材料熱工基礎(chǔ)

1、流體力學(xué)基礎(chǔ)流體物理性質(zhì)流體靜力學(xué)基礎(chǔ)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)流體阻力及管路計(jì)算1.4流體的阻力及管路計(jì)算                    一、教學(xué)要求【掌握內(nèi)容】（1）摩擦阻力和局部阻力的概念（2）摩擦阻力和局部阻力的計(jì)算方法（3）經(jīng)濟(jì)流速的概念【理解內(nèi)容】（1）簡(jiǎn)單管路的計(jì)算（2）串聯(lián)管路、并聯(lián)管路計(jì)算【了解內(nèi)容】（1）摩阻系數(shù)的確定（2）常用的幾種局部阻力系數(shù)    

2、0;            二、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)【教學(xué)重點(diǎn)】阻力計(jì)算【教學(xué)難點(diǎn)】管路計(jì)算                三、教學(xué)方法講述概念、分析實(shí)例、講解計(jì)算方法。              

3、0; 四、教學(xué)時(shí)數(shù)【建議學(xué)時(shí)】24學(xué)時(shí)                五、教學(xué)內(nèi)容摩擦阻力定義：摩擦阻力存在于整個(gè)流動(dòng)路程上，是流體在直管中流動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性產(chǎn)生內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的能量損失。用表示。1、摩擦阻力計(jì)算  (Pa) 說明：a、hf是單位管道截面積上的摩擦力，在數(shù)值上等于管道兩端的壓差（僅有摩擦阻力），方向與流體流動(dòng)方向相反。l，de，w，hfb、hf與流體的流態(tài)及管壁粗糙度有關(guān)，這些因素包含在摩擦阻力系數(shù)中。要確定hf的大小

4、，關(guān)健在求。2、摩擦阻力系數(shù)A、摩擦阻力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定。它與雷諾數(shù)及管內(nèi)擘粗糙度有關(guān)。層流區(qū)（Re2300）代入阻力公式得：臨界區(qū)（Re=23004000）此區(qū)域流態(tài)不穩(wěn)定，若仍保持層流，則Re、；若已為湍流，則Re、。湍流光滑區(qū)：湍流過渡區(qū)：湍流粗糙區(qū)：B、硅酸鹽工業(yè)通常按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即：光滑金屬管道：粗略計(jì)算時(shí)：=0.020.025粗糙管道：粗略計(jì)算時(shí)：=0.0350.45磚砌煙道：粗略計(jì)算時(shí)：=0.05【例題】熱煙氣以7.5Bm3/s的流量通過截面尺寸為1.5×2.0m的磚砌煙道，煙氣的平均溫度為420，標(biāo)態(tài)密度為1.32kg/Bm3,求煙氣通過25m長(zhǎng)煙道的摩擦阻力損失（煙

5、道內(nèi)煙氣的絕對(duì)壓力接近大氣壓）?！窘狻繜煔獾臉?biāo)態(tài)流速：2.5m/s煙氣的工況流速：6.34m/s煙氣的工況密度：0.52kg/m3煙道當(dāng)量直徑：1.71(m)煙氣粘度：=(Pas)雷諾數(shù)：     摩擦阻力系數(shù)：摩擦阻力損失：(Pa)局部阻力定義：局部阻力是流體通過管路中的管件、閥門、突然擴(kuò)大，突然縮小等局部障礙，引起邊界層的分離，產(chǎn)生漩渦而造成的能量損失。用表示。1、局部阻力計(jì)算公式    (Pa) 2、局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)確定。流體是層流時(shí)，局部阻力系數(shù)可用下式表示 是隨管件而定的常數(shù)，對(duì)球心閥(

6、全開)，48.8；角閥(全開)，=21.7；90º彎頭，=16.3三通，=32.5流體是湍流時(shí)，局部阻力系數(shù)由管件性質(zhì)而定的常數(shù)如：    突然擴(kuò)大突然縮小其余的局部阻力系數(shù)查附錄。【例題】密度為1.2kg/m3的氣體，流過如圖1.33所示的突然擴(kuò)大管段。已知:m2,m2,通過管段的氣體流量為7m/s。求其局部阻力損失?！窘狻坎楸淼猛蝗粩U(kuò)大管段局部阻力系數(shù)公式為：局部阻力為：  在計(jì)算局部阻力損失時(shí)，上式中的代入擴(kuò)大前速度較大的數(shù)值由已知條件得：（m/s）29.4(Pa)流動(dòng)的總阻力流體流動(dòng)的總阻力，為摩擦阻力與局部阻力之和，即： 

7、(Pa) 管路計(jì)算.1經(jīng)濟(jì)流速    (m)分析：1）w，d，管材費(fèi)，施工費(fèi)2）w，d，一次投資，阻力損失，動(dòng)力消耗，日常管理費(fèi)經(jīng)濟(jì)流速:使一次性投資與日常管理費(fèi)用之和為最小值的速度。影響經(jīng)濟(jì)流速的因素:管材價(jià)格；施工費(fèi)用；能源價(jià)格；管網(wǎng)結(jié)構(gòu)；流體性質(zhì)；生產(chǎn)工藝要求.2簡(jiǎn)單管路的計(jì)算管路：由管材、管件、閥件等按一定方式聯(lián)接而成的供流體流動(dòng)或輸送的設(shè)施。  簡(jiǎn)單管路：從進(jìn)口到出口，沒有分支管徑不變。對(duì)簡(jiǎn)單管路兩端寫出伯努力方程：上式表明：靜壓頭和幾何壓頭的變化用于克服管道中的摩擦阻力及局部阻力之總和。 簡(jiǎn)單管路計(jì)算內(nèi)容包括：已知管徑、管

8、長(zhǎng)、流體輸送量和管路阻力系數(shù)，求流體通過管路的阻力損失。已知管長(zhǎng)，流量，允許的阻力損失，求管徑。已知管徑，管長(zhǎng),允許的阻力損失，求流體的流速或流量?！纠}】20的低壓空氣流過內(nèi)徑420mm，長(zhǎng)60m的光滑金屬管道，空氣流量為4.0m3/s，局部阻力系數(shù)=2.5求（1）管道的阻力損失。（2）若要將流量增達(dá)到5.0m3/s，而保持阻力不便，應(yīng)選用多大的管徑?！窘狻浚?）對(duì)于光滑金屬管選取根據(jù)公式：   將  代入上式得：(Pa) =3397.27(Pa)（2）當(dāng)m3/s，3397.27(Pa)Pa時(shí)，即：3397.27整理后得：用試湊發(fā)求得：注:類問題較為復(fù)雜，由于管

9、徑未知，因而無法求算流速、雷諾數(shù)和摩擦系數(shù)。在這種情況下，工程計(jì)算中常采用試差法求解。.3管路的串聯(lián)與并聯(lián)1、串聯(lián)管路 由不同管徑的管道首尾相連構(gòu)成的管路。如圖所示。 特點(diǎn)：串聯(lián)管路中流體流動(dòng)的總阻力為各管段阻力之和。    (Pa)   串聯(lián)管道中無流體加入或排出，各管段流量相等。     (m3/s)由上述特點(diǎn)可知：結(jié)論：串聯(lián)管路的總比阻抗等于各段管路分比阻抗之和。2、并聯(lián)管路兩根或兩根以上的管道進(jìn)口與進(jìn)口相連，出口與出口相連，構(gòu)成并聯(lián)管道。  特點(diǎn)：并聯(lián)管路各支管的總阻

10、力相等。并聯(lián)管路總管流量等于各支管流量之和。    (m3/s)      s，V。由上述特點(diǎn)可知：即：結(jié)論：并聯(lián)管路總比阻抗平方根倒數(shù)和等于各支管比阻抗平方根倒數(shù)之和。四、管道計(jì)算（二）- (作者：佚名 本信息發(fā)布于2008年07月23日，共有3222人瀏覽) 字體：大 中 小 4. 管道直徑的選擇在要求達(dá)到的流量之下，流體在管道中的流速因所選用的管道直徑的大小而異。隨著流速的變化，壓頭損失也不同。在一定的流量之下，選用小直徑的管道時(shí)，流速較高，阻力也跟著升高。從阻力公式可以知道；在既定的流量之下，流體流經(jīng)管道時(shí)的壓頭損失

11、隨著管道直徑的5次方成反比。由于阻力的升高，輸送流體的電耗亦隨著增加。因此，為了節(jié)省輸送流體時(shí)的電能，宜盡可能選用直徑較大的管道。 另一方面，選用較大直徑的管道時(shí)，由于管道的重量增加，勢(shì)必增加管道的購(gòu)置費(fèi)用和安裝費(fèi)用。 因此，在選擇管道直徑時(shí)，必須權(quán)衡這兩方面的得失，解決管道的操作費(fèi)用和投資費(fèi)用之間的矛盾，選出比較合理的管徑。 另外，選擇管道直徑時(shí)，還要注意到流體的物理性質(zhì)。對(duì)于粘度大、密度大，比較難以輸送的流體，當(dāng)輸送量不要求很大的時(shí)候，例如潤(rùn)滑油、燃料油等，流速不宜過大，甚至宜在層流流態(tài)下輸送。反之，對(duì)于粘度小、密度小，比較容易輸送的流體，而輸送量又比較大時(shí)，例如空氣等流體，則流速不妨大一

12、些。對(duì)于含有固體顆粒的流體，例如含塵氣體，以及容易析出固體渣滓的流體，例如重油等，流速不能選得過低，以免固體在管道中沉積。實(shí)際上，各種流體都有各自的比較經(jīng)濟(jì)的流速。表1-11中的數(shù)據(jù)可供參考。根據(jù)要求達(dá)到的流量和經(jīng)濟(jì)流速,就可選出管道的直徑。 常 用 流 速 表1-11情 況 常用流速(米秒) 情 況 常用流速(米秒) 壓強(qiáng)大于5千帕的凈空氣管道 壓強(qiáng)小于5千帕的冷空氣管道 壓強(qiáng)大于5千帕的熱空氣管道 壓強(qiáng)小于5千帕的熱空氣管道 壓縮空氣管道 高壓常溫凈煤氣管道 低壓常溫凈煤氣管道 壓強(qiáng)小于10大氣壓的氧氣管道 壓強(qiáng)為1020大氣壓的氧氣管道 過熱蒸汽管道 912685735306081258

13、708030503560 飽和蒸汽管道煙 道高壓水管低壓水管一般生產(chǎn)用冷卻水管潤(rùn)滑油、燃料油管液壓油料管（管道內(nèi)徑4100毫米，直徑小宜取較低流速）泥漿管收塵管道 2040245724152.50.11.00.854.5 0.51.51820 【習(xí)題1-18】廠房地面的標(biāo)高為±0米(見圖1-58)，水塔地面的標(biāo)高為5米。水塔至廠房的輸水總管是4管，最大流量是40米3小時(shí)。從水塔至點(diǎn)A處，裝有閘閥2個(gè)，90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭3個(gè)，管線共長(zhǎng)310米。從點(diǎn)A處至廠房頂部裝設(shè)輸水支管，用2管。支管長(zhǎng)度為22米，裝有閘閥2個(gè)，90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭4個(gè)。支管末端用水處距地面的高度為15米，

14、要求供水量不少于8米3小時(shí)，并要求用水時(shí)水壓不低于0.25大氣壓(表壓強(qiáng))。問水塔多高才能正常供水? 【習(xí)題1-19】20的空氣從圖l-59所示的焊接管道中流過，流量是5335米3小時(shí)?？傦L(fēng)管直徑為435毫米，支風(fēng)管直徑為250毫米。試求在風(fēng)機(jī)出口截面與管道出口截面之間的壓頭損失?！玖?xí)題1-20】振動(dòng)喂料機(jī)的抽風(fēng)裝置如圖1-60所示。通風(fēng)機(jī)1經(jīng)過旋風(fēng)收塵器2將振動(dòng)喂料機(jī)3中的空氣抽出，在振動(dòng)喂料機(jī)內(nèi)維持比大氣壓稍低的壓強(qiáng)(比大氣壓低50帕),以避免粉塵逸出。抽出的空氣量是30米3分鐘，溫度是20,含塵濃度是20克標(biāo)米3。管道直徑都是300毫米。旋風(fēng)收塵器筒身直徑是400毫米，相對(duì)于筒身凈空截面

15、流速的局部阻力系數(shù)=105。在振動(dòng)喂料機(jī)與旋風(fēng)收塵器之間的管道有兩個(gè)90°彎頭，管道長(zhǎng)14米。收塵器與通風(fēng)機(jī)之間有一個(gè)90°彎頭，管道長(zhǎng)6米。排風(fēng)管長(zhǎng)10米，排風(fēng)口帽罩的局部阻力系數(shù)=13。如果通風(fēng)機(jī)的效率是75，求通風(fēng)機(jī)的功率?！玖?xí)題1-21】圖1-61所示為內(nèi)徑等于200毫米的鑄鐵管道，全長(zhǎng)1000米，輸送20的清水，流量為4米3分鐘。如果要將流量增加到原來的150，而可用壓頭不能增加。今欲加一平行支管，管徑仍為200毫米，問支管的長(zhǎng)度應(yīng)為若干?【習(xí)題1-22】為了改善相距3千米的A、B兩處的供水情況，提出了兩種方案。其一是，將現(xiàn)有的內(nèi)徑150毫米的整條管道全部換用內(nèi)徑

16、為200毫米的新管；另一是，將整條管道的前半段換用內(nèi)徑為200毫米的新管，將拆下來的舊管裝在后半段，與原有的管道并聯(lián)使用。在兩種情況下，在最大流量之下容許的總壓頭損失均為15米。問哪一種方案可以得到較好的供水情況。局部阻力可以忽略。舊管的摩擦系數(shù)=004，新管的摩擦系數(shù)=0032?！玖?xí)題1-23】在圖1-62中，水池A、B、C水面距水平基準(zhǔn)面的垂直高度分別為60、45、55米。連接各水池的管道的直徑分別為400、240、320毫米，長(zhǎng)度分別為600、912、1120米。求流量Qa、Qb圾Qc以及在分流點(diǎn)J處的壓頭?！玖?xí)題1-24】水平環(huán)形管道如圖1-63所示。從B、C處向外排出的水均為57升秒

17、。管段AB、AC、BC的長(zhǎng)度均為600米，管段AB內(nèi)徑為203毫米(8鑄鐵管)，管段AC的內(nèi)徑為155毫米 (6鑄鐵管)，管段BC的內(nèi)徑為254毫米(10鑄鐵管)。求各支管的流量?！玖?xí)題1-25】需要在水平管道中將煤氣輸送100千米的距離，輸氣量為5000米3小時(shí)。煤氣的平均溫度為18，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為062千克米3。管道內(nèi)徑為300毫米。如果管道末端的壓強(qiáng)為15大氣壓(表壓強(qiáng))，試求管道起點(diǎn)的煤氣壓強(qiáng)。 四、管道計(jì)算（二）- (作者：佚名 本信息發(fā)布于2008年07月23日，共有3222人瀏覽) 字體：大 中 小 4. 管道直徑的選擇在要求達(dá)到的流量之下，流體在管道中的流速因所選用的管道

18、直徑的大小而異。隨著流速的變化，壓頭損失也不同。在一定的流量之下，選用小直徑的管道時(shí)，流速較高，阻力也跟著升高。從阻力公式可以知道；在既定的流量之下，流體流經(jīng)管道時(shí)的壓頭損失隨著管道直徑的5次方成反比。由于阻力的升高，輸送流體的電耗亦隨著增加。因此，為了節(jié)省輸送流體時(shí)的電能，宜盡可能選用直徑較大的管道。 另一方面，選用較大直徑的管道時(shí)，由于管道的重量增加，勢(shì)必增加管道的購(gòu)置費(fèi)用和安裝費(fèi)用。 因此，在選擇管道直徑時(shí)，必須權(quán)衡這兩方面的得失，解決管道的操作費(fèi)用和投資費(fèi)用之間的矛盾，選出比較合理的管徑。 另外，選擇管道直徑時(shí)，還要注意到流體的物理性質(zhì)。對(duì)于粘度大、密度大，比較難以輸送的流體，當(dāng)輸送量

19、不要求很大的時(shí)候，例如潤(rùn)滑油、燃料油等，流速不宜過大，甚至宜在層流流態(tài)下輸送。反之，對(duì)于粘度小、密度小，比較容易輸送的流體，而輸送量又比較大時(shí)，例如空氣等流體，則流速不妨大一些。對(duì)于含有固體顆粒的流體，例如含塵氣體，以及容易析出固體渣滓的流體，例如重油等，流速不能選得過低，以免固體在管道中沉積。實(shí)際上，各種流體都有各自的比較經(jīng)濟(jì)的流速。表1-11中的數(shù)據(jù)可供參考。根據(jù)要求達(dá)到的流量和經(jīng)濟(jì)流速,就可選出管道的直徑。 常 用 流 速 表1-11情 況 常用流速(米秒) 情 況 常用流速(米秒) 壓強(qiáng)大于5千帕的凈空氣管道 壓強(qiáng)小于5千帕的冷空氣管道 壓強(qiáng)大于5千帕的熱空氣管道 壓強(qiáng)小于5千帕的熱空

20、氣管道 壓縮空氣管道 高壓常溫凈煤氣管道 低壓常溫凈煤氣管道 壓強(qiáng)小于10大氣壓的氧氣管道 壓強(qiáng)為1020大氣壓的氧氣管道 過熱蒸汽管道 912685735306081258708030503560 飽和蒸汽管道煙 道高壓水管低壓水管一般生產(chǎn)用冷卻水管潤(rùn)滑油、燃料油管液壓油料管（管道內(nèi)徑4100毫米，直徑小宜取較低流速）泥漿管收塵管道 2040245724152.50.11.00.854.5 0.51.51820 【習(xí)題1-18】廠房地面的標(biāo)高為±0米(見圖1-58)，水塔地面的標(biāo)高為5米。水塔至廠房的輸水總管是4管，最大流量是40米3小時(shí)。從水塔至點(diǎn)A處，裝有閘閥2個(gè)，90

21、6;標(biāo)準(zhǔn)彎頭3個(gè)，管線共長(zhǎng)310米。從點(diǎn)A處至廠房頂部裝設(shè)輸水支管，用2管。支管長(zhǎng)度為22米，裝有閘閥2個(gè)，90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭4個(gè)。支管末端用水處距地面的高度為15米，要求供水量不少于8米3小時(shí)，并要求用水時(shí)水壓不低于0.25大氣壓(表壓強(qiáng))。問水塔多高才能正常供水? 【習(xí)題1-19】20的空氣從圖l-59所示的焊接管道中流過，流量是5335米3小時(shí)?？傦L(fēng)管直徑為435毫米，支風(fēng)管直徑為250毫米。試求在風(fēng)機(jī)出口截面與管道出口截面之間的壓頭損失?！玖?xí)題1-20】振動(dòng)喂料機(jī)的抽風(fēng)裝置如圖1-60所示。通風(fēng)機(jī)1經(jīng)過旋風(fēng)收塵器2將振動(dòng)喂料機(jī)3中的空氣抽出，在振動(dòng)喂料機(jī)內(nèi)維持比大氣壓稍低的壓強(qiáng)(比大氣壓低50帕),以避免粉塵逸出。抽出的空氣量是30米3分鐘，溫度是20,含塵濃度是20克標(biāo)米3。管道直徑都是300毫米。旋風(fēng)收塵器筒身直徑是400毫米，相對(duì)于筒身凈空截面流速的局部阻力系數(shù)=105。在振動(dòng)喂料機(jī)與旋風(fēng)收塵器之間的管道有兩個(gè)90°彎頭，管道長(zhǎng)14米。收塵器與通風(fēng)機(jī)之間有一個(gè)90°彎頭，管道長(zhǎng)6米。排風(fēng)管長(zhǎng)10