第5节 流体流动阻力

第五节流体流动阻力 第五节流体流动阻力 流动阻力的大小与流体本身的物理性质 流动状况及壁面的形状等因素有关 化工管路系统主要由两部分组成 一部分是直管 另一部分是管件 阀门等 相应流体流动阻力也分为两种 直管阻力 流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力 局部阻力 流体流经管件 阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力 一 流体在直管中的流动阻力1 阻力的表现形式 由此可见 无论是水平安装 还是倾斜安装 流体的流动阻力均表现为静压能的减少 仅当水平安装时 流动阻力恰好等于两截面的静压能之差 2 直管阻力的通式 在图1 24中 对1 1 和2 2 截面间流体进行受力分析 由压力差而产生的推动力为与流体流动方向相同流体的摩擦力为与流体流动方向相反 3 层流时的摩擦系数 4 湍流时的摩擦系数 1 因次分析法 层流时阻力的计算式是根据理论推导所得 湍流时由于情况要复杂得多 目前尚不能得到理论计算式 但通过实验研究 可获得经验关系式 这种实验研究方法是化工中常用的方法 若采用化工中常用的工程研究方法 因次分析法 可将几个变量组合成一个无因次数群 如雷诺数Re即是由d u 四个变量组成的无因次数群 用无因次数群代替个别的变量进行实验 由于数群的数目总是比变量的数目少 就可以大大减少实验的次数 关联数据的工作也会有所简化 而且可将在实验室规模的小设备中用某种物料实验所得的结果应用到其它物料及实际的化工设备中去 因次分析法的基础是因次一致性原则 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因次 因次分析法的基本定理是白金 Buckinghan 的 定理 设影响某一物理现象的独立变量数为n个 这些变量的基本因次数为m个 则该物理现象可用N n m 个独立的无因次数群表示 根据对摩擦阻力性质的理解和实验研究的综合分析 认为流体在湍流流动时 由于内摩擦力而产生的压力损失与流体的密度 粘度 平均速度u 管径d 管长L及管壁的粗糙度 有关 即 1 41 图1 25摩擦系数 与雷诺数Re及相对粗糙度的关系 2 管壁粗糙度对摩擦系数的影响光滑管 玻璃管 铜管 铅管及塑料管等称为光滑管 粗糙管 钢管 铸铁管等 管道壁面凸出部分的平均高度 称为绝对粗糙度 以表示 绝对粗糙度与管径的比值即 称为相对粗糙度 管壁粗糙度对流动阻力或摩擦系数的影响 主要是由于流体在管道中流动时 流体质点与管壁凸出部分相碰撞而增加了流体的能量损失 其影响程度与管径的大小有关 因此在摩擦系数图中用相对粗糙度 而不是绝对粗糙度 流体作层流流动时 流体层平行于管轴流动 层流层掩盖了管壁的粗糙面 同时流体的流动速度也比较缓慢 对管壁凸出部分没有什么碰撞作用 所以层流时的流动阻力或摩擦系数与管壁粗糙度无关 只与Re有关 流体作湍流流动时 靠近壁面处总是存在着层流内层 如果层流内层的厚度 L大于管壁的绝对粗糙度 即 L 时 如图1 26 a 所示 此时管壁粗糙度对流动阻力的影响与层流时相近 此为水力光滑管 随Re的增加 层流内层的厚度逐渐减薄 当 L 时 如图1 26 b 所示 壁面凸出部分伸入湍流主体区 与流体质点发生碰撞 使流动阻力增加 当Re大到一定程度时 层流内层可薄得足以使壁面凸出部分都伸到湍流主体中 质点碰撞加剧 致使粘性力不再起作用 而包括粘度 在内的Re不再影响摩擦系数的大小 流动进