《热工与流体力学基础 教学课件 ppt 作者 蒋祖星 第四章流动阻力与管路水力计算》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热工与流体力学基础 教学课件 ppt 作者 蒋祖星 第四章流动阻力与管路水力计算（64页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、36441 热力与流体力学基础 1-115,主编,第一篇 工程流体力学 第二篇 工程热力学,第四章 流动阻力与管路水力计算,第一节 流动阻力与水头损失 流体流经直管段和各种管件时受到的阻力是不相同的，产生的能量损失也不同，为了便于分析和计算，工程计算中常将能量损失分为两类：沿程损失和局部损失，它们的机理和计算方法各有不同。 一、沿程阻力与沿程损失 流体在管径、管壁形状沿程不变的流道上（过流断面的大小和形状都不随流程而变）流过时，其所受到的阻力将沿程不变，这种流动阻力称为沿程阻力。流体克服这一阻力产生的能量损失称为沿程损失。单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失，用符号hf来表示。在图41中，h
2、fAB、hfBC、hfCD分别是AB、BC、CD管段的沿程水头损失。,第四章 流动阻力与管路水力计算,二、局部阻力与局部损失 当流道边界发生急剧变化时，过流断面的大小和形状以及流道中流体速度的分布都会发生急剧变化，造成局部的阻力损失。这种阻力称为局部阻力。由此引起的能量损失称为局部损失。单位重量流体的局部损失称为局部水头损失，以符号hj表示。在图41中，hjA、hjB、hjC分别为A、B、C三个管道截面突变处的局部水头损失。,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-1 沿程损失与局部损失,第四章 流动阻力与管路水力计算,第二节 流体流动的基本形态 实践表明，管道中
3、流体流动的速度不同，流体的流动状态不同。1883年英国学者雷诺通过大量实验发现，流体运动存在两种不同的形态，即层流和湍流。 一、雷诺实验和流态 雷诺实验装置如图42所示，在水箱A的侧壁连接一根玻璃管B，玻璃管末端装有一个阀门C，用以调节玻璃管中水的流量，在水箱的上方放置一个小容器D，其中盛有密度与水箱内液体密度相近的有颜色的液体。从小容器引出一根细管E，细管下端弯向玻璃管的进口，有颜色液体的流量由装在细管上的小阀F调节，使有颜色的液体也流入玻璃管中。,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-2 雷诺实验装置,二、流态判别准则临界雷诺数,第四章 流动阻力与管路水力计算,三、当量直径,解：1)管中的
4、雷诺数Re为,2)空气保持层流的最大流速为,第四章 流动阻力与管路水力计算,第三节 管流沿程水头损失计算 实际工程中大多数流体处于湍流状态，但在粘性较大的润滑油系统和输油管路中，也会出现层流状态。因此，研究层流运动的沿程阻力损失，仍然具有一定的实际意义，同时也有助于进一步分析湍流的沿程损失。 一、圆管层流运动沿程损失计算 1.均匀流动方程式,第四章 流动阻力与管路水力计算,均匀流动是指流速大小和方向均沿流程不变的流动。由于这种流动只能发生在壁面（截面形状、大小、表面粗糙度等）不发生任何变化的直管段上，所以在均匀流动时，只有沿程损失，没有局部损失。为了寻找沿程损失的变化规律，需要先建立沿程损失和
5、沿程阻力之间的关系式，又称为均匀流动方程式。,图4-3 圆管均匀流动,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,2.圆管层流过流断面上的切应力与流速 (1)切应力分布 对于均匀流，J不随r变化。,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-4 圆管层流过流断面上的切应力和速度,(2)速度分布,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,3.圆管层流运动时的沿程阻力系数,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,解：v=Q/A=4Q/=475/m/s=0.96m/s 二、圆管
6、湍流的沿程损失计算 实际工程中，除少数流动为层流外，绝大多数都属于湍流运动，因此湍流的特征和运动规律在解决工程实际问题中有重要的作用。 1.湍流脉动现象与时均法,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-5 湍流速度的脉动,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-6 湍流结构,2.湍流结构、水力光滑管和水力粗糙管,第四章 流动阻力与管路水力计算,(1)湍流结构 实验证明，流体在管内作湍流运动时，并非整个过流断面上都为湍流(见图4-6)。 (2)水力光滑管和水力粗糙管 任何管道的内壁都不可能绝对光滑，总有凹凸不平现象，如图4-7所示。,图4-7 水力光滑管和水力粗糙管,
7、第四章 流动阻力与管路水力计算,3.湍流阻力与流速分布 (1)湍流阻力 在湍流中，流体内部不仅存在着因流层间的时均流速不同而产生的粘滞切应力，而且还存在着由于脉动使流体质点之间发生动量交换而产生的惯性切应力。,第四章 流动阻力与管路水力计算,(2)湍流速度分布 实验证明，流体在管道中作湍流运动时，过流断面上的速度分布如图4-8所示。,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-8 湍流速度分布,第四章 流动阻力与管路水力计算,4.湍流沿程阻力系数的确定 由于湍流的复杂性，至今还不能完全通过理论推导的方法确定湍流沿程阻力系数l，只能借助实验研究总结一些经验或半经验公式。 (1)尼古拉兹实验 为了得到l
8、的变化规律，尼古拉兹在类似图4-2所示的实验台上，采用人工粗糙管(管内壁上均匀敷有粒度相同的砂粒)进行了大量实验。,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-9 尼古拉兹实验曲线,1)第区为层流区。,第四章 流动阻力与管路水力计算,2)第区为层流与湍流的临界区。 3)第区为湍流光滑区。 4)第区为湍流过渡区。 5)第区为湍流粗糙区(也称为阻力平方区)。 (2)莫迪实验 为了得到实际管道的l值，莫迪在1848年用天然粗糙的工业管道做了与尼古拉兹相类似的实验。,图4-10 莫迪图,第四章 流动阻力与管路水力计算,表4-1 常用工业管道的当量粗糙度(k),(3)湍流l的计算公式 除了莫迪图外，很多学者还
9、根据资料总结出了关于实际管道l值的计算公式和区域划分方法。 2 3201 000d/k时为湍流粗糙区。在该区，计算l值的常用公式有,第四章 流动阻力与管路水力计算,0.32(d/k)128Re1 000d/k时为湍流过渡区。在该区，计算入值的常用公式有 解：Re=vd/=501/131=3.8105，故为湍流。,第四节 局部水头损失计算 一、局部损失产生的主要原因 局部损失主要是由下面两个原因引起的。 1)管壁形状的急剧变化使流体在惯性力的作用下与壁面发生脱离，形成旋涡区。 2)管壁形状变化使流体的流动速度重新分布。,第四章 流动阻力与管路水力计算,二、影响局部损失的主要因素 实验研究表明，局
10、部损失同样与流体的流动状态有关。但由于流体经过局部阻碍后很难保持层流状态，除非在雷诺数很小的情况下才有可能。因此，工程上主要研究湍流状态下的局部损失。,三、局部阻力系数 局部阻碍的种类很多，形状各异，边界变化非常复杂。除个别情况外，大多数局部阻碍的局部阻力系数不能通过理论推导得到，只能借助实验给出经验公式或数值。因此，这里只对几种典型的局部阻碍的阻力系数给出经验公式或数值。 1.管径突然扩大,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-11 突然扩大管,第四章 流动阻力与管路水力计算,2.管径逐渐扩大,第四章 流动阻力与管路水力计算,3.管径突然收缩,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-12 逐渐
11、扩大管,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-14 逐渐收缩管,4.管径逐渐减小,第四章 流动阻力与管路水力计算,5.管道出口 若管道出口直接流入大容器，由突然扩大局部阻力系数的计算公式知，当A2远大于A1时，=10。 6.管道入口 管道入口的阻力系数与进口边缘的形状有关。不同情况下的局部阻力系数如图415所示。,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-15 管道入口,7.常用弯头、三通和阀门的局部阻力系数 常用弯头、三通和阀门的局部阻力系数见表42。,第四章 流动阻力与管路水力计算,表4-2 常用弯头、三通和阀门的 值,四、减小流动阻力的措施,第四章 流动阻力与管路水力计算,减小管路中流体运动
12、的阻力有两条完全不同的途径：一是改进流体外部的环境，改善边界对流动的影响；二是在流体内部加入极少量的添加剂，使其影响流体运动的内部结构来实现减阻。本节主要介绍改善边界的减阻措施。 1.管道进口减阻措施 由图415可以看出，将管道进口由锐缘进口改成圆角进口时，局部阻力系数可减少一半；若进一步改成流线型进口，其局部损失系数可减少90%以上。 2.渐扩管和突扩管减阻 扩散角大的渐扩管阻力系数较大，通常采用图416a所示的形式使阻力系数减半，或采用图416b所示的台阶形式减小阻力。,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-16 渐扩管和突扩管的边壁改善措施,3.弯管的减阻措施,表4-3 不同R/d时的值
13、(Re=106),4.三通减阻措施,第四章 流动阻力与管路水力计算,尽可能地减小支管与合流管之间的夹角，或将支管与合流管连接处的折角改缓，都能减小三通的阻力系数。如图418所示，将90的T形三通的折角改成45，则合流时的12和23约减小30%50%，分流时的31约减小20%30%，但对分流的32的影响不大。如果将切割的三角形加大，阻力系数还能显著下降。,图4-17 装有导叶的弯管,第四章 流动阻力与管路水力计算,第五节 管路水力计算 一、概述 1.管路水力计算的任务 工程上将确定管路流量、水头损失和管道几何尺寸之间相互关系的计算过程称为管路的水力计算。管路水力计算可以分为设计计算和校核计算两类
14、。 2.长管与短管 由第一节内容可知，流体在流动过程中产生的能量损失由沿程损失和局部损失两部分组成。但在不同的管路系统中，两种损失所占的比例不同。在水力计算时，为了便于处理，常将管路按两种损失在总损失中占的比例大小的不同将管路分为长管和短管。 3.标准管径与限定流速,第四章 流动阻力与管路水力计算,各种工业管道的管径均按统一标准制造，因此都有一定的规格。在进行设计计算时，管道的管径应按规格选取，即应标准化；各种工业管道的规格可在有关手册中查得。 二、简单管路水力计算,图4-19 简单管路,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流
15、动阻力与管路水力计算,图4-20 水泵系统,解：因l/d=1250/02=6 2501 000,所以按长管计算，,第四章 流动阻力与管路水力计算,忽略局部损失和速度水头。,【案例分析与知识拓展】 案例1：虹吸管,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-22 虹吸管,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,第四章 流动阻力与管路水力计算,案例2：管路水击现象 在有压管路中，由于某些外界原因（例如阀门的突然启闭、水泵机组突然停车等）使管中流速突然发生变化，从而导致压力急剧升高和降低，这种交替变化的水力现象称为水击，又称为水锤。水击发生时所产生的
16、升压值可达管路正常工作压力的几十倍，甚至上百倍。这种大幅度的压力波动具有很大的破坏性，往往会引起管路系统强烈振动，严重时会造成阀门破裂、管路接头脱落，甚至管路爆裂等重大事故。,第四章 流动阻力与管路水力计算,图4-23 水击强度随时间变化,第四章 流动阻力与管路水力计算,【本章小结】 一、沿程阻力和局部阻力损失 沿程阻力损失是因流体运动时的摩擦引起的，其损失的能量主要用于克服粘滞摩擦力，其大小与流程长度成正比。局部阻力损失是因局部流动边界形状的变化引起的，其损失的能量主要用于维持局部的旋涡运动，其大小与管长无关，只发生于流道局部阻碍处，主要取决于流道的边界形状。 二、雷诺实验与流态 通过雷诺实验分析得到了层流和湍流的特征。流体作层流运动时，流线相互平行，流体质点间无横向对流混合作用，流动较平稳。流体流速较大时，由于流动惯性力的增大，流体会作湍流运动，此时流动出现旋涡扰动，流体质点出现横向对流混合运动。,第四章 流动阻力与管路水力计算,三、沿程阻力系数的计算 对于管内层流运动，管截面上
