化工基礎(chǔ)34_管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力91905

1、化化 工工 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)3.4 3.4 管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力 教學(xué)目的：教學(xué)目的：重重 點(diǎn)：點(diǎn)：難難 點(diǎn)：點(diǎn)：了解流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力的原因，掌握流動(dòng)阻力了解流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力的原因，掌握流動(dòng)阻力的計(jì)算，并應(yīng)用于實(shí)際管路中阻力的計(jì)算。的計(jì)算，并應(yīng)用于實(shí)際管路中阻力的計(jì)算。流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)阻力的計(jì)算流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)阻力的計(jì)算利用因次分析法解決工程實(shí)際問題利用因次分析法解決工程實(shí)際問題1、管、管件及閥門簡(jiǎn)介、管、管件及閥門簡(jiǎn)介（1）管：）管：管子鑄鐵管（水管、煤氣管、污水管）鋼管（有縫、無縫）特殊鋼管有色金屬管塑料管橡膠管管子光滑管（玻璃管、銅管、鉛管、塑料管等）粗糙管（舊鋼管、鑄

2、鐵管）管壁的相對(duì)粗糙度管壁的相對(duì)粗糙度d/（2）管件：）管件：彎管大小頭沖壓彎管與管的連接部分，它主要是用來改變管道方向、管與管的連接部分，它主要是用來改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。連接支管、改變管徑及堵塞管道等。承插管件法蘭法蘭封頭（3）閥門）閥門:安裝于管道中用以切斷或調(diào)節(jié)流安裝于管道中用以切斷或調(diào)節(jié)流量。量。球閥截止閥閘閥止逆閥2. 流動(dòng)的形態(tài)流動(dòng)的形態(tài)（1）兩種流動(dòng)形態(tài)）兩種流動(dòng)形態(tài)為了直接觀察流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況及各種因素對(duì)流動(dòng)狀況為了直接觀察流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況及各種因素對(duì)流動(dòng)狀況的影響的影響,可安排如圖所示的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱為可安排如圖所示的實(shí)驗(yàn)。

3、這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱為雷諾實(shí)驗(yàn)。雷諾實(shí)驗(yàn)。 流體流動(dòng)形態(tài)有兩種截然不同的類流體流動(dòng)形態(tài)有兩種截然不同的類型，型，一種是滯流（或?qū)恿鳎涣硪环N一種是滯流（或?qū)恿鳎?；另一種為湍流（或紊流）。為湍流（或紊流）。兩種流型在內(nèi)部?jī)煞N流型在內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，流動(dòng)速度分布規(guī)律質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，流動(dòng)速度分布規(guī)律和流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因都有所不同，和流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因都有所不同，但其但其根本的區(qū)別根本的區(qū)別還在于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式還在于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式的不同。的不同。滯流（也稱為層流）：滯流（也稱為層流）：流體在管中流動(dòng)時(shí)，若其質(zhì)點(diǎn)始終沿著與管軸平流體在管中流動(dòng)時(shí)，若其質(zhì)點(diǎn)始終沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間沒有遷移，互不混合

4、，整個(gè)管的流體就如行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間沒有遷移，互不混合，整個(gè)管的流體就如一層一層的同心圓筒在平行地流動(dòng)。一層一層的同心圓筒在平行地流動(dòng)。層與層之間沒有明顯的干擾。層與層之間沒有明顯的干擾。 湍流湍流: 流體在管道中流動(dòng)時(shí)，流流體在管道中流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)除了沿著管道向前體質(zhì)點(diǎn)除了沿著管道向前流動(dòng)外，各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速流動(dòng)外，各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在大小和方向上都會(huì)發(fā)度在大小和方向上都會(huì)發(fā)生變化，質(zhì)點(diǎn)間彼此碰撞生變化，質(zhì)點(diǎn)間彼此碰撞并互相混合，這種流動(dòng)狀并互相混合，這種流動(dòng)狀態(tài)稱為湍流或紊流。態(tài)稱為湍流或紊流。過渡流：過渡流： 流動(dòng)類型不穩(wěn)定，介于層流和湍流之間，或是兩者交替出現(xiàn)，流動(dòng)類型不穩(wěn)定，

5、介于層流和湍流之間，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。與外界干擾情況有關(guān)。過渡流不是一種流型。 實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明，流體的流動(dòng)狀況是由多方面因素決定的，流體的流動(dòng)狀況是由多方面因素決定的，流速流速u能引能引起流動(dòng)狀況改變起流動(dòng)狀況改變,而且而且管徑管徑d、流體的粘度、流體的粘度和密度和密度也可以。通過進(jìn)一也可以。通過進(jìn)一步的分析研究，可以把這些影響因素組合成為一個(gè)復(fù)合數(shù)群，步的分析研究，可以把這些影響因素組合成為一個(gè)復(fù)合數(shù)群，此類數(shù)此類數(shù)群稱為特征數(shù)。群稱為特征數(shù)。 （2）流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)duReRe準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無因次數(shù)群準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無因次數(shù)群。組成此數(shù)群的各物理

6、量。組成此數(shù)群的各物理量,必須用一致必須用一致的單位表示。因此的單位表示。因此,無論采用何種單位制無論采用何種單位制,只要數(shù)群中各物理量的只要數(shù)群中各物理量的單位一致單位一致,所算出的所算出的Re值必相等。值必相等。此數(shù)群稱為此數(shù)群稱為雷諾數(shù)，雷諾數(shù)，以以Re表示，可判別流體的流動(dòng)形態(tài)表示，可判別流體的流動(dòng)形態(tài)對(duì)直管內(nèi)的流動(dòng)而言：對(duì)直管內(nèi)的流動(dòng)而言：Re 2000 層流區(qū)層流區(qū) 2000 Re 4000 由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯挠蓪恿鬓D(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯倪^渡區(qū)過渡區(qū) Re 4000 湍流區(qū)湍流區(qū) （3）滯流和湍流的特征）滯流和湍流的特征滯流滯流時(shí)流速沿管徑呈拋物線分布，管中心處流速最大，管截面各點(diǎn)速度的平均

7、值為管中心處最大速度的0.5倍倍湍流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈湍動(dòng)有利于交換能量，使得管截面靠中心部分速度分布比較均勻流速分布曲線前沿平坦，而近壁部分的質(zhì)點(diǎn)受壁面阻滯，流速分布較為陡峭，湍流湍流的平均速度約為最大速度的0.8倍倍。圖：滯流和湍流的流速分布 對(duì)于非圓形管道，計(jì)算對(duì)于非圓形管道，計(jì)算Re時(shí)，應(yīng)以時(shí)，應(yīng)以當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑de代替代替特征數(shù)特征數(shù)中的中的直徑直徑d 。當(dāng)量直徑的定義為：。當(dāng)量直徑的定義為：流體潤(rùn)濕的周邊流體流過的橫截面積 4ed例：直徑d1的外套管與直徑d2的內(nèi)套管所形成的環(huán)行通道的 當(dāng)量直徑為：21212221)(4/ )(4ddddddde矩形流道的當(dāng)量直徑為：矩形流道的當(dāng)量

8、直徑為：242ea babdabab例例 若將若將20硫酸用硫酸用48mmx3.5mm的冷撥無縫鋼管輸送，試的冷撥無縫鋼管輸送，試求其達(dá)到湍流時(shí)的最低流速和流量，并與水比較。求其達(dá)到湍流時(shí)的最低流速和流量，并與水比較。解解 20的硫酸粘度為的硫酸粘度為2.5410-3Pa.s，密度為，密度為1840kg.m-3， 湍流的條件為：湍流的條件為：Re4000dv0.0411840Re4000v 由此求得達(dá)到湍流的最低流速由此求得達(dá)到湍流的最低流速v=1.35m.s-1，最低流量為，最低流量為231.0.00178.qvvdm s按同樣條件輸送水時(shí)，可求得相應(yīng)流速按同樣條件輸送水時(shí)，可求得相應(yīng)流速v

9、=0.098m.s-1,最低流最低流量為量為0.00013m3.s-1將流體受壁面影響而存在速度梯度的區(qū)域稱為將流體受壁面影響而存在速度梯度的區(qū)域稱為流體流動(dòng)的邊界層流體流動(dòng)的邊界層。在邊界層內(nèi)，由于速度梯度較明顯，即使流體的粘性很小，在邊界層內(nèi)，由于速度梯度較明顯，即使流體的粘性很小，粘滯力的作用也不容忽略；在邊界層以外，速度梯度小到粘滯力的作用也不容忽略；在邊界層以外，速度梯度小到可以忽略，無需考慮流體的粘滯力?？梢院雎?，無需考慮流體的粘滯力。 邊界層的界限延伸至距壁面無窮遠(yuǎn)處。工程上規(guī)定邊界層的界限延伸至距壁面無窮遠(yuǎn)處。工程上規(guī)定u=0.99u主體主體（4）流動(dòng)邊界層）流動(dòng)邊界層o當(dāng)流體

10、流入圓管時(shí)，只在進(jìn)口附近一段距離內(nèi)(入口段)有邊界層內(nèi)外之分。o經(jīng)此段距離后，邊界層擴(kuò)大到管中心，如圖。在會(huì)合時(shí)，若邊界層內(nèi)流動(dòng)是滯流，則以后管路中的流動(dòng)為滯流。若在會(huì)合點(diǎn)之前邊界層內(nèi)流動(dòng)已發(fā)展為湍流，則以后管路中的流動(dòng)為湍流。 邊界層的分離邊界層的分離A-B:流通截面減小，加速減壓流通截面減小，加速減壓B-C：減速加壓減速加壓C-D：分離面分離面 C點(diǎn)：分離點(diǎn)點(diǎn)：分離點(diǎn)B點(diǎn)點(diǎn):流速最大流速最大,壓力最小壓力最小 邊界層分離后邊界層分離后出現(xiàn)流體空白區(qū)，出現(xiàn)流體空白區(qū)，回流形成渦流?；亓餍纬蓽u流。流體對(duì)圓柱體的繞流流體對(duì)圓柱體的繞流邊界層分離：當(dāng)流體沿曲面流動(dòng)或流動(dòng)中遇障礙物時(shí)，不邊界層分離：

11、當(dāng)流體沿曲面流動(dòng)或流動(dòng)中遇障礙物時(shí)，不論是層流或湍流，會(huì)發(fā)生邊界層脫離壁面的現(xiàn)象。論是層流或湍流，會(huì)發(fā)生邊界層脫離壁面的現(xiàn)象。由大量實(shí)驗(yàn)得知，處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體不存在阻力，實(shí)際流體也只有以一定的速率流動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性才產(chǎn)生摩擦阻力。流體在管路內(nèi)流動(dòng)阻力與流速有關(guān)。流速越快，能量損失就愈大。 3、管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算guf22實(shí)際流體的伯努利方程實(shí)際流體的伯努利方程:fHgpguZHegpguZ2222121122? ?流體流動(dòng)的阻力與流體的性質(zhì)流體流動(dòng)的阻力與流體的性質(zhì)( (如粘度等如粘度等) )、流體流動(dòng)形態(tài)、導(dǎo)、流體流動(dòng)形態(tài)、導(dǎo)管的長(zhǎng)度、管徑、壁面情況以及流動(dòng)時(shí)的變動(dòng)狀態(tài)（如縮小、管的長(zhǎng)度

12、、管徑、壁面情況以及流動(dòng)時(shí)的變動(dòng)狀態(tài)（如縮小、擴(kuò)張等）有關(guān)。擴(kuò)張等）有關(guān)。阻力阻力hf直管阻力直管阻力(沿程阻力沿程阻力)由于由于內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的能量損失而產(chǎn)生的能量損失局部阻力局部阻力截面驟然變化截面驟然變化流動(dòng)方向改變流動(dòng)方向改變流經(jīng)管件、儀表等流經(jīng)管件、儀表等由于由于局部障礙引起邊界局部障礙引起邊界層分離層分離而造成能量損失而造成能量損失阻力阻力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 lffhhh（1）直管阻力的計(jì)算如圖所示，流體在長(zhǎng)為L(zhǎng)，內(nèi)徑為d的管內(nèi)以流速u作定態(tài)流動(dòng)，選取衡算截面1-1和2-2，設(shè)其靜壓力分別為p1和p2，且p1p2，若此段直管

13、中因流體阻力而損失的能量為hf，則對(duì)于不可壓縮流體，在兩個(gè)截面之間的伯努利方程為：fgugpzgugpz22222221112121uu u因?yàn)槭窃诘戎睆剿焦艿乐辛鲃?dòng)，所以有 =，上式變?yōu)椋篺ghpp21垂直作用于截面垂直作用于截面1-1上的壓力上的壓力 ：111ApF 垂直作用于截面垂直作用于截面2-2上的壓力上的壓力 ：222ApF 平行作用于流體表面上的摩擦力為平行作用于流體表面上的摩擦力為 ：SF021FFF0442221dldpdp2114dp2224dpdldldpp2214dlpp421流體在管內(nèi)作定態(tài)等速流動(dòng)，作用于流體上的推動(dòng)力和摩擦力大小相等，方向相反。dlghf4gdl

14、hf4圓形直管內(nèi)能量損失與摩擦應(yīng)力關(guān)系式圓形直管內(nèi)能量損失與摩擦應(yīng)力關(guān)系式 gdlhf4gudluguudlhf28224222228u令fghpp21代入代入 得：得：22udlghPffgudlhf22 圓圓形直管阻力所引起能量形直管阻力所引起能量損損失的通式失的通式 稱為稱為范寧公式。范寧公式。 （ 對(duì)于滯流或湍流都適用）對(duì)于滯流或湍流都適用） 為無因次的系數(shù)，為無因次的系數(shù)，稱為摩擦阻力系數(shù)。稱為摩擦阻力系數(shù)。)/(Re,df滯流時(shí)的摩擦阻力系數(shù)滯流時(shí)的摩擦阻力系數(shù)主要是流體的內(nèi)摩擦力服從牛頓粘性定律：服從牛頓粘性定律：dyduAFdyduAFdrdurl2drdurlrp22Ruld

15、urdrp00max2Rduu2,2max)(2Re64/3222PaudldlupgudlgpHf2Re642或Re64;摩擦阻力系數(shù)流體在圓直管內(nèi)滯流流動(dòng)阻力計(jì)算式 滯流流動(dòng)時(shí)滯流流動(dòng)時(shí)與與Re的關(guān)系的關(guān)系化工管路化工管路光滑管光滑管 粗糙管粗糙管 玻璃管、黃銅管、塑料管玻璃管、黃銅管、塑料管 鋼管、鑄鐵管鋼管、鑄鐵管 管壁粗糙度管壁粗糙度 絕對(duì)粗糙度絕對(duì)粗糙度 相對(duì)粗糙度相對(duì)粗糙度 壁面凸出部分的平均高度，壁面凸出部分的平均高度，以以表示表示 。絕對(duì)粗糙度與管道直徑的比值絕對(duì)粗糙度與管道直徑的比值 即即/d 。滯流流動(dòng)時(shí)滯流流動(dòng)時(shí)： 管壁上凹凸不平的地方都被有規(guī)則的流體層所覆蓋，而流動(dòng)管

16、壁上凹凸不平的地方都被有規(guī)則的流體層所覆蓋，而流動(dòng)速度又比較緩慢，流體質(zhì)點(diǎn)對(duì)管壁凸出部分不會(huì)有碰撞作用。速度又比較緩慢，流體質(zhì)點(diǎn)對(duì)管壁凸出部分不會(huì)有碰撞作用。所所以，在滯流時(shí)，摩以，在滯流時(shí)，摩 擦系數(shù)與管壁粗糙度無關(guān)，只與擦系數(shù)與管壁粗糙度無關(guān)，只與Re有關(guān)。有關(guān)。湍流時(shí)的摩擦阻力系數(shù)湍流時(shí)的摩擦阻力系數(shù) 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀況復(fù)雜，只能通過因次分析法，建立質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀況復(fù)雜，只能通過因次分析法，建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,見課本見課本P122124。析因?qū)嶒?yàn)：對(duì)所研究的過程作理論分析和探索實(shí)驗(yàn)，尋求影響過程的主要因素。規(guī)劃實(shí)驗(yàn)：確定所研究的物理量與各影響因素的具體關(guān)系 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處

17、理，用適當(dāng)?shù)姆椒ū磉_(dá)出來 湍流流動(dòng)時(shí)湍流流動(dòng)時(shí)：經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：對(duì)光滑管：對(duì)光滑管：53101103Re當(dāng)柏拉相修斯（柏拉相修斯（BlasiusBlasius）公式公式25. 0Re3164. 08.175.1up 83101103Re當(dāng)2)5 . 1Relg8 . 1 (柯納柯夫（柯納柯夫（KypnaKypnaKOBKOB）公式公式粗糙管：粗糙管：,10Re5當(dāng)接近一常數(shù),其值主要取決于管壁的粗糙度。2)lg214. 1 (尼庫(kù)拉則尼庫(kù)拉則( (Nokuradse)Nokuradse)公式公式用用沿程阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù)表示阻力計(jì)算公式表示阻力計(jì)算公式:gudlfHf2422 .

18、 0Re046. 04f柯爾本柯爾本( (Colburn)Colburn)公式公式查表：查表：摩擦阻力系數(shù)與Re的關(guān)系圖a)層流區(qū)：層流區(qū)：Re2000，與與Re成直線關(guān)系，成直線關(guān)系，=64/Re。與管壁粗糙度無關(guān)。b)過渡區(qū)：過渡區(qū)：2000Re4000，管內(nèi)流動(dòng)隨外界條件的影響而出現(xiàn)管內(nèi)流動(dòng)隨外界條件的影響而出現(xiàn)不同的流型，摩擦系數(shù)也因之出現(xiàn)波動(dòng)。工程上常作湍流處理不同的流型，摩擦系數(shù)也因之出現(xiàn)波動(dòng)。工程上常作湍流處理 c)湍流區(qū)：湍流區(qū)： Re4000以及在圖中虛線以下處時(shí)，以及在圖中虛線以下處時(shí)，與與Re和和/d都有都有關(guān)。關(guān)。隨隨/d增加而增加，隨增加而增加，隨Re增大而逐漸緩和下

19、降。增大而逐漸緩和下降。Re較小較小，/d影響較小，影響較小，Re較大，較大，/d影響較大影響較大。 d)完全湍流區(qū)：完全湍流區(qū)： 圖中虛線以上的區(qū)域，摩擦系數(shù)基本上不隨圖中虛線以上的區(qū)域，摩擦系數(shù)基本上不隨Re的變化而變化，接近為一常數(shù)，其值只隨相對(duì)粗糙度的變化的變化而變化，接近為一常數(shù)，其值只隨相對(duì)粗糙度的變化而變化。根據(jù)范寧公式，若而變化。根據(jù)范寧公式，若l/d一定，則阻力損失與流速的平一定，則阻力損失與流速的平方成正比，稱作阻力平方區(qū)方成正比，稱作阻力平方區(qū) （2 2） 局部阻力局部阻力gulh22當(dāng)流體在管道系統(tǒng)中流經(jīng)各種管件、閥門、接頭、改變方向，當(dāng)流體在管道系統(tǒng)中流經(jīng)各種管件、閥

20、門、接頭、改變方向，導(dǎo)管截面積驟然變化時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生擾動(dòng)而形成渦流，產(chǎn)生導(dǎo)管截面積驟然變化時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生擾動(dòng)而形成渦流，產(chǎn)生摩擦阻力，這類阻力稱為摩擦阻力，這類阻力稱為局部阻力局部阻力。局部阻力的計(jì)算：局部阻力的計(jì)算：局部阻力局部阻力阻力系數(shù)法阻力系數(shù)法: :局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù) ，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得J/kg將局部阻力表示為動(dòng)能的某一倍數(shù)。將局部阻力表示為動(dòng)能的某一倍數(shù)。 1）突然擴(kuò)大與突然縮?。┩蝗粩U(kuò)大與突然縮小取取小管的流速小管的流速u，可根據(jù)小管與大管的截面積之比查可根據(jù)小管與大管的截面積之比查圖。圖。22uhf 管出口：流體自管子進(jìn)入容器或從管子排放到管外，相當(dāng)于管出口：流體自管子進(jìn)入容器或從管子排放到管外，相當(dāng)于突然突然 擴(kuò)大擴(kuò)大。 S1/S20，查表得查表得管出口阻力系數(shù)管出口阻力系數(shù)，=1.0。管入口：流體自容器進(jìn)入管內(nèi)