流体流动5-阻力损失

第四节管内阻力损失二、直管内的两种阻力损失：1、直管阻力和局部阻力：（1）直管阻力损失（或称沿程阻力损失、摩擦损失）：直管造成的机械能损失（2）局部阻力损失：管道的出入口和管件（弯头、阀门）造成的机械能损失（1）阻力损失表现为流体势能的降低对于通常的管路，无论是直管阻力或是局部阻力，也不论是层流和湍流，阻力损失均主要表现为流体机械能的降低，即/只有水平管道2、直管流动阻力的计算通式：（2）范宁公式•选一个水平等径直管，对它作受力分析：（二）直管阻力的通式由于压力差而产生的推动力：4π221dpp流体的摩擦力：dlAFπdldppπ4π)(221f4lhd2f282luhud令28u定态流动时——直管阻力通式（范宁Fanning公式）其它形式：——摩擦系数（摩擦因数）则2f2luhdJ/kg压头损失2f2luHdgm压力损失22fudlpPa该公式层流与湍流均适用；注意与的区别。pfp（三）层流时的摩擦系数max21uu221max4)(Rlppu速度分布方程2dR22132)(dlupp2f32dlup又——哈根-泊谡叶（Hagen-Poiseuille）方程f232luhd能量损失层流时阻力与速度的一次方成正比。22f232646422lululuhddudRedRe64变形：比较得二、湍流时直管阻力损失1、湍流的直管阻力损失的研究方法：层流时阻力损失的计算：理论推导湍流时由于情况复杂，影响因素多，不可能得出理论式，但可以通过实验研究，获得经验的计算式本节以湍流时直管阻力损失的实验研究为例（1）析因实验：寻找影响过程的主要因素影响湍流时直管阻力损失hf的因素为：流体物性：密度、黏度流动的几何尺寸：管径d、管长l、管壁粗糙度（突出物的平均高度）流动条件：流速u于是待求的关系式应为：),,,,,(uldfhf量纲分析法：通过将变量组合成无量纲数群，从而减少实验自变量的个数，大幅度地减少实验次数量纲和谐和量纲的一致性：任何完整物理方程的等式两边和方程中的每一项均具有相同的量纲——量纲分析法的基础、主要依据从这一基本点出发，任何物理方程都可以转化为无量纲形式（2）规划实验（量纲分析）——减少实验工作量，即将变量组合成若干个无量纲数群只要通过实验，逐个地改变Re、（l/d）和（/d），即可求出K、b、f、g即可得出求解阻力损失的关系式由此及彼、由大及小gfbfduddlKuh2对比以上两个公式2、湍流时的摩擦系数：gfbfduddlKuh222udlhfdRe,Stanton和Pannell于1914发现的现象实验得到Re7.182lg274.11dMoody（莫狄）图：双对数图关联全范围流体流动的λ、Re和ε/d三者之间的关系LewisF.Moody（1880-1953）杰出的美国工程师和教授其他贡献：水力机械的相似性和汽蚀现象1944年提出Moody图该图又称为Stanton图，因其首先提出了类似的图层流区：Re＜2000，/Re=64则与Re的关系为一直线，与/d无关过渡区：Re=2000～4000，管内流型因外界条件而异工程上常按湍流处理，按湍流的曲线外延查取湍流区：Re＞4000，随Re的增大而减小随/d的增大而增大充分湍流区(完全湍流区、阻力平方区)：Re足够大时，不再随Re而变，仅取决于/d对比得hfu2d2lg274.1122udlhf光滑管Smoothpipe经验关系式：常用的柏拉修斯式（Blasius，1913年）适用范围：Re=5000～10000的光滑管25.0Re3164.025.0Re3164.0层流管壁上凸凹不平的地方被层流流体所覆盖粗糙度对值无影响……Prandtl的学生J.Nikuradse于1933年对这个问题有了重要的进展3、粗糙度对的影响当Re较小时,δε，ε对无影响----------水力光滑管随着Re增大，δε，ε对的影响较大管壁粗糙度对阻力系数的影响首先是在人工粗糙管中可以精确测定的工业管道内壁的凸出物形状不同高度也参差不齐粗糙度无法精确测定4、实际管的当量粗糙度当量相对粗糙度：通过试验测定阻力损失并计算值然后由Moody图反求出相当的相对粗糙度化工上常用管道的当量绝对粗糙度示于表1-1三、局部阻力损失化工管路系统中的管件、阀门管件：用来改变管道流向、连接支管、改变管径及堵塞管道等阀门：用作开关或调节流量Pipefittings蝶阀（butterflyvalve）蝶阀的优点1、启闭方便迅速、省力、流体阻力小，可以经常操作2、结构简单，体积小，重量轻3、可以运送泥浆，在管道口积存液体最少4、低压下，可以实现良好的密封5、调节性能好蝶阀的缺点1、使用压力和工作温度范围小2、密封性较差截止阀（stopvalve，GlobeValve）截止阀的优点：1、结构简单，制造和维修比较方便。2、工作行程小，启闭时间短。3、密封性好，密封面间磨擦力小，寿命较长截止阀的缺点1、流体阻力大，开启和关闭时所需力较大2、不适用于带颗粒、粘度较大、易结焦的介质3、调节性能较差截止阀：只适用于全开和全关，不允许作调节和节流闸阀只能作全开和全关不能作调节和节流只能粗略的调节流量半开半闭是对其寿命也是有一些影响的闸阀的特点1、流动阻力小：阀体内部介质通道是直通的2、启闭时较省力：与截止阀相比而言，因为无论是开或闭，闸板运动方向均与介质流动方向相垂直3、高度大，启闭时间长。闸板的启闭行程较大，降是通过螺杆进行的4、不易产生水锤现象：源于关闭时间长5、介质可向两侧任意方向流动，易于安装：闸阀通道两侧是对称的6、结构长度(系壳体两连接端面之间的距离)较小7、密封面易磨损，影响使用寿命。启闭时，闸板与阀座两个密封面相互摩擦滑动，要介质压力作用下易产生擦伤磨损，影响密封性能，缩短使用寿命8、价格较贵：接触密封面较多，加工较复杂，特别是闸板座上的密封面不易加工，而且零件较多形体简单,结构长度短，制造工艺性好，适用范围广角阀角阀结构其实是碟阀可以精确调节流量球阀球阀只能开和关并不能调节流量如果人为将球阀半开半闭的工作还会损害球阀,大大缩短它的寿命单向阀：止回阀流体只能沿一个方向流通，另一方向不能通过的阀止回阀关闭时，会在管路中产生水锤压力严重时会导致阀门、管路或设备的损坏尤其对于大口管路或高压管路故应引起止回阀选用者的高度注意1、定义：各种管件都会产生阻力损失和直管阻力的沿程均匀分布不同这种阻力损失是由管件内流道多变所造成局部阻力损失产生的原因边界层分离所产生的大量旋涡消耗了机械能流体即使在管内为层流流动但通过管件或阀门时也容易变为湍流2、突然扩大与突然缩小突然扩大SuddenEnlargement产生阻力损失的原因在于边界层分离突然扩大的阻力损失计算由动量守衡定律推导见教材习题19下标：1：表示小管，2：表示大管2121221uAAhf突然缩小SuddenContraction：收缩部分不发生明显的阻力损失突然缩小造成的阻力主要还在于突然扩大突然缩小的阻力损失的经验公式21212121uAAhf下标：1：表示小管，2：表示大管书上的写法？3、局部阻力损失的计算难以精确计算以下两种近似方法（1）阻力系数法：局部阻力损失表示为动能的倍数：式中：局部阻力系数，由实验测定u：管内平均流速22uhf例题：由很小截面突然进入很大的截面：如管入口：A2A1，A1/A2=0则→ζ＝1…出口阻力系数2212121221uuAAhf由很大截面突然进入很小的截面如管出口：A2A1，A1/A2=0则→ζ＝0.5…进口阻力系数2212121212121uuAAhf（2）当量长度法：近似地认为局部阻力损失可以相当于某个长度的直管，即式中le为管件的当量长度常用管件的和le值可在P33的图1-34至图1-36和表1-2中查得22udlhefdle注意：阻力系数法和当量长度法计算的结果不一定一致都是近似的估算值实际应用时长距离输送以直管阻力损失为主车间管路往往以局部阻力为主影响流体流动阻力的各个因素及相应的减阻措施：（1）u：是影响流动阻力的主要因素u减小，则流动阻力降低但在输送量一定的情况下，u降低则意味着管径继而设备费的增大工程上应合理选择流体流动的适宜流速（2）l/d：在长距离输送时应简化管路，减少管道长度并选用经济合理的管径（3）：及时清除管道中的杂物尽量减少管壁的腐蚀以降低管内壁的粗糙度降低最新节能措施：添加减阻剂来减少流动阻力减阻剂：某种高分子聚合物添加极少的量，即可改变与Re的关系，使小于纯液体时的相应值影响减阻效果的因素：管径、减阻剂种类、浓度和流速当Re超过某一临界值时才有明显效果，且减阻效果随u增加而提高当溶液流过泵、阀门时，受到高剪切后，高分子链的断裂会影响减阻效果应用可用于农林灌溉、航海、消防等领域如：在消防用水中添加减阻剂可使阻力减小，提高水的射出速度和射程大大提高灭火效率，减小火灾损失数据：使用减阻剂后对世界各地的20条输油管线统计：平均减阻达37.2％对工业用水（热水）减阻试验表明，加入0.0044％减阻剂，可使阻力减小20％以上如质量分数为5×10-6的聚氧化乙烯在Re＝105时减阻可达40％兰成渝成品油管道工程兰成渝管道是我国目前海拔落差最大、施工难度最大的一条输送多品种成品油管道工程全长1247公里，途经甘肃、陕西、四川、重庆三省一市，是西部经济开发的大动脉该管线建成后可极大地缓解我国石油资源分布不均衡的现状特别是改善我国西部地区石油资源富集和西南部地区石油匮乏的矛盾将极大地促进西部地区的经济发展该管线于2000年11月开工2002年6月底达到投产条件干线分别采用直径508毫米、457毫米、323.9毫米的3种钢管设计运行压力为10兆帕兰州至成都段设计年均输量为500万吨成都至重庆段设计输量为210万吨干线共设计各类站场18座兰成渝管道成功添加ＥＰ减阻剂2005年12月18日至2006年1月16日先后进行了汽油减阻剂、柴油添加减阻剂的试验开展了减阻剂低浓度下多种工况的减阻和增输试验地点：四川省广元市：兰成渝管道的“卡脖子地段”---全长２９４km的广元至成都段完成在国内首次的成品油减阻剂现场工业应用试验添加减阻剂对油品无不良影响减阻效果明显，注入管道后能够充分展开并与流动物体发生相互作用，阻止湍流形成减少油品的流动阻力达到了增加管线输量、减少设备损耗的预期目标试验结果表明：（4）管件、阀门等局部阻力：去除不必要的管件、阀门等以减少流体流动的局部阻力对车间管路效果更明显因为总阻力中局部阻力比例比较大（5）流体的物性：主要是黏度液体：在泵前预热，减小特别适用于加热流体所消耗的能量远小于用来克服黏度大而增加的摩擦损失的场合如长距离输送高黏度的油品但注意：考虑对泵汽蚀性能带来的影响例：用泵把20℃的苯从地下储罐送到高位槽，流量为300l/min。高位槽液面比储罐液面高10m。泵吸入管路用φ89×4mm的无缝钢管，直管长为15m，管路上装有一个底阀（可粗略的按旋启式止回阀全开时计）、一个标准弯头；泵排出管用φ57×3.5mm的无缝钢管，直管长度为50m，管路上装有一个全开的闸阀、一个全开