2.3 流体流动阻力.ppt

1、压头损失,损失能量,位能,静压能,动能,外加能量,位头,压力头,动压头,外加压头,知识回顾,2.3 流体阻力,流体在流动过程中所消耗的部分或全部能量是用来克服流动阻力的，因此，流动阻力的计算很关键。流体阻力的大小与流体的动力学性质（粘度）以及其他因素有关。,2.3.1 流体粘度的基本知识,（1） 流体阻力的表现,1,2,结论：流体在静止时没有流体阻力,实际流体的能量分布,1,2,结论：由左式可见，存在流体阻力致使静压能下降。阻力越大，静压强下降就越大。 静压强下降就是流体阻力的表现。,注意此公式的应用条件,（2） 流体阻力的来源,流体在静止时不承受切向力，但在运动时，层与层之间的阻碍力形成了流

2、体阻力，这种在流体内部发生的相互作用力称为剪切力（也称内摩擦力），内摩擦力是产生流体阻力的根本原因。 流体流动状况是产生流体阻力的第二位原因。另外，管壁的粗糙程度、管子的长度、直径均对流体阻力的大小有影响。,（3）流体的粘度,决定流体内摩擦力大小的物理性质成为粘性。 衡量粘性大小的物理量-粘度,油,水,比一比谁先漏完？,2.3.2 流体的粘性和牛顿粘性定律 （1）牛顿粘性定律,速度分布（速度侧形）：速度沿距离的变化关系。,平板间的流体剪应力与速度梯度,牛顿粘性定律：,实测发现：,意义：剪应力的大小与速度梯度成正比。 描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。,（2） 流体的粘度,物理意义, 动力粘

3、度，简称粘度,剪应力与速度梯度的关系,单位 SI单位制 ： Pa s ( N s /m2) 物理单位制 ： P(泊), 达因秒/厘米2 cP(厘泊) 换算关系：1cp=0.01 P=10-3 Pa s=1 mPa s,单位：1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s,运动粘度,m2/s,水在293K条件下的粘度为1 mPa s,(3) 影响因素, 液体 粘度随温度升高而降低，压力影响很小。, 气体 粘度随温度升高而增大，压力影响很小。 但在极高压力下，随压力增加有所增加；而在压力极低情况 下也要考虑压力的影响。,（4） 数据来源 各种流体的粘度数据，主要由实验测得。,在缺

4、少粘度实验数据时，可按理论公式或经验公式估算粘度。对于压力不太高的气体，估算结果较准，对于液体则较差。,(5) 混合物的粘度 按一定混合规则进行加和 对于分子不聚合的混合液可用下式计算,常压下气体混合物的粘度，可用下式计算,说明：不同流体的粘度差别很大。例如： 在压强为101.325kPa、温度为20的条件下，空气、水和甘油的动力粘度和运动粘度分别为： 空气 17.910-6 Pa s， 14.810 -6 m2/s 水 1.0110 -3 Pa s， 1.0110 -6 m2/s 甘油 1.499Pa s， 1.1910 -3 m2/s,（6）流体类型,牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。,

5、气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。 非牛顿型流体, a表观粘度，非纯物性, 是剪应力的函数。, 假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。 几乎所有高分子溶液或溶体属于假塑性流体。 胀塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。 粘塑性流体：当应力低于0 时，不流动；当应力高于0时，流动与牛顿型流体一样。 0 称为屈服应力。 如纸浆、牙膏、污水泥浆等。 触变性流体：表观粘度随时间的延长而减小，如油漆等。 粘弹性流体：既有粘性，又有弹性。当从大容器口挤出时，挤出物会自动胀大。 如塑料和纤维生产中都存在这种现象。,2.3.3 流体流动的类型-层流及湍流,（

6、1）雷诺实验 1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。,（2）雷诺实验现象,两种稳定的流动状态：层流、湍流。,用红墨水观察管中水的流动状态,湍流： 主体做轴向运动，同时有径向脉动； 特征：流体质点的脉动 。,层流： * 流体质点做直线运动； * 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞； * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力。,过渡流： 不是独立流型（层流+湍流）， 流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。,（3）实验分析,影响状态的因素：,Re是量纲为一数群,圆形直管中 Re2000 稳定的层流,Re 4000 稳定的湍流,2000 Re 4000 不稳定的过渡流,（4）层

7、流与湍流的速度分布,总结：层流与湍流的区别,雷诺准数 质点运动方式 速度分布 能量损失,2.3.4 流体流动阻力计算 （1）流体阻力的表示方法 对应于机械能衡算的三种形式，流体阻力损失亦有三种表达形式：,阻力损失与压力差的区别： pf 流体流经两截面间仅由于流动阻力所消耗的能量； p 任意两点间的压力差。,Pa,流体阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况、壁面的形状等因素有关。,J/kg,J/N,J/m3,二者之间的关系：,即：水平、等径直管，无外功加入时，两截面间的阻力损失 与两截面间的压力差在数值上相等。,管路中的流动阻力=直管阻力+局部阻力 直管阻力 hf：流体流经一定的直管中，由于流

8、体内摩擦而产生的阻力； 局部阻力 hf：流体流经管路中的管件、阀件及管截面的变化等局部地方所引起的阻力。,（2） 圆形直管内的阻力损失,在1-1和2-2截面之间列机械能衡算式：, 直圆管内阻力计算公式推导,因,所以,流体柱受到的与流动方向一致的推动力：,流体柱受到的与流动方向相反的阻力：,流体恒速流动时：,又：,J/kg,m,Pa, 范宁公式 计算流体流动阻力的一般公式,所以,令：,记忆我啊,压头损失,损失能量,位能,静压能,动能,外加能量,位头,压力头,动压头,外加压头,知识回顾,总结：层流与湍流的区别,雷诺准数 质点运动方式 速度分布 能量损失,层流时的摩擦系数及Hangen-Poiseu

9、ille方程,摩擦系数：,（3） 摩擦系数, Hangen-Poiseuille方程,知道我就行了, 湍流条件下的摩擦系数 影响因素复杂，一般由实验确定。 影响因素： 几何尺寸及形状； 表面情况 ； 流体的物性，如 密度，粘度等； 流速的大小。 利用量纲分析法可以得到：,根据实验，得到莫狄（Moody）摩擦系数图。, 摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度的关系 层流区 Re2000 过渡区 2000Re4000,（阻力平方区）,不完全湍流区,完全湍流区,湍流区 Re4000, 摩擦因子变化规律分析 粗糙度对的影响： 层流时：绕过突出物，对无影响。 湍流时： 当Re较小时，层流底层厚，形体阻力小，突出物

10、对的 影响小； 当高度湍流时，层流底层薄，突出物充分暴露，形成 较大的形体阻力，突出物对的影响大。,非圆直管中流动阻力,几种常见非圆管的当量直径 1）矩形流道,例如：Blasuis公式, 用公式求取摩擦系数,条件：,2）环形流道,（4） 局部阻力,流体流经管件、阀门、测量接口、管进出口段的阻力,产生原因：形体阻力；,确定方法：实验，归纳出经验公式。,蝶阀,式中 ： le 当量长度, 当量长度法,查数据表或当量长度共线图,当量长度法：以当量长度代替范宁公式中直管的长度进行 计算。 当量长度：管件、阀门产生的阻力相当于同直径且阻力损 失相同的圆管的长度，以 表示。,举例：截止阀配置在1144mm管道上，则它的当量长度,当量长度 数据表,100mm 的闸阀 1/2 关,le = 22m,100mm 的标准三通,le = 2.2m,100mm 的闸阀全开,le = 0.75m,当量长度 共线图,的获得：实验，见有关资料。,式中 ： -局部阻力系数, 局部阻力系数法,突然缩小,特例：突然扩大, 等径管总阻力计算,（5）系统的总阻力 系统总阻力=系统各直管阻力+局部阻力,减少流动阻力的途径：,管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯； 尽量不安装不必要的管件和阀门等； 管径适当大些