第一章流体流动(4节)

1、O返回2022-2-2一、管、管件及阀门的阻力损失一、管、管件及阀门的阻力损失 流体流动的载体由管路、管件及各种阀门组成。实际流体流动的载体由管路、管件及各种阀门组成。实际流体在管路中流动需要克服流动阻力，其中：流体在管路中流动需要克服流动阻力，其中： 流动阻力流动阻力产生的根源产生的根源 流体具有黏性，流体具有黏性，流动时存在内部摩擦力流动时存在内部摩擦力: :流动阻力流动阻力产生的条件产生的条件固定的管壁或其他形状的固体壁面固定的管壁或其他形状的固体壁面流体流经直管部分的阻力流体流经直管部分的阻力损失，又称为沿程阻力，损失，又称为沿程阻力，以以h hf f表示表示; ;管路中的阻力管路中的

2、阻力直管阻力直管阻力 ：局部阻力：局部阻力： 流体流经管件、阀门、变流体流经管件、阀门、变径、管路的进、出口等部径、管路的进、出口等部位的阻力损失，称为位的阻力损失，称为局部局部阻力，阻力，以以h h f f表示；表示；流体流动的流体流动的总总阻力损失阻力损失为两为两者之和：者之和： hhf f= h= hf f+ + h h f fO返回2022-2-2二、流体在圆形直管中的流动阻力通式流体在圆形直管中的流动阻力通式【问题】【问题】流体在直管中流动时产生的阻力以什么现象流体在直管中流动时产生的阻力以什么现象 体现呢？体现呢？ 分析：分析： 前题条件：前题条件：稳定流动、稳定流动、流体流过流体

3、流过 水平、等径的直管，即：水平、等径的直管，即： Z Z1 1=Z=Z2 2=0,d=0,d1 1=d=d2 2; ;则则u u1 1=u=u2 2,W,We e=0;=0; R R压差计度数。压差计度数。静压差表示流体流静压差表示流体流 过直管后产生阻过直管后产生阻 力损失的外在表现。力损失的外在表现。O返回2022-2-21、流体在直管阻力的通式、流体在直管阻力的通式范宁公式范宁公式在在1 1、2 2点间放一点间放一U U型压差计型压差计, ,并列伯努利方程：并列伯努利方程： ;2121mgpHkgJppphhppfff 另一个角度分析：另一个角度分析：p=(pp=(p1 1-p-p2

4、2) )与流体流动过程的剪应力与流体流动过程的剪应力 ( (阻力损失阻力损失) )有关系。有关系。稳定流动稳定流动：F F1 1、F F2 2是作用在截面是作用在截面1 1、2 2的总压的总压力力, ,摩擦阻力摩擦阻力F F是作用在流体柱四是作用在流体柱四周的作用力。周的作用力。达平衡：达平衡： F F1 1-F-F2 2-F=0;-F=0;Pahppf21O返回2022-2-20)4)(221dldpp)(;4;4222211dlFdpFdpF,dydu 其中其中 说明说明流动阻力流动阻力与流体的与流体的流速流速u u有有 关；而流速关；而流速u u又与又与流动类型流动类型及及动能动能有关；

5、层有关；层 流与湍流应分别进行计算。流与湍流应分别进行计算。dlhPadlddlppf4;44)(221及O返回2022-2-2；或则2222PaudlhpkgJudlhfff无因此系数；令2228224uudluhf2、流体在、流体在圆形直管流圆形直管流动的阻力计动的阻力计算公式算公式 afffPudlpmgudlHkgJudlh222222：用压强表示的阻力损失：用压头表示的阻力损失：用能量表示的阻力损失将流体流动阻力表示成动能的倍数：将流体流动阻力表示成动能的倍数：范宁公式计算公式上式称为流体直管阻力O返回2022-2-21 1)u )u：管中流体的平均流速：管中流体的平均流速 m/sm

6、/s2 2)l )l：流体经过的长度：流体经过的长度 mm3 3)d )d：管内径：管内径 mm4 4) )：摩擦因数：摩擦因数( (无量纲无量纲) ) 值是求阻力损失的关键值是求阻力损失的关键。5) 5) p pf f与伯努利方程中流体两截面的压差与伯努利方程中流体两截面的压差 p p不是同一个概不是同一个概 念，念， p pf f只是一个符号，只是一个符号，一般情况下数值不等，一般情况下数值不等，只有特殊只有特殊 情况下才在数值上相等。情况下才在数值上相等。 流体只有流动才能存在阻力损失，静止流体流体只有流动才能存在阻力损失，静止流体 无阻力损失。无阻力损失。有流动必有有流动必有流速流速u

7、 u，必产生必产生动能动能，因此，阻力损失，因此，阻力损失h hf f一定是一定是动能动能的倍数的倍数，且管径越，且管径越 大，阻力越小；管路越长，阻力越大大，阻力越小；管路越长，阻力越大。范宁公式的意义：范宁公式的意义：O返回2022-2-23、管材管材(壁壁)粗糙度对摩擦系数粗糙度对摩擦系数的影响的影响化工管路化工管路光滑管：光滑管： 粗糙管：粗糙管： 玻璃管、黄铜管、塑料管等玻璃管、黄铜管、塑料管等 钢管、铸铁管及管路使用后结垢、被腐蚀等钢管、铸铁管及管路使用后结垢、被腐蚀等 相同流体不同流速，相同流体不同流速，相同流速不同管径，相同流速不同管径，相同管径不同材质，相同管径不同材质，相同

8、相同材质不同的使用时间，材质不同的使用时间，其流动阻力均不同。综合以上因素得出管路的粗其流动阻力均不同。综合以上因素得出管路的粗糙度与摩擦因数糙度与摩擦因数的关系：的关系：管壁粗糙度管壁粗糙度 绝对粗糙度绝对粗糙度 相对粗糙度相对粗糙度 壁面凸出部分的平均高度壁面凸出部分的平均高度，以，以表示表示 绝对粗糙度与管道直径的比值，即绝对粗糙度与管道直径的比值，即( (/d/d ) )设设:mm为绝对粗糙度为绝对粗糙度( (该值查文献该值查文献) )，表示管壁突出部分的平均值。，表示管壁突出部分的平均值。设设:/d 为相对粗糙度为相对粗糙度( (该值计算该值计算) )，表示粗糙度对，表示粗糙度对 的

9、影响。的影响。 O返回2022-2-2O返回2022-2-24、层流时的摩擦因数、层流时的摩擦因数：Re 2000 流体作层流流过粗糙管时，管壁上凸凹不平的地方，被做流体作层流流过粗糙管时，管壁上凸凹不平的地方，被做平行直线流动的流体层所覆盖，与流过光滑管相似，所以计算平行直线流动的流体层所覆盖，与流过光滑管相似，所以计算层流摩察系数可以不考虑管壁粗糙度对其影响。层流摩察系数可以不考虑管壁粗糙度对其影响。层流的层流的摩擦阻力只与流体性质摩擦阻力只与流体性质(、) )及管长、管径及管长、管径(d)(d)、流流速速(u)(u)有关；与管路的材性质及粗糙程度无关。这是层流流动有关；与管路的材性质及粗

10、糙程度无关。这是层流流动的本质决定。的本质决定。层流流动的基本关系：层流流动的基本关系：2max4Rlpu2dR uu2max2)2(42dlpulpduf322232dulpfeRdu64642Re642232322222udludlududulpfO返回2022-2-2 湍流流动是十分复杂的流动过程，影响因素湍流流动是十分复杂的流动过程，影响因素 比较多，比较多，不能从理论分析直接导出湍流流动过程的阻力损失计算公不能从理论分析直接导出湍流流动过程的阻力损失计算公式，通常采用实验及数学处理相结合的方法式，通常采用实验及数学处理相结合的方法因次分析因次分析法法解决。其结果如下：解决。其结果如下

11、：5、湍流时的摩擦因数、湍流时的摩擦因数：Re4000),(uldpf 对于湍流经数学处理，对于湍流经数学处理， 是是ReRe及管路的规格、管材及管路的规格、管材粗糙程度的函数：粗糙程度的函数：df，ReO返回2022-2-2 ( /d)1( /d)2 ( /d)3 Re流体流动过程中雷诺数流体流动过程中雷诺数Re与摩擦因数与摩擦因数的关系曲线：的关系曲线：摩擦因数摩擦因数图图a) a)层流区：层流区：Re2000Re2000， 与与ReRe成直线关系成直线关系(ln(ln 与与lnRe)lnRe)，=64/Re=64/Re。b)b)过渡区：过渡区：20002000ReRe40004000，管

12、内流动随外界条件的影响而出现不同管内流动随外界条件的影响而出现不同的流型，摩擦系数也因之出现波动。的流型，摩擦系数也因之出现波动。 c) c)湍流区湍流区：ReRe40004000且在图中虚线以下处且在图中虚线以下处时，时， 值随值随ReRe数的增数的增大而减小。大而减小。 d) d)完全湍流区完全湍流区： 图中图中虚线以上的区域，虚线以上的区域，摩摩擦系数基本上不随擦系数基本上不随ReRe的变化而变化，的变化而变化， 值值近似为常数。近似为常数。 根据根据范宁公式范宁公式，若，若l/dl/d一定，则阻力损失一定，则阻力损失与与流速的平方成正比流速的平方成正比，称作称作阻力平方区阻力平方区 。

13、 O返回2022-2-2eeRR642000，40002000Re四条线，四个区：四条线，四个区：层流线、光滑管线、粗糙管线、层流线、光滑管线、粗糙管线、分界线分界线层流区：层流区：过度流区：一般按湍流计算过度流区：一般按湍流计算湍流区：湍流区：分界线以下部分可查图求分界线以下部分可查图求df，；Re4000Re完全湍流区：完全湍流区：分界线以上部分分界线以上部分与与Re呈水平线，与呈水平线，与ReRe无无关，关，只与只与/d/d有关有关；因为在高度湍动时，管壁的粗糙部分完全暴露在层流；因为在高度湍动时，管壁的粗糙部分完全暴露在层流层以外，速度在增加，对层以外，速度在增加，对 的影响无变化，只

14、对的影响无变化，只对 /d/d有影响。有影响。O返回2022-2-26、管内湍流流动的阻力损失计算步骤：、管内湍流流动的阻力损失计算步骤：【注意】【注意】1） Re /d为为双对数坐标双对数坐标；2）层流的）层流的与与/d无关，因质点行移动。无关，因质点行移动。1)计算计算Re判断流型；判断流型；2)根据管材及使用情况根据管材及使用情况(新、旧新、旧)选取选取值值(查表查表) /d相对粗糙度；相对粗糙度；3)由由Re /d值查图值查图 Re4)将查得的将查得的值代入范宁公式，求出值代入范宁公式，求出hf。5)或用经验公式计算。或用经验公式计算。O返回2022-2-2 将非圆形管的将非圆形管的一

15、个几何因素一个几何因素与圆形直管的直径与圆形直管的直径d d相对应相对应, ,则则非圆形管的这个几何因素称为非圆形管的这个几何因素称为当量直径当量直径1、定义、定义：润湿周边长流体流经截面积水力半径44de结论：结论：流体流经的截面相等，但由于形状不同，润湿周边长不流体流经的截面相等，但由于形状不同，润湿周边长不 同，因此当量直径也不同，只有润湿周边长越短则同，因此当量直径也不同，只有润湿周边长越短则d de e越大越大 的管路的管路，h hf f值越小值越小。 例：例：1 1、正方形的、正方形的d de e； 2 2、长方形的、长方形的d de e; 3; 3、正三角形的正三角形的d de

16、e； 4 4、环形的环形的d de e； 5 5、n n根列管管外的根列管管外的d de e三、非圆形直管内的摩擦损失三、非圆形直管内的摩擦损失O返回2022-2-2kgJudlhef222、非圆形管的阻力计算、非圆形管的阻力计算:udeRe24eSSdVSVu截面1）计算）计算Re时用时用当量直当量直 径径de计算计算:2）计算流速）计算流速u时，时，不能用不能用当量直径计算当量直径计算，要用真实的，要用真实的截面积：截面积： mgudlHef22【注意的【注意的概念概念】O返回2022-2-2 1、阻力系数法：、阻力系数法：思路：思路：流体流动即有流体流动即有流速流速(u)(u)及及流动阻

17、力流动阻力存在，则将流存在，则将流 过管件、阀件、出口、入口等过管件、阀件、出口、入口等局部形体阻力的局部形体阻力的 大小表示是大小表示是动能的倍数动能的倍数：kgJuhf22u流体在直管中的平均流速。流体在直管中的平均流速。四、局部阻力损失的计算四、局部阻力损失的计算阻力系数法阻力系数法当量长度法当量长度法 mguHf22O返回2022-2-2几种特殊形式下的阻力系数几种特殊形式下的阻力系数值：值：(1)(1)流体突然扩大的极限情况流体突然扩大的极限情况管子出口的管子出口的： 出口出口=1.0(2)(2)流体突然缩小的极限情况流体突然缩小的极限情况管子入口的管子入口的： 入口入口=0.5(3

18、)(3)其它管件、阀件与阀门等情况的其它管件、阀件与阀门等情况的值值查表。查表。O返回2022-2-22、当量长度法：、当量长度法：思路：思路：将流体流过的各种将流体流过的各种局部阻力损失局部阻力损失，折合成流体流过的，折合成流体流过的 某直管长度某直管长度l le e的阻力，的阻力， l le e称为称为当量长度当量长度。kgJudlhef223、流体在管内流动的总阻力、流体在管内流动的总阻力总阻力直管阻力局部阻力总阻力直管阻力局部阻力阻力计算通式：阻力计算通式：22udllhef【注意】【注意】在管路计算时，在管路计算时， 局部阻力用当量长度表局部阻力用当量长度表 示比较方便，但有些局示比

19、较方便，但有些局 部阻力只能用部阻力只能用阻力系数阻力系数 法计算，如管的法计算，如管的入口与入口与 出口出口，因此常将两者结，因此常将两者结 合使用。合使用。O返回2022-2-2五、管路计算（自学内容）五、管路计算（自学内容）问题：问题：一、何谓简单管路？一、何谓简单管路？(1)等径管路特点等径管路特点(2)串联管路特点串联管路特点二、何谓复杂管路？二、何谓复杂管路？(1)并联管路特点并联管路特点(2)分支管路特点分支管路特点六、流量测量六、流量测量问题：问题：一、流量计分为哪两种类型？一、流量计分为哪两种类型？(1)横截面变压头流量计的名称是什么？横截面变压头流量计的名称是什么？(2)恒

20、压头变截面流量计的名称是什么？恒压头变截面流量计的名称是什么？O返回2022-2-2管路计算管路计算 设计型设计型操作型操作型对于给定的流体输送任务（如一定对于给定的流体输送任务（如一定的流体的体积，流量），选用合理的流体的体积，流量），选用合理且经济的管路。且经济的管路。 关键：关键：流速的选择流速的选择 管路系统已固定，要求核算在某管路系统已固定，要求核算在某给定条件下的输送能力或某项技给定条件下的输送能力或某项技术指标术指标O返回2022-2-22;2kgJudlhuf常数（一）（一）管路的分类及特点：管路的分类及特点：1、简单管路：、简单管路：(2)串联管路：不可压缩的流体串联管路：不可压缩的流体简单管路的主要特点：简单管路的主要特点：(1)等径管路：不可压缩的流体等径管路：不可压缩的流体233222211dududufffffhhhhh321O返回2022-2-2ssss