5流动损失管道计算课件

第五章流动损失和管道计算流动损失产生的原因、方式、大小研究流动损失目的和意义流动损失及管路计算第五章流动损失和管道计算流动损失产生的原因、方式、大小研14.1流动状态和流动损失分类1、层流和紊流现象2、损失分析1）实验2）机理分析层流紊流层流损失：分子间吸引力和分子不规则运动的动量交换，称为粘性应力或层流应力。紊流损失：出上述阻力还包括大量小旋涡迁移、脉动动量交换产生的阻力，称为紊流应力。4.1流动状态和流动损失分类1、层流和紊流现象2、损失分析23、雷诺数Re流动状态不仅取决于速度，而是由管道尺寸、流体物性、速度共同决定，即：利用雷诺数可以判别流动状态：Re＜Recr层流Re＞Recr′

紊流Recr＜

Re＜Recr′

可能层流也可能紊流Recr′＝13800

Recr＝2320Re＝2000物理意义：单位时间单位面积动量，惯性力速度梯度，粘性力Recr：紊流转变为层流对应的雷诺数Recr′：层流转变为紊流对应的雷诺数3、雷诺数Re流动状态不仅取决于速度，而是由管道尺寸、流体物3【例6-3】管道直径d=100mm，输送水的流量q=0.01m3/s，水的运动黏度v=10-6m2/s，求水在管中的流动状态？若输送v=1.14×10-4m2/s的石油，保持前一种情况下的流速不变，流动又是什么状态？【解】故水在管道中是紊流状态故油在管中是层流状态（1）（2）【例6-3】管道直径d=100mm，输送水的流量q=0.44.2流体在圆管中的层流流动入口段流动壁面滞止x=00＜x＜L边界层增长x=L边界层充满管腔x＞L充分发展段2、入口段长度层流入口段L=(60~138)d(Re=1000~2300)湍流入口段L=(20~40)d(Re=104~106)一、圆管截面速度分布4.2流体在圆管中的层流流动入口段流动壁面滞止x=00＜x＜53.速度分布由定常流动，控制体外力平衡取图示同轴圆柱形控制体，侧面切应力为τ,端面上取平均压强p取半径为r，长度为l的流段p2p1L3.速度分布由定常流动，控制体外力平衡取图示同轴圆柱形控制体6由牛顿内摩擦定律在轴线上(r=0),速度为最大值由壁面不滑移条件，r=r0,v=0可得圆管定常层流的速度分布式：r00yx0drr由牛顿内摩擦定律在轴线上(r=0),速度为最大值由壁面不滑移7二、沿程损失单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失，以hf表示l—管道长度，m；d—管道内径，m；V—管道中有效截面上的平均流速，m/s称为达西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式。二、沿程损失单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失，以hf8切应力分布在管壁处代入沿程损失切应力速度或摩察速度切应力分布在管壁处代入沿程损失切应力速度或摩察速度9例d=100mm,L=16km,油在油管中流动,油=915kg/m3,=1.8610-4m2/s,求每小时通过50t油所需要的功率例d=100mm,L=16km,油在10例输送润滑油的管子直径8mm，管长15m，如图所示。油的运动黏度m2/s，流量12cm3/s，求油箱的水头（不计局部损失）。

雷诺数为层流列截面1-1和2-2的伯努利方程例输送润滑油的管子直径8mm，管长15m11认为油箱面积足够大，取认为油箱面积足够大，取12例设有1000m水平钢管，直径150mm，两端压强分别为1×106Pa和3.5×104Pa，油在油管中流动,油=920kg/m3,=410-4m2/s,求通过管道流量由伯努力方程：假设为层流流动，则速度为：校核雷诺数：例设有1000m水平钢管，直径150mm，两端压强分别134.3流体在圆管中湍流流动特性随机性掺混性涡旋性时均法体均法表达法输运特性湍流结构特性基本方程大尺度涡旋场小尺度随机运动雷诺方程包含雷诺应力4.3流体在圆管中湍流流动特性随机性掺混性涡旋性时均14一、紊流的脉动现象与时均化1、时均值将紊流速度转化成了平均速度2、紊流度反映紊流的随机性一、紊流的脉动现象与时均化1、时均值将紊流速度转化成了平均速15二、壁面紊流流动结构壁面紊流自由紊流壁面紊流粘性底层过渡层核心流二、壁面紊流流动结构壁面紊流自由紊流壁面紊流粘性底层过渡层核161、水力光滑管2、水力粗糙管当时，则管壁的粗糙凸出的高度完全被层流底层所掩盖当时，即管壁的粗糙凸出部分突出到紊流区中1、水力光滑管2、水力粗糙管当时，则管壁的粗糙凸出的17三、普朗特混合长度理论目的：确定紊流应力大小关键：如何确定脉动速度混合长度l：微团y向脉动进入另一层流体经过不与其它流体相碰撞的距离假设1：假设2：三、普朗特混合长度理论目的：确定紊流应力大小关键：如何确定脉185流动损失管道计算课件19（2）核心区三、紊流的速度分布（1）粘性底层由牛顿内摩擦定律:由摩擦速度定义式：紊流速度分布式：普朗特混合长度理论l为混合长度，设l=ky，并假设与壁面切应力近似相等即（2）核心区三、紊流的速度分布（1）粘性底层由牛顿内摩擦定律20(3)过渡层粘性应力与紊流应力在数量级上相当（4）各区如何划分粘性底层过渡层交点y值即粘性底层厚度（5）工程应用Re41042.31041.11051.11062.01063.2106n6.06.67.08.810.010.0(3)过渡层粘性应力与紊流应力在数量级上相当（4）各区如何21四、紊流的沿程损失计算四、紊流的沿程损失计算224.4圆管流动沿程损失实验研究水力光滑粗糙过渡区水力粗糙湍流雷诺数Re相对粗糙度ε/d绝对粗糙度ε粗糙度流态层流商用管人工管达西摩擦因子达西公式适用各种管道粘性底层δ尼古拉兹图等效粗糙度穆迪图圆管流动沿程损失4.4圆管流动沿程损失实验研究水力光滑粗糙过渡区水力粗糙23lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV(Ⅰ)层流区尼古拉兹实验lg(100)d/61302521201014504lg24lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV(Ⅱ)流态过渡区(Ⅲ)紊流光滑区勃拉修斯公式卡门-尼古拉兹公式lg(100)d/61302521201014504lg25lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV(Ⅳ)紊流粗糙区(Ⅴ)紊流阻力平方区考尔布鲁克公式lg(100)d/61302521201014504lg26穆迪图紊流通用公式：穆迪图紊流通用公式：27完全粗糙区穆迪图湍流光滑区过渡区层流区粗糙过渡区普朗特—史里希廷公式布拉休斯公式罗斯线无规律冯·卡门公式等效粗糙度科尔布鲁克公式C3.6圆管流动沿程损失完全粗糙区穆迪图湍流光滑区过渡区层流区粗糙过渡区普朗特—布拉28C3.6圆管流动沿程损失水泥0.3～3.0铆钉钢0.9～9.0

材料(新)ε(mm)

木板0.18～0.9铸铁0.26镀锌铁0.15沥青铸铁0.12商用钢和锻铁

0.046冷拔管0.0015

表C3.6.1商用管等效粗糙度C3.6圆管流动沿程损失水泥029【例6-1】输送石油的管道长5000m，直径250mm的旧无缝钢管，通过的质量流量100t/h，运动黏度在冬季=1.09×10－4m2/s，夏季=0.36×10-4m2/s，若取密度885kg/m3，试求沿程水头损失各为多少？【解】首先判别流动所处的区域【例6-1】输送石油的管道长5000m，直径30需进一步判别夏季石油在管道中的流动状态处于紊流哪个区域，查表6-1得旧无缝钢管0.1959.6==99082>4444.4即4000<<99082，流动处于紊流光滑管区。沿程水头损失冬季（m石油柱）由于夏季石油在管道中流动状态处于紊流光滑管区，故沿程阻力系数用勃拉休斯公式计算，即

夏季（m石油柱）需进一步判别夏季石油在管道中的流动状态处于紊流哪个区31输送空气（t=20℃）的旧钢管道，取管壁绝对粗糙度lmm，管道长400m，管径250mm，管道两端的静压强差为9806Pa，试求该管道通过的空气流量为多少?【解】因为是等直径的管道，管道两端的静压强差就等于在该管道中的沿程损失。t=20℃的空气，密度1.2kg/m3，运动粘度管道的相对粗糙度，由莫迪图试取0.027故

(m/s)输送空气（t=20℃）的旧钢管道，取管壁绝对粗糙度lm32雷诺数根据和，由莫迪图查得0.027，正好与试取的值相符合。若两者不相符合，则应将查得的值代入上式，按上述步骤进行重复计算，直至最后由莫迪图查得的值与改进的值相符合为止。管道通过的空气流量为(m3/s)5流动损失管道计算课件334.5局部损失产生原因微团碰撞摩擦产生涡旋扩大收缩弯管速度重新分布阀门典型部件计算公式局部损失系数表局部损失4.5局部损失产生原因微团碰撞摩擦产生涡旋扩大收缩弯34二、局部损失的计算1－1和2—2的中心点的压强各为和，平均流速各为和，截面积各为和连续方程：动量方程：列出截面1-1和2-2的伯努利方程二、局部损失的计算1－1和2—2的中心点的压强各为和，连355流动损失管道计算课件36C3.7局部损失入口与出口(1)三种管入口(2)管出口（K=1）扩大与缩小(1)突然扩大(2)突然缩小(3)渐扩管时,K为极小值。C3.7局部损失入口与出口(1)三种管入口(2)管出口37C3.7局部损失弯管和折管(1)弯管(2)折管安装导流片后，ζ减小80%。阀门关闭时,ζ→∞全开时,ζ值为闸阀<蝶阀<球阀。

图为曲线。ζ随θ增加而增大。弯管中发生二次流和分离区C3.7局部损失弯管和折管(1)弯管(2)折管安装导384.6管路计算1、管道水力计算主要任务(1)给定的流量和允许的压强损失确定管道直径；(2)给定的管道直径、管道布置和流量来计算压强损失；(3)给定的管道直径、管道布置和允许的压强损失，计算流量。管道水力计算的基本公式：连续性方程、伯努利方程和能量损失公式等。常数4.6管路计算1、管道水力计算主要任务(1)给定的流量392管道系统分类1）按能量损失大小长管：凡局部阻力和出口速度水头在总的阻力损失中，其比例不足5％的管道系统，称为水力长管，也就是说只考虑沿程损失。短管：在水力计算中，同时考虑沿程损失和局部损失的管道系统，称为短管。2）按管道系统结构串联管道：不同管径或不同粗糙度的数段管子串联联接所组成的管道系统，。并联管道：是指数段管道并列联接所组成的管道系统。分支管道管网2管道系统分类1）按能量损失大小2）按管道系统结构403、串联管道常数3、串联管道常数41[例C3.7.2]管路损失计算：沿程损失+局部损失

已知:图示上下两个贮水池由直径d=10cm，长l=50m的铁管连接（ε=0.046mm）中间连有球形阀一个（全开时εv=5.7），90°弯管两个（每个Kb=0.64），为保证管中流量Q=0.04m3/s,求：两贮水池的水位差H（m）。管内平均速度为解：管内流动损失由两部分组成：局部损失和沿程损失。局部损失除阀门和弯头损失外，还有入口（ζin=0.5）和出口（ζout=1.0）损失沿程损失为[例C3.7.2]管路损失计算：沿程损失+局部损失已知:42[例C3.7.2]管路损失计算：沿程损失+局部损失

λ由穆迪图确定。ν=10–6

m2/s查穆迪图可得

λ=0.0173

对两贮水池液面（1）和（2）列伯努利方程的第一种推广形式,由(B4.6.13b）式对液面V1=V2=0，p1=p2=0，由上式可得[例C3.7.2]管路损失计算：沿程损失+局部损失λ由穆43[例C3.7.2]管路损失计算：沿程损失+局部损失

讨论：（1）本例中尽管在单管中嵌入了多个部件，包括入口和出口，有多个局部损失成分，只要正确确定每个部件的局部损失因子，将其累加起来，按一个总的局部损失处理。（2）计算结果表明，本例中管路局部损失与沿程损失大小相当，两者必须同时考虑。（3）本例若改为第三类问题：给定流量和水头损失计算管径，由于许多部件的局部损失因子与管径有关，除了达西摩擦因子需要迭代计算外，局部损失因子也要迭代，计算的复杂性比不计局部损失时大大提高了。工程上通常将局部损失折算成等效长度管子的沿程损失，使计算和迭代简化。[例C3.7.2]管路损失计算：沿程损失+局部损失讨论：444、并联管道4、并联管道455-6液体出流一、薄壁小孔口定常出流(v1=0,H=C)截面1-1和截面c-c伯努力方程实际流速和理想流速之比5-6液体出流一、薄壁小孔口定常出流(v1=0,H=C46二、薄壁大孔口定常出流(v1≠0,H=C)孔口的出流性能：收缩系数、流速系数、流量系数截面1-1和截面c-c伯努力方程二、薄壁大孔口定常出流(v1≠0,H=C)孔口的出流性能：收47三、外伸喷嘴定常出流(v1≠0,H=C)截面1-1和截面2-2伯努力方程若截面1-1和截面2-2无高差，即H＝0三、外伸喷嘴定常出流(v1≠0,H=C)截面1-1和截面2-48第五章流动损失和管道计算流动损失产生的原因、方式、大小研究流动损失目的和意义流动损失及管路计算第五章流动损失和管道计算流动损失产生的原因、方式、大小研494.1流动状态和流动损失分类1、层流和紊流现象2、损失分析1）实验2）机理分析层流紊流层流损失：分子间吸引力和分子不规则运动的动量交换，称为粘性应力或层流应力。紊流损失：出上述阻力还包括大量小旋涡迁移、脉动动量交换产生的阻力，称为紊流应力。4.1流动状态和流动损失分类1、层流和紊流现象2、损失分析503、雷诺数Re流动状态不仅取决于速度，而是由管道尺寸、流体物性、速度共同决定，即：利用雷诺数可以判别流动状态：Re＜Recr层流Re＞Recr′

紊流Recr＜

Re＜Recr′

可能层流也可能紊流Recr′＝13800

Recr＝2320Re＝2000物理意义：单位时间单位面积动量，惯性力速度梯度，粘性力Recr：紊流转变为层流对应的雷诺数Recr′：层流转变为紊流对应的雷诺数3、雷诺数Re流动状态不仅取决于速度，而是由管道尺寸、流体物51【例6-3】管道直径d=100mm，输送水的流量q=0.01m3/s，水的运动黏度v=10-6m2/s，求水在管中的流动状态？若输送v=1.14×10-4m2/s的石油，保持前一种情况下的流速不变，流动又是什么状态？【解】故水在管道中是紊流状态故油在管中是层流状态（1）（2）【例6-3】管道直径d=100mm，输送水的流量q=0.524.2流体在圆管中的层流流动入口段流动壁面滞止x=00＜x＜L边界层增长x=L边界层充满管腔x＞L充分发展段2、入口段长度层流入口段L=(60~138)d(Re=1000~2300)湍流入口段L=(20~40)d(Re=104~106)一、圆管截面速度分布4.2流体在圆管中的层流流动入口段流动壁面滞止x=00＜x＜533.速度分布由定常流动，控制体外力平衡取图示同轴圆柱形控制体，侧面切应力为τ,端面上取平均压强p取半径为r，长度为l的流段p2p1L3.速度分布由定常流动，控制体外力平衡取图示同轴圆柱形控制体54由牛顿内摩擦定律在轴线上(r=0),速度为最大值由壁面不滑移条件，r=r0,v=0可得圆管定常层流的速度分布式：r00yx0drr由牛顿内摩擦定律在轴线上(r=0),速度为最大值由壁面不滑移55二、沿程损失单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失，以hf表示l—管道长度，m；d—管道内径，m；V—管道中有效截面上的平均流速，m/s称为达西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式。二、沿程损失单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失，以hf56切应力分布在管壁处代入沿程损失切应力速度或摩察速度切应力分布在管壁处代入沿程损失切应力速度或摩察速度57例d=100mm,L=16km,油在油管中流动,油=915kg/m3,=1.8610-4m2/s,求每小时通过50t油所需要的功率例d=100mm,L=16km,油在58例输送润滑油的管子直径8mm，管长15m，如图所示。油的运动黏度m2/s，流量12cm3/s，求油箱的水头（不计局部损失）。

雷诺数为层流列截面1-1和2-2的伯努利方程例输送润滑油的管子直径8mm，管长15m59认为油箱面积足够大，取认为油箱面积足够大，取60例设有1000m水平钢管，直径150mm，两端压强分别为1×106Pa和3.5×104Pa，油在油管中流动,油=920kg/m3,=410-4m2/s,求通过管道流量由伯努力方程：假设为层流流动，则速度为：校核雷诺数：例设有1000m水平钢管，直径150mm，两端压强分别614.3流体在圆管中湍流流动特性随机性掺混性涡旋性时均法体均法表达法输运特性湍流结构特性基本方程大尺度涡旋场小尺度随机运动雷诺方程包含雷诺应力4.3流体在圆管中湍流流动特性随机性掺混性涡旋性时均62一、紊流的脉动现象与时均化1、时均值将紊流速度转化成了平均速度2、紊流度反映紊流的随机性一、紊流的脉动现象与时均化1、时均值将紊流速度转化成了平均速63二、壁面紊流流动结构壁面紊流自由紊流壁面紊流粘性底层过渡层核心流二、壁面紊流流动结构壁面紊流自由紊流壁面紊流粘性底层过渡层核641、水力光滑管2、水力粗糙管当时，则管壁的粗糙凸出的高度完全被层流底层所掩盖当时，即管壁的粗糙凸出部分突出到紊流区中1、水力光滑管2、水力粗糙管当时，则管壁的粗糙凸出的65三、普朗特混合长度理论目的：确定紊流应力大小关键：如何确定脉动速度混合长度l：微团y向脉动进入另一层流体经过不与其它流体相碰撞的距离假设1：假设2：三、普朗特混合长度理论目的：确定紊流应力大小关键：如何确定脉665流动损失管道计算课件67（2）核心区三、紊流的速度分布（1）粘性底层由牛顿内摩擦定律:由摩擦速度定义式：紊流速度分布式：普朗特混合长度理论l为混合长度，设l=ky，并假设与壁面切应力近似相等即（2）核心区三、紊流的速度分布（1）粘性底层由牛顿内摩擦定律68(3)过渡层粘性应力与紊流应力在数量级上相当（4）各区如何划分粘性底层过渡层交点y值即粘性底层厚度（5）工程应用Re41042.31041.11051.11062.01063.2106n6.06.67.08.810.010.0(3)过渡层粘性应力与紊流应力在数量级上相当（4）各区如何69四、紊流的沿程损失计算四、紊流的沿程损失计算704.4圆管流动沿程损失实验研究水力光滑粗糙过渡区水力粗糙湍流雷诺数Re相对粗糙度ε/d绝对粗糙度ε粗糙度流态层流商用管人工管达西摩擦因子达西公式适用各种管道粘性底层δ尼古拉兹图等效粗糙度穆迪图圆管流动沿程损失4.4圆管流动沿程损失实验研究水力光滑粗糙过渡区水力粗糙71lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV(Ⅰ)层流区尼古拉兹实验lg(100)d/61302521201014504lg72lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV(Ⅱ)流态过渡区(Ⅲ)紊流光滑区勃拉修斯公式卡门-尼古拉兹公式lg(100)d/61302521201014504lg73lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV(Ⅳ)紊流粗糙区(Ⅴ)紊流阻力平方区考尔布鲁克公式lg(100)d/61302521201014504lg74穆迪图紊流通用公式：穆迪图紊流通用公式：75完全粗糙区穆迪图湍流光滑区过渡区层流区粗糙过渡区普朗特—史里希廷公式布拉休斯公式罗斯线无规律冯·卡门公式等效粗糙度科尔布鲁克公式C3.6圆管流动沿程损失完全粗糙区穆迪图湍流光滑区过渡区层流区粗糙过渡区普朗特—布拉76C3.6圆管流动沿程损失水泥0.3～3.0铆钉钢0.9～9.0

材料(新)ε(mm)

木板0.18～0.9铸铁0.26镀锌铁0.15沥青铸铁0.12商用钢和锻铁

0.046冷拔管0.0015

表C3.6.1商用管等效粗糙度C3.6圆管流动沿程损失水泥077【例6-1】输送石油的管道长5000m，直径250mm的旧无缝钢管，通过的质量流量100t/h，运动黏度在冬季=1.09×10－4m2/s，夏季=0.36×10-4m2/s，若取密度885kg/m3，试求沿程水头损失各为多少？【解】首先判别流动所处的区域【例6-1】输送石油的管道长5000m，直径78需进一步判别夏季石油在管道中的流动状态处于紊流哪个区域，查表6-1得旧无缝钢管0.1959.6==99082>4444.4即4000<<99082，流动处于紊流光滑管区。沿程水头损失冬季（m石油柱）由于夏季石油在管道中流动状态处于紊流光滑管区，故沿程阻力系数用勃拉休斯公式计算，即

夏季（m石油柱）需进一步判别夏季石油在管道中的流动状态处于紊流哪个区79输送空气（t=20℃）的旧钢管道，取管壁绝对粗糙度lmm，管道长400m，管径250mm，管道两端的静压强差为9806Pa，试求该管道通过的空气流量为多少?【解】因为是等直径的管道，管道两端的静压强差就等于在该管道中的沿程损失。t=20℃的空气，密度1.2kg/m3，运动粘度管道的相对粗糙度，由莫迪图试取0.027故

(m/s)输送空气（t=20℃）的旧钢管道，取管壁绝对粗糙度lm80雷诺数根据和，由莫迪图查得0.027，正好与试取的值相符合。若两者不相符合，则应将查得的值代入上式，按上述步骤进行重复计算，直至最后由莫迪图查得的值与改进的值相符合为止。管道通过的空气流量为(m3/s)5流动损失管道计算课件814.5局部损失产生原因微团碰撞摩擦产生涡旋扩大收缩弯管速度重新分布阀门典型部件计算公式局部损失系数表局部损失4.5局部损失产生原因微团碰撞摩擦产生涡旋扩大收缩弯82二、局部损失的计算1－1和2—2的中心点的压强各为和，平均流速各为和，截面积各为和连续方程：动量方程：列出截面1-1和2-2的伯努利方程二、局部损失的计算1－1和2—2的中心点的压强各为和，连835流动损失管道计算课件84C3.7局部损失入口与出口(1)三种管入口(2)管出口（K=1）扩大与缩小(1)突然扩大(2)突然缩小(3)渐扩管时,K为极小值。C3.7局部损失入口与出口(1)三种管入口(2)管出口85C3.7局部损失弯管和折管(1)弯管(2)折管安装导流片后，ζ减小80%。阀门关闭时,ζ→∞全开时,ζ值为闸阀<蝶阀<球阀。

图为曲线。ζ随θ增加而增大。弯管中发生二次流和分离区C3.7局部损失弯管和折管(1)弯管(2)折管安装导864.6管路计算1、管道水力计算主要任务(1)给定的流量和允许的压强损失确定管道直径；(2)给定的管道直径、管道布置和流量来计算压强损失；(3)给定的管道直径、管道布置和允许的压强损失，计算流量