06流体流动摩擦损失ppt课件

6 Friction loss in fluid flowA.Formulation of friction loss in straight pipeB.Friction factorC.Local friction loss*D.Friction loss in noncircular conduitsE.Example 教学目的：能建立机械能衡算方程式中摩擦阻力项教学目的：能建立机械能衡算方程式中摩擦阻力项wf或或hf的计的计算方程。算方程。粘性流体在直管内流动受壁面拖曳即剪力与流体流粘性流体在直管内流动受壁面拖曳即剪力与流体流向相反作用向相反作用摩擦阻力摩擦阻力表现为管内压降或压头损表现为管内压降或压头损失失(wf、-pf、或、或hf)可以从剪力与压降关系推出公式。可以从剪力与压降关系推出公式。设流体在直径为设流体在直径为d、长度为、长度为dl 的水平直管内流动的水平直管内流动壁面摩擦力：壁面摩擦力：wddl导致压降：导致压降：-dpf则有：则有：lddpd4dw2f)8(2d2d8d4d2w222wwf摩擦因子uudludludlp不可压缩流体流过等截面管时，积分上式可得不可压缩流体流过等截面管时，积分上式可得Fanning公式：公式：m2J/kg2Pa.s22ff2ff2fgudlgphudlpwudlp应用应用Fanning公式的关键在确定摩擦因子公式的关键在确定摩擦因子。Poiseuille公式：公式：max2max2141uuRlpu2f32dlpu与与Fanning公式比较公式比较22fudlp可得：可得：eRdu64642643222fudldudlup，通过实验建立经验关联式。，通过实验建立经验关联式。变量数水平数实验次数。可见，实验工作量庞大，数据关联麻烦。可见，实验工作量庞大，数据关联麻烦采用实验采用实验规划方法如因次分析法）规划方法如因次分析法）将变量组合成因次为一的数将变量组合成因次为一的数群如群如Re数）数）大大减少实验次数，并方便了数据关联。大大减少实验次数，并方便了数据关联。因次分析法依据因次分析法依据 因次一致性原则因次一致性原则 定理定理 因次为一数个数因次为一数个数=变量数变量数-基本因次数基本因次数光滑管摩擦因子的因次分析光滑管摩擦因子的因次分析通过分析知道：通过分析知道：-pf=f(D,l,u,)写为幂指数关系：写为幂指数关系：-pf=KDal bucde式中的式中的K及及a e为待定系数。式中各物理量的因次：为待定系数。式中各物理量的因次：-pf D l u ML-1-2 L L L-1 ML-3 ML-1-1 代入上面幂指数式：代入上面幂指数式：ece3dcbaedeee3ddccba-2-1LKMLMLMLLKLMLece3dcbaedeee3ddccba-2-1LKMLMLMLLKLML据因次一致原则，有：据因次一致原则，有：d+e=1a+b+c-3d-e=-1-c-e=-2如以如以b,e表示表示a,c,d，可解出：，可解出：a=-b-ec=2-ed=1-e代回幂指数原式代回幂指数原式-pf=KD-b-el bu2-e1-ee-pf=KD-b-el bu2-e1-ee将同指数量归并：将同指数量归并：e-ebe-b2fu)()(K)()(KRdldudlupE 符合符合定理：准数个数定理：准数个数=6-3=3；实验证明；实验证明 b=1。2)(K22e-efuRdlp那么：那么：与与Fanning公式比较公式比较22fudlp得知：得知：-ee)(K2R-ee)(K2R实验确定实验确定K，e。层流层流 K32，e 1光滑管在光滑管在5103Re1105内内25.03164.0eR称称Blasius公式。公式。lglgRe/d层流层流光滑管光滑管eR64上两式在双对数坐上两式在双对数坐标纸上标绘，如图标纸上标绘，如图所示，所示，。管壁面平均粗糙度或称绝对粗糙度），管壁面平均粗糙度或称绝对粗糙度），mm。d层流层流 ()湍流湍流 ()uu处理方法处理方法按按 大小区分不同材料及使大小区分不同材料及使用用 情况不同的管子情况不同的管子用用/d相对粗糙度表示对相对粗糙度表示对 流体阻力的影像流体阻力的影像),(edRf参见图示。参见图示。lglgRe/d层流层流光滑管光滑管 层流区层流区阻力一次方区；阻力一次方区；高高Re数下图中红虚线的左侧），数下图中红虚线的左侧），与与Re无关，只与无关，只与/d 有关有关阻力平方区。阻力平方区。管路阻力损失管路阻力损失直管损失直管损失局部损失局部损失 各种原因使边界层脱体，产生各种原因使边界层脱体，产生 大量旋涡，形成局部阻力损失大量旋涡，形成局部阻力损失guh22f其中：其中：局部损失系数，实验测定，因次为一局部损失系数，实验测定，因次为一 u管内流速，管内流速，m/s 对大小截面相差悬殊的突然扩大情况对大小截面相差悬殊的突然扩大情况=1，突然缩小，突然缩小=0.5。局部阻力系数法未考虑流型的影响。局部阻力系数法未考虑流型的影响。把局部阻力折算成一定长度把局部阻力折算成一定长度le，m，称当量长度直，称当量长度直管阻力管阻力用直管阻力公式计算。用直管阻力公式计算。gulh2d2ef 同管件相连管道的摩擦系数考虑了流型的影响）。同管件相连管道的摩擦系数考虑了流型的影响）。当量长度当量长度 le 可以从手册中查出，通常以可以从手册中查出，通常以 le/d形式给出。形式给出。管系总阻力：管系总阻力：fffhhh 法法 le法法gudllhgudlh22)(2ef2f*D.非圆形管中的摩擦损失非圆形管中的摩擦损失本题目非圆形管中的摩擦损失内容可自学。本题目非圆形管中的摩擦损失内容可自学。注意概念注意概念“当量直径当量直径de”de=4()=4水力半径）水力半径）流通截面积流通截面积 润湿周边润湿周边 流体在管路中的流动阻力损失包括直管摩擦阻力损失和局流体在管路中的流动阻力损失包括直管摩擦阻力损失和局部阻力损失，这是两种有本质区别的阻力损失。前者主要是部阻力损失，这是两种有本质区别的阻力损失。前者主要是表面摩擦，而后者主要是涡流造成的形体阻力损失。表面摩擦，而后者主要是涡流造成的形体阻力损失。【本讲要点】【本讲要点】直管中摩擦阻力损失公式可以用基本物理定律辅助定则直管中摩擦阻力损失公式可以用基本物理定律辅助定则的方法获得，其最终表达形式取决于辅助定则，即与过程特的方法获得，其最终表达形式取决于辅助定则，即与过程特征有关。层流可以解析，湍流时不得不借助实验。征有关。层流可以解析，湍流时不得不借助实验。因次分析法是一种化工中常用的实验规划方法，它可以减因次分析法是一种化工中常用的实验规划方法，它可以减少实验工作量；作到少实验工作量；作到“由小见大，由此及彼由小见大，由此及彼”。其依据是因次。其依据是因次一致性原则和一致性原则和定理。应注意的是，此法必须与经验或初定理。应注意的是，此法必须与经验或初步实验相接合，在确定过程影响因素时，不能遗漏必要的步实验相接合，在确定过程影响因素时，不能遗漏必要的变量。变量。局部阻力是一种极复杂的流动现象，一般只能以实验测得局部阻力是一种极复杂的流动现象，一般只能以实验测得某些参数如某些参数如或或 le来进行估算。来进行估算。工程上常采用工程上常采用“当量的方法去处理一些目前尚不清楚或无当量的方法去处理一些目前尚不清楚或无法测定的量。即用一个量去代替原有量，而该量容易测得，法测定的量。即用一个量去代替原有量，而该量容易测得，且其效果与原有量在某方面等效。在非园形管阻力计算中采且其效果与原有量在某方面等效。在非园形管阻力计算中采用定义用定义“当量直径的方法以及局部阻力计算中的当量直径的方法以及局部阻力计算中的“当量长度法当量长度法”就是实例。它依赖于经验，并无可靠的理论根据。就是实例。它依赖于经验，并无可靠的理论根据。如下图，如下图，。流体入塔处压强流体入塔处压强0.02Mpa(表压表压)输液管：输液管：383(mm)L=8 m =0.3 mm管件：管件：90标准弯头标准弯头2个个 180回弯头回弯头1个个 标准球心阀标准球心阀(全开全开)1个个流体物性：流体物性：=861kg/m3 =6.4310-4 pa.s试问：为使试问：为使V=3 m3/h，高位槽的高度，高位槽的高度Z=?paZpaZ解：解：选择截面选择截面1-1,2-2内侧）内侧）定基准面定基准面管出口管出口2-2 面中心线面中心线1122压强基准压强基准表压表压列式：列式：f22212wupgZm/s04.1032.0785.03600/3422s2dVu00938.0032.0/103.0/1046.41043.686104.1032.0344edduR查图得：查图得：=0.039管件阻力系数：管件阻力系数：突然收缩突然收缩=0.5 90 标准弯头标准弯头=0.75 180回弯头回弯头=1.5 全开球心阀全开球心阀=6.0那么：那么：J/kg10204.1)0.65.1275.05.0032.08039.0(2222fudlwpaZ1122m4.381.91081.9204.181.98611002.0226f2221gwgugpZ最后可得：最后可得：如果如果2截面选在图示截面选在图示2-2 处，则动能项没有，损失处，则动能项没有，损失 部分多部分多1项项=1结果不结果不 变。变。paZ112222图示管路中，管径图示管路中，管径d=50mm，管长管长LAB1=LB2C1=LC2D1=10m，管路中有管路中有90o弯头一个，一样弯头一个，一样的闸门阀两个。已知容器水的闸门阀两个。已知容器水面与容器出口的垂直距离为面与容器出口的垂直距离为h=1m，距管路出口的垂直距，距管路出口的垂直距离为离为H=12m，直管摩擦系数，直管摩擦系数为为0.025，试计算：，试计算：阀门阀门B1/4开，阀门开，阀门D全开时，管内流量及全开时，管内流量及A、B1、B2、C1、C2、D1、D2各点压强为多少？各点压强为多少？若对调两阀门的开度，其它条件不变，管内流量及以上各若对调两阀门的开度，其它条件不变，管内流量及以上各 点压强有何变化？点压强有何变化？H=12mh=1mABCDFB1B2C1C2D1D2Pa1mH=12mh=1mABCDFB1B2C1C2D1D2Pa1m解：解：阀门阀门B1/4开，阀开，阀门门D全开时，管内流量及全开时，管内流量及A、B1、B2、C1、C2、D1、D2各点压强为多少各点压强为多少在截面在截面1-1、2-2间列机械间列机械能衡算方程：能衡算方程：212udLgH12dLgHu得管内流速：得管内流速：11 22查各局部阻力系数：查各局部阻力系数：A=0.5，B=24，C=0.75，D=0.17，=25.4那么那么m/s37.214.2505.031025.01281.92uV=0.7850.0522.37=4.6510-3 m3/s计算各管段和管件的阻力损失：计算各管段和管件的阻力损失：m43.181.9237.205.010025.0m143.081.9237.25.02fAB12fAhhm0.122m286.081.9237.22m143.081.9237.205.01025.0m049.081.9237.217.0m43.1m215.081.9237.275.0m43.12f222fD2F2fDfC2D12fCfB2C1guhguhhhhhm87.681.9237.2242fBhi-f12iii2hgugpZHi-f1i-f1i-f12iii714.11286.0122hhhguHgpZiiiigZggpZp利用上式及已求出的各部分阻力，可算出各点压强如下表：利用上式及已求出的各部分阻力，可算出各点压强如下表：对截面对截面1-1和任一面和任一面 i-i 列机列机械能衡算方程械能衡算方程(以表压强和以表压强和管出口截面为基准管出口截面为基准)：ABCDFB1B2C1C2D1D2Pa11ii截截面面位位置置AB1B2C1C2D1D2FZi+pi/g11.57110.1413.2711.8411.2620.1960.1430阀阀门门换换前前pi kPa5.60-8.43-75.8-89.8-92-7.89-8.410 可见，在水平管段，流体的位能不变，阻力损失只能由压可见，在水平管段，流体的位能不变，阻力损失只能由压强能提供，故压强沿程减小。强能提供，故压强沿程减小。在垂直管段，当流体向下流动时，流体所释放出的位能远大在垂直管段，当流体向下流动时，流体所释放出的位能远大于管阻力损失，剩余部分转化为压强能，压强沿程升高。于管阻力损失，剩余部分转化为压强能，压强沿程升高。当流体向上流动时，压强能必须同时提供阻力损失和流体当流体向上流动时，压强能必须同时提供阻力损失和流体位置提高所需的能量，压强将迅速降低。位置提高所需的能量，压强将迅速降低。局部阻力损失是集中在很小的区域内发生，无论是在水平还局部阻力损失是集中在很小的区域内发生，无论是在水平还是垂直管段都是消耗压强能，使压强突然降低。是垂直管段都是消耗压强能，使压强突然降低。截面位置截面位置AB1B2C1C2D1D2FZi+pi/g11.571 10.141 3.2711.8411.2620.1960.1430阀阀门门换换前前pi kPa5.60-8.43-75.8-89.8-92-7.89-8.410Zi+pi/g11.571 10.141 10.092 8.6628.4477.0170.140阀阀门门换换后后pi kPa5.60-8.43-8.91-22.9-2559.0-8.410 若对调两阀门的开度，其它条件不变，管内流量及以上若对调两阀门的开度，其它条件不变，管内流量及以上各点压强有何变化各点压强有何变化hfB减小为减小为0.049m，hfD增加为增加为6.78m，管路总阻力不变，流，管路总阻力不变，流速和流量也不变。采用同样方法计算，列于下表。速和流量也不变。采用同样方法计算，列于下表。流体总势能沿程分布发生变化，由于流体总势能沿程分布发生变化，由于Zi不能变化，只有压强不能变化，只有压强pi在不同位置处发生变化。在不同位置处发生变化。