3.4 管内流体流动的阻力

1,讲授姜华,化工基础AnIntroductiontoChemicalIndustryandEngineering,2,3.4管内流体流动的阻力,教学目的：,重点：,课型：,教学方法：,参考文献：,难点：,了解流体流动时产生阻力的原因，掌握流动阻力的计算，并应用于实际管路中阻力的计算。,流体在圆管内流动时阻力的计算,新知识理论课,讲解、谈话、应用训练,5、6,利用因次分析法解决工程实际问题,3,实际流体的Bernoulli方程:,流体流动的阻力与流体的性质(如粘度等)、流体流动形态、导管的长度、管径、壁面情况以及流动时的变动状态（如缩小、扩张等）有关。,阻力hf,直管阻力(沿程阻力)由于内摩擦力而产生的能量损失,局部阻力,截面骤然变化流动方向改变流经管件、仪表等,由于局部障碍引起边界层分离而造成能量损失,?,4,一、管、管件及阀门简介,管:,管子,铸铁管（水管、煤气管、污水管）钢管（有缝、无缝）特殊钢管有色金属管塑料管橡胶管,管子,光滑管（玻璃管、铜管、铅管、塑料管等）粗糙管（旧钢管、铸铁管）,管壁的相对粗糙度,5,管件：,弯管,大小头,冲压弯,管与管的连接部分，它主要是用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。,6,管件,承插管件,法兰,法兰,封头,7,阀门:,安装于管道中用以切断或调节流量。,球阀,截止阀,闸阀,止逆阀,8,二流体流动的形态,滞流(laminarflow):也称为层流，流体的质点作一层滑过一层的位移，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因扩散而转移。流体的流速沿断面按抛物线分布；管中流体的平均流速为最大流速的1/2。,9,湍流(turbulentflow):流体在流动时，流体的质点有剧烈的骚扰涡动，只是靠近管壁处还保留滞流的形态。接近管中央相当大范围内的流体流速接近于最大流速。管内流体的平均流速为管中央最大流速的0.8左右。,图1-22湍流时的速度分布,10,流动形态的判据雷诺数（Reynoldsnumber）,雷诺数：,滞流,湍流,过渡状态,滞流转变的临界值,相应的流速称为临界流速,NOTE：工业上输送流体时大多数是以湍流形态进行的。,11,当量直径(equivalentdiameter),对于非圆形导管，计算Re时，应以当量直径de代替特征数中的直径d：,例：直径d1的外套管与直径d2的内套管所形成的环行通道的当量直径为：,12,三边界层（boundarylayer）,边界层：流体的流速低于未受壁面影响的流速的99%的区域。,主流区：在边界层以外，速度梯度接近为零的区域。,边界层,边界层,边界层,边界层,主流区,主流区,滞流,湍流,13,图1-25湍流流动,NOTE：滞流内层的厚度虽然不大，但粘附在壁面，成为传热和传质的主要阻力；Re值越小，滞流内层厚度越大，传递过程的阻力随之增大。,14,边界层的形成,从管口到形成边界层所经历的管长称为稳定段长度，此长度与管的形状、管壁粗糙程度及雷诺数等因素有关。,15,边界层分离,B,流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时，也会发生边界层分离。,NOTE：边界层分离会导致流体流动阻力的增大。,16,17,阻力hf,直管阻力(沿程阻力)hf,局部阻力hl,四流体在圆管内流动时的阻力计算,滞流时的摩擦阻力,主要是流体的内摩擦力,服从牛顿粘性定律：,1直管阻力的计算,19,湍流时的流动阻力,l/d几何相似数；,摩擦阻力系数，是Re，/d的函数。,Fanning公式,管壁的相对粗糙度:,管的粗糙度，mm,20,查表：,摩擦阻力系数,21,摩擦阻力系数,经验公式计算：,对光滑管：,柏拉相修斯（Blasius）公式,柯纳柯夫（KypnaKOB）公式,粗糙管：,接近一常数,其值主要取决于管壁的粗糙度。,尼库拉则(Nokuradse)公式,用沿程阻力系数表示阻力计算公式:,柯尔本(Colburn)公式,22,2局部阻力,当流体在管道系统中流经各种管件、阀门、接头、改变方向，导管截面积骤然变化时，流体质点发生扰动而形成涡流，产生摩擦阻力，这类阻力称为局部阻力。,局部阻力的计算：,当量长度法:将局部阻力的压头损失折算成相应长度的管子所造成的压头损失，再并入总管长度来计算。此相应的管子长度称为当量长度le。,局部阻力,阻力系数法:,23,管件与阀门的当量长度共线图,。,24,例:料液由敞口高位槽流入精馏塔中。塔内操作压力为0.4kgf/cm2(表压)，输送管路为1084mm的钢管，直管长为(h+1.5)m。管路中装有180回弯头、90标准弯头、截止阀各一个。若维持进料量为50m3/h，问高位槽中的液面至少高出进料口多少米？料液的粘度为1.510-3Pa.s，密度为900kg.m-3，,复杂管路的计算,分支管路：主管处有分支，但最终不再汇合的管路。,分支管路,1,2,0,主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和:qm=qm1+qm2,各分支管路流动终了时，总机械能与该管路中总摩擦阻力之和为常数。,并联管路：在主管某处分为几支，然后又汇合成一主管路。,主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和，qm=qm1+qm2+qm3,1,2,3,单位质量流体通过各支管的能量损失均相等，Hf1=Hf2=Hf3=HfAB,并联管路,复杂管路的计算,A,B,27,例题,例2-18高位水槽引出内径40mm的出水管至B处，此管道连同局部阻力管长为100m。在B出分出内径均为25mm的、水平平行的C和D两管，C管连同局部阻力管长为20m，D管为40m。管内水流动的阻力系数可取0.03。求(1)C管单独全开时