沿程能量損失和局部能量損失

1、第三章 流動阻力與能量損失 本章知識預(yù)告：沿程阻力，沿程能量損失； 局部阻力，局部能量損失。流態(tài)：層流，紊流。層流沿程損失及其阻力系數(shù)計算； 紊流沿程損失及其阻力系數(shù)確定。局部損失計算。減小阻力的措施。第一節(jié) 流動阻力與能量損失的兩種形式一、流動阻力和能量損失的分類根據(jù)流動的邊界條件，能量損失分：沿程能量損失和局部能量損失沿程阻力及沿程能量損失沿程阻力當(dāng)束縛流體流動的固體邊壁沿程不變,流動為均勻流時,流層與流層之間或質(zhì)點之間只存在沿程不變的切應(yīng)力，稱為沿程阻力。沿程能量損失沿程阻力作功引起的能量損失稱之這沿程能量損失。特點：沿管路長度均勻分布，即沿程水頭損失hf l。沿程水頭損失局部阻力及局部

2、能量損失局部阻力當(dāng)流體流經(jīng)固體邊界突然變化處，由于固體邊界的突然變化造成過流斷面上流速分布的急劇變化（產(chǎn)生旋渦），從而在較短范圍內(nèi)集中產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力。局部能量損失由于局部阻力作功引起的能量損失稱之為局部能量損失。 局部水頭損失，以hj表示。 見圖3-1。局部水頭損失整個管路的沿程水頭損失等于各管段的沿程水頭損失之和。即整個管路的局部水頭損失等于各管件的局部水頭損失之和。即整個管路的能量損失等于各管段的沿程損失和各局部損失的總和。即二、能量損失的計算公式長期工程經(jīng)驗總結(jié)液體：沿程水頭損失（達西公式）： 沿程阻力系數(shù)；管道長度；d管道直徑；v平均流速局部水頭損失： 氣體：沿程壓強損失： 局

3、部壓強損失：核心問題： 和 的計算。第二節(jié) 兩種流態(tài)與雷諾數(shù)一、雷諾試驗見視頻。雷諾發(fā)明兩種流動狀態(tài)，沿程損失與流態(tài)密切相關(guān)。層流各流層的流體質(zhì)點互不混雜的流動型態(tài)。紊流各流體質(zhì)點的瞬時速度大小方向隨時間而變，各流層質(zhì)點互相摻混的流動型態(tài)。層流與紊流的轉(zhuǎn)變層流紊流有過渡區(qū)（不穩(wěn)定區(qū)），實用上把下臨界流速vk作為流態(tài)轉(zhuǎn)變速度。不穩(wěn)定區(qū)紊流區(qū)層流區(qū)二、沿程水頭損失與流態(tài)的關(guān)系層流區(qū)：紊流區(qū)：不穩(wěn)定區(qū)：關(guān)系不穩(wěn)定。三、流動型態(tài)的判斷標準雷諾數(shù)： 雷諾等人進一步實驗表明：流態(tài)不僅和流速v有關(guān)， 還和管徑d、流體的動力粘度和密度有關(guān)。 以上四個參數(shù)組合成一個無因次數(shù)，叫雷諾數(shù)，用Re表示。有壓圓管流態(tài)判

4、據(jù)： Re2000，層流 Re 2000，紊流 適用于任何管徑和任何牛頓流體。無壓流和非圓管有壓流動的流態(tài)判據(jù)： 用水力半徑代替圓形管的直徑d時，Rek=500； 用當(dāng)量直徑de計算時， Rek=2000。第三節(jié) 均勻流的基本方程式本節(jié)探討均勻流條件下，沿程損失與沿程阻力之間的關(guān)系。均勻流：過流斷面的形狀和大小沿流程不變，而且過流斷面的流量、流速分布也沿程不變的流動。均勻流性質(zhì)：不存在慣性力，流線相互平行。斷面上，能量損失只有沿程損失，而且各各單位長度上的沿程損失都是相等的。第四節(jié) 圓管中層流運動的沿程阻力計算由 和 求出函數(shù)J=f(u)，再求出J=f(v)的表達式。結(jié)果為上式整理變化成：對比

5、達西公式 ，可知：上式說明：圓管層流沿程阻力系數(shù)只與Re有關(guān)，與管壁粗糙度無關(guān)。第五節(jié) 圓管中的紊流運動討論管中紊流運動的基本特征及沿程損失規(guī)律.一、紊流脈動與時均化脈動現(xiàn)象如圖3-7。相互摻混，互相碰撞。在紊流中，某流體質(zhì)點的瞬時速度和壓強始終圍繞某一平均值而上下波動的現(xiàn)象脈動現(xiàn)象。時均化紊流運動要素圍繞它上下波動的平均值稱為時均值。時均速度的定義：瞬時速度二、紊流阻力由兩部分組成：流體各層因時均流速不同而存在相對運動，故流層間產(chǎn)生因粘滯性所引起的摩擦阻力。 粘性切應(yīng)力1按牛頓內(nèi)摩擦定律計算。由于脈動現(xiàn)象，流層間質(zhì)點的動量交換形成的紊流附加切應(yīng)力2。 其大小由普朗特的混合長度理論計算。見式(

6、3-21)。Re較小時，1為主要；Re足夠大時,2為主要。三、紊流的速度分布Re， 。層流邊界層厚度對紊流沿程損失很有影響。見圖3-9。當(dāng)時，水力光滑。粗糙度對能量損失不產(chǎn)生影響。當(dāng)時，水力粗糙。影響能量損失，Re不影響。如圖3-8。第六節(jié) 紊流沿程阻力系數(shù)沿程水頭損失計算：層流：對于紊流的通常用以下兩種途徑來確定：用理論和試驗相結(jié)合的方法，以紊流的半經(jīng)驗理論為基礎(chǔ)，整理成半經(jīng)驗公式；直接根據(jù)實驗資料綜合成阻力系數(shù)的純經(jīng)驗公式。大量實驗說明：紊流主要取決于Re和管道相對粗糙度/d這兩個因素。一、尼古拉茲實驗管壁粘貼不同粒徑均勻砂粒形成人工粗糙的六種管徑中進行。尼古拉茲實驗曲線尼古拉茲實驗所揭示

7、的沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律如下：.層流區(qū)，Re2000(lgRe4000(lgRe3.6)，=f3(Re).紊流過渡區(qū)，f4(Re,/d).紊流粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)）,f5(/d)尼古拉茲實驗的重要意義在于：比較完整的反映了沿程阻力系統(tǒng)的變化規(guī)律，找出了影響值變化的主要因素，提出了紊流阻力分區(qū)的概念。二、莫迪圖當(dāng)量粗糙度 工業(yè)管道的實際粗糙與尼古拉茲的人工均勻粗糙有較大差異。于是引入“當(dāng)量粗糙度”。當(dāng)量粗糙度和實際管道在紊流粗糙區(qū)值相等的同直徑尼古拉茲人工粗糙管的粗糙度。部分常用工業(yè)管道的當(dāng)量粗糙度值見表3-1.莫迪圖柯列勃洛克發(fā)現(xiàn)，尼古拉茲過渡區(qū)的實驗資料對工業(yè)管道不適用，從而提出柯列勃洛克公式

8、：上式適用于工業(yè)管道紊流流態(tài)的三個阻力區(qū)。莫迪圖：1944年莫迪以式(3-25)為基礎(chǔ)，繪制了工業(yè)管道的阻力系數(shù)變化曲線圖，即莫迪圖。在圖上，（R，/d）莫迪圖三、紊流沿程阻力系數(shù)的計算公式紊流還可以用以下公式計算來確定：紊流光滑區(qū)布拉修斯公式適用于Re105。尼古拉茲光滑管公式適用于Re106。適用于硬聚乙烯給水管道的計算公式適用于流速3m/s的塑料管、玻璃管和一些非碳鋼類的金屬管。紊流過渡區(qū)莫迪公式柯氏公式的近似公式。阿里特蘇里公式主要用于熱水采暖管道在給水管道中適用于舊鋼管、舊鑄鐵管的舍維列夫公式：適用于v1.2m/s時(紊流過渡區(qū))。紊流粗糙管區(qū)適用于舊鋼管和舊鑄鐵管的舍維列夫公式v1

9、.2m/s時：希弗林松公式第七節(jié) 非圓管流的沿程損失通過水力半徑和當(dāng)量直徑的概念，非圓管圓管。 一、水力半徑管道對hf的影響因素： 基本上反映過流斷面大小、形狀對沿程損失綜合影響的物理量。圓管的水力半徑：邊長為a和b的矩形管水力半徑：邊長為a的正方形管水力半徑：折算兩個水力要素粗糙度 過流斷面面積濕周 二、當(dāng)量直徑非圓管的水力半徑和圓管的水力半徑相等時，圓管的直徑稱為非圓管的當(dāng)量直徑。即矩形管的當(dāng)量直徑：正方形管的當(dāng)量直徑：非圓管的沿程損失計算公式：非圓管的雷諾數(shù)：必須指出，應(yīng)用當(dāng)量直徑計算非圓管的能量損失，并不適用于所有情況。這表現(xiàn)在兩方面：實驗證明，對矩形、方形、三角形斷面，使用當(dāng)量直徑原

10、理，所獲得的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果和圓管是很接近的，但長縫形和星形斷面差別較大。用當(dāng)量直徑來計算非圓管能量損失只能適用于紊流流態(tài)，而不適用于層流。第八節(jié) 局部損失的計算與減阻措施一、局部損失產(chǎn)生的原因主要討論紊流的局部損失。以下兩個方面有的原因：旋渦區(qū)。見圖3-12。流速分布的迅速重新改組和流體質(zhì)點的劇烈變形，致使粘性阻力和慣性阻力增大。主要因素二、局部能量損失的計算阻力系數(shù)法各種類型局部水頭損失通用計算公式：對于氣體管路：圓管突然擴大的局部損失經(jīng)推導(dǎo)得：常用各種管件的局部阻力系數(shù)值見表。查得的值必須與表中所指的斷面平均流速相對應(yīng)，凡未標明者，均應(yīng)采用局部管件以后的流速。當(dāng)量長度法為了便于管路計算，常將

11、流體流過某管件或閥門時的局部阻力折算成同樣流體流過具有相同直徑，長度為le的直管阻力，這個直管長度le稱為該管件或閥門的當(dāng)量長度。此時的局部阻力所造成的能量損失計算公式可仿照直管阻力計算式寫出，即d內(nèi)徑。le管徑或閥門的當(dāng)量長度。le=Ad.A折算系數(shù)或當(dāng)量長度系數(shù)。其獲得方法是查閱有關(guān)參考資料。三、局部阻力之間的相互干擾以上給出的值，是在局部阻礙前后都有足夠長的直管段的條件下得到的。如果局部阻礙之間相距很近，流出前一個局部阻礙的流動，在流速分布和紊流脈動還未達到正常均勻流之前又流入后一個局部阻礙。這樣相互干擾的結(jié)果，局部損失可能出現(xiàn)大幅度的增大或減小，變化幅度約為所有單個正常局部損失總和的0

12、.53倍。如果局部阻礙之間的直管段長度大于3d，干擾的結(jié)果將使總的局部損失小于按正常條件下算出的各局部損失的疊加。四、減小阻力的措施減小沿程阻力的途徑 減小管長。 適當(dāng)加大管徑d。 減小管壁的粗糙度。噴涂工藝、塑料管、玻璃鋼管、鋁塑管等。 用柔性邊壁代替剛性邊壁。 流體中加入少量添加劑，實現(xiàn)減阻。添加劑大致有三類：高分子聚合物、金屬皂及懸浮物。減小局部阻力的途徑在裝置系統(tǒng)允許的情況下，盡量少設(shè)置彎頭、閥門等局部管件，以減小整個系統(tǒng)的值。在裝置系統(tǒng)必須采用局部阻礙的情況下，可從改善邊壁形狀入手，避免旋渦區(qū)的產(chǎn)生或減小旋渦區(qū)的大小和強度，實現(xiàn)減阻。管道進口：如圖3-15。漸擴管和突擴管：如圖3-16。彎管：見表3-3。彎曲半徑最好在(14)d的范圍內(nèi)。安裝導(dǎo)流葉片。三通：配件之間的合理銜接各局部阻礙之間的距離應(yīng)大于管徑的三倍。先擴后彎。先彎后擴。附面層的概念一、附面層厚度：實際上邊界層內(nèi)、外區(qū)域并沒有明顯的分界面，一般將壁面流速為零與流速達到來流速度的99處之間的距離定義為邊界層厚度。緊貼壁面非常薄的一層，該薄層內(nèi)速度梯度很大，這一薄層稱為附面層（邊界層）。三、邊界層