沿程能量损失和局部能量损失ppt课件.ppt

1 第三章流动阻力与能量损失 本章知识预告 沿程阻力 沿程能量损失 局部阻力 局部能量损失 流态 层流 紊流 层流沿程损失及其阻力系数计算 紊流沿程损失及其阻力系数确定 局部损失计算 减小阻力的措施 2 第一节流动阻力与能量损失的两种形式 一 流动阻力和能量损失的分类根据流动的边界条件 能量损失分 沿程能量损失和局部能量损失 沿程阻力及沿程能量损失 沿程阻力 当束缚流体流动的固体边壁沿程不变 流动为均匀流时 流层与流层之间或质点之间只存在沿程不变的切应力 称为沿程阻力 沿程能量损失 沿程阻力作功引起的能量损失称之这沿程能量损失 特点 沿管路长度均匀分布 即沿程水头损失hf l 3 沿程水头损失 4 局部阻力及局部能量损失 局部阻力 当流体流经固体边界突然变化处 由于固体边界的突然变化造成过流断面上流速分布的急剧变化 产生旋涡 从而在较短范围内集中产生的阻力称为局部阻力 局部能量损失 由于局部阻力作功引起的能量损失称之为局部能量损失 局部水头损失 以hj表示 见图3 1 5 局部水头损失 6 整个管路的沿程水头损失等于各管段的沿程水头损失之和 即整个管路的局部水头损失等于各管件的局部水头损失之和 即整个管路的能量损失等于各管段的沿程损失和各局部损失的总和 即 7 二 能量损失的计算公式 长期工程经验总结液体 沿程水头损失 达西公式 沿程阻力系数 管道长度 d 管道直径 v 平均流速局部水头损失 气体 沿程压强损失 局部压强损失 核心问题 和 的计算 8 第二节两种流态与雷诺数 一 雷诺试验见视频 雷诺发明两种流动状态 沿程损失与流态密切相关 层流 各流层的流体质点互不混杂的流动型态 紊流 各流体质点的瞬时速度大小方向随时间而变 各流层质点互相掺混的流动型态 9 层流与紊流的转变 层流 紊流有过渡区 不稳定区 实用上把下临界流速vk作为流态转变速度 不稳定区 紊流区 层流区 10 二 沿程水头损失与流态的关系 层流区 紊流区 不稳定区 关系不稳定 11 三 流动型态的判断标准 雷诺数 雷诺等人进一步实验表明 流态不仅和流速v有关 还和管径d 流体的动力粘度 和密度 有关 以上四个参数组合成一个无因次数 叫雷诺数 用Re表示 有压圆管流态判据 Re 2000 层流Re 2000 紊流适用于任何管径和任何牛顿流体 无压流和非圆管有压流动的流态判据 用水力半径 代替圆形管的直径d时 Rek 500 用当量直径de计算时 Rek 2000 12 第三节均匀流的基本方程式 本节探讨均匀流条件下 沿程损失与沿程阻力之间的关系 均匀流 过流断面的形状和大小沿流程不变 而且过流断面的流量 流速分布也沿程不变的流动 均匀流性质 不存在惯性力 流线相互平行 断面上 能量损失只有沿程损失 而且各各单位长度上的沿程损失都是相等的 13 14 15 16 第四节圆管中层流运动的沿程阻力计算 由和求出函数J f u 再求出J f v 的表达式 结果为上式整理变化成 对比达西公式 可知 上式说明 圆管层流沿程阻力系数 只与Re有关 与管壁粗糙度无关 17 第五节圆管中的紊流运动 讨论管中紊流运动的基本特征及沿程损失规律 一 紊流脉动与时均化 脉动现象 如图3 7 相互掺混 互相碰撞 在紊流中 某流体质点的瞬时速度和压强始终围绕某一平均值而上下波动的现象 脉动现象 18 时均化 紊流运动要素围绕它上下波动的平均值称为时均值 时均速度的定义 瞬时速度 19 二 紊流阻力由两部分组成 流体各层因时均流速不同而存在相对运动 故流层间产生因粘滞性所引起的摩擦阻力 粘性切应力 1按牛顿内摩擦定律计算 由于脉动现象 流层间质点的动量交换形成的紊流附加切应力 2 其大小由普朗特的混合长度理论计算 见式 3 21 Re较小时 1为主要 Re足够大时 2为主要 20 三 紊流的速度分布 Re 层流边界层厚度 对紊流沿程损失很有影响 见图3 9 当 时 水力光滑 粗糙度对能量损失不产生影响 当 时 水力粗糙 影响能量损失 Re不影响 如图3 8 21 22 第六节紊流沿程阻力系数 沿程水头损失计算 层流 对于紊流的 通常用以下两种途径来确定 用理论和试验相结合的方法 以紊流的半经验理论为基础 整理成半经验公式 直接根据实验资料综合成阻力系数 的纯经验公式 大量实验说明 紊流 主要取决于Re和管道相对粗糙度 d这两个因素 23 一 尼古拉兹实验管壁粘贴不同粒径均匀砂粒形成人工粗糙的六种管径中进行 尼古拉兹实验曲线 24 尼古拉兹实验所揭示的沿程阻力系数 的变化规律如下 层流区 Re4000 lgRe 3 6 f3 Re 紊流过渡区 f4 Re d 紊流粗糙区 阻力平方区 f5 d 尼古拉兹实验的重要意义在于 比较完整的反映了沿程阻力系统 的变化规律 找出了影响 值变化的主要因素 提出了紊流阻力分区的概念 25 二 莫迪图 当量粗糙度工业管道的实际粗糙与尼古拉兹的人工均匀粗糙有较大差异 于是引入 当量粗糙度 当量粗糙度 和实际管道在紊流粗糙区 值相等的同直径尼古拉兹人工粗糙管的粗糙度 部分常用工业管道的当量粗糙度 值见表3 1 莫迪图 柯列勃洛克发现 尼古拉兹过渡区的实验资料对工业管道不适用 从而提出柯列勃洛克公式 上式适用于工业管道紊流流态的三个阻力区 莫迪图 1944年莫迪以式 3 25 为基础 绘制了工业管道的阻力系数变化曲线图 即莫迪图 在图上 R d 26 莫迪图 28 三 紊流沿程阻力系数的计算公式 紊流 还可以用以下公式计算来确定 紊流光滑区 布拉修斯公式适用于Re 105 尼古拉兹光滑管公式适用于Re 106 适用于硬聚乙烯给水管道的计算公式 适用于流速 3m s的塑料管 玻璃管和一些非碳钢类的金属管 29 紊流过渡区 莫迪公式柯氏公式的近似公式 阿里特苏里公式主要用于热水采暖管道 在给水管道中适用于旧钢管 旧铸铁管的舍维列夫公式 适用于v 1 2m s时 紊流过渡区 30 紊流粗糙管区 适用于旧钢管和旧铸铁管的舍维列夫公式v 1 2m s时 希弗林松公式 31 第七节非圆管流的沿程损失 通过水力半径和当量直径的概念 非圆管 圆管 一 水力半径管道对hf的影响因素 基本上反映过流断面大小 形状对沿程损失综合影响的物理量 圆管的水力半径 边长为a和b的矩形管水力半径 边长为a的正方形管水力半径 折算 32 二 当量直径 非圆管的水力半径和圆管的水力半径相等时 圆管的直径称为非圆管的当量直径 即矩形管的当量直径 正方形管的当量直径 非圆管的沿程损失计算公式 非圆管的雷诺数 33 必须指出 应用当量直径计算非圆管的能量损失 并不适用于所有情况 这表现在两方面 实验证明 对矩形 方形 三角形断面 使用当量直径原理 所获得的试验数据结果和圆管是很接近的 但长缝形和星形断面差别较大 用当量直径来计算非圆管能量损失只能适用于紊流流态 而不适用于层流 34 第八节局部损失的计算与减阻措施 一 局部损失产生的原因主要讨论紊流的局部损失 以下两个方面有的原因 旋涡区 见图3 12 流速分布的迅速重新改组和流体质点的剧烈变形 致使粘性阻力和惯性阻力增大 主要因素 35 36 二 局部能量损失的计算 阻力系数法各种类型局部水头损失通用计算公式 对于气体管路 圆管突然扩大的局部损失经推导得 37 常用各种管件的局部阻力系数 值 见表 查得的 值必须与表中所指的断面平均流速相对应 凡未标明者 均应采用局部管件以后的流速 38 当量长度法 为了便于管路计算 常将流体流过某管件或阀门时的局部阻力折算成同样流体流过具有相同直径 长度为le的直管阻力 这个直管长度le称为该管件或阀门的当量长度 此时的局部阻力所造成的能量损失计算公式可仿照直管阻力计算式写出 即 d 内径 le 管径或阀门的当量长度 le A d A 折算系数或当量长度系数 其获得方法是查阅有关参考资料 39 三 局部阻力之间的相互干扰 以上给出的 值 是在局部阻碍前后都有足够长的直管段的条件下得到的 如果局部阻碍之间相距很近 流出前一个局部阻碍的流动 在流速分布和紊流脉动还未达到正常均匀流之前又流入后一个局部阻碍 这样相互干扰的结果 局部损失可能出现大幅度的增大或减小 变化幅度约为所有单个正常局部损失总和的0 5 3倍 如果局部阻碍之间的直管段长度大于3d 干扰的结果将使总的局部损失小于按正常条件下算出的各局部损失的叠加 40 四 减小阻力的措施 减小沿程阻力的途径 减小管长 适当加大管径d 减小管壁的粗糙度 喷涂工艺 塑料管 玻璃钢管 铝塑管等 用柔性边壁代替刚性边壁 流体中加入少量添加剂 实现减阻 添加剂大致有三类 高分子聚合物 金属皂及悬浮物 41 减小局部阻力的途径 在装置系统允许的情况下 尽量少设置弯头 阀门等局部管件 以减小整个系统的 值 在装置系统必须采用局部阻碍的情况下 可从改善边壁形状入手 避免旋涡区的产生或减小旋涡区的大小和强度 实现减阻 管道进口 如图3 15 42 43 渐扩管和突扩管 如图3 16 44 弯管 见表3 3 弯曲半径 最好在 1 4 d的范围内 安装导流叶片 45 三通 配件之间的合理衔接 各局部阻碍之间的距离应大于管径的三倍 先扩后弯 先弯后扩 46 附面层的概念 一 附面层厚度 实际上边界层内 外区域并没有明显的分界面 一般将壁面流速为零与流速达到来流速度的99 处之间的距离定义为边界层厚度 紧贴壁面非常薄的一层 该薄层内速度梯度很大 这一薄层称为附面层 边界层 48 49 三 边界层分离 50 四 绕流升力的概念 物体上部流速快 压力小 下部流速较小 压