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1、1,讲授 姜华,化 工 基 础 An Introduction to Chemical Industry and Engineering,2,3.4 管内流体流动的阻力,教学目的:,重 点:,课 型:,教学方法:,参考文献:,难 点:,了解流体流动时产生阻力的原因,掌握流动阻力的计算,并应用于实际管路中阻力的计算。,流体在圆管内流动时阻力的计算,新知识理论课,讲解、谈话、应用训练,5、6,利用因次分析法解决工程实际问题,3,实际流体的Bernoulli方程:,流体流动的阻力与流体的性质(如粘度等)、流体流动形态、导管的长度、管径、壁面情况以及流动时的变动状态(如缩小、扩张等)有关。,阻力 hf
2、,直管阻力(沿程阻力)由于内摩擦力而产生的能量损失,局部阻力,截面骤然变化 流动方向改变 流经管件、仪表等,由于局部障碍引起边界层分离而造成能量损失,?,4,一、管、管件及阀门简介,管:,管子,铸铁管(水管、煤气管、污水管) 钢管(有缝、无缝) 特殊钢管 有色金属管 塑料管 橡胶管,管子,光滑管(玻璃管、铜管、铅管、塑料管等) 粗糙管(旧钢管、铸铁管),管壁的相对粗糙度,5,管件:,弯管,大小头,冲压弯,管与管的连接部分,它主要是用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。,6,管件,承插管件,法兰,法兰,封头,7,阀门:,安装于管道中用以切断或调节流量。,球阀,截止阀,闸阀,止逆阀,8
3、,二 流体流动的形态,滞流(laminar flow):也称为层流,流体的质点作一层滑过一层的位移,层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因扩散而转移。流体的流速沿断面按抛物线分布;管中流体的平均流速为最大流速的1/2。,9,湍流(turbulent flow):流体在流动时,流体的质点有剧烈的骚扰涡动,只是靠近管壁处还保留滞流的形态。接近管中央相当大范围内的流体流速接近于最大流速。管内流体的平均流速为管中央最大流速的0.8左右。,图1-22 湍流时的速度分布,10,流动形态的判据雷诺数(Reynolds number),雷诺数:,滞流,湍流,过渡状态,滞流转变的临界值,相应的流速称为临界流速
4、,NOTE:工业上输送流体时大多数是以湍流形态进行的。,11,当量直径(equivalent diameter),对于非圆形导管,计算Re时,应以当量直径de代替特征数中的直径d:,例:直径d1的外套管与直径d2的内套管所形成的环行通道的 当量直径为:,12,三 边界层(boundary layer),边界层:流体的流速低于未受壁面影响的流速的99%的区域。,主流区:在边界层以外,速度梯度接近为零的区域。,边 界 层,边 界 层,边 界 层,边 界 层,主 流 区,主 流 区,滞流,湍流,13,图1-25 湍流流动,NOTE:滞流内层的厚度虽然不大,但粘附在壁面,成为传热和传 质的主要阻力;R
5、e值越小,滞流内层厚度越大,传递过程 的阻力随之增大。,14,边界层的形成,从管口到形成边界层所经历的管长称为稳定段长度,此长度与管的形状、管壁粗糙程度及雷诺数等因素有关。,15,边界层分离,B,流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时,也会发生边界层分离。,NOTE:边界层分离会导致流体流动阻力的增大。,16,17,阻力 hf,直管阻力(沿程阻力) hf,局部阻力 hl,四 流体在圆管内流动时的阻力计算, 滞流时的摩擦阻力,主要是流体的内摩擦力,服从牛顿粘性定律:,1 直管阻力的计算,19,湍流时的流动阻力,l/d几何相似数;,摩擦阻力系数,是Re,/d的函数。,Fanning公式,管壁的相对粗
6、糙度:, 管的粗糙度,mm,20,查表:,摩擦阻力系数,21,摩擦阻力系数,经验公式计算:,对光滑管:,柏拉相修斯(Blasius)公式,柯纳柯夫(KypnaKOB)公式,粗糙管:,接近一常数,其值主要取决于管壁的粗糙度。,尼库拉则(Nokuradse)公式,用沿程阻力系数表示阻力计算公式:,柯尔本(Colburn)公式,22,2 局部阻力,当流体在管道系统中流经各种管件、阀门、接头、改变方向,导管截面积骤然变化时,流体质点发生扰动而形成涡流,产生摩擦阻力,这类阻力称为局部阻力。,局部阻力的计算:,当量长度法:将局部阻力的压头损失折算成相应长度的管子所造成的压头损失,再并入总管长度来计算。此相
7、应的管子长度称为当量长度 le。,局部阻力,阻力系数法:,23,管件与阀门的当量长度共线图,。,24,例: 料液由敞口高位槽流入精馏塔中。塔内操作压力为0.4kgf/cm2 (表压),输送管路为1084mm的钢管,直管长为(h+1.5)m。管路中装有180回弯头、90标准弯头、截止阀各一个。若维持进料量为50m3/h,问高位槽中的液面至少高出进料口多少米? 料液的粘度为1.510-3Pa.s,密度为900kg.m-3,,复杂管路的计算,分支管路:主管处有分支,但最终不再汇合的管路。,分支管路,1,2,0,主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和: qm=qm1+qm2,各分支管路流动终了时
8、,总机械能与该管路中总摩擦阻力之 和为常数。,并联管路:在主管某处分为几支,然后又汇合成一主管路。,主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和,qm=qm1+qm2+qm3,1,2,3,单位质量流体通过各支管的能量损失均相等,Hf1=Hf2=Hf3=HfAB,并联管路,复杂管路的计算,A,B,27,例 题,例2-18 高位水槽引出内径40mm的出水管至B处,此管道连同局部阻力管长为100m。在B出分出内径均为25mm的、水平平行的C和D两管,C管连同局部阻力管长为20m,D管为40m。管内水流动的阻力系数可取0.03。求(1)C管单独全开时的流量;(2)C管和D管都全开时各自的流量。(可忽略动压头的变化),地面,7m,1m,A,B,C,D,解:,(1)C管单独全开时:,28,例 题,地面,7m,1m,A,B,C,D,解:,(2)C管和D管都全开时:,29,P137: 5,6,作 业,