流体流动过程中能量损失与管道计算

35～60
20～40 5～7 2～4 1.5～2.5 25～30 35～45 >18 4～8 8～12 0.5～1.5 18～20
1.4.5.2 简单管路
简单管路是指具有相同管径、相同流量的管路，它是 组成各种复杂管路的基本单元。在管路上，流动阻力 即包括沿程阻力也包括局部阻力，因此其阻力公式为：
即hp hpi hp1 hp 2 hpn hl hk
i 1 j k 2 2 ln n vn l1 1v12 l2 2v2 (1 1 ) (2 2 ) (n n ) de1 2 de 2 2 d en 2
压头损失项
hW hL hM 米流体柱（或帕）
• 实际流体在流动过程中才会产生流动阻力，为了克服该 阻力才有阻力损失，因此，在工程上常将能量损失表示为动
能的某一倍数，这一倍数称为阻力系数。
1.4.1 流态和雷诺试验
1.4.1.1雷诺试验 在一般流动过程中，由于流体流动速 度不同，流体质点的运动可能处于两种完 全不同的状态。一种是流体质点互不干扰 而有规则的层流运动。而另一种则是流体 质点速度存在脉动的湍流流动。层流中， 流体质点沿其轨迹层次分明地向前运动， 其轨迹是一些平滑的随时间变化较慢的曲 线。湍流中流体质点的轨迹杂乱无章，互 相交错，而且迅速地变化，流体微团(或称 涡体)在顺流向运动的同时，还作横向、垂 向和局部逆向运动，也与它周围的流体发 生混掺。那么流体质点在什么情况下发生 层流流动，什么情况下发生湍流流动，什 么情况下发生从层流向湍流过渡呢？在讨 论这个问题之前，现看一下雷诺试验：
前一种情况说明流体运 动时，流体的质点成为互不 干扰的细流前进，各股流互 相平行，层次分明。流体的 这种流态是层流。 后一种情况说明流体流 动时，出现一种紊乱态。流 体各质点作不规则的运动。 液流内各股细流相互更换位 置，流体质点有轴向和横向 运动，互相撞击产生湍动和 旋涡，这种流态叫湍流或称 紊流。
试验时首先稍微开启阀门K ，流 体便开始缓慢的由水箱G中流出。然 后将细管上的阀门P稍微开启，则有 有色液体从T1管流入玻璃管T中，在 T管中形成一条直线，且很稳定。随 后如果将阀门K再稍微开大一些，则 玻璃管中流体的流速随之增大，但是 上述现象任然不变，染色流束仍将保 持稳定流态。也就是说当玻璃管内的 流速较低时，从细管注入的颜色液体 能成为单独的一股细流前进，同玻璃 内的水不相混杂。 但当K开启到一定程度时，也就 是当玻璃管内的流速较高时，从细管 注入的那股带颜色的细流马上消失在 水中，同水混杂起来。
发生炉煤气
5～8 3～5
1～3
天然煤气
氧气（p<100tm） （100tm<p<00tm）
20～25
7~8 3~4
流体种类
烟气（t=600~800℃） （t=300~400℃）
流速 v
m/s
1.5~2.0 2.0~3.0
过热蒸汽
饱和蒸汽 高压水 低压水 一般生产用冷却水管 煤粉与空气混合物（水平管） （循环管） （直吹管） 乙炔 二氧化碳 泥浆管 收尘管
2 H 气v孔 hM 孔 de 2
式中：H――料层高度，m； v孔 ――孔隙中的气流速度，m/s； de――孔隙的当量直径，m； 气 ――气体密度，kg/m3； 孔 ――阻力系数。
对上式的修正：
2 9 (1 ) H 气v hM 3 2 4 dm 2
式中：H――料层高度，m； dm――颗粒的平均直径，m； v ――气体通过散料层空床的流速，m/s；
Q
4
( D1 D2 )
2 ，而不是 ( D D2 )
1 2

4
Q ( D1 D2 )
2
(m / s)
1.4.2 沿程能量损失
l v2 hl d 2 • 式中 hl----沿程能量损失， N / m2或J / m3 ；
l -----管长，m；
1 2 v -----气体的动压头，N / m2 ； 2
D1 D2

必须着重指出，当量直径只是用来代替圆管的直径D， 以表明管道的几何因素对某些流体力学现象有相同的影响。 它不应该代替圆管的直径去计算不属于这个范围的物理量， 例如截面积、流速、流量等。例如上述的环形管道的截面 积是 时，流速应是
而不是 2 2
4 ( D1 D2 )
4
；其间的流量是 2 Q m3/s
当气体横向垂直流过管束时的阻力损失可按下式计算：
hM K
v2
2
( N / m2 )
式中： v――气体在通道内的工况流速，m/s；
――气体工况密度，kg/m3；
K――整个管道的阻力损失系数。
1.4.4.3 气体通过散料层的阻力损失
对于稳定均匀的散料层，可采用下式计算气体通过散 料层的阻力损失：
――物料堆积孔隙率； ――颗粒球形度；
A ――修正阻力损失系数，其值由实验确定。 f (Re )

1.4.5 管道计算
管道计算的目的是确定流速、管道尺寸、流动阻力 之间的关系。在工程实际中所遇到的管道问题可以分为 三类：


①已知流量和管道尺寸，计算压强降；
②已知管道尺寸和允许的压强降，确定流量；
层流、湍流示意图：
1.4.1.2 雷诺准数 （1）雷诺准数： Re D

式中
D：管道直径；
v：流速；
ρ ：流体密度；
µ：动力粘度。
（2）雷诺准数的物理意义：表示作用于流体上的惯性 力与粘性力之比（相对大小）。
对于在平直的圆管中流动的流体： Re≤2320：流态属层流 Re≥4000：流态属湍流 2320<Re <4000：流态是不稳定的，可能是层流，也可能 是湍流，而且极容易从一种流态转变为另一种流态，所以 称过渡流。

RH


因此，水力半径反映了管道或设备的集合因素对流动状态，也就 是对阻力大小的影响。 对于圆形管道，
F
D2
4
D2
, D
于是
RH
F D 4 D 4

即圆管直径为水力半径的4倍，对于非圆形管道或设备，也取水力 半径的4倍表示其尺寸，即取当量直径： De=4RH
1.4 流体流动过程中 能量损失与管道计算
•
实际流体由于具有粘性，在流动时就产生阻力。对于不可压缩流 体来说，这种阻力使流体的一部分机械能，不可逆地转化为热能而损 失到环境中去。这部分能量便不再参加流体动力学过程，称之为能量 损失。单位重量（单位体积）流体的能量损失，称为水头损失（压头 损失）并以hw(或△p)表示。
n----指数，可取n=0.285。


B值可取：球心阀，B=48.8；三通，B=32.5；角阀，B=21.7； 900弯头B=16.3。 在湍流流态下，可以认为局部阻力系数与Re无关。
1.4.4 特殊阻力引起的能量损失
1.4.4.1制品堆垛的阻力损失
hM K
v
2
2
L
式中： v ――堆垛空隙中的气体工况流速，m/s；
光滑的金属管道： ＝0.02～0.025；
一般氧化的金属管道： ＝0.035～0.04； 有锈的金属管道： ＝0.045；
砖砌管道： ＝0.05～0.06。
1.4.3局部能量损失

当流体经管道上的管件、阀门及出入口等处流过时 由于流体流向和速度大小的改变，以及产生旋涡等原因， 产生比同样长度的直管大得多的阻力，这种由于在局部地 方流动受到障碍和干扰而产生的附加阻力叫局部阻力。必 须注意到，干扰的因素虽然只是产生于局部地方，但其影 响在下游较长一段距离内却没有消失。
1.4.1.3 水力半径和当量直径

在生产上常常会遇到非圆形管，例如有些气体的 管道是矩形的，有些是环形的。对于非圆形管道内流 体的流动，必须找到一个和直径相当的量来计算Re值 以及阻力大小，即要用当量直径De来代替圆形管道的 直径D。
当量直径可通过水力半径RH求出。水力半径的定 义是：与流动方向相垂直的截面积F与被流体所浸润 的周边长度Π 之比，即 F
流 体 种 类
冷空气（p>5000Pa） (p<5000Pa) 热空气（p>5000） （1500 Pa <p<5000 Pa） (p<5000Pa) 压缩空气（p<4atm） 高压净煤气（不预热） （预热）
流速 v
9~12 6~8 5~7 3~5 1~3 8~15 8～12 6～8
m/s
低压净煤气（不预热） （预热）
管道的合理选择直接影响建设投资和能源消耗。当流量一定时，管 径越大，气流速度越小，能量消耗越低，但是基建投资费用越高； 反之，如果流速太大，虽然可节省基建投资，但经常性的内力消耗 会增高，为此在实际中必存在一个使基建投资较少，动力消耗也较 小的所谓“经济流速”。下表列举了一般工程实际中常见流体的 “经济流速”的选择范围。
――气体工况密度，kg/m3；
L――通道长度，m； K――气体通过每米通道时的阻力损失参数，Pa/m。
a K b de
de――孔隙当量直径，m； 直通式排列时：a=1.14，b=0.25； 交错式排列时：a=1.57，b=0.25；
其他情况，a、b可由实验确定。
1.4.4.2 气体通过管束的阻力损失
为了与沿程阻力的表示方法相一致，局部压头损失可表 示为：
w2 hM 2g
米流体柱
式中 hM----因局部阻力而产生的压头损失，米流体柱；

局部阻力系数 值在层流流态下随Re值而变化。 A 当Re<10时： Re
当Re较大时：
B n Re
式中 A、B----常数；
n
r