化工原理课件流体力学与应用流体流动阻力教学课件PPT.ppt
1.5 流体流动阻力,YDJ，SCUT，201109,?,The resistance of fluid flow in the pipe,Straight resistance：due to frictionPart resistance：due to the change of velocity,1.Measure by experiment2.Use of friction factor for friction loss in flow,YDJ，SCUT，201109,Pressure drop and loss due to friction,pf is the pressure loss due to skin friction(表面摩擦),Eq.is applied to steady flow in a straight,horizontal tube,1.Measure by experiment,YDJ，SCUT，201109,in a straight,inclination tube,YDJ，SCUT，201109,1.5 流体流动阻力,1.5.1 直管阻力,1.5.2 局部阻力,1.5.3 流体在管路中的总阻力,YDJ，SCUT，201109,1.5 流体流动阻力,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。,YDJ，SCUT，201109,L,Z1=Z2,u1=u2,p1-p2=p:pressure drop,hfs skin friction,1,2,1.5.1 直管阻力,一、阻力的表现形式,YDJ，SCUT，201109,若管道为倾斜管，则,流体的流动阻力表现为静压能的减少；水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。,YDJ，SCUT，201109,流体在水平等径直管中作稳态流动。,二、计算直管阻力的通式,YDJ，SCUT，201109,由于压力差而产生的推动力：,流体的摩擦力：,令,稳态流动时,YDJ，SCUT，201109,直管阻力通式（范宁Fanning公式）,其他形式：,摩擦系数（摩擦因数）,则,J/kg,该公式层流与湍流均适用；注意 与 的区别。,YDJ，SCUT，201109,三、层流时的摩擦系数,速度分布方程,又,哈根-泊谡叶（Hagen-Poiseuille）方程,YDJ，SCUT，201109,能量损失,层流时阻力与速度的一次方成正比。,变形：,比较得,YDJ，SCUT，201109,四、湍流时的摩擦系数,1.因次分析法,目的：（1）减少实验工作量；（2）结果具有普遍性，便于推广。,基础：因次一致性 即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次。,YDJ，SCUT，201109,Completely turbulent flow zone,Laminar flow zone,The friction factor and Re chart(Moody)Based on L.F.Moody,Trans.A.S.M.E.,66,671(1944):Mech.Eng.69,1005(1947).,YDJ，SCUT，201109,莫狄（Moody）摩擦因数图：,YDJ，SCUT，201109,（1）层流区（Re 2000）与 无关，与Re为直线关系，即,即 与u的一次方成正比。,（2）过渡区（2000Re4000),将湍流时的曲线延伸查取值。,（3）湍流区（Re4000以及虚线以下的区域）,YDJ，SCUT，201109,（4）完全湍流区（虚线以上的区域）,与Re无关，只与 有关。,该区又称为阻力平方区。,一定时，,经验公式：,（1）柏拉修斯（Blasius）式：,适用光滑管Re51035105,（2）考莱布鲁克（Colebrook）式,适用粗糙管Re41034108,YDJ，SCUT，201109,2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响,光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；粗糙管：钢管、铸铁管等。,绝对粗糙度：管道壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度：绝对粗糙度与管内径的比值。,层流流动时：流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与 无关，只与Re有关。,YDJ，SCUT，201109,湍流流动时：,水力光滑管只与Re有关，与 无关,完全湍流粗糙管只与 有关，与Re无关,YDJ，SCUT，201109,【例】分别计算下列情况下，流体流过763mm、长10m的水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。管子粗糙度为0.2mm。（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2.2 m/s。,YDJ，SCUT，201109,【例】滞 流(层 流)时,将 管 径 减 小 一 半,而 体 积 流 量 维 持 不 变,这 时 摩 擦 系 数 和 阻 力 损 失 如 何 变 化?,解:,则阻力系数:,故阻力系数是原来的1/2倍,由题意知:d=1/2 d Vs=Vs,根据连续性方程:,YDJ，SCUT，201109,根据范宁公式：,故阻力损失是原来的16倍。,如果是阻力平方区，结果如何？,YDJ，SCUT，201109,五、非圆形管内的流动阻力,当量直径：,套管环隙，内管的外径为d1，外管的内径为d2:,d2,d1,b,YDJ，SCUT，201109,边长分别为a、b的矩形管:,YDJ，SCUT，201109,（1）Re与hf中的直径用de计算；（2）层流时：,正方形 C57套管环隙 C96,（3）流速用实际流通面积计算。,说明：,YDJ，SCUT，201109,1.5.2 局部阻力,一、阻力系数法,将局部阻力表示为动能的某一倍数。,或,局部阻力系数,J/kg,J/N=m,YDJ，SCUT，201109,Friction from changes in velocity or direction,the velocity of the fluid is changed in direction or magnitude,additional friction losses occur,YDJ，SCUT，201109,1.突然扩大,YDJ，SCUT，201109,2.突然缩小,YDJ，SCUT，201109,3.管进口及出口进口：流体自容器进入管内。进口=0.5 进口阻力系数出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外 空间。出口=1 出口阻力系数4.管件与阀门,YDJ，SCUT，201109,YDJ，SCUT，201109,YDJ，SCUT，201109,蝶阀,YDJ，SCUT，201109,YDJ，SCUT，201109,YDJ，SCUT，201109,二、当量长度法,将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为le的直管所产生的阻力。,le 管件或阀门的当量长度，m。,YDJ，SCUT，201109,等径管总阻力计算,系统总阻力=系统各直管阻力+局部阻力,1.5.3 流体在管路中的总阻力,YDJ，SCUT，201109,变径管总阻力计算,变径管d、u、不同，需分段计算阻力,YDJ，SCUT，201109,减少流动阻力的途径：,管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些。,YDJ，SCUT，201109,【例】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452.5mm的无缝钢管，直管长为10m。管的绝对粗糙度为0.2mm。管路中装有180回弯头一个，90标准弯头一个，标准截止阀（全开）一个。若维持进料量为5m3/h，问高位槽中的液面至少高出进料口多少米？操作条件下料液的物性：,YDJ，SCUT，201109,解：,查莫狄图得,YDJ，SCUT，201109,取高位槽液面为上游截面11，进料口为下游截面22，并以22中心线为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式，即,YDJ，SCUT，201109,P1=0 P2=3104Pa u1=0 u2=1.1m/s Z1=h Z2=0,代入公式得 h=4.56m,
