流體在管道中對流動規(guī)律——流動能量損失的確定

1、 從討論產(chǎn)生能量損失的原因及管內(nèi)速度分布等入從討論產(chǎn)生能量損失的原因及管內(nèi)速度分布等入手，學(xué)習(xí)能量損失的計算方法。手，學(xué)習(xí)能量損失的計算方法。0)(212212212fuupphzzg136 流體在管路中流動的能量損失流體在管路中流動的能量損失 1黏度黏度流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為粘性粘性。流體流體的黏性是流體流動時產(chǎn)生能力損失的根本原因的黏性是流體流動時產(chǎn)生能力損失的根本原因 流體粘性越大，其流動性就越小。從桶底把一桶甘流體粘性越大，其流動性就越小。從桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，這是因為甘油流油放完要比把一桶水放完慢得多，這是因為甘油流

2、動時內(nèi)摩擦力比水大的緣故。動時內(nèi)摩擦力比水大的緣故。流體黏度的定義為流體黏度的定義為：兩層流體之間單位面積上的內(nèi)磨：兩層流體之間單位面積上的內(nèi)磨擦與速度梯度為之比，用符號擦與速度梯度為之比，用符號表示，其單位是：表示，其單位是：Pa s 一、流體阻力的產(chǎn)生原因一、流體阻力的產(chǎn)生原因 2流體的流動型態(tài)流體的流動型態(tài) 流體流動時產(chǎn)生的能量損失除了與流體的黏性、流動距離有關(guān)外，還取決于管內(nèi)流體的流速等因素。流速對能量損失的影響與流體在流道內(nèi)的流動形態(tài)有關(guān)。 雷諾實驗 圖圖 雷諾實驗雷諾實驗流體流動類型與雷諾準數(shù)流體流動類型與雷諾準數(shù) q流速小時，有色流體在管內(nèi)沿軸線方向成一條直線。流速小時，有色流體

3、在管內(nèi)沿軸線方向成一條直線。表明，水的質(zhì)點在管內(nèi)都是沿著與管軸平行的方向作直表明，水的質(zhì)點在管內(nèi)都是沿著與管軸平行的方向作直線運動，各層之間沒有質(zhì)點的遷移。線運動，各層之間沒有質(zhì)點的遷移。q當開大閥門使水流速逐漸增大到一定數(shù)值時，有色細當開大閥門使水流速逐漸增大到一定數(shù)值時，有色細流便出現(xiàn)波動而成波浪形細線，并且不規(guī)則地波動；流便出現(xiàn)波動而成波浪形細線，并且不規(guī)則地波動； q速度再增，細線的波動加劇，整個玻璃管中的水呈現(xiàn)速度再增，細線的波動加劇，整個玻璃管中的水呈現(xiàn)均勻的顏色。顯然，此時流體的流動狀況已發(fā)生了顯著均勻的顏色。顯然，此時流體的流動狀況已發(fā)生了顯著地變化。地變化。 流體流動狀態(tài)類型

4、流體流動狀態(tài)類型過渡流過渡流： 流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。過渡流不是一種或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。過渡流不是一種流型。流型。q湍流湍流(turbulent flow)或紊流或紊流: 當流體在管道中流動時，流體質(zhì)點除了沿著管道向前流動當流體在管道中流動時，流體質(zhì)點除了沿著管道向前流動外，各質(zhì)點的運動速度在大小和方向上都會發(fā)生變化，質(zhì)點間外，各質(zhì)點的運動速度在大小和方向上都會發(fā)生變化，質(zhì)點間彼此碰撞并互相混合，這種流動狀態(tài)稱為湍流或紊流彼此碰撞并互相混合，這種流動狀態(tài)稱為湍流或紊流。q層流層

5、流(laminar flow)或滯流或滯流(viscous flow): 當流體在管中流動時，若其質(zhì)點始終沿著與管軸平行的方向作直線運當流體在管中流動時，若其質(zhì)點始終沿著與管軸平行的方向作直線運動，質(zhì)點之間沒有遷移，互不混合，整個管的流體就如一層一層的同心圓動，質(zhì)點之間沒有遷移，互不混合，整個管的流體就如一層一層的同心圓筒在平行地流動。筒在平行地流動。影響流體流動類型的因素：影響流體流動類型的因素：流體的流速流體的流速u ；管徑管徑d；流體密度流體密度；流體的粘度流體的粘度。 u u、d d、越大，越大，越小，就越容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥脑叫?，就越容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌Ａ?。上述中四個因素所組成的復(fù)合

6、數(shù)群上述中四個因素所組成的復(fù)合數(shù)群du/，是判斷流體流，是判斷流體流動類型的準則。動類型的準則。 這數(shù)群稱為這數(shù)群稱為雷諾準數(shù)或雷諾數(shù)雷諾準數(shù)或雷諾數(shù)( (Reynolds number)Reynolds number)，用用ReRe表示。表示。0003)()()(Reskgmsmkgmkgsmmdu雷諾準數(shù)的因次雷諾準數(shù)的因次 ReRe數(shù)是一個無因次數(shù)群。數(shù)是一個無因次數(shù)群。dubbb 層流運動層流運動流體運動速度較慢流體運動速度較慢, 與管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系數(shù)與與管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系數(shù)與 無關(guān)，無關(guān)， 只與只與Re有關(guān)。層流時，有關(guān)。層流時， 在粗糙管的流動與在在粗糙管

7、的流動與在光滑管的流動相同。光滑管的流動相同。p 粗糙度對流體流動類型的影響粗糙度對流體流動類型的影響湍流運動湍流運動 ，阻力與層流相似，此時稱為水力光滑管。，阻力與層流相似，此時稱為水力光滑管。 ，Re b 質(zhì)點通過凸起部分時產(chǎn)生漩渦質(zhì)點通過凸起部分時產(chǎn)生漩渦 能能耗耗 。b b bdbu大量實驗表明大量實驗表明：qReRe20002000，流動類型為層流；，流動類型為層流；qReRe40004000，流動類型為湍流；，流動類型為湍流；q20002000ReRe40004000，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情也可能是湍流，

8、或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。況有關(guān)。 在兩根不同的管中，當流體流動的在兩根不同的管中，當流體流動的Re數(shù)相同時，只數(shù)相同時，只要流體邊界幾何條件相似，則流體流動狀態(tài)也相同。要流體邊界幾何條件相似，則流體流動狀態(tài)也相同。這稱為這稱為流體流動的相似原理流體流動的相似原理。 圖圖1-16流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布速度分布速度分布：流體流動時，管截面上質(zhì)點的軸向速度沿半徑的流體流動時，管截面上質(zhì)點的軸向速度沿半徑的變化。流動類型不同，速度分布規(guī)律亦不同。變化。流動類型不同，速度分布規(guī)律亦不同。 流體在圓管中層流時的速度分布流體在圓管中層流時的速度分布 由實驗可以測得層流流動

9、時的速度分布，如圖所示。由實驗可以測得層流流動時的速度分布，如圖所示。速度分布為拋物線形狀。速度分布為拋物線形狀。管中心的流速最大；管中心的流速最大；速度向管壁的方向漸減；速度向管壁的方向漸減；靠管壁的流速為零；靠管壁的流速為零；平均速度為最大速度的一半。平均速度為最大速度的一半。 實驗證明，層流速度的拋物線分布規(guī)律要流過一段實驗證明，層流速度的拋物線分布規(guī)律要流過一段距離后才能充分發(fā)展成拋物線的形狀。距離后才能充分發(fā)展成拋物線的形狀。 當液體深入到一定距離之后，管中心的速度等于平均速度的兩倍時，當液體深入到一定距離之后，管中心的速度等于平均速度的兩倍時，層流速度分布的拋物線規(guī)律才算完全形成。

10、尚未形成層流拋物線規(guī)律的這層流速度分布的拋物線規(guī)律才算完全形成。尚未形成層流拋物線規(guī)律的這一段，稱為一段，稱為層流起始段層流起始段。X X0 00.05dRe0.05dRe X0滯流邊界層滯流邊界層 湍流：除沿軸向的運動外，在徑向上還有舜時脈湍流：除沿軸向的運動外，在徑向上還有舜時脈動，從而產(chǎn)生漩渦。動，從而產(chǎn)生漩渦。uiuiui12流體在圓管中湍流時的速度分布流體在圓管中湍流時的速度分布湍流的速度分布目前還沒有理論推導(dǎo)，但有經(jīng)驗公式。湍流的速度分布目前還沒有理論推導(dǎo)，但有經(jīng)驗公式。1 2 速度分布有兩個區(qū)域：速度分布有兩個區(qū)域： 中心中心(較平坦較平坦); 近管壁近管壁(速度梯度很大速度梯度

11、很大); u壁壁=0.3 近管壁有層流底層近管壁有層流底層；4 中間為湍流區(qū)；中間為湍流區(qū)；5 u越大，層流底層越??；越大，層流底層越??； ；6 起始段：起始段：max82. 0平均u8/72 .64eRddx)5040(0特點：特點：湍流湍流滯流滯流能量損失能量損失：流體在管內(nèi)從第一截面流到第二截面時，由于流體在管內(nèi)從第一截面流到第二截面時，由于流體層之間或流體之間的湍流產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力，使一部分機流體層之間或流體之間的湍流產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力，使一部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能。我們把這部分機械能稱為能量損失。能量損械能轉(zhuǎn)化為熱能。我們把這部分機械能稱為能量損失。能量損失可以通過阻力計算求得。失可以通過

12、阻力計算求得。流動阻力流動阻力：流體在管路中的流動阻力可分為流體在管路中的流動阻力可分為直管阻力直管阻力和和局部阻力局部阻力兩類。兩類。二、流體在管路中的流動阻二、流體在管路中的流動阻力力直管阻力直管阻力：或沿程阻力。：或沿程阻力。流體流經(jīng)一定直徑流體流經(jīng)一定直徑的直管時所產(chǎn)生的阻力。的直管時所產(chǎn)生的阻力。局部阻力局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門及進出口時，由于受流體流經(jīng)管件、閥門及進出口時，由于受到局部障礙所產(chǎn)生的阻力。到局部障礙所產(chǎn)生的阻力?？偰芰繐p失總能量損失：為直管阻力與局部阻力所引起能為直管阻力與局部阻力所引起能量損失之總和量損失之總和。 fffhhh流體流經(jīng)圓形直管的能量損失：流體流經(jīng)

13、圓形直管的能量損失：22udlfh式中：式中： 摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)，層流時的摩擦系數(shù)層流時的摩擦系數(shù) =64/Re=64/Re湍流時的摩擦系數(shù)湍流時的摩擦系數(shù) 摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)及相對粗糙度摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)及相對粗糙度 的關(guān)聯(lián)圖的關(guān)聯(lián)圖 圖1-40 范寧公式范寧公式1. 流體在直管中的阻力流體在直管中的阻力 從理論和實踐上可以證明，湍流運動時流體從理論和實踐上可以證明，湍流運動時流體的直管阻力為：的直管阻力為：22udlfh 為阻力系數(shù)，為阻力系數(shù)， )(, deReR64層流時：層流時：湍流運動時阻力湍流運動時阻力hf在形式上與層流相同。在形式上與層流相同。滯流區(qū)滯流區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)湍流區(qū)

14、完全湍流，粗糙管完全湍流，粗糙管光滑管光滑管Re /d 摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)、相對粗糙度的關(guān)系摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)、相對粗糙度的關(guān)系(雙對數(shù)坐標雙對數(shù)坐標)上圖可以分成上圖可以分成4個不同區(qū)域。個不同區(qū)域。層流區(qū)：層流區(qū)： Re 2000， =64/Re ，與，與 /d無關(guān)。無關(guān)。過渡區(qū)：過渡區(qū)：2000 Re 4000湍流區(qū)：湍流區(qū)：Re 4000, 與與Re 和和 /d有關(guān)。有關(guān)。完全湍流區(qū)完全湍流區(qū)(阻力平方區(qū)阻力平方區(qū))： 與與Re 無關(guān)，無關(guān)， 僅與僅與 /d有關(guān)。有關(guān)。查表舉例查表舉例1. Re=103， =0.06 Re=104， /d=0.002 =0.034 3. Re=107，

15、 /d=0.002 =0.023圓管圓管ddded424Rr)(2)(2)(422rRdrRrReAed4A A 管道截面積管道截面積 浸潤周邊長度浸潤周邊長度當量直徑法：當量直徑法：)(2)(24baabbaabedab矩形管矩形管環(huán)形管環(huán)形管流體在非圓直管中的阻力流體在非圓直管中的阻力 研究結(jié)果表明，當量直徑用于湍流時很可靠，用研究結(jié)果表明，當量直徑用于湍流時很可靠，用于層流時還需對阻力系數(shù)于層流時還需對阻力系數(shù) 作進一步校正。作進一步校正。eRC式中：式中：C C為校正系數(shù)為校正系數(shù)非圓形非圓形管的截管的截面形狀面形狀正方形正方形等邊等邊三角三角形形環(huán)形環(huán)形長方形長方形長長/ /寬寬=2

16、=2長長/ /寬寬=4=4常數(shù)常數(shù)C C57575353969662627373表表 某些非圓形管的常數(shù)某些非圓形管的常數(shù)C C 流體流經(jīng)管件時，其速度的大小、方向等發(fā)生變化，流體流經(jīng)管件時，其速度的大小、方向等發(fā)生變化，出現(xiàn)漩渦，內(nèi)摩擦力增大，形成局部阻力。出現(xiàn)漩渦，內(nèi)摩擦力增大，形成局部阻力。 局部阻力以湍流為主，層流很少見，因為層流流體局部阻力以湍流為主，層流很少見，因為層流流體受阻后一般不能保持原有的流動狀態(tài)。受阻后一般不能保持原有的流動狀態(tài)。常見的局部阻力有：常見的局部阻力有：突擴突擴突縮突縮彎頭彎頭三通三通2 局部阻力局部阻力 由局部阻力引起的能耗損失的計算方法有由局部阻力引起的能耗損失的計算方法有兩種：兩種：阻力系數(shù)法阻力系數(shù)法和和當量長度法當量長度法。22ufh 為局部阻力系數(shù)。由實驗得出，可查表或圖。為局部阻力系數(shù)。由實驗得出，可查表或圖。阻力系數(shù)法阻力系數(shù)法1). 1). 突擴管和突縮管突擴管和突縮管常見局部阻力系數(shù)的求法：常見局部阻力系數(shù)的求法：2)1()(大小大小AAfAA2). 2). 進口和出口進口和出口3). 3). 閥門閥門 進口：容器進入管道，突縮。進口：容器進入管道，突縮。A A小小/A/A大大 0 0， =0.5=0.5出口：管道進入容器，突擴。出口：管道進入容器，突擴