管内流体流动的摩擦阻力损失

1、武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件1.4.1 两种阻力损失两种阻力损失一、流体阻力的类型一、流体阻力的类型直管直管弯头弯头阀门阀门武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件管件与阀门管件与阀门武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件直管阻力直管阻力流体流经一定直径的流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而直管时由于内摩擦而产生的阻力产

2、生的阻力. .产生阻力损失的外部条件产生阻力损失的外部条件局部阻力局部阻力流体流经管件、阀门流体流经管件、阀门等局部地方由于流速等局部地方由于流速大小或方向的改变而大小或方向的改变而引起的阻力。引起的阻力。 特点特点:边界层与固边界层与固体表面不分离体表面不分离 特点特点:边界层与固体边界层与固体表面分离表面分离 阻力损失产生的根本原因阻力损失产生的根本原因:流体内部及流体与固流体内部及流体与固体壁面间的粘性摩擦作用。体壁面间的粘性摩擦作用。 武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件二、阻力损失的表现：流体势能的降低二、阻力损失的表现：流体势能的降低 )(221212221zzgppu

3、uhf武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件1. 通常的管路通常的管路无论直管阻力或局部阻力，也不论是层流或湍流，无论直管阻力或局部阻力，也不论是层流或湍流，阻力损失主要表现为流体势能降低。阻力损失主要表现为流体势能降低。)(221212221zzgppuuhf2. 水平均匀管道水平均匀管道阻力损失等于静压能的减小。阻力损失等于静压能的减小。3非水平均匀管道非水平均匀管道阻力损失表现为流体势能的降低。阻力损失表现为流体势能的降低。武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件三、层流时直管的阻力损失三、层流时直管的阻力损失 阻力损失阻力损失 232fpg zl uhd 232u l

4、pd 水平直管水平直管倾斜直管倾斜直管232u lpg zd 232fl uhd 武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件1.4.2 湍流时直管阻力损失的实验研究方法湍流时直管阻力损失的实验研究方法 一、析因实验：一、析因实验：寻找影响过程的主要因素寻找影响过程的主要因素 流动的几何尺寸：流动的几何尺寸：d，l，(粗糙度粗糙度)；流动条件：流动条件：u；流体性质：流体性质：， hf=f(d，l，u，) 绝对粗糙度：绝对粗糙度：管壁粗糙面凸出部分的平均高度管壁粗糙面凸出部分的平均高度相对粗糙度相对粗糙度:/d 粗糙度粗糙度武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件管道管道光滑管光滑

5、管粗糙管粗糙管玻璃管玻璃管铜管铜管钢管钢管铸铁管铸铁管按管材性质和加按管材性质和加工情况分类工情况分类武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件二、规划实验：二、规划实验：减少实验工作量减少实验工作量 l 因次分析法因次分析法基础：基础：因次一致性因次一致性 即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，即每一个物理方程式的两边不仅数值相等， 而且每一项都应具有相同的因次。而且每一项都应具有相同的因次。目的目的：（1）减少实验工作量；）减少实验工作量； （2）结果具有普遍性，便于推广。）结果具有普遍性，便于推广。武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件基本定理：基本定理：白金汉（白金汉（

6、BuckinghanBuckinghan）定理定理设影响某一物理现象的独立变量数为设影响某一物理现象的独立变量数为n n个，这些个，这些变量的基本因次数为变量的基本因次数为m m个，则该物理现象可用个，则该物理现象可用N N(n(nm)m)个独立的无因次数群表示。个独立的无因次数群表示。 fedcbafulkdh物理变量物理变量 n n 7 7基本因次基本因次 m m3 3 即长度、时间、质量即长度、时间、质量无因次数群无因次数群 N Nn nm m4 4 武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件fedcbafulkdh22dimfhLTdimdimdimdlL1dimuLT3dimM

7、L11dimML T223a b cddeefffLTLL TM LM L T : 23Labcdef : 2Tdf : 0Mef 假设假设b、c、f为已知为已知 a=2-b-c-d+3e+f =2-b-c-2+f-3f+f=-b-c-fd=2-fe=-ffffcbfcbfulkdh2fcbfduddlkuh)()()(2武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件2,fhduludd无因次化处理无因次化处理欧拉欧拉准数准数雷诺雷诺准数准数管道的几何尺寸管道的几何尺寸相对粗糙度相对粗糙度武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件因次分析法的优点：因次分析法的优点：(1)克服了一些实验

8、测定时的困难克服了一些实验测定时的困难(2)具有物料由此及彼，设备尺寸由小见大的功效具有物料由此及彼，设备尺寸由小见大的功效fedcbafulkdh2,fhduludd问题：考察物性问题：考察物性和和 对阻力损失的影响对阻力损失的影响改变流体种类改变流体种类改变改变Re武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件三、数据处理：实验结果的正确表达三、数据处理：实验结果的正确表达 ),(2duddluhf2,fhduludd据经验据经验:阻力损失与管长阻力损失与管长l成正比成正比 ),(dud22fluhd武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件1.4.3 直管阻力损失的计算直管阻力损

9、失的计算 一、统一的表达方式一、统一的表达方式(范宁公式范宁公式) 22udlhfgudlHf22武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件二、摩擦系数二、摩擦系数 1. 层流层流 232fluhd22udlhf22322lu ddlu64Re64Re武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件25. 0Re/3164. 01/2.512log()3.7Red 2. 2. 湍流湍流J.Nikuradse and L. F. Moody 人工粗糙管人工粗糙管 光滑管光滑管( (水力光滑管水力光滑管) )Blasius公式公式 粗糙管粗糙管Re很大很大2.510Re( / )fd武汉工程

10、大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件1.111/6.91.8log()3.7Red Haaland关联式1/2.512log()3.7Red Colebrook关联式武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件3. 摩擦因数图摩擦因数图 分界线分界线武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件过渡区（过渡区（2000Re4000) 将湍流时的曲线延伸查取将湍流时的曲线延伸查取值值 。 湍流区（湍流区（Re44000以及虚线以下的区域）以及虚线以下的区域） )(Re,df层流区（层流区（Re 2000) 与与Re成反比例关系成反比例关系 232fl uhd 流体种类、管径、管长流体种

11、类、管径、管长一定，一定，hfu阻力一次方区阻力一次方区工程设计一般都避免在过渡区操作工程设计一般都避免在过渡区操作 。64/Re武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件 完全湍流区完全湍流区当当/d一定时，一定时，为定值为定值 与与Re无关无关22udlhf2fhu管道、管长、管径一定管道、管长、管径一定, 阻力平方区阻力平方区( / )fd武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件三、粗糙度对三、粗糙度对的影响的影响 层流流动层流流动 湍流流动湍流流动 水力光滑管水力光滑管 只与只与Re有关，与有关，与/d无关无关 完全湍流粗糙管完全湍流粗糙管 只与只与/d有关，与有关，与R

12、e无关无关流速较慢，流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与与管壁无碰撞，阻力与/d无关，无关，只与只与Re有关。有关。层流底层厚度层流底层厚度 管子的绝管子的绝对粗糙度对粗糙度 武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件例例 分别计算下列情况下，流体流过分别计算下列情况下，流体流过763mm、长长10m的水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失的水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失.(1)密度为密度为910 kg/m3、粘度为、粘度为72cP的油品，流速为的油品，流速为1.1m/s；(2)20的水，流速为的水，流速为2.2 m/s。 武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件2000973

13、10721 . 191007. 0Re3ud0658. 097364Re642210 1.10.06585.69J/kg20.07 2fl uhd5.690.58m9.81ffhHg910 5.695178Paffph能量损失能量损失 压头损失压头损失 压力损失压力损失 解解: （1）油品）油品流动为层流流动为层流武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件3kg/m2 .9981.005mPa.s531053. 110005. 12 . 22 .99807. 0udRe00286. 0702 . 0d流动为湍流流动为湍流取钢管的绝对粗糙度取钢管的绝对粗糙度为为0.2mm0.0270.02

14、7（2）20水的物性水的物性能量损失能量损失 压头损失压头损失 压力损失压力损失 2210 2.20.0279.33J/kg20.072fl uhd9.330.95m9.81ffhHg998.2 9.339313Paffph武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件四、非圆形管的当量直径四、非圆形管的当量直径22udlhf阻力损失相等原则阻力损失相等原则当量直径当量直径deAde44润湿周边流通截面积武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件21dd 边长分别为边长分别为a、b的矩形管的矩形管42()eabdab 套管环隙套管环隙，内管的外径为，内管的外径为d1，外管的内径为，外管

15、的内径为d24eAd 22212144eddddd2abab武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件 从减小能量的角度看，圆形截面最佳。从减小能量的角度看，圆形截面最佳。项目项目正方形正方形长方形长方形圆形圆形流通截流通截面积面积/m20.480.480.48几何特征几何特征边长边长 0.693m长长 1.2m,宽宽0.4m 内径内径0.78m润湿周润湿周边长度边长度/m2.773.22.45流动当流动当量直径量直径/m0.6930.60.78武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件说明：说明：ReC（2）流速用实际流通面积计算流速用实际流通面积计算 。20.785Vequd（

16、1）Re与与hf中的直径用中的直径用de计算；计算；（3）层流）层流正方形正方形 C=57,等边三角形等边三角形 C=53,环形环形C=96 武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件1.4.4 局部阻力损失局部阻力损失 一、局部阻力损失的一、局部阻力损失的2种近似算法种近似算法 1. 阻力系数法阻力系数法近似地认为局部阻力服从平方定律近似地认为局部阻力服从平方定律 22fuh22fuHg 22fl uhdld局部阻力系数局部阻力系数(p40表表1-2管件和阀件的局部阻力系数管件和阀件的局部阻力系数)J/kgJ/N武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件几种典型情况的局部阻力系数

17、几种典型情况的局部阻力系数 突然扩大突然扩大 212(1/)AA1A2A 突然缩小突然缩小 120.5(1/)AA1A2A武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件 管出口与管入口管出口与管入口 流体自管出口流进容器流体自管出口流进容器 1212(1/)AA12/0AA 流体自容器流进管道流体自容器流进管道0.5120.5(1/)AA12/0AA 武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件2当量长度法当量长度法 22udlehf流体湍流流过局部障碍物所产生的局部摩擦损失流体湍流流过局部障碍物所产生的局部摩擦损失流体流过某一长度为流体流过某一长度为le的同直径的的同直径的管道所产生的

18、摩擦损失管道所产生的摩擦损失le当量长度当量长度22fl uhd武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件二、管路系统的总阻力损失二、管路系统的总阻力损失 1等径管路等径管路 2)(2)(22udleludlhfgudlelgudlHf2)(2)(22 注意注意:对于局部阻力，可用任一种方法计算，但不能对于局部阻力，可用任一种方法计算，但不能用两种方法重复计算用两种方法重复计算 .武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件2)(2)(22iiiiiiiiiifudleludlhgudlelgudlHiiiiiiiiiif2)(2)(222. 2. 非等径管路非等径管路武汉工程大学化

19、工原理课件武汉工程大学化工原理课件压差送液压差送液如附图所示，用压缩空气将密闭密闭容器如附图所示，用压缩空气将密闭密闭容器(酸蛋酸蛋)中的中的硫酸压送至敞口高位槽。输送流量为硫酸压送至敞口高位槽。输送流量为0.1 m3/min，输，输送管路为送管路为383的无缝钢管。酸蛋中的液面离压出的无缝钢管。酸蛋中的液面离压出管口的位差为管口的位差为10m，在压送过程中设为不变。管路总，在压送过程中设为不变。管路总长为长为20m，设有一个闸阀，设有一个闸阀(全开全开)，8个标准个标准90o弯头。弯头。求压缩空气所需的压强求压缩空气所需的压强(表压表压)为多少为多少MPa？ 已知：操作温度下硫酸的物性为已知

20、：操作温度下硫酸的物性为=1830kg/m3，=12mPa.s，钢管的粗糙度为，钢管的粗糙度为0.15mm。 武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件qV=0.1 m3/min管路管路:383无缝钢管无缝钢管,=0.15mm。Z2-z1=10mL=20m闸阀闸阀(全开全开)1个，标准个，标准90o弯头弯头8个个硫酸的物性硫酸的物性=1830kg/m3=12mPa.s求压缩空气所需求压缩空气所需的压强的压强(表压表压)为为多少多少MPa武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件在酸蛋液面与管子出口内侧间列伯努利方程在酸蛋液面与管子出口内侧间列伯努利方程 2211221222fpup

21、ugzgzhp1(表表)p1p2，z2z110 m， u10，u2u 2()2fluhd武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件22440.1/602.07 m/s0.032Vqud430.0322.07 1830Re1.01 1012 10du0.150.00532d1.11240.0056.9( 1.8log()0.0373.71.01 10 武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件0.170.750.5闸阀闸阀(全开全开) 标准标准90o弯头弯头 入口处突然缩小入口处突然缩小 0.178 0.750.5 6.67 武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件21221

22、()2fuppg zzh2221830 2.071830 9.81 102202.072.071830 (0.0376.67)0.0322253.00 10 Pa=0.3 MPa武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件 将将2104kg/h的某种水溶液用泵从反应器输送的某种水溶液用泵从反应器输送到高位槽。在操作条件下的水溶液的平均密度为到高位槽。在操作条件下的水溶液的平均密度为1073kg/m3，粘度为，粘度为0.63mPas。反应器液面上方保。反应器液面上方保持持26.7kPa的真空度，高位槽液面上方为大气压。泵的真空度，高位槽液面上方为大气压。泵的进口管道为的进口管道为108mm4

23、mm，长为，长为5m，管路上装，管路上装有有90o标准弯头标准弯头1个个,全开闸阀全开闸阀1个。泵的出口管道为个。泵的出口管道为764的钢管，长为的钢管，长为45m，取管壁绝对粗糙度为，取管壁绝对粗糙度为0.3mm，管路上装有全开闸阀，管路上装有全开闸阀1个，孔板流量计个，孔板流量计1个个（局部阻力系数为（局部阻力系数为4），），90o标准弯头标准弯头4个，反应器内个，反应器内液面与管路出口的垂直距离为液面与管路出口的垂直距离为15m。今在库房里有一。今在库房里有一台备用的离心泵，其效率为台备用的离心泵，其效率为66%，轴功率为，轴功率为3.71kW。试计算该泵的轴功率能否满足要求。试计算该泵的轴功率能否满足要求。武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件出口管道出口管道:764，长，长45m，=0.3mm， 全开闸阀全开闸阀1个，孔板流量个，孔板流量计计1个（局部阻力系数为个（局部阻力系数为4），），90o标准弯头标准弯头4个个进口管道进口管道:108mm4mm，长，长5m，90o标准弯头标准弯头1个个,全开闸阀全开闸阀1个个。qm=2104kg/h1073kg/m3，粘度为，粘度为0.63mPasp1=-26.7kPa=66%，Pa=3.71kW试计算该泵的轴功率能否满足要求。试计算该泵的轴功率能否满足要求。武汉工程大学化工原理课件武汉工程大学化工原理课件解：