4个不同区域。层流区：Re

2320，与

/d无关。过渡区：2320<Re<3000湍流区：Re

3000,fr与Re和

/d有关。完全湍流区(阻力平方区)：fr与Re无关，仅与

/d有关。复习绝对粗糙度和相对粗糙度第12页，课件共47页，创作于2023年2月用当量直径de取代圆管直径。借用圆管各公式。二、非圆形管内的流动阻力第13页，课件共47页，创作于2023年2月三、管内紊流摩阻根据普朗特（Prandtl）紊流动量传递理论(或称混合长理论)，得到紊流状态下的摩擦系数关系式为：Re＝3×105－106

Re<105

金属管壁砖砌管壁工程上常采用的经验数值为：金属光滑管道fr=0.025；金属氧化管道fr=0.035；金属生锈管道fr=0.045；砖砌管道fr=0.05。第14页，课件共47页，创作于2023年2月四、圆管进口段的流动阻力层流入口段长度：紊流入口段长度：1.入口段的流动通常采用近似的实验结果：Le=(25～40)d。第15页，课件共47页，创作于2023年2月2.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＋附加能量损失流体的压差（压头损失）可表示为：K为粘性阻力系数，Ke为进口段附加阻力系数。因此，总阻力系数K′：第16页，课件共47页，创作于2023年2月3.层流进口段阻力损失（1）阻力系数当L≥Le：附加阻力系数Ke与雷诺数Re无关（其值为：2.2-2.4）。当L＜Le：第17页，课件共47页，创作于2023年2月（2）压头损失（3）平均速度：（4）流量：Ce为层流进口段效应流量修正系数。当L很大时，Ce接近于1，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。第18页，课件共47页，创作于2023年2月4.紊流进口段阻力损失（1）阻力系数（4000＜Re＜105）当L≥Le：阻力系数Ke为1.07，如进口端尖锐，加0.7。当L＜Le：第19页，课件共47页，创作于2023年2月（2）压头损失Ce为紊流进口段效应流量修正系数。第20页，课件共47页，创作于2023年2月（3）平均速度（4）流量第21页，课件共47页，创作于2023年2月进口：流体自容器进入管内。K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。K出口=1出口阻力系数5.管进口及出口第22页，课件共47页，创作于2023年2月6.弯管和折管第23页，课件共47页，创作于2023年2月7.阀门第24页，课件共47页，创作于2023年2月第25页，课件共47页，创作于2023年2月五、明渠流动力的平衡关系可表示为：定义明渠流摩擦系数为：雷诺数Re大于5000时，摩擦系数与雷诺数无关，与渠壁的粗糙度有关，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。第26页，课件共47页，创作于2023年2月（1）平均速度（2）流量第27页，课件共47页，创作于2023年2月第二节管流局部阻力一、管道截面突然扩大u1u2（1）阻力用u1表示用u2表示（2）阻力系数用u1表示用u2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。第28页，课件共47页，创作于2023年2月二、管道截面突然缩小（1）阻力（2）阻力系数缩流系数，由试验确定，通常取0.62。第29页，课件共47页，创作于2023年2月当量长度法：流体流经管件，阀门等时引起的局部阻力损失hf等同于流过一般与其具有相同直径，长度为Le的直管的阻力.

三、局部阻力的近似计算

1.由实验方法确定局部阻力系数K值。2.用当量长度直管的摩擦损失来代替局部损失。Le

—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Le的直管所损失的能量，其值可查共线图和列线图。总阻力：第30页，课件共47页，创作于2023年2月当量长度共线图此图使用说明：从左边竖线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，两点连线交于中线，其交点即为相应管件、阀门的当量长度。第31页，课件共47页，创作于2023年2月第三节管流系统阻力一、减小系统阻力的方法1.管道直径与“经济流速”管道直径的确定应兼顾减小沿程阻力和降低工程造价。流量VS一般由生产任务决定。流速选择：管径的估算(对于圆形管道)：u↑→d↓→设备费用↓流动阻力↑→动力消耗↑→操作费↑均衡考虑uu适宜费用总费用设备费操作费第32页，课件共47页，创作于2023年2月常用流体适宜流速范围：水及一般液体1～3m/s粘度较大的液体0.5～1m/s低压气体8～15m/s压力较高的气体15～25m/s2.降低局部阻力尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些;将突然扩大或缩小变为逐惭扩大或缩小；以两个45°转弯或圆转弯代替90°转弯；使用导向叶片等。3.降低摩擦阻力管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；采用光滑管。第33页，课件共47页，创作于2023年2月二、管路系统的计算1.简单管路计算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：连续性方程：柏努利方程：阻力计算（摩擦系数）：◆流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变。◆整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和。特点：第34页，课件共47页，创作于2023年2月2.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之和。（P66例4-2）第35页，课件共47页，创作于2023年2月3.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：各支路阻力损失相同，管路流量为各支路流量之和，即：QQ1Q2Q3BA注意：计算并联管路阻力时，仅取其中一支路即可，不能重复计算。第36页，课件共47页，创作于2023年2月证明:第37页，课件共47页，创作于2023年2月并联管路的流量分配:支管越长、管径越小、阻力系数越大——流量越小；反之——流量越大。第38页，课件共47页，创作于2023年2月4.分支管路计算P1P2012QQ1Q2Q=Q1+Q2∑H1=∑H2(各支管终点总能量相等)0-10-2对多个分支，则有：证明：比较上两式，得：第39页，课件共47页，创作于2023年2月第四节流量与流速的测定一、流量的测量1.孔板流量计21RA1A0A2（管嘴及文德里流量计自学）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关系(伯努利方程)，通过测得的压差值可计算出流体的流量。第40页，课件共47页，创作于2023年2月流量方程式：对图示的水平管道，在1、2截面间列柏努利方程式，即:根据连续性方程，有：联立上两式，则有：则质量流量为：第41页，课件共47页，创作于2023年2月2.转子流量计组成：锥形玻璃管和转子原理：转子上下的压差与转子的净重力（重力与浮力之差）相等。从转子的悬浮高度直接读取流量数值。流体通过转子与管壁的环隙时,由于通道截面积减小,流速增大,流体的静压力降低,使转子上下产生压力差.也就是说,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.对特定的转子和特定的流体,转子横截面积不变,流体的流量越大,转子在锥管中上升的位置越高,环隙面积越大.第42页，课件共47页，创作于2023年2月0′1′10转子受力平衡：在1-1′和0-0′截面间列柏努利方程：动能差第43页，课件共47页，创作于2023年2月由连续性方程：CR——转子流量系数体积流量：第44页，课件共47页，创作于2023年2月二、流体速度的测量1.皮托管点速度：内管所测的是静压能p1/ρ和动能u12/2之和，合称为冲压能，即：外管壁上的测压小孔与流体流动方向平行，故外管测的是流体