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1、1.5 流体在管内的流动阻力 1流动阻力产生的原因 流体有黏性，流动时产生内摩擦阻力产生根源 固体表面促使流动流体内部发生相对运动提供了流动 阻力产生的条件。 流动阻力大小与流体本身物性（主要为，）、壁面形状 、尺寸及流动状况等因素有关。 2流动阻力分类 管路中的阻力 直管阻力 ： 局部阻力： 流体流经一定管径的直管时由 于流体的内摩擦而产生的阻力 流体流经管路中的管件、阀门 及管截面的突然扩大及缩小等局 部地方所引起的阻力。 1.5 流体在管内的流动阻力 3 流体在水平等径直管中作定态流动。 1.5.1 直管阻力 4 由于流体在圆管内作稳态流动F1=F2 1.5.1 直管阻力 5 范宁公式
2、或 1.5.1 直管阻力 6 1.5.1 直管阻力 适用于层流与湍流、管道的水平、垂直、 倾斜等各种直管阻力 压头损失 7 层流速度分布 理论分析和实验都已证明，层流 时的速度沿管径按抛物线规律分布。 层流时平均流速等于管中心处最大流速umax的一 半，u=0.5umax。 1.5.2 摩擦系数的确定 8 哈根泊谡叶公式 1.5.2 摩擦系数的确定 9 (1)层流区( )： 与 无关， (2)过渡区 一般按湍流处理) 1.5.2 摩擦系数的确定 10 2. 湍流速度分布： 湍流波动加剧了管内流体 的混合与传递，使时均速 度在截面上、尤其是在管 中心部位分布更趋平坦。 1.5.2 摩擦系数的确定
3、 11 绝对粗糙度：管壁粗糙面凸出部分的平均高度 ，以表示，mm。（见表1-2） 玻璃管、铝管、铜管、塑料管等称为光滑管； 钢管和铸铁管称为粗糙管。 1.5.2 摩擦系数的确定 12 (4)完全湍流区:虚线以上区域 =f(/d),与Re无关 ,又称阻力平方区。 若/d为常数，即为常数 (3)湍流区( 及虚线以下的区域) 1.5.2 摩擦系数的确定 14 非圆直管流动阻力 当量直径 套管环隙: 直径d的圆筒: 1.5.2 摩擦系数的确定 层流的摩擦系数应予以修正 15 说明 ： 计算流速u时，应以实际的流通截面积计算。 1.5.2 摩擦系数的确定 16 P25、29 例题： 一个套管换热器，内管
4、与外管均为光滑 管，直径分别为302.5mm和 563mm。 平均温度为40的水以10m/s的流量流过套管 的环隙。试估算水通过环隙时每米管长的压 力降。 17 1.5.3 局部阻力 局部阻力：又称形体阻力，是指流体通过管路中的管 件（如三通、弯头、大小头等）、阀门、管子出入口 及流量计等局部障碍处而发生的阻力。 流体流动方向和流速发生变化，导致产生大量漩涡， 动能转化为旋转能，直至消失，造成的阻力损失远大 于直管阻力损失。 18 边界层 （一）平壁边界层的形成及其发展 定义：通常把从流速为0的壁面处至流速等于主体流 速u0 的99%处之间的区域称为边界层。 湍流边界层 边界层界限 u0 y
5、u0 层流边界层 x u0 层流内层 1.5.3 局部阻力 19 进口段长度：边界层外缘与圆管中心线汇合时的距离x0 xx0时， = R，管内各界面上的速度分布及流型不变。 进口段 圆筒壁边界层的形成与发展 充分发展的边界 层 1.5.3 局部阻力 20 （三）圆柱和球体的边界层边界层的分离 倒流 分离点 u0 D A C C B x 1.5.3 局部阻力 21 AB ：流道缩小，顺压强梯度，加速减压 BC ：流道增大，逆压强梯度，减速增压 CC以上：分离的边界层 CC以下：在逆压强梯度的推动下形成倒流，产生大 量旋涡，产生形体阻力或漩涡阻力 C 分离点 边界层 1.5.3 局部阻力 22 （
6、1）阻力系数法 ： 进口损失出口损失 近似地将克服局部阻力引起的能量损失表示成动能 的一个倍 数。这 个倍数称为局部阻力系数，用符号表示。 1.5.3 局部阻力 23 突然扩大 流体流过如图所示的突然扩大管道时，由于流股 离开壁面成一射流注入了扩大的截面中，然后才扩张道 充满整个截面。由于流道突然扩大，下游压强上升，流 体在逆压强梯度下流动，射流与壁面间出现边界层分离 ，产生漩涡，因此有能量损失。 1.5.3 局部阻力 24 突然缩小 突然缩小时，流体在顺压强梯度下流动，不致于发生边 界层脱离现象，因此在收缩部分不会发生明显的阻力损失。 但流体有惯性，流道将继续收缩后又扩大。这时，流体在逆 压
7、强梯度下流动，也就产生了边界层分离和漩涡。因此也就 产生了机械能损失，由此可见，突然缩小造成的阻力主要还 在于突然扩大。 1.5.3 局部阻力 25 （2）当量长度( )法: :当量长度 计算局部阻力时，及u值与管径为d的圆管相同。 表示流体流过某一管件或阀门的 局部阻力，相当于流过一段管径 为d、长度为le的直管阻力。 1.5.3 局部阻力 26 （三）管路系统的总能量损失 总能量损失= 全部直管阻力 + 全部局部阻力 1.5.3 局部阻力 27 20oC水的流量为20m3/h。高位液面比贮罐液面高20m。吸入管 和排出管均为573.5mm无缝钢管,吸入管直管长10m,一个底 阀、一个90标
8、准弯头;排出管直管长25m,有一个全开闸阀、 一个全开截止阀和两个90标准弯头。液面恒定且与大气相 通。求泵的轴功率,效率为65%。 解： Z1=0,Z2=20m,u10,u20,p1=p2=0(表) 故： 【例1】 28 式中 由附录查得20oC时=998.2kgm-3，=1.00410-3Pas， 取管壁的绝对粗糙度=0.3mm， 1.5.3 局部阻力 29 查Moody图 1.5.3 局部阻力 【例2】 溶剂由容器A 流入B 。容器A 液面恒定，两容器液 面上方压力相等。溶剂由A 底部倒U 型管排出，其顶 部与均压管相通。容器A 液 面距排液管下端6.0m，排液 管为603.5mm钢管，
9、由容 器A至倒 U 型管中心处，水 平管段总长3.5m，有球阀1个 (全开)，90标准弯头3个。 试求：要达到12 m3/h 的流量，倒U 型管最高点距容器A 内液面的高差H。（ =900kg/m3， =0.6m Pas）。 取钢管绝对粗糙度 解：溶剂在管中的流速 /d = 5.6610-3 Re =1.2 105 查图得摩擦系数 管进口突然缩小 90的标准弯头 球心阀（全开） 以容器 A 液面为 1-1 截面，倒 U 型管最高 点处为 2-2 截面，并 以该截面处管中心线所 在平面为基准面，列柏 努利方程有： 35 （四）降低管路系统流动阻力的途径 尽可能缩短管路长度，减少不必要的管件和阀门
10、 在 不变的情况下，适当增大管径 降低流体的粘度 1.5.3 局部阻力 36 1.6 管路计算 （一）钢管 焊接钢管：通常由碳钢板卷焊而成，以镀锌管较为常 见。焊接钢管的强度低，可靠性差，常用作水、压缩空 气、蒸汽、冷凝水等流体的输送管道。 无缝钢管：可由普通碳素钢、优质碳素钢、普通低合 金钢、合金钢等的管坏热轧或冷轧(冷拨)而成，其中冷 轧无缝钢管的外径和壁厚尺寸较热轧的精确。无缝钢管 品质均匀、强度较高，常用于高温、高压以及易燃、易 爆和有毒介质的输送。 1.6.1 管路组成 37 1.6 管路计算 （一）铸铁管 常用作埋入地下的给水总管、煤气管及污水管等，也 可用来输送碱液及浓硫酸。铸铁
11、管价廉、耐腐蚀性强， 但管壁厚较笨重，强度差，故不宜输送蒸汽及在压力下 输送爆炸性或毒性气体。 38 化工原理课件第1章 流体流动 （二）有色金属管 在药品生产中，铜管和黄铜管、铅管和铅合金管、 铝管和铝合金管都是常用的有色金属管。 铜管和黄铜管可用作换热管或真空设备的管道 铅管和铅合金管可用来输送1565%的硫酸 铝管和铝合金管可用来输送浓硝酸、甲酸、醋酸等 物料。 1.6 管路计算 39 化工原理课件第1章 流体流动 非金属管 无机非金属管 有机非金属管 橡胶管、聚丙 烯管、硬聚氯乙 烯管、聚四氟乙 烯管、耐酸酚醛 塑料管、不透性 石墨管等 玻璃管、搪玻 璃管、玻璃钢 管、陶瓷管等 1.6
12、 管路计算 （三）非金属管 40 1.6.2 管道连接与布置 化工原理课件第1章 流体流动 卡套连接 常用于小直径(40mm)管道、阀门及管件 间的连接，具有连接简单、拆装方便等优点，常用于仪 表、控制系统等管道的连接。 （一）管道连接 螺纹连接 常用于小直径(50mm)低压钢管或硬聚氯乙 烯管道、管件、阀门间的连接。具有连接简单、拆装方 便、成本较低等优点,但连接的可靠性较差,螺纹连接处 易发生渗漏,因而不宜用作易燃、易爆和有毒介质输送管 道之间的连接。 1.6 管路计算 41 化工原理课件第1章 流体流动 焊接 生产中最常用的一种管道连接方法，具有施工方 便、连接可靠、成本较低的优点。凡是
13、不需要拆装的地方 ，应尽可能采用焊接。所有的压力管道，如煤气、蒸汽、 空气、真空等管道应尽量采用焊接。 法兰连接 常用于大直径、密封性要求高的管道连接,也 可用于玻璃管、塑料管、阀门、管件或设备之间的连接。 法兰连接的优点是连接强度高,密封性能好，拆装比较方 便。缺点是成本较高。 1.6 管路计算 42 化工原理课件第1章 流体流动 承插连接 常用于埋地或沿墙敷设的给排水管,如铸铁 管、陶瓷管、石棉水泥管等与管或管件、阀门之间的连 接。连接处可用石棉水泥、水泥砂浆等封口,用于工作压 力不高于0.3MPa、介质温度不高于60C0的场合。 1.6 管路计算 43 管件 1.6.3 管件与阀门 45
14、 46 化工原理课件第1章 流体流动 47 1.6.3 管件与阀门 化工原理课件第1章 流体流动 （一）常用阀门 1. 旋塞阀 具有结构简单、启闭方便快 捷、流动阻力较小等优点。旋塞阀常 用于温度较低、粘度较大的介质以及 需要迅速启闭的场合，但一般不适用 于蒸汽和温度较高的介质。由于旋塞 很容易铸上或焊上保温夹套，因此可 用于需要保温的场合。此外，旋塞阀 配上电动、气动或液压传动机构后， 可实现遥控或自控。 48 化工原理课件第1章 流体流动 2. 球阀 内有一可绕自身轴线作 900旋转的球形阀瓣,阀瓣内设 有通道。球阀结构简单,操作方 便,旋转900即可启闭。球阀的 使用压力比旋塞阀高,密封
15、效果 较好,且密封面不易擦伤,可用 于浆料或粘稠介质。 49 化工原理课件第1章 流体流动 3. 闸阀 内有一与介质的流动方向相垂 直的平板阀心，利用阀心的升起或落下可 实现阀门的启闭。其优点是不改变流体的 流动方向，因而流动阻力较小。闸阀主要 用作切断阀，常用作放空阀或低真空系统 阀门。闸阀一般不用于流量调节，也不适 用于含固体杂质的介质。缺点是密封面易 磨损，且不易修理。 50 化工原理课件第1章 流体流动 4. 截止阀 其阀座与流体的流动方向垂直 ，流体向上流经阀座时要改变流动方向 ，因而流动阻力较大。截止阀结构简单 ，调节性能好，常用于流体的流量调节 ，但不宜用于高粘度或含固体颗粒的介
16、 质，也不宜用作放空阀或低真空系统阀 门。 51 化工原理课件第1章 流体流动 5. 止回阀 内有一圆盘或摇板，当介质 顺流时，阀盘或摇板即升起打开；当介 质倒流时，阀盘或摇板即自动关闭。因 此，止回阀是一种自动启闭的单向阀门 ，用于防止流体逆向流动的场合，如在 离心泵吸入管路的入口处常装有止回阀 。止回阀一般不宜用于高粘度或含固体 颗粒的介质。 52 化工原理课件第1章 流体流动 6. 减压阀 内设膜片、弹簧、活塞等敏感 元件，利用敏感元件的动作可改变阀瓣与 阀座的间隙，从而达到自动减压的目的。 减压阀仅适用于蒸汽、空气、氮气、 氧气等清净介质的减压,但不能用于液体 的减压。此外,在选用减压阀时还应注意 其减压范围，不
