1、壓頭損失,損失能量,位能,靜壓能,動(dòng)能,外加能量,位頭,壓力頭,動(dòng)壓頭,外加壓頭,知識(shí)回顧,2.3 流體阻力,流體在流動(dòng)過(guò)程中所消耗的部分或全部能量是用來(lái)克服流動(dòng)阻力的，因此，流動(dòng)阻力的計(jì)算很關(guān)鍵。流體阻力的大小與流體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)（粘度）以及其他因素有關(guān)。,2.3.1 流體粘度的基本知識(shí),（1） 流體阻力的表現(xiàn),1,2,結(jié)論：流體在靜止時(shí)沒(méi)有流體阻力,實(shí)際流體的能量分布,1,2,結(jié)論：由左式可見(jiàn)，存在流體阻力致使靜壓能下降。阻力越大，靜壓強(qiáng)下降就越大。 靜壓強(qiáng)下降就是流體阻力的表現(xiàn)。,注意此公式的應(yīng)用條件,（2） 流體阻力的來(lái)源,流體在靜止時(shí)不承受切向力，但在運(yùn)動(dòng)時(shí)，層與層之間的阻礙力形成了流

2、體阻力，這種在流體內(nèi)部發(fā)生的相互作用力稱為剪切力（也稱內(nèi)摩擦力），內(nèi)摩擦力是產(chǎn)生流體阻力的根本原因。 流體流動(dòng)狀況是產(chǎn)生流體阻力的第二位原因。另外，管壁的粗糙程度、管子的長(zhǎng)度、直徑均對(duì)流體阻力的大小有影響。,（3）流體的粘度,決定流體內(nèi)摩擦力大小的物理性質(zhì)成為粘性。 衡量粘性大小的物理量-粘度,油,水,比一比誰(shuí)先漏完？,2.3.2 流體的粘性和牛頓粘性定律 （1）牛頓粘性定律,速度分布（速度側(cè)形）：速度沿距離的變化關(guān)系。,平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度,牛頓粘性定律：,實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：,意義：剪應(yīng)力的大小與速度梯度成正比。 描述了任意兩層流體間剪應(yīng)力大小的關(guān)系。,（2） 流體的粘度,物理意義, 動(dòng)力粘

3、度，簡(jiǎn)稱粘度,剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系,單位 SI單位制 ： Pa s ( N s /m2) 物理單位制 ： P(泊), 達(dá)因秒/厘米2 cP(厘泊) 換算關(guān)系：1cp=0.01 P=10-3 Pa s=1 mPa s,單位：1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s,運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s,水在293K條件下的粘度為1 mPa s,(3) 影響因素, 液體 粘度隨溫度升高而降低，壓力影響很小。, 氣體 粘度隨溫度升高而增大，壓力影響很小。 但在極高壓力下，隨壓力增加有所增加；而在壓力極低情況 下也要考慮壓力的影響。,（4） 數(shù)據(jù)來(lái)源 各種流體的粘度數(shù)據(jù)，主要由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。,在缺

4、少粘度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可按理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式估算粘度。對(duì)于壓力不太高的氣體，估算結(jié)果較準(zhǔn)，對(duì)于液體則較差。,(5) 混合物的粘度 按一定混合規(guī)則進(jìn)行加和 對(duì)于分子不聚合的混合液可用下式計(jì)算,常壓下氣體混合物的粘度，可用下式計(jì)算,說(shuō)明：不同流體的粘度差別很大。例如： 在壓強(qiáng)為101.325kPa、溫度為20的條件下，空氣、水和甘油的動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度分別為： 空氣 17.910-6 Pa s， 14.810 -6 m2/s 水 1.0110 -3 Pa s， 1.0110 -6 m2/s 甘油 1.499Pa s， 1.1910 -3 m2/s,（6）流體類型,牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體。,

5、氣體及大多數(shù)低分子量液體是牛頓型流體。 非牛頓型流體, a表觀粘度，非純物性, 是剪應(yīng)力的函數(shù)。, 假塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而減小。 幾乎所有高分子溶液或溶體屬于假塑性流體。 脹塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸鹽等懸浮液屬于脹塑性流體。 粘塑性流體：當(dāng)應(yīng)力低于0 時(shí)，不流動(dòng)；當(dāng)應(yīng)力高于0時(shí)，流動(dòng)與牛頓型流體一樣。 0 稱為屈服應(yīng)力。 如紙漿、牙膏、污水泥漿等。 觸變性流體：表觀粘度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，如油漆等。 粘彈性流體：既有粘性，又有彈性。當(dāng)從大容器口擠出時(shí)，擠出物會(huì)自動(dòng)脹大。 如塑料和纖維生產(chǎn)中都存在這種現(xiàn)象。,2.3.3 流體流動(dòng)的類型-層流及湍流,（

6、1）雷諾實(shí)驗(yàn) 1883年, 英國(guó)物理學(xué)家Osbone Reynolds作了如下實(shí)驗(yàn)。,（2）雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：層流、湍流。,用紅墨水觀察管中水的流動(dòng)狀態(tài),湍流： 主體做軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有徑向脈動(dòng)； 特征：流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng) 。,層流： * 流體質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)； * 流體分層流動(dòng)，層間不相混合、不碰撞； * 流動(dòng)阻力來(lái)源于層間粘性摩擦力。,過(guò)渡流： 不是獨(dú)立流型（層流+湍流）， 流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變）。,（3）實(shí)驗(yàn)分析,影響狀態(tài)的因素：,Re是量綱為一數(shù)群,圓形直管中 Re2000 穩(wěn)定的層流,Re 4000 穩(wěn)定的湍流,2000 Re 4000 不穩(wěn)定的過(guò)渡流,（4）層

7、流與湍流的速度分布,總結(jié)：層流與湍流的區(qū)別,雷諾準(zhǔn)數(shù) 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式 速度分布 能量損失,2.3.4 流體流動(dòng)阻力計(jì)算 （1）流體阻力的表示方法 對(duì)應(yīng)于機(jī)械能衡算的三種形式，流體阻力損失亦有三種表達(dá)形式：,阻力損失與壓力差的區(qū)別： pf 流體流經(jīng)兩截面間僅由于流動(dòng)阻力所消耗的能量； p 任意兩點(diǎn)間的壓力差。,Pa,流體阻力的大小與流體本身的物理性質(zhì)、流動(dòng)狀況、壁面的形狀等因素有關(guān)。,J/kg,J/N,J/m3,二者之間的關(guān)系：,即：水平、等徑直管，無(wú)外功加入時(shí)，兩截面間的阻力損失 與兩截面間的壓力差在數(shù)值上相等。,管路中的流動(dòng)阻力=直管阻力+局部阻力 直管阻力 hf：流體流經(jīng)一定的直管中，由于流

8、體內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力； 局部阻力 hf：流體流經(jīng)管路中的管件、閥件及管截面的變化等局部地方所引起的阻力。,（2） 圓形直管內(nèi)的阻力損失,在1-1和2-2截面之間列機(jī)械能衡算式：, 直圓管內(nèi)阻力計(jì)算公式推導(dǎo),因,所以,流體柱受到的與流動(dòng)方向一致的推動(dòng)力：,流體柱受到的與流動(dòng)方向相反的阻力：,流體恒速流動(dòng)時(shí)：,又：,J/kg,m,Pa, 范寧公式 計(jì)算流體流動(dòng)阻力的一般公式,所以,令：,記憶我啊,壓頭損失,損失能量,位能,靜壓能,動(dòng)能,外加能量,位頭,壓力頭,動(dòng)壓頭,外加壓頭,知識(shí)回顧,總結(jié)：層流與湍流的區(qū)別,雷諾準(zhǔn)數(shù) 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式 速度分布 能量損失,層流時(shí)的摩擦系數(shù)及Hangen-Poiseu

9、ille方程,摩擦系數(shù)：,（3） 摩擦系數(shù), Hangen-Poiseuille方程,知道我就行了, 湍流條件下的摩擦系數(shù) 影響因素復(fù)雜，一般由實(shí)驗(yàn)確定。 影響因素： 幾何尺寸及形狀； 表面情況 ； 流體的物性，如 密度，粘度等； 流速的大小。 利用量綱分析法可以得到：,根據(jù)實(shí)驗(yàn)，得到莫狄（Moody）摩擦系數(shù)圖。, 摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的關(guān)系 層流區(qū) Re2000 過(guò)渡區(qū) 2000Re4000,（阻力平方區(qū)）,不完全湍流區(qū),完全湍流區(qū),湍流區(qū) Re4000, 摩擦因子變化規(guī)律分析 粗糙度對(duì)的影響： 層流時(shí)：繞過(guò)突出物，對(duì)無(wú)影響。 湍流時(shí)： 當(dāng)Re較小時(shí)，層流底層厚，形體阻力小，突出物

10、對(duì)的 影響?。?當(dāng)高度湍流時(shí)，層流底層薄，突出物充分暴露，形成 較大的形體阻力，突出物對(duì)的影響大。,非圓直管中流動(dòng)阻力,幾種常見(jiàn)非圓管的當(dāng)量直徑 1）矩形流道,例如：Blasuis公式, 用公式求取摩擦系數(shù),條件：,2）環(huán)形流道,（4） 局部阻力,流體流經(jīng)管件、閥門(mén)、測(cè)量接口、管進(jìn)出口段的阻力,產(chǎn)生原因：形體阻力；,確定方法：實(shí)驗(yàn)，歸納出經(jīng)驗(yàn)公式。,蝶閥,式中 ： le 當(dāng)量長(zhǎng)度, 當(dāng)量長(zhǎng)度法,查數(shù)據(jù)表或當(dāng)量長(zhǎng)度共線圖,當(dāng)量長(zhǎng)度法：以當(dāng)量長(zhǎng)度代替范寧公式中直管的長(zhǎng)度進(jìn)行 計(jì)算。 當(dāng)量長(zhǎng)度：管件、閥門(mén)產(chǎn)生的阻力相當(dāng)于同直徑且阻力損 失相同的圓管的長(zhǎng)度，以 表示。,舉例：截止閥配置在1144mm管道上，則它的當(dāng)量長(zhǎng)度,當(dāng)量長(zhǎng)度 數(shù)據(jù)表,100mm 的閘閥 1/2 關(guān),le = 22m,100mm 的標(biāo)準(zhǔn)三通,le = 2.2m,100mm 的閘閥全開(kāi),le = 0.75m,當(dāng)量長(zhǎng)度 共線圖,的獲得：實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)有關(guān)資料。,式中 ： -局部阻力系數(shù), 局部阻力系數(shù)法,突然縮小,特例：突然擴(kuò)大, 等徑管總阻力計(jì)算,（5）系統(tǒng)的總阻力 系統(tǒng)總阻力=系統(tǒng)各直管阻力+局部阻力,減少流動(dòng)阻力的途徑：,管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎； 盡量不安裝不必要的管件和閥門(mén)等； 管徑適當(dāng)大些