化工原理-第一章-管内流体流动的摩擦阻力损失课件.ppt

1、化工原理化工原理化工原理 第一章第一章第一章 管内流体流管内流体流管内流体流动的摩擦阻力损失动的摩擦阻力损失动的摩擦阻力损失2022-6-92022-6-9一、阻力的存在一、阻力的存在（一个实验一个实验）【问题问题】为何B、C两处高度不同？一、一、流体在管内的流动阻力损失流体在管内的流动阻力损失2022-6-92、流体流动阻力产生的原因流体流动阻力产生的原因 （1）流体具有粘性，流动时存在内部摩擦力。 流动阻力产生的根源产生的根源（内因内因）（2）固定的管壁或其他形状的固体壁面。流动阻力产生的条件产生的条件（外因外因） 流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。202

2、2-6-93、阻力的分类、阻力的分类【化工管路的组成化工管路的组成】一部分是直管，另一部分是管件、阀门等。2022-6-9管路中的总阻力直管阻力局部阻力（1）直管阻力直管阻力（沿程阻力沿程阻力）流体流经一定管径的直管时所产生的阻力 ，是由于内部的粘性力导致的能量消耗。（2）局部阻力局部阻力流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力。是由于流道的急剧变化使流动边界层分离流动边界层分离，所产生的大量漩涡漩涡消耗了机械能。【阻力的两种类型阻力的两种类型】2022-6-9二、流体在直管中的流动阻力二、流体在直管中的流动阻力1、流动阻力的实验测定、流动阻力的实验测定 如图所

3、示，流体在水平等径直管水平等径直管中作定态流动。2022-6-9 在1-1和2-2截面间列柏努利方程：fhpugzWpugz2222121122因是直径相同的水平管： u1u2 Z1Z2 W0 21pphf【结论结论】只需测定两截面处的压强差（通常使用通常使用U型型管压差计管压差计），即可计算出阻力的大小。2022-6-9流动阻力的实验测定流动阻力的实验测定21pphfgRPP)(0212022-6-92、直管阻力的计算通式、直管阻力的计算通式 对流动的流体截面间进行受力分析，可推得：22udlhf28u式中 l管长，m； d管径，m； u管内流体的平均流速，m/s。 （单位：（单位：J/kg

4、 ）2022-6-9【几点讨论几点讨论】此式为流体在直管内流动阻力的计算通式，称为范宁（范宁（Fanning）公式）公式。 式中为无因次系数，称为摩擦系数摩擦系数或摩擦因数摩擦因数，与流体流动的Re及管壁状况有关。【物理意义物理意义】表示单位质量单位质量的流体克服流动阻力所消耗的能量。2022-6-9根据柏努利方程的其它形式，也可写出相应的范宁公式表示式：压头损失压头损失单位重量单位重量的流体克服流动阻力所消耗的流体克服流动阻力所消耗的能量。的能量。 gudlHf22压力损失压力损失单位体积单位体积的流体克服流动阻力所消耗的流体克服流动阻力所消耗的能量。的能量。 22udlhpff（单位：（单

5、位：m）（单位：（单位：Pa）2022-6-9压力损失压力损失（压力降压力降）pf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压力差pp1p2意义不同，只有当管路为水平、管径不变时，二者才相等。 范宁公式对层流与湍流均适用范宁公式对层流与湍流均适用，只是两种情况下摩擦系数不同不同。2022-6-9三、三、层流时的摩擦系数层流时的摩擦系数 根据流体在直管中作层流流动层流流动时，管中心最大速度与平均流速之间的关系：232dlupf1、哈根、哈根-泊谡叶泊谡叶（Hagen-Poiseuille）方程方程式中 pf 由于流动阻力引起的压力损失。（单位 Pa）221221max)2(4)(214

6、)(2121dlppRlppuu2022-6-9（1）该式称为哈根）该式称为哈根-泊谡叶泊谡叶（Hagen-Poiseuille）方程方程，是流体在直管内作层流流动时压力损失的基本计直管内作层流流动时压力损失的基本计算式算式。 （2）结合前面的分析可知，流体在直管内层流流动时能量损失或阻力的计算式也可表示为：232dluphff【表明表明】层流时阻力与速度的一次方成正比层流时阻力与速度的一次方成正比。【两点说明两点说明】（单位 J/kg）2022-6-9 将上式改写为：2Re6426432222udludluddluhf 将式与范宁公式比较，可得层流时摩擦系数层流时摩擦系数的计算式：Re64【

7、结论结论】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。2、层流时的摩擦系数、层流时的摩擦系数2022-6-9四、四、湍流时的摩擦系数湍流时的摩擦系数 湍流时由于情况要复杂得多，目前尚不能得到理论计算式，但通过实验研究，可获得经验关系式，这种实验研究方法是化工中常用的方法。 【问题问题】在实验时，每次只能改变一个变量，而将其它变量固定。如过程涉及的变量很多过程涉及的变量很多，工作量必然很大，而且将实验结果关联关联成形式简单便于应用形式简单便于应用的公式的公式也很困难。 2022-6-91、量纲（因次）分析法、量纲（因次）分析法 量纲（因次）分析法量纲（因次）分析法是一种工程研究

8、方法工程研究方法。【方法方法】按因次一致性原则因次一致性原则将所有的变量组合成一个准数（无因次数群）关联式准数（无因次数群）关联式（如雷诺数Re即是由d、u、四个变量组成的无因次数群）；用准数准数（无因次数群）代替单个变量进行实验。（1）何谓因次分析法2022-6-9【作用作用】由于数群的数目总是比变量的数目少，就可以大大减少实验的次数大大减少实验的次数，关联数据的工作也会有所简化。根据相似理论相似理论，可将在实验室规模的小设备小设备中用某种物料实验所得的结果应用到其它物料及实际的实际的设备设备中去。【例如例如】只要雷诺数相似，任何模型试验可以互换，即水下潜艇模型水下潜艇模型可以在水池、水槽中

9、测量；航空航空航天的飞行器模型航天的飞行器模型可以在风洞中实验 。）2022-6-9（2）因次分析法的基础因次一致性原则因次一致性原则 【原则原则】每一个物理方程式的两边不仅数值相等数值相等，而且每一项都应具有相同的因次具有相同的因次。【例如例如】表示等加速度运动等加速度运动的物体，在t时间内所走过的距离S的公式为：2021attuS上式的量纲公式可写成221TLTTLTL【结论结论】式中各项的量纲均为长度的量纲L。2022-6-9（3）因次分析法的基本定理白金汉（白金汉（Buckinghan）的）的定理定理 【基本定律基本定律】任何量纲一致的物理方程都可以表示为一组无量纲数群的零函数，即：0

10、),.,(21if01220SatStu【例如例如】对于等加速度运动等加速度运动2022-6-9 如果影响某一物理现象的独立变量数独立变量数为n个，这些变量的基本因次数基本因次数为m个，则该物理现象可用N（nm）个独立的无因次数群无因次数群表示。【例如例如】对于等加速度运动：等加速度运动：Su0t1/2(at2)独立变量数4个：S、u0、t、a基本因次数2个：长度（L）、时间（T）无因次数群数：422个【定理的引论定理的引论】0)2,(20SatStuf2022-6-9（4）因次分析的基本步骤（1）通过初步的实验结果和较系统的分析，找出影响过程的主要因素，也就是找出影响过程的各种变影响过程的各

11、种变量量；（2）利用因次分析，将过程的影响因素组合成几个组合成几个无因次数群，无因次数群，以期减少实验工作中需要变化的变量以期减少实验工作中需要变化的变量数目；数目；（3）建立过程的无因次数群关联式建立过程的无因次数群关联式。一般常采用幂幂函数函数形式，通过大量实验，回归求取关联式中的待待定系数定系数。2022-6-9 经分析，影响湍流过程的阻力因素为： pf=f(d，l，u，,) 若用幂函数（雷莱指数式雷莱指数式）来表示即： fedcbafulKdp 经因次分析因次分析后，可得到：fcbfddudlKup22、湍流时的准数关联式、湍流时的准数关联式准数关联式准数关联式2022-6-9式中：d

12、ud欧拉准数（Eu)雷诺准数（Re) 相对粗糙度特征数特征数 K、a、c、f待定系数待定系数（由实验测定）2upf2022-6-9 根据实验可知，流体流动阻力pf与管长l 成正比（b1），该式可改写为： 2Re,22udldKpf或 2Re,2udldphff与范宁公式相对照，可得 ：)(Re,d【结论结论】湍流时摩擦系数湍流时摩擦系数是是Re和相对粗糙度和相对粗糙度/d 的函数的函数。 2022-6-93、湍流时的摩擦系数的获取、湍流时的摩擦系数的获取摩擦系数图摩擦系数图莫狄（莫狄（Moody）图）图 【莫狄（莫狄（Moody）图的特点）图的特点】（1）在计算过程中，为使用方便，一般将实验数

13、据进行综合整理，以以/d为参数，标绘为参数，标绘-Re关系曲线关系曲线，由Re及/d值便可查得值；（2）图中可划分为四个区域四个区域 。2022-6-92022-6-9区区 域域滞流区滞流区过渡区过渡区湍流区湍流区阻力平方区（阻力平方区（完全湍流区完全湍流区）Re2000200040004000图中虚线以上区hf值值64/Re查Re（/d为参数）曲线影响因影响因素素Re/d Re/dhf u关关系系232dluhf22udlhfu275. 1uu2u不同区域不同区域的影响因素的影响因素 2022-6-9经验关联式经验关联式 对于湍流时的摩擦系数，除了用Moody图查取外，还可以利用一些经验公式

14、计算。 【光滑管光滑管 】（1）柏拉修斯（Blasius）式： 25. 0Re3164. 0 其适用范围为Re5103105。此时能量损失hf 约与速度u的1.75次方成正比。 2022-6-9（2）顾毓珍式 32. 0Re500. 00056. 0适用范围Re=3101106 【粗糙管粗糙管】 （1）尼库拉则与卡门公式 14. 1lg21d上式适用于 005. 0Re/d2022-6-9（2）顾毓珍式 38. 0Re/7546. 001227. 0适用于Re31033106【光滑管、粗糙管都适用的公式光滑管、粗糙管都适用的公式】考莱布鲁克（Colebrook）式 Re51. 27 . 3/l

15、g21d此式适用于湍流区的光滑管与粗糙管直至完全湍流区。2022-6-95、管壁粗糙度对摩擦系数的影响、管壁粗糙度对摩擦系数的影响 【光滑管光滑管】玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管； 【粗糙管粗糙管】钢管、铸铁管等。（1）管壁粗糙度的表示方法管壁粗糙度的表示方法【绝对粗糙度绝对粗糙度】管道壁面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度绝对粗糙度，以表示。【相对粗糙度相对粗糙度】绝对粗糙度与管径的比值即/d，称为相对粗糙度相对粗糙度。2022-6-9管道类别管道类别绝对粗糙度绝对粗糙度/mm金属管金属管无缝黄铜管、钢管及铝管新的无缝铜管或镀锌铁管新的铸铁管具有轻度腐蚀的无缝钢管具有显著腐蚀的无缝钢

16、管旧的铸铁管0.010.050.10.20.30.20.30.5以上0.85以上非金属管非金属管干净玻璃管橡皮软管木管道陶土排水管很好整平的水泥管石棉水泥管0.00150.010.010.030.251.250.456.00.330.030.8 某些工业管道的绝对粗糙度某些工业管道的绝对粗糙度 2022-6-9（2）管壁粗糙度对摩擦系数的影响管壁粗糙度对摩擦系数的影响 管壁粗糙度对流动阻力或摩擦系数的影响，主要是由于流体在管道中流动时，流体质点与管壁凸出流体质点与管壁凸出部分相碰撞而增加了流体的能量损失部分相碰撞而增加了流体的能量损失，其影响程度与管径的大小管径的大小有关，因此在摩擦系数图中用

17、相对粗相对粗糙度糙度/d，而不是绝对粗糙度。2022-6-9 流体作层流流动时，层流层掩盖了管壁的粗糙面，同时流体的流动速度也比较缓慢，对管壁凸出部分没有什么碰撞作用，所以层流时的流动阻力或摩擦系数与管壁粗糙度无关，只与Re有关。层流流动时层流流动时2022-6-9流体作湍流流动时，靠近壁面处总是存在着层流内层。如果层流内层的厚度层流内层的厚度大于管壁的绝对粗糙度大于管壁的绝对粗糙度，即时，此时管壁粗糙度对流动阻力的影响与层流时相近管壁粗糙度对流动阻力的影响与层流时相近，称为水力光滑水力光滑管管。湍流流动时湍流流动时三种情况三种情况2022-6-9随Re的增加，层流内层的厚度逐渐减薄，当时，壁

18、面凸出部分伸入湍流主体区壁面凸出部分伸入湍流主体区，与流体质点发生碰撞，使流动阻力增加流动阻力增加。2022-6-9当Re大到一定程度时，层流内层可薄得足以使壁面凸出部分都伸到湍流主体中，质点碰撞加剧，致使粘性力不再起作用粘性力不再起作用，而包括粘度在内的Re不再影响摩擦系数的大小，流动进入了完全湍流区，此为完全湍流粗糙管完全湍流粗糙管。 2022-6-9五、五、局部阻力损失局部阻力损失1、局部阻力定义及形成的原因、局部阻力定义及形成的原因【定义定义】化工管路中的管件种类繁多。流体流过各种管件、阀门管件、阀门所产生阻力损失称为局部阻力损失。【局部阻力损失形成的原因局部阻力损失形成的原因】（1）

19、与管路的壁面发生碰撞；（如流过弯头）（2）由于流道的急剧变化使流动边界层分离流动边界层分离，产生的大量漩涡，使流体质点运动受到干扰，因而消耗能量，产生阻力。（如流过阀门）2022-6-9边界层分离现象边界层分离现象2022-6-9管内流体的边界层分离现象管内流体的边界层分离现象猫眼现象猫眼现象P1小小u1大大u2小小P2大大2022-6-9【突然扩大现象突然扩大现象】 由于流道突然扩大，下游压强上升，流体在逆压强梯度下流动，射流与壁面间出现边界层分离边界层分离，产生漩涡漩涡，因此有能量损失。2022-6-9【突然缩小现象突然缩小现象】 突然缩小时，由于流体有惯性惯性，流道将继续收缩至AA面后又

20、扩大。这时，流体在逆压强梯度下流动，也就产生了边界层分离和漩涡边界层分离和漩涡。2022-6-92、局部阻力损失的计算、局部阻力损失的计算（1） 阻力系数法阻力系数法 近似地将克服局部阻力引起的能量损失表示成动近似地将克服局部阻力引起的能量损失表示成动能能u2/2的一个倍数的一个倍数。这个倍数称为局部阻力系数局部阻力系数，用符号表示，即： 22uhf或或guHf22zi:ta阻力系数 。2022-6-9（2） 当量长度法当量长度法 把流体流过某一管件或阀门的局部阻力折算成相折算成相当于流过一段与它直径相同，长度为当于流过一段与它直径相同，长度为le的直管的直管阻力。所折算的直管长度称为该管件或

21、阀门的当量长度当量长度，以le表示，单位为m。那么局部阻力损失为： 22udlhef或gudlHef222022-6-9 对于非圆形管内的湍流流动，仍可用在圆形管内流动阻力的计算式（范宁公式范宁公式），但需进行校正：（1）用非圆形管道的当量直径代替圆管直径当量直径代替圆管直径；（2）在层流层流情况下，当采用当量直径计算阻力时，还应对的计算式进行修正修正，改写为： （3）非圆形管道的流动阻力）非圆形管道的流动阻力 ReC2022-6-9某些非圆形管的常数某些非圆形管的常数C值值 非圆形管非圆形管的截面形的截面形状状 正方形正方形 等边三角等边三角形形 环形环形 长方形长方形长长:宽宽2:1 长方

22、形长方形 长长:宽宽4:1 常数常数C 57 53 96 62 73 2022-6-9（4）阻力系数与当量长度的获取）阻力系数与当量长度的获取一般情况下，通过实验测定实验测定；通过有关公式计算公式计算，如（157）P44；从数据手册中查找数据手册中查找，如表12(P43)；查实验曲线图查实验曲线图；查共线图查共线图。2022-6-9突然扩大和突然缩小的阻力系数突然扩大和突然缩小的阻力系数221)1 (AAA1A2A1A2212)1 (5 . 0AA2022-6-9管件与阀门的当量长度共线图管件与阀门的当量长度共线图当量长度共线图.swf管件所处位置管件所处位置连接管件的管连接管件的管子的内径子

23、的内径当量长度当量长度2022-6-93、流体在管路中的总阻力、流体在管路中的总阻力 （1）化工管路系统是由直管和管件、阀门等构成，因此流体流经管路的总阻力应是直管阻力和所有局总阻力应是直管阻力和所有局部阻力之和部阻力之和。【注意注意】计算时不可遗漏入口入口与出出口口的阻力。2022-6-9（3）管路中的总阻力计算公式为： 22udllhef（2）计算局部阻力时，可用局部阻力系数法，亦可用当量长度法。但对同一管件，只可用其中一种方法计算，不能用两种方法重复计算。2022-6-9异径管异径管【注意注意】使用公式计算局部阻力时，应采用小管小管中的流速。2022-6-9三三 通通2022-6-9各种弯头各种弯头2022-6-9 依靠阀阀盘盘的上升或下降，以改变阀盘与阀座的距离距离，以达到调节流量的目的。截止阀的结构及工作原理截止阀的结构及工作原理2022-6-9截止阀实物图截止阀实物图DN150表示什么？2022-6-92022-6-9闸阀实物图闸阀实物图2022-6-9球阀结构图球阀结构图2022-6-9球阀实物图球阀实物图2022-6-9球阀结构图球阀结构图2022-6-9球阀实物图球阀实物图2022-6-92022-6-9手动蝶阀手动蝶阀