化工原理1.5-1.8管内流体流动的阻力课件

1、11.5-1.6 1.5-1.6 流体流动形态及阻力计算流体流动形态及阻力计算 教学目的：教学目的：重重 点：点：了解流体流动时产生阻力的原因，掌握流动阻力了解流体流动时产生阻力的原因，掌握流动阻力的计算，并应用于实际管路中阻力的计算。的计算，并应用于实际管路中阻力的计算。流体在圆管内流动时阻力的计算流体在圆管内流动时阻力的计算2实际流体的实际流体的Bernoulli方程方程:fHgpguZHegpguZ2222121122流体流动的阻力与流体的性质流体流动的阻力与流体的性质( (如粘度等如粘度等) )、流体流动形态、导、流体流动形态、导管的长度、管径、壁面情况以及流动时的变动状态（如缩小、管

2、的长度、管径、壁面情况以及流动时的变动状态（如缩小、扩张等）有关。扩张等）有关。阻力阻力hf直管阻力直管阻力(沿程阻力沿程阻力)由于由于内摩擦力内摩擦力而产生的能量损失而产生的能量损失局部阻力局部阻力截面骤然变化截面骤然变化流动方向改变流动方向改变流经管件、仪表等流经管件、仪表等由于由于局部障碍引起边局部障碍引起边界层分离界层分离而造成能量损失而造成能量损失? ?3一、管、管件及阀门简介一、管、管件及阀门简介管管:管子铸铁管（水管、煤气管、污水管）钢管（有缝、无缝）特殊钢管有色金属管塑料管橡胶管管子光滑管（玻璃管、铜管、铅管、塑料管等）粗糙管（旧钢管、铸铁管）管壁的相对粗糙度管壁的相对粗糙度d

3、e/4管件：管件：弯管（弯头）大小头冲压弯管与管的连接部分，它主要是用来改变管道管与管的连接部分，它主要是用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。5管件管件承插管件法兰法兰封头6阀门阀门:安装于管道中用以切断或调节流量。安装于管道中用以切断或调节流量。球阀截止阀闸阀止逆阀7（1）雷诺实验雷诺实验 1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。二二 流体流动的形态流体流动的形态雷诺实验装置雷诺实验装置8（2）雷诺实验现象雷诺实验现象 两种稳定的流动状态：滞流滞流（层流）、湍流（紊流）。层流）、湍流（紊流）。用红墨水观察管中水

4、的流动状态(a)层流(b)过渡流(c)湍流9二二 流体流动的形态流体流动的形态滞流滞流(laminar flow):也称为层流，也称为层流，流体的质点作一层滑过流体的质点作一层滑过一层的位移，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因一层的位移，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因扩散而转移。扩散而转移。流体的流速沿断面按抛物线分布；流体的流速沿断面按抛物线分布；管中流体的管中流体的平均流速为最大流速的平均流速为最大流速的1/21/2。Re2000uumaxd层流时流体在圆管中的速度分布10湍流湍流(turbulent flow):流体在流动时，流体的质点有剧烈的流体的质点有剧烈的骚扰涡动，

5、只是靠近管壁处还保留滞流的形态骚扰涡动，只是靠近管壁处还保留滞流的形态。接近管中央相当大范围内的流体流速接近于最大流速。管内流体的平均管内流体的平均流速为管中央最大流速的流速为管中央最大流速的0.80.8左右左右。Re4 000umaxururRd湍流时流体在圆管中的速度分布11流动形态的判据流动形态的判据雷诺数雷诺数（Reynolds number）duRe雷诺数：雷诺数：2000Re 滞流滞流4000Re 湍流湍流4000Re2000过渡状态过渡状态2000Re 滞流转变的临界值滞流转变的临界值相应的流速称为相应的流速称为临界流速临界流速NOTENOTE：工业上输送流体时大多数是以湍流形态

6、湍流形态进行的。12当量直径当量直径(equivalent diameter)流体润湿的周边流体流过的截面积 4de对于非圆形导管，计算Re时，应以当量直径de代替特征数中的直径d：例：直径d1的外套管与直径d2的内套管所形成的环行通道的 当量直径为：21212221)(4/ )(4ddddddde13三三 边界层及边界层分离边界层及边界层分离（boundary layer）边界层：边界层：流体的流速低于未受壁面影响的流速的99%的区域。主流区：主流区：在边界层以外，速度梯度接近为零的区域。边边 界界 层层边边 界界 层层边边 界界 层层边边 界界 层层主主 流流 区区主主 流流 区区滞流滞流

7、湍流湍流14图1-25 湍流流动NOTENOTE：滞流内层的厚度虽然不大，但粘附在壁面，成为传热和传 质的主要阻力；Re值越大，滞流内层厚度越小，传递过程 的阻力随之减小。15边界层的形成与发展边界层的形成与发展从管口到形成边界层所经历的管长称为从管口到形成边界层所经历的管长称为稳定段长度稳定段长度，此长度，此长度与管的与管的形状、管壁粗糙程度及雷诺数形状、管壁粗糙程度及雷诺数等因素有关。等因素有关。16边界层分离边界层分离BupuNOTENOTE：边界层分离会导致流体流动阻力的增大。边界层分离会导致流体流动阻力的增大。流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时，也会发生边界层分离。流体流经管件、阀

8、门、管束或异形壁面时，也会发生边界层分离。边界层分离的必要条件：粘性和逆压梯度边界层分离的必要条件：粘性和逆压梯度17改变物体表面的形状，如汽车、飞机都是流线型减小或避免边界层分离的措施减小或避免边界层分离的措施18阻力阻力 hf直管阻力直管阻力(沿程阻力沿程阻力) hf局部阻力局部阻力 hl 四四 流体在圆管内流动时的阻力计算流体在圆管内流动时的阻力计算 lffhhh19在定态下不可压缩流体在等径水平直管内流过。管的上下游各设一测压口，在测压口所在的1、2两截面间列机械能衡算方程，可得12fppph ffph管流阻力也常用所引起的压力降来表示，定义为单位体积流体流动产生的机械能损失： 32J

9、/m = N/m特别强调，与伯努利方程中两截面的压力差是两个截然不同的概念。 管流阻力的表示方法 滞流时的摩擦阻力滞流时的摩擦阻力主要是流体的内摩擦力服从牛顿粘性定律：服从牛顿粘性定律：dyduAFdyduAFdrdurl2drdurlrp22Ruldurdrp00max2Rduu2,2max)(2Re64/3222Paudldlup)/(2Re642kgJudlhf或2222uudl阻力系数摩擦阻力系数;1 1 直管阻力的计算直管阻力的计算21湍流时的流动阻力湍流时的流动阻力)/(22kgJudlhf)(22Paudlpl/d几何相似数；几何相似数； 摩擦阻力系数，是摩擦阻力系数，是Re，e

10、/d的函数。的函数。Fanning公式公式gu22管壁的相对粗糙度管壁的相对粗糙度:de/ 管的粗糙度，管的粗糙度，mm22查表：查表： 摩擦阻力系数摩擦阻力系数23摩擦阻力系数摩擦阻力系数经验公式计算：经验公式计算：对光滑管：对光滑管：53101103Re当柏拉相修斯（柏拉相修斯（BlasiusBlasius）公式公式25. 0Re3164. 08.175.1up 83101103Re当2)5 . 1Relg8 . 1 (柯纳柯夫（柯纳柯夫（KypnaKypnaKOBKOB）公式公式粗糙管：粗糙管：,10Re5当接近一常数,其值主要取决于管壁的粗糙度。2)lg214. 1(尼库拉则尼库拉则(

11、 (NokuradseNokuradse) )公式公式用用沿程阻力系数沿程阻力系数表示阻力计算公式表示阻力计算公式:gudlfHf2422 . 0Re046. 04f柯尔本柯尔本( (Colburn)Colburn)公式公式242 2 局部阻力局部阻力22ulh当流体在管道系统中流经各种管件、阀门、接头、改变方向，当流体在管道系统中流经各种管件、阀门、接头、改变方向，导管截面积骤然变化时，流体质点发生扰动而形成涡流，产生导管截面积骤然变化时，流体质点发生扰动而形成涡流，产生摩擦阻力，这类阻力称为摩擦阻力，这类阻力称为局部阻力局部阻力。局部阻力的计算：局部阻力的计算：当量长度法当量长度法:将局部

12、阻力的压头损失折算成相应长度的管子将局部阻力的压头损失折算成相应长度的管子所造成的压头损失，再并入总管长度来计算。此相应的管子长所造成的压头损失，再并入总管长度来计算。此相应的管子长度称为度称为当量长度当量长度 l le e。局部阻力局部阻力阻力系数法阻力系数法: :22udlhel25管管件件与与阀阀门门的的当当量量长长度度共共线线图图。26例例1-20:用泵将25oC的甲苯液体从地面储罐输送至高位槽，体积流量510-3m3/s，已知泵吸入管89mm4mm的无缝钢管，直管部分总长为5m，管路上装有一个底阀（旋启式止回阀全开），一个标准弯头；泵排除管57mm3.5mm的无缝钢管，直管部分总长为

13、30m，管路上装有一个全开的闸阀，一个全开的截至阀，三个标准弯头。高位槽高出储罐液面10m，泵的效率70%，求泵的轴功率。fhpugHWepugH2222121122271.7 1.7 流体输送管路的计算流体输送管路的计算复杂管路复杂管路简单管路简单管路28一、简单管路一、简单管路特点特点：管径相同，无分支的管路， 定态时，流速恒定、流量恒定。简单管路系统特性分析：简单管路系统特性分析：4321VVVVVqqqqq阻力损失： 质量流量：体积流量：(不可压缩流体)12344321mmmmmqqqqqHf1-4=Hf1-2+Hf2-3+Hf3-42()2eflluHdg 2()2fluHdg 或2

14、9 (1)1) 串联管路串联管路 特点：特点：管径不同，但无分支； 稳态时，不同管段流速不同； 系统阻力计算，需分段计算，再加和。二、复杂管路的计算二、复杂管路的计算（2）并联管路：）并联管路：在主管某处分为几支，然后又汇合成一主管路。在主管某处分为几支，然后又汇合成一主管路。主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和，主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和，qm=qm1+qm2+qm3123单位质量流体通过各支管的能量损失均相等，单位质量流体通过各支管的能量损失均相等，Hf1=Hf2=Hf3=HfAB并联管路并联管路复杂管路的计算复杂管路的计算AB注意注意：并联管路，各支路阻力相等。

15、并联段，只能计入一个支路的阻并联管路，各支路阻力相等。并联段，只能计入一个支路的阻力损失。力损失。ffffhhhh.32112222fBBBAAAHgpguHgpguH222fBBBHgpguH复杂管路的计算复杂管路的计算（3）分支管路：）分支管路：主主管处有分支，但最终管处有分支，但最终不再汇合的管路。不再汇合的管路。 主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和: qm=qm1+qm2 各分支管路流动终了时，总机械能与该管路中总摩擦阻力之各分支管路流动终了时，总机械能与该管路中总摩擦阻力之 和为常数。和为常数。22222112110200222f

16、fHgpguHHgpguHgpguH机械能衡算式机械能衡算式: 总管支管1232例例 题题例2-18 高位水槽引出内径40mm的出水管至B处，此管道连同局部阻力管长为100m。在B出分出内径均为25mm的、水平平行的C和D两管，C管连同局部阻力管长为20m，D管为40m。管内水流动的摩擦阻力系数可取0.03。求(1)C管单独全开时的流量；(2)C管和D管都全开时各自的流量。(可忽略动压头的变化)地面7m1mABCDACCCCAAAHfgpguHHegpguH2222解：解：(1)C管单独全开时管单独全开时: gdulgdulcccc22172020,01383. 1smuccmm 0,020c

17、ccudud （）2220.581.221.8cccuuu33例例 题题地面7m1mABCDACCCCAAAHfgpguHHegpguH2222解：解：(2)C管和管和D管都全开时管都全开时:gdulgdulcccc22172020,0DDccAuAuAu00DCuuu39. 039. 00ADDDDAAAHfgpguHHegpguH2222gdulgdulDDDc22172020,0DCuu ,341.8 流体流速与流量的测量流体流速与流量的测量35皮托管皮托管（PitotPitot tube tube）测速管测速管内管内管所测得的是静压能和动压能之和，合称所测得的是静压能和动压能之和，合称

18、冲压能冲压能( (impact impact pressure energypressure energy) )外管外管壁上的测压小孔与流体流动方向平行，所以外管测得的是流壁上的测压小孔与流体流动方向平行，所以外管测得的是流体体静压能静压能。2)2(21121112upupppp)(221iRgpu测速管实际测得的是流体在管截面某处的点速度，因此利用测速管测速管实际测得的是流体在管截面某处的点速度，因此利用测速管可以测得流体在管内的速度分布。可以测得流体在管内的速度分布。 36pp0P R孔板流量计孔板流量计（ori fice meter）u0u工作原理工作原理：根据：根据流体动力学原流体动力

19、学原理（柏努利方程理（柏努利方程），流体通过流体通过孔口时，因截面积骤然缩小，孔口时，因截面积骤然缩小，流体流速随之增大；因流体动流体流速随之增大；因流体动压头增大，其静压头骤然缩小。压头增大，其静压头骤然缩小。利用利用U型管压强计测出孔板前型管压强计测出孔板前后的压强差。后的压强差。37Ru0uZgp0Z220uu )(20gpgpg0pp Rgi)(SSuu00gu22gu220gp0)(1)(2200SSRgui* * 实际流体流动的阻力损失，孔板处突然收缩造成的扰动以及孔板与导管间装配可能有误差，这些影响因素归纳为孔板流量系数C C0 0( (一般为一般为0.61-0.63)0.61-0.63)Rgcui)(200NOTE:NOTE: 孔板流量计有相当大的压头损失孔板流量计有相当大的压头损失. .38文氏流量计文氏流量计（Venturi tube）RRgcuiV)(20u0NOTE: NOTE: 压头损失减少到只有压头损失减少到只有 读数的读数的10%或更少或更少