流体在管内的流动阻力课件

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1、1.5 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力第第1 1章章 流体流动流体流动 1.5.1 管流阻力分类及摩擦阻力计算通式n管流阻力的分类 不可压缩流体定态流过水平直管不可压缩流体定态流过水平直管流体在管内的流动阻力n根据动量传递机理根据动量传递机理管路中的流动阻力管路中的流动阻力 =直管阻力（直管阻力（）+局部阻力（局部阻力（）n直管阻力：由于流体和管壁之间的摩擦而产生；直管阻力：由于流体和管壁之间的摩擦而产生；n局部阻力（形体阻力）：由于速度的大小或方向的改变而局部阻力（形体阻力）：由于速度的大小或方向的改变而引起。引起。流体在管内的流动阻力&流体阻力的表示方法流体阻力的表示方法对应于机

2、械能衡算的三种形式，流体阻力损失亦有三种表达形式：阻力损失与压力差的阻力损失与压力差的区别：区别：pf 流体流经两截面间的机械能损失；p 任意两点间的压力差。kJ/kgmPa流体在管内的流动阻力二者之间的关系：二者之间的关系：即：水平、等径直管，无外功加入时，两截面间的阻力损失即：水平、等径直管，无外功加入时，两截面间的阻力损失 与两截面间的压力差在数值上相等。与两截面间的压力差在数值上相等。流体在管内的流动阻力在1-1和2-2截面之间列机械能衡算式：up1p21122FFd L直圆管内阻力公式的推导因所以直圆管内摩擦阻力计算公式推导直圆管内摩擦阻力计算公式推导流体在管内的流动阻力流体柱受到的

3、与流动方向一致的推动力：流体柱受到的与流动方向一致的推动力：流体柱受到的与流动方向相反的阻力：流体柱受到的与流动方向相反的阻力：流体恒速流动时：流体恒速流动时：又：又：所以所以流体在管内的流动阻力J/kgmPa计算流体流动阻力的一般公式计算流体流动阻力的一般公式2.2.范宁公式范宁公式流体在管内的流动阻力二二.层流时的摩擦系数及层流时的摩擦系数及Hangen-PoiseuilleHangen-Poiseuille方程方程层流时：层流时：积分积分令令 平均速度平均速度 流体在管内的流动阻力泊谡叶方程泊谡叶方程 范宁公式范宁公式 与与Re成反比成反比 流体在管内的流动阻力三三.湍流时的直管阻力损失

4、及量纲分析法湍流时的直管阻力损失及量纲分析法 影响因素复杂，一般由实验确定。影响因素：影响因素：几何尺寸及形状；表面情况；流体的物性，如 密度，粘度等；流速的大小。流体在管内的流动阻力量纲分析法量纲分析法流动阻力量纲分析方法：量纲分析方法：减少实验工作量、实验结果推广应用。一般实验方法：一般实验方法：实验量大、实验结果不能推广应用；（1）量纲分析的理论基础）量纲分析的理论基础：物理方程中的各项都具有相同的量纲 即量纲一致的原则。（2）定理定理n 物理量的个数；N 量纲为一数群的个数；m 表达物理量的基本量纲数。流体在管内的流动阻力流动阻力基本量纲L、T、M核心物理量d、u、（3）量纲分析方法）

5、量纲分析方法流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力光滑管：玻璃管、黄铜管和塑料管；光滑管：玻璃管、黄铜管和塑料管；当当b b e e，粗，粗糙糙度对度对影响与层流相近影响与层流相近;粗糙管：钢管和铸铁管等。粗糙管：钢管和铸铁管等。绝对粗糙度绝对粗糙度e：壁面凸出部分的平均高度。：壁面凸出部分的平均高度。新的铸铁管新的铸铁管 0.3mm 旧的铸铁管旧的铸铁管 0.85mm 相对粗糙度相对粗糙度：绝对粗糙度与管径的比值：绝对粗糙度与管径的比值 e/d b-滞流内层厚度滞流内层厚度粗糙度对粗糙度对的影响的影响层流层流:粗糙度对粗糙度对无影响无影响如图如图湍流：湍流：当当b e，粗糙度对，粗糙度对的

6、影响显著。的影响显著。摩擦系数摩擦系数流体在管内的流动阻力摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度的关系摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度的关系 层流区 Re2000 过渡区 2000Re4000（阻力平方区）不完全湍流区完全湍流区 湍流区 Re4000 流体在管内的流动阻力使用时注意经验式的适用范围n摩擦系数图 层流区 从层流向湍流的过渡期 湍流过渡区 完全湍流区流体在管内的流动阻力非圆形管摩擦损失计算式非圆形管摩擦损失计算式 流体在管内的流动阻力流体流经管件、阀门、测量接口、管进出口段的阻力产生原因：产生原因：形体阻力；确定方法：确定方法：实验，归纳出经验公式。1.5.1.5.2 2 管路上的局部阻力管路上

7、的局部阻力式中：le 当量长度 一、当量长度法一、当量长度法流体在管内的流动阻力Le 及 的获得获得：实验，见有关资料。式中：-局部阻力系数 二、局部阻力系数法二、局部阻力系数法 突然缩小突然缩小特例特例：突然扩大突然扩大 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力一、等径管总阻力计算一、等径管总阻力计算系统总阻力=系统各直管阻力+局部阻力FICP1P211221.5.1.5.3 3 管路系统中的总能量损失管路系统中的总能量损失流体在管内的流动阻力二、变径管总阻力计算二、变径管总阻力计算 变径管d、u、不同，需分段计算阻力例：AABBCC流体在管内的流动阻力1122h7m例题：用泵把例题：用泵把

8、2020的苯从地下贮罐送到高位槽，流量为的苯从地下贮罐送到高位槽，流量为300 300 l l/minmin。高位槽液面比贮罐液面高。高位槽液面比贮罐液面高10m10m。泵吸入管用。泵吸入管用 894mm894mm的的无缝钢管，直管长为无缝钢管，直管长为15m15m，管上装有一个底阀，管上装有一个底阀(可初略地按旋启可初略地按旋启式止回阀全开时计算式止回阀全开时计算)、一个标准弯头；泵排出管用、一个标准弯头；泵排出管用 573.5mm573.5mm的无缝钢管，直管长度为的无缝钢管，直管长度为50m50m，管路上装有一个全开，管路上装有一个全开的截止阀和三个标准弯头。贮罐和高位槽上方均为大气压。

9、设的截止阀和三个标准弯头。贮罐和高位槽上方均为大气压。设贮罐液面维持恒定。试求泵的功率，设泵的效率为贮罐液面维持恒定。试求泵的功率，设泵的效率为70%70%。流体在管内的流动阻力式中，式中，z z1 1=0,z=0,z2 2=10m,p=10m,p1 1=p=p2 2,u,u1 1 0,u0,u2 2 0 0 W W=9.8110+=9.8110+hhf f解：解：依题意，绘出流程示意图。选取贮槽液面作为依题意，绘出流程示意图。选取贮槽液面作为截面截面1 1，高位槽液面为截面，高位槽液面为截面2 2，并以截面，并以截面1 1作为基准面，作为基准面，如图所示，在两截面间列柏努利方程，则有如图所示

10、，在两截面间列柏努利方程，则有流体在管内的流动阻力进口段：进口段：d=89-24=81mm,l=15m查图，查图，得得=0.029流体在管内的流动阻力进口段的局部阻力：进口段的局部阻力：底阀：底阀：le e=6.3m =6.3m 弯头：弯头：le e=2.73m=2.73m进口阻力系数：进口阻力系数：=0.5=0.5流体在管内的流动阻力出口段：出口段：d=57-23.5=50mm,l=50m查图，查图，得得=0.035流体在管内的流动阻力出口段的局部阻力：出口段的局部阻力：全开闸阀：全开闸阀：le e=0.33m=0.33m全开截止阀：全开截止阀：le e=17m=17m标准弯头标准弯头(3)

11、(3)：le e=1.63=4.8m=1.63=4.8m出口阻力系数：出口阻力系数：=1.0=1.0总阻力：总阻力：流体在管内的流动阻力有效功率：有效功率：轴功率：轴功率：苯的质量流量：苯的质量流量：泵提供的有用功为：泵提供的有用功为：流体在管内的流动阻力1.6 1.6 管路计算管路计算管路计算管路计算按设计目的按设计目的设计型计算设计型计算操作型计算操作型计算简单管路计算简单管路计算复杂管路计算复杂管路计算按布置情况按布置情况简单管路：简单管路：简单管路是指由不同管径的管道与管件串简单管路是指由不同管径的管道与管件串联而成的系统。联而成的系统。复复杂杂管管路路：在在此此只只讨讨论论工工程程上

12、上常常见见的的分分支支、汇汇合合及及并并联联管管路路的的计计算算问问题题，至至于于更更复复杂杂的的管管路路网网络络及及流流量量分分配管系等问题可参阅有关专著，本课不予涉及。配管系等问题可参阅有关专著，本课不予涉及。流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力设设计计性性问问题题给出给出8 8个变量：个变量：确定确定 w we e=？剩下剩下4 4个变量：个变量：工程上首先优选出工程上首先优选出 u u，关于关于u u 的优化问题的优化问题对一定输送任务对一定输送任务V Vs s 有：有：操操作作性性问问题题给出给出9 9个变量：个变量：核算核算V Vs s=？,有唯一解。有唯一解。剩下剩下3 3个

13、变量：个变量：为求为求V Vs s，必须知道必须知道 u u，直接求解困难，需试直接求解困难，需试差或迭代。差或迭代。试差求解的方法和步骤试差求解的方法和步骤用用2929式（式（3 3）否否是是流体在管内的流动阻力 后两种情况存在着共同的问题，即流速后两种情况存在着共同的问题，即流速u u或管径或管径d d为未知，为未知，因此不能计算因此不能计算ReRe，则无法判断流体的流型，故不能确定摩擦，则无法判断流体的流型，故不能确定摩擦系数系数。在工程计算中常采用试差法或其它方法来求解。在工程计算中常采用试差法或其它方法来求解。v已知管径已知管径d d、管长、管长l l、流量、流量V V以及管件和阀门

14、的设置，以及管件和阀门的设置，求管路系统的求管路系统的能量损失能量损失，以进一步确定所需外功、设，以进一步确定所需外功、设备内的压强或设备间的相对位置。备内的压强或设备间的相对位置。v已知管径已知管径d d、管长、管长l l、管路系统的能量损失、管路系统的能量损失hhf f以及以及管件和阀门的设置，求管件和阀门的设置，求流量流量V V或或流速流速u u。v已知管长已知管长l l、流量、流量V V、管路系统的能量损失、管路系统的能量损失hhf f以及以及管件和阀门的设置，求管件和阀门的设置，求管径管径d d。n1.6.1 1.6.1 简单管路计算简单管路计算流体在管内的流动阻力例例 在风机出口后

15、的输气管壁上开一测压孔，用在风机出口后的输气管壁上开一测压孔，用U U型管测得该型管测得该处静压力为处静压力为186mmH186mmH2 2O(O(表表)，测压孔以后的管路包括，测压孔以后的管路包括80m80m直管及直管及4 4个个9090 弯头弯头(I(Ie e/d=35m)/d=35m)。管出口与设备相通，设备内的表压为。管出口与设备相通，设备内的表压为120mmH120mmH2 2O O。输气管为铁管，内径。输气管为铁管，内径500mm500mm。所输送的空气温度为。所输送的空气温度为25 25，试估计其体积流量。，试估计其体积流量。解：解：本题已知风机压头求气体流速，在流速未知时无法先

16、计本题已知风机压头求气体流速，在流速未知时无法先计算算ReRe以求以求、hhf f，故采用试差法。故采用试差法。空气的平均压力空气的平均压力=（186+120186+120）/2=154mmH/2=154mmH2 2O O1atm1atm（10330mmH10330mmH2 2O O）及）及00时空气的密度为时空气的密度为1.293kg/m1.293kg/m3 3，故，故154mmH154mmH2 2O O（表压）及（表压）及2525时空气的密度为：时空气的密度为：流体在管内的流动阻力25时空气的粘度：时空气的粘度：=1.7310-5Pas在测压口处（截面在测压口处（截面1）与管出口处（截面）

17、与管出口处（截面2）列机械能衡算式：）列机械能衡算式：式中：式中：z z1 1=z=z2 2（输气管道中，一般情况下（输气管道中，一般情况下zz可忽略）可忽略）W We e=0=0，u u2 2=0=0 p p1 1=186mmH=186mmH2 2O=1825PaO=1825Pa p p2 2=120mmH=120mmH2 2O=1177PaO=1177Pa u u1 1为所求为所求(a)流体在管内的流动阻力管路：管路：d=0.5m l=80m le=435 0.5=70m(90le/d=35)将已知值代入式（将已知值代入式（a）：）：流体在管内的流动阻力化简得：化简得：设设=0.02，代入

18、上式，解出，代入上式，解出u1=13.4m/s。查图得：查图得：=0.02复核：复核：该值与所设的该值与所设的值相差甚微，可认为所求得的值相差甚微，可认为所求得的u1=13.4m/s已已够正确，据此计算体积流量为够正确，据此计算体积流量为流体在管内的流动阻力并联和分支管路称为复杂管路。并联和分支管路称为复杂管路。ABABC并联管路并联管路分支管路分支管路1.6.2 1.6.2 复杂管路复杂管路流体在管内的流动阻力证明证明一一.并联管路并联管路1总管流量等于并联各支管流量之和，对不总管流量等于并联各支管流量之和，对不可压缩流体，则有可压缩流体，则有2并联的各支管摩擦损失相等，即长而细的支管通过的

19、流量小，短而粗的支管则流量大长而细的支管通过的流量小，短而粗的支管则流量大流体在管内的流动阻力 注意：注意：在计算并联管路的能量损失时，只需计算在计算并联管路的能量损失时，只需计算一根支管的能量损失即可，绝不能将并联的各管段的一根支管的能量损失即可，绝不能将并联的各管段的阻力全部加在一起作为并联管路的能量损失。阻力全部加在一起作为并联管路的能量损失。各支管的流量比为：各支管的流量比为：流体在管内的流动阻力(各支管终点总能量相等各支管终点总能量相等)0-10-2P1P2012VV1V2对多个分支，则有对多个分支，则有证明：证明：比较上两式，得比较上两式，得二、分支管路二、分支管路流体在管内的流动阻力