流體流動(dòng)過程中能量損失與管道計(jì)算

1、1.4 流體流動(dòng)過程中 能量損失與管道計(jì)算 實(shí)際流體由于具有粘性，在流動(dòng)時(shí)就產(chǎn)生阻力。對(duì)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(dòng)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(gè)流動(dòng)路程上，由于流體的粘性和流體質(zhì)點(diǎn)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，出入口等處，是由于這些局部位置所造成的對(duì)流動(dòng)的障礙或干擾而產(chǎn)生的

2、附加阻力。 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(xiàng)壓頭損失項(xiàng) 實(shí)際流體在流動(dòng)過程中才會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)阻力，為了克服該實(shí)際流體在流動(dòng)過程中才會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)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(dòng)阻力才有阻力損失，因此，在工程上常將能量損失表示為動(dòng)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)稱為阻力系數(shù)。WLMhhh米流體柱（或帕）1.4.1 流態(tài)和雷諾試驗(yàn) 1.4.1.1雷諾試驗(yàn) 在一般流動(dòng)過程

3、中，由于流體流動(dòng)速在一般流動(dòng)過程中，由于流體流動(dòng)速度不同，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可能處于兩種完度不同，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可能處于兩種完全不同的狀態(tài)。一種是流體質(zhì)點(diǎn)互不干擾全不同的狀態(tài)。一種是流體質(zhì)點(diǎn)互不干擾而有規(guī)則的層流運(yùn)動(dòng)。而另一種則是流體而有規(guī)則的層流運(yùn)動(dòng)。而另一種則是流體質(zhì)點(diǎn)速度存在脈動(dòng)的湍流流動(dòng)。層流中，質(zhì)點(diǎn)速度存在脈動(dòng)的湍流流動(dòng)。層流中，流體質(zhì)點(diǎn)沿其軌跡層次分明地向前運(yùn)動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)沿其軌跡層次分明地向前運(yùn)動(dòng)，其軌跡是一些平滑的隨時(shí)間變化較慢的曲其軌跡是一些平滑的隨時(shí)間變化較慢的曲線。湍流中流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡雜亂無章，互線。湍流中流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡雜亂無章，互相交錯(cuò)，而且迅速地變化，流體微團(tuán)相交錯(cuò)，而且迅

4、速地變化，流體微團(tuán)(或稱或稱渦體渦體)在順流向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還作橫向、垂在順流向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還作橫向、垂向和局部逆向運(yùn)動(dòng)，也與它周圍的流體發(fā)向和局部逆向運(yùn)動(dòng)，也與它周圍的流體發(fā)生混摻。那么流體質(zhì)點(diǎn)在什么情況下發(fā)生生混摻。那么流體質(zhì)點(diǎn)在什么情況下發(fā)生層流流動(dòng)，什么情況下發(fā)生湍流流動(dòng)，什層流流動(dòng)，什么情況下發(fā)生湍流流動(dòng)，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(gè)問題之前，現(xiàn)看一下雷諾試驗(yàn)：論這個(gè)問題之前，現(xiàn)看一下雷諾試驗(yàn)： 試驗(yàn)時(shí)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

5、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(shí)，從細(xì)管注入的顏色液體流速較低時(shí)，從細(xì)管注入的顏色液體能成為單獨(dú)的一股細(xì)流前進(jìn)，同玻璃能成為單獨(dú)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(shí)，也就是當(dāng)玻璃管內(nèi)的流速較高時(shí)，從細(xì)管當(dāng)玻璃管內(nèi)的流速較高時(shí)，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。 前一種情況說明流體運(yùn)前一種情況說明流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)成為互不動(dòng)時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)成

6、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)是這種流態(tài)是層流層流。 后一種情況說明流體流后一種情況說明流體流動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)一種紊亂態(tài)。流動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)一種紊亂態(tài)。流體各質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。體各質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。液流內(nèi)各股細(xì)流相互更換位液流內(nèi)各股細(xì)流相互更換位置，流體質(zhì)點(diǎn)有軸向和橫向置，流體質(zhì)點(diǎn)有軸向和橫向運(yùn)動(dòng)，互相撞擊產(chǎn)生湍動(dòng)和運(yùn)動(dòng)，互相撞擊產(chǎn)生湍動(dòng)和旋渦，這種流態(tài)叫旋渦，這種流態(tài)叫湍流湍流或稱或稱紊流紊流。層流、湍流示意圖：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(dòng)力粘度。

7、（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(duì)大?。?。ReD對(duì)于在平直的圓管中流動(dòng)的流體： Re2320：流態(tài)屬層流 Re4000：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。o 在生產(chǎn)上常常會(huì)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(duì)于非圓形管道內(nèi)流體的流動(dòng)，必須找到一個(gè)和直徑相當(dāng)?shù)牧縼碛?jì)算Re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(dòng)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HFR1

8、.4.1.3 水力半徑和當(dāng)量直徑 因此，水力半徑反映了管道或設(shè)備的集合因素對(duì)流動(dòng)狀態(tài)，也就是對(duì)阻力大小的影響。 對(duì)于圓形管道， 于是 即圓管直徑為水力半徑的4倍，對(duì)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(duì)流動(dòng)狀況產(chǎn)生相同的影響，對(duì)于圓管De=D。2,4DFD 244HDFDRD對(duì)于長度a、寬度b的矩形截面的管道， 對(duì)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：242()eababDabab22121212()44()eDDDDDDD 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(duì)某些流

9、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(jì)算不屬于這個(gè)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(shí)，流速應(yīng)是 ，而不是 2212()4DD212()4DD2212()4QDD212(/ )()4Qm sDD 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(duì)非圓形管道取當(dāng)量直徑管徑，對(duì)非圓形管道取當(dāng)量直徑de，m； -氣體的動(dòng)壓頭，氣體的動(dòng)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)）。 22llvhd23/N mJ m或212v2/N mo（1）在層流流態(tài)下，摩擦

10、系數(shù)為）在層流流態(tài)下，摩擦系數(shù)為64Re 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(jì)算時(shí)， 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： 0.0350.04； 有銹的金屬管道： 0.045； 磚砌管道： 0.050.06。RenA1.4.3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(shí)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(dòng)受到障礙和干擾而產(chǎn)生的附加阻力叫局部阻力。必須注

11、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。 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： 22Mwhg米流體柱 式中 hM-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(duì)于大多數(shù)管件和閥件，其值要通過試驗(yàn)確定。 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) 573513 壓縮空氣（p4atm） 815 高壓凈煤氣（不預(yù)熱） （預(yù)熱） 81268 低壓凈煤氣（不預(yù)熱） （預(yù)熱） 5835 發(fā)生爐煤氣 13 天然煤氣 2025 氧氣（p100tm

12、） （100tmp18 乙炔 48 二氧化碳 812 泥漿管 0.51.5 收塵管 1820 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(dòng)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(dòng)，則通過管道任意截面的體積流量相等，體積流量方程是：2()2plvhdQvA1.4.5.3 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(gè)相互串聯(lián)在一起的管段所組成，也就是由幾個(gè)簡單的管路串聯(lián)而成的。u 對(duì)于串聯(lián)管路：總能量損失等于各簡單管路能量對(duì)于串聯(lián)管路：總能量損失等于各簡單

13、管路能量損失之和；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。 12122211 122 2112212()()()222nrsppipppnlkijknnnnneeenhhhhhhhlvlvlvddd即121122mmmmnvvnvnQQQQQQQ12121122nvvvvnnnQQQQv Av Av A 若 C，則串聯(lián)管路的計(jì)算與前面所講的簡單管路計(jì)算方法相同。串聯(lián)管路的計(jì)算與前面所講的簡單管路計(jì)算方法相同。 2）并聯(lián)管路）并聯(lián)管路 若幾條簡單管路（或串聯(lián)管路）的入口端與出口端各自連接在一起，就組成了一個(gè)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

14、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+Qnu 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 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(shí)的將燃燒產(chǎn)物排除窯外。為引導(dǎo)窯內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)，常用的裝置有煙囪、噴射器、和風(fēng)機(jī)等。下面主要介紹煙囪。 對(duì)于自然通風(fēng)的窯爐，煙囪的作用是引導(dǎo)窯內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)并將廢氣排出，如圖所示。 煙囪底部的靜壓頭值可通過對(duì)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)

15、分段列柏努利方程。在每一段都取平均溫度進(jìn)行計(jì)算，并以某一段的上部截面為基準(zhǔn)面，同時(shí)由于窯內(nèi)氣體流速不大，忽略了動(dòng)壓頭隨溫度的變化。1.4.6.1煙囪底部所需負(fù)壓的計(jì)算煙囪底部所需負(fù)壓的計(jì)算 2111221 23222332 33433443 444445554 510,0,0,gsgkskpgsgkskpggskskpgsgksgkphhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh、2截面，2、3截面，3、4截面，4、5截面， 15515121 22 33 44 5()()sskkgggpppppphhhhhhhhhhhhh將上述四式相加，并經(jīng)整理得：式中：551512() ()sk

16、kgggphhhhhhhs(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(dòng)壓頭增量、壓頭損靜壓頭的減少是用來克服動(dòng)壓頭增量、壓頭損失以及當(dāng)氣體由上向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，克服熱氣體的失以及當(dāng)氣體由上向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，克服熱氣體的幾何壓頭所消耗的能量（此時(shí)把幾何壓頭也看幾何壓頭所消耗的能量（此時(shí)把幾何壓頭也看作一種阻力）。作一種阻力）。 如果忽略動(dòng)壓頭的變化，則靜壓頭的減少如果忽略動(dòng)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(yùn)動(dòng)、幾何壓頭起推動(dòng)壓頭的增量（氣體向上運(yùn)動(dòng)

17、、幾何壓頭起推動(dòng)力作用、與阻力符號(hào)相反；氣體由上向下運(yùn)動(dòng)，力作用、與阻力符號(hào)相反；氣體由上向下運(yùn)動(dòng)，幾何壓頭起阻力作用，與阻力符號(hào)相同）。幾何壓頭起阻力作用，與阻力符號(hào)相同）。 當(dāng)從窯爐系統(tǒng)的零壓面進(jìn)行計(jì)算時(shí)，當(dāng)從窯爐系統(tǒng)的零壓面進(jìn)行計(jì)算時(shí)，hs1 =0，則公式（則公式（0）可寫成：）可寫成： 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(dòng)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(yùn)動(dòng)。而這個(gè)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(gè)可以由列55、66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，hs

18、60，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，煙囪底部的幾何壓頭hg5除克服沿?zé)焽韪叨鹊膭?dòng)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(yùn)動(dòng)，這就是煙囪工作的基本原理。1.4.6.2 煙囪計(jì)算煙囪計(jì)算 從熱工角度而言，煙囪計(jì)算主要是確定煙囪直徑與高度。從熱工角度而言，煙囪計(jì)算主要是確定煙囪直徑與高度。 煙囪直徑計(jì)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(jì)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； v

19、0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. 004vQdv 對(duì)于自然通風(fēng)的煙囪，適宜的出口速度可取對(duì)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(shí)可取，機(jī)械通風(fēng)時(shí)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(dòng)過程的阻力損失，速度太大，出口直徑小，增加氣體流動(dòng)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。 煙囪高度計(jì)算：根據(jù)公式（煙囪高度計(jì)算：根據(jù)公式（2），煙囪高度可按下式計(jì)算：），煙囪高度可按下式計(jì)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(jì)算，為保證煙囪工作的可靠性，還應(yīng)考慮計(jì)算，為保證煙囪工作的可靠性，