1、13.4 3.4 管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力 教学目的：教学目的：重重 点：点：课课 型：型：教学方法：教学方法：参考文献：参考文献：难难 点：点：了解流体流动时产生阻力的原因，掌握流动阻力了解流体流动时产生阻力的原因，掌握流动阻力的计算，并应用于实际管路中阻力的计算。的计算，并应用于实际管路中阻力的计算。流体在圆管内流动时阻力的计算流体在圆管内流动时阻力的计算新知识理论课新知识理论课讲解、谈话、应用训练讲解、谈话、应用训练5、6利用因次分析法解决工程实际问题利用因次分析法解决工程实际问题2实际流体的实际流体的Bernoulli方程方程:fHgpguZHegpguZ222212112
2、2流体流动的阻力与流体的性质流体流动的阻力与流体的性质(如粘度等如粘度等)、流体流动形态、导、流体流动形态、导管的长度、管径、壁面情况以及流动时的变动状态（如缩小、管的长度、管径、壁面情况以及流动时的变动状态（如缩小、扩张等）有关。扩张等）有关。阻力阻力hf直管阻力直管阻力(沿程阻力沿程阻力)由于由于内摩擦力内摩擦力而产生的能量损失而产生的能量损失局部阻力局部阻力截面骤然变化截面骤然变化流动方向改变流动方向改变流经管件、仪表等流经管件、仪表等由于由于局部障碍引起边局部障碍引起边界层分离界层分离而造成能量损失而造成能量损失?3一、管、管件及阀门简介一、管、管件及阀门简介管管:管子铸铁管（水管、煤
3、气管、污水管）钢管（有缝、无缝）特殊钢管有色金属管塑料管橡胶管管子光滑管（玻璃管、铜管、铅管、塑料管等）粗糙管（旧钢管、铸铁管）管壁的相对粗糙度管壁的相对粗糙度d/4管件：管件：弯管大小头冲压弯管与管的连接部分，它主要是用来改变管道管与管的连接部分，它主要是用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。5管件管件承插管件法兰法兰封头6阀门阀门:安装于管道中用以切断或调节流量。安装于管道中用以切断或调节流量。球阀截止阀闸阀止逆阀7二二 流体流动的形态流体流动的形态滞流滞流(laminar flow):也称为层流，也称为层流，流体的质点作一层滑过流体的质点
4、作一层滑过一层的位移，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因一层的位移，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因扩散而转移。扩散而转移。流体的流速沿断面按抛物线分布；流体的流速沿断面按抛物线分布；管中流体的管中流体的平均流速为最大流速的平均流速为最大流速的1/21/2。8湍流湍流(turbulent flow):流体在流动时，流体的质点有剧烈的流体的质点有剧烈的骚扰涡动，只是靠近管壁处还保留滞流的形态骚扰涡动，只是靠近管壁处还保留滞流的形态。接近管中央相当大范围内的流体流速接近于最大流速。管内流体的平均管内流体的平均流速为管中央最大流速的流速为管中央最大流速的0.80.8左右左右。图1-22
5、 湍流时的速度分布9流动形态的判据流动形态的判据雷诺数雷诺数（Reynolds number）duRe雷诺数：雷诺数：2000Re 滞流滞流4000Re 湍流湍流4000Re2000过渡状态过渡状态2000Re 滞流转变的临界值滞流转变的临界值相应的流速称为相应的流速称为临界流速临界流速NOTENOTE：工业上输送流体时大多数是以湍流形态湍流形态进行的。10当量直径当量直径(equivalent diameter)流体润湿的周边流体流过的截面积 4de对于非圆形导管，计算Re时，应以当量直径de代替特征数中的直径d：例：直径d1的外套管与直径d2的内套管所形成的环行通道的 当量直径为：2121
6、2221)(4/)(4ddddddde11三三 边界层边界层（boundary layer）边界层：边界层：流体的流速低于未受壁面影响的流速的99%的区域。主流区：主流区：在边界层以外，速度梯度接近为零的区域。边边 界界 层层边边 界界 层层边边 界界 层层边边 界界 层层主主 流流 区区主主 流流 区区滞流滞流湍流湍流12图1-25 湍流流动NOTENOTE：滞流内层的厚度虽然不大，但粘附在壁面，成为传热和传 质的主要阻力；Re值越小，滞流内层厚度越大，传递过程 的阻力随之增大。13边界层的形成边界层的形成从管口到形成边界层所经历的管长称为从管口到形成边界层所经历的管长称为稳定段长度稳定段长
7、度，此长度，此长度与管的与管的形状、管壁粗糙程度及雷诺数形状、管壁粗糙程度及雷诺数等因素有关。等因素有关。14边界层分离边界层分离Bupu流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时，也会发生边界层分离。流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时，也会发生边界层分离。NOTENOTE：边界层分离会导致流体流动阻力的增大。边界层分离会导致流体流动阻力的增大。1516阻力阻力hf直管阻力直管阻力(沿程阻力沿程阻力)hf局部阻力局部阻力 hl 四四 流体在圆管内流动时的阻力计算流体在圆管内流动时的阻力计算 lffhhh 滞流时的摩擦阻力滞流时的摩擦阻力主要是流体的内摩擦力服从牛顿粘性定律：服从牛顿粘性定律：dyd
8、uAFdyduAFdrdurl2drdurlrp22Ruldurdrp00max2Rduu2,2max)(2Re64/3222Paudldlup)(2Re642液柱或mgudlHfgugudl2222阻力系数摩擦阻力系数;1 1 直管阻力的计算直管阻力的计算18湍流时的流动阻力湍流时的流动阻力)(22液柱mgudlHf)(22Paudlpl/d几何相似数；几何相似数；摩擦阻力系数，是摩擦阻力系数，是Re，/d的函数。的函数。Fanning公式公式gu22管壁的相对粗糙度管壁的相对粗糙度:d/管的粗糙度，管的粗糙度，mm19查表：查表：摩擦阻力系数摩擦阻力系数20摩擦阻力系数摩擦阻力系数经验公式
9、计算：经验公式计算：对光滑管：对光滑管：53101103Re当柏拉相修斯（柏拉相修斯（BlasiusBlasius）公式公式25.0Re3164.08.175.1up 83101103Re当2)5.1Relg8.1(柯纳柯夫（柯纳柯夫（KypnaKypnaKOBKOB）公式公式粗糙管：粗糙管：,10Re5当接近一常数,其值主要取决于管壁的粗糙度。2)lg214.1(尼库拉则尼库拉则(Nokuradse)Nokuradse)公式公式用用沿程阻力系数沿程阻力系数表示阻力计算公式表示阻力计算公式:gudlfHf2422.0Re046.04f柯尔本柯尔本(Colburn)Colburn)公式公式212
10、 2 局部阻力局部阻力gulh22当流体在管道系统中流经各种管件、阀门、接头、改变方向，当流体在管道系统中流经各种管件、阀门、接头、改变方向，导管截面积骤然变化时，流体质点发生扰动而形成涡流，产生导管截面积骤然变化时，流体质点发生扰动而形成涡流，产生摩擦阻力，这类阻力称为摩擦阻力，这类阻力称为局部阻力局部阻力。局部阻力的计算：局部阻力的计算：当量长度法当量长度法:将局部阻力的压头损失折算成相应长度的管子将局部阻力的压头损失折算成相应长度的管子所造成的压头损失，再并入总管长度来计算。此相应的管子长所造成的压头损失，再并入总管长度来计算。此相应的管子长度称为度称为当量长度当量长度 l le e。局
11、部阻力局部阻力阻力系数法阻力系数法:gudlhel2222管管件件与与阀阀门门的的当当量量长长度度共共线线图图。23例例:料液由敞口高位槽流入精馏塔中。塔内操作压力为0.4kgf/cm2(表压)，输送管路为1084mm的钢管，直管长为(h+1.5)m。管路中装有180回弯头、90标准弯头、截止阀各一个。若维持进料量为50m3/h，问高位槽中的液面至少高出进料口多少米？料液的粘度为1.510-3Pa.s，密度为900kg.m-3，fhgpguHHegpguH2222121122复杂管路的计算复杂管路的计算分支管路：分支管路：主管处有分支，但最终不再汇合的管路。主管处有分支，但最终不再汇合的管路。
12、分支管路分支管路120 主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和:qm=qm1+qm2 各分支管路流动终了时，总机械能与该管路中总摩擦阻力之各分支管路流动终了时，总机械能与该管路中总摩擦阻力之 和为常数。和为常数。22222112110200222ffHgpguHHgpguHgpguH并联管路：并联管路：在主管某处分为几支，然后又汇合成一主管路。在主管某处分为几支，然后又汇合成一主管路。主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和，主管中的质量流量等于并联的各支管质量流量之和，qm=qm1+qm2+qm3123单位质量流体通过各支管的能量损失均相
13、等，单位质量流体通过各支管的能量损失均相等，Hf1=Hf2=Hf3=HfAB并联管路并联管路复杂管路的计算复杂管路的计算AB12222fBBBAAAHgpguHgpguH222fBBBHgpguH26例例 题题例2-18 高位水槽引出内径40mm的出水管至B处，此管道连同局部阻力管长为100m。在B出分出内径均为25mm的、水平平行的C和D两管，C管连同局部阻力管长为20m，D管为40m。管内水流动的阻力系数可取0.03。求(1)C管单独全开时的流量；(2)C管和D管都全开时各自的流量。(可忽略动压头的变化)地面7m1mABCDACCCCAAAHfgpguHHegpguH2222解：解：(1)C管单独全开时管单独全开时:gdulgdulcccc22172020,02228.122.158.0cccvvv1383.1smuc200,）（ddvvccccmm 027例例 题题地面7m1mABCDACCCCAAAHfgpguHHegpguH2222解：解：(2)C管和管和D管都全开时管都全开时:gdulgdulcccc22172020,0DDccAuAuAu00DCuuu39.039.00ADDDDAAAHfgpguHHegpguH2222gdulgdulDDDc22172020,0DCuu,28P137:5，6作作 业业
