流體流動過程中能量損失與管道計算剖析

1、1.4 流體流動過程中 能量損失與管道計算 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 實際流體由于具有粘性，在流動時就產(chǎn)生阻力。對于不可壓縮流 體來說，這種阻力使流體的一部分機(jī)械能，不可逆地轉(zhuǎn)化為熱能而損 失到環(huán)境中去。這部分能量便不再參加流體動力學(xué)過程，稱之為能量 損失。單位重量（單位體積）流體的能量損失，稱為水頭損失（壓頭 損失）并以hw(或p)表示。 流體都是在管道或渠道中輸送的。根據(jù)產(chǎn)生阻力的部位不同，把 阻力分為沿程阻力和局部阻力兩類。 沿程阻力沿程阻力:產(chǎn)生于整個流動路程上，由于流體的粘性和流體質(zhì)點之間 的互相碰撞而產(chǎn)生的阻力； 局部阻力：局部阻力：產(chǎn)生于管道中的管件，閥件，出入口等

2、處，是由于這些局 部位置所造成的對流動的障礙或干擾而產(chǎn)生的附加阻力。 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 沿沿程阻力用沿程壓頭損失程阻力用沿程壓頭損失hL表示，局部阻力用局部壓頭表示，局部阻力用局部壓頭 損失損失hM表示。單位為米流體柱或帕。因此，柏努利方程中的表示。單位為米流體柱或帕。因此，柏努利方程中的 壓頭損失項壓頭損失項 實際流體在流動過程中才會產(chǎn)生流動阻力，為了克服該實際流體在流動過程中才會產(chǎn)生流動阻力，為了克服該 阻力才有阻力損失，因此，在工程上常將能量損失表示為動阻力才有阻力損失，因此，在工程上常將能量損失表示為動 能的某一倍數(shù)，這一倍數(shù)稱為阻力系數(shù)。能的某一倍數(shù)，這一倍數(shù)稱

3、為阻力系數(shù)。 WLM hhh米流體柱（或帕） 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 1.4.1 流態(tài)和雷諾試驗 1.4.1.1雷諾試驗 在一般流動過程中，由于流體流動速在一般流動過程中，由于流體流動速 度不同，流體質(zhì)點的運動可能處于兩種完度不同，流體質(zhì)點的運動可能處于兩種完 全不同的狀態(tài)。一種是流體質(zhì)點互不干擾全不同的狀態(tài)。一種是流體質(zhì)點互不干擾 而有規(guī)則的層流運動。而另一種則是流體而有規(guī)則的層流運動。而另一種則是流體 質(zhì)點速度存在脈動的湍流流動。層流中，質(zhì)點速度存在脈動的湍流流動。層流中， 流體質(zhì)點沿其軌跡層次分明地向前運動，流體質(zhì)點沿其軌跡層次分明地向前運動， 其軌跡是一些平滑的隨時間變

4、化較慢的曲其軌跡是一些平滑的隨時間變化較慢的曲 線。湍流中流體質(zhì)點的軌跡雜亂無章，互線。湍流中流體質(zhì)點的軌跡雜亂無章，互 相交錯，而且迅速地變化，流體微團(tuán)相交錯，而且迅速地變化，流體微團(tuán)(或稱或稱 渦體渦體)在順流向運動的同時，還作橫向、垂在順流向運動的同時，還作橫向、垂 向和局部逆向運動，也與它周圍的流體發(fā)向和局部逆向運動，也與它周圍的流體發(fā) 生混摻。那么流體質(zhì)點在什么情況下發(fā)生生混摻。那么流體質(zhì)點在什么情況下發(fā)生 層流流動，什么情況下發(fā)生湍流流動，什層流流動，什么情況下發(fā)生湍流流動，什 么情況下發(fā)生從層流向湍流過渡呢？在討么情況下發(fā)生從層流向湍流過渡呢？在討 論這個問題之前，現(xiàn)看一下雷諾試

5、驗：論這個問題之前，現(xiàn)看一下雷諾試驗： 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 試驗時首先稍微開啟閥門K ，流 體便開始緩慢的由水箱G中流出。然 后將細(xì)管上的閥門P稍微開啟，則有 有色液體從T1管流入玻璃管T中，在 T管中形成一條直線，且很穩(wěn)定。隨 后如果將閥門K再稍微開大一些，則 玻璃管中流體的流速隨之增大，但是 上述現(xiàn)象任然不變，染色流束仍將保 持穩(wěn)定流態(tài)。也就是說當(dāng)玻璃管內(nèi)的當(dāng)玻璃管內(nèi)的 流速較低時，從細(xì)管注入的顏色液體流速較低時，從細(xì)管注入的顏色液體 能成為單獨的一股細(xì)流前進(jìn)，同玻璃能成為單獨的一股細(xì)流前進(jìn)，同玻璃 內(nèi)的水不相混雜。內(nèi)的水不相混雜。 但當(dāng)K開啟到一定程度時，也就 是當(dāng)玻

6、璃管內(nèi)的流速較高時，從細(xì)管當(dāng)玻璃管內(nèi)的流速較高時，從細(xì)管 注入的那股帶顏色的細(xì)流馬上消失在注入的那股帶顏色的細(xì)流馬上消失在 水中，同水混雜起來。水中，同水混雜起來。 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 前一種情況說明流體運前一種情況說明流體運 動時，流體的質(zhì)點成為互不動時，流體的質(zhì)點成為互不 干擾的細(xì)流前進(jìn)，各股流互干擾的細(xì)流前進(jìn)，各股流互 相平行，層次分明。流體的相平行，層次分明。流體的 這種流態(tài)是層流。這種流態(tài)是層流。 后一種情況說明流體流后一種情況說明流體流 動時，出現(xiàn)一種紊亂態(tài)。流動時，出現(xiàn)一種紊亂態(tài)。流 體各質(zhì)點作不規(guī)則的運動。體各質(zhì)點作不規(guī)則的運動。 液流內(nèi)各股細(xì)流相互更換位液

7、流內(nèi)各股細(xì)流相互更換位 置，流體質(zhì)點有軸向和橫向置，流體質(zhì)點有軸向和橫向 運動，互相撞擊產(chǎn)生湍動和運動，互相撞擊產(chǎn)生湍動和 旋渦，這種流態(tài)叫湍流或稱旋渦，這種流態(tài)叫湍流或稱 紊流。紊流。 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 層流、湍流示意圖： 流體流動過程中能量損失與管道計算剖 析 1.4.1.2 雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù) （1）雷諾準(zhǔn)數(shù)： 式中 D：管道直徑； v：流速； ：流體密度； ：動力粘度。 （2）雷諾準(zhǔn)數(shù)的物理意義：表示作用于流體上的慣性 力與粘性力之比（相對大小）。 Re D 流體流動過程中能量損失與管道計算剖 析 對于在平直的圓管中流動的流體： Re2320：流態(tài)屬層流 Re400

8、0：流態(tài)屬湍流 2320Re 4000：流態(tài)是不穩(wěn)定的，可能是層流，也可能 是湍流，而且極容易從一種流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N流態(tài)，所以 稱過渡流。 流體流動過程中能量損失與管道計算剖 析 o 在生產(chǎn)上常常會遇到非圓形管，例如有些氣體的 管道是矩形的，有些是環(huán)形的。對于非圓形管道內(nèi)流 體的流動，必須找到一個和直徑相當(dāng)?shù)牧縼碛嬎鉘e值 以及阻力大小，即要用當(dāng)量直徑De來代替圓形管道的 直徑D。 o 當(dāng)量直徑可通過水力半徑RH求出。水力半徑的定 義是：與流動方向相垂直的截面積F與被流體所浸潤 的周邊長度之比，即 H F R 1.4.1.3 水力半徑和當(dāng)量直徑 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 因此，水

9、力半徑反映了管道或設(shè)備的集合因素對流動狀態(tài)，也就 是對阻力大小的影響。 對于圓形管道， 于是 即圓管直徑為水力半徑的4倍，對于非圓形管道或設(shè)備，也取水力 半徑的4倍表示其尺寸，即取當(dāng)量直徑： De=4RH 它與相同數(shù)值的圓管直徑D對流動狀況產(chǎn)生相同的影響，對于圓管De=D。 2 , 4 D FD 2 4 4 H D FD R D 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 對于長度a、寬度b的矩形截面的管道， 對于內(nèi)徑為D1的管道里套著一根外徑為D2 的圓管兩者 之間的環(huán)形通道： 2 4 2() e abab D abab 22 12 12 12 () 4 4 () e DD DDD DD 流體流

10、動過程中能量損失與管道計 算剖析 必須著重指出，當(dāng)量直徑只是用來代替圓管的直徑D， 以表明管道的幾何因素對某些流體力學(xué)現(xiàn)象有相同的影響。 它不應(yīng)該代替圓管的直徑去計算不屬于這個范圍的物理量， 例如截面積、流速、流量等。例如上述的環(huán)形管道的截面 積是 而不是 ；其間的流量是Q m3/s 時，流速應(yīng)是 ，而不是 22 12 () 4 DD 2 12 () 4 DD 22 12 () 4 Q DD 2 12 (/ ) () 4 Q m s DD 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 式中式中 hl-沿程能量損失，沿程能量損失， ； l -管長，管長，m； d -管徑，對非圓形管道取當(dāng)量直徑管徑，對

11、非圓形管道取當(dāng)量直徑de，m； -氣體的動壓頭，氣體的動壓頭， ； -沿程阻力系數(shù)（或摩擦系數(shù)）。沿程阻力系數(shù)（或摩擦系數(shù)）。 2 2 l lv h d 23 /N mJ m或 2 1 2 v 2 /N m 流體流動過程中能量損失與管道計算剖 析 o（1）在層流流態(tài)下，摩擦系數(shù)為）在層流流態(tài)下，摩擦系數(shù)為 64 Re 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 光滑的金屬管道：A=0.32 n=0.25 表面粗糙的金屬管道：A=0.129 n=0.12 磚砌管道：A=0.175 n=0.12 在一般工程計算時， 值可近似選取。 光滑的金屬管道： 0.020.025； 一般氧化的金屬管道： 0.03

12、50.04； 有銹的金屬管道： 0.045； 磚砌管道： 0.050.06。 Ren A 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 1.4.3局部能量損失局部能量損失 當(dāng)流體經(jīng)管道上的管件、閥門及出入口等處流過時 由于流體流向和速度大小的改變，以及產(chǎn)生旋渦等原因， 產(chǎn)生比同樣長度的直管大得多的阻力，這種由于在局部地 方流動受到障礙和干擾而產(chǎn)生的附加阻力叫局部阻力。必 須注意到，干擾的因素雖然只是產(chǎn)生于局部地方，但其影 響在下游較長一段距離內(nèi)卻沒有消失。 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 為了與沿程阻力的表示方法相一致，局部壓頭損失可表 示為： 2 2 M w h g 米流體柱 式中 hM-

13、因局部阻力而產(chǎn)生的壓頭損失，米流體柱； -局部阻力系數(shù)，對于大多數(shù)管件和閥件，其值 要通過試驗確定。 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 局部阻力系數(shù) 值在層流流態(tài)下隨Re值而變化。 當(dāng)Re5000Pa） (p5000） （1500 Pa p5000 Pa） (p5000Pa) 57 35 13 壓縮空氣（p4atm） 815 高壓凈煤氣（不預(yù)熱） （預(yù)熱） 812 68 低壓凈煤氣（不預(yù)熱） （預(yù)熱） 58 35 發(fā)生爐煤氣 13 天然煤氣 2025 氧氣（p100tm） （100tmp18 乙炔 48 二氧化碳 812 泥漿管 0.51.5 收塵管 1820 流體流動過程中能量損失與管

14、道計 算剖析 1.4.5.2 簡單管路簡單管路 簡單管路是指具有相同管徑、相同流量的管路，它是 組成各種復(fù)雜管路的基本單元。在管路上，流動阻力 即包括沿程阻力也包括局部阻力，因此其阻力公式為： 若為不可壓縮流體的穩(wěn)定流動，則通過管道任意截面 的體積流量相等，體積流量方程是： 2 () 2 p lv h d QvA 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 1.4.5.3 串聯(lián)管路和并聯(lián)管路串聯(lián)管路和并聯(lián)管路 （1）串聯(lián)管路 串聯(lián)管路是由幾個相互串聯(lián)在一起的管段所組成， 也就是由幾個簡單的管路串聯(lián)而成的。 u 對于串聯(lián)管路：總能量損失等于各簡單管路能量對于串聯(lián)管路：總能量損失等于各簡單管路能量 損

15、失之和；各簡單管路內(nèi)質(zhì)量流量不變。損失之和；各簡單管路內(nèi)質(zhì)量流量不變。 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 12 1 222 11 122 2 1122 12 ()()() 222 nrs ppipppnlk ijk nnn nn eeen hhhhhhh lvlvlv ddd 即 121122mmmmnvvnvn QQQQQQQ 12 121122 n vvvvnnn QQQQv Av Av A 若 C，則 串聯(lián)管路的計算與前面所講的簡單管路計算方法相同。串聯(lián)管路的計算與前面所講的簡單管路計算方法相同。 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 2）并聯(lián)管路）并聯(lián)管路 若幾條簡單管路（或串

16、聯(lián)管路）的入口端與出口端各 自連接在一起，就組成了一個并聯(lián)管路。 在熱工設(shè)備中，并聯(lián)管路是很多的，如多管式換熱器， 它們的每一組是由共同的入口、出口相連起來的管簇，從 而構(gòu)成了并聯(lián)管路。 u 并聯(lián)管路的質(zhì)量平衡關(guān)系為：并聯(lián)管路的質(zhì)量平衡關(guān)系為：Q=Q1+Q2+Qn u 并聯(lián)管路各支管道中流體的阻力損失相等：并聯(lián)管路各支管道中流體的阻力損失相等： hp=hp1=hp2=hpn 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 欲使窯爐維持正常操作，一方面要提供足夠的燃 料以及供燃料燃燒所需的空氣，另一方面，還應(yīng)及時 的將燃燒產(chǎn)物排除窯外。為引導(dǎo)窯內(nèi)氣體運動，常用 的裝置有煙囪、噴射器、和風(fēng)機(jī)等。下面主要介

17、紹煙 囪。 對于自然通風(fēng)的窯爐，煙囪的作用是引導(dǎo)窯內(nèi)氣 體運動并將廢氣排出，如圖所示。 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 煙囪底部的靜壓頭值可通過對窯 爐系統(tǒng)列柏努利方程式求得。而在 窯爐的不同部位，溫度是變化的， 應(yīng)當(dāng)分段列柏努利方程。在每一段 都取平均溫度進(jìn)行計算，并以某一 段的上部截面為基準(zhǔn)面，同時由于 窯內(nèi)氣體流速不大，忽略了動壓頭 隨溫度的變化。 1.4.6.1煙囪底部所需負(fù)壓的計算煙囪底部所需負(fù)壓的計算 2111221 2 3222332 3 3433443 4 44445554 5 10, 0, , 0, gsgkskp gsgksk

18、p ggskskp gsgksgkp hhhhhhh hhhhhhh hhhhhhh hhhhhhhh 、2截面， 2、3截面， 3、4截面， 4、5截面， 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 1551512 1 22 33 44 5 ()() sskkgggp ppppp hhhhhhhh hhhhh 將上述四式相加，并經(jīng)整理得： 式中： 551512 () () skkgggp hhhhhhhs (0) (1) 由公式（由公式（0）可以看出，由窯前至煙囪底部）可以看出，由窯前至煙囪底部 靜壓頭的減少是用來克服動壓頭增量、壓頭損靜壓頭的減少是用來克服動壓頭增量、壓頭損 失以及當(dāng)氣體由上向

19、下運動時，克服熱氣體的失以及當(dāng)氣體由上向下運動時，克服熱氣體的 幾何壓頭所消耗的能量（此時把幾何壓頭也看幾何壓頭所消耗的能量（此時把幾何壓頭也看 作一種阻力）。作一種阻力）。 如果忽略動壓頭的變化，則靜壓頭的減少如果忽略動壓頭的變化，則靜壓頭的減少 是用來克服窯爐系統(tǒng)的總阻力，其中包括幾何是用來克服窯爐系統(tǒng)的總阻力，其中包括幾何 壓頭的增量（氣體向上運動、幾何壓頭起推動壓頭的增量（氣體向上運動、幾何壓頭起推動 力作用、與阻力符號相反；氣體由上向下運動，力作用、與阻力符號相反；氣體由上向下運動， 幾何壓頭起阻力作用，與阻力符號相同）。幾何壓頭起阻力作用，與阻力符號相同）。 當(dāng)從窯爐系統(tǒng)的零壓面進(jìn)

20、行計算時，當(dāng)從窯爐系統(tǒng)的零壓面進(jìn)行計算時，hs1 =0， 則公式（則公式（0）可寫成：）可寫成： 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 即當(dāng)窯前為大氣壓，煙囪底部為負(fù)壓，在此壓強(qiáng)差的推動下，氣 體得以克服窯爐系統(tǒng)阻力，并以一定速度在窯內(nèi)運動。而這個負(fù)壓值 是靠煙囪的高度和內(nèi)外氣體 密度差來提供的。這個可以由列55、6 6截面的柏努利方程而得知 hs5+hg5+hk5= hs6+hg6+hk6+hp5-6 將基準(zhǔn)截面取在66面上，hg60，hs60，則上式可寫成 hs5+hg5+hk5= hk6+hp5-6 s=hs5hg5（hk6 hk5）hp5-6 （2） 由上式可以看出，煙囪底部的幾何壓

21、頭hg5除克服沿?zé)焽韪叨鹊膭?壓頭增量和阻力損失外，其余的轉(zhuǎn)變?yōu)闊焽璧撞康呢?fù)壓，以引導(dǎo)窯內(nèi) 氣體運動，這就是煙囪工作的基本原理。 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 1.4.6.2 煙囪計算煙囪計算 從熱工角度而言，煙囪計算主要是確定煙囪直徑與高度。從熱工角度而言，煙囪計算主要是確定煙囪直徑與高度。 煙囪直徑計算：煙囪出口直徑是根據(jù)廢氣排出量和規(guī)定的出煙囪直徑計算：煙囪出口直徑是根據(jù)廢氣排出量和規(guī)定的出 口速度求得口速度求得 式中：式中：Qv0煙氣標(biāo)態(tài)流量，煙氣標(biāo)態(tài)流量，m03/s； v0選定的煙氣出口標(biāo)態(tài)流速，選定的煙氣出口標(biāo)態(tài)流速，m0/s. 0 0 4 v Q d v 流體流動過程中

22、能量損失與管道計 算剖析 對于自然通風(fēng)的煙囪，適宜的出口速度可取對于自然通風(fēng)的煙囪，適宜的出口速度可取24 m0/s，機(jī)械通風(fēng)時可取，機(jī)械通風(fēng)時可取815 m0/s。 出口速度小，煙囪出口直徑大，容易造成倒風(fēng)現(xiàn)象；出口速度小，煙囪出口直徑大，容易造成倒風(fēng)現(xiàn)象； 速度太大，出口直徑小，增加氣體流動過程的阻力損失，速度太大，出口直徑小，增加氣體流動過程的阻力損失， 并造成施工困難。并造成施工困難。 金屬煙囪底部直徑和出口直徑一樣。磚結(jié)構(gòu)和鋼筋混金屬煙囪底部直徑和出口直徑一樣。磚結(jié)構(gòu)和鋼筋混 凝土結(jié)構(gòu)煙囪，為考慮其穩(wěn)定性，底部直徑適當(dāng)加大。一凝土結(jié)構(gòu)煙囪，為考慮其穩(wěn)定性，底部直徑適當(dāng)加大。一 般底部直徑為頂部直徑的般底部直徑為頂部直徑的1.31.5倍。倍。 流體流動過程中能量損失與管道計 算剖析 煙囪高度計算：根據(jù)公式（煙囪高度計算：根據(jù)公式（2），煙囪高度可按下式計算：），煙囪高度可按下式計算： 式中：式中：s煙囪底部負(fù)壓，即為煙囪底部負(fù)壓，即為hs，習(xí)慣上稱為抽力?？砂垂剑?，習(xí)慣上稱為抽力?？砂垂剑?） 計算，為保證煙囪工作的可靠性，還應(yīng)考慮計算，為保證煙囪工作的可靠性，還應(yīng)考慮1.21.3