软管阻力损失计算方法

0.01～0.05 0.1～0.2 0.3 0.2～0.3 0.5 以上 0.85 以上
非圆形管的当量直径 前面讨论的都是圆管的阻力损失。 实验证明, 对于非圆形管内的湍流流动, 如 采用下面定义的当量直径 d e 代替圆管直径, 其阻力损失仍可按式 (1-82)和图 1-34 进行计算。
32
de =
hf l µ 2 = 32 d duρ u
式中每一项都为无因次项, 称为无因次数群。 换言之, 未作无因次处理前, 层流时的阻力的函数形式为：
(1-75)
h f = f (d , l , µ , ρ , u )
作因次处理后, 可写成
λ不
1
2ε = 174 . − 2 log d λ
(1-86)
由于 λ 与 Re 数无关, 由(1-82)可知, 阻力损失 hf 与流速 u 的平方成正比。此区常称为充分湍流区或 阻力平方区。 粗糙度对 λ 的影响 层流时, 粗糙度对 λ 值无影响。在湍流区, 管内壁高低不平的凸出物对λ的影响 是相继出现的。刚进入湍流区时, 只有较高的凸出物才对 λ 值显示其影响, 较低的凸出物则毫无影响。随 着 Re 的增大, 越来越低的凸出物相继发挥作用, 影响 λ 的数值。 上述现象可从湍流流动的内部结构予以解释。前已述及, 壁面上的流速为零, 因此流动的阻力并非直 接由于流体与壁面的摩擦产生, 阻力损失的主要原因是流体粘性所造成的内摩擦。层流流动时, 粗糙度的 大小并未改变层流的速度分布和内摩擦的规律, 因此并不对阻力损失有较明显的影响。 但是在湍流流动时, 如果粗糙表面的凸出物突出于湍流核心中, 则它将阻挡湍流的流动而造成不可忽略的阻力损失。Re 值愈 大, 层流内层愈薄, 越来越小的表面凸出物将相继地暴露于湍流核心之中, 而形成额外的阻力。当 Re 大 到一定程度，层流内层可薄得足以使表面突起物完全暴露无遗，则管流便进入阻力平方区。 实际管的当量粗糙度 人工粗糙管 管壁粗糙度对阻力系数 λ 的影响首先是在人工粗糙管中测定的。 是将大小相同的砂粒均匀地粘着在普通管壁上, 人为地造成粗糙度, 因而其粗糙度可以精确测定。工业 管道内壁的凸出物形状不同, 高度也参差不齐, 粗糙度无法精确测定。实践上是通过试验测定阻力损失 并计算 λ 值, 然后由图 1-34 反求出相当的相对粗糙度, 称之为实际管道的当量相对粗糙度。由当量相对 粗糙度可求出当量的绝对粗糙度 ε 。 化工上常用管道的当量绝对粗糙度示于表 1-1。 表 1-1
∆P =
32µlu d2
(1-72)
此式称为泊稷叶(Poiseuille)方程。层流阻力损失遂为：
hf =
32µlu ρd 2
(1-73)
1-5-2
湍流时直管阻力损失的实验研究方法
层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的。湍流时由于情况复杂得多，未能得出理论式，但可以 通过实验研究, 获得经验的计算式。这种实验研究方法是化工中常用的方法。因此本节通过湍流时直管阻 力损失的实验研究, 对此法作介绍。实验研究的基本步骤如下： (1) 析因实验──寻找影响过程的主要因素 对所研究的过程作初步的实验和经验的归纳, 尽可能地列出影响过程的主要因素 对于湍流时直管阻力损失 hf, 经分析和初步实验获知诸影响因素为： 流体性质：密度 ρ 、粘度 µ ； 流动的几何尺寸：管径 d、管长 l 、管壁粗糙度 ε (管内壁表面高低不平)； 流动条件：流速 u； 于是待求的关系式应为：
duρ
µ
即为雷诺数(Re),
ε
d
称为相对粗糙度。将式(1-74)与式(1-78)作一次比较可以看出, 经变
量组合和无因次化后, 自变量数目由原来的 6 个减少到 3 个。这样进行实验时无需一个个地改变原式中的 6 个自变量, 而只要逐个地改变 Re、 (l / d ) 和 (ε / d ) 即可。显然, 所需实验次数将大大减少, 避免了大量 的实验工作量。 尤其重要的是, 若按式(1-74)进行实验时, 为改变 ρ 和 µ , 实验中必须换多种液体；为改变 d, 必须 要改变 (l / d ) , 改变实验装置。 而应用因次分析所得的式(1-78)指导实验时, 要改变 duρ / µ 只需改变流速； 只需改变测量段的距离, 即两测压点的距离。这是一个极为重要的特性, 从而可以将水、空气等的实验结 果推广应用于其它流体, 将小尺寸模型的实验结果应用于大型装置。 无因次化是一项简单的工作, 但由此带来的好处却是巨大的。因此,实验前的无因次化工作是规划一 个实验的一种有效手段。 (3) 数据处理──实验结果的正确表达 获得无因次数群之后, 各无因次数群之间的函数关系仍需由实验并经分析确定。方法之一是将各无因 次数群( π 1 、 π 2 、 π 3 ……)之间的函数关系近似地用幂函数的形式表达,
hf = λ
l u2 d 2
(1-82)
式中摩擦系数 λ 为 Re 数和相对粗糙度的函数, 即
ε λ = ϕ Re,
d
(Re <2000) 摩擦系数 λ
(1-83)
对 Re<2000 的层流直管流动, 根据理论推导, 将式(1-73)改写成(1-82)的形式后可得:
λ=
1
64 Re
(1-84)
研究表明, 湍流时的摩擦系数 λ 可用下式计算
18.7 2ε = 174 . − 2 log + d Re λ λ
(1-85)
使用简单的迭代程序不难按已知 Re 数和相对粗糙度 ε / d 求出 λ 值, 工程上为避免试差迭代, 也为了使 λ 与 Re、 ε / d 的关系形象化, 将式(1-84)、(1-85)制成图线, 见图 1-34。
管 道 类 别
某些工业管道的当量绝对粗糙度
管 道 类 别 绝对粗糙度ε, mm 干净玻璃管 非 金 属 管 橡皮软管 木管道 陶土排水管 很好整平的水泥管 石棉水泥管 0.0015～0.01 0.01～0.03 0.25～1.25 0.45～6.0 0.33 0.03～0.8
绝对粗糙度ε, mm
无缝黄铜管、铜管及铅管 金 属 管 新的无缝钢管、镀锌铁管 新的铸铁管 具有轻度腐蚀的无缝钢管 具有显著腐蚀的无缝钢管 旧的铸铁管
hf u2
函数ψ Re,
l ε = ψ Re, d d
(1-81)

ε
的具体形式可按实验结果用图线或方程表达。 d
1-5-3 直管阻力损失的计算式
统一的表达方式 以便于工程计算,
对于直管阻力损失, 无论是层流或湍流, 均可将式(1-81)改写成如下的统一形式,
第五节
1-5-1 直管阻力和局部阻力
阻力损失
两种阻力损失
化工管路主要由两部分组成：一种是直管, 另一种是弯头、三通、阀门等各种
管件。无论是直管或管件都对流动有一定的阻力, 消耗一定的机械能。直管造 成的机械能损失称为直管阻力损失(或称沿程阻力损失)；管件造成的机械能损 失称为局部阻力损失。 对阻力损失作此划分是因为两种不同阻力损失起因于 不同的外部条件，也为了工程计算及研究的方便, 但这并不意味着两者有质的 不同。此外, 应注意将直管阻力损失与固体表面间的摩擦损失相区别。固体摩 擦仅发生在接触的外表面, 而直管阻力损失发生在流体内部, 紧贴管壁的流体 层与管壁之间并没有相对滑动。 阻力损失表现为流体势能的降低 未加入机械能, he=0。由机械能衡算式(1-42)可知： 图 1-33 阻力损失 图 1-33 表示流体在均匀直管中作定态流动, u1=u2。截面 1、2 之间
p1 p2 P1 − P2 hf = ρ + z1 g − ρ + z2 g = ρ
(1-71)
由此可知, 对于通常的管路，无论是直管阻力或是局部阻力, 也不论是层流或湍流, 阻力损失均主要 表现为流体势能的降低, 即 ∆P / ρ 。该式同时表明, 只有水平管道, 才能以 ∆p (即 p1-p2)代替 ∆P 以表达 阻力损失。 层流时直管阻力损失 出： 流体在直管中作层流流动时, 因阻力损失造成的势能差可直接由式(1-68)求
(1-76)
hf duρ l , 2 = ϕ d µ u hf duρ l ε , , 2 = ϕ d d µ u
式中
(1-77)
对照式(1-74)与式(1-75), 不难推测, 湍流时的式(1-74)也可写成如下的无因次形式 (1-78)
π 1 = Kπ 2 a π 3 b
此函数可线性化为
30
(1-79)
log π 1 = log K + a log π 2 + b log π 3
的函数形式是否适用。 对式(1-78)而言, 根据经验, 阻力损失与管长 l 成正比, 该式可改写为：
(1-80)
此后不难将 π 1 、 π 2 、 π 3 的实验值, 用线性回归的方法求出系数 K、a、b 的值, 同时也检验了式(1-79)
4 × 管道截面积 4 A = ∏ 浸润周边
(1-87)
当量直径的定义是经验性的， 并无充分的理论根据。 对于层流流动还应改变式(1-84)中的 64 这一常数, 如正方形管为 57, 环隙为 96。对于长宽比大于 3 的矩形管道使用式(1-87)将有相当大的误差。 用当量直径 d e 计算的 Re 数也用以判断非圆形管中的流型。非圆形管中稳定层流的临界雷诺数同样是 2000。 1-5-4 局部阻力损失 化工管路中使用的管件种类繁多, 常见的管件如表 1-2 所示。 各种管件都会产生阻力损失。和直管阻力的沿程均匀分布不同, 这种阻力损失集中在管件所在处, 因 而称为局部阻力损失。局部阻力损失是由于流道的急剧变化使流动边界层分离, 所产生的大量旋涡消耗了 机械能。 突然扩大与突然缩小 突然扩大时产生阻力损失的原因在于边界层脱体。流道突然扩大, 下游压强上 升, 流体在逆压强梯度下流动, 极易发生边界层分离而产生旋涡, 如图 1-35(a)。 流道突然缩小时, 见图 1-35(b), 流体在顺压强梯度下流动, 不致发生边界层脱体现象。因此, 在收 缩部分不发生明显的阻力损失。但流体有惯性, 流道将继续收缩至 A-A 面, 然后流道重又扩大。这时, 流 体转而在逆压强梯度下流动, 也就产生边界层分离和旋涡。可见, 突然缩小造成的阻力主要还在于突然扩 大。