1-4流体在圆管内流动阻力的计算

授课教师:邸凯第四节流体在圆管内流动时的阻力化学工程基础流体在圆管内流动时的阻力本章的难点，包括阻力计算的通式及层流和湍流的摩擦阻力系数的计算。化学工程基础一、概述：1、阻力产生的原因（1）流体具有粘性，产生粘性阻力；（2）形体阻力：流体流经不规则障碍物，边界层分离，因涡流产生能量损失。2、阻力分类：直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。总阻力=直管阻力+局部阻力化学工程基础一、概述：3、阻力的表示法：(1):单位质量流体产生的阻力损失(J/kg).fh(2):单位重量流体产生的阻力损失(J/N=m).fH(3):单位体积流体产生的阻力损失(J/m3=Pa).fp注意：压力损失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意义不同，只有当管路为水平、管径不变且无外功加入时，二者才相等。fp)(21ppp化学工程基础二、阻力的计算：1、圆形直管内阻力计算公式：如图所示，对1-1′和2-2′截面间流体进行受力分析：推动力：2214dpp方向与流动方向相同阻力：方向与流动方向相反dlAF定态流动，受力平衡dldpp4)(221dlppppf421?dydudydu化学工程基础二、阻力的计算：22824uudldlppf28u令所以22udlhpff上式为流体在直管内流动阻力的通式，称为范宁公式。式中λ为无因次系数，称为摩擦系数或摩擦因数，与流体流动的Re及管壁状况有关。三种形式：22udlhfgudlHf2222udlpf化学工程基础二、阻力的计算：2、管壁粗糙度对λ的影响：铸铁管钢管粗糙管塑料管黄铜管玻璃管光滑管、、、::1）粗糙度(绝对粗糙度)ε：壁面凸出部分的平均高度。2）相对粗糙度：d3）粗糙度对的影响：无影响有影响层流时，无影响。湍流时化学工程基础二、阻力的计算：3、层流时的摩擦系数：28Rlpu将R=d/2代入可得：232dluppf哈根-泊谡叶公式与范宁公式比较可得：Re6464du层流时摩擦系数λ是雷诺数Re的函数。?fh化学工程基础二、阻力的计算：4、湍流时的摩擦系数：湍流时λ既与Re有关，又与有关，一般通过因次分析法进行分析，得到一些经验公式，这里只介绍比较常用的柏拉修斯式：d25.0Re3164.0适用范围：光滑管，Re在53101103～化学工程基础二、阻力的计算：5、摩擦系数图（莫狄（Moody）图）层流区Re2000与u的一次方成正比。Re64fh湍流区Re4000虚线以下与Re和都有关一定时，Re越大，越小dd完全湍流区：虚线以上部分只与有关，与Re无关与u的平方成正比dfh过渡区2000Re4000可按层流区也可按湍流区查化学工程基础二、阻力的计算：6、非圆形直管阻力损失的计算：一般以当量直径代替直径进行计算。当量直径de：与非圆形直管等长且阻力损失相等的圆管的直径。润湿周边流通截面积4de非圆形管内流动形态如何确定？baabbaabde224ddπddddde1212212244abd2d1化学工程基础二、阻力的计算：1）当量长度法：以当量长度代替范宁公式中直管的长度进行计算。当量长度：管件、阀门产生的阻力相当于同直径且阻力损失相同的圆管的长度，以表示。le当量长度共线图7、局部阻力：fh化学工程基础局部阻力损失计算100mm的闸阀1/2关le=22m100mm的标准三通le=2.2m100mm的闸阀全开le=0.75m化学工程基础说明：①变径时，以细管内流速计算局部阻力；②突然扩大或突然缩小的阻力系数：从管路进入容器：二、阻力的计算：因为阻力损失与成正比，所以可以将局部阻力损失表示为22u22uhfguHf2222up15.0从容器进入管路：③管件、阀门的局部阻力系数：查手册7、局部阻力：fh2）局部阻力系数法：ζ：局部阻力系数化学工程基础二、阻力的计算8、管路系统中的总能量损失2)(2'udllhhhefff化学工程基础例：分别计算下列情况下，流体流过φ76×3mm、长10m的水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。（1）密度为910kg/m3、粘度为72cP的油品，流速为1.1m/s；（2）20℃的水，流速为2.2m/s。化学工程基础解：（1）油品：200097310721.191007.0Re3du0658.097364Re64J/kg69.521.107.0100658.0222udlhf所以能量损失m58.081.969.5ghHffPa517869.5910ffhp压头损失压力损失化学工程基础（2）20℃水的物性：3kg/m2.998sPa310005.1531053.110005.12.22.99807.0udRe取钢管的绝对粗糙度ε为0.2mm，则00286.0702.0d查得27.0所以能量损失压头损失压力损失J/kg33.922.207.010027.0222udlhfm95.081.933.9ghHffPa931333.92.998ffhp化学工程基础如附图所示，料液由敞口高位槽流入精馏塔中。塔内进料处的压力为30kPa(表压)，输送管路为φ45×2.5mm的无缝钢管，直管长为10m。管路中装有180º回弯头一个，90º标准弯头一个，标准截止阀（全开）一个。若维持进料量为5m3/h，问高位槽中的液面需高出进料口多少米？操作条件下料液的物性：3kg/m890Pa3102.1h化学工程基础解：如图取高位槽中液面为1-1′面，管出口内侧为2-2′截面，且以过2-2′截面中心线的水平面为基准面。在1-1′与2-2′截面间列柏努利方程：fhpugzpugz222212112121其中：Z1=h;u1≈0;p1=0(表压);Z2=0;p2=20kPa(表压)；smdVus/1.104.0785.0360054222管路总阻力22'udlhhhfff化学工程基础431001.3103.11.189004.0Reud取管壁绝对粗糙度mm3.00075.0403.0d则查得摩擦系数036.0各管件的局部阻力系数：5.05.175.04.6进口突然缩小180º回弯头90º标准弯头标准截止阀（全开）15.94.675.05.15.0kgJudlhf/98.1021.115.904.010036.0222m62.481.9/)98.1021.18901030(/)2(23222ghuphf化学工程基础小结1、阻力分类2、范宁公式3、层流、湍流时的摩擦阻力系数4、局部阻力的计算化学工程基础返回