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1、授课教师授课教师: :赵国君赵国君第四节第四节 流体在管流体在管内流动时的阻力内流动时的阻力*化化 学学 工工 程程 基基 础础流体在管内流动时的阻力流体在管内流动时的阻力本章的难点本章的难点包括：包括：阻力计算的通式阻力计算的通式层流和湍流的摩擦阻力系数的计算。层流和湍流的摩擦阻力系数的计算。*化化 学学 工工 程程 基基 础础一、概述：1、阻力产生的原因、阻力产生的原因（1）粘性阻力粘性阻力:流体具有粘性，产生粘性阻力；流体具有粘性，产生粘性阻力；（2）形体阻力形体阻力：流体流经不规则障碍物，边界层分：流体流经不规则障碍物，边界层分离，因涡流产生能量损失。离，因涡流产生能量损失。2、阻力分
2、类：、阻力分类：直管阻力直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；擦而产生的阻力； 局部阻力局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。流速大小及方向的改变而引起的阻力。 总阻力总阻力=直管阻力直管阻力+局部阻力局部阻力*化化 学学 工工 程程 基基 础础3、阻力的表示法：、阻力的表示法：(1) :单位质量流体产生的阻力损失单位质量流体产生的阻力损失(J/kg).(2) :单位重量流体产生的阻力损失单位重量流体产生的阻力损失(J/N=m).(3) :单位体积流体产生的阻力损失单位
3、体积流体产生的阻力损失(J/m3=Pa).注意：注意：压力损失压力损失 是流体流动能量损失的一种表示是流体流动能量损失的一种表示形式，与两截面间的压力差形式，与两截面间的压力差 意义不同，意义不同，只有当管路为水平、管径不变且无外功加入时，二只有当管路为水平、管径不变且无外功加入时，二者才相等者才相等 。*化化 学学 工工 程程 基基 础础二、阻力的计算：二、阻力的计算：1、圆形直管内阻力计算公式：、圆形直管内阻力计算公式：如图所示，对如图所示，对1-1和和2-2截面截面间流体进行受力分析：间流体进行受力分析：推动力：推动力：方向与流动方向相同方向与流动方向相同阻力：阻力：方向与流动方向相反方
4、向与流动方向相反定态流动，受力平衡定态流动，受力平衡*化化 学学 工工 程程 基基 础础二、阻力的计算：二、阻力的计算：令令所以所以 上式为流体在直管内流动阻力的通式，称为上式为流体在直管内流动阻力的通式，称为范宁范宁公式公式。式中。式中为无因次系数，称为摩擦系数或摩擦因数，为无因次系数，称为摩擦系数或摩擦因数，与流体流动的与流体流动的Re及管壁状况有关。及管壁状况有关。三种形式：三种形式： *化化 学学 工工 程程 基基 础础二、阻力的计算：二、阻力的计算：2、管壁粗糙度对、管壁粗糙度对的影响：的影响：1）粗糙度）粗糙度(绝对粗糙度绝对粗糙度)：壁面凸出部分的平均高度。：壁面凸出部分的平均高
5、度。2）相对粗糙度）相对粗糙度 ：3）粗糙度对）粗糙度对的影响：的影响：无影响无影响有影响有影响层流时，无影响。层流时，无影响。湍流时湍流时*化化 学学 工工 程程 基基 础础二、阻力的计算：二、阻力的计算：3、层流时的摩擦系数：、层流时的摩擦系数：将将R=d/2代入可得：代入可得：哈根哈根-泊谡叶公泊谡叶公式式与范宁公式比较可得：与范宁公式比较可得：层流时摩擦系数层流时摩擦系数是雷诺数是雷诺数Re的函数。的函数。 *化化 学学 工工 程程 基基 础础二、阻力的计算：二、阻力的计算：4、湍流时的摩擦系数：、湍流时的摩擦系数： 湍流时湍流时既与既与 Re有关，又与有关，又与 有关，一般通过有关，
6、一般通过因次分析法进行分析，得到一些经验公式，这里只因次分析法进行分析，得到一些经验公式，这里只介绍比较常用的柏拉修斯式：介绍比较常用的柏拉修斯式：适用范适用范围：光滑管，：光滑管，Re在在*化化 学学 工工 程程 基基 础础二、阻力的计算：二、阻力的计算：5、摩擦系数图（莫狄（、摩擦系数图（莫狄（Moody）图）图）层流区层流区Re4000虚线以下虚线以下与与Re和和 都有关都有关 一定时，一定时，Re越大，越大， 越小越小完全湍流区：虚线以上部分完全湍流区：虚线以上部分只与只与 有关，与有关，与Re无关无关与与u的平方成正比的平方成正比过渡区过渡区2000Re4000可按层流区也可按湍可按
7、层流区也可按湍流区查流区查*化化 学学 工工 程程 基基 础础二、阻力的计算：二、阻力的计算： 6、非圆形直管阻力损失的计算：、非圆形直管阻力损失的计算： 一般以当量直径代替直径进行计算。一般以当量直径代替直径进行计算。当量直径当量直径de：与非圆形直管等长且阻力损失相与非圆形直管等长且阻力损失相 等的圆管的直径。等的圆管的直径。非圆形管内非圆形管内流动形态如流动形态如何确定？何确定？abd2d1*化化 学学 工工 程程 基基 础础二、阻力的计算：二、阻力的计算：1 1）当量）当量长度法：以当量度法：以当量长度度代替范宁公式中直管的代替范宁公式中直管的长度度进行行计算。算。当量当量长度度：管件
8、、：管件、阀门产生生的阻力相当于同直径且阻力的阻力相当于同直径且阻力损失相同的失相同的圆管的管的长度，以度，以 表表示。示。当量长度当量长度共线图共线图7、局部阻力、局部阻力 ：*化化 学学 工工 程程 基基 础础局部阻力损失计算局部阻力损失计算 100mm 的闸阀的闸阀 1/2 关关 le = 22m100mm 的标准三通的标准三通 le = 2.2m100mm 的闸阀全开的闸阀全开 le = 0.75m*化化 学学 工工 程程 基基 础础说明：明：变径径时，以，以细管内流速管内流速计算局部阻力；算局部阻力； 突然突然扩大或突然大或突然缩小的阻力系数：小的阻力系数： 从管路从管路进入容器：入
9、容器：二、阻力的计算：二、阻力的计算：因因为阻力阻力损失与失与 成正比，所以成正比，所以可以将局部阻力损失表示为可以将局部阻力损失表示为从容器进入管路：从容器进入管路：管件、阀门的局部阻力系数：查手册管件、阀门的局部阻力系数：查手册7、局部阻力、局部阻力 ：2）局部阻力系数法：）局部阻力系数法：局部：局部阻力系数阻力系数*化化 学学 工工 程程 基基 础础二、阻力的计算二、阻力的计算8、管路系统中的总能量损失、管路系统中的总能量损失*化化 学学 工工 程程 基基 础础例例1：分别计算下列情况下，流体流过：分别计算下列情况下，流体流过763mm、 长长10m的水平钢管的能量损失、压头损失及压的水
10、平钢管的能量损失、压头损失及压 力损失。力损失。 （1）密度为）密度为910kg/m3、粘度为、粘度为72cP的油品，的油品， 流速为流速为1.1m/s； （2）20的水，流速为的水，流速为2.2 m/s。*化化 学学 工工 程程 基基 础础解：（解：（1）油品：）油品：所以能量损失所以能量损失 压头损失压头损失 压力损失压力损失 *化化 学学 工工 程程 基基 础础（2）20水的物性：水的物性：取钢管的绝对粗糙度取钢管的绝对粗糙度为为0.2mm，则，则 查得得所以能量损失所以能量损失 压头损失压头损失 压力损失压力损失 *化化 学学 工工 程程 基基 础础例题例例2：如附图所示，料液由敞口高
11、位槽流入精馏塔中。塔：如附图所示，料液由敞口高位槽流入精馏塔中。塔内进料处的压力为内进料处的压力为30kPa(表压表压)，输送管路为，输送管路为452.5mm的无缝钢管，直管长为的无缝钢管，直管长为10m。管路中装有。管路中装有180回弯头一个，回弯头一个，90标准弯头一个，标准截止阀（全标准弯头一个，标准截止阀（全开）一个。若维持进料量为开）一个。若维持进料量为5m3/h，问，问高位槽中的液面需高出进料口多少米？高位槽中的液面需高出进料口多少米？操作条件下料液的物性操作条件下料液的物性 ： h*化化 学学 工工 程程 基基 础础例题解：如图取高位槽中液面为解：如图取高位槽中液面为1-1面，管
12、出口内侧为面，管出口内侧为 2-2截面，且以过截面，且以过2-2截面中心线的水平面为基截面中心线的水平面为基 准面。在准面。在1-1与与2-2截面间列柏努利方程：截面间列柏努利方程：其中：其中：Z1=h; u10; p1=0(表压表压); Z2=0; p2=20kPa(表压表压)； 管路总阻力管路总阻力 *化化 学学 工工 程程 基基 础础例题取管壁绝对粗糙度取管壁绝对粗糙度 则查得摩擦系数得摩擦系数各管件的局部阻力系数各管件的局部阻力系数：进口突然口突然缩小小 180回弯回弯头 9090标准弯准弯头 标准截止准截止阀（全开）（全开） *化化 学学 工工 程程 基基 础础小小 结结1、阻力分类、阻力分类2、范宁公式、范宁公式3、层流、湍流时的摩擦阻力系数、层流、湍流时的摩擦阻力系数4、局部阻力的计算、局部阻力的计算*化化 学学 工工 程程 基基 础础返回返回*
