5流动损失管道计算.ppt

1、第五章 流动损失和管道计算,流动损失产生的原因、方式、大 小,研究流动损失目的和意义,流动损失及管路计算,4.1 流动状态和流动损失分类,1、层流和紊流现象,2、损失分析,1）实验,2）机理分析,层流,紊流,层流损失：分子间吸引力和分子不规则运动的动量交换，称为粘性应力或层流应力 。,紊流损失：出上述阻力还包括大量小旋涡迁移、脉动动量交换产生的阻力，称为紊流应力 。,3、雷诺数Re,流动状态不仅取决于速度，而是由管道尺寸、流体物性、速度共同决定，即：,利用雷诺数可以判别流动状态：,ReRecr 层流,ReRecr 紊流,Recr Re Recr 可能层流也可能紊流,Recr 13800 Rec

2、r 2320,Re2000,物理意义：,单位时间单位面积动量，惯性力,速度梯度，粘性力,Recr ：紊流转变为层流对应的雷诺数,Recr ：层流转变为紊流对应的雷诺数,【例6-3】 管道直径d=100mm，输送水的流量q=0.01m3/s，水的运动黏度 v=10-6m2/s，求水在管中的流动状态？若输送v=1.1410-4 m2/s的石油，保持前一种情况下的流速不变，流动又是什么状态？,4.2流体在圆管中的层流流动,2、入口段长度,一、圆管截面速度分布,3.速度分布,由定常流动，控制体外力平衡,取图示同轴圆柱形控制体，侧面切应力为,端面上取平均压强p,取半径为r，长度为l的流段,由牛顿内摩擦定

3、律,在轴线上(r=0),速度为最大值,二、沿程损失,单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失，以 hf 表示,l管道长度，m；,d管道内径，m；,V管道中有效截面上的平均流速，m/s,称为达西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式。,切应力分布,在管壁处,代入沿程损失,切应力速度或摩察速度,例 d=100mm, L=16km, 油在油管中流动, 油=915kg/m3, =1.8610-4m2/s, 求每小时通过 50t 油所需要的功率,例 输送润滑油的管子直径 8mm，管长 15m，如图 所示。油的运动黏度 m2/s，流量 12cm3/s，求油箱的水头 （不计局部损失）。,认为油箱面积足

4、够大，取,例 设有1000m水平钢管，直径150mm，两端压强分别为1106Pa和3.5104Pa， 油在油管中流动, 油=920kg/m3, =410-4m2/s, 求通过 管道流量,4.3 流体在圆管中湍流流动,湍流,结构特性,基本方程,大尺度涡旋场,小尺度随机运动,一、紊流的脉动现象与时均化,1、时均值,将紊流速度转化成了平均速度,2、紊流度,反映紊流的随机性,二、壁面紊流流动结构,壁面紊流,自由紊流,壁面紊流,粘性底层,过渡层,核心流,1、水力光滑管,2、水力粗糙管,当 时，则管壁的粗糙凸出的高度完全被层流底层所掩盖,当 时，即管壁的粗糙凸出部分突出到紊流区中,三、普朗特混合长度理论,

5、目的：确定紊流应力大小,关键：如何确定脉动速度,混合长度l：微团y向脉动进入另一层流体经过不与其它流体相碰撞的距离,假设1：,假设2：,（2）核心区,三、紊流的速度分布,（1）粘性底层,由牛顿内摩擦定律:,由摩擦速度定义式：,紊流速度分布式：,普朗特混合长度理论,l为混合长度，设l=ky，并假设与壁面切应力近似相等,即,(3) 过渡层,粘性应力与紊流应力在数量级上相当,（4）各区如何划分,粘性底层,过渡层,交点y值即粘性底层厚度,（5）工程应用,四、紊流的沿程损失计算,4.4 圆管流动沿程损失实验研究,水力光滑,粗糙过渡区,水力粗糙,湍流,雷诺数Re,相对粗糙度/d,绝对粗糙度,粗糙度,流 态

6、,层流,商用管,人工管,达西摩擦因子,圆管流动沿程损失,()层流区,尼古拉兹实验,()流态过渡区,( )紊流光滑区,勃拉修斯公式,卡门-尼古拉兹公式,()紊流粗糙区,()紊流阻力平方区,考尔布鲁克公式,穆迪图,紊流通用公式：,完全粗糙区,穆迪图,湍流光滑区,过渡区,层流区,粗糙过渡区,普朗特 史里希廷公式,布拉休斯公式,罗斯线,C3.6 圆管流动沿程损失,C3.6 圆管流动沿程损失,表 C3.6.1 商用管等效粗糙度,【例6-1】 输送石油的管道长 5000m，直径 250mm的旧无缝钢管，通过的质量流量 100t/h，运动黏度在冬季 =1.09104 m2/s，夏季 =0.3610-4 m2

7、/s，若取密度 885kg/m3，试求沿程水头损失各为多少？,【解】 首先判别流动所处的区域,需进一步判别夏季石油在管道中的流动状态处于紊流哪个区 域，查表6-1得旧无缝钢 管 0.19 59.6 = =990824444.4 即4000 99082，流动处于紊流光滑管区。 沿程水头损失 冬季 （m 石油柱） 由于夏季石油在管道中流动状态处于紊流光滑管区，故沿 程阻力系数用勃拉休斯公式计算，即 夏季 （m 石油柱）,输送空气（t=20）的旧钢管道，取管壁绝对粗糙度 lmm，管道长 400m，管径 250mm，管道两端的静压强差为 9806Pa，试求该管道通过的空气流量 为多少?,【解】 因为是

8、等直径的管道，管道两端的静压强差就等于在该管道中的沿程损失。 t= 20的空气，密度 1.2kg/m3，运动粘度 管道的相对粗糙度 ，由莫迪图试取 0.027 故 (m/s),雷诺数 根据 和 ，由莫迪图查得 0.027，正好与试取的 值相符合。若两者不相符合， 则应将查得的 值代入上式，按上述步骤进行重复计算，直至最后由莫迪图查得的值与改进的 值相符合为止。 管道通过的空气流量为 (m3/s),4.5 局部损失,二、局部损失的计算,11和22的中心点的压强各为和， 平均流速各为和，截面积各为和,连续方程：,动量方程：,列出截面1-1和2-2的伯努利方程,C3.7 局部损失,入口与出口,(1)

9、三种管入口,(2) 管出口（K=1）,扩大与缩小,(1) 突然扩大,(2) 突然缩小,(3) 渐扩管,时,K为极小值 。,C3.7 局部损失,弯管和折管,(1) 弯管,(2) 折管,安装导流片后， 减小80% 。,阀门,关闭时,全开时, 值为闸阀蝶阀球阀。,4.6 管路计算,1、管道水力计算主要任务,(1) 给定的流量和允许的压强损失确定管道直径； (2) 给定的管道直径、管道布置和流量来计算压强损失； (3) 给定的管道直径、管道布置和允许的压强损失，计算流量。,管道水力计算的基本公式： 连续性方程、伯努利方程和能量损失公式等。,常数,2 管道系统分类,1）按能量损失大小 长管：凡局部阻力和

10、出口速度水头在总的阻力损失中，其比例不足5的管道系统，称为水力长管，也就是说只考虑沿程损失。 短管：在水力计算中，同时考虑沿程损失和局部损失的管道系统，称为短管。,2）按管道系统结构 串联管道：不同管径或不同粗糙度的数段管子串联联接所 组成的管道系统，。 并联管道：是指数段管道并列联接所组成的管道系统。 分支管道 管网,3、串联管道,常数,例C3.7.2 管路损失计算：沿程损失+局部损失,已知: 图示上下两个贮水池由直径d=10cm，长l=50m的铁管连接（= 0.046 mm）中间连有球形阀一个（全开时v=5.7），90弯管两个（每个Kb= 0.64），为保证管中流量Q = 0.04m3/s ,求：两贮水池的水位差H（m）。,例C3.7.2 管路损失计算：沿程损失+局部损失,由穆迪图确定。=10 6 m2/s,查穆迪图可得 = 0.0173,对两贮水池液面（1）和（2）列伯努利方程的第一种推广形式, 由 (B4.6.13b）式,对液面V1=V2=0，p1=p2=0，由上式可得,例C3.7.2 管路损失计算：沿程损失+局部损失,4、并联管道,5-6 液体出流,一、薄