流体流动之摩擦阻力计算讲解

本章章节第一节流体静力学第二节流体在管内的流动第三节流体在管内流动时的摩擦阻力fehpugzWpugz2222121122本章章节第三节流体在管内流动时的摩擦阻力一、牛顿粘性定律与流体的粘度二、流动类型与雷诺准数三、流体在圆管内流动时的阻力计算四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力摩擦阻力一、牛顿粘性定律与流体的粘度运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力称内摩擦力，这是产生流体阻力的根本原因。这种表明流体流动时产生内摩擦力的特性称为粘性，粘性是流动性的反面。dyduAF剪应力——比例系数，称为粘度（Viscosity)。摩擦阻力一、牛顿粘性定律与流体的粘度——比例系数，称为粘度（Viscosity)。spPcPa310101.01粘度只有在流动时才显现出来。粘度是流体的物理性质之一，随种类和物态而变化液体粘度随T升高而减小，气体粘度随T升高而增大。工程中一般忽略压强对粘度的影响。理想流体无粘性摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数雷诺实验（1883年）雷诺实验装置流动型态层流湍流过渡流摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数流动型态层流湍流过渡流层流（滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合。湍流（紊流）：流体质点除了沿管轴向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。过渡流：介于层流和湍流之间，是一种不稳定状态。摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数层流湍流过渡流如何判断流体的流动类型呢？流型判据——雷诺准数ReduRe雷诺准数Re标志流体流动的湍动程度，越大表示湍动越剧烈。Re≤2000为层流；Re≥4000为湍流；2000＜Re＜4000处于不稳定过渡区。摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数duReRe≤2000为层流；Re≥4000为湍流；2000＜Re＜4000处于不稳定过渡区。例20℃的水在Φ58×2.5的钢管中流动时，如果水的流速为1m/s，确定管中水的流动类型。解由附录查得，20℃时水的密度为粘度为3998.2/kgm31.00510PasRedu30.0531998.21.0051045.26104000因此，可判断水在管中呈湍流。注：无单位摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数重点强调流体主体为湍流，但在管壁处会形成层流称之为“层流底层”且Re越大，层流底层越薄max5.0uu章节小结二、流动类型与雷诺准数流体主体为湍流，但在管壁处会形成层流称之为“层流底层”且Re越大，层流底层越薄duRe雷诺准数Re标志流体流动的湍动程度，越大表示湍动越剧烈。Re≤2000为层流；Re≥4000为湍流；2000＜Re＜4000处于不稳定过渡区。摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算/fffhhh流动阻力包括：直管阻力(沿程阻力），由于内摩擦产生的阻力局部阻力：流体流经管件、阀门、等局部地方因流速大小及方向的改变而引起的阻力。摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算fh直管阻力(沿程阻力）22udlhf—范宁公式范宁公式表明直管阻力随流体动压头以及管道长度增大而增大，随管径的增大而减小。gudlHf22—压头损失，m22udlhpff—压力损失，Pa摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算fh直管阻力(沿程阻力）22udlhfλ——摩擦阻力系数，与流动类型和管路相对粗糙度有关(Re,/)fd绝对粗糙度ε：管道壁面凸出部分的平均高度相对粗糙度ε/d：绝对粗糙度与管径的比值摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算fh直管阻力(沿程阻力）(Re,/)fd当流体层流流动时摩擦阻力系数只与Re有关，与相对粗糙度无关Re64摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算fh直管阻力(沿程阻力）(Re,/)fd当流体湍流流动时δbε时,与层流相似,只与Re有关,称水力光滑管。δbε时，只与ε/d有关，为完全湍流粗糙管。摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算(Re,/)fd层流区Re≤2000过渡区Re=2000~4000湍流区Re≥4000及虚线以下区域，λ与ε/d和Re均有关。Re一定时,ε/d↑,λ↑；ε/d一定时,Re↑,λ↓。完全湍流区虚线以上区域，λ仅与ε/d有关。摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算/fh局部阻力流体流经管件、阀门、截面突变等局部地方因流速大小及方向的改变而引起的阻力，这些障碍可使层流变为湍流，因而局部阻力比同等长度直管阻力大得多阻力系数法22/uhf2/2fuHg局部阻力系数管件、阀门见P32，表1-10突然扩大1突然缩小0.5摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算/fh局部阻力当量长度法把局部阻力折算成相应长度的直管阻力el22udlhef22efluHdgel当量长度，见P31表1-9摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算/fh局部阻力当量长度法22udlhef阻力系数法22/uhf说明：（1）le和ξ均由实验测定，可查有关手册和资料得到（2）不管突然扩大还是缩小，u均取细管中的流速（3）在应用柏努利方程时，当截面选在出口内侧时保留动能项，选在出口外侧时保留能量损失（ξ=1）项章节小结三、流体在圆管内流动时的阻力计算局部阻力当量长度法22udlhef阻力系数法22/uhf直管阻力22udlhfλ——摩擦阻力系数局部阻力系数摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力解决思路：将非圆形管折算成相应管径的圆形管当量直径ed4ed流通截面积润湿周边4AL例套管1d2d22212144AAAdd1212LLLdd21eddd摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力解决思路：将非圆形管折算成相应管径的圆形管当量直径ed4ed流通截面积润湿周边4AL任务ab2eabdab摩擦阻力/fffhhh管路总阻力2222luud或2222elluuddfehpugzWpugz2222121122