流體流動(dòng)后面部分

1、流體流動(dòng)后面部分1第1頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理2/200一、阻力損失產(chǎn)生的原因及影響因素1.原因摩擦阻力:由黏性流體的內(nèi)摩擦造成形體阻力：由物體前后壓強(qiáng)差引起2.影響因素雷諾數(shù)物體的形狀物體表面的粗糙度第2頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理3/200 二、沿程阻力與沿程損失 黏性流體在管道中流動(dòng)時(shí)，流體與管壁面以及流體之間存在摩擦力，所以沿著流動(dòng)路程，流體流動(dòng)時(shí)總是受到摩擦力的阻滯，這種沿流程的摩擦阻力，稱為沿程阻力。流體流動(dòng)克服沿程阻力而損失的能量，就稱為沿程損失。 （有時(shí)也把流

2、經(jīng)直管的阻力稱為沿程阻力損失） 沿程損失是發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失，它的大小與流過的管道長(zhǎng)度成正比。造成沿程損失的原因是流體的黏性，因而這種損失的大小與流體的流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）有密切關(guān)系。第3頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五 單位重量流體的沿程損失稱為沿程水頭損失，以 表示，單位體積流體的沿程損失，又稱為沿程壓強(qiáng)損失，以 表示 。 在管道流動(dòng)中的沿程損失可用下式求得式中沿程阻力系數(shù)，它與雷諾數(shù)和管壁粗糙度有關(guān)，是一個(gè)無量綱的系數(shù)管道長(zhǎng)度，m； 管道內(nèi)徑，m；管道中有效截面上的平均流速，m/s。范寧（Fanning）公式第4頁，共95頁，2022年，5月20日

3、，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理5/200三、局部阻力與局部損失 在管道系統(tǒng)中通常裝有閥門、彎管、變截面管等局部裝置。流體流經(jīng)這些局部裝置時(shí)流速將重新分布，流體質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)及與局部裝置之間發(fā)生碰撞、產(chǎn)生漩渦，使流體的流動(dòng)受到阻礙，由于這種阻礙是發(fā)生在局部的急變流動(dòng)區(qū)段，所以稱為局部阻力。流體為克服局部阻力所損失的能量，稱為局部損失。 單位重量流體的局部損失稱為局部水頭損失，以 表示，單位體積流體的局部損失，又稱為局部壓強(qiáng)損失，以 表示 。在管道流動(dòng)中局部損失可用下式求得式中 局部阻力系數(shù)是一個(gè)無量綱的系數(shù)，根據(jù)不同的 局部裝置由實(shí)驗(yàn)確定。 第5頁，共95頁，2022年，5月20

4、日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理6/200四、總阻力與總能量損失 在工程實(shí)際中，絕大多數(shù)管道系統(tǒng)是由許多等直管段和一些管道附件連接在一起所組成的，所以在一個(gè)管道系統(tǒng)中，既有沿程損失又有局部損失。我們把沿程阻力和局部阻力二者之和稱為總阻力，沿程損失和局部損失二者之和稱為總能量損失。總能量損失應(yīng)等于各段沿程損失和局部損失的總和，即上述公式稱為能量損失的疊加原理。 第6頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理7/200 五、圓管中層流流動(dòng)的速度分布和阻力損失1.速度分布推導(dǎo)思想（微元思想）即圓管中層流流動(dòng)時(shí)，平均流速為最大流速的一半。

5、工程中應(yīng)用這一特性，可直接從管軸心測(cè)得最大流速?gòu)亩玫焦苤械牧髁?，這種測(cè)量層流的流量的方法是非常簡(jiǎn)便的。速度分布曲線呈拋物線形狀第7頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理8/2002.沿程損失 流體在等直徑圓管中作層流流動(dòng)時(shí)，流體與管壁及流體層與層之間的摩擦，將引起能量損失，這種損失為沿程損失。由此可見，層流時(shí)沿程損失與平均流速的一次方成正比。 由于 ，上式變形得 第8頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理9/200令 為沿程阻力系數(shù)，在層流中僅與雷諾數(shù)有關(guān)。于是得 第9頁，共95頁，2022年，5

6、月20日，1點(diǎn)24分，星期五【例】 圓管直徑 mm，管長(zhǎng) m，輸送運(yùn)動(dòng)黏度 cm2/s的石油，流量 m3/h，求沿程損失。【解】 判別流動(dòng)狀態(tài)為層流 式中 （m/s） （m 油柱） 第10頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五【例】 輸送潤(rùn)滑油的管子直徑 8mm，管長(zhǎng) 15m，如圖所示。油的運(yùn)動(dòng)黏度 m2/s，流量 12cm3/s，求油箱的水頭 （不計(jì)局部損失）。 圖 潤(rùn)滑油管路 （m/s） 雷諾數(shù) 列截面1-1和2-2的伯努利方程為層流第11頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理12/200認(rèn)為油箱面積足夠大，取(m) ，則第

7、12頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理13/200六、圓管中湍流流動(dòng)的速度分布和阻力損失1.速度分布(P78)通常遇到的Re范圍內(nèi)：1/7次方定律第13頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理14/2002.阻力損失分析方法（量綱分析法）或第14頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理15/200穆迪（Moody）圖：以 Re 和 / d 為參數(shù)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中標(biāo)繪測(cè)定的摩擦系數(shù) 值第15頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)

8、大學(xué)本科生課程環(huán)工原理16/200第16頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理17/200第17頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五層流（滯流）區(qū)（Re2000）摩擦系數(shù) 與相對(duì)粗糙度無關(guān)，與 Re 數(shù)的關(guān)系符合解析結(jié)果 層流摩擦阻力與平均流速成正比過渡區(qū)（2000Re4000）由于過渡流常常是不穩(wěn)定的，難于準(zhǔn)確判定其流型，工程應(yīng)用上從可靠的觀點(diǎn)出發(fā)一般按湍流處理。 湍流區(qū)（Re4000） 隨 / d 增加而上升，隨 Re 增加而下降。有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，超過此點(diǎn)后與 Re 無關(guān)。轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下（即圖中虛線以下）粗糙管的曲線可用下式表示

9、 第18頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五對(duì)光滑管，在 Re = 3000 100000 范圍完全湍流區(qū)（阻力平方區(qū)）湍流區(qū)中虛線以上區(qū)域。該區(qū) 與 Re 無關(guān)而只隨管壁粗糙度變化，對(duì)一定的管道而言， 即為常數(shù)。摩擦阻力正比于流體平均動(dòng)能，因此稱為阻力平方區(qū)。 柏拉修斯（Blasius）公式對(duì)光滑管，在 更高Re 范圍柯爾本（Colburn）公式第19頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理20/200層流時(shí)，阻力損失主要由流體內(nèi)摩擦引起，取決于流體的粘度和速度梯度。圓管內(nèi)牛頓流體層流速度梯度在整個(gè)半徑范圍并不因管壁粗糙度的局

10、部影響而發(fā)生明顯改變，所以粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的值無影響。u 第20頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理21/200u EAEB，所以水將由容器 C 流出，與泵聯(lián)合向容器B供水。q第57頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五uC需試差。步驟：初設(shè) uC，算 Re，由 Re 與 /d 按摩擦系數(shù)計(jì)算式試差計(jì)算出一個(gè) 值，將該 值和初設(shè)的 uC 代入比較等式兩邊計(jì)算值，直到滿意的計(jì)算精度。第58頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五 此條件下水在 AB 管段的流速 (2) 要達(dá)到由泵向容器 C 輸水 4.12m3/h

11、，管路系統(tǒng)要求泵提供的軸功率必須增加。由分支管路特點(diǎn)，在水池液面與容器 C 的液面和管路 B 出口處分別列柏努利方程有 第59頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五要完成此輸送任務(wù) AC 分支管路需泵提供的能量 WeC 大于 AB 分支管路的 WeB，泵的軸功率應(yīng)滿足 AC 管路的要求，所以 AB 管路則通過減小該支管上截止閥的開啟度、增加管路阻力，滿足流量分配要求。 由 /dB 和 Re 值查圖得 B=0.035 第60頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理61/200例2 復(fù)雜管路的設(shè)計(jì)型問題舉例 如圖所示，某廠計(jì)劃建一水塔

12、，將20水分別送至第一、第二車間的吸收塔中。第一車間的吸收塔為常壓，第二車間的吸收塔內(nèi)壓力為20kPa（表壓）。總管為573.5mm的鋼管，管長(zhǎng)為（30+z0）m，通向兩吸收塔的支管均為252.5mm的鋼管，管長(zhǎng)分別為28m和15m（以上各管長(zhǎng)均已包括所有局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度在內(nèi)）。噴嘴的阻力損失可以忽略。鋼管的絕對(duì)粗糙度可取為=0.2mm。現(xiàn)要求向第一車間的吸收塔供應(yīng)1800kg/h的水，向第二車間的吸收塔供應(yīng)2400kg/h的水，試確定水塔離地面至少多高才行？已知20C水的黏度 Pas，可用下式計(jì)算： 第61頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五573.5mm（30+z0）

13、252.5mm28m15m20kPa(表)1800kg/h2400kg/h常壓第62頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五解：這是分支管路設(shè)計(jì)型問題，可沿兩分支管路分別計(jì)算所 需的z0，從中選取較大者。 為計(jì)算滿足吸收塔一的供水量水塔應(yīng)處的高度，在0-0面和1-1面間列機(jī)械能衡算方程：總管：573.5mm（30+z0）252.5mm28m15m20kPa(表)1800kg/h2400kg/h常壓第63頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五通向吸收塔一的支路： 573.5mm（30+z0）252.5mm28m15m20kPa(表)1800kg/h2400kg/

14、h常壓將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得：解之得： 第64頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五通向吸收塔二的支路：573.5mm（30+z0）252.5mm28m15m20kPa(表)1800kg/h2400kg/h常壓 再計(jì)算為滿足吸收塔二的供水量，水塔應(yīng)處的高度，為此在0-0面和2-2面間列機(jī)械能衡算方程：第65頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理66/200將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得：解之得： 為了同時(shí)滿足第一、二車間的供水要求，應(yīng)取z0、z0中較大者，即水塔離地面至少13.9m才行。實(shí)際操作時(shí)，第一車間供水量可通過關(guān)小閥門來調(diào)節(jié)。 第66頁，共

15、95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理67/200幾點(diǎn)討論1、簡(jiǎn)單管路閥門關(guān)小當(dāng)閥門關(guān)小時(shí)，其局部阻力增大，將使管路中流量減小上游阻力的減小使下游壓力上升下游阻力的減小使上游壓力下降第67頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理68/200 2、分支管路極端情況：總管阻力可以忽略，支管路阻力為主：u0很小，p0為常數(shù)，關(guān)小A只影響A流量，不影響B(tài)（供水）考察整個(gè)管路，由于阻力增加而使總流量qV0下降，pO上升；在截面0至2間考察, 因 增大，而使qV2下降；在截面0至3間考察， pO的上升， 不變，而使qV

16、3增加。閥門K1關(guān)小第68頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五 2、分支管路極端情況：總管阻力可以忽略，支管路阻力為主：u0很小，p0為常數(shù)，關(guān)小A只影響A流量，不影響B(tài)（供水）OB段流量減少，OA段流量減少，而OC段流量增大；PM變大，PN變小，PR變大閥門K1關(guān)小如何證明？第69頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五 閥門K1關(guān)小，OB段流量減少，OB段管路阻力增加，考察E2-EO,EO增大，考察E1-E0,hf1-o減少，總流量下降PM上升考察EO-E3的關(guān)系EOE3+hfO-3EO增大，E3不變hfO-3增大，OC段流速（量）增大考察ER-E3的關(guān)

17、系ERE3+hfR-3ER=gZ+u2/2+PR/hfR-3（l/d+)u2/2流速增大，hfR-3 比ER中動(dòng)能項(xiàng)增長(zhǎng)快PR增大同上：考察ENE2可得出PN減少。第70頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五3、匯合管路關(guān)小閥門，u3； p0 ，u1，u2 ； u3繼續(xù)減少 首先 u2 = 0，最終可出現(xiàn)反向流動(dòng)。第71頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理72/200證明（1）k1關(guān)小，則V1 減小。 假設(shè)V不變V2、V3不變V變小，故假設(shè)不成立假設(shè)V變大V2、V3變小V變小，故假設(shè)不成立現(xiàn)將支路1上的閥門k1關(guān)小，則下列流動(dòng)

18、參數(shù)將如何變化？(1)總管流量V、支管1、2、3的流量V1、V2、V3；(2)壓力表讀數(shù)pA、pB。例3 復(fù)雜管路的操作型問題分析第72頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理73/200V2、V3變大pA變大、pB變小現(xiàn)將支路1上的閥門k1關(guān)小，則下列流動(dòng)參數(shù)將如何變化？(1)總管流量V、支管1、2、3的流量V1、V2、V3；(2)壓力表讀數(shù)pA、pB。第73頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理74/200第74頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理

19、75/2001.4.3 管網(wǎng)簡(jiǎn)介管網(wǎng)的計(jì)算原則：1管網(wǎng)中任一單根管路都是簡(jiǎn)單管路，其計(jì)算與前述的簡(jiǎn)單管路計(jì)算遵循著同樣的定律。2在管網(wǎng)的每一結(jié)點(diǎn)上，輸入流量與輸出流量相等。3在管網(wǎng)的每一個(gè)封閉的回路上，壓頭損失的代數(shù)和等于零。第75頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理76/2008 流體測(cè)量流速測(cè)量流量測(cè)量流體測(cè)量以伯努利方程為基礎(chǔ)（且不考慮局部阻力損失）變壓頭流量計(jì)：測(cè)速管、孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)等變截面流量計(jì)：轉(zhuǎn)子流量計(jì)第76頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理77/2001、測(cè)速管：又稱

20、皮托（Pitot）管p8.1 變壓頭流量計(jì)第77頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理78/200測(cè)umax平均速度流量平均速度與管中心速度之比隨Re變化的關(guān)系第78頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理79/200第79頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理80/2002孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)Why?書上P100第80頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理81/200測(cè)量原理：第81頁，共95頁，2022年，5

21、月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理82/200第82頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理83/200影響孔流系數(shù)C0的因素： A0/A1、雷諾數(shù)Re1=du1/、取壓位置、孔口的形狀、加工精度。需由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。第83頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理84/200第84頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理85/200優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造和安裝都很方便缺點(diǎn)：機(jī)械能損失（稱之為永久損失）大 安裝時(shí)應(yīng)在其上、下游各有一段直管段作為

22、穩(wěn)定段，上游長(zhǎng)度至少應(yīng)為10d1，下游為5d1 使用注意事項(xiàng)：第85頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理86/2003文丘里（Venturi）流量計(jì)收縮段錐角通常取1525，擴(kuò)大段錐角要取得小些，一般為57（why?P103)是對(duì)孔板流量計(jì)的改進(jìn)第86頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五總結(jié)：變壓頭流量計(jì)的特點(diǎn)是文丘里流量計(jì)的缺點(diǎn)：加工比孔板復(fù)雜，因而造價(jià)高，且安裝時(shí)需占去一定 管長(zhǎng)位置，優(yōu)點(diǎn)：其永久損失小，故尤其適用于低壓氣體的輸送。第87頁，共95頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期五四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理88/2008.2 變截面流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)測(cè)量原理微錐形玻璃管，錐角約為4左右 轉(zhuǎn)子（或稱浮子）,直徑略小于玻璃管的內(nèi)徑；轉(zhuǎn)子密度