資料化工原理 第一章 管內流體流動的摩擦阻力損失_第1頁
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文檔簡介

1、2024/3/29,一、阻力的存在——(一個實驗),【問題】為何B、C兩處高度不同?,一、流體在管內的流動阻力損失,2024/3/29,2、流體流動阻力產生的原因,(1)流體具有粘性,流動時存在內部摩擦力。,——流動阻力產生的根源(內因),(2)固定的管壁或其他形狀的固體壁面。,——流動阻力產生的條件(外因),流動阻力的大小與流體本身的物理性質、流動狀況及壁面的形狀等因素有關。,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)——流體流經一定管徑的直管時所產生的阻力 ,是由于內部的粘性力導致的能量消耗。(2)局部阻力——流體流經管路中的管件、閥門及管截面的突然擴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邊界層分離,所產生的大量漩渦消耗了機械能。,【阻力的兩種類型】,2024/3/29,二、流體在直管中的流動阻力,1、流動阻力

3、的實驗測定,如圖所示,流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動。,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,【結論】只需測定兩截面處的壓強差(通常使用U型管壓差計),即可計算出阻力的大小。,2024/3/29,流動阻力的實驗測定,2024/3/29,2、直管阻力的計算通式,對流動的流體截面間進行受力分析,可推得:,式中,l——管長,m; d——管徑,m; u——

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

5、,壓力損失——單位體積的流體克服流動阻力所消耗的能量。,——(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,只有當管路為水平、管徑不變時,二者才相等。,④范寧公式對層流與湍流均適用,只是兩種情況下摩擦系數λ不同。,2024/3/29,三、層流時的摩擦系數,根據流體在直管中作層流流動時,管中心最大速度與平均流速之間的關系:,1、哈

6、根-泊謖葉(Hagen-Poiseuille)方程,式中 Δpf ——由于流動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,是流體在直管內作層流流動時壓力損失的基本計算式。,(2)結合前面的分析可知,流體在直管內層流流動時能量損失或阻力的計算式也可表示為:,【表明】層流時阻力與速度的一次方成正比。,【兩點說明】,(單位 J/kg),2024/3/29

7、,將上式改寫為:,將式與范寧公式比較,可得層流時摩擦系數的計算式:,【結論】層流時摩擦系數λ是雷諾數Re的函數。,2、層流時的摩擦系數,2024/3/29,四、湍流時的摩擦系數,湍流時由于情況要復雜得多,目前尚不能得到理論計算式,但通過實驗研究,可獲得經驗關系式,這種實驗研究方法是化工中常用的方法。,【問題】在實驗時,每次只能改變一個變量,而將其它變量固定。如過程涉及的變量很多,工作量必然很大,而且將實驗結果關聯(lián)成形式簡單便于應用的公式

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?!痉椒ā竣侔匆虼我恢滦栽瓌t將所有的變量組合成一個準數(無因次數群)關聯(lián)式(如雷諾數Re即是由d、ρ、u、μ四個變量組成的無因次數群);②用準數(無因次數群)代替單個變量進行實驗。,(1)何謂因次分析法,2024/3/29,【作用】①由于數群的數目總是比變量的數目少,就可以大大減少實驗的次數,關聯(lián)數據的工作也會有所簡化。,②根據相似理論,可將

9、在實驗室規(guī)模的小設備中用某種物料實驗所得的結果應用到其它物料及實際的設備中去?!纠纭恐灰字Z數相似,任何模型試驗可以互換,即水下潛艇模型可以在水池、水槽中測量;航空航天的飛行器模型可以在風洞中實驗 。),2024/3/29,(2)因次分析法的基礎——因次一致性原則,【原則】每一個物理方程式的兩邊不僅數值相等,而且每一項都應具有相同的因次?!纠纭勘硎镜燃铀俣冗\動的物體,在t時間內所走過的距離S的公式為:,上式的量綱公式可寫成,【結

10、論】式中各項的量綱均為長度的量綱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量綱數群的零函數,即:,【例如】對于等加速度運動,2024/3/29,如果影響某一物理現(xiàn)象的獨立變量數為n個,這些變量的基本因次數為m個,則該物理現(xiàn)象可用N=(n-m)個獨立的無因次數群表示。【例如】對于等加速度運動:S=u0t+1/2(at2)獨立變量數

11、4個:S、u0、t、a基本因次數2個:長度(L)、時間(T)無因次數群數:4-2=2個,【π定理的引論】,2024/3/29,(4)因次分析的基本步驟,(1)通過初步的實驗結果和較系統(tǒng)的分析,找出影響過程的主要因素,也就是找出影響過程的各種變量;(2)利用因次分析,將過程的影響因素組合成幾個無因次數群,以期減少實驗工作中需要變化的變量數目;(3)建立過程的無因次數群關聯(lián)式。一般常采用冪函數形式,通過大量實驗,回歸求取關聯(lián)式中的待

12、定系數。,2024/3/29,經分析,影響湍流過程的阻力因素為:,Δpf=f(d,l,u,ρ,μ,ε),若用冪函數(雷萊指數式)來表示即:,經因次分析后,可得到:,2、湍流時的準數關聯(lián)式,——準數關聯(lián)式,2024/3/29,式中:,——歐拉準數(Eu),——雷諾準數(Re),——相對粗糙度,特征數,K、a、c、f——待定系數(由實驗測定),2024/3/29,根據實驗可知,流體流動阻力Δpf與管長l 成正比(b=1),該式可改寫為:,或

13、,與范寧公式相對照,可得 :,【結論】湍流時摩擦系數λ是Re和相對粗糙度ε/d 的函數。,2024/3/29,3、湍流時的摩擦系數的獲取,①摩擦系數圖——莫狄(Moody)圖,【莫狄(Moody)圖的特點】(1)在計算過程中,為使用方便,一般將實驗數據進行綜合整理,以ε/d為參數,標繪λ-Re關系曲線,由Re及ε/d值便可查得λ值;(2)圖中可劃分為四個區(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經驗關聯(lián)式,對于湍流時的摩擦系數λ,除了用Moody圖查取外,還可以利用一些經驗公式計算。,【光滑管 】,(1)柏拉修斯(Blasius)式:,其適用范圍為Re=5×103~105。此時能量損失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、管壁粗糙度對摩擦系數的影響,【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,【絕對粗糙度】管道壁面凸出部分的平均高度,稱為絕對粗糙度,以ε表示。,【相對粗糙度】絕對粗糙度與管徑的

16、比值即ε/d,稱為相對粗糙度。,2024/3/29,某些工業(yè)管道的絕對粗糙度,2024/3/29,(2)管壁粗糙度對摩擦系數的影響,管壁粗糙度對流動阻力或摩擦系數的影響,主要是由于流體在管道中流動時,流體質點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,因此在摩擦系數圖中用相對粗糙度ε/d,而不是絕對粗糙度ε。,2024/3/29,流體作層流流動時,層流層掩蓋了管壁的粗糙面,同時流體的流動速度也比較緩慢,對管壁

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

18、生碰撞,使流動阻力增加。,2024/3/29,③當Re大到一定程度時,層流內層可薄得足以使壁面凸出部分都伸到湍流主體中,質點碰撞加劇,致使粘性力不再起作用,而包括粘度μ在內的Re不再影響摩擦系數的大小,流動進入了完全湍流區(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。流體流過各種管件、閥門所產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;(如流過彎頭)(2)由于流道的急劇變化使流動邊界層分離,產生的大量漩渦,使流體質點運動受到干擾,因而消耗能量,產生阻力。(如流過閥門),2024/3/29,邊界層分離現(xiàn)象,2024/3/29,管內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,【突然擴大現(xiàn)象】,由于流道突然擴大,下游壓強上升,流體在逆壓強梯度下流動,射流與壁面間出現(xiàn)邊界層分離,產生漩渦,因此有能量損失。,

20、2024/3/29,【突然縮小現(xiàn)象】,突然縮小時,由于流體有慣性,流道將繼續(xù)收縮至A-A面后又擴大。這時,流體在逆壓強梯度下流動,也就產生了邊界層分離和漩渦。,2024/3/29,2、局部阻力損失的計算,(1) 阻力系數法,近似地將克服局部阻力引起的能量損失表示成動能u2/2的一個倍數。這個倍數稱為局部阻力系數,用符號ζ表示,即:,或,ζ[zi:ta]——阻力系數 。,2024/3/29,(2) 當量長度法,把流體流過某一管件或閥門的局

21、部阻力折算成相當于流過一段與它直徑相同,長度為le的直管阻力。所折算的直管長度稱為該管件或閥門的當量長度,以le表示,單位為m。那么局部阻力損失為:,或,2024/3/29,對于非圓形管內的湍流流動,仍可用在圓形管內流動阻力的計算式(范寧公式),但需進行校正:(1)用非圓形管道的當量直徑代替圓管直徑;(2)在層流情況下,當采用當量直徑計算阻力時,還應對λ的計算式進行修正,改寫為:,(3)非圓形管道的流動阻力,2024/3/29,某些

22、非圓形管的常數C值,2024/3/29,(4)阻力系數與當量長度的獲取,①一般情況下,通過實驗測定;②通過有關公式計算,如(1-57)P44;③從數據手冊中查找,如表1-2(P43);④查實驗曲線圖;⑤查共線圖。,2024/3/29,突然擴大和突然縮小的阻力系數,A1,A2,A1,A2,2024/3/29,管件與閥門的當量長度共線圖,,管件所處位置,連接管件的管子的內徑,當量長度,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、閥門等構成,因此流體流經管路的總阻力應是直管阻力和所有局部阻力之和。,【注意】計算時不可遺漏入口與出口的阻力。,2024/3/29,(3)管路中的總阻力計算公式為:,(2)計算局部阻力時,可用局部阻力系數法,亦可用當量長度法。但對同一管件,只可用其中一種方法計算,不能用兩種方法重復計算。,2024/3/29,異徑管,【注意】使用公式計算局部阻力時,應采用小管中的流速。,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,以達到調節(jié)流量的目的。,截止閥的結構及工作原理,2024/3/29,截止閥實物圖,DN150表示什么?,2024/3/29,2024/3/29,閘閥實物圖,2024/3/29,球閥結構圖,2024/3/29,球閥實物圖,2024/3/29,球閥結構圖,2024/3/29,球閥實物圖,2024/3/29,2024/3/29,手動蝶閥,2024/3/2

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