流體流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算

流體流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算問(wèn)題在能量方程（伯努利方程）中，如何計(jì)算能量損失項(xiàng)hL？流體流動(dòng)中的能量損失到哪里去了？造成能量損失的根本原因是什么？能量損失的表示方法及其適用的流體對(duì)象如何？第一節(jié)流動(dòng)阻力與能量損失的兩種形式依據(jù)：流動(dòng)邊界是否沿程變化兩種形式：沿程損失hf；局部損失hm1122hf121122hm12一、沿程阻力與沿程損失1.沿程阻力過(guò)流斷面的大小、形狀和方位沿流程不變；即流動(dòng)是均勻流動(dòng)；均勻流中的阻力只有沿程不變的切應(yīng)力，稱為沿程阻力；該沿程阻力作功而引起的能量損失，稱為沿程損失，用hf表示。特點(diǎn)：沿程損失與管長(zhǎng)成正比，與管徑成反比。沿程阻力(切應(yīng)力)與沿程損失的關(guān)系演示二、局部阻力與局部損失2.局部阻力過(guò)流斷面大小和形狀發(fā)生急劇變化；是非均勻流；各處所形成的阻力都集中在很短的流段內(nèi)，這種阻力稱為局部阻力；由局部阻力引起的能量損失稱為局部損失，用hm表示。特點(diǎn)：(局部阻力實(shí)驗(yàn)1\2)局部損失與管長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只與局部管件形式有關(guān)。三、能量損失的計(jì)算公式總的能量損失=沿程損失+局部損失注意公式中各字母或符號(hào)所表示的含義！第二節(jié)兩種流態(tài)與雷諾數(shù)一、流態(tài)實(shí)驗(yàn)（雷諾Reynolds實(shí)驗(yàn)）雷諾實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫示意圖層流(1\2)與紊流(1\2\3\4\5\6)層流與紊流的特點(diǎn)；上、下臨界流速與流態(tài)的關(guān)系；實(shí)際的層流與紊流。流態(tài)演示實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)1\2\3\4流態(tài)實(shí)驗(yàn)演示下臨界雷諾數(shù),臨界雷諾數(shù)量測(cè)實(shí)驗(yàn)演示過(guò)渡流流動(dòng)形態(tài)1\2圓管內(nèi)層流流動(dòng)速度分布1\2圓管內(nèi)湍流流動(dòng)速度分布二、流動(dòng)形態(tài)與沿程損失的關(guān)系層流時(shí)，hf與v成一次方正比關(guān)系；紊流時(shí)：紊流初始段，hf與v的1.75次方成正比；充分發(fā)展的紊流段，hf與v的平方成正比，該區(qū)間稱為阻力平方區(qū)。過(guò)渡區(qū)：hf隨v劇烈變化（大于2次方）流動(dòng)形態(tài)與沿程損失的關(guān)系曲線三、雷諾數(shù)（Reynoldsnumber）是判別流動(dòng)流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)；無(wú)因次數(shù)；慣性力/粘滯力2000是針對(duì)圓管的，非圓管則應(yīng)區(qū)別對(duì)待！例題與練習(xí)（Examples&Exercises)例4-1例4-2例4-3練習(xí)：4-1，4-2第三節(jié)圓管均勻流及其沿程損失均勻流只有沿程損失，沒(méi)有局部損失；列能量方程；濕周與水力半徑；水力坡度（不要求）。第四節(jié)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)管壁處流速為0，管軸處流速最大；流速分布為以管中心為軸的旋轉(zhuǎn)拋物面；平均流速=1/2Umax；在應(yīng)用能量方程時(shí)，不能假設(shè)動(dòng)能修正系數(shù)

=1（而是=2）；沿程損失與平均流速的一次方成正比；圓管層流沿程阻力系數(shù)=64/Re即與管壁粗糙無(wú)關(guān)。動(dòng)畫演示層流流速分布第五節(jié)圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)實(shí)際工程中的絕大多數(shù)流動(dòng)是紊流紊流脈動(dòng)與時(shí)均流速（略提）紊流的基本特征：流動(dòng)參數(shù)的脈動(dòng)現(xiàn)象紊流核心與層流底層（與Re的關(guān)系）紊流的流速分布：層流底層：按拋物線規(guī)律分布（近似直線）紊流核心：對(duì)數(shù)曲線規(guī)律分布最大流速在管軸上，斷面均速與最大流速接近層/紊流流速分布比較第六節(jié)紊流沿程阻力系數(shù)一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)壁面粗糙、絕對(duì)粗糙度與相對(duì)粗糙度；尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線五個(gè)區(qū)域及其特點(diǎn)沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律層流底層水力光滑管與水力粗糙管二、莫迪實(shí)驗(yàn)?zāi)蠄D及其應(yīng)用（查圖）三、紊流沿程阻力系數(shù)的計(jì)算公式（略提）計(jì)算步驟1、求Re，判斷流態(tài);2、判斷所屬流區(qū)；3、求沿程阻力系數(shù)（也可通過(guò)查圖求得，從而可省去第2步）；4、求能量損失例題第七節(jié)非圓管流的沿程損失工程中有一些非圓管流動(dòng)，如風(fēng)管等；將非圓管折合成圓管；折算方法：水力半徑，當(dāng)量直徑；水力半徑=過(guò)流斷面積/濕周（是反映過(guò)流斷面大小、形狀對(duì)沿程損失綜合影響的物理量）；當(dāng)量直徑的概念（注意：水力半徑與圓管的水力半徑相等）；當(dāng)量直徑為水力半徑的4倍（幾種典型斷面）；應(yīng)用當(dāng)量直徑注意事項(xiàng)（層流與特殊形狀斷面不適用）。例題；哪種過(guò)流斷面損失最小？第八節(jié)管流的局部損失局部阻力件：閥門、彎管1/2、接頭件等；局部損失：集中產(chǎn)生的能量損失；突然擴(kuò)大的局部損失（應(yīng)用能量方程解決）：突然擴(kuò)大的局部損失=以平均流速差計(jì)算的流速水頭，即局部阻力系數(shù)的計(jì)算（注意與流速相對(duì)應(yīng)！）管流的局部阻力系數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式確定，用流速水頭的倍數(shù)表示；計(jì)算局部損失時(shí)無(wú)需判斷流態(tài)（為什么？）；局部障礙的三種基本形式：過(guò)流斷面的擴(kuò)大或縮??；流向改變；流量的合入或分出。以上三類的局部阻力系數(shù)計(jì)算式或表（除指明外，均對(duì)應(yīng)局阻件后的流速）。幾個(gè)局部阻力件連在一起（或很近），其總損失不能簡(jiǎn)單將各局部損失相加；如果間距大于3倍管徑，則可相加（偏安全）。突擴(kuò)和突縮管內(nèi)的流動(dòng)阻力演示實(shí)驗(yàn)沿程阻力實(shí)驗(yàn)突然擴(kuò)大管的壓力分布漸擴(kuò)局部水頭損失量測(cè)實(shí)驗(yàn)演示1\2\3例題與練習(xí)第九節(jié)減少阻力的措施為什么要減少阻力？減少流體運(yùn)動(dòng)阻力的基本途徑：改變流體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(加添加劑)；改善流動(dòng)的邊界條件(粗糙度,柔性壁等)。減小局部阻力：防止或推遲流體與壁面的分離，避免旋渦區(qū)的產(chǎn)生或減小其大小和強(qiáng)度。幾種典型措施(平順的進(jìn)口,漸擴(kuò)/縮,彎管導(dǎo)葉,三通折角等)討論：設(shè)置導(dǎo)葉的彎管，為何內(nèi)側(cè)導(dǎo)葉要布密些？本章要點(diǎn)和作業(yè)能量損失的兩種基本形式及其計(jì)算；層流與紊流及其區(qū)分；雷諾數(shù)的計(jì)算；管內(nèi)層流與紊流的沿程損失計(jì)算（流動(dòng)分區(qū)與沿程阻力系數(shù)）；水力光滑管與水力粗糙管的概念；局部阻力系數(shù)與局部損失的計(jì)算；總損失的計(jì)算；水力半徑與當(dāng)量直徑；減少阻力的措施。作業(yè)：4-3，4-4，4-13，4-14，4-20，4-22，4-25，

4-27流體流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算-2：管路計(jì)算5-2-1長(zhǎng)管與短管管路計(jì)算的內(nèi)容與方法：內(nèi)容：確定流量、水頭損失及管道幾何尺寸間的相互關(guān)系，亦稱為管路的水力計(jì)算。方法：連續(xù)性方程+能量方程（能量損失）一、長(zhǎng)管和短管按沿程損失和局部損失在總損失中所占比重分為長(zhǎng)管和短管。長(zhǎng)管：以沿程損失為主，局部損失可忽略不計(jì)（或可按沿程損失的某一百分比估算）的管路。短管：局部損失在總損失中的比例較大而不能忽略，必須同時(shí)考慮局部阻力和沿程阻力的管路。簡(jiǎn)單管路與復(fù)雜管路簡(jiǎn)單管路：管徑、流量沿程沒(méi)有變化的管路系統(tǒng)。復(fù)雜管路：管徑或流量沿程發(fā)生變化的管路系統(tǒng)。θ5-2-2簡(jiǎn)單管路的計(jì)算一、短管的計(jì)算幾個(gè)概念：自由出流及其局部阻力系數(shù)管流的作用水頭（或阻力水頭）管道阻抗系數(shù)的計(jì)算與特點(diǎn)管路阻抗的含義：通過(guò)單位流量時(shí)的能量損失管路特性方程例題簡(jiǎn)單管道的水力計(jì)算短管（室內(nèi)）、長(zhǎng)管（室外，局阻不計(jì)或按%折合）1.短管的水力計(jì)算類比孔口、管嘴的作用水頭短管的作用水頭1→突擴(kuò)ζ=1，H0→H代入，得SH——管路阻抗S2/m5Sp

kg/m7類比電路：S→R

H(p)→U

Q2→I非圓管例：某鋼管制風(fēng)道，斷面尺寸為400×200mm2，管長(zhǎng)80m，Σζ=2.5，v=10m/s，空氣溫度t=20℃，求壓強(qiáng)損失p解：解題步驟（1）當(dāng)量直徑de（2）Re

t=20℃，υ=15.7×10-6m2/s（3）k/de鋼管制風(fēng)道，k=0.15mm（4）λ由Re和k/de查莫迪圖λ=0.0195或利用阿里特蘇里公式λ=0.0194（5）Sp（6）p（7）選型p→1.2pQ→1.1Q揚(yáng)程略去速度水頭虹吸現(xiàn)象流速虹吸管正常工作條件最大真空度列1-1和最高斷面C-C的能量方程流量最大安裝高度二、長(zhǎng)管的計(jì)算計(jì)算方法：能量方程只計(jì)沿程損失（注意長(zhǎng)管的阻抗系數(shù)）注意事項(xiàng)：查表法的條件是否滿足？（修正與否）2.長(zhǎng)管的水力計(jì)算局部損失（包括速度水頭）不計(jì)，損失線性下降，總水頭線與測(cè)壓管水頭線重合單位長(zhǎng)阻抗——比阻as2/m6kg/m85-2-3?串聯(lián)與并聯(lián)管路的計(jì)算一、串聯(lián)管路串聯(lián)節(jié)點(diǎn)連續(xù)性方程的應(yīng)用串聯(lián)管路的流動(dòng)規(guī)律：各管段流量相等，損失迭加，總阻抗等于各段的阻抗之和。例題1.串聯(lián)管道類比電路例：鑄鐵管長(zhǎng)L=2500m，流量Q=0.25m3/s，作用水頭H=25m，為充分利用水頭，設(shè)計(jì)串聯(lián)管道解：（1）如按簡(jiǎn)單長(zhǎng)管計(jì)算水力計(jì)算表aH1=0.105→d1=450mm浪費(fèi)水頭，投資加大aH2=0.196→d2=400mm水頭不夠（2）設(shè)計(jì)串聯(lián)管路d1=450mm→L1d2=400mm→L2解得二、并聯(lián)管路并聯(lián)并聯(lián)管路的流動(dòng)規(guī)律：并聯(lián)節(jié)點(diǎn)上的總流量=各支管流量之和各并聯(lián)支路的能量損失相等總阻抗平方根倒數(shù)=各支管阻抗平方根倒數(shù)之和水力計(jì)算中“阻力平衡”的含義閉合管路或循環(huán)管路例題2.并聯(lián)管道類比電路流體的自調(diào)性，阻力平衡例1：某兩層樓的供暖立管，管段1的d=20mm，總長(zhǎng)20m，Σζ1=15，管段2的d=20mm，總長(zhǎng)10m，Σζ2=15，管路λ=0.025，干管總流量Q=1L/s，求Q1和Q2解：并聯(lián)解得阻力平衡水平失調(diào)異程→同程例2：流量Q=4L/s的泵從兩個(gè)有初始液位差h=0.5m的油箱中吸油，在節(jié)點(diǎn)A以前的兩條管路有相同的長(zhǎng)度l=10m和直徑d=50mm，若λ=0.03，不計(jì)局部阻力，求：（1）泵開始吸油時(shí)，每個(gè)油箱流出的流量q1和q2各為多少？解：A點(diǎn)連續(xù)性方程解得（1）必須pA≥0，列低油箱到A點(diǎn)的能量方程會(huì)出現(xiàn)高位油箱向低位油箱倒灌的現(xiàn)象注意：因q1=0，故q2=Q，解得z≥1.27m（2）當(dāng)h是多少時(shí)，由低位油箱流出的q2=0？（4）當(dāng)z為多高，高位油箱泄空后空氣不會(huì)進(jìn)入泵內(nèi)，且又可使低位油箱可泄空？令q2=0，解得h=1.27m（3）當(dāng)h>1.27m時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么情況？5-2-4管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)（略提）幾種管網(wǎng)管網(wǎng)水力計(jì)算的內(nèi)容幾種管網(wǎng)的水力計(jì)算方法略提：有壓管中的水擊（水錘現(xiàn)象）管網(wǎng)計(jì)算特點(diǎn)1.枝狀管網(wǎng)的水力計(jì)算（兩類）（1）管網(wǎng)布置已定（Li，ζ，用戶Qc，末端壓力pc或hc），求di，作用壓力p或H——新建管網(wǎng)a.由連續(xù)性方程確定節(jié)點(diǎn)流量b.由流量確定各管段管徑ve——經(jīng)濟(jì)流速（規(guī)范要求）c.由控制線確定作用壓力或d.阻力平衡，調(diào)整支管管徑（2）管網(wǎng)布置和作用壓力已定，求di——校核計(jì)算，擴(kuò)建管網(wǎng)a.由連續(xù)性方程確定節(jié)點(diǎn)流量b.由控制線確定水力坡度l’——局部損失折算成沿程損失的長(zhǎng)度，稱為局阻的當(dāng)量長(zhǎng)度（手冊(cè)可查）c.由各管段J相等條件，計(jì)算各管段管徑和損失d.校核e.計(jì)算支管管徑，并進(jìn)行阻力平衡→標(biāo)準(zhǔn)化2.環(huán)狀管網(wǎng)的水力計(jì)算（1）節(jié)點(diǎn)方程（2）回路方程校正流量ΔQ展開，略去二階微量由例：兩個(gè)閉合回路的管網(wǎng)，參數(shù)見圖，不計(jì)局部阻力，求各管段通過(guò)的流量（閉合差小于0.3m即可）解：取ABCD為環(huán)路1，CDEF為環(huán)路2，按順時(shí)針繞行（1）按ΣQi=0分配流量從A點(diǎn)和最遠(yuǎn)點(diǎn)F點(diǎn)分配，可假設(shè)（2）計(jì)算各管段損失并填表注意正負(fù)號(hào)（3）計(jì)算校正流量ΔQ注意公共段CD環(huán)路管段假定流量Qi

Sihihi/QiΔQ管段校正流量校正后的流量Qi校正后的hi1AB+0.1559.76+1.33468.897-0.0014-0.00140.14861.3196BD+0.1098.21+0.98219.821-0.00140.09860.9548DC-0.01196.42-0.01961.960-0.0014-0.0175-0.0289-0.1641CA-0.1598.21-2.209714.731-0.0014-0.1514-2.2512Σ0.087435.410-0.1409環(huán)網(wǎng)計(jì)算表環(huán)路管段假定流量Qi

Sihihi/QiΔQ管段校正流量校正后的流量Qi校正后的hi2CD+0.01196.42+0.01961.9600.0175+0.0175+0.00140.02890.1641DF+0.04364.42+0.583014.575+0.01750.05751.2049FE-0.03911.05-0.819927.330+0.0175-0.0125-0.1424EC-0.08364.42-