《化工原理》课件 章节1-5阻力损失

1、第 1 章 流体流动与输送机械1.5 阻力损失1.5.1 直管阻力1.5.2 局部阻力1.5.3 管路中的总阻力2022/8/24 流动阻力产生的根源 流体具有粘性，流动时存在内部摩擦力. 流动阻力产生的条件固定的管壁或其他形状的固体壁面管路中的阻力直管阻力：局部阻力： 流体流经一定管径的直管时由于流体的内摩擦而产生的阻力 流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力。2022/8/24单位质量流体流动时所损失的机械能，J/kg。 单位重量流体流动时所损失的机械能 ，m。单位体积的流体流动时所损失的机械能 ，Pa 。注意：与柏努利方程式中两截面间的压强差 的区别是流

2、动阻力引起的压强降。以表示，2022/8/24 表示的不是增量，而P中的表示增量； 2、一般情况下，P与Pf在数值上不相等；注意：3、只有当流体在一段既无外功加入、直径又相同的水平管 内流动时， P与压强降Pf在绝对数值上才相等。只是一个符号 ；并不是两截面间的压强差 1.2022/8/241.5.1 流体在直管中的流动阻力 1.5.1.1阻力的表现形式2022/8/24垂直作用于截面1-1上的压力 ：垂直作用于截面2-2上的压力 ：平行作用于流体表面上的摩擦力为 ：1.5.1.2 直管阻力的通式2022/8/24圆形直管内能量损失与摩擦应力关系式 与比较，得：2022/8/24 圆形直管阻力

3、所引起能量损失的通式 称为范宁公式。（ 对于滞流或湍流都适用） 为无因次的系数，称为摩擦因数2022/8/243）管壁粗糙度对摩擦系数的影响 化工管路光滑管 粗糙管 玻璃管、黄铜管、塑料管 钢管、铸铁管 管壁粗糙度 绝对粗糙度 相对粗糙度 壁面凸出部分的平均高度，以表示 。绝对粗糙度与管道直径的比值 即 /d 。2022/8/242022/8/241.5.1.3 层流时的摩擦损失 哈根-泊谡叶公式 与范宁公式 对比，得： 滞流流动时与Re的关系2022/8/24思考：滞流流动时，当体积流量为qv的流体通过直径不同的管路时；Pf与管径d的关系如何？ 可见：2022/8/241.5.1.4 湍流时

4、的摩擦系数求 Pf实验研究建立经验关系式的方法 (1) 量纲分析法2022/8/24基本步骤：通过初步的实验结果和较系统的分析，找出影响过程的主要因素，也就是找出影响过程的各种变量。利用因次分析，将过程的影响因素组合成几个无因次数群，以期减少实验工作中需要变化的变量数目。 建立过程的无因次数群，一般常采用幂函数形式，通过大量实验，回归求取关联式中的待定系数。2022/8/24因次分析法 特点：通过因次分析法得到数目较少的无因次变量，按无因次变量组织实验，从而大大减少了实验次数，使实验简便易行。 依据：因次一致性原则和白金汉(Buckinghan)所提出的定理。因次一致原则 ：凡是根据基本的物理

5、规律导出的物理量方程式中各项的因次必然相同，也就是说，物理 量方程式左边的因次应与右边的因次相同。2022/8/24 定理： i=n-m湍流摩擦系数的无因次数群：湍流时影响阻力损失的主要因素有： 管径 d 管长 l 平均速度 u 流体密度 粘度 管壁粗糙度 用幂函数表示为：2022/8/24以基本因次质量（M）、长度(L)、 时间(t) 表示各物理量：代入（1）式，得：2022/8/24以b，f，g 表示a，c，e，则有：代入（1）式，得：2022/8/24整理，得：因此：式中：数群（4）=变量（7）- 基本因次（3）管子的长径比； 雷诺数Re；欧拉准数，以Eu表示 。2022/8/24直管内

6、湍流流动的阻力损失 湍流流动，取l/d的指数b=1 。2022/8/24摩擦因素图 a)层流区：(Re2000)， 与 无关，与Re为直线关系，即： ,即 与u的一次方成正比。b)过渡区: (2000Re4000)在此区内，流体的流型可能是层流，也可能是湍流，视外界的条件而定，在管路计算时，为安全起见，对流动阻力的计算一般将湍流时的 曲线延伸查取的 数值。2022/8/24 c)湍流区 Re4000及虚线以下和光滑管 曲线以上的区域。这个区域内，管内流型为湍流，因 。由图中曲线分析可知，当 一定时，Re，；当Re一定时， ， 。湍流光滑管区(经验公式) Re4000时的最下面一条 曲线。这是管

7、内流型为湍流。由于光滑管表面凸起的高度很小， ，因此 与 无关，而仅与Re有关。当 时， 。2022/8/24d)完全湍流区阻力平方区 图中虚线以上的区域。此区域内 曲线近似为水平线，即与Re无关，只与 有关， 。这是由于 增加至这一区域，层流底层厚度 ，凸出的部分都伸到湍流主体中，质点的碰 撞更加剧烈，时流体中的粘性力已不起作用。故包括 的Re不再影响的大小。此时压力降(阻力损失)完全由惯性力造成的。我们把它称为完全湍流区。对于一定的管道， 为定值， 常数，由范宁公式 。所以完全湍流区又称阻力平方区。由图可知， ，达到阻力平方区的Re2022/8/24摩擦因素图2022/8/241.5.1.

8、5 非圆形管内的摩擦损失 对于圆形管道，流体流径的管道截面为: 流体润湿的周边长度为: d2022/8/24对于长宽分别为a与b的矩形管道：对于一外径为d1的内管和一内径为d2的外管构成的环形通道2022/8/24化工管路中的管件种类繁多，常见的管件如表1-2所示。流体流 过各种管件都会产生阻力损失。和直管阻力的沿程均匀分布不同，这种阻力损失是由管件内的流道多变所造成，因而称为局部阻力损失。局部阻力损失是由于流道的急剧变化使流动边界层分离，所产生的大量漩涡，使流体质点运动受到干扰，因此即使流体在直管内是层流流动，但当它通过管件或阀门时也是很容易变成湍流。1.5.2 局部阻力损失 2022/8/

9、24 工程上的管路输送系统主要由两种部件组成：一是等径直管，二是弯头、三通、阀门等等各种管件和阀件。1.5.2.1 管件与阀门2022/8/242022/8/24蝶阀2022/8/241.5.2.2 局部阻力的计算(1)当量长度法 把流体流过某一管件或阀门的局部阻力折算成相当于流过一段与它直径相同，长度为le的直管阻力。所折算的直管长度称为该管件或阀门的当量长度，以le表示，单位为m。 le为管件的当量长度。 管件与阀门的当量长度由试验测定，湍流时，可查共线图。2022/8/24(2)阻力系数法近似地将克服局部阻力引起的能量损失表示成动能的一个倍数。这个倍数称为局部阻力系数，用符号 表示，即为

10、阻力系数 ，由实验测定 。2022/8/24注意 (1)以上两种方法均为近似估算方法，而且两种计算方法所得结果不会完全一致。但从工程角度看，两种方法均可。 (2)在管路系统中，直管摩擦损失与局部摩擦损失之和等于总摩擦损失，对等径管，则 显然，采用当量长度法便于将直管摩擦损失与局部摩擦损失合起来计算。 (3)长距离输送时以直管摩擦损失为主，短程输送时则以局部摩擦损失为主。 2022/8/24突然扩大: 流体流过如图所示的突然扩大管道时，由于流股离开壁面成一射流注入了扩大的截面中，然后才扩张道充满整个截面。由于流道突然扩大，下游压强上升，流体在逆压强梯度下流动，射流与壁面间出现边界层分离，产生漩涡

11、，因此有能量损失。u：取小管的流速； 可根据小管与大管的截面积之比查图2022/8/24突然缩小 : 突然缩小时，流体在顺压强梯度下流动，不致于发生边界层脱离现象，因此在收缩部分不会发生明显的阻力损失。但流体有惯性，流道将继续收缩至A-A面后又扩大。这时，流体在逆压强梯度下流动，也就产生了边界层分离和漩涡。因此也就产生了机械能损失，由此可见，突然缩小造成的阻力主要还在于突然扩大。 2022/8/242022/8/24管出口: 管出口和管入口 管出口相当于突然扩大 流体自容器进入管内，相当于突然缩小 A2/A10 管进口阻力系数，c=0.5。 管件与阀门不同管件与阀门的局部阻力系数可从手册中查取

12、。2022/8/241.5.3 流体在管路中的总阻力管路系统中总阻力 = 直管阻力 + 局部祖力 对直径相同的管段：2022/8/24例：用泵把20的苯从地下储罐送到高位槽，流量为300 L/min。高位槽液面比储罐液面高10m。泵吸入管路用894mm的无缝钢管，直管长为15m，管路上装有一个底阀（可粗略的按旋启式止回阀全开时计）、一个标准弯头；泵排出管用573.5mm的无缝钢管，直管长度为50m，管路上装有一个全开的闸阀、一个全开的截止阀和三个标准弯头。储罐及高位槽液面上方均为大气压。设储罐液面维持恒定。试求泵的轴功率。设泵的效率为70%。2022/8/24分析：求泵的轴功率柏努利方程Z、u、P已知求Wf管径不同吸入管路排出管路范宁公式l、d已知求求Re、/d摩擦因数图当量长度阻力系数查图2022/8/24解：取储罐液面为上游截面1-1，高位槽液面为下游截面2-2，并以截面1-1为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式。式中：（1）吸入管路上的能量损失2022/8/24式中管件、阀门的当量长度为：底阀(按旋转式止回阀全开时计） 6.3m; 标准弯头 2.7m 进口阻力系数 c=0.52022/8/24苯的密度为880kg/m3，粘度为6.510-4Pas取管壁的绝对粗糙度=0.3mm，/d=0.3/81=0.0037，查得=0.02