第3章管道流動(dòng)及能量損失

1、主主要要內(nèi)內(nèi)容容3.13.1 流體的流動(dòng)狀態(tài)流體的流動(dòng)狀態(tài) 3.2 3.2 管道流動(dòng)管道流動(dòng) 3.3 3.3 管流阻力損失管流阻力損失 3.43.4 管流系統(tǒng)阻力損失管流系統(tǒng)阻力損失第第3 3章章 管流流動(dòng)管流流動(dòng)1兩種流動(dòng)狀態(tài)3.1 流體的流動(dòng)狀態(tài)3:35:51第3章 管流及其能量損失23.1 流體的流動(dòng)狀態(tài)3:35:52第3章 管流及其能量損失3層流層流：所有流體質(zhì)點(diǎn)只作沿同一方向的直線運(yùn)動(dòng)，無橫向運(yùn)動(dòng)。湍流湍流：流體質(zhì)點(diǎn)作復(fù)雜的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)（紊流）。過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)：從層流到紊流之間。流速很慢 層流流速較大 過渡態(tài)流速大 紊流（湍流）現(xiàn)象結(jié)論)()d()()v(粘度管徑、密度流速有利于紊流

2、的形成2、流體流動(dòng)狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)黏性力慣性力vdvdRe雷諾數(shù)Reynolds Number:3.1 流體的流動(dòng)狀態(tài)3:35:52第3章 管流及其能量損失4臨界雷諾數(shù)為Rec：流體流動(dòng)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的雷諾數(shù)Re。時(shí)，為過渡狀態(tài)當(dāng)時(shí)，為紊流狀態(tài)當(dāng)時(shí)，為層流狀態(tài)當(dāng)上下上下ccccReReReReReReRe管流一般取Rec = 2300，板流Rec = 5 105層流紊流 Rec上=13800紊流層流 Rec下=2300注意3.1 流體的流動(dòng)狀態(tài)3:35:52第3章 管流及其能量損失53.2 圓管中的流動(dòng)3:35:52第3章 管流及其能量損失6l層流laminar flowl紊流turbu

3、lent flow 1、建立微分方程：圓管內(nèi)軸對稱流動(dòng)，可直接引用柱坐標(biāo)系連續(xù)性方程及動(dòng)量平衡方程。元體分析法：取微元體，內(nèi)半徑為r，厚度為r，長度為L的同心圓薄層。 動(dòng)量傳入量 動(dòng)量傳出量 +系統(tǒng)作用力的總和 = 動(dòng)量蓄積量重 力壓 力對流動(dòng)量傳輸黏性動(dòng)量傳輸3.2.1 圓管中的層流3:35:52第3章 管流及其能量損失72、簡化微分方程層流流動(dòng)、不可壓縮流體、穩(wěn)定流動(dòng)、水平軸對稱流動(dòng) 黏性動(dòng)量傳輸：徑向 黏性動(dòng)量收支差CD對流動(dòng)量傳輸：軸向 對流動(dòng)量收支差=0 （不可壓縮流體、穩(wěn)定流動(dòng)） 重力：水平軸對稱流動(dòng) 重力忽略壓力：AB動(dòng)量蓄積量：無 （穩(wěn)定流動(dòng)）3.2.1 圓管中的層流3:35:

4、52第3章 管流及其能量損失8rLpprrr21)(dd0dd0rrrv00rr 及 221rLpprrvrrdd0rvRr軸對稱流動(dòng)邊界條件3.2.1 圓管中的層流3:35:52第3章 管流及其能量損失93、求解微分方程：在軸對稱邊界條件下對微分方程積分，求得管內(nèi)層流流速分布 )(412221rRLppvr221max41RLppv瞬時(shí)流速最大流速22181RLPPv平均流速3.2.1 圓管中的層流3:35:52第3章 管流及其能量損失10結(jié) 論max21vv 2max1Rrvvr拋物線分布 思考圓管層流時(shí)Bernoulli Equations 中動(dòng)能修正系數(shù)=？3.2.1 圓管中的層流3:

5、35:52第3章 管流及其能量損失113.2.2 圓管中的紊流3:35:52第3章 管流及其能量損失12紊流turbulent flowvxvyv一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑xy(a)tvxvxvxxv(b)脈動(dòng)xxxvvv 瞬時(shí)速度在一段時(shí)間的平均值脈動(dòng)速度時(shí)均值0vx0vy0vz紊流流動(dòng)時(shí)僅考慮時(shí)均速度xvyvzv3.2.2 圓管中的紊流3:35:52第3章 管流及其能量損失13011)(11:0000 xxxxxxxxxvdtvdtvdtvvdtvvvvvx脈動(dòng)速度時(shí)均速度瞬時(shí)速度3.2.2 圓管中的紊流3:35:52第3章 管流及其能量損失14粘性切應(yīng)力可忽略上升湍流總附粘總,Re,)()(

6、)(eff2dydvvvdydvdydvdydvdydvlvvdydvxyxxxxxyxx湍流中的總摩擦應(yīng)力=粘性切應(yīng)力+附加切應(yīng)力3.2.2 圓管中的紊流3:35:52第3章 管流及其能量損失15nrRrvv1max)1 ( max85. 08 . 0vv）（盾頭拋物線型l速度分布3.2.2 圓管中的紊流3:35:52第3章 管流及其能量損失16vvvx層流邊界層過渡區(qū)vvx湍流邊界層層流底層邊界層界限紊流核心區(qū)緩沖區(qū)l邊界層l阻力 管流摩阻（摩擦阻力/沿程阻力）：由流體的黏性引起。 管流局部阻力：流動(dòng)方向或流速突然變化引起。l阻力損失黏性流體在流動(dòng)過程中的阻力產(chǎn)生的能量損失叫阻力損失。包括

7、： 管流摩阻（摩擦阻力/沿程阻力）損失 管流局部阻力損失3.3 管流能量損失3:35:52第3章 管流及其能量損失17PaPa) t1 (v21khv2kh200L2Ll計(jì)算通式lk值計(jì)算方法 理論推導(dǎo) 經(jīng)驗(yàn)方法 半理論、半經(jīng)驗(yàn)方法 ),(hLdlvf1、計(jì)算方法l影響因素程損失3.3.1 管流沿程損失3:35:52第3章 管流及其能量損失18 2、圓管層流摩阻（理論推導(dǎo)方法）建立微分方程簡化微分方程求解微分方程求平均流速求k3.3.1 管流沿程損失3:35:52第3章 管流及其能量損失19221L2LL8Pv2kPRvLPPdLdLRe64dLdv64RvL16k2LRe642Lv21dLp

8、) t1 (v21dLp200L Pa3.3.1 管流沿程損失3:35:53第3章 管流及其能量損失203、圓管內(nèi)紊流摩阻半理論、半經(jīng)驗(yàn)方法2fv21dLh紊流下圓管的摩擦系數(shù) d管壁絕對粗糙度 d相對粗糙度 l水力管p水力光滑管當(dāng)層流底層厚度3.3.1 管流沿程損失3:35:53第3章 管流及其能量損失21l尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線3.3.1 管流沿程損失3:35:53第3章 管流及其能量損失22 無關(guān)。u層流區(qū)AB：與Re有關(guān)，2300ReRe64 u第一過渡區(qū)BC： 變化不明顯，2300Re4103，一般按光滑區(qū)處理 u紊流光滑管流區(qū)CD：僅與Re有關(guān)，布拉修斯修正式： 尼古拉茲修正式： 25.

9、 0Re3164. 08 . 0Relg0 . 213103Re108 Re1054103Re2308(d/)0.8526.98(d/)8/7Re2308(d/)0.85與Re、有關(guān) 3.3.1 管流沿程損失3:35:53第3章 管流及其能量損失24當(dāng)層流底層 hL與Re、有關(guān)當(dāng)層流底層 hL與有關(guān) 層流：hL與Re有關(guān)紊流：層流底層出現(xiàn)l計(jì)算的通用式： 25. 0Re68d11. 02300Re經(jīng)驗(yàn)值總結(jié)3.3.1 管流沿程損失3:35:53第3章 管流及其能量損失25 磚砌管道 =0.05 金屬光滑管道 = 0.025 金屬氧化管道 =0.0350.04 金屬生銹管道 =0.045很多資料

10、用表示l莫迪圖 3.3.1 管流沿程損失3:35:53第3章 管流及其能量損失264、非圓形管道的摩阻 2Lv2dLP當(dāng) Pa SA4d 當(dāng)A管道的截面積，m2；S管道的周長，m 例如正方形截面管道 aaa44SA4d2當(dāng)3.3.1 管流沿程損失3:35:54第3章 管流及其能量損失273.3.1 管流沿程損失3:35:54第3章 管流及其能量損失28PaghpmgudLhRdudsmAQu4225. 07/81004.1178.1220348. 03164. 0035. 0Re3224398.2640006817Re/2 . 1油柱或利用布拉修斯公式：查莫迪圖得水力光滑管【例題例題3-1】長

11、度L=1000m，內(nèi)勁d=200mm 的普通鍍鋅鋼管（=0.39）輸送=0.355cm2/s的重油，已知流量Q=38L/s，=880kg/m3，試求其沿程損失。 解：3.3.2 管流局部損失3:35:54第3章 管流及其能量損失292rrv2kPkr局部阻力系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)法確定，查表 公式方法經(jīng)驗(yàn)法理論法局部阻力：由于流體流向，速度變化而引起的阻力損失流體流過彎頭、閘閥、三通及變管徑區(qū)域 3.3.2 管流局部損失3:35:54第3章 管流及其能量損失30221212212122212122212211221221211122212122221111212: .)(: .2122: .21AAkhP

12、PAAECAPPAPAAPAPAAEMhPPEBrr面的、面的、p管道截面突然管道截面突然縮?。ɡ碚摲ǎ┛s?。ɡ碚摲ǎ?2121AAkp其他（經(jīng)驗(yàn)法）其他（經(jīng)驗(yàn)法）p管道截面突然擴(kuò)大管道截面突然擴(kuò)大（理論法）（理論法）3.3.2 管流局部損失3:35:54第3章 管流及其能量損失313.3.2 管流局部損失3:35:54第3章 管流及其能量損失323.4 管流系統(tǒng)阻力損失3:35:54第3章 管流及其能量損失33rfLhhh2Lv2kdLhl管流系統(tǒng)阻力損失l特點(diǎn)串聯(lián)管路特點(diǎn)：各段流量相同，阻損疊加。并聯(lián)管路特點(diǎn)：各支路阻損相同，流量疊加。計(jì)算方法串聯(lián)管路特點(diǎn)：各段流量相同， Lh并聯(lián)管路特點(diǎn)

13、：各支路阻損相同， vq3.4 管流系統(tǒng)阻力損失3:35:55第3章 管流及其能量損失34l減少流體阻力損失 改善固體邊界狀態(tài)a) hr 盡量減少局部管件或截面變化；改善局部管件結(jié)構(gòu)：管道入口（光滑喇叭形）；彎管（90圓轉(zhuǎn)彎 ）；擴(kuò)管（突然逐漸擴(kuò)大加隔板）；三通（加合流板、分流板）b) hl 盡量L ；D；選用光滑管思考：“經(jīng)濟(jì)流速”的選擇3.4 管流系統(tǒng)阻力損失3:35:55第3章 管流及其能量損失353:35:55第3章 管流及其能量損失36(2) 添加減阻劑 添加減阻劑，改善紊流運(yùn)動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 三種添加劑：高分子聚合物（聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺）；金屬皂；懸浮物（泥、砂、紙漿、石棉）。3.4 管流系統(tǒng)阻力損失3.4 管流系統(tǒng)阻力損失3:35:55第3章 管流及其能量損失37例題例題 3-2、直徑為d1圓管經(jīng)過兩次突然擴(kuò)大，直徑放大到d2。問中間斷面直徑為何值時(shí)，局部阻力損失最?。看藭r(shí)損失為多少？解：設(shè)局部阻力損失最小時(shí)中間斷面直徑為d,流速為v。ghdddddddhgghrrr42