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流动阻力及管路特性曲线 Copyright 制冷与冷藏技术 顺德职业技术学院 制冷流体机械 精品课程 第一节圆管内流动 1 1雷诺实验 第一节圆管内流动 1 2流态及流态的判定 1 层流与紊流 当管内流体运动速度较低时 流体只作轴向运动 而无横向运动 实际上此时流体在管内的运动是一种分层运动 各层间互不干扰 也互不相混 这种流动状态称为层流 管中流体速度增大到一定程度时 流体在管中的横向运动十分剧烈 流体间产生了强烈的混合 流体的层状运动被彻底打破 流体在向前流动时处于无规则的混乱状态 这种流动状态称为紊流 第一节圆管内流动 2 流动状态的判定 1 雷诺数 Re 平均流速 m s 圆管内径 m 流体运动粘度 m2 s 当和一定时 雷诺数只随而变化 所以在最初的实验中只反映出速度的影响 第一节圆管内流动 2 临界雷诺数 Re4000属紊流运动2000 Re 4000属过渡流运动 在实际工程计算中 可以简化为 Recr 2000Re 2000为紊流Re 2000为层流 第一节圆管内流动 3 非圆管内流态的判定 临界雷诺数仍为2000 雷诺数低于2000为层流流动 雷诺数高于2000则为紊流流动 然而 雷诺数计算公式中的直径d必须用当量直径代替 所谓当量直径是指与非圆形截面管道具有相同流动阻力的圆管内径 式中的称为水力半径 边长为a和b的矩形管 宽为a 高为b 水流湿润到整个高度的明渠 第一节圆管内流动 1 3边界层基本概念及圆管中的速度分布 1 平板边界层 流场中出现了两个性质不同的流动区域 紧贴固体壁面的薄层 流体受粘性力的影响极大 速度变化极大 称为边界层 第一节圆管内流动 2 曲面边界层及其分离观象 取同一水平线上流道截面积逐渐扩大的渐扩流道 如图下图所示 列出上下游断面间能量方程 为简化分析 假定由于则有 但二断面中压力能与动能之和相等 必然就有 第一节圆管内流动 3 管道内流动边界层 边界层汇合前的阶段 即边界层发展的阶段称为流体进口段 边界层汇合后的阶段称为流动充分发展阶段 第一节圆管内流动 4 圆管中的速度分布 层流 紊流 管轴心处的速度均为最大速度 记为 管壁处的速度为零 对于圆管内层流流动 对于圆管内紊流流动 第二节能量损失 2 1能量损失 1 沿程损失与局部损失 第二节能量损失 沿程损失与管道内径成反比 与管段的长度 速度水头成正比 在同一管径的管段中 沿程损失沿管段均匀分布 即 沿程阻力系数 无因次数 管段长度 m 管道内径 m 流体平均流速 m s 第二节能量损失 2 2能量损失 整个管路的能量损失为各管段的沿程损失与各处的局部损失之和 用压力形式表示的沿程损失和局部损失分别为 第三节沿程阻力系数 3 1沿程阻力系数的影响因素 层流流动时雷诺数较小 粘性力起着主导作用 层流的阻力也就是粘性阻力 仅仅取决于Re 而与管壁粗糙度无关 粘性阻力仍然取决于雷诺数 而惯性阻力受壁面粗糙度的影响较大 粗糙度对沿程损失的影响不完全取决于管壁表面粗糙突起的绝对高度K 而是取决于它的相对高度 即粗糙突起的绝对高度K与管径d的比值 K d 称为相对粗糙度 其倒数d K称为相对光滑度 因此 对于层流 对于紊流 第三节沿程阻力系数 3 2尼古拉兹曲线 第三节沿程阻力系数 五个阻力区 第三节沿程阻力系数 3 3工业管道紊流沿程阻力系数计算 1 莫迪图与当量糙粒高度 第三节沿程阻力系数 第三节沿程阻力系数 2 紊流沿程阻力系数的计算公式 1 临界区 Re 2000 4000的临界过渡区内 可采用扎依琴柯的计算式 2 紊流光滑区 尼古拉兹光滑区公式 对于的光滑管流 布劳修斯提出经验公式 第三节沿程阻力系数 3 紊流粗糙区 尼古拉兹粗糙区公式 4 紊流过渡区 柯列勃洛克根据大量的工业管道实验资料 提出过渡区计算公式 简称柯氏公式 第三节沿程阻力系数 3 洛巴耶夫判别式 断面平均流速 流体运动粘度 第四节局部损失计算 1 管径突然扩大 管径突然扩大时会形成局部的涡旋 造成局部损失 4 1局部阻力系数计算 第四节局部损失计算 2 管径逐渐扩大 由于管径突然扩大的能量损失较大 一般均采用渐扩管 渐扩管较长 能量损失包括沿程损失和局部损失两部分 相对于的阻力系数公式为 第四节局部损失计算 3 管径突然收缩 4 管径逐渐缩小 第四节局部损失计算 5 管道进口 6 阀门 第四节局部损失计算 7 过滤网格 第四节局部损失计算 8 弯管 在的情况下 第四节局部损失计算 9 三通 第四节局部损失计算 4 2减少阻力的措施 1 减少管壁粗糙度 或用柔性软管代替刚性管 2 改善造成局部阻力的管件流道形状 3 采用渐变的 平顺的管道进口 有利于减少阻力 如图3 14 4 采用扩散角较小的渐扩管有利于减阻 图3 23所示两种形式均可减少阻力 第五节管路特性曲线 5 1管路系统的分类 1 按管道中流体能量损失的大小分类 长管 短管 2 按结构形式分类 简单管路 复杂管路 串联管路 并联管路 枝状管路 环状管路 第五节管路特性曲线 5 2管路阻抗 1 短管的阻抗 短管的计算包括了沿程损失 局部损失和出口速度水头 举例以图示0 0为基准面 对自由液面1 1和出口截面2 2列出能量方程 第五节管路特性曲线 5 3串联与并联管路特点 1 串联管路 串联管路由不同管径的简单管路串接而成 串联管路的流动特点为 各