《管路损失计算》ppt课件

1、第五章第五章 管流损失和水力计算管流损失和水力计算5.0 粘性流体总流的伯努利方程重力场中一维绝能定常流动积分式的能量方程重力场中一维绝能定常流动积分式的能量方程0)2()2(1222dAgpzgvgugvdAgpzgvgugvAA对不可紧缩流体总流定常流动5.0 粘性流体总流的伯努利方程)()(gpzgqdAgpzgvVAl 流束内流线的夹角很小流束内流线的夹角很小l 流线的曲率半径很大流线的曲率半径很大l 近乎平行直线的流动近乎平行直线的流动constgpz 5.0 粘性流体总流的伯努利方程dAvdAvvAA3222AvvAvvmaaaa322222用平均速度计算的的动能用平均速度计算的的

2、动能)2(222gvgqdAgvgvavAdAvvAaAa3)(1总流的动能修正系数总流的动能修正系数AvdAvaA33225.0 粘性流体总流的伯努利方程由截面由截面 A1 至截面至截面 A2 平均单位重力流体的平均单位重力流体的内能增量为内能增量为wvqvAAvhdquugqdAgugvdAgugvgqv)(1)(11212适用于重力作用下的不可紧缩粘性流体适用于重力作用下的不可紧缩粘性流体定常流动恣意二缓变流截面，而且不用顾及定常流动恣意二缓变流截面，而且不用顾及在该二缓变流之间有无急变流存在。在该二缓变流之间有无急变流存在。waahgpzgvagpzgva222221121122不可紧

3、缩粘性流体总流的伯努利方程不可紧缩粘性流体总流的伯努利方程whgpzgvgpzgv22221121225.1 管内流动能量损失流体有粘性壁面处粘附 v=0沿截面的速度变化流动的垂直方向上速度梯度流层之间切向应力阻力抑制阻力耗费机械能主流速度主流速度转化为热能5.1 管内流动能量损失5.1 管内流动能量损失沿程能量损失沿程能量损失部分能量损失部分能量损失粘性流体在通道中流动时的能量损失粘性流体在通道中流动时的能量损失5.1 管内流动能量损失一、沿程能量损失一、沿程能量损失简称沿程损失，是发生在缓变流整个流程中简称沿程损失，是发生在缓变流整个流程中的能量损失，是由流体的粘滞力呵斥的损失。的能量损失

4、，是由流体的粘滞力呵斥的损失。gvdlhf22达西-魏斯巴赫公式),(dvf沿程损失系数沿程损失系数5.1 管内流动能量损失u 流动形状：层流、紊流流动形状：层流、紊流u 流速流速u 管道的长度、内径管道的长度、内径u管壁粗糙程度管壁粗糙程度u流体的粘度流体的粘度5.1 管内流动能量损失二、部分能量损失二、部分能量损失简称部分损失，是发生在流动形状急剧变化的急变流中的能量损失。是主要由流体微团的碰撞、流体中的涡流等呵斥的损失。gvhj22部分损失系数部分损失系数由实验确定由实验确定5.1 管内流动能量损失jfwhhh整个管道的能量损失整个管道的能量损失变径管变径管弯头弯头阀门阀门5.1 管内流

5、动能量损失5.2 粘性流体的两种流动形状5.2 粘性流体的两种流动形状crvv 整个流场呈一簇相互平行的流线，这种流动形状称为层流整个流场呈一簇相互平行的流线，这种流动形状称为层流5.2 粘性流体的两种流动形状crvv 流束开场振荡，处于不稳定形状流束开场振荡，处于不稳定形状 过渡过程过渡过程5.2 粘性流体的两种流动形状crvv 流体质点做复杂无规那么的运动，这种流流体质点做复杂无规那么的运动，这种流动形状称为紊流动形状称为紊流5.2 粘性流体的两种流动形状 crcrcrvvvv且5.2 粘性流体的两种流动形状crvv 5.2 粘性流体的两种流动形状粘性流体粘性流体流动形状流动形状crvv

6、crvv crcrvvv下临界速度下临界速度上临界速度上临界速度分层有规律；分层有规律；流体质点的流体质点的轨迹线光滑轨迹线光滑而稳定；而稳定；各液层间互各液层间互不相混。不相混。流体质点的流体质点的运动轨迹极运动轨迹极不规那么；不规那么；各流层质点各流层质点相互掺混；相互掺混；彼此进展着彼此进展着猛烈的动量猛烈的动量变换。变换。层流和紊流的区别在于：流动过程中流体层之间能否发生层流和紊流的区别在于：流动过程中流体层之间能否发生混掺景象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层混掺景象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中那么没有。流流动中那么没有。5.2 粘性流体的两种流动形状c

7、rvv crvv vmkhflglglgmfkvh 1m275. 1m沿程损失与流动形状有关，因此，要计算各种流体管道的沿程损失，必需先判别流体的流动形状。5.2 粘性流体的两种流动形状对于直径为d的圆截面管道vvlvlRe流体通道或绕流的物体的特征尺寸流体通道或绕流的物体的特征尺寸lvvdvlRe5.2 粘性流体的两种流动形状crReRe ReRecrReReRecrcr实验发现，不论流体的性质和管径如何变化实验发现，不论流体的性质和管径如何变化2320Recr13800Recr上临界雷诺数在工程上没有实意图上临界雷诺数在工程上没有实意图义义2000Recr5.3 流道入口段中的流动dL11

8、6*crReRe ddLRe058. 0*2000Re crReRe dL)4020(*5.4 圆管中流体的层流流动重力：重力：pr2)(2dllpprrdl2sin2gdlr5.4 圆管中流体的层流流动0sin2)(222gdlrrdldllpprpr)(2ghpdldr粘性流体在圆管中作层流流动时，同一截粘性流体在圆管中作层流流动时，同一截面上的切向应力的大小与半径成正比。面上的切向应力的大小与半径成正比。5.4 圆管中流体的层流流动drdvxrdrghpdlddvx)(21Crghpdldvx2)(41)(4)(220ghpdldrrvx粘性流体在圆管中作层流流动时，流速的分布规粘性流体

9、在圆管中作层流流动时，流速的分布规律为旋转抛物面。律为旋转抛物面。5.4 圆管中流体的层流流动在管轴上的最大流速为)(420maxghpdldrvx平均流速等于最大流速的一半平均流速等于最大流速的一半)(82120maxghpdldrvvx)(82402000ghpdldrvrdrrvqrxv圆管中的流量圆管中的流量lpdqv1284对于程度放置的圆管对于程度放置的圆管哈根哈根泊肃叶公式泊肃叶公式5.4 圆管中流体的层流流动单位重力流体的压强降单位体积流体的压强降单位体积流体的压强降4128dqlpgvdlgvdlvdgdlvgphf2Re6426432222gvdl22Re64层流流动的沿程

10、损失与平均流速的一次方成正比，沿程损层流流动的沿程损失与平均流速的一次方成正比，沿程损失系数仅与雷诺数失系数仅与雷诺数Re有关，而与管道壁面粗糙与否无关。有关，而与管道壁面粗糙与否无关。 在圆管中粘性流体做层流流动时的实践动能等于平均流速计算的动能的一倍。22)(1 21)(100320203rAxrdrrrrdAvvAa5.4 圆管中流体的层流流动5.5 圆管中流体的紊流流动一、紊流流动 时均速度和脉动速度紊流时，流体质点做复杂的无规律的运动紊流时，流体质点做复杂的无规律的运动一个质点有非常复杂的轨迹一个质点有非常复杂的轨迹不同瞬时经过空间同一点的粒子轨迹不同瞬时经过空间同一点的粒子轨迹是在

11、不断变化的是在不断变化的紊流流动本质上是非定常流动。紊流流动本质上是非定常流动。5.5.1 紊流流动 时均速度和脉动速度丈量)(tfvxi时均速度: 在时间间隔t内轴向速度的平均值txixdtvtv01xxxivvv脉动速度：瞬时速度与时均速度之差脉动速度：瞬时速度与时均速度之差 其时均值为零其时均值为零5.5.1 紊流流动 时均速度和脉动速度yyyivvv pppi)(,tfvpii问题将极其复杂问题将极其复杂从工程运用的角度看从工程运用的角度看关怀流体主流的速度分布、压强分布以及能量损失，关怀流体主流的速度分布、压强分布以及能量损失，不关怀每个流体质点如何运动。不关怀每个流体质点如何运动。

12、空间各点的时均速度不随时间改动的紊流流动也称为定常流动或准定常流动5.5 圆管中流体的紊流流动二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度紊流中的切向应力紊流中的切向应力相对滑移引起的摩擦切向应力相对滑移引起的摩擦切向应力流层之间动量交换，添加能量损失流层之间动量交换，添加能量损失紊流附加切向应力或脉动切向应力紊流附加切向应力或脉动切向应力dydvxttv)(摩擦切应力摩擦切应力脉动切向应力脉动切向应力紊流粘性系数紊流粘性系数.2紊流中的切向应力紊流中的切向应力 普朗特混合长度普朗特混合长度 dydvlyvyvxxxx1v dydvyvlyvxxxx2v.2紊流中的切向

13、应力紊流中的切向应力 普朗特混合长度普朗特混合长度dydvlvvvxxxx21.2紊流中的切向应力紊流中的切向应力 普朗特混合长度普朗特混合长度yvxvdydvlCvCvxxy.2紊流中的切向应力紊流中的切向应力 普朗特混合长度普朗特混合长度xyAvv dxyAvvFdyxtvv.2紊流中的切向应力紊流中的切向应力 普朗特混合长度普朗特混合长度22212dydvlCCvvCvvxyxyxdyvyvlxxtddd2yvlxtdd2三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失5.5 圆管中流体的紊流流动1、圆管中紊流的区划、圆管中紊流的区划 粘性层底粘

14、性层底 水力光滑与水力粗糙水力光滑与水力粗糙5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失圆管中紊流中心部分中心部分 速度分布比较均匀速度分布比较均匀粘性底层粘性底层 根本坚持层流形状根本坚持层流形状过渡部分过渡部分不单独思索不单独思索紊流紊流粘性底层的厚度很薄，但是它对紊流流动的能量损失粘性底层的厚度很薄，但是它对紊流流动的能量损失以及流体与壁面间的换热等物理景象却有着重要的影以及流体与壁面间的换热等物理景象却有着重要的影响。响。管壁的绝对粗糙度管壁的绝对粗糙度: : 管壁的粗糙凸出部分的平均高度管壁的粗糙凸出部分的平均高度 5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失 当当 时，粘性底层完全淹没

15、了管壁的粗糙凸出部分。时，粘性底层完全淹没了管壁的粗糙凸出部分。这时粘性底层以外的紊流区域完全感受不到管壁粗糙这时粘性底层以外的紊流区域完全感受不到管壁粗糙度的影响，流体好似在完全光滑的管子中流动一样。度的影响，流体好似在完全光滑的管子中流动一样。这种情况的管内流动称为这种情况的管内流动称为“水力光滑，这种管道称为水力光滑，这种管道称为“光滑管。光滑管。5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失当当 时，管壁的粗糙凸出部分有一部分或大部分时，管壁的粗糙凸出部分有一部分或大部分暴露在紊流区中。这时。流体流过凸出部分，将产生暴露在紊流区中。这时。流体流过凸出部分，将产生漩涡，呵斥新的能量损失，管壁

16、粗糙度将对紊流流动漩涡，呵斥新的能量损失，管壁粗糙度将对紊流流动发生影响。这种情况下的管内流动称为发生影响。这种情况下的管内流动称为“水力粗糙，水力粗糙，这种管道称这种管道称“粗糙管。粗糙管。5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失实验证明，粘性底层的厚度实验证明，粘性底层的厚度是随着雷诺数是随着雷诺数Re的改的改动而改动的动而改动的 。875.0Re2.34dRe2.34d管壁的相对粗糙度管壁的相对粗糙度d/5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失 2 2圆管中紊流的速度分布圆管中紊流的速度分布 以流过光滑壁面紊流流动为例：以流过光滑壁面紊流流动为例： 假设在整个区域内假设在整个区域内

17、在在 时时yvxyvx切向应力速切向应力速度度vvw8*vyvvvx*常数wy5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失y22ddyvlxyd1dykvv*xCylnkvv*x15.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失xbxvv ,yln1kvvCvvv*xbxb*vvkvvyvkvvxbxbxln1ln11ln1Cyvkvv*x5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失55lg755.yv.vv*x5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失)55lg755(0.vr.vv*maxx0lnrykvvv*maxxx*maxxrxv.vyyrvrv753d2002005.5.3 圆管中紊流的速度

18、分布和沿程损失75124755751lg755210.Relg.v.vr.vv*y611.v*5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失yxbxvv ln1kvvC*xb2ln1ln1ln1Cykkvvykvv*xb*x5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失75475558755488lg75500.rlg.vv.rlg.vv.y.vv*maxx*x5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失5.5lg75.5*yvvv5.5lg75.5*yvv5.5.3 圆管中紊流的速度分布和沿程损失5.6 沿程损失的实验研讨一、尼古拉兹实验一、尼古拉兹实验不同粒径的均匀沙粒分别粘贴到管道内壁上不同粒径的

19、均匀沙粒分别粘贴到管道内壁上),(vqdf610500Re 30110141d7/898.26Re4000d3. 紊流光滑管区 时 10Re1045325.0Re3164.01.75次方阻力区次方阻力区时 103Re1065237. 0Re221. 00032. 07/898.26Re4000d4. 紊流粗糙管过渡区 85. 078)2(4160Re)(98.26dd22)273.1lg(42.1)lg(Re42.1vqd7/898.26Re4000d5. 紊流粗糙管平方阻力区 85. 0)2(4160Red74. 1lg21d柯列布茹克公式5.6.2 莫迪图)Re.d.lg(51271321

20、)Re.dlg(.71822741莫迪图对计算新的工业管道的沿程损失系数很方便。5.6.2 莫迪图,ldvqdRefhfhld ,，Re, vd? 计算其他物理量计算其他物理量 fhld ,，?vq)(Redf)(fd fvhlq , ,，fvhlq , ,，?dRe,d? d5.7 非圆形管道沿程损失的计算保送流体的管道不一定都是圆形截面。对于这些非圆形管道的沿程损失计算问题，达西公式和雷诺数的计算公式依然可以运用。但要把公式中的直径d用当量直径D来替代。5.7 非圆形管道沿程损失的计算湿周湿周 ：在总流的有效截面上，流体同固：在总流的有效截面上，流体同固体边境接触部分的周长。体边境接触部分

21、的周长。5.7 非圆形管道沿程损失的计算水力半径水力半径 ：总的有效截面积与湿周之比：总的有效截面积与湿周之比hRARh水力半径与普通圆截面的半径是完全不同的概念，不水力半径与普通圆截面的半径是完全不同的概念，不能混淆。如半径为能混淆。如半径为r的圆管充溢流体，其水力半径为的圆管充溢流体，其水力半径为222rrrRhhRd4与圆形管道相类比，非原形管道的当量直径与圆形管道相类比，非原形管道的当量直径D也可用也可用4倍倍过水截面过水截面A与湿周之比，即与湿周之比，即4倍水力半径倍水力半径Rh表示。表示。hRAD44bhhbbhhbD2)( 2412212122)44(4ddddddDddssdd

22、ssD212214)4(45.7 非圆形管道沿程损失的计算vDvDRegvDlhf22当运用当量直径对非圆形管道进展计算时，截面外形当运用当量直径对非圆形管道进展计算时，截面外形越接近圆形，其误差越小；离圆形越远，其误差越大。越接近圆形，其误差越小；离圆形越远，其误差越大。矩形截面的长边最大不应超越短边的矩形截面的长边最大不应超越短边的8倍倍圆环形截面的大直径至少要大于小直径的三倍圆环形截面的大直径至少要大于小直径的三倍5.8 部分损失一、管道截面忽然扩展漩涡漩涡碰撞碰撞vqAvAv221112122121 vAAvvAAv)()(12122211vvqAApApApv)(12221vvvpp

23、jhgpgvgpgv22212122)(21)(1222121vvgppghj)(21)(12221122vvgvvvg221)(21vvg2122222121)1(2)1 (2AAgvAAgvgvgv2222221121222211) 1( )1 (AAAA当管道与大面积的水池相连时当管道与大面积的水池相连时115.8 部分损失二、管道截面忽然减少漩涡漩涡碰撞碰撞gvvgvgvhccCj2)(222222222)12(cccCC2AACCC管道入口的能量损失管道入口的能量损失5 . 025.8 部分损失三、弯管构成漩涡所产生的损失构成漩涡所产生的损失二次流构成的双螺旋流动所产生的损失二次流构

24、成的双螺旋流动所产生的损失切向应力产生的沿程损失切向应力产生的沿程损失在管道系统的设计计算中，经常按在管道系统的设计计算中，经常按损失能量相等的观念把管件的部分损失能量相等的观念把管件的部分损失换算成等值长度沿程损失。损失换算成等值长度沿程损失。5.8 部分损失dle5.9 综合运用举例5.9.1 集流器gvgvgpgpDCa2)(2225.9.1 集流器vvvdcpCpv221199. 0vC98. 0vC5.9.2 虹吸液体由管道从较高液位的一端经过高出液面液体由管道从较高液位的一端经过高出液面的管段自动流向较低液位的另一端的这种景的管段自动流向较低液位的另一端的这种景象称为虹吸景象，所用

25、的管道称为虹吸管。象称为虹吸景象，所用的管道称为虹吸管。5.9.2 虹吸m7hgvdlgpHgpaa2)(25.9.2 虹吸dlgHv2dlgHdqv2425.9.2 虹吸gvdlgvgphgpa2)(221122gvdlhhgppva2)1 ()(2112Hdldlhhgppva1121)(假设知液体在所处温度下的饱和压强假设知液体在所处温度下的饱和压强ps，便可由上，便可由上式求得允许的吸水高度：式求得允许的吸水高度：Hdldlgppgvdlgpphsaa11211212)1 ()(5.10 管道水力计算管径和管壁粗糙度一样的一根管子或这样的数根管管径和管壁粗糙度一样的一根管子或这样的数根

26、管子串联在一同的管道系统叫简单管道。子串联在一同的管道系统叫简单管道。简单管道有三类计算问题：简单管道有三类计算问题：dvqlhvf求、已知,.3fvh,vdlq.求已知1、vfqvdlh求、已知,.25.10 管道水力计算二、串联管道二、串联管道由不同直径或粗糙度的由不同直径或粗糙度的数段管子衔接在一同的数段管子衔接在一同的管道叫做串联管道。管道叫做串联管道。经过串联管道各管段的流量是一样的。经过串联管道各管段的流量是一样的。串联管道的损失应等于各管段损失的总和。串联管道的损失应等于各管段损失的总和。vivvvqqqq21wiwwwhhhh21串联管道有两类计算问题串联管道有两类计算问题:；

27、求总水头已知HqdlViii , , . 1whH gvdlgve222111121gvv2)(221gvgvdl222222222；求体积流量已知viiiqdl ,H , . 25.10.2 串联管道222211dvdv5.10.2 串联管道；求总水头已知HqdlViii , , . 1vqiviReiHiid；求体积流量已知viiiqdl ,H , . 2iiild,iiv Re,iidi? iii计算计算 iivq5.10 管道水力计算三、并联管道三、并联管道 在某处分成几路、在在某处分成几路、在下游某处又集合成一路下游某处又集合成一路的管道叫并联管道。的管道叫并联管道。并联管道的总流量

28、等于个分管道的流量的总和。并联管道的总流量等于个分管道的流量的总和。并联管道的损失等于个分管道的损失。并联管道的损失等于个分管道的损失。vivvvqqqq21wiwwwhhhh215.10.3 并联管道；分流量求已知viwViiiqhqdl , , , . 2；求体积流量已知viiiqdl ,H , . 111 , . 1viiiqdl体积流量假设通过管，根据1 .21fvhq的求管由【解】管1和管2并联，此并联管路又与管3串连，因此 将将 知数值代入上式，计算得知数值代入上式，计算得 5.10.4 分支管道5.10.4 分支管道5.10.4 分支管道分损失可忽略。321VVVqqq、5.10

29、.4 分支管道5.10.5 管网 由假设干管道环路相连结、在结点处由假设干管道环路相连结、在结点处流出的流量来自几个环路的管道系统流出的流量来自几个环路的管道系统称为管网。称为管网。5.11 液体的出流21/ds2/ds5.11 液体的出流截面上各点静水头差别大，不能忽略截面上各点静水头差别大，不能忽略截面上各点静水头差别小，可以忽略截面上各点静水头差别小，可以忽略液体经过孔口流入大气液体经过孔口流入大气液体经过孔口流入液体空间液体经过孔口流入液体空间5.11 液体的出流一、薄壁孔口定常出流薄壁小孔口定常出流)(2)(2110pgHCppgHvvacgvgpgvgpHcac22220)(2)(2pgHACpgHACCqqcvvAACcc/63. 062. 0cC)1(63.0lkCc112vC62.061.0qC2. 薄壁大孔口定常出流5.11 液体的出流gvgpgvgvgpHcac22222210ccvAvA11)(211022accppgHmCv)(2pgHCv)(2)(2pgHACpgHACCqqcvv5.11 液体的出流能量损失，损失随流速增大而增大能量损失，损失随流速增大而增大。管道内流量变化，孔