流动阻力(多媒体教案).ppt

第1页,主要内容：1.5.1概述1.5.2圆形直管层流流动阻力1.5.3管壁粗糙度对摩擦系数的影响1.5.4圆形直管湍流流动阻力1.5.5非圆形管流动阻力1.5.6局部阻力,第2页,1.5.1概述（1）按能量损失的外因来分直管阻力（沿程阻力）流体在流经一定直径的直管时所产生的能量损失局部阻力流体在流经管件、阀门或管径突然发生变化等局部地方时，速度的大小与方向都要发生变化，并受到阻碍和干扰所产生的能量损失,P32-P46,第3页,（2）按能量损失的内因来分表皮阻力（摩擦阻力）流体沿壁面流过而产生的能量损失形体阻力流体流过的流道有弯曲、突然扩大或缩小、流体绕过物体流动可造成边界层分离，引起机械能损耗归根结底，都是由于流体的黏性所造成的内摩擦。,P32-P46,第4页,1.5.2圆形直管层流流动阻力,P32-P46,第5页,（1）内因流体从第一个截面流到第二个截面时，由于流体层之间的分子动量传递而产生的内摩擦力（层流），或者由于湍流动量传递而引起的内摩擦力（湍流），由此产生了能量损失。,P32-P46,第6页,（2）表现形式流体在无外加能量的情况下流经直管时的能量损失是由伯努利方程求出，对于管径相同的水平直管道为静压能之差（压力降）。对于倾斜安装的管路，如管径相等，表现为静压能和位能的减少；如直径不等，表现为机械能的损失量。,P32-P46,第7页,（3）定量分析流体在直管中层流流动的速度分布方程式时可知压力降的公式流体流经水平等径直管的能量损失为,P32-P46,第8页,称为层流时的摩擦系数,则流体层流流动的能量损失计算式（J/kg）：,范宁公式是计算圆形直管内层流流动时的流体流动阻力的通式。式中为无量纲数，称为摩擦系数或摩擦因数。层流时的摩擦系数是雷诺数Re的函数。,P32-P46,第9页,根据伯努利方程的其他形式，范宁公式也可表示为：流体在层流流动时的压头损失计算式（m液柱）流体在层流流动时的压力损失计算式（Pa）,P32-P46,第10页,（4）讨论压力损失pf是流体流动能量损失的一种表示形式，是指单位体积流体的机械能损失，与两截面间的压力差p意义不同，在什么情况下数值相等。（等径水平直管）某种流体在直管内做层流流动时的能量损失与流速的几次方成正比（1次方），与流体的雷诺数成什么比例（成反比），与管长的几次方成正比（1次方），与管径的几次方成什么比例（2次方成反比）。,P32-P46,第11页,1.5.3管壁粗糙度对摩擦系数的影响（1）管壁粗糙度的表示方法绝对粗糙度：管壁面凸出部分的平均高度，用符号来表示。相对粗糙度：绝对粗糙度与管内径的比值，即/d（2）管壁粗糙度对层流流动阻力的影响层流流动流速较慢，无径向运动，与管壁无碰撞，流体流动阻力与/d无关，只与Re有关。,P32-P46,第12页,（3）管壁粗糙度对湍流流动阻力的影响L表示层流内层的厚度水力光滑管完全湍流粗糙管,P32-P46,第13页,结论：（1）湍流时的层流底层的厚度L时，管壁的粗糙度对流体阻力或摩擦系数的影响与层流相近。（2）当Re大到一定程度时，层流内层的厚度L,使壁面突出部分暴露在湍流主体中，与质点碰撞更加加剧，致使粘性力不起作用，Re不再影响摩擦系数，流体进入完全湍流区。,P32-P46,第14页,1.5.4圆形直管湍流流动阻力1.5.4.1量纲分析法目标：将影响一个物理过程的各物理量之间的关系转换为较少的无量纲数群之间的关系，然后通过实验确定这些数群之间的关系。任务：利用量纲分析法来建立流体在圆形直管中湍流流动的能量损失计算公式,P32-P46,第15页,研究步骤：（1）析因实验寻找影响过程的主要因素（2）规划实验减少实验工作量量纲分析法指导实验的优点（目的）：减少实验次数，便于实验结果的推广,流体性质,流动的几何尺寸,流动条件,P32-P46,第16页,量纲分析法的理论依据：量纲一致性原则：即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的量纲。白金汉的定理，目的是确定无量纲数群的个数。设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本量纲数为m个，则该物理现象可用N=n-m个独立的无量纲数表示。,P32-P46,第17页,独立变量数7个，基本量纲数3个质量M时间T长度L，根据定理，无量纲数为4个。,P32-P46,第18页,将这些变量写成幂函数的形式：其量纲关系式：根据量纲一致性原则：设b,e,f已知，将指数相同的物理量合并，得,P32-P46,第19页,Re雷诺准数，表示惯性力与粘性力之比；Eu欧拉准数，表示压力与惯性力之比；管长与管径之比；绝对粗糙度与管径之比（相对粗糙度）。,P32-P46,第20页,（3）数据处理实验结果的正确表达可将幂函数进行线性回归。根据实验可知，流体流动阻力与管长l成正比，则与范宁公式相对照，得,P32-P46,第21页,则流体在圆形直管中湍流时的能量损失计算公式为：,P32-P46,第22页,1.5.4.2莫狄摩擦系数图,P32-P46,第23页,结论：层流区（Re2000）与/d无关，与Re为直线关系，即，此时,即Wf与u的一次方成正比。过渡区（2000Re4000)将湍流时的曲线延伸查取值。湍流区（Re4000以及虚线以下的区域）,P32-P46,第24页,完全湍流区（虚线以上的区域）与Re无关，只与/d有关。对于/d一定时，该区又称为阻力平方区。1.5.4.3经验公式柏拉修斯（Blasius）式：适用光滑管Re5103105问题：此时的能量损失与速度的几次方成正比。1.75,P32-P46,第25页,层流流动：湍流流动：（1）光滑管：,小结：,P32-P46,第26页,（2）粗糙管：，查莫狄摩擦系数图完全湍流区（阻力平方区）：对于非圆形管：（怎么办？）,P32-P46,第27页,1.5.5非圆形管流动阻力（1）当量直径的定义,例1：套管环隙，内管的外径为d1，外管的内径为d2：,P32-P46,第28页,例2：边长分别为a、b的矩形管：说明：计算Re与Wf时非圆形直管用de；在层流流动时，要进行修正（见P40表1-2）：正方形C57套管环隙C96,P32-P46,第29页,流速用实际流通面积计算（2）非圆形直管流动阻力其中：按层流和湍流分别计算按光滑管和粗糙管分别计算,P32-P46,第30页,讨论：（1）流体流经管道截面面积A相等，如果形状不同，润湿周边长度也不同，润湿周边长度小，当量直径越大，能量损失随着当量直径的增加而减小。如果生产任务（qV）相等，流速？(相等)在流速和管长不变时，层流流动阻力与当量直径的关系？（与de的2次方成反比）,P32-P46,第31页,（2）当流通截面积A相等，r2=a2=bd=const则润湿周边长：2r4a2(b+d)圆形管道方形管道矩形管道那么能量损失：圆形管道方形管道矩形管道从节能的观点来看，圆形管道是最佳的。,P32-P46,第32页,1.5.6局部阻力1.5.6.1管件和阀门,P32-P46,第33页,P32-P46,第34页,蝶阀,P32-P46,第35页,P32-P46,第36页,P32-P46,第37页,1.5.6.2局部阻力的计算（1）局部阻力系数法将局部阻力表示为动能的某一倍数。,J/kg,P32-P46,第38页,突然扩大,P32-P46,第39页,突然缩小,P32-P46,第40页,管进口及出口进口：流体自容器进入管内，相当于突然缩小。进口=0.5进口阻力系数出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外空间，相当于突然扩大。出口=1出口阻力系数问题：选择出口外侧和出口内侧，为什么结论一致？,P32-P46,第41页,管件管件的局部阻力系数一般由实验测定，常用管件的局部阻力系数见书P43的表1-3。注意：1、管件的类型45的弯头的阻力系数为0.3590的弯头的阻力系数为0.752、阀门的开度截止阀全开的阻力系数为6.0截止阀半开的阻力系数为9.5,P32-P46,第42页,（2）当量长度法将流体流过管件的局部阻力，折合成直径相同、长度为le的直管所产生的阻力。管件的当量长度也是由实验测定，查P44图1-43。,le管件的当量长度，m,P32-P46,第43页,（3）流体在管路中的总阻力减少流动阻力的途径：管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；尽量不安装不必要的管件等；管径适当大些。,P32-P46,第44页,思考题：1、代表能量损失的压力降pf与截面之间的压力差p的区别在那里？2、流体在圆形直管中流动，若管径一定而将流量增大一倍，则层流时能量损失是原来的多少倍？完全湍流时能量损失又是原来的多少倍？3、圆形直管中，流量一定，设计时若将管径增加一倍，则层流时能量损失是原来的多少倍？完全湍流时能量损失又是原来的多少倍？（忽略/d的变化）,第45页,4、如图所示，水槽液面恒定，管路中ab及cd两段的管径、长度及粗糙度均相同。试比较以下各量的大小ua_ub，（pa-pb）_（pc-pd），Wfa-b_Wfc-d作业题：书1-24,1-26,1-28,1-29,