管道流动.ppt

宗燕兵 1 第三章管道流动 3 1管流阻力的两种类型3 2层流和紊流3 3圆管中流体的层流流动3 4圆管中流体的紊流流动3 5沿程阻力系数3 6局部阻力系数3 7管路计算 宗燕兵 2 3 1管流阻力的两种类型 宗燕兵 3 定义 粘性流体在管道中流动时 沿流程受到的摩擦阻力 称为沿程阻力 原因 粘性流体 流体与流体之间以及流体与管壁面之间 存在摩擦力 流体流动时克服沿程阻力而损失的能量 称为沿程阻损 公式 在管流中 沿程阻损用下式计算 3 1管流阻力的两种类型 2 局部阻力损失 1 沿程阻力损失 一 沿程阻损 宗燕兵 4 单位体积流体的动能 管道内径 m 单位体积流体的沿程能量损失 也叫沿程压力损失 也叫沿程压降 宗燕兵 5 二 局部阻损 在管道系统中 通常装有阀门 弯头 三通 变截面管等 流体经过这些局部装置时 将发生碰撞 流速要重新分布 流体质点与这些局部装置产生碰撞 使流体的流动受到阻碍 此时受到的阻力称为局部阻力 流体为克服局部阻力所损失的能量 称为局部损失 在管道流动中的局部损失 用下式求 局部损失系数 无因次量 多由实验确定 单位体积流体的局部能量损失 局部压损 或局部压降 宗燕兵 6 三 总的阻力损失 总的阻力损失 在工程实际中 管路系统是由等径管道和管道附件连接在一起组成的 因此管流在全程的损失按阻力迭加原理计算 即 在本章的后面将详细讨论和的计算问题 宗燕兵 7 三 辐射防护的目的与任务 辐射防护的主要目的是在保证不对伴随辐射照射的有益实践造成过度限制的情况下为人类提供合适的保护 具体来讲 就是要防止有害的确定性效应 并限制随机性效应的发生率 使之达到被认为可以接受的水平 宗燕兵 8 既要保护环境 保障从事辐射工作人员和公众成员 以及他们的后代的安全和健康 又要允许进行那些可能产生辐射照射的必要活动 提高辐射防护措施的效益 以促进核科学技术 核能和其它辐射应用事业的发展 宗燕兵 9 第三章管道流动 3 1管流阻力的两种类型3 2层流和紊流3 3圆管中流体的层流流动3 4圆管中流体的紊流流动3 5沿程阻力系数3 6局部阻力系数3 7管路计算 宗燕兵 10 3 2层流和紊流 流动形态的实验 雷诺实验 1883年 英国的雷诺 自然界的流体流动有两种不同的形态 即层流和紊流 或湍流 雷诺实验装置 宗燕兵 11 看到 明晰的细小的着色流 说明 染色的流体质点的不与周围的水相混 液体质点的运动是有规则有秩序的 称这种流动状态为层流 看到 色水线开始震荡 变成波浪形 与周围的流体相混 说明 流体质点的运动是杂乱无章的 互相搀杂的 称这种状态为紊流或湍流 宗燕兵 12 实验指出 层流状态 水在毛细管 重油在管道中的流动 血液在微血管中的流动 在实际计算中 必须首先判别流动形态 紊流状态 工程实际中 水在管道或渠道中的流动 空气在管道或空间中的流动 宗燕兵 13 流动形态的判别准数 雷诺数 速度大小判别 不科学 随着流体的粘度 密度和流道尺寸的不同而变化 不可能对每一种实际流动都定出临界流速 雷诺根据实验总结出一个无因次量 雷诺数 作为判别流动状态的准则 以re表示 对于直径为d的圆截面管道 其特征尺寸取d 对于圆管而言 re 2300为紊流流动 re 2300为层流流动 宗燕兵 14 对于非圆形截面的管道流体 用当量直径de来表示 a 管道有效截面积 m2c 流体与固体边界接触的周长 称为湿周 m 这样 意义 反应流体粘滞能力的大小 粘性项 反应流体惯性的大小 惯性项 综合概括了影响流体运动状态的各种因素 惯性项大 流速大 直径大 流体质点容易发生混乱运动 使流动呈湍流状态 粘性项大 能够削弱以至消除引起流体质点发生混乱运动的扰动 使流动保持层流状态 宗燕兵 15 第三章管道流动 3 1管流阻力的两种类型3 2层流和紊流3 3圆管中流体的层流流动3 4圆管中流体的紊流流动3 5沿程阻力系数3 6局部阻力系数3 7管路计算 宗燕兵 16 3 3圆管中流体的层流流动 宗燕兵 17 求横截面上的速度分布规律 流量 沿程阻损 条件 不可压缩流体 等直径圆管 稳定层流流动 粘性性流体在圆管中作层流流动时 由于粘性作用 在管壁上流体质点的速度为0 随着流层离开管壁接近管中心时 流速逐渐增加 圆管中心流速为最大值 因为流动为轴对称 故选用柱坐标系 取微元薄筒为研究对象 按已限定条件 控制体在x方向的合外力为0 宗燕兵 18 控制体受到的两端压力 微元薄筒内外侧切应力 x方向的合外力 宗燕兵 19 用控制体 去除上式 略去二阶无穷小量 得 两边乘以rdr 并对r积分 得 宗燕兵 20 根据边界条件定c1的值 r 0时 c1 0 所以 说明 切应力的大小与r成正比 如上图 推导过程未限定是层流还是紊流 故对二者均适用 v 宗燕兵 21 边界条件 r r时 v 0 由于dp dl始终为负 可见粘性流体在圆管中作层流流动时 流速的分布规律为旋转抛物面 根据速度分布 可进一步计算以下各量 宗燕兵 22 1 最大流速 管轴处 2 体积流量 宗燕兵 23 3 平均流速 4 沿程阻力损失 由平均速度的表达式有 v 宗燕兵 24 这就是圆管中层流流动的阻力公式 说明 层流时的摩擦阻力系数在管径与流体性质不变时 摩擦阻力系数与平均流速成反比 层流时的沿程阻力损失 或压力损失 与平均速度的一次方成正比 宗燕兵 25 宗燕兵 26 第三章管道流动 3 1管流阻力的两种类型3 2层流和紊流3 3圆管中流体的层流流动3 4圆管中流体的紊流流动3 5沿程阻力系数3 6局部阻力系数3 7管路计算 宗燕兵 27 3 4圆管中的紊流 湍流 流动 一 紊流流动 时均值 脉动值 时均稳定流动紊流切应力 1 紊流流动 流体质点相互掺混 作无定向 无规则的运动 运动在时间和空间都是具有随机性质的运动 属于非稳定流动 宗燕兵 28 2 时均值 脉动值 在时间间隔 t内某一流动参量的平均值称为该流动参量的时均值 瞬时值 某一流动参量的瞬时值与时均值之差 称为该流动参量的脉动值 时均值 脉动值 宗燕兵 29 3 时均稳定流动 空间各点的时均值不随时间改变的紊流流动称为时均稳定流动 说明 通常用时均值描述流体的紊流流动 宗燕兵 30 4 紊流中的切应力 层流 摩擦切应力 紊流 摩擦切应力 附加切应力 液体质点的脉动导致了质量交换 形成了动量交换和质点混掺 从而在液层交界面上产生了紊流附加切应力 宗燕兵 31 二 圆管中紊流的速度分布 1 粘性底层 圆管中紊流的区划 水力光滑与水力粗糙 粘性底层 粘性流体在圆管中紊流流动时 紧贴固体壁面有一层很薄的流体 受壁面的限制 脉动运动几乎完全消失 粘滞起主导作用 基本保持着层流状态 这一薄层称为粘性底层 圆管中紊流的区划 b 紊流充分发展的中心区 a 粘性底层区 c 由粘性底层区到紊流充分发展的中心区的过渡区 宗燕兵 32 水力光滑与水力粗糙 粘性底层厚度 水力粗糙 管壁的粗糙凸出的平均高度 水力光滑 紊流区域完全感受不到管壁粗糙度的影响 管壁的粗糙凸出部分有一部分暴露在紊流区中 管壁粗糙度紊流流动发生影响 宗燕兵 33 2 圆管中紊流的速度分布 a 假设整个区域内切应力 壁面切应力 常数 在粘性底层内 层流底层中的速度是按直线规律分布的 因为在该区域内只有粘性应力 宗燕兵 34 b 水力光滑直管 速度分布 指数形式 renv vxmax 宗燕兵 35 c 水力粗糙直管 速度分布 最大速度 圆管内紊流的速度是对数曲线分布规律 宗燕兵 36 圆管内层流与紊流的速度分布对比 可见紊流脉动的结果 使管截面速度均匀化了 其截面平均流速与管中心最大流速之比 宗燕兵 37 圆管层流 旋转抛物面 圆管中紊流 在粘性底层内 速度是直线规律分布 水力光滑直管 水力粗糙直管 速度是对数曲线分布 宗燕兵 38 第三章管道流动 3 1管流阻力的两种类型3 2层流和紊流3 3圆管中流体的层流流动3 4圆管中流体的紊流流动3 5沿程阻力系数3 6局部阻力系数3 7管路计算 宗燕兵 39 3 5沿程阻力系数 实验目的 沿程损失 层流 紊流 在实验的基础上提出某些假设 通过实验获得计算紊流沿程损失系数 的半经验公式或经验公式 尼古拉兹实验 代表性试验 宗燕兵 40 尼古拉兹实验 实验对象 不同直径 圆管中的流体 不同流量 不同相对粗糙度 实验条件 实验示意图 宗燕兵 41 尼古拉兹实验曲线 宗燕兵 42 尼古拉兹实验曲线的五个区域 层流区 沿程阻损系数与管壁的相对粗糙度无关 只与雷诺数有关 a b 宗燕兵 43 2 过渡区 不稳定区域 可能是层流 也可能是紊流 b c 宗燕兵 44 3 紊流光滑管区 沿程损失系数 与相对粗糙度无关 而只与雷诺数有关 勃拉休斯公式 尼古拉兹公式 光滑管内紊流流动的摩擦压力损失与成正比 卡门 普朗特公式 宗燕兵 45 4 紊流粗糙管过渡区 沿程损失系数 与相对粗糙度和雷诺数有关 洛巴耶夫公式 阔尔布鲁克公式 宗燕兵 46 5 紊流粗糙管平方阻力区 沿程损失系数 只与相对粗糙度有关 尼古拉兹公式 此区域内流动的能量损失与流速的平方成正比 故称此区域为平方阻力区 宗燕兵 47 紊流光滑管区 紊流粗糙管平方阻力区 层流区 宗燕兵 48 宗燕兵 49 a b c d 图中四条曲线是某学生进行尼古拉兹实验时在阻力平方区得到的结果 请问哪一条曲线合理 宗燕兵 50 某通风管道的直径d 150mm 风速 10m s 试求管长l 1000m时的摩擦压力损失 已知空气的运动粘性系数 1 76 10m2 s 密度 1 11kg m3 宗燕兵 51 先假设 解 先计算re 按光滑管区考虑 由卡门 普朗特公式 宗燕兵 52 第三章管道流动 3 1管流阻力的两种类型3 2层流和紊流3 3圆管中流体的层流流动3 4圆管中流体的紊流流动3 5沿程阻力系数3 6局部阻力系数3 7管路计算 宗燕兵 53 3 6局部压力损失 局部损失 用分析方法求得 或由实验测定 局部损失产生的原因 主要是由流体的相互碰撞和形成漩涡等原因造成 宗燕兵 54 一 管道截面突然扩大 流体从小直径的管道流往大直径的管道 取1 1 2 2截面以及它们之间的管壁为控制面 连续方程 动量方程 能量方程 可近似认为p p1 粘性流体的伯努利方程 宗燕兵 55 将连续方程 动量方程代入能量方程 以小截面流速计算的 以大截面流速计算的 通常以发生局部压力损失以后的动压来表示 宗燕兵 56 管道出口损失 动能完全消散于池水中 宗燕兵 57 为了减少突然扩大时所造成的局部压力损失 在工程上常采用逐渐扩大的管段连接不同尺寸的管道 宗燕兵 58 宗燕兵 59 宗燕兵 60 第三章管道流动 3 1管流阻力的两种类型3 2层流和紊流3 3圆管中流体的层流流动3 4圆管中流体的紊流流动3 5沿程阻力系数3 6局部阻力系数3 7管路计算 宗燕兵 61 3 7管路计算 管道计算的种类 简单管道 串联管道 并联管道 一 简单管道 管道直径和管壁粗糙度均相同的一根管子或这样的数根管