化工原理流体流动4.ppt

1、1.4.6局部阻力损失 流体在管路的进口、出口、弯头、阀门、扩大、缩小等局部位置流过时，其流速的大小和方向都发生了变化，且流体受到干扰或冲击，使涡流现象加剧而消耗能量。在湍流情况下，为克服局部阻力所引起的能量损失有二种计算方法。 一、阻力系数法： 称为局部阻力系数，一般由实验测定。因局部阻力的形式很多，为明确起见，常对 加注相应的下标。 下面将讨论几种常用的局部阻力系数的求法： 突然扩大或突然缩小,所产生的能量损失按上式计算，式中的流速u均以小管的流速为准。 局部阻力系数的确定 作图法： 公式法： （178） 对于突缩，则采用查表方式（表12） 进口与出口 进口：突缩时当 此时有： 这种损失称

2、进口损失 出口：突扩时当 此时有： 这种损失称出口损失 应特别注意： 在出口处取截面时，截面是取在管内侧还是外侧？,管件与阀门 管路上的配件如弯头、三通、活接头等总称为管件。不同管件或阀门的局部阻力系数可以从手册中查取。 二、当量长度法 流体流经管件、阀门等局部地区所引起的能量损失可仿照写成： 式中le称为管件或阀门的当量长度，单位m，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、长度为le之直管阻力。实际上是为了便于管路计算，把局部阻力折算成一定长度直管的阻力。 这些数值仅是约值，局部阻力的计算也只是一种粗略估计。 总阻力损失： 例：将5的鲜牛奶以5000kg/h的流

3、量从贮奶罐送到杀菌釜进行杀菌，这条管路用381.5mm不锈钢长12m，管路中有一只摇板式单向阀，三只90弯头，试计算管路进口到出口的压力降pf。 已知鲜奶5时粘度为3cp，密度为1040kg/m3,解：总压降=直管阻力降+局部阻力降 pf=pf值 + pf局 = 求Re： 由表11 钢管e=0.05 图表得 =0.03 由表13 3个90弯头 摇板式单向阀 进口 出口 当量长度法：,1.4.7 减小管路系统阻力的途径： 通过能量衡量和流动阻力的学习可知克服阻力的能量无法回收的，流动阻力越大，输送流体所损耗的功愈大，因此减小流动阻力是工业生产中一个重要课题，由流体阻力的压力降公式，知欲减小 可以

4、从以下几方面入手： 尽可能缩短管路长度（L ） 减小不必要的管件、阀门或采用阻力小的管件、阀门 适当放大管径,1.5 管路计算与流量测量 1.5.1 管路计算 一、管路计算中较常用的方法试差法 管路计算实际上是连续性方程式，柏努利方程式与能量损失计算式 的具体运用，由于已知与未知量情况不同，计算方法也随之而改变。 在实际工作中常遇到管路计算问题，归纳起来有以下三种情况： 已知管径(d）、管长(l）、管件和阀门的设置(le）及流体的输送量(Q）， 求：流体通过管路系统的能量损失（hf） 确定输送设备所加入的功（We） 设备内的压强（P）或设备间的相对位置（Z） 已知管径(d）、管长(l）、管件和

5、阀门的设置（le）及允许的能量损失 求流体的流速（u）或流量（Q） 已知管长（l）、管件和阀门的当量长度（le）、流体的流量（Q）及允许的能量损失 求管径（d） 、存在着共同性问题，即流速（u）或管径（d）为未知，不能计算Re值，无法判断流体的流型，故不能确定摩擦系数。工程计算上常采用试差法。,例：如图所示，水从水塔引至车间，管路为1144mm的钢管，共长150m（包括管件及阀门的当量长度，但不包括进、出口损失）。水塔内水面维持恒定，并高于排水口12m，问水温12时，此管路的输水量为多少 ？,解：以塔内水面为截面11，排水管出口外侧为截面22，并通过排水管出口中心作基准水平面。在两截面间列柏氏

6、方程： 式中：z1=12m z2=0 u10 u2=0 p1=p2 代入柏氏式，并整理得： （a） 而 （b） 试差法：即假设一个值，代入式（a）求出值，利用此值计算Re准数。根据算出的Re值及e/d值从P43图128得出值（为），若=则假设值可以接受,若，则需另设值，重新设计的值直至为止(与比较相差10%则认为基本准确)。 设=0.02 代入式(a)得： 从附录中查得12时水的粘度1.236cp， ,取管壁的绝对粗糙度e为0.2mm， 根据Re及/d查图表得=0.024。查出的值与所假设的值不相符,故应进行第二次试算。重设=0.024，代入式a，解得u=2.58m/s。由此u值的出Re=2.

7、2105。查图表=0.0241。查出的值与所设值基本相符，故根据第二次试算结果知u=2.58m/s 。 输水量 上述例题也可以u值作试差数。 应予指出： 试差法不但可用于管路计算，而且在以后一些章节中会经常用到。试差法并非是用一个方程解两个未知数。它仍遵循有几个未知数就应有几个方程求解的原则，只是其中一些方程式比较复杂，或具体函数关系为未知，仅给出变量关系的曲线图，这时可借助试差法。在试差前，对所要解决的问题应作一番了解，才能避免反复的试算。如u可参照P50表14来选取，而摩擦系数一般在0.02与0.03范围内选取 补充 例：水平管路总长100m（包括局部阻力），要求水在钢管中的流量27m3/

8、h，输送过程中允许压头损失4mH2O，试确定管径（已知钢管e=0.2mm）,解： 试差法： 假设：一般流体在钢管内流动时大致在0.020.03之间， 先设=0.023 代入上式d5=1.1610-40.023=0.26710-5 d=0.0768m 求Re及e/d： e/d=0.2/76.8=0.0026 查P43 图128 得=0.025（误差10%，故重新试） 设 =0.025 d5=1.1610-40.025=0.29210-5 d=0.0781m （注：d与0.0768相比只相差1.7%） 再求Re及e/d： Re=1.23105 e/d=0.2/78.1=0.0025 再查图表的=0

9、.025与被设相吻合 d=0.0781mm即为所求。 查有关设计手册，与78mm相接近的钢管有：无缝管894内径81mm；水煤气管3寸88.54内径80.5mm二种均符合题意。,二、并联管路与分支管路（复杂管路） 输送流体的管路，依据其联接和铺设的情况，分二类：简单管路、复杂管路（并联、分支） 并联管路与分支管路中各支管的流量彼此影响，相互约制。它们的流动情况虽比简单管路复杂，但仍然是遵循能量衡算与质量衡算的原则。 并联管路与分支管路的计算内容有： 已知总流量和各支管的尺寸，要求计算各支管的流量。 已知各支管的流量，管长及管件、阀门的设置，要求选择合理的管径。 在已定的输送条件下，计算输送设备

10、应提供的功率。,补充：管道、阀门介绍 1管子 金属管钢管、不锈钢管、铸铁管、铜管、铝管、镀锌管 材质 非金属管塑料管、玻璃管、橡胶管 有缝管（焊接管、水煤气管，附录的表中有多种规格 钢管 无缝管 不锈管（1Cr18Ni9Ti） 主要根据下列条件选用： 压力、温度、输送量、腐蚀性、卫生要求 2管件 把管子连接成管路时需要接上的各种附件，即管子连接使其延长、拐弯，变径、分支和封闭的零件： 起连接延长作用：法兰、内牙管、外牙管（由宁） 变径：异经接头、喇叭口 转向：弯头（9045180）、三通、异径三通、四通等 封闭：管堵（丝堵）、管冒（闷盖）,3阀门：启闭作用、调节流量、节流作用、止逆作用、安全作

11、用、稳压作用等 截止阀：主要靠阀盘和阀座间距离的改变来控制。有球式、直流式、角式、隔膜式 闸阀：利用闸板的升降来启闭。阻力小，压力大时，开启力大 蝶阀：利用园板的旋转来开启 旋塞：又称考克（cork） 止回阀：又称单向阀。 安全阀：弹簧式、杠杆式。 减压阀：弹簧式。 疏水器：用于排放蒸汽中的冷凝水而阻止蒸气外漏。浮桶式、热动力式等。 多种阀门都有自己的型号系列，可根据流量、介质、工作状态、管路要求选用,1.5.2 流量测量 一、测速管 又称皮托管（pitot） 两根弯成直角的同心套管 结构 外管前端封闭，前端壁面四周开有若干测压小孔 为减小误差，前端常做成半球形以减少涡流。 测速管的测量安放：

12、使其管口正对着管道中流体的流动方向。 内管测得的为管口所在位置的局部流体动能 与静压能 之和，合称为冲压能，即A处 ur流体在测量点的局部流速 外管前端壁面四周的测压孔口与管道中流体的流动方向平行，测量的是流体的静压能 ，即B处：,测量点处的冲压能与静压能之差为 微差压差计： U管： 于是测量点处的局部流速为 h值由液柱压差计的读数R来确定。 h与R的关系式随液柱压差计的形式而 异。测速管只能测管道截面上某一点处的局部流速，欲得平均流速u，可测管中 心处的umax,，然后由u/ umaxRemax图表确定（P64图138），计算而得。 注意事项：测量点应在稳定段以后；校正 皮托管 优点：阻力小

13、，适于测量大直径气体管道中的流速 缺点：不能直接测量平均速度，压差读数小，常要放大。,二、孔板流量计 结构：如图示 设不可压缩流体在水平管内流动，取上游截面未收缩处为截面11，下游截面应取在缩脉处，但由于缩脉的位置及其截面很难确定，故以孔板处为下游截面00。11与00间列柏氏方程，并暂时略去两截面间的能量损失，得： 对于水平管Z1=Z0，代有,引进校正系数C1，来校正因忽略能量损失所引起的误差： 图示结构为角接取压法，引进校正系数C2 ，校正上、下游测压口的位置。 以A1、A0分别代表管道与小孔的截面积，由连续性方程式，对不可压流体： u1A1=u0A0 代入上式，并整理： 令 则： 此式用孔

14、板前后压强的变化来计算孔板小孔流速u0。 若以体积或质量流量表达：,式中（Pa-Pb）可由孔板前、后测压口所连接的压差计测得，若采用的是U管压差计，液柱读数为R，指示液的密度为PA，则： Pa-Pb=gR(A-) 公式中的C0称流量系数或孔流系数，无因次，从推导过程中可见： C0与C1有关，故C0与流体流过孔板的 能量损失有关，即与Re准数有关。 不同的取压法得出不同的C2，故C0与 取压法有关。 C0与面积比A0/A1有关。 C0与这些变量间的关系由实验测定， P63图1-40为孔流系数C0与Re1及A0/A1 的关系图。由图可见,对于某一A0/A1 值，当Re值超过某一根度值Rec时， C

15、0就不再改变而为定值。流量计所测 的流量范围，最好是落在C0为定值的 区域里，这时流量 。,设计合适的孔板流量计，其C0值为0.60.7。 试差法： 要计算流量Vs，必先确定C0，而C0与Re有关，又管道中u1为未知故无法计算Re，此时适用试差法。 设Re界限值Rec C0Vsu0u1Re1(Rec界限值,则符合；Rec界限值 则重新计算。) 孔板的安装：应在稳定段后（上游直管长度为50d1，下游直管长度为10d1）， 孔板构造简单，制造与安装方便。 缺点：阻力损失太大。 三、文丘里管。 结构： 优：阻力损失小 缺：加工较难,制造精度高,造价高,安装需要一定管长位置。 四、转子流量计 结构：,

16、设Vf为转子的体积，Af为转子最大部分的截面积，f为转子材质的密度，为被测流体密度。流体流经环形截面所产生的压强差为（P1P2），当转子在流体中处于平衡状态时： 转子承受的压力差=转子所受的重力-流体对转子的浮力 即（P1-P2）Af=Vff gVf g 当用固定的转子流量计测量某流体的流量时，式中的Vf、f、Af、均为定值，故P1P2也为定值，与流量无关。 当转子停留在某一定位置时，转子与玻璃管之间的环形面积就是某固定值。流体流经此环形截面的流量与压强差的关系，和孔板的情况相类似，故仿孔板时的情况得流量公式： AR环隙面积 CR转子流量计的流量系数，无因次，与Re及转子形状有关，由实验测定或从手册中查，当Re10000 CR=0.98 此时Vs正比AR，可用转子位置来确定（显示）流量,优点： 读取流量