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1、第五章第五章 流动阻力和能量损失流动阻力和能量损失闫小丽闫小丽2021.52021.5第五章 流动阻力和能量损失 n雷诺实验雷诺实验n圆管中的层流圆管中的层流n圆管中的湍流圆管中的湍流n管路中的沿程阻力管路中的沿程阻力n管路中的部分阻力管路中的部分阻力流体管内流动的能量损失流体管内流动的能量损失能量损失的分类能量损失的分类沿程能量损失沿程能量损失部分能量损失部分能量损失流段内的总能量损失流段内的总能量损失第一节 雷诺实验流体流动的两种流动形状流体流动的两种流动形状n层流滞流层流滞流n当流速较小时，各流层间流体质点互不掺混，当流速较小时，各流层间流体质点互不掺混，这种流动形状称为层流。这种流动形
2、状称为层流。 n湍流紊流湍流紊流n当流速较大时，各流层间的流体质点相互猛烈当流速较大时，各流层间的流体质点相互猛烈掺混，这种运动形状称为紊流。掺混，这种运动形状称为紊流。 层流流湍流的平均速度湍流的平均速度上临界速度上临界速度湍流湍流层流的平均速度流的平均速度下临界速度下临界速度当管径一定，流体粘度一定时当管径一定，流体粘度一定时当管径改动，或流体粘度改动当管径改动，或流体粘度改动上临界雷诺数上临界雷诺数下临界雷诺数下临界雷诺数002320当当Re00Re00，管中流动形状为湍流，管中流动形状为湍流当当Re2320Re11.4cm/s时，层流流紊流紊流假设不改动流速，添加水温，水的粘滞系假设不
3、改动流速，添加水温，水的粘滞系数减小，水流形状同样可以转变。数减小，水流形状同样可以转变。查表得，当水温增大到表得，当水温增大到30以上以上时， ，水流形状将由水流形状将由层流流转变为紊流。所以紊流。所以30为其水流形其水流形状状转化的化的临界水温。界水温。管中层流湍流的水头损失规律管中层流湍流的水头损失规律列断面列断面1和和2之间之间的总流能量方程的总流能量方程式：式：1122改动速度改动速度v，即可获得层流湍流情，即可获得层流湍流情况下况下v与对应的与对应的hf值值第二第二节 圆管中的管中的层流流zOyxp1p2vl在在圆管中取恣意一个管中取恣意一个圆柱体，柱体，r,l,定常流定常流动中中
4、处于平衡形状。于平衡形状。受力形状受力形状一、速度分布一、速度分布圆管边境条件圆管边境条件管中层流的速度分布规律管中层流的速度分布规律二、速度分析与流量二、速度分析与流量rdrR取半径取半径r处宽度为处宽度为dr的微小环形面的微小环形面积，那么流量为积，那么流量为哈根哈根-泊肃叶定律泊肃叶定律丈量粘度的根据丈量粘度的根据平均速度平均速度三、平均速度和最大速度三、平均速度和最大速度四、切应力分布四、切应力分布牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律在层流的过流断面上，切应力与半径成正比在层流的过流断面上，切应力与半径成正比K字形分布字形分布当当r=R，管壁处的切应力，管壁处的切应力管壁上的总摩擦力为管壁上的
5、总摩擦力为五、沿程损失五、沿程损失在等径管路中，由于流体与管壁以及流体本身在等径管路中，由于流体与管壁以及流体本身的内部摩擦，使得流体能量沿流动方向逐渐降低。的内部摩擦，使得流体能量沿流动方向逐渐降低。沿程损失沿程损失压强损失压强损失水头损失水头损失功率损失功率损失压强损失压强损失哈根哈根-泊肃叶方程泊肃叶方程平均速度表示平均速度表示水水头损失失管路两端管路两端压强差水差水头之差之差功率损失功率损失用泵在管路中保送流体时，需求计算抑制沿程用泵在管路中保送流体时，需求计算抑制沿程阻力所耗费的功率，是泵选型的主要根据。阻力所耗费的功率，是泵选型的主要根据。单位重力流体的能量损失。单位重力流体的能量
6、损失。六、层流起始段六、层流起始段 从入口到层流速从入口到层流速度呈现抛物线稳定度呈现抛物线稳定的间隔的间隔忽略起始段的影响忽略起始段的影响P254P254，A A值值第三第三节 圆管中的湍流管中的湍流主要特征主要特征流体质点相互掺混，作流体质点相互掺混，作无定向、无规那么运动，无定向、无规那么运动，运动要素在时间和空间运动要素在时间和空间都是具有随机性质的运都是具有随机性质的运动。动。非恒定流非恒定流流速分布比层流更均匀流速分布比层流更均匀能量损失比层流更大能量损失比层流更大t/sv速度脉动速度脉动 流体运动流体运动速度随时间瞬息变化速度随时间瞬息变化压强脉动等压强脉动等统计时均法统计时均法
7、 某段时某段时间内的湍流时均特性间内的湍流时均特性时均流动时均流动 用时均值用时均值表示的时均流动表示的时均流动脉动运动脉动运动 脉动值表脉动值表示的示的湍动粘度湍动粘度涡流粘度涡流粘度粘性底层、水力光滑管和水力粗糙管粘性底层、水力光滑管和水力粗糙管管壁的摩擦力和分子附着力的作用，管壁管壁的摩擦力和分子附着力的作用，管壁上有流体粘附；上有流体粘附；管壁管壁处流体流速流体流速为零零接近管壁接近管壁处的流体流的流体流动遭到影响遭到影响接近管壁接近管壁处的一定范的一定范围内大都是以内大都是以层流流为主主接近壁面接近壁面处的的层流流层称称为粘性底粘性底层 粘性底层的厚度粘性底层的厚度与流体的粘度成正比
8、与流体的粘度成正比与流体运动速度成反比与流体运动速度成反比与沿程阻力系数有关。与沿程阻力系数有关。粘性底层粘性底层过渡层过渡层湍流中心湍流中心管子的管子的资料、加工方法、运用条件以及运用年限料、加工方法、运用条件以及运用年限等要素影响，使得管壁会出等要素影响，使得管壁会出现各种不同程度的凹凸各种不同程度的凹凸不平，它不平，它们的平均尺寸的平均尺寸称称为绝对粗糙度。粗糙度。当当时，管壁的凹凸不平部分完全被粘性底，管壁的凹凸不平部分完全被粘性底层覆盖，粗糙度覆盖，粗糙度对湍流中心几乎没有影响，水力光湍流中心几乎没有影响，水力光滑管；滑管；当当时，管壁的凹凸不平部分暴露在粘性底，管壁的凹凸不平部分暴
9、露在粘性底层之外，湍流中心的运之外，湍流中心的运动流体冲流体冲击在凸起部分，不在凸起部分，不断断产生新的旋生新的旋涡，加，加剧湍流程度，增大能量湍流程度，增大能量损失，失，水力粗糙管。水力粗糙管。切应力分布和速度分布切应力分布和速度分布粘性切应力粘性切应力脉动切应力脉动切应力第四节第四节 管路中的沿程阻力管路中的沿程阻力将砂粒将砂粒筛分后用漆分后用漆涂于管子的内壁涂于管子的内壁6 6种相种相对粗糙度的粗糙度的管路管路层流到湍流流到湍流不同不同ReRe下的下的hfhf，计算出算出布拉修斯公式布拉修斯公式2320决决议的独一要素的独一要素各个区域相对应的公式：各个区域相对应的公式：P278P278
10、，表，表5-45-4莫莫 迪迪 图图第五节第五节 管路中的部分阻力管路中的部分阻力n管路的功能管路的功能保送流体保送流体n为了保了保证流体保送中能流体保送中能够遇到的遇到的转向、向、调理、加速、升理、加速、升压、过滤、丈量等需求，、丈量等需求，在管路上必需求装种种管路附件。在管路上必需求装种种管路附件。n弯弯头、三通、水表、三通、水表、变径段、径段、进出口、出口、过滤器、溢流器、溢流阀、节流流阀、换向向阀等。等。n流体流流体流经这些管件遭到些管件遭到扰动，产生生压强损失，失，这类损失称失称为部分阻力部分阻力损失。失。沿程阻力损失的表达式：沿程阻力损失的表达式：部分阻力损失的表达式：部分阻力损失
11、的表达式：部分阻力系数部分阻力系数将部分阻力损失折将部分阻力损失折合成管中平均速度合成管中平均速度水头的假设干倍。水头的假设干倍。假设部分安装安装在等径管路中间，部分阻假设部分安装安装在等径管路中间，部分阻力系数只需一个。力系数只需一个。假设部分安装安装在两种直径的管路变径假设部分安装安装在两种直径的管路变径管中间，那么会出现两个部分阻力系数。管中间，那么会出现两个部分阻力系数。与部分安装前后速度水头与部分安装前后速度水头相配合的阻力系数相配合的阻力系数普通与主管路的普通与主管路的v v相配合相配合主管在部分安装前，用主管在部分安装前，用11主管在部分安装后，用主管在部分安装后，用22一、几种
12、常用的部分阻力系数一、几种常用的部分阻力系数n1. 1.忽然扩展忽然扩展2.2.逐渐扩展逐渐扩展吉布松实验吉布松实验当当扩张角角为5-75-7时，阻力最小。，阻力最小。扩张角角继续增大，增大，阻力阻力显著上升著上升k3.3.忽然减少忽然减少最小的收缩断面最小的收缩断面断面收缩系数断面收缩系数0.010.10.20.30.40.50.60.70.81.00.6180.6240.6320.6590.6810.7120.7550.8310.89210.4900.4690.4310.3870.3430.2980.2570.2120.16104.4.逐渐减少逐渐减少这种管道不会出种管道不会出现流流线脱离
13、壁面的脱离壁面的问题。组里的主要成分是沿里的主要成分是沿程摩擦。程摩擦。常采用常采用10-2010-20的收的收缩角。角。=0.04=0.045.5.管道的进出口管道的进出口管道出口看作是忽然扩展管道出口看作是忽然扩展管道进口看作是忽然减少管道进口看作是忽然减少管道入口稍加修圆管道入口稍加修圆管道入口呈圆滑曲线管道入口呈圆滑曲线6.6.弯管弯管流动惯性，在弯管和折管的内侧产流动惯性，在弯管和折管的内侧产生流线分别构成漩涡。外侧流体冲生流线分别构成漩涡。外侧流体冲击壁面添加液流的混乱。击壁面添加液流的混乱。过流断面上，外侧压强大于内侧压过流断面上，外侧压强大于内侧压强，产生回流。强，产生回流。=
14、90=90弯管弯管9090弯管的部分阻力系数弯管的部分阻力系数0.10.20.30.40.50.60.70.80.910.1320.0.1580.2060.294 0.440 0.661 0.977 1.408 1.978折管的部分阻力系数折管的部分阻力系数20406080901001101201301600.0460.0.3640.7410.9851.2601.5601.8612.1502.431n三通接三通接头 90和和45 三通三通n闸板板阀与截止与截止阀n液液压附件附件%102030405060708090全160156.53.21.81.10.60.30.180.128524127.
15、55.74.84.44.14.03.9二、水头损失的叠加原那么二、水头损失的叠加原那么n是在不受其他阻力干是在不受其他阻力干扰扰的孤立条件下的孤立条件下测测定的。定的。n假假设设几个部分阻力相互接近、彼此干几个部分阻力相互接近、彼此干扰扰，那么那么测测定定值值又有不同。又有不同。n实实践安装情况践安装情况变变化化较较多，多，难难以以预预知。知。n实实践践计计算算时时按算数加法求和。按算数加法求和。部分阻力损失部分阻力损失沿程阻力损失沿程阻力损失部分阻力的当量管长部分阻力的当量管长管路的总阻力长度管路的总阻力长度部分阻力损失部分阻力损失沿程阻力损失沿程阻力损失当量部分阻力系数当量部分阻力系数管路
16、的总阻力系数管路的总阻力系数第六节第六节 管路计算管路计算n管路构造特点管路构造特点n等径、串联、并联、分支等径、串联、并联、分支n计算特点计算特点n短管计算短管计算 n水头损失中沿程和部分损失各占一定比水头损失中沿程和部分损失各占一定比例；例； n长管计算长管计算 n水头损失中绝大部分为沿程损失，其部水头损失中绝大部分为沿程损失，其部分阻力损失相对可以忽略不计；分阻力损失相对可以忽略不计；n管路特性管路特性一、短管计算一、短管计算例例题：水：水泵管路如管路如图，铸铁管直径管直径150mm150mm，长度度为180mm180mm。管路上装有。管路上装有滤水网水网=6=6一个，全开截一个，全开截
17、止止阀一个，管半径与曲率半径之比一个，管半径与曲率半径之比为0.50.5的弯的弯头3 3个，个，高程高程为100m100m，流量，流量为225m3/h225m3/h，水温，水温20.20.试求水求水泵输出的功率。出的功率。h解：首先需求判别流动形状解：首先需求判别流动形状查表：表：2020水的粘度水的粘度铸铁管铸铁管非光滑管湍流非光滑管湍流过渡区过渡区过渡区过渡区部分阻力系数：部分阻力系数：入口：入口：0.50.5弯头：弯头：0.294x30.294x3截止阀：截止阀：3.93.9滤水网：滤水网：6 6出口：出口：1 1水泵的扬程水泵的扬程水泵的输出功率水泵的输出功率二、管路特性二、管路特性n一条管路上水头一条管路上水头H H与流量与流量qVqV之间的函数关系之间的函数关系n用曲线表示称为管路特性曲线用曲线表示称为管路特性曲线H H12KqvKK管路管路综合参数；包含管路合参数；包含管路长度、直径、度、直径、沿程阻力、部分阻力等各种要素在内。沿程阻力、部分阻力等各种要素在内。管路不同，管路不同，K K值也不同；也不同；管路构造一管路构造一样，改，改动阀门管件的参数开度，管件的参数开度，K K值也也发生生变化。化。管路串联管路串联管路并联管路并联三、长管计算三、长管计算实践管长实践管长
