流动阻力和能量损失课件

流动阻力和能量损失

能量损失一般有两种表示方法：

流体阻力是造成能量损失的原因。产生阻力的内因是流体的粘性和惯性，外因是固体壁面对流体的阻滞作用和扰动作用。通常用单位重量流体的能量损失（或称水头损失）h1来表示，用液柱高度来量度；用液柱高度来量度；对于气体，则常用单位体积流体的能量损失（或称压力损失）H损来表示，用压力来量度。它们之间的关系为：H损=γh1一、能量损失的两种形式：能量损失分为两类：沿程损失和局部损失。㈠沿程阻力和沿程损失

在边壁沿程不变的管段上，流速基本上是沿程不变的，流动阻力只有沿程不变的切应力，称为沿程阻力。克服沿程阻力引起的能量损失，称为沿程损失，用hf（或Hf）表示。㈡局部阻力和局部损失在边界急剧变化的区域，由于出现了漩涡区和速度分布的变化，流动阻力大大增加，形成比较集中的能量损失。这种阻力称为局部阻力，相应的能量损失称为局部损失，用hj（或Hj）表示。

㈢能量损失的计算公式工程上常用的能量损失计算公式为：1．沿程水头损失：一、能量损失的两种形式：

整个管路的能量损失等于各管段的沿程损失和所有局部损失的总和，即：

hL=Σhf+Σhj2．局部水头损失：写成压力损失的形式，则为：

式中：

L—管长[米]；

d—管径[米]；

V—断面平均流速[米/秒]；

λ—沿程阻力系数（无因次参数）；

ζ—局部阻力系数（无因次参数）。一、能量损失的两种形式：二、层流、紊流和雷诺实验实际流体运动存在着两种不同的状态，即层流和紊流。这两种流动状态的沿程损失规律大不相同。

㈠雷诺实验

液体沿管轴方向流动时，流束之间或流体层与层之间彼此不相混杂，质点没有径向的运动，都保持各自的流线运动。这种流动状态，称为层流运动。

管中流速再稍增加，或有其它外部干扰振动，则有色液体将破裂、混杂成为一种紊乱状态。这种运动状态，称为紊流运动二、层流、紊流和雷诺实验

雷诺和其它学者的大量实验数据证实，若这四个物理量写成无因次数：二、层流、紊流和雷诺实验则流动是紊流；则流动是层流。二、层流、紊流和雷诺实验

研究非圆形断面或在流体中运动的物体时，式中的d应以其相应的特征尺寸代替。能够综合反映断面水力特性的量是水力半径R；它被定义为

其中A为有效断面面积（米2）。X称为湿周（米），指在有效断面A上，流体与固体边界的接触长度，下图为几种湿周的例子。二、层流、紊流和雷诺实验

对于圆形管道，其水力半径R为：

R=1/4πd2/πd=d/4或写成：d=4R

以d当表示，即d=4R=d当。

在通风工程中，除圆断面管道外，常见的还有矩形断面管道，其相应的d当为：

d当=4R=4ab/2（a+b）=2ab/（a+b）㈢流态分析

层流和紊流的根本区别在于层流各流层间互不掺混，只存在粘性引起的摩擦阻力；紊流则有大小不等的涡流动荡于各流层之间，除了粘性阻力，还存在着由于质点掺混、互相碰撞所造成的惯性阻力。因此，紊流阻力比层流阻力大得多。

雷诺数之所以能判别流态，正是因为它反映了惯性力和粘性力的对比关系。因此，当管中流体流动的雷诺数小于2320时，其粘性起主导作用，层流稳定。当雷诺数大于2320时，在流动核心部分的惯性力克服了粘性力的阻滞而产生涡流，掺混现象出现，层流向紊流转化。二、层流、紊流和雷诺实验三、单位摩阻R及沿程阻力的计算

每米长管道所具有的沿程摩擦阻力损失称为单位摩阻，以R表示。

㈠圆管的沿程摩擦阻力：对于每米长的圆管，其单位摩阻为：R=λ/d·H动

代入公式得：

Hm=R·L

圆管的单位摩阻R的数值可从附录中查找。三、单位摩阻R及沿程阻力的计算

㈡矩形直长管道的沿程摩擦阻力：求矩形管道中的摩擦阻力时，最方便的方法是利用当量直径来计算。

在计算中，不必自行计算摩擦阻力系数λ，根据流速v和流速当量直径d当可直接求出单位摩阻R，上述数字均可通过查表取得。

四、局部阻力的计算

㈠局部阻力的分类

1．流向改变⒉流速改变方向四、局部阻力的计算㈡、局部阻力的计算1．突然扩大圆管的局部阻力计算：（1）流体断面1-1上的总压力。

P1=p1F1P2=p2F2（2）流体漩涡区上的作用力。

P0=p1（F2-F1）（3）流体段本身的重量。

G=γF2L外力在水平方向的合力为：

P=P1-P2+P0=p1F1-p2F2+p1（F2-F1）=（p1-p2）F2四、局部阻力的计算㈡、局部阻力的计算1．突然扩大圆管的局部阻力计算：又根据伯努利方程式（若流体为空气时）：四、局部阻力的计算㈡、局部阻力的计算1．突然扩大圆管的局部阻力计算：令：称ξ为局部阻力系数，则有：

四、局部阻力的计算2．局部阻力损失的计算公式（普遍式）从定性上分析，由于引起局部阻力损失的原因是一致的，即流速的变化均伴随涡流的产生。因此可以用同一形式来表达，只是局部阻力系数不同而已，因此，确定任何局部阻力损失的普遍公式，可以写成：

式中的局部阻力系数ξ，取决于局部阻力构件的几何形状，通过实验来确定。局部阻力损失是集中产生的，常常可以通过改变管道的几何形状使之减弱或加强。减小局部阻力的途径是避免产生涡流区和质点的撞击。四、局部阻力的计算

㈢常用管件及其局部阻力

1．弯头

（1）弯头的规格1）D——弯头的直径[毫米]2）α——弯头的转向角[度]3）R——弯头的曲率半径，通常以管径D的倍数来表示。四、局部阻力的计算

㈢常用管件及其局部阻力

1．弯头

在除尘风网中，弯头的曲率半径R可在（1-2）D的范围内选择。在气力输送装置中，弯头的曲率半径R在（6-10）D为宜。弯头的节数不宜过多，一般每节不大于（15-180），但D或R较大时，节数需适当增多。（2）弯头局部阻力的计算四、局部阻力的计算

㈢常用管件及其局部阻力

2．三通

三通是汇合和分开气流的一种管件。四、局部阻力的计算

㈢常用管件及其局部阻力

2．三通（1）三通的规格

三通的直管直径D直、支管直径D支、总管直径D总以及支管和直管的中心夹角α。

对空气而言，汇合气流的三通称吸气三通，分开气流的三通称压气三通。根据管网的需要，常用中心夹角为300-450的三通。三通的阻力取决于两股气流合并的角度α及直流与支流的直径比（D直/D支）、支流与直流的速度比（V支/V直）。四、局部阻力的计算

㈢常用管件及其局部阻力

2．三通（2）三通的直管和支管的局部阻力计算：

H直=ξ直·H动直

H支=ξ支·H动支

式中：ξ直、ξ支——直管和弯管的阻力系数四、局部阻力的计算

㈢