任务3流体阻力的确定及克服

1、3.1 3.1 流体阻力产生的原因流体阻力产生的原因3.2 3.2 流体的流动形态流体的流动形态任务任务3 3 流体阻力的确定及克服流体阻力的确定及克服一、两种流型一、两种流型层流和湍流层流和湍流1 1 雷诺实验雷诺实验2 2 两种流型两种流型层流（或滞流）层流（或滞流） ：流体质点仅：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；互不混合；湍流（或紊流）湍流（或紊流）：流体质点除了：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和向脉动，各质点的速度在大小和方

2、向上都随时变化，质点互相碰方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。撞和混合。二、流动形态的判定二、流动形态的判定雷诺准数雷诺准数1 1 流型的影响因素：流型的影响因素：流速、管子直径、流体黏度、密度流速、管子直径、流体黏度、密度雷诺准数雷诺准数 2 2 流型的判断流型的判断（1 1）当）当Re2000Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；时，流动为层流，此区称为层流区；（2 2）当）当Re4000Re4000时，流动为湍流，此区称为湍流区；时，流动为湍流，此区称为湍流区；（3 3）当）当2000Re40002000Re2000Re2000（有的资料中为（有的资料中为30003000）的情况

3、按湍流来处理。）的情况按湍流来处理。 udRe3 3 雷诺准数的物理意义雷诺准数的物理意义 Re Re愈大，流体的湍动愈剧烈，内摩擦力也愈大。愈大，流体的湍动愈剧烈，内摩擦力也愈大。4 4 当量直径当量直径当量直径当量直径de:de:套管环隙（环形管路），内管外径套管环隙（环形管路），内管外径d d1 1，外管内径，外管内径d d2 2对边长分别为对边长分别为a a、b b的矩形管的矩形管Ade44润湿周边流通截面积1212212244dddddddebaabbaabde2)(24r2r1ba3.3 3.3 层流和湍流的比较层流和湍流的比较1 1 流体内部质点的运动方式不同流体内部质点的运动方

4、式不同层流：层流： 阻力阻力= =黏性摩擦力黏性摩擦力湍流：湍流： 阻力阻力= =粘性力粘性力+ +附加应力（脉动）附加应力（脉动）2 2 流体流动的速度分布不同流体流动的速度分布不同速度分布与平均流速速度分布与平均流速3 3 湍流时的层流内层和缓冲层湍流时的层流内层和缓冲层E Ef f- -直管阻力，流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生直管阻力，流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力（沿程阻力）的阻力（沿程阻力）EfEf/ /- -局部阻力，流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小局部阻力，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及方向的改变而引起的阻力(

5、 (形体阻力形体阻力) )流体在圆管内流动时的总阻力为：流体在圆管内流动时的总阻力为：/fffEEE3.4 流体在直管内流动时的摩擦阻力流体在直管内流动时的摩擦阻力一、直管摩擦阻力一、直管摩擦阻力 由实践知，在流体物理性质、管径、管长及管壁粗糙度由实践知，在流体物理性质、管径、管长及管壁粗糙度不变的情况，摩擦阻力只与流速有关。不变的情况，摩擦阻力只与流速有关。 范宁（范宁（FanningFanning）公式：）公式： 层流和湍流均适用层流和湍流均适用 ：无因次系数，称为摩擦系数或摩擦因数。：无因次系数，称为摩擦系数或摩擦因数。 ：为克服摩擦阻力而引起的压强降，即是将摩擦阻力换算：为克服摩擦阻力

6、而引起的压强降，即是将摩擦阻力换算成压强降的形式来表示。成压强降的形式来表示。)2(2ufEf22udlEf22udlEpfffp二、摩擦系数二、摩擦系数摩擦系数不但与流动状况有关，还与管壁粗糙度密切相关。摩擦系数不但与流动状况有关，还与管壁粗糙度密切相关。（一）管壁粗糙度（一）管壁粗糙度光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；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。粗糙管：钢管、铸铁管等。1 1 粗糙度表示方法粗糙度表示方法绝对粗糙度绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。：管道壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度相对粗糙度 ：绝对粗糙度与管径的比值。

7、：绝对粗糙度与管径的比值。2 2层流：摩擦系数与管壁粗糙度无关，只与层流：摩擦系数与管壁粗糙度无关，只与ReRe有关。有关。 d3 3 湍流：湍流：如果层流内层的厚度如果层流内层的厚度b b 管壁的绝对粗糙度管壁的绝对粗糙度 ，与层流时相近，与层流时相近，为水力光滑管。为水力光滑管。当当b b 时，壁面凸出部分伸入湍流主体区，与流体质点发时，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。生碰撞，使流动阻力增加。ReRe b b ，影响，影响 （二）层流时的摩擦系数（二）层流时的摩擦系数 与粗糙度无关与粗糙度无关 （三）湍流时的摩擦系数（三）湍流时的摩擦系数 经过实验和理论分析

8、：经过实验和理论分析：(Re)fRe64)(Re,/df莫狄（莫狄（Moody）摩擦系数图）摩擦系数图 根据根据ReRe不同，可分为四个区域；不同，可分为四个区域；1 1 层流区层流区 （Re2000Re2000），）， 与无关，与与无关，与ReRe为直线关系：为直线关系： 2 2 过渡区（过渡区（2000Re40002000Re4000），一般将湍流时的曲线延伸，以查取），一般将湍流时的曲线延伸，以查取值。值。3 3 湍流区（湍流区（Re4000Re4000以及虚线以下的区域），以及虚线以下的区域）， 一定，一定，随随ReRe 而而 ，ReRe增大至某一数值后，增大至某一数值后，下降缓慢下降

9、缓慢 ReRe一定时，一定时，随随 而而 4 4 完全湍流区完全湍流区 （虚线以上的区域，阻力平方区），（虚线以上的区域，阻力平方区），与与ReRe关系关系线都趋近于水平线。线都趋近于水平线。 一定，一定，为常数，与为常数，与ReRe无关无关 ， ， 为常数，阻力仍随为常数，阻力仍随ReRe数加大而上升，所以此区域又称为阻力平数加大而上升，所以此区域又称为阻力平方区方区 ReRe一定，一定，随随 而而 dddddRe64)(Re,/df)2(2ufEf22udlEf2uhfArH润湿周边流通截面积44/2dddrHHrd4Ade44润湿周边流通截面积22udlEpff22udlEfdudRe3

10、.53.5流体在非圆形管道内流动时的摩擦阻力流体在非圆形管道内流动时的摩擦阻力1 1 水力半径：水力半径：圆形管道的水力半径：圆形管道的水力半径： 或或2 2 推广到非圆形管路推广到非圆形管路当量直径当量直径 3 3 应用应用， -Re-Re查查，局部阻力有两种计算方法：阻力系数法和当量长度法局部阻力有两种计算方法：阻力系数法和当量长度法1 1 阻力系数法阻力系数法 表示成动能表示成动能u u2 2/2/2的倍数，即的倍数，即Ef=22u p pf f=22u 称为局部阻力系数，一般由实验测定。局部阻力的种称为局部阻力系数，一般由实验测定。局部阻力的种 类很多，为明确起见，常对局部阻力系数类很

11、多，为明确起见，常对局部阻力系数注上相应注上相应 的下标，如的下标，如三通、三通、进口等。进口等。3.6管路上的局部阻力管路上的局部阻力突然扩大突然扩大 突然扩大损失：流体从突然扩大损失：流体从 小管流到大管引起的能小管流到大管引起的能 量损失。量损失。突然扩大的阻力系为：突然扩大的阻力系为： e=2211AA 突然缩小突然缩小 突然缩小损失：流体从大突然缩小损失：流体从大 管流到小管引起的能量损管流到小管引起的能量损 失。失。突然缩小的阻力系数为：突然缩小的阻力系数为： c=5 . 0112AA 1.0出口5 . 0进口fEfE 管出口与入口管出口与入口管出口：流体自管出口进入容器，突然扩大

12、管出口：流体自管出口进入容器，突然扩大出口阻力系数出口阻力系数管入口：流体自容器流进管的入口，突然缩小管入口：流体自容器流进管的入口，突然缩小入口的阻力系数入口的阻力系数流体由管内直接流到空间时：流体由管内直接流到空间时： 出口截面选在管口内侧：出口截面选在管口内侧：P P内内=P=P外外，内侧，内侧u0u0，u u2 2/20/20出口截面选在管口外侧：外侧出口截面选在管口外侧：外侧A A无限大，无限大，u=0u=0，u u2 2/2=0/2=0， 不包括出口损失。不包括出口损失。 包括出口损失。包括出口损失。 管件与阀门管件与阀门 从有关手册中查取从有关手册中查取 2 2 当量长度法当量长

13、度法 LeLe管件或阀门的当量长度，管件或阀门的当量长度，m m，表示流体流过某一管件或阀，表示流体流过某一管件或阀 门的局部阻力，相当于流过一段与其具有相同直径、长门的局部阻力，相当于流过一段与其具有相同直径、长 度为度为LeLe之直管阻力。之直管阻力。 管件或阀门的当量长度数值都是由实验确定的。在湍流管件或阀门的当量长度数值都是由实验确定的。在湍流情况下某些管件与阀门的当量长度可从手册中查得。情况下某些管件与阀门的当量长度可从手册中查得。2222udLepudLeEff或100mm 的闸阀 1/2 关 le = 22m100mm 的标准三通 （大圆角弯头）le = 2.2m100mm 的闸

14、阀全开 le = 0.75m管路的总阻力为管路上全部直管阻力和各个局部阻力之和。管路的总阻力为管路上全部直管阻力和各个局部阻力之和。1 1 流体流经管路直径不变的管路时，流体流经管路直径不变的管路时， EEf f管路的总能量损失，管路的总能量损失，J/kgJ/kgL L管路上各段直管的总长度，管路上各段直管的总长度，m mLeLe管路全部管件与阀门等的当量长度之和，管路全部管件与阀门等的当量长度之和，m mu u流体流经管路的流速，流体流经管路的流速，m/sm/s管件与阀门等局部阻力系数之和，管件与阀门等局部阻力系数之和，m m2 2 当管路由若干直径不同的管段组成时，由于各段的流速不同，当管路由若干直径不同的管段组成时，由于各段的流速不同，此时管路的总能量损失应分段计算，然后再求其和。此时管路的总能量损失应分段计算，然后再求其和。3.7 流体流动时总能量损失的计算流体流动时总能量损失的计算22udLLEef 要减低流体的流动阻力，应从以下几个途径着手：要减低