热工与流体力学-第3章课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,第三章,流动阻力和能量损失,8/7/2024,第三章 流动阻力和能量损失7/31/2023,1,学习导引,实际流体在流动过程中必然要克服流动阻力,而消耗一定的能量，形成能量损失。能量损失的,计算是流体力学计算的重要内容之一，也是本章,要着力解决的基本问题。本章将以恒定流为研究,对象，从介绍流体流动形态入手，分析不同流态,下能量损失产生的规律，最后给出能量损失的常,用计算公式与方法。,8/7/2024,学习导引 实际流体在流动过程中必然要克服流动阻,2,学习要求,1.了解流动阻力的两种形式，掌握能量损失的计算式。,2.理解雷诺实验过程及层流、湍流的流态特点，掌握流态判断标准。,3.了解圆管层流和湍流流速分布规律，了解边界层概念。,4.理解湍流的层流底层和粗糙度对流体流动的影响，理解莫迪图中沿,程阻力系数的变化规律，掌握用莫迪图及公式法确定的方法，并,能应用范宁公式进行沿程损失计算。,5.了解非圆管的当量直径概念，了解非圆管的沿程损失计算方法。,6.理解局部损失产生的主要原因，能正确选择局部阻力系数进行局部,损失计算。,7.了解减小流动阻力的措施。,8/7/2024,学习要求1.了解流动阻力的两种形式，掌握能量损失的计算式。7,3,重点与难点,本章的重点是雷诺数及流态判断，沿程阻力系数,的确,定，沿程损失和局部损失计算,。,本章的难点在于:,1.层流和湍流的概念较抽象，理解起来有一定难度，,结合雷诺实验增加感性认识，理解起来会容易些。,2.对莫迪图中的阻力分区和沿程阻力系数不同计算,公式的应用会有一定难度。对于经验公式只需会用即可，,不必对其来源多加探究，也不必对经验公式死记硬背，能,根据条件选用公式即可。,8/7/2024,重点与难点本章的重点是雷诺数及流态判断，沿程阻力系数的确7,4,第一节 沿程损失和局部损失,能量损失分为两种形式：,流体在流动过程中受到,流动阻力,由此产生,能量,损失,。,流动阻力,是造成能量损失的根本原因，而,能量损失,则是流动阻力在能量消耗上的反映。,影响流动阻力的主要因素:,沿程损失,h,f,局部损失,h,j,流体的黏滞性和惯性,(内因),固体边壁形状及壁面的粗糙度的阻碍和扰动作用,(外因),8/7/2024,第一节 沿程损失和局部损失能量损失分为两种形式：流,5,一、沿程阻力与沿程损失,沿程阻力,:流体在边壁,沿程不变的管段（直,管段）,上流动时所产生;其值沿程均匀分布。,沿程损失,:为克服沿程阻力产生的能量损失，,用符号,h,f,表示，单位为J/kg,、,kJ/kg,。,沿程损失,h,f,的大小与,流程的长度,成正比。,8/7/2024,一、沿程阻力与沿程损失 沿程阻力:流体在边壁,6,二、局部阻力与局部损失,局部阻力,:流体流过,管件,，,阀门,及,进出口,等局,部阻碍时，因固体,边壁形状的改变,，使流体的流速,和方向发生变化，导致产生局部阻力。,局部损失,:为克服局部阻力产生的能量损失，,用符号,h,j,表示，单位为J/kg,、,kJ/kg,。,局部损失,与管长无关，只与,局部管件,有关。,8/7/2024,二、局部阻力与局部损失 局部阻力:流体流过管,7,三、能量损失的计算公式,整个管路的,总能量损失,等于各管段的,沿程损,失和,各处的,局部损失的总和,，即：,以压头损失形式表示,以压力降（压力损失）形式表示,（J/kg）,（m）,（Pa）,8/7/2024,三、能量损失的计算公式 整个管路的总能量损失等,8,(1)沿程损失的计算,范宁公式,（,J/kg）,（m）,（Pa）,式中,沿程阻力系数,为无因次系数；,v,截面的平均流速，m/s。,8/7/2024,(1)沿程损失的计算范宁公式（J/kg）（m）（Pa,9,(2)局部损失的计算,（,J/kg）,（m）,（Pa）,式中,局部阻力系数,为无因次系数。,或,8/7/2024,(2)局部损失的计算（J/kg）（m）（Pa）式中,10,第二节 流体的两种流态,一、雷诺实验和流态,1883年英国物理学家雷诺（Reynolds）通过大量实验发现，流体的运动有两种不同性质的流动状态，简称,流态,。,能量损失的规律与流态有关,。,雷诺实验装置的示,意图如图所示。,8/7/2024,第二节 流体的两种流态一、雷诺实验和流态,11,实验过程,(1)微开阀门C:,(2)逐渐开大阀门C:,(3)继续开大阀门C:,(4)逐渐关小阀门C:,有色液是一条界线分明的直线，与周围的清水不相混。,v,c,时，有色细流开始出现波动而成波浪形细线。,有色开始抖动、弯曲，然后断裂,与周围清水完全混合。,实验现象将按相反程序出现，,v,c,小于,v,c,。,雷诺实验,8/7/2024,实验过程(1)微开阀门C:(2)逐渐开大阀门C:(,12,实验表明,（1）当流速不同时，流体的流动具有两种完全不同的流态。,湍流(紊流),临界流速,v,c,v,c,。,层流(滞流),过渡流,（2）两种流态在一定的流速下可互相转变。,一般用,下临界流速,v,c,作为判别流态的界限，,v,c,也直接,称为,临界流速,。,雷诺实验,v,c,:上临界流速,v,c,:下临界流速,流体质点互不混合有规则的层状流动。,流体质点相互混合无规则的紊乱流动。,8/7/2024,实验表明（1）当流速不同时，流体的流动具有两种完全不同的,13,二、流态的判断依据,流体的流动状态不仅与流体的速度,v,有关，还与流,体的黏度,、密度,和管径,d,有关。,引入无因次准数,雷诺数,Re,:,只要雷诺数相同，流态必然相同。,:,流体密度，kg/m,3,；,v,:,截面的平均流速，m/s；,d,:,管内径，m；,:,流体动力黏度，Pas；,:,流体运动黏度，m,2,/s。,利用雷诺数的大小可判断流体的流态。,8/7/2024,二、流态的判断依据 流体的流动状态不仅与流体的,14,临界雷诺数,Re,c,:对应于临界流速的雷诺数。,Re,2000,时，是,层流,流动；,Re,2000,时，是,湍流,流动。,惯性力,黏性力,雷诺数=,两种流态,Re,c,稳定在20002320，一般取,Re,c,2000,。,8/7/2024,临界雷诺数Rec:对应于临界流速的雷诺数。Re2000时,15,例10-1,某低速送风管道，内径,d,200mm，风速,v,3m/s，空气温度为40。求：（1）判断风道内气体的流动状态；（2）该风道内空气保持层流的最大流速。,解：（1）查表8-2，40时空气的运动粘度,17.6,10,-6,m,2,/s，管中,Re,为,（,2,）空气保持层流的最大流速为,（m,/,s）,2000，故为湍流,8/7/2024,例10-1 某低速送风管道，内径d2,16,例10-2,某油的黏度为70,10,-3,Pas，密度为1050kg/m,3,，在管径为,114mm,4mm的管道内流动，若油的流量为30m,3,/h，试确定管内油的流动状态。,解：,d,114-2,4,106,（,mm）,0.106,（,m）,（m,/,s）,2000,，故为层流,8/7/2024,例10-2 某油的黏度为7010-3,17,第三节,圆形管内的速度分布和边界层概念,一、流体在圆形管内的速度分布,流体流经管道时，在同一截面不同点的速度是不同的，即速度随位置的变化而变化，这种变化关系称为,速度分布,。,当流体在圆形管内流动时，,无论是层流还是湍流,，,管壁上的流速为零,，其它部位的流体质点速度沿径向发生,变化。离开管壁越远，其速度越大，直至,管中心处速度最,大,。,如平板间流速分布,8/7/2024,第三节圆形管内的速度分布和边界层概念 一、流体在圆形管内的,18,1.圆形管内层流速度分布,层流,一般发生在,低流速、小管径的管路中,或,黏性较大,的机械润滑系统和输油管路中,。,流动的流体在圆管内好像无数层很薄的圆筒，平行的一个套着一个地相对滑动。,实验测得层流速度分布呈,抛物线状分布,，管中心处的,流体质点速度最大。管内流体的平均流速,v,等于管中心处最,大流速,v,max,的二分之一，即：,8/7/2024,1.圆形管内层流速度分布 层流一般发生在低流速,19,2.圆形管内湍流结构及速度分布,(1)圆形管内湍流结构,由三部分组成，即：,层流底层,过渡区,湍流核心,层流底层厚度,b,随雷诺数的增大而减小。其厚度一,般只有几十分之一到几分之一毫米，但它的存在,对管壁,粗糙的扰动,和,传热性能,有重大影响，因此不可忽视。,8/7/2024,2.圆形管内湍流结构及速度分布(1)圆形管内湍流结构,20,湍流时的速度分布与,Re,值有关，,Re,越大,，湍流核心区,内的,速度分布曲线越平坦,。,管内平均流速,v,与管中心处最大流速,v,max,的关系一般为：,(2)湍流时圆管内速度分布,v,（,0.750.9）,v,max,在层流底层内，流速仍按抛物线分布，速度梯度很大,在湍流核心区内，流速按对数规律分布,8/7/2024,湍流时的速度分布与Re值有关，Re越大，湍流,21,二、边界层的概念,1.边界层的形成和发展,以流体沿固定平板的流动为例:,x,c,临界距离,层流底层,层流边界层,:平板前缘附近,在平板前缘处:流体以,v,0,流动,流过平板壁面时:,边界层,:,v,00.99,v,0,主流区,:,v,v,0,湍流边界层,:距平板前缘,x,c,起,逐渐加大,紧靠板面处,8/7/2024,二、边界层的概念 1.边界层的形成和发展以流体沿固定平板的,22,工程中,常为流体在圆管内流动:,流体进入管道前:流速均匀,流体刚进入圆管:即形成边界层,距管口,x,0,处:边界层汇合于管中心线,x,0,以后:,完全发展了的流动,随,x,的增大,逐渐加大,形成图示流速分布,边界层的形成和发展,x,0,称为进口段长度或稳定段长度,层流,湍流,管内边界层是湍流,管内边界层是层流,8/7/2024,工程中,常为流体在圆管内流动:流体进入管道前:流速均匀,23,2.边界层分离,以流体流过曲柱体壁面为例:,B,之前:流体质点因流道截面变小而,加速减压,边界层,的一个重要特点是在某些情况下会,脱离壁面,，,称为,边界分离,。,B,之后:流体质点,减速增压,流速分布不均匀,出现分离面,CD,局部阻力,边界层的外缘,分离面,CD,分离面与壁面之间有流体倒流产生旋涡，产生,形体阻力,摩擦阻力,形体阻力,(旋涡阻力),C点为边界层分离点,B,点为最高点,因固体表面形状而造成,8/7/2024,2.边界层分离以流体流过曲柱体壁面为例:B之前:流体质点,24,第四节,流体在管内流动阻力损失的计算,一、沿程损失计算,1.,沿程阻力系数,的影响因素,流体,层流,流动时:,Re,较小,，,黏性力起主导作用,，,产生,黏性阻力,，其值取决于,雷诺数,Re,，而与管壁粗糙度无关。,流体,流态,不同，对流动阻力的影响也不同。,因此，对于,层流,：,8/7/2024,第四节流体在管内流动阻力损失的计算 一、沿程损失计算1.沿,25,流体,湍流,流动时:,Re,较大，其阻力为,黏性阻力,和,惯性,阻力,之和，其值分别取决于,雷诺数,Re,及,管壁面粗糙度,。,壁面粗糙度对沿程损失的影响取决于,相对粗糙度,K,/,d,。,因此，对于,湍流,：,绝对粗糙度,K,:管壁表面粗糙突起绝对高度的平均距离,。,K,为绝对粗糙度,d,为管径,8/7/2024,流体湍流流动时:Re较大，其阻力为黏性阻力,26,2.圆形管内层流时沿程阻力系数的计算,理论分析得出，流体在圆形直管内作层流流动时的,压,力损失,p,f,为：,可得,圆管层流,流动时的,沿程阻力系数,为:,由于,p,f,h,f,哈根-泊谡叶方程,而,沿程阻力系数,与,Re,成反比，与管壁粗糙度无关。,8/7/2024,2.圆形管内层流时沿程阻力系数的计算 理论分析,27,例10-3,用内径为,d,10mm，长为,L,3m的输油管输送润滑油，已知该润滑油的运动黏度,1.802,10,-4,m,2,/s，求流量为,q,V,=75cm,3,/s时，润滑油在管道上的沿程损失。,8/7/2024,例10-3 用内径为d10mm，长为,28,3.圆形管内湍流时沿程阻力系数的计算,实验发现，流体在管内作湍流流动时，其,沿程阻力系数,不仅与,v,、,d,、,和,有关，而且还与管壁的粗糙度(,K,、,K/d,)有关。,管壁上凸起部分都被有规则的流体层所覆盖，而流速,又较缓慢，流体质点对管壁凸起部分不会有碰撞作用，所以，,与,K/d,无关,。,（1）管壁的粗糙度对沿程阻力系数的影响,流体,层流,时，,8/7/2024,3.圆形管内湍流时沿程阻力系数的计算 实验发现,29,b,K,，管壁凸起部分被,层流底层,覆盖，此状态下为,光滑,管,，,与,Re,有关,。,b,K,，管壁凸起部分,完全暴露于湍流核心区,中，为,粗糙管,，,主要与,K,/,d,有关,。,b,K,，粗糙度影响到湍流核心区的流动，,与,Re,、,K,/,d,有关,。,b,层流底,层厚度,流体,湍流,时，,湍流中流速较大的流体质点冲击凸起部位，形成旋涡，能量损失激增,8/7/2024,bK，管壁凸起部分被层流底层覆盖，此状态下为光滑,30,莫迪图的五个区域：,以,Re,为横坐标，,为纵坐标，,K,/,d,为参数，标绘出,Re,与,关系的图称为,莫迪图,。,（2）莫迪图与沿程阻力系数,从中可直接查出,值,层流区,Re,2000,64/,Re,。,临界过渡区,Re,2000,4000,，,一般将湍流时的曲线,延伸，按,湍流状况查取,值,。,湍流光滑区,Re,4000,，,b,K,，,f,2,（,Re,）,。,和,Re,成曲线关系，且随着,Re,的增加而减小,8/7/2024,莫迪图的五个区域：以Re为横坐标，为纵坐标,31,b,K,f,（,Re,，,K,/,d,）,。,湍流过渡区,Re,4000及图中虚线以下、湍流光滑区曲线以上的区域,。,湍流粗糙区,Re,4000及图中虚线以上的区域,。,b,K,，,f,（,K,/,d,）,。此区又称,阻力平方区,或,完全湍流区,。,当,K,/,d,一定时，,随,Re,值的增大而减小，,Re,值增至某一数值后,值下降缓慢；当,Re,值一定时，,随,K,/,d,值的增加而增大,莫迪图,此区域内流体流动阻力所引起的能量损失,h,f,与,v,2,成正比,莫迪图的使用方法,8/7/2024,bK,f（Re，K/d）。湍流过渡区 湍,32,8/7/2024,7/31/2023,33,布拉休斯公式,湍流光滑区,（3）湍流,的计算公式,均为计算,的经验公式和半经验公式,（,Re,10,5,）,尼古拉兹公式,f,2,（,Re,）,8/7/2024,布拉休斯公式 湍流光滑区（3）湍流的计,34,希弗林松公式,湍流粗糙区,尼古拉兹公式,湍流,的计算,f,（,K,/,d,）,8/7/2024,希弗林松公式 湍流粗糙区 尼古拉兹公式,35,湍流过渡区,湍流,的计算,莫迪公式,柯列勃洛克公式,阿里特苏里公式,适合于整个湍流区的综合经验公式,f,（,Re,，,K,/,d,）,8/7/2024,湍流过渡区 湍流的计算 莫迪公式 柯列勃洛克公式,36,分区计算,，首先要准确地判定湍流所处的区域，然后才能选用恰当的公式进行计算。,（4）湍流分区判别式,湍流光滑区,湍流,的计算,湍流过渡区,湍流粗糙区,Re,2000,Re,Re,8/7/2024,分区计算，首先要准确地判定湍流所处的区域，然后才能,37,表10-1 常用工业管道的绝对粗糙度数值,管道材料,K,/mm,管道材料,K,/mm,管道材料,K,/mm,新铜管,0.00150.01,新铸铁管,0.250.42,钢板制风道,0.15,新无缝钢管,0.040.19,旧铸铁管,0.51.6,塑料板制风道,0.01,旧无缝钢管,0.2,涂沥青铸铁管,0.12,胶合板风道,1.0,镀锌钢管,0.15,白铁皮管,0.150.010.05,混凝土管,0.33.0,新焊接钢管,0.060.33,玻璃管,0.01,矿渣混凝土板风道,1.5,生锈钢管,0.53.0,橡皮软管,0.010.05,墙内砖砌风道,510,在选取管壁的绝对粗糙度,K,值时，要充分考虑,流体对管壁,的腐蚀性,，,液体中固体杂质是否会黏附在壁面上,以及,使,用情况,等因素。,8/7/2024,表10-1 常用工业管道的绝对粗糙度数值 管道材料 K/m,38,例10-4,水管为一根长为50m，直径,d,0.1m的新铸铁管，水的运动黏度,1.31,10,-6,m,2,/s，水的平均流速,v,5m/s，试求该管段的沿程压头损失。,8/7/2024,例10-4 水管为一根长为50m，直,39,对非圆形管道，如矩形风道、梯形或三角形明渠等,，上述计算公式仍适用，但公式中的,直径,d,需采用“,当量直径,d,e,”来进行计算,。,4.非圆管内流动的沿程损失,（1）,水力半径,R,流体流经通道的,有效截面积,A,与湿周,x,之比,。,即：,湿周,:流道截面上流体接触即润湿固体壁面部分的周边长度。,只有在满流情况下湿周才等于周长。,8/7/2024,对非圆形管道，如矩形风道、梯形或三角形明渠等，上述,40,圆管满流时(图a),圆管半流时,（图b）,套管环形通道满流时（图c）,矩形通道满流时,（图d）,明渠（图e),8/7/2024,圆管满流时(图a)圆管半流时（图b）套管环,41,（2）,当量直径,d,e,当量直径为水力半径的四倍,，即：,用前面介绍的方法对非圆管进行沿程阻力计算时，,涉及,Re,、,K,/,d,、,L,/,d,中,d,的确定必需用,当量直径,d,e,来,代替。,8/7/2024,（2）当量直径de 当量直径为水力半径的四倍，即：,42,例10-5,某钢板制风道，截面尺寸为400mm,200mm，长度为80m，管内平均流速,v,10m/s，空气温度,t,20，求该风道的沿程压力损失,p,f,。,8/7/2024,例10-5 某钢板制风道，截面尺寸,43,1.局部损失产生的主要原因,（1）,边壁条件的急剧变化,，使,流体产生边界层分离,，,形成,旋涡区,，产生能量损失。,（2）,边壁条件的改变,，使,流体受到压缩或扩张,，引起,流动速度重新分布,。,二、局部损失计算,8/7/2024,1.局部损失产生的主要原因 （1）边壁条件的急,44,2.影响局部损失的主要因素,知,（J/kg）,为,局部阻碍形状,和,流速,。,由,局部损失,h,j,主要与局部阻力系数,和流速,v,有关，,而,仅与,形成局部阻力的,局部阻碍几何形状有,关,而,与,Re,无关,。,8/7/2024,2.影响局部损失的主要因素知（J/kg）为局部阻碍形状,45,3.局部阻力系数及局部损失计算,或,局部阻力系数,值通常,由实验测定,。,（1）,管径突然扩大,典型局部阻碍阻力系数的确定方法和局部损失计算:,或,8/7/2024,3.局部阻力系数及局部损失计算或 局部阻力系数值通常由实验,46,扩散角，一般取,=612,；,渐扩管前细管内流体的沿程阻力系数；,（2）,管径逐渐扩大（渐扩管）,式中,K,与扩散角,有关的系数，当,20时，,可近似取,k,sin,。,在60左右损失最大,的计算,8/7/2024,扩散角，一般取=612；渐扩,47,（4）,管径逐渐缩小（渐缩管）,其能量损失主要发生在,变径前后,，对应于,v,2,的,公式为:,（3）,管径突然缩小,在收缩角,30,的情况下，对应于,v,2,的,公式为:,的计算,8/7/2024,（4）管径逐渐缩小（渐缩管）其能量损失主要发生在变径前后，,48,（6）,管道进口,由管径突然扩大,的计算公式知：,（5）,管道出口（流入大容器）,管道进口的局部阻力系数与,进口边缘的情况,有关。,的计算,当,A,2,A,1,时，,1,（7）,各种管件,如弯头、三通、阀门等,见,附表13,8/7/2024,（6）管道进口 由管径突然扩大的计算公式知：（5）管道出,49,例10-6,如图10-17所示离心泵从贮水池中抽水。已知吸水管直径,d,100mm，吸水管长度,L,20m，,0.03，离心泵进口流量,q,V,15,10,-3,m,3,/s。水泵进口处的最大允许真空度,H,v,6mH,2,O，吸水管底部装有带底阀的滤水网，泵吸水管上采用90弯头。试求离心泵的安装高度,H,。,8/7/2024,例10-6 如图10-17所示离心泵,50,1.减小沿程阻力,三、减少流动阻力的措施,（1）,减小管长,L,。,（3）,减小管壁的绝对粗糙度,K,。,（2）,适当增加管径,d,。,（4）,用软管代替硬管,。,（5）,在流体内加入极少量的添加剂,。,8/7/2024,1.减小沿程阻力 三、减少流动阻力的措施（1）减小管长L。,51,2.减小局部阻力,减少局部阻力的着眼点应在于,避免旋涡区的产生,及,减小旋涡区的大小和强度,。,（2）对于管道系统必须安装的管件，可以从,改善管件边,壁形状,入手来减小局部阻力。,（1）在管道系统允许的条件下，,尽量减少弯头、阀门等,管件的安装数量,，以减小整个系统的,值。,采用渐变的、平顺的,管道进口,。,8/7/2024,2.减小局部阻力 减少局部阻力的着眼点应在于,52,采用扩散角较小的渐扩管,。,对于截面较大的弯道，,加大曲率半径,或,内装导流叶片,。,三通,。,减小局部阻力,(a)较之(b)局部阻力小得多,可减阻70,8/7/2024,采用扩散角较小的渐扩管。对于截面较大的弯道，加大曲率,53,