流体流动5-阻力损失

对于通常的管路，无论是直管阻力或是局部 阻力，也不论是层流和湍流，阻力损失均主 要表现为流体机械能的降低，即/
只有水平管道

（2）范宁公式
•选一个水平等径直管，对它作受力分析：
（二）直管阻力的通式
πd 2 由于压力差而产生的推动力： p1 p2 4 流体的摩擦力： F A πdl
2 2 1 A1 u1 1 u1 hf 1 2 A2 2 2 2

则
→ζ＝0.5
…进口阻力系数
（2）当量长度法：

近似地认为局部阻力损失可以相当于某 个长度的直管， 即
le u hf d 2
2
le d

式中le为管件的当量长度 常用管件的和le值可在P33的图1-34至 图1-36和表1-2中查得
注意：


阻力系数法和当量长度法计算的结果不 一定一致 都是近似的估算值
实际应用时


长距离输送以直管阻力损失为主 车间管路往往以局部阻力为主
影响流体流动阻力的各个因素 及相应的减阻措施： （1）u：是影响流动阻力的主要因素 u减小，则流动阻力降低 但在输送量一定的情况下，u降低则意味 着管径继而设备费的增大 工程上应合理选择流体流动的适宜流速
1、流动阻力小：阀体内部介质通道是直通的 2、启闭时较省力：与截止阀相比而言，因为无论是开 或闭，闸板运动方向均与介质流动方向相垂直 3、高度大，启闭时间长。闸板的启闭行程较大，降是 通过螺杆进行的 4、不易产生水锤现象：源于关闭时间长 5、介质可向两侧任意方向流动，易于安装：闸阀通道 两侧是对称的 6、结构长度(系壳体两连接端面之间的距离)较小
hf
l K 2 u d
b
ud d
f
g

只要通过实验，逐个地改变Re、（l/d） 和（ / d），即可求出 K、b、f、g 即可 得出求解阻力损失的关系式 由此及彼、由大及小

2、湍流时的摩擦系数：
hf l K 2 u d
m
l u 2 pf d 2
Pa
该公式层流与湍流均适用； 注意 p 与 pf 的区别。
（三）层流时的摩擦系数 速度分布方程 又
1 u umax 2
umax
( p1 p2 ) 2 R 4l
d R 2
32lu ( p1 p2 ) d2
32lu pf d2
随着Re增大，δ <ε，ε对的 影响较大
4、实际管的当量粗糙度


管壁粗糙度对阻力系 数的影响 首先是在人工粗糙管 中可以精确测定的 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


当量相对粗糙度：


通过试验测定阻力损失并计算值 然后由Moody图反求出相当的相对 粗糙度 化工上常用管道的当量绝对粗糙度 示于表1-1
第四节
管内阻力损失
二、直管内的两种阻力损失：


1、直管阻力和局部阻力： （1）直管阻力损失（或称沿程阻力损失、摩 擦损失）： 直管造成的机械能损失
（2）局部阻力损失： 管道的出入口和管件（弯头、阀门）造成的 机械能损失

2、直管流动阻力的计算通式：

（1）阻力损失表现为流体势能的降低

3、可以运送泥浆，在管道口积存液体最少 4、低压下，可以实现良好的密封 5、调节性能好



蝶阀的缺点

1、使用压力和工作温度范围小 2、密封性较差

截止阀（stop valve，Globe Valve）
截止阀的优点：

1、结构简单，制造和维修比较方便。
2、工作行程小，启闭时间短。 3、密封性好，密封面间磨擦力小，寿命 较长

hf f (d , l , , , u, )
（2）规划实验（量纲分析） ——减少实验工作量，即将变量组合成若干个无
量纲数群



量纲分析法：通过将变量组合成无量纲数群， 从而减少实验自变量的个数，大幅度地减少 实验次数 量纲和谐和量纲的一致性：任何完整物理方 程的等式两边和方程中的每一项均具有相同 的量纲——量纲分析法的基础、主要依据 从这一基本点出发，任何物理方程都可以转 化为无量纲形式
数据：使用减阻剂后

对世界各地的20条输油管线统计：平均减阻达
37.2％


对工业用水（热水）减阻试验表明，加入 0.0044％减阻剂，可使阻力减小20％以上 如质量分数为5×10-6的聚氧化乙烯在Re＝ 105时减阻可达40％
兰成渝成品油管道工程





兰成渝管道是我国目前海拔落差最大、施工难 度最大的一条输送多品种成品油管道 工程全长1247公里，途经甘肃、陕西、四川、 重庆三省一市，是西部经济开发的大动脉 该管线建成后可极大地缓解我国石油资源分布 不均衡的现状 特别是改善我国西部地区石油资源富集和西南 部地区石油匮乏的矛盾 将极大地促进西部地区的经济发展

该管线于2000年11月开工 2002年6月底达到投产条件 干线分别采用直径508毫米、457毫米、 323.9毫米的3种钢管 设计运行压力为10兆帕 兰州至成都段设计年均输量为500万吨 成都至重庆段设计输量为210万吨 干线共设计各类站场18座
1、定义：



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 这种阻力损失是由管件内流道多变所造 成
局部阻力损失产生的原因

边界层分离 所产生的大量旋涡消耗了机械能


流体即使在管内为层流流动 但通过管件或阀门时也容易变为湍流
2、突然扩大与突然缩小

突然扩大Sudden Enlargement

7、密封面易磨损，影响使用寿命。启闭时，闸板与阀座 两个密封面相互摩擦滑动，要介质压力作用下易产生擦 伤磨损，影响密封性能，缩短使用寿命

8、价格较贵：接触密封面较多，加工较复杂，特别是闸 板座上的密封面不易加工，而且零件较多
形体简单 , 结构长度短，制造工艺性好，适用范围广

角阀


角阀结构其实是碟 阀 可以精确调节流量

（2）l/d：

在长距离输送时 应简化管路，减少管道长度 并选用经济合理的管径
（3）：



及时清除管道中的杂物 尽量减少管壁的腐蚀 以降低管内壁的粗糙度 降低
最新节能措施：
添加减阻剂来减少流动阻力 减阻剂：某种高分子聚合物 添加极少的量，即可改变与Re的关系， 使小于纯液体时的相应值
定态流动时
πd 2 ( p1 p2 ) πdl 4
4l hf d 8 l u2 hf u2 d 2
令
8 2 u
则
l u2 hf d 2
J/kg
——直管阻力通式（范宁Fanning公式）
——摩擦系数（摩擦因数）
其它形式： 压头损失 压力损失
l u2 Hf d 2g


截止阀的缺点

1、流体阻力大，开启和关闭时所需力较大 2、不适用于带颗粒、粘度较大、易结焦的介 质 3、调节性能较差截止阀：只适用于全开和全 关，不允许作调节和节流


闸阀


只能作全开和全关 不能作调节和节流 只能粗略的调节流量 半开半闭是对其寿命 也是有一些影响的

闸阀的特点


产生阻力损失的原因在于边界层分离
突然扩大的阻力损失计算

由动量守衡定律推导 见教材习题19
2 A1 u1 hf 1 A 2 2 2

下标：1：表示小管，2：表示大管
突然缩小Sudden Contraction：

收缩部分不发生明显的阻力损失 突然缩小造成的阻力主要还在于突然扩大
——哈根-泊谡叶 （Hagen-Poiseuille）方程
能量损失
32 lu hf d 2
层流时阻力与速度的一次方成正比 。
变形：
32 lu 64 l u2 64 l u2 hf 2 d d u d 2 Re d 2
比较得
64 Re
二、湍流时直管阻力损失
三、局部阻力损失

化工管路系统中的管件、阀门


管件：用来改变管道流向、连接支管、 改变管径及堵塞管道等 阀门：用作开关或调节流量
Pipe fittings
蝶阀（butterfly valve）
蝶阀的优点


1、启闭方便迅速、省力、流体阻力小，可以 经常操作 2、结构简单，体积小，重量轻
Moody（莫狄）图：双对数图 关联全范围流体流动的λ、Re和ε/d 三者之间的关系
Lewis F. Moody（1880-1953）

杰出的美国工程师和教授 其他贡献：水力机械的相似性和汽蚀现象 1944年提出Moody图 该图又称为Stanton图，因其首先提出了类 似的图

球阀


球阀只能开和关 并不能调节流量 如果人为将球阀半开 半闭的工作 还会损害球阀,大大 缩短它的寿命


单向阀：止回阀




流体只能沿一个方向流通，另一方向 不能通过的阀 止回阀关闭时，会在管路中产生水锤 压力 严重时会导致阀门、管路或设备的损 坏 尤其对于大口管路或高压管路 故应引起止回阀选用者的高度注意

层流区： Re＜2000，/Re=64 则与Re的关系为一直线，与/d无关

过渡区： Re=2000～4000，管内流型因外界条件而异 工程上常按湍流处理，按湍流的曲线外延查取

湍流区： Re＞4000，随Re的增大而减小 随/d的增大而增大


充分湍流区(完全湍流区、阻力平方区)：
常用的柏拉修斯式（Blasius，1913年） 适用范围： Re=5000～10000的光滑管
3、粗糙度对的影响

层流 管壁上凸凹不平的地方被层流流体所覆盖 粗糙度对值无影响

……Prandtl的学生J.Nikuradse于1933年对这 个问题有了重要的进展
当Re较小时, δ >ε，ε对无影响 ----------水力光滑管
式中：局部阻力系数，由实验测定 u：管内平均流速
例题：由很小截面突然进入很大的截面：

如管入口：A2>>A1，A1/A2=0

A1 u u hf 1 A 2 2 2
2 1
2
2 1

则 →ζ＝1
…出口阻力系数
由很大截面突然进入很小的截面

如管出口：A2>>A1，A1/A2=0
Re足够大时，不再随Re而变，仅取决于/d
2 1.74 2 lg d 对比得 h f u2 1
l u hf d 2
2

0.3164 Re 0.25


光滑管Smooth pipe 经验关系式：
0.3164 Re 0.25
Байду номын сангаас

b
ud d
f
g

2 u l hf d 2 对比以上两个公式 Re ,

d

Stanton和Pannell于1914发现的现象

实验得到
1 18.7 2 1.74 2 lg d Re

影响减阻效果的因素：


管径、减阻剂种类、浓度和流速 当Re超过某一临界值时才有明显效果，且减 阻效果随u增加而提高 当溶液流过泵、阀门时，受到高剪切后，高 分子链的断裂会影响减阻效果
应用

可用于农林灌溉、航海、消防等领域

如： 在消防用水中添加减阻剂 可使阻力减小，提高水的射出速度和射程 大大提高灭火效率，减小火灾损失




1、湍流的直管阻力损失的研究方法： 层流时阻力损失的计算：理论推导 湍流时由于情况复杂，影响因素多，不可能 得出理论式，但可以通过实验研究，获得经 验的计算式 本节以湍流时直管阻力损失的实验研究为例
（1）析因实验： 寻找影响过程的主要因素


影响湍流时直管阻力损失hf的因素为： 流体物性：密度、黏度 流动的几何尺寸：管径d、管长l、管壁粗糙度（突 出物的平均高度） 流动条件：流速u 于是待求的关系式应为：
突然缩小的阻力损失的经验公式
1 A1 u hf 1 2 2 A 2

2 1
下标：1：表示小管，2：表示大管 书上的写法？
3、局部阻力损失的计算

难以精确计算 以下两种近似方法

（1）阻力系数法：

局部阻力损失表示为动能的倍数：
u2 hf 2