化工原理1.5-1.8管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力課件

1、11.5-1.6 1.5-1.6 流體流動(dòng)形態(tài)及阻力計(jì)算流體流動(dòng)形態(tài)及阻力計(jì)算 教學(xué)目的：教學(xué)目的：重重 點(diǎn)：點(diǎn)：了解流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力的原因，掌握流動(dòng)阻力了解流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力的原因，掌握流動(dòng)阻力的計(jì)算，并應(yīng)用于實(shí)際管路中阻力的計(jì)算。的計(jì)算，并應(yīng)用于實(shí)際管路中阻力的計(jì)算。流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)阻力的計(jì)算流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)阻力的計(jì)算2實(shí)際流體的實(shí)際流體的Bernoulli方程方程:fHgpguZHegpguZ2222121122流體流動(dòng)的阻力與流體的性質(zhì)流體流動(dòng)的阻力與流體的性質(zhì)( (如粘度等如粘度等) )、流體流動(dòng)形態(tài)、導(dǎo)、流體流動(dòng)形態(tài)、導(dǎo)管的長度、管徑、壁面情況以及流動(dòng)時(shí)的變動(dòng)狀態(tài)（如縮小、管

2、的長度、管徑、壁面情況以及流動(dòng)時(shí)的變動(dòng)狀態(tài)（如縮小、擴(kuò)張等）有關(guān)。擴(kuò)張等）有關(guān)。阻力阻力hf直管阻力直管阻力(沿程阻力沿程阻力)由于由于內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的能量損失而產(chǎn)生的能量損失局部阻力局部阻力截面驟然變化截面驟然變化流動(dòng)方向改變流動(dòng)方向改變流經(jīng)管件、儀表等流經(jīng)管件、儀表等由于由于局部障礙引起邊局部障礙引起邊界層分離界層分離而造成能量損失而造成能量損失? ?3一、管、管件及閥門簡介一、管、管件及閥門簡介管管:管子鑄鐵管（水管、煤氣管、污水管）鋼管（有縫、無縫）特殊鋼管有色金屬管塑料管橡膠管管子光滑管（玻璃管、銅管、鉛管、塑料管等）粗糙管（舊鋼管、鑄鐵管）管壁的相對(duì)粗糙度管壁的相對(duì)粗糙度d

3、e/4管件：管件：彎管（彎頭）大小頭沖壓彎管與管的連接部分，它主要是用來改變管道管與管的連接部分，它主要是用來改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。5管件管件承插管件法蘭法蘭封頭6閥門閥門:安裝于管道中用以切斷或調(diào)節(jié)流量。安裝于管道中用以切斷或調(diào)節(jié)流量。球閥截止閥閘閥止逆閥7（1）雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn) 1883年, 英國物理學(xué)家Osbone Reynolds作了如下實(shí)驗(yàn)。二二 流體流動(dòng)的形態(tài)流體流動(dòng)的形態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置雷諾實(shí)驗(yàn)裝置8（2）雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：滯流滯流（層流）、湍流（紊流）。層流）、湍流（紊流）。用紅墨水觀察管中水

4、的流動(dòng)狀態(tài)(a)層流(b)過渡流(c)湍流9二二 流體流動(dòng)的形態(tài)流體流動(dòng)的形態(tài)滯流滯流(laminar flow):也稱為層流，也稱為層流，流體的質(zhì)點(diǎn)作一層滑過流體的質(zhì)點(diǎn)作一層滑過一層的位移，層與層之間沒有明顯的干擾。各層間分子只因一層的位移，層與層之間沒有明顯的干擾。各層間分子只因擴(kuò)散而轉(zhuǎn)移。擴(kuò)散而轉(zhuǎn)移。流體的流速沿?cái)嗝姘磼佄锞€分布；流體的流速沿?cái)嗝姘磼佄锞€分布；管中流體的管中流體的平均流速為最大流速的平均流速為最大流速的1/21/2。Re2000uumaxd層流時(shí)流體在圓管中的速度分布10湍流湍流(turbulent flow):流體在流動(dòng)時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)有劇烈的流體的質(zhì)點(diǎn)有劇烈的騷擾渦動(dòng)，

5、只是靠近管壁處還保留滯流的形態(tài)騷擾渦動(dòng)，只是靠近管壁處還保留滯流的形態(tài)。接近管中央相當(dāng)大范圍內(nèi)的流體流速接近于最大流速。管內(nèi)流體的平均管內(nèi)流體的平均流速為管中央最大流速的流速為管中央最大流速的0.80.8左右左右。Re4 000umaxururRd湍流時(shí)流體在圓管中的速度分布11流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)雷諾數(shù)雷諾數(shù)（Reynolds number）duRe雷諾數(shù)：雷諾數(shù)：2000Re 滯流滯流4000Re 湍流湍流4000Re2000過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)2000Re 滯流轉(zhuǎn)變的臨界值滯流轉(zhuǎn)變的臨界值相應(yīng)的流速稱為相應(yīng)的流速稱為臨界流速臨界流速NOTENOTE：工業(yè)上輸送流體時(shí)大多數(shù)是以湍流形態(tài)

6、湍流形態(tài)進(jìn)行的。12當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑(equivalent diameter)流體潤濕的周邊流體流過的截面積 4de對(duì)于非圓形導(dǎo)管，計(jì)算Re時(shí)，應(yīng)以當(dāng)量直徑de代替特征數(shù)中的直徑d：例：直徑d1的外套管與直徑d2的內(nèi)套管所形成的環(huán)行通道的 當(dāng)量直徑為：21212221)(4/ )(4ddddddde13三三 邊界層及邊界層分離邊界層及邊界層分離（boundary layer）邊界層：邊界層：流體的流速低于未受壁面影響的流速的99%的區(qū)域。主流區(qū)：主流區(qū)：在邊界層以外，速度梯度接近為零的區(qū)域。邊邊 界界 層層邊邊 界界 層層邊邊 界界 層層邊邊 界界 層層主主 流流 區(qū)區(qū)主主 流流 區(qū)區(qū)滯流滯流

7、湍流湍流14圖1-25 湍流流動(dòng)NOTENOTE：滯流內(nèi)層的厚度雖然不大，但粘附在壁面，成為傳熱和傳 質(zhì)的主要阻力；Re值越大，滯流內(nèi)層厚度越小，傳遞過程 的阻力隨之減小。15邊界層的形成與發(fā)展邊界層的形成與發(fā)展從管口到形成邊界層所經(jīng)歷的管長稱為從管口到形成邊界層所經(jīng)歷的管長稱為穩(wěn)定段長度穩(wěn)定段長度，此長度，此長度與管的與管的形狀、管壁粗糙程度及雷諾數(shù)形狀、管壁粗糙程度及雷諾數(shù)等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。16邊界層分離邊界層分離BupuNOTENOTE：邊界層分離會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)阻力的增大。邊界層分離會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)阻力的增大。流體流經(jīng)管件、閥門、管束或異形壁面時(shí)，也會(huì)發(fā)生邊界層分離。流體流經(jīng)管件、閥

8、門、管束或異形壁面時(shí)，也會(huì)發(fā)生邊界層分離。邊界層分離的必要條件：粘性和逆壓梯度邊界層分離的必要條件：粘性和逆壓梯度17改變物體表面的形狀，如汽車、飛機(jī)都是流線型減小或避免邊界層分離的措施減小或避免邊界層分離的措施18阻力阻力 hf直管阻力直管阻力(沿程阻力沿程阻力) hf局部阻力局部阻力 hl 四四 流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻力計(jì)算流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻力計(jì)算 lffhhh19在定態(tài)下不可壓縮流體在等徑水平直管內(nèi)流過。管的上下游各設(shè)一測(cè)壓口，在測(cè)壓口所在的1、2兩截面間列機(jī)械能衡算方程，可得12fppph ffph管流阻力也常用所引起的壓力降來表示，定義為單位體積流體流動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能損失： 32J

9、/m = N/m特別強(qiáng)調(diào)，與伯努利方程中兩截面的壓力差是兩個(gè)截然不同的概念。 管流阻力的表示方法 滯流時(shí)的摩擦阻力滯流時(shí)的摩擦阻力主要是流體的內(nèi)摩擦力服從牛頓粘性定律：服從牛頓粘性定律：dyduAFdyduAFdrdurl2drdurlrp22Ruldurdrp00max2Rduu2,2max)(2Re64/3222Paudldlup)/(2Re642kgJudlhf或2222uudl阻力系數(shù)摩擦阻力系數(shù);1 1 直管阻力的計(jì)算直管阻力的計(jì)算21湍流時(shí)的流動(dòng)阻力湍流時(shí)的流動(dòng)阻力)/(22kgJudlhf)(22Paudlpl/d幾何相似數(shù)；幾何相似數(shù)； 摩擦阻力系數(shù)，是摩擦阻力系數(shù)，是Re，e

10、/d的函數(shù)。的函數(shù)。Fanning公式公式gu22管壁的相對(duì)粗糙度管壁的相對(duì)粗糙度:de/ 管的粗糙度，管的粗糙度，mm22查表：查表： 摩擦阻力系數(shù)摩擦阻力系數(shù)23摩擦阻力系數(shù)摩擦阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：對(duì)光滑管：對(duì)光滑管：53101103Re當(dāng)柏拉相修斯（柏拉相修斯（BlasiusBlasius）公式公式25. 0Re3164. 08.175.1up 83101103Re當(dāng)2)5 . 1Relg8 . 1 (柯納柯夫（柯納柯夫（KypnaKypnaKOBKOB）公式公式粗糙管：粗糙管：,10Re5當(dāng)接近一常數(shù),其值主要取決于管壁的粗糙度。2)lg214. 1(尼庫拉則尼庫拉則(

11、 (NokuradseNokuradse) )公式公式用用沿程阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù)表示阻力計(jì)算公式表示阻力計(jì)算公式:gudlfHf2422 . 0Re046. 04f柯爾本柯爾本( (Colburn)Colburn)公式公式242 2 局部阻力局部阻力22ulh當(dāng)流體在管道系統(tǒng)中流經(jīng)各種管件、閥門、接頭、改變方向，當(dāng)流體在管道系統(tǒng)中流經(jīng)各種管件、閥門、接頭、改變方向，導(dǎo)管截面積驟然變化時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生擾動(dòng)而形成渦流，產(chǎn)生導(dǎo)管截面積驟然變化時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生擾動(dòng)而形成渦流，產(chǎn)生摩擦阻力，這類阻力稱為摩擦阻力，這類阻力稱為局部阻力局部阻力。局部阻力的計(jì)算：局部阻力的計(jì)算：當(dāng)量長度法當(dāng)量長度法:將局部

12、阻力的壓頭損失折算成相應(yīng)長度的管子將局部阻力的壓頭損失折算成相應(yīng)長度的管子所造成的壓頭損失，再并入總管長度來計(jì)算。此相應(yīng)的管子長所造成的壓頭損失，再并入總管長度來計(jì)算。此相應(yīng)的管子長度稱為度稱為當(dāng)量長度當(dāng)量長度 l le e。局部阻力局部阻力阻力系數(shù)法阻力系數(shù)法: :22udlhel25管管件件與與閥閥門門的的當(dāng)當(dāng)量量長長度度共共線線圖圖。26例例1-20:用泵將25oC的甲苯液體從地面儲(chǔ)罐輸送至高位槽，體積流量510-3m3/s，已知泵吸入管89mm4mm的無縫鋼管，直管部分總長為5m，管路上裝有一個(gè)底閥（旋啟式止回閥全開），一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭；泵排除管57mm3.5mm的無縫鋼管，直管部分總長為

13、30m，管路上裝有一個(gè)全開的閘閥，一個(gè)全開的截至閥，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭。高位槽高出儲(chǔ)罐液面10m，泵的效率70%，求泵的軸功率。fhpugHWepugH2222121122271.7 1.7 流體輸送管路的計(jì)算流體輸送管路的計(jì)算復(fù)雜管路復(fù)雜管路簡單管路簡單管路28一、簡單管路一、簡單管路特點(diǎn)特點(diǎn)：管徑相同，無分支的管路， 定態(tài)時(shí)，流速恒定、流量恒定。簡單管路系統(tǒng)特性分析：簡單管路系統(tǒng)特性分析：4321VVVVVqqqqq阻力損失： 質(zhì)量流量：體積流量：(不可壓縮流體)12344321mmmmmqqqqqHf1-4=Hf1-2+Hf2-3+Hf3-42()2eflluHdg 2()2fluHdg 或2

14、9 (1)1) 串聯(lián)管路串聯(lián)管路 特點(diǎn)：特點(diǎn)：管徑不同，但無分支； 穩(wěn)態(tài)時(shí)，不同管段流速不同； 系統(tǒng)阻力計(jì)算，需分段計(jì)算，再加和。二、復(fù)雜管路的計(jì)算二、復(fù)雜管路的計(jì)算（2）并聯(lián)管路：）并聯(lián)管路：在主管某處分為幾支，然后又匯合成一主管路。在主管某處分為幾支，然后又匯合成一主管路。主管中的質(zhì)量流量等于并聯(lián)的各支管質(zhì)量流量之和，主管中的質(zhì)量流量等于并聯(lián)的各支管質(zhì)量流量之和，qm=qm1+qm2+qm3123單位質(zhì)量流體通過各支管的能量損失均相等，單位質(zhì)量流體通過各支管的能量損失均相等，Hf1=Hf2=Hf3=HfAB并聯(lián)管路并聯(lián)管路復(fù)雜管路的計(jì)算復(fù)雜管路的計(jì)算AB注意注意：并聯(lián)管路，各支路阻力相等。

15、并聯(lián)段，只能計(jì)入一個(gè)支路的阻并聯(lián)管路，各支路阻力相等。并聯(lián)段，只能計(jì)入一個(gè)支路的阻力損失。力損失。ffffhhhh.32112222fBBBAAAHgpguHgpguH222fBBBHgpguH復(fù)雜管路的計(jì)算復(fù)雜管路的計(jì)算（3）分支管路：）分支管路：主主管處有分支，但最終管處有分支，但最終不再匯合的管路。不再匯合的管路。 主管中的質(zhì)量流量等于并聯(lián)的各支管質(zhì)量流量之和主管中的質(zhì)量流量等于并聯(lián)的各支管質(zhì)量流量之和: qm=qm1+qm2 各分支管路流動(dòng)終了時(shí)，總機(jī)械能與該管路中總摩擦阻力之各分支管路流動(dòng)終了時(shí)，總機(jī)械能與該管路中總摩擦阻力之 和為常數(shù)。和為常數(shù)。22222112110200222f

16、fHgpguHHgpguHgpguH機(jī)械能衡算式機(jī)械能衡算式: 總管支管1232例例 題題例2-18 高位水槽引出內(nèi)徑40mm的出水管至B處，此管道連同局部阻力管長為100m。在B出分出內(nèi)徑均為25mm的、水平平行的C和D兩管，C管連同局部阻力管長為20m，D管為40m。管內(nèi)水流動(dòng)的摩擦阻力系數(shù)可取0.03。求(1)C管單獨(dú)全開時(shí)的流量；(2)C管和D管都全開時(shí)各自的流量。(可忽略動(dòng)壓頭的變化)地面7m1mABCDACCCCAAAHfgpguHHegpguH2222解：解：(1)C管單獨(dú)全開時(shí)管單獨(dú)全開時(shí): gdulgdulcccc22172020,01383. 1smuccmm 0,020c

17、ccudud （）2220.581.221.8cccuuu33例例 題題地面7m1mABCDACCCCAAAHfgpguHHegpguH2222解：解：(2)C管和管和D管都全開時(shí)管都全開時(shí):gdulgdulcccc22172020,0DDccAuAuAu00DCuuu39. 039. 00ADDDDAAAHfgpguHHegpguH2222gdulgdulDDDc22172020,0DCuu ,341.8 流體流速與流量的測(cè)量流體流速與流量的測(cè)量35皮托管皮托管（PitotPitot tube tube）測(cè)速管測(cè)速管內(nèi)管內(nèi)管所測(cè)得的是靜壓能和動(dòng)壓能之和，合稱所測(cè)得的是靜壓能和動(dòng)壓能之和，合稱

18、沖壓能沖壓能( (impact impact pressure energypressure energy) )外管外管壁上的測(cè)壓小孔與流體流動(dòng)方向平行，所以外管測(cè)得的是流壁上的測(cè)壓小孔與流體流動(dòng)方向平行，所以外管測(cè)得的是流體體靜壓能靜壓能。2)2(21121112upupppp)(221iRgpu測(cè)速管實(shí)際測(cè)得的是流體在管截面某處的點(diǎn)速度，因此利用測(cè)速管測(cè)速管實(shí)際測(cè)得的是流體在管截面某處的點(diǎn)速度，因此利用測(cè)速管可以測(cè)得流體在管內(nèi)的速度分布?？梢詼y(cè)得流體在管內(nèi)的速度分布。 36pp0P R孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)（ori fice meter）u0u工作原理工作原理：根據(jù)：根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原流體動(dòng)力

19、學(xué)原理（柏努利方程理（柏努利方程），流體通過流體通過孔口時(shí)，因截面積驟然縮小，孔口時(shí)，因截面積驟然縮小，流體流速隨之增大；因流體動(dòng)流體流速隨之增大；因流體動(dòng)壓頭增大，其靜壓頭驟然縮小。壓頭增大，其靜壓頭驟然縮小。利用利用U型管壓強(qiáng)計(jì)測(cè)出孔板前型管壓強(qiáng)計(jì)測(cè)出孔板前后的壓強(qiáng)差。后的壓強(qiáng)差。37Ru0uZgp0Z220uu )(20gpgpg0pp Rgi)(SSuu00gu22gu220gp0)(1)(2200SSRgui* * 實(shí)際流體流動(dòng)的阻力損失，孔板處突然收縮造成的擾動(dòng)以及孔板與導(dǎo)管間裝配可能有誤差，這些影響因素歸納為孔板流量系數(shù)C C0 0( (一般為一般為0.61-0.63)0.61-0.63)Rgcui)(200NOTE:NOTE: 孔板流量計(jì)有相當(dāng)大的壓頭損失孔板流量計(jì)有相當(dāng)大的壓頭損失. .38文氏流量計(jì)文氏流量計(jì)（Venturi tube）RRgcuiV)(20u0NOTE: NOTE: 壓頭損失減少到只有壓頭損失減少到只有 讀數(shù)的讀數(shù)的10%或更少或更少