資料化工原理 第一章 管內(nèi)流體流動(dòng)的摩擦阻力損失

1、2024/3/29,一、阻力的存在——（一個(gè)實(shí)驗(yàn)）,【問題】為何B、C兩處高度不同？,一、流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力損失,2024/3/29,2、流體流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因,（1）流體具有粘性，流動(dòng)時(shí)存在內(nèi)部摩擦力。,——流動(dòng)阻力產(chǎn)生的根源（內(nèi)因）,（2）固定的管壁或其他形狀的固體壁面。,——流動(dòng)阻力產(chǎn)生的條件（外因）,流動(dòng)阻力的大小與流體本身的物理性質(zhì)、流動(dòng)狀況及壁面的形狀等因素有關(guān)。,2024/3/29,3、阻力的分類,【化工管路的組成】一部

2、分是直管，另一部分是管件、閥門等。,2024/3/29,管路中的總阻力＝直管阻力＋局部阻力,（1）直管阻力（沿程阻力）——流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)所產(chǎn)生的阻力 ，是由于內(nèi)部的粘性力導(dǎo)致的能量消耗。（2）局部阻力——流體流經(jīng)管路中的管件、閥門及管截面的突然擴(kuò)大及縮小等局部地方所引起的阻力。是由于流道的急劇變化使流動(dòng)邊界層分離，所產(chǎn)生的大量漩渦消耗了機(jī)械能。,【阻力的兩種類型】,2024/3/29,二、流體在直管中的流動(dòng)阻力,1、流動(dòng)阻力

3、的實(shí)驗(yàn)測(cè)定,如圖所示，流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。,2024/3/29,在1-1′和2-2′截面間列柏努利方程：,因是直徑相同的水平管： u1＝u2 Z1＝Z2 W＝0,【結(jié)論】只需測(cè)定兩截面處的壓強(qiáng)差（通常使用U型管壓差計(jì)），即可計(jì)算出阻力的大小。,2024/3/29,流動(dòng)阻力的實(shí)驗(yàn)測(cè)定,2024/3/29,2、直管阻力的計(jì)算通式,對(duì)流動(dòng)的流體截面間進(jìn)行受力分析，可推得：,式中,l——管長(zhǎng)，m； d——管徑，m； u——

4、管內(nèi)流體的平均流速，m/s。,——（單位：J/kg ）,2024/3/29,【幾點(diǎn)討論】,①此式為流體在直管內(nèi)流動(dòng)阻力的計(jì)算通式，稱為范寧（Fanning）公式。 式中λ為無(wú)因次系數(shù)，稱為摩擦系數(shù)或摩擦因數(shù)，與流體流動(dòng)的Re及管壁狀況有關(guān)。【物理意義】表示單位質(zhì)量的流體克服流動(dòng)阻力所消耗的能量。,2024/3/29,②根據(jù)柏努利方程的其它形式，也可寫出相應(yīng)的范寧公式表示式：,壓頭損失——單位重量的流體克服流動(dòng)阻力所消耗的能量。

5、,壓力損失——單位體積的流體克服流動(dòng)阻力所消耗的能量。,——（單位：m）,——（單位：Pa）,2024/3/29,③壓力損失（壓力降）Δpf是流體流動(dòng)能量損失的一種表示形式，與兩截面間的壓力差Δp＝p1－p2意義不同，只有當(dāng)管路為水平、管徑不變時(shí)，二者才相等。,④范寧公式對(duì)層流與湍流均適用，只是兩種情況下摩擦系數(shù)λ不同。,2024/3/29,三、層流時(shí)的摩擦系數(shù),根據(jù)流體在直管中作層流流動(dòng)時(shí)，管中心最大速度與平均流速之間的關(guān)系：,1、哈

6、根-泊謖葉（Hagen-Poiseuille）方程,式中 Δpf ——由于流動(dòng)阻力引起的壓力損失。,（單位 Pa）,2024/3/29,（1）該式稱為哈根-泊謖葉（Hagen-Poiseuille）方程，是流體在直管內(nèi)作層流流動(dòng)時(shí)壓力損失的基本計(jì)算式。,（2）結(jié)合前面的分析可知，流體在直管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)能量損失或阻力的計(jì)算式也可表示為：,【表明】層流時(shí)阻力與速度的一次方成正比。,【兩點(diǎn)說(shuō)明】,（單位 J/kg）,2024/3/29

7、,將上式改寫為：,將式與范寧公式比較，可得層流時(shí)摩擦系數(shù)的計(jì)算式：,【結(jié)論】層流時(shí)摩擦系數(shù)λ是雷諾數(shù)Re的函數(shù)。,2、層流時(shí)的摩擦系數(shù),2024/3/29,四、湍流時(shí)的摩擦系數(shù),湍流時(shí)由于情況要復(fù)雜得多，目前尚不能得到理論計(jì)算式，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，可獲得經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，這種實(shí)驗(yàn)研究方法是化工中常用的方法。,【問題】在實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次只能改變一個(gè)變量，而將其它變量固定。如過(guò)程涉及的變量很多，工作量必然很大，而且將實(shí)驗(yàn)結(jié)果關(guān)聯(lián)成形式簡(jiǎn)單便于應(yīng)用的公式

8、也很困難。,2024/3/29,1、量綱（因次）分析法,量綱（因次）分析法是一種工程研究方法。【方法】①按因次一致性原則將所有的變量組合成一個(gè)準(zhǔn)數(shù)（無(wú)因次數(shù)群）關(guān)聯(lián)式（如雷諾數(shù)Re即是由d、ρ、u、μ四個(gè)變量組成的無(wú)因次數(shù)群）；②用準(zhǔn)數(shù)（無(wú)因次數(shù)群）代替單個(gè)變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。,（1）何謂因次分析法,2024/3/29,【作用】①由于數(shù)群的數(shù)目總是比變量的數(shù)目少，就可以大大減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的工作也會(huì)有所簡(jiǎn)化。,②根據(jù)相似理論，可將

9、在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小設(shè)備中用某種物料實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果應(yīng)用到其它物料及實(shí)際的設(shè)備中去?！纠纭恐灰字Z數(shù)相似，任何模型試驗(yàn)可以互換，即水下潛艇模型可以在水池、水槽中測(cè)量；航空航天的飛行器模型可以在風(fēng)洞中實(shí)驗(yàn) 。）,2024/3/29,（2）因次分析法的基礎(chǔ)——因次一致性原則,【原則】每一個(gè)物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，而且每一項(xiàng)都應(yīng)具有相同的因次。【例如】表示等加速度運(yùn)動(dòng)的物體，在t時(shí)間內(nèi)所走過(guò)的距離S的公式為：,上式的量綱公式可寫成,【結(jié)

10、論】式中各項(xiàng)的量綱均為長(zhǎng)度的量綱L。,2024/3/29,（3）因次分析法的基本定理——白金漢（Buckinghan）的π定理,【基本定律】任何量綱一致的物理方程都可以表示為一組無(wú)量綱數(shù)群的零函數(shù)，即：,【例如】對(duì)于等加速度運(yùn)動(dòng),2024/3/29,如果影響某一物理現(xiàn)象的獨(dú)立變量數(shù)為n個(gè)，這些變量的基本因次數(shù)為m個(gè)，則該物理現(xiàn)象可用N＝（n－m）個(gè)獨(dú)立的無(wú)因次數(shù)群表示。【例如】對(duì)于等加速度運(yùn)動(dòng)：S＝u0t＋1/2(at2)獨(dú)立變量數(shù)

11、4個(gè)：S、u0、t、a基本因次數(shù)2個(gè)：長(zhǎng)度（L）、時(shí)間（T）無(wú)因次數(shù)群數(shù)：4－2＝2個(gè),【π定理的引論】,2024/3/29,（4）因次分析的基本步驟,（1）通過(guò)初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和較系統(tǒng)的分析，找出影響過(guò)程的主要因素，也就是找出影響過(guò)程的各種變量；（2）利用因次分析，將過(guò)程的影響因素組合成幾個(gè)無(wú)因次數(shù)群，以期減少實(shí)驗(yàn)工作中需要變化的變量數(shù)目；（3）建立過(guò)程的無(wú)因次數(shù)群關(guān)聯(lián)式。一般常采用冪函數(shù)形式，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，回歸求取關(guān)聯(lián)式中的待

12、定系數(shù)。,2024/3/29,經(jīng)分析，影響湍流過(guò)程的阻力因素為：,Δpf=f(d，l，u，ρ,μ,ε),若用冪函數(shù)（雷萊指數(shù)式）來(lái)表示即：,經(jīng)因次分析后，可得到：,2、湍流時(shí)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,——準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,2024/3/29,式中：,——?dú)W拉準(zhǔn)數(shù)（Eu),——雷諾準(zhǔn)數(shù)（Re),——相對(duì)粗糙度,特征數(shù),K、a、c、f——待定系數(shù)（由實(shí)驗(yàn)測(cè)定）,2024/3/29,根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，流體流動(dòng)阻力Δpf與管長(zhǎng)l 成正比（b＝1），該式可改寫為：,或

13、,與范寧公式相對(duì)照，可得 ：,【結(jié)論】湍流時(shí)摩擦系數(shù)λ是Re和相對(duì)粗糙度ε/d 的函數(shù)。,2024/3/29,3、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)的獲取,①摩擦系數(shù)圖——莫狄（Moody）圖,【莫狄（Moody）圖的特點(diǎn)】（1）在計(jì)算過(guò)程中，為使用方便，一般將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理，以ε/d為參數(shù)，標(biāo)繪λ-Re關(guān)系曲線，由Re及ε/d值便可查得λ值；（2）圖中可劃分為四個(gè)區(qū)域 。,2024/3/29,,,2024/3/29,不同區(qū)域λ的影響因素,20

14、24/3/29,②經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,對(duì)于湍流時(shí)的摩擦系數(shù)λ，除了用Moody圖查取外，還可以利用一些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。,【光滑管 】,（1）柏拉修斯（Blasius）式：,其適用范圍為Re＝5×103～105。此時(shí)能量損失hf 約與速度u的1.75次方成正比。,2024/3/29,（2）顧毓珍式,適用范圍Re=3×10３～1×106,【粗糙管】,（1）尼庫(kù)拉則與卡門公式,上式適用于,2024/3/29,（2）顧毓珍式

15、,適用于Re＝3×103～3×106,【光滑管、粗糙管都適用的公式】,考萊布魯克（Colebrook）式,,此式適用于湍流區(qū)的光滑管與粗糙管直至完全湍流區(qū)。,2024/3/29,5、管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響,【光滑管】玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等稱為光滑管；,【粗糙管】鋼管、鑄鐵管等。,（1）管壁粗糙度的表示方法,【絕對(duì)粗糙度】管道壁面凸出部分的平均高度，稱為絕對(duì)粗糙度，以ε表示。,【相對(duì)粗糙度】絕對(duì)粗糙度與管徑的

16、比值即ε/d，稱為相對(duì)粗糙度。,2024/3/29,某些工業(yè)管道的絕對(duì)粗糙度,2024/3/29,（2）管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響,管壁粗糙度對(duì)流動(dòng)阻力或摩擦系數(shù)的影響，主要是由于流體在管道中流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)與管壁凸出部分相碰撞而增加了流體的能量損失，其影響程度與管徑的大小有關(guān)，因此在摩擦系數(shù)圖中用相對(duì)粗糙度ε/d，而不是絕對(duì)粗糙度ε。,2024/3/29,流體作層流流動(dòng)時(shí)，層流層掩蓋了管壁的粗糙面，同時(shí)流體的流動(dòng)速度也比較緩慢，對(duì)管壁

17、凸出部分沒有什么碰撞作用，所以層流時(shí)的流動(dòng)阻力或摩擦系數(shù)與管壁粗糙度無(wú)關(guān)，只與Re有關(guān)。,層流流動(dòng)時(shí),2024/3/29,①流體作湍流流動(dòng)時(shí)，靠近壁面處總是存在著層流內(nèi)層。如果層流內(nèi)層的厚度δ大于管壁的絕對(duì)粗糙度ε，即δ>ε時(shí)，此時(shí)管壁粗糙度對(duì)流動(dòng)阻力的影響與層流時(shí)相近，稱為水力光滑管。,湍流流動(dòng)時(shí)——三種情況,,2024/3/29,②隨Re的增加，層流內(nèi)層的厚度逐漸減薄，當(dāng)δ<ε時(shí)，壁面凸出部分伸入湍流主體區(qū)，與流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)

18、生碰撞，使流動(dòng)阻力增加。,2024/3/29,③當(dāng)Re大到一定程度時(shí)，層流內(nèi)層可薄得足以使壁面凸出部分都伸到湍流主體中，質(zhì)點(diǎn)碰撞加劇，致使粘性力不再起作用，而包括粘度μ在內(nèi)的Re不再影響摩擦系數(shù)的大小，流動(dòng)進(jìn)入了完全湍流區(qū)，此為完全湍流粗糙管。,2024/3/29,五、局部阻力損失,1、局部阻力定義及形成的原因,【定義】化工管路中的管件種類繁多。流體流過(guò)各種管件、閥門所產(chǎn)生阻力損失稱為局部阻力損失。,【局部阻力損失形成的原因】（1）與

19、管路的壁面發(fā)生碰撞；（如流過(guò)彎頭）（2）由于流道的急劇變化使流動(dòng)邊界層分離，產(chǎn)生的大量漩渦，使流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)受到干擾，因而消耗能量，產(chǎn)生阻力。（如流過(guò)閥門）,2024/3/29,邊界層分離現(xiàn)象,2024/3/29,管內(nèi)流體的邊界層分離現(xiàn)象,貓眼現(xiàn)象,,,P1小,u1大,,,u2小,P2大,2024/3/29,【突然擴(kuò)大現(xiàn)象】,由于流道突然擴(kuò)大，下游壓強(qiáng)上升，流體在逆壓強(qiáng)梯度下流動(dòng)，射流與壁面間出現(xiàn)邊界層分離，產(chǎn)生漩渦，因此有能量損失。,

20、2024/3/29,【突然縮小現(xiàn)象】,突然縮小時(shí)，由于流體有慣性，流道將繼續(xù)收縮至A－A面后又?jǐn)U大。這時(shí)，流體在逆壓強(qiáng)梯度下流動(dòng)，也就產(chǎn)生了邊界層分離和漩渦。,2024/3/29,2、局部阻力損失的計(jì)算,（1） 阻力系數(shù)法,近似地將克服局部阻力引起的能量損失表示成動(dòng)能u2/2的一個(gè)倍數(shù)。這個(gè)倍數(shù)稱為局部阻力系數(shù)，用符號(hào)ζ表示，即：,或,ζ[zi:ta]——阻力系數(shù) 。,2024/3/29,（2） 當(dāng)量長(zhǎng)度法,把流體流過(guò)某一管件或閥門的局

21、部阻力折算成相當(dāng)于流過(guò)一段與它直徑相同，長(zhǎng)度為le的直管阻力。所折算的直管長(zhǎng)度稱為該管件或閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度，以le表示，單位為m。那么局部阻力損失為：,或,2024/3/29,對(duì)于非圓形管內(nèi)的湍流流動(dòng)，仍可用在圓形管內(nèi)流動(dòng)阻力的計(jì)算式（范寧公式），但需進(jìn)行校正：（1）用非圓形管道的當(dāng)量直徑代替圓管直徑；（2）在層流情況下，當(dāng)采用當(dāng)量直徑計(jì)算阻力時(shí)，還應(yīng)對(duì)λ的計(jì)算式進(jìn)行修正，改寫為：,（3）非圓形管道的流動(dòng)阻力,2024/3/29,某些

22、非圓形管的常數(shù)C值,2024/3/29,（4）阻力系數(shù)與當(dāng)量長(zhǎng)度的獲取,①一般情況下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定；②通過(guò)有關(guān)公式計(jì)算，如（1－57）P44；③從數(shù)據(jù)手冊(cè)中查找，如表1－2(P43)；④查實(shí)驗(yàn)曲線圖；⑤查共線圖。,2024/3/29,突然擴(kuò)大和突然縮小的阻力系數(shù),A1,A2,A1,A2,2024/3/29,管件與閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度共線圖,,管件所處位置,連接管件的管子的內(nèi)徑,當(dāng)量長(zhǎng)度,2024/3/29,3、流體在管路中的總阻力,（

23、1）化工管路系統(tǒng)是由直管和管件、閥門等構(gòu)成，因此流體流經(jīng)管路的總阻力應(yīng)是直管阻力和所有局部阻力之和。,【注意】計(jì)算時(shí)不可遺漏入口與出口的阻力。,2024/3/29,（3）管路中的總阻力計(jì)算公式為：,（2）計(jì)算局部阻力時(shí)，可用局部阻力系數(shù)法，亦可用當(dāng)量長(zhǎng)度法。但對(duì)同一管件，只可用其中一種方法計(jì)算，不能用兩種方法重復(fù)計(jì)算。,2024/3/29,異徑管,【注意】使用公式計(jì)算局部阻力時(shí)，應(yīng)采用小管中的流速。,2024/3/29,三 通,202

24、4/3/29,各種彎頭,2024/3/29,依靠閥盤的上升或下降，以改變閥盤與閥座的距離，以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。,截止閥的結(jié)構(gòu)及工作原理,2024/3/29,截止閥實(shí)物圖,DN150表示什么？,2024/3/29,2024/3/29,閘閥實(shí)物圖,2024/3/29,球閥結(jié)構(gòu)圖,2024/3/29,球閥實(shí)物圖,2024/3/29,球閥結(jié)構(gòu)圖,2024/3/29,球閥實(shí)物圖,2024/3/29,2024/3/29,手動(dòng)蝶閥,2024/3/2