1、 流动阻力及管路特性曲线流动阻力及管路特性曲线Copyright 制冷与冷藏技术顺德职业技术学院制冷流体机械制冷流体机械精品课程精品课程 1.11.1雷诺实验雷诺实验 1.21.2流态及流态的判定流态及流态的判定1.1.层流与紊流层流与紊流当管内流体运动速度较低时，流体只作轴向运动，而无横向运动。实际当管内流体运动速度较低时，流体只作轴向运动，而无横向运动。实际 上此时流体在管内的运动是一种分层运动，各层间互不干扰，也互不相上此时流体在管内的运动是一种分层运动，各层间互不干扰，也互不相 混。这种流动状态称为混。这种流动状态称为层流层流。管中流体速度增大到一定程度时，流体在管中的横向运动十分剧烈
2、，流管中流体速度增大到一定程度时，流体在管中的横向运动十分剧烈，流 体间产生了强烈的混合。流体的层状运动被彻底打破，流体在向前流动体间产生了强烈的混合。流体的层状运动被彻底打破，流体在向前流动 时处于无规则的混乱状态。这种流动状态称为时处于无规则的混乱状态。这种流动状态称为紊流紊流。 d2.2.流动状态的判定流动状态的判定(1)(1)雷诺数雷诺数Re=Re=vdvd vd平均流速平均流速，m/sm/s; ;- -圆管内径，圆管内径，m;m;- -流体运动粘度，流体运动粘度，m m2 2/ /s s。当当 和和 一定时，雷诺数只随一定时，雷诺数只随 而变化，所以在最初的实验中只反映而变化，所以在
3、最初的实验中只反映出速度的影响。出速度的影响。v (2)(2)临界雷诺数临界雷诺数Re2000 Re4000Re4000属紊流运动属紊流运动2000 Re 40002000 Re 2000 Re2000 为紊流为紊流Re2000 Re2000 为层流为层流 （3 3）非圆管内流态的）非圆管内流态的判定判定临界雷诺数仍为临界雷诺数仍为20002000，雷诺数低于，雷诺数低于20002000为层流流动，雷诺数高于为层流流动，雷诺数高于20002000则为则为 紊流流动。然而，雷诺数计算公式中的直径紊流流动。然而，雷诺数计算公式中的直径d d必须用当量直径必须用当量直径 代替。所谓代替。所谓 当量直
4、径是指与非圆形截面管道具有相同流动阻力的圆管内径当量直径是指与非圆形截面管道具有相同流动阻力的圆管内径。 eded的周边长度流道截面上被流体湿润流道截面积44HeRd式中的式中的 称为水力半径。称为水力半径。HR边长为边长为a a和和b b的矩形管的矩形管baabbaabRdHe2)(244宽为宽为a a、高为、高为b b、水流湿润到整个高度的明渠、水流湿润到整个高度的明渠baabde24 1.31.3边界层基本概念及圆管中的速度分布边界层基本概念及圆管中的速度分布 1.1.平板边界层平板边界层流场中出现了两个性质不同的流动区域：紧贴固体壁面的薄层，流体受粘流场中出现了两个性质不同的流动区域：
5、紧贴固体壁面的薄层，流体受粘性力的影响极大，速度变化极大，称为性力的影响极大，速度变化极大，称为边界层边界层 2.2.曲面边界层及其分离观象曲面边界层及其分离观象021lh21zz 取同一水平线上流道截面积逐渐扩大的渐扩流道，如图下图所示取同一水平线上流道截面积逐渐扩大的渐扩流道，如图下图所示, ,列出上列出上下游断面间能量方程。为简化分析，假定下游断面间能量方程。为简化分析，假定 由于由于 则有：则有：gvgp2211gvgp2222但二断面中压力能与动能之和相等，必然就有但二断面中压力能与动能之和相等，必然就有:21pp 3.3.管道内流动边界层管道内流动边界层边界层汇合前的阶段，即边界层
6、发展的阶段称为边界层汇合前的阶段，即边界层发展的阶段称为流体进口段流体进口段 边界层汇合后的阶段称为边界层汇合后的阶段称为流动充分发展阶段流动充分发展阶段 4.4.圆管中的速度分布圆管中的速度分布层流、紊流，管轴心处的速度均为最大速度，记为层流、紊流，管轴心处的速度均为最大速度，记为 ；管壁处的速度为零。；管壁处的速度为零。 maxv对于圆管内层流流动对于圆管内层流流动2maxvv 对于圆管内紊流流动对于圆管内紊流流动max8 . 0 vv 2.12.1能量损失能量损失1.1.沿程损失与局部损失沿程损失与局部损失 沿程损失与管道内径成反比，与管段的长度、速度水头成正比。在同一管径沿程损失与管道
7、内径成反比，与管段的长度、速度水头成正比。在同一管径的管段中，沿程损失沿管段均匀分布，即的管段中，沿程损失沿管段均匀分布，即gvdlhf22ldv沿程阻力系数，无因次数；沿程阻力系数，无因次数；管段长度，管段长度，m m；管道内径，管道内径，m m；流体平均流速，流体平均流速，m/sm/s。 2.22.2能量损失能量损失 整个管路的能量损失为各管段的沿程损失与各处的局部损失之和整个管路的能量损失为各管段的沿程损失与各处的局部损失之和 mflhhh用压力形式表示的沿程损失和局部损失分别为用压力形式表示的沿程损失和局部损失分别为 22vdlpf22vpm 第三节节 沿程阻力系数数3.13.1沿程阻
8、力系数的影响因素沿程阻力系数的影响因素 层流流动时雷诺数较小，粘性力起着主导作用。层流的阻力也就是粘性阻力层流流动时雷诺数较小，粘性力起着主导作用。层流的阻力也就是粘性阻力，仅仅取决于，仅仅取决于ReRe，而与管壁粗糙度无关。粘性阻力仍然取决于雷诺数，而惯，而与管壁粗糙度无关。粘性阻力仍然取决于雷诺数，而惯性阻力受壁面粗糙度的影响较大。粗糙度对沿程损失的影响不完全取决于管性阻力受壁面粗糙度的影响较大。粗糙度对沿程损失的影响不完全取决于管壁表面粗糙突起的绝对高度壁表面粗糙突起的绝对高度K K，而是取决于它的相对高度，即粗糙突起的绝，而是取决于它的相对高度，即粗糙突起的绝对高度对高度K K与管径与
9、管径d d的比值，的比值，K/dK/d，称为相对粗糙度。其倒数，称为相对粗糙度。其倒数d/Kd/K称为相对光滑度。称为相对光滑度。 因此，对于层流：因此，对于层流：(Re)f对于紊流：对于紊流：)(Re,dKf 第三节节 沿程阻力系数数3.23.2尼古拉兹曲线尼古拉兹曲线 第三节节 沿程阻力系数数五个阻力区五个阻力区 第三节节 沿程阻力系数数3.33.3工业管道紊流沿程阻力系数计算工业管道紊流沿程阻力系数计算 1.1.莫迪图与当量糙粒高度莫迪图与当量糙粒高度 第三节节 沿程阻力系数数 第三节节 沿程阻力系数数2.2.紊流沿程阻力系数紊流沿程阻力系数 的计算公式的计算公式(1)(1)临界区临界区
10、Re=20004000的临界过渡区内，可采用扎依琴柯的的临界过渡区内，可采用扎依琴柯的 计算式：计算式：3Re0025. 0(2)(2)紊流光滑区紊流光滑区尼古拉兹光滑区公式：尼古拉兹光滑区公式：8 . 0Relg21对于的光滑管流，布劳修斯提出经验公式：对于的光滑管流，布劳修斯提出经验公式：25. 0Re3164. 0 第三节节 沿程阻力系数数(3)(3)紊流粗糙区紊流粗糙区尼古拉兹粗糙区公式尼古拉兹粗糙区公式:74. 1lg21Kr(4)(4)紊流过渡区紊流过渡区柯列勃洛克根据大量的工业管道实验资料，提出过渡区柯列勃洛克根据大量的工业管道实验资料，提出过渡区 计算公式，计算公式，简称柯氏公
11、式：简称柯氏公式：)Re51. 27 . 3lg(21dK 第三节节 沿程阻力系数数3.3.洛巴耶夫判别式洛巴耶夫判别式)(445)(445)(11)(11KvKvKKv粗糙区过渡区光滑区v断面平均流速断面平均流速流体运动粘度流体运动粘度 第四节节 局部损损失计计算1.1.管径突然扩大管径突然扩大 gvhm22112211)1 (AAgvhm22222122) 1(AA管径突然扩大时会形成局部的涡旋，造成局部损失。管径突然扩大时会形成局部的涡旋，造成局部损失。 4.14.1局部阻力系数计算局部阻力系数计算 第四节节 局部损损失计计算2.2.管径逐渐扩大管径逐渐扩大 由于管径突然扩大的能量损失较
12、大，一般均采用渐扩管。渐扩管较长，能量由于管径突然扩大的能量损失较大，一般均采用渐扩管。渐扩管较长，能量损失包括沿程损失和局部损失两部分，相对于损失包括沿程损失和局部损失两部分，相对于 的阻力系数公式为：的阻力系数公式为： 122125. 12211)1 ()2()1(2sin8AAtgKAA 第四节节 局部损损失计计算3.3.管径突然收缩管径突然收缩)1 (5 . 012AA4.4.管径逐渐缩小管径逐渐缩小)(1 2sin8221AA 第四节节 局部损损失计计算5.5.管管道进口道进口6.6.阀门阀门 第四节节 局部损损失计计算7.7.过滤网格过滤网格20)(575. 1675. 0(AA
13、第四节节 局部损损失计计算8.8.弯管弯管450.d/rc在在 的情况下的情况下 18045309090180904590309033. 17 . 055. 02 . 13 . 0 第四节节 局部损损失计计算9.9.三通三通 第四节节 局部损损失计计算4.24.2减少阻力的措施减少阻力的措施 (1)(1)减少管壁粗糙度，或用柔性软管代替刚性管。减少管壁粗糙度，或用柔性软管代替刚性管。(2)(2)改善造成局部阻力的管件流道形状。改善造成局部阻力的管件流道形状。(3)(3)采用渐变的、平顺的管道进口，有利于减少阻力，如图采用渐变的、平顺的管道进口，有利于减少阻力，如图3-143-14。(4)(4)
14、采用扩散角较小的渐扩管有利于减阻，图采用扩散角较小的渐扩管有利于减阻，图3-233-23所示两种形式均可减少阻力。所示两种形式均可减少阻力。 第五节节 管路特性曲线管路特性曲线 5.15.1管路系统的分类管路系统的分类 (1)(1)按管道中流体能量按管道中流体能量损失的大小分类损失的大小分类长管长管短管短管(2)(2)按结构形式分类按结构形式分类简单管路简单管路复杂管路复杂管路串联管路串联管路并联管路并联管路枝状状管路环状环状管路 第五节节 管路特性曲线管路特性曲线 5.25.2管路阻抗管路阻抗 1.1.短管的阻抗短管的阻抗短管的计算包括了沿程损失、局部损失和出口速度水头。短管的计算包括了沿程
15、损失、局部损失和出口速度水头。 举例举例以图示以图示0-00-0为基准面，对自由液面为基准面，对自由液面1-11-1和出口截面和出口截面2-22-2列出能量方程列出能量方程mfbhhgvgpgvgpH2222221 第五节节 管路特性曲线管路特性曲线 5.35.3串联与并联管路特点串联与并联管路特点1.1.串联管路串联管路串联管路串联管路由不同管径的简单管路串接而成由不同管径的简单管路串接而成 串联管路的流动特点为：串联管路的流动特点为：各管段流量相等，损失迭加，全管段总阻抗为各管段流量相等，损失迭加，全管段总阻抗为 各管段阻抗之和。各管段阻抗之和。 第五节节 管路特性曲线管路特性曲线 2.2.并联管路并联管路并联管路由若干有共同起点、共同终点的管段并接而成，类似于并联电路，并联管路由若干有共同起点、共同终点的管段并接而成，类似于并联电路，如图如图3-323-32所示。并联管路的流动特点为：所示。并联管路的流动特点为：321qqqq 第五节节 管路特性曲线管路特性曲线 5.45.4管路特性曲线管路特性曲线
