流體動量傳輸中的阻力第1頁，課件共47頁，創作于2023年2月1.流動阻力的分類（1）管流摩擦阻力----流體在管路系統中流動時受到的磨擦阻力；(沿程阻力損失、長度損失—hf)（2）繞流摩擦阻力----流體流過固體物體外表面時受到的磨擦阻力；（3）管路系統內的局部阻力----流體因流道形狀變化時受到的流動阻力；（局部阻力損失—hj）（4）復雜流動狀態時的綜合阻力。2.流動阻力的表達:式中：u為流體的運動速度（m/s）；

為流體的密度（kg/m3）；K為阻力系數。K--速度水頭的倍數阻力系數法：將局部阻力表示為動能的某一倍數。基本概念單位為壓強第2頁，課件共47頁，創作于2023年2月3.能量損失流體在管內從第一截面流到第二截面時，由于流體層之間或流體之間的湍流產生的內摩擦阻力，使一部分機械能轉化為熱能。我們把這部分機械能稱為能量損失。能量損失可以通過阻力計算求得。4.用水頭線表示第3頁，課件共47頁，創作于2023年2月第一節管流摩擦阻力一、管內層流摩阻層流摩擦阻力

不同流速的流層之間的粘性阻力引起。對于：

動量平衡方程為：剪力差＋壓力差＝0（合力為零，勻速運動）水平長管

重力對流動無影響不可壓縮

對流動量之差為0穩定流動

動量累積為0第4頁，課件共47頁，創作于2023年2月速度分布：當r=0時，速度最大：（速度呈拋物線分布）平均速度：

第5頁，課件共47頁，創作于2023年2月根據工程伯努利方程有：

=0=0=0流動阻力用壓差表示第6頁，課件共47頁，創作于2023年2月（P57）為流體的雷諾數

流體層流摩擦阻力系數流體層流摩擦阻力系數摩擦阻力系數：對直管，用摩擦系數表示壓差與流速的關系還是很方便的，摩擦系數fr定義為：

第7頁，課件共47頁，創作于2023年2月摩擦系數：

由此可知，摩擦系數是壓差或摩擦功率與平均流速之間的比例系數。應當再一次指出，上述定義只適用于直管內的層流。第8頁，課件共47頁，創作于2023年2月管道摩擦系數與雷諾數的關系：

（P58）第9頁，課件共47頁，創作于2023年2月第10頁，課件共47頁，創作于2023年2月層流區過渡區湍流區完全湍流，粗糙管光滑管Re

/dfr摩擦系數與雷諾準數、相對粗糙度的關系(雙對數坐標)第11頁，課件共47頁，創作于2023年2月上圖可以分成4個不同區域。層流區：Re

2320，與

/d無關。過渡區：2320<Re<3000湍流區：Re

3000,fr與Re和

/d有關。完全湍流區(阻力平方區)：fr與Re無關，僅與

/d有關。復習絕對粗糙度和相對粗糙度第12頁，課件共47頁，創作于2023年2月用當量直徑de取代圓管直徑。借用圓管各公式。二、非圓形管內的流動阻力第13頁，課件共47頁，創作于2023年2月三、管內紊流摩阻根據普朗特（Prandtl）紊流動量傳遞理論(或稱混合長理論)，得到紊流狀態下的摩擦系數關系式為：Re＝3×105－106

Re<105

金屬管壁磚砌管壁工程上常采用的經驗數值為：金屬光滑管道fr=0.025；金屬氧化管道fr=0.035；金屬生銹管道fr=0.045；磚砌管道fr=0.05。第14頁，課件共47頁，創作于2023年2月四、圓管進口段的流動阻力層流入口段長度：紊流入口段長度：1.入口段的流動通常采用近似的實驗結果：Le=(25～40)d。第15頁，課件共47頁，創作于2023年2月2.入口段的壓頭損失流體在入口段的能量損失＝流體粘性引起的能量損失＋附加能量損失流體的壓差（壓頭損失）可表示為：K為粘性阻力系數，Ke為進口段附加阻力系數。因此，總阻力系數K′：第16頁，課件共47頁，創作于2023年2月3.層流進口段阻力損失（1）阻力系數當L≥Le：附加阻力系數Ke與雷諾數Re無關（其值為：2.2-2.4）。當L＜Le：第17頁，課件共47頁，創作于2023年2月（2）壓頭損失（3）平均速度：（4）流量：Ce為層流進口段效應流量修正系數。當L很大時，Ce接近于1，即對于長圓管不需進行修正；但對于短圓管，則必須考慮進口段效應。第18頁，課件共47頁，創作于2023年2月4.紊流進口段阻力損失（1）阻力系數（4000＜Re＜105）當L≥Le：阻力系數Ke為1.07，如進口端尖銳，加0.7。當L＜Le：第19頁，課件共47頁，創作于2023年2月（2）壓頭損失Ce為紊流進口段效應流量修正系數。第20頁，課件共47頁，創作于2023年2月（3）平均速度（4）流量第21頁，課件共47頁，創作于2023年2月進口：流體自容器進入管內。K進口=0.5進口阻力系數出口：流體自管子進入容器或從管子排放到管外空間。K出口=1出口阻力系數5.管進口及出口第22頁，課件共47頁，創作于2023年2月6.彎管和折管第23頁，課件共47頁，創作于2023年2月7.閥門第24頁，課件共47頁，創作于2023年2月第25頁，課件共47頁，創作于2023年2月五、明渠流動力的平衡關系可表示為：定義明渠流摩擦系數為：雷諾數Re大于5000時，摩擦系數與雷諾數無關，與渠壁的粗糙度有關，其大小為：明渠是一種人工修建或自然形成的渠槽，當流體通過渠槽時，將形成與大氣相接觸的自由表面，表面上各點壓強均為大氣壓，稱為明渠流或無壓流。第26頁，課件共47頁，創作于2023年2月（1）平均速度（2）流量第27頁，課件共47頁，創作于2023年2月第二節管流局部阻力一、管道截面突然擴大u1u2（1）阻力用u1表示用u2表示（2）阻力系數用u1表示用u2表示管道截面突然擴大的局部阻力系數只與管道的截面變化有關，與雷諾數無關。第28頁，課件共47頁，創作于2023年2月二、管道截面突然縮小（1）阻力（2）阻力系數縮流系數，由試驗確定，通常取0.62。第29頁，課件共47頁，創作于2023年2月當量長度法：流體流經管件，閥門等時引起的局部阻力損失hf等同于流過一般與其具有相同直徑，長度為Le的直管的阻力.

三、局部阻力的近似計算

1.由實驗方法確定局部阻力系數K值。2.用當量長度直管的摩擦損失來代替局部損失。Le

—當量長度，表示由管件引起的局部阻力損失。相當于流過一段直徑相同，長度為Le的直管所損失的能量，其值可查共線圖和列線圖。總阻力：第30頁，課件共47頁，創作于2023年2月當量長度共線圖此圖使用說明：從左邊豎線找出管線或閥門的相應點，從右側找到管徑值的相應位置點，兩點連線交于中線，其交點即為相應管件、閥門的當量長度。第31頁，課件共47頁，創作于2023年2月第三節管流系統阻力一、減小系統阻力的方法1.管道直徑與“經濟流速”管道直徑的確定應兼顧減小沿程阻力和降低工程造價。流量VS一般由生產任務決定。流速選擇：管徑的估算(對于圓形管道)：u↑→d↓→設備費用↓流動阻力↑→動力消耗↑→操作費↑均衡考慮uu適宜費用總費用設備費操作費第32頁，課件共47頁，創作于2023年2月常用流體適宜流速范圍：水及一般液體1～3m/s粘度較大的液體0.5～1m/s低壓氣體8～15m/s壓力較高的氣體15～25m/s2.降低局部阻力盡量不安裝不必要的管件和閥門等；管徑適當大些;將突然擴大或縮小變為逐慚擴大或縮小；以兩個45°轉彎或圓轉彎代替90°轉彎；使用導向葉片等。3.降低摩擦阻力管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎；采用光滑管。第33頁，課件共47頁，創作于2023年2月二、管路系統的計算1.簡單管路計算Vs1,d1Vs3,d3Vs2,d2（1）已知L、d、qv，求∑hf

;（2）已知∑hf、L、d，求u或qv

基本方程：連續性方程：柏努利方程：阻力計算（摩擦系數）：◆流體通過各管段的質量流量不變，對于不可壓縮流體，則體積流量也不變。◆整個管路的總能量損失等于各段能量損失之和。特點：第34頁，課件共47頁，創作于2023年2月2.串聯管路計算串聯管路是由若干段簡單管路（包括直通、變直徑以及變流向各種情況）首尾相接組合而成。其特點是各段流量相同，阻力損失為各段摩擦與局部阻力之和。（P66例4-2）第35頁，課件共47頁，創作于2023年2月3.并聯管路計算并聯管路是由若干支管并聯組合而成。并聯管路的特點是：各支路阻力損失相同，管路流量為各支路流量之和，即：QQ1Q2Q3BA注意：計算并聯管路阻力時，僅取其中一支路即可，不能重復計算。第36頁，課件共47頁，創作于2023年2月證明:第37頁，課件共47頁，創作于2023年2月并聯管路的流量分配:支管越長、管徑越小、阻力系數越大——流量越小；反之——流量越大。第38頁，課件共47頁，創作于2023年2月4.分支管路計算P1P2012QQ1Q2Q=Q1+Q2∑H1=∑H2(各支管終點總能量相等)0-10-2對多個分支，則有：證明：比較上兩式，得：第39頁，課件共47頁，創作于2023年2月第四節流量與流速的測定一、流量的測量1.孔板流量計21RA1A0A2（管嘴及文德里流量計自學）流體流過一收縮管道部分時，流速加快，此時流體的動能增加，而相應的壓能亦將發生變化，并反映在壓差上而被測量出來。因此，根據流動過程中流體的質量和能量平衡關系(伯努利方程)，通過測得的壓差值可計算出流體的流量。第40頁，課件共47頁，創作于2023年2月流量方程式：對圖示的水平管道，在1、2截面間列柏努利方程式，即:根據連續性方程，有：聯立上兩式，則有：則質量流量為：第41頁，課件共47頁，創作于2023年2月2.轉子流量計組成：錐形玻璃管和轉子原理：轉子上下的壓差與轉子的凈重力（重力與浮力之差）相等。從轉子的懸浮高度直接讀取流量數值。流體通過轉子與管壁的環隙時,由于通道截面積減小,流速增大,流體的靜壓力降低,使轉子上下產生壓力差.也就是說,轉子上下的壓力差是由于流體通過環隙時流速增大而形成的.對特定的轉子和特定的流體,轉子橫截面積不變,流體的流量越大,轉子在錐管中上升的位置越高,環隙面積越大.第42頁，課件共47頁，創作于2023年2月0′1′10轉子受力平衡：在1-1′和0-0′截面間列柏努利方程：動能差第43頁，課件共47頁，創作于2023年2月由連續性方程：CR——轉子流量系數體積流量：第44頁，課件共47頁，創作于2023年2月二、流體速度的測量1.皮托管點速度：內管所測的是靜壓能p1/ρ和動能u12/2之和，合稱為沖壓能，即：外管壁上的測壓小孔與流體流動方向平行，故外管測的是流體