化工原理ch1-5流体流动阻力.ppt

2020 3 26 第1章流体流动与输送机械 1 5流体流动阻力 1 5 1直管阻力1 5 2局部阻力1 5 3管路中的总阻力 2020 3 26 流动阻力产生的根源 流体具有粘性 流动时存在内部摩擦力 流动阻力产生的条件 固定的管壁或其他形状的固体壁面 管路中的阻力 直管阻力 局部阻力 流体流经一定管径的直管时由于流体的内摩擦而产生的阻力 流体流经管路中的管件 阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力 2020 3 26 单位质量流体流动时所损失的机械能 J kg 单位重量流体流动时所损失的机械能 m 单位体积的流体流动时所损失的机械能 Pa 2020 3 26 表示的不是增量 而 P中的 表示增量 2 一般情况下 P与 Pf在数值上不相等 注意 3 只有当流体在一段既无外功加入 直径又相同的水平管内流动时 P与压强降 Pf在绝对数值上才相等 2020 3 26 1 5 1流体在直管中的流动阻力 1 5 1 1阻力的表现形式 2020 3 26 1 5 1 2直管阻力的通式 2020 3 26 圆形直管内能量损失与摩擦应力关系式 2020 3 26 圆形直管阻力所引起能量损失的通式称为范宁公式 对于滞流或湍流都适用 为无因次的系数 称为摩擦因数 2020 3 26 3 管壁粗糙度对摩擦系数的影响 2020 3 26 2020 3 26 1 5 1 3层流时的摩擦损失 哈根 泊谡叶公式 滞流流动时 与Re的关系 2020 3 26 1 5 1 4湍流时的摩擦系数 1 量纲分析法 2020 3 26 基本步骤 通过初步的实验结果和较系统的分析 找出影响过程的主要因素 也就是找出影响过程的各种变量 利用因次分析 将过程的影响因素组合成几个无因次数群 以期减少实验工作中需要变化的变量数目 建立过程的无因次数群 一般常采用幂函数形式 通过大量实验 回归求取关联式中的待定系数 2020 3 26 因次分析法特点 通过因次分析法得到数目较少的无因次变量 按无因次变量组织实验 从而大大减少了实验次数 使实验简便易行 依据 因次一致性原则和白金汉 Buckinghan 所提出的 定理 因次一致原则 凡是根据基本的物理规律导出的物理量方程式中各项的因次必然相同 也就是说 物理量方程式左边的因次应与右边的因次相同 2020 3 26 定理 设影响某一物理现象的独立变量为n个 这些变量的基本量纲为m个 则该物理现象可以用N n m 个独立的无量纲的准数表示 湍流摩擦系数的无因次数群 湍流时影响阻力损失的主要因素有 管径d管长l平均速度u流体密度 粘度 管壁粗糙度 用幂函数表示为 2020 3 26 以基本因次质量 M 长度 L 时间 t 表示各物理量 代入 1 式 得 2020 3 26 以b e f表示a c d 则有 代入 1 式 得 2020 3 26 整理 得 因此 2020 3 26 直管内湍流流动的阻力损失 湍流流动 取l d的指数b 1 2020 3 26 摩擦因素图a 层流区 Re 2000 与无关 与Re为直线关系 即 即与u的一次方成正比 b 过渡区 2000 Re 4000 在此区内 流体的流型可能是层流 也可能是湍流 视外界的条件而定 在管路计算时 为安全起见 对流动阻力的计算一般将湍流时的曲线延伸查取的数值 2020 3 26 c 湍流区Re 4000及虚线以下和光滑管曲线以上的区域 这个区域内 管内流型为湍流 因 由图中曲线分析可知 当一定时 Re 当Re一定时 湍流光滑管区 经验公式 Re 4000时的最下面一条曲线 这是管内流型为湍流 由于光滑管表面凸起的高度很小 因此 与无关 而仅与Re有关 当时 2020 3 26 d 完全湍流区 阻力平方区图中虚线以上的区域 此区域内曲线近似为水平线 即 与Re无关 只与有关 这是由于增加至这一区域 层流底层厚度 凸出的部分都伸到湍流主体中 质点的碰撞更加剧烈 时流体中的粘性力已不起作用 故包括的Re不再影响 的大小 此时压力降 阻力损失 完全由惯性力造成的 我们把它称为完全湍流区 对于一定的管道 为定值 常数 由范宁公式 所以完全湍流区又称阻力平方区 由图可知 达到阻力平方区的Re 2020 3 26 摩擦因素图 2020 3 26 1 5 1 5非圆形管内的摩擦损失对于圆形管道 流体流径的管道截面为 流体润湿的周边长度为 d 2020 3 26 对于长宽分别为a与b的矩形管道 对于一外径为d1的内管和一内径为d2的外管构成的环形通道 2020 3 26 化工管路中的管件种类繁多 常见的管件如图1 43所示 流体流过各种管件都会产生阻力损失 和直管阻力的沿程均匀分布不同 这种阻力损失是由管件内的流道多变所造成 因而称为局部阻力损失 局部阻力损失是由于流道的急剧变化使流动边界层分离 所产生的大量漩涡 使流体质点运动受到干扰 因此即使流体在直管内是层流流动 但当它通过管件或阀门时也是很容易变成湍流 1 5 2局部阻力损失 2020 3 26 工程上的管路输送系统主要由两种部件组成 一是等径直管 二是弯头 三通 阀门等等各种管件和阀件 1 5 2 1管件与阀门 2020 3 26 2020 3 26 蝶阀 2020 3 26 1 5 2 2局部阻力的计算 1 当量长度法把流体流过某一管件或阀门的局部阻力折算成相当于流过一段与它直径相同 长度为le的直管阻力 所折算的直管长度称为该管件或阀门的当量长度 以le表示 单位为m le为管件的当量长度 管件与阀门的当量长度由试验测定 湍流时 可查共线图 2020 3 26 2 阻力系数法 近似地将克服局部阻力引起的能量损失表示成动能的一个倍数 这个倍数称为局部阻力系数 用符号 表示 即 为阻力系数 由实验测定 2020 3 26 注意 1 以上两种方法均为近似估算方法 而且两种计算方法所得结果不会完全一致 但从工程角度看 两种方法均可 2 在管路系统中 直管摩擦损失与局部摩擦损失之和等于总摩擦损失 对等径管 则显然 采用当量长度法便于将直管摩擦损失与局部摩擦损失合起来计算 3 长距离输送时以直管摩擦损失为主 短程输送时则以局部摩擦损失为主 2020 3 26 突然扩大 流体流过如图所示的突然扩大管道时 由于流股离开壁面成一射流注入了扩大的截面中 然后才扩张道充满整个截面 由于流道突然扩大 下游压强上升 流体在逆压强梯度下流动 射流与壁面间出现边界层分离 产生漩涡 因此有能量损失 u 取小管的流速 可根据小管与大管的截面积之比查图 2020 3 26 突然缩小 突然缩小时 流体在顺压强梯度下流动 不致于发生边界层脱离现象 因此在收缩部分不会发生明显的阻力损失 但流体有惯性 流道将继续收缩至O O 面后又扩大 这时 流体在逆压强梯度下流动 也就产生了边界层分离和漩涡 因此也就产生了机械能损失 由此可见 突然缩小造成的阻力主要还在于突然扩大 2020 3 26 O A2 A1 A2 A0 A1 2020 3 26 管出口 管出口和管入口管出口相当于突然扩大 流体自容器进入管内 相当于突然缩小A2 A1 0管进口阻力系数 c 0 5 管件与阀门不同管件与阀门的局部阻力系数可从手册中查取 2020 3 26 1 5 3流体在管路中的总阻力 管路系统中总阻力 直管阻力 局部阻力 对直径相同的管段 2020 3 26 例 用泵把20 的苯从地下储罐送到高位槽 流量为300L min 高位槽液面比储罐液面高10m 泵吸入管路用 89 4mm的无缝钢管 直管长为15m 管路上装有一个底阀 可粗略的按旋启式止回阀全开时计 一个标准弯头 泵排出管用 57 3 5mm的无缝钢管 直管长度为50m 管路上装有一个全开的闸阀 一个全开的截止阀和三个标准弯头 储罐及高位槽液面上方均为大气压 设储罐液面维持恒定 试求泵的轴功率 设泵的效率为70 2020 3 26 分析 求泵的轴功率 柏努利方程 管径不同 范宁公式 l d已知 摩擦因数图 2020 3 26 解 取储罐液面为上游截面1 1 高位槽液面为下游截面2 2 并以截面1 1为基准水平面 在两截面间列柏努利方程式 式中 1 吸入管路上的能量损失 2020 3 26 式中 管件 阀门的当量长度为 底阀 按旋转式止回阀全开时计 6 3m 标准弯头2 7m 进口阻力系数 c 0 5 2020 3 26 苯的密度为880kg m3 粘度为6 5 10 4Pa s 取管壁的绝对粗糙度 0 3mm d 0 3 81 0 0037 查得 0 029 2020