流动阻力和能量损失全套课件

《流动阻力和能量损失全套课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流动阻力和能量损失全套课件（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1第4章 流动阻力和能量损失建筑环境与设备教研室South-West University of Science and Technology主讲：蒋 斌2第四章 流动阻力和能量损失第一节 沿程损失和局部损失 第二节 层流与紊流、雷诺数 第三节 圆管中的层流运动 第四节 紊流运动的特征和紊流阻力第五节 尼古拉兹实验第六节 工业管道紊流阻力系数3第四章 流动阻力和能量损失第八节 管道流动的局部损失第九节 减小阻力的措施第七节 非圆管的沿程损失4第一节 沿程损失和局部损失流动阻力产生的原因。内因：流体自身的粘滞性和惯性。 比如：水和油的阻力是不同的。 外因：固体壁面对流体的阻滞作用和扰动。比如：光

2、滑的管道和粗糙的管道；管道中的阀门，弯头等。 能量损失一般有两种表示方法:1、用液柱高度来量度，即用单位质量流体的能量损失hl（水头损失） 2、用应力来表示，即用单位体积流体的能量损失pl（压强损失）。 5第一节 沿程损失和局部损失6第一节 沿程损失和局部损失过流断面的形状和方位都沿程不变的流动是均匀流。在均匀流中流体所受的阻 力只有沿程阻力，克服沿程阻力，产生的能量损失就是沿程损失，用 hf 表示。这种损失由于沿程的几何条件和流速等不变，因此，沿程损失分布在整个管段上，即与管段的长度成正比，所以也叫长度损失。 一、沿程阻力和沿程损失二、局部阻力和局部损失在过流断面的大小、形状和方位沿程发生急

3、剧变化的地方，其流速的分布也要 产生急剧的变化，发生典型的不均匀流动。这种流动往往局限在比较小的区域 当流体通过这个区域后又会变成渐变流或均匀流。比如：流体通道的突然扩张 或突然收缩、弯管、阀门等附近都会是这种情况。这种阻力，由于发生在局部 区域，因此，我们称之为局部阻力。由局部阻力引起的损失我们称之为局部损 失，用 hm 表示。在工程上一般认为：局部损失与管段的长度无关，与局部的形状有关。7第一节 沿程损失和局部损失一个管道不可能只有沿程损失或局部损失，一般都会由几段沿程损失和几个局 部损失组成。因此，总的能量损失就需要把各个损失加起来。总的损失用hl表示：在工程上为了列能量方程时比较方便、

4、直观，往往把损失的大小用速度水头的 倍数（或动压的倍数）再加上一些几何参数来表示。沿程损失：三、能量损失的计算公式沿程损失与管长成正比，同管径成反比其中：l：管长; d：管径; ：沿程阻力系 数，它与管内壁的粗糙程度、管径的大小 和长度以及流体的粘性等有关。局部损失： 其中：zi:t ：为局部阻力系数 对于不同的阻力部件这个系数是 不同的。 8第二节 层流与紊流、雷诺数一、两种流态雷诺实验（B2.6、观看影片）9第二节 层流与紊流、雷诺数一、两种流态雷诺实验10第二节第二节 层流与紊流、雷诺数层流与紊流、雷诺数一、两种流态雷诺实验初步结论是：当流速很低时，流态呈现为层流。当流速增加到一定值时，

5、便呈现出紊流状态。上临界速度vc：把从层流转变到紊流时的速度称为上临界速度vc 下临界速度 vc： 把从紊流转变到层流时的速度称为下临界速度vc实验证明：综合一下： vc 4000,Re4000,不同粗糙的管子不同粗糙的管子, ,起始的实验点都落在曲线起始的实验点都落在曲线上，随着上，随着ReRe的增大，相对粗糙度大的管子的增大，相对粗糙度大的管子, ,在在ReRe较低时就开始偏离曲线较低时就开始偏离曲线，而粗糙度较，而粗糙度较小的光滑的管子，当小的光滑的管子，当ReRe较大时才离开曲线较大时才离开曲线，在，在线范围内线范围内, ,只与只与ReRe有关，与与k/dk/d无关。无关。区：紊流过渡

6、区，区：紊流过渡区， 既与既与ReRe有关，也与有关，也与k/dk/d有关。有关。区：紊流粗糙区，在这个区域内区：紊流粗糙区，在这个区域内, ,实验点几乎成为与横坐标平行的直线，说明：实验点几乎成为与横坐标平行的直线，说明：该区域该区域 只与只与k/dk/d有关，而与有关，而与ReRe无关。由沿程损失的计算式知：该区域的沿程无关。由沿程损失的计算式知：该区域的沿程损失与速度的平方成正比，因此也叫阻力平方区。损失与速度的平方成正比，因此也叫阻力平方区。32第五节 尼古拉兹实验综合结果：区：层 流 区 f1（Re）区：临界过渡区 f2（Re）区：紊流光滑区 f3（Re）区：紊流过渡区 f（Re，K

7、/d）区：紊流粗糙区 f（K/d）为什么会有这样的规律？ 我们可以通过粗糙突起的高度与层流底层厚度的比较来加以说明。33第六节 工业管道紊流阻力系数计算公式一、光滑区和粗糙区的值1 光 滑 区区：两种实验的曲线是重合的。2紊流过渡区区：二者有较大的区别，尼古拉兹的曲线走向为斜向右上，而实际管 道的走向为斜向右下。3 粗 糙 区区：两种管道的试验曲线都与横坐标平行，存在用尼古拉兹粗糙去公式计算工业管 道的可能性。当量粗糙度：对于不同的管子，使其流动处于粗糙区，测得值，将它与尼古 拉兹实验结果进行比较，找出值相等、管径相同的尼古拉兹粗糙管的粗糙度，这个粗糙度就是当量粗糙度。34第六节 工业管道紊流

8、阻力系数计算公式二、紊流阻力系数的计算公式1、紊流光滑区尼古拉兹公式：布拉修斯公式： 该式比较简单，应用很广。2、 紊流粗糙区尼古拉兹公式：希弗林松公式：3、 紊流过渡区柯列勃洛克公式： 这个式子是尼古拉兹光滑区 公式和粗糙区公式的结合， 所以这个式子对光滑区、过 渡区和粗糙区都是适用的， 因此也被称为紊流的综合计 算式。 35第六节 工业管道紊流阻力系数计算公式紊紊流光滑区：流过渡区：流粗糙区：我国的汪兴华教授提出一个判据，这个判据在实际工程中的到了很好的应用。1、 莫迪公式：2、 阿里特苏里公式：柯氏公式的近似公式，是适 用于紊流三个区的综合式国外教材推荐的公式（1983年，Haaland

9、）Re4000108，误差1.536第六节 工业管道紊流阻力系数计算公式1944年美国的工程师莫迪（Moody）以柯列勃洛克公式为基础，以相对粗糙度为参数 ，把作为Re的函数绘制了一张工业管道阻力系数曲线图，即莫迪图。37第七节 非圆管的沿程损失 水力半径R：过流断面面积A与湿润周长x的比值。圆管的水力半径为：矩形的水力半径为：正方形的水力半径： 这个相当的圆管的直径就叫做非圆管的当量直径，一般用de来表示。矩形为：正方形:圆环为：作业： 4-10；4-14；4-2138第八节 管道流动的局部损失一、 局部损失的一般分析同沿程损失一样，局部损失的大小也用速度水头的倍数来表示其中， zi:t 为

10、局部阻力系数，是一个待求值。实验表明：局部损失同沿程损失一样，不同的流态遵循不同的规律。 层流的阻力系数与雷诺数成反比层流的阻力系数与雷诺数成反比, ,即：即：BB因局部障碍而异的常数。因局部障碍而异的常数。39断面扩大：突扩；渐扩 断面收缩：突缩；渐缩 流向改变：折弯；圆弯 流量汇入：三通等 流量分支：三通等局部阻碍的基本形式40第八节 管道流动的局部损失41第八节 管道流动的局部损失局部阻力系数 f（局部阻碍的几何形状、相对粗糙度、Re） 局部阻力系数可以用下式来修正：局部阻力系数可以用下式来修正：其中：其中：未进入阻力平方区的局部阻力系数未进入阻力平方区的局部阻力系数该局部阻碍在阻力平方

11、区的局部阻力系数该局部阻碍在阻力平方区的局部阻力系数 与同一与同一ReRe的沿程阻力系数的沿程阻力系数进入阻力平方区的沿程阻力系数。进入阻力平方区的沿程阻力系数。 恩格斯的恩格斯的自然辩证法自然辩证法在分析机械运动消失的形态时指出：在分析机械运动消失的形态时指出：“ “摩擦和碰撞，二者仅仅在程度上有所不同，摩擦和碰撞，二者仅仅在程度上有所不同， 摩擦是缓慢地碰撞，碰撞是剧烈的摩擦摩擦是缓慢地碰撞，碰撞是剧烈的摩擦” ”。 作业： 4-26；4-27；4-3142第八节 管道流动的局部损失（一）（一） 突然扩大突然扩大 如图为圆管突然扩大处的流动。我们取要扩未扩 的断面为II断面，即II断面虽然

12、已处于大断面 上但又不在漩涡区（这是一种极限情况）。 IIII断面取在已接近均匀流的断面，由于L一般 比较短，因此我们可以忽略沿程损失hf， 列方程：合力包括： 1I 断面的总压力 2II 断面的总压力 3重力在管轴上的投影对III断面列动量方程：由于断面的变化使得 v1,v2不相等，因此存在动量的变化，作用在流体 断上的全部轴向外力的合力等于动量的变化：二、变管径的局部损失二、变管径的局部损失43第八节 管道流动的局部损失4忽略管壁上的摩擦阻力对于紊流：此式说明：突然扩大的水头损失等于以平均流速差计算的速度水头。此式说明：突然扩大的水头损失等于以平均流速差计算的速度水头。用管段的速度水头表示

13、： 局部阻力系数为：特例:管道出口处的损失系数：当液体流入一个大水箱或气体流入大气时,因为 A2,A1/A20,11,2,这是突然扩张的特殊情况,我们称为出口阻力系数。44（二）渐扩管（二）渐扩管圆锥形渐扩管的形状由扩大面积比n和扩散角来确定。 渐扩管的水头损失由摩擦损失hf和扩散损失hea两部分组成。结论：当n一定时，渐扩管的摩擦损失随a的增大和管段的缩短而减少，但扩散损 失却随之增大。因此，当a58度范围内，会存在一个极值，所以扩散角最 好不要超过810度。综合以后：得渐扩管的阻力系数为:其中：为扩大前管道的沿程阻力系数；n为扩大面积比A2/A1。45第八节 管道流动的局部损失 （三）（三

14、） 突然缩小突然缩小 突然缩小的阻力系数决定于收缩 面积比，相对于收缩后的速度水头，有：（四）（四） 渐缩管渐缩管圆锥形渐缩管的形状由 面积比n和收缩角来确定 具体数值查图422（五）（五） 管道进口管道进口锐缘进口、圆角进口、 流线型进口、管道深入进口。 具体数据见图42346第八节 管道流动的局部损失三、弯管的局部损失三、弯管的局部损失 在管流的弯曲段，由于受到离心力作用，使弯管外侧的压强增大，内侧的压强 减小，这个压差的作用，使液体产生二次环流，液体又环流又向前流，即螺旋 流，这个环流的存在，使能量损失加大，并且这种环形流会延展到很远的地方 ，最大可以超过管径的50倍。 47第八节 管道

15、流动的局部损失四、三通的局部损失四、三通的局部损失三通管道又可分为分流式和汇流式。在形状上分为Y形三通和T形三通。 三通的局部阻力不仅取决于它的截面比、角度，还与三通前后流量的变化有关。48第八节 管道流动的局部损失五、局部阻力之间的相互干扰五、局部阻力之间的相互干扰 49第九节 减小阻力的措施 减阻的基本途径：减阻的基本途径： （一）、改变流体运动的内部结构（一）、改变流体运动的内部结构 即在流体内部加入极少量的添加剂，使流体的粘性降低，改善流动性，减小阻力即在流体内部加入极少量的添加剂，使流体的粘性降低，改善流动性，减小阻力 加添加剂技术是近二十年来发展起来的技术，减阻的效果还是比较明显的。加添加剂技术是近二十年来发展起来的技术，减阻的效果还是比较明显的。 （二）、改善流动的边界条件（二）、改善流动的边界条件 改善边壁的条件：包括改变流管内壁的粗糙度和一些节流器件的内部形状。改善边壁的条件：包括改变流管内壁的粗糙度和一些节流器件的内部形状。 从莫迪图可以看：