第一部分流体力学基础.ppt
第一章 流体力学基础,第二节 流动阻力和能量损失,第二节 流动阻力和能量损失,能量损失一般有两种表示方法：,流体阻力是造成能量损失的原因。 产生阻力的内因是流体的粘性和惯性，外因是固体壁面对流体的阻滞作用和扰动作用。,通常用单位重量流体的能量损失（或称水头损失）h1来表示，用液柱高度来量度；,用液柱高度来量度；对于气体，则常用单位体积流体的能量损失（或称压力损失）H损来表示，用压力来量度。,它们之间的关系为： H损=h1,一、 能量损失的两种形式：,能量损失分为两类：沿程损失和局部损失。 沿程阻力和沿程损失,在边壁沿程不变的管段上，流速基本上是沿程不变的，流动阻力只有沿程不变的切应力，称为沿程阻力。克服沿程阻力引起的能量损失，称为沿程损失，用h f（或H f）表示。,第二节 流动阻力和能量损失, 局部阻力和局部损失 在边界急剧变化的区域，由于出现了漩涡区和速度分布的变化，流动阻力大大增加，形成比较集中的能量损失。这种阻力称为局部阻力，相应的能量损失称为局部损失，用hj（或Hj）表示。, 能量损失的计算公式 工程上常用的能量损失计算公式为： 1沿程水头损失：,第二节 流动阻力和能量损失,一、 能量损失的两种形式：,整个管路的能量损失等于各管段的沿程损失和所有局部损失的总和，即： hL=hf+hj,2局部水头损失：,写成压力损失的形式，则为：,式中： L管长 米； d管径 米； V断面平均流速米/秒； 沿程阻力系数（无因次参数）； 局部阻力系数（无因次参数）。,第二节 流动阻力和能量损失,一、 能量损失的两种形式：,二、 层流、紊流和雷诺实验,实际流体运动存在着两种不同的状态，即层流和紊流。这两种流动状态的沿程损失规律大不相同。 雷诺实验,第二节 流动阻力和能量损失,液体沿管轴方向流动时，流束之间或流体层与层之间彼此不相混杂，质点没有径向的运动，都保持各自的流线运动。这种流动状态，称为层流运动。,管中流速再稍增加，或有其它外部干扰振动，则有色液体将破裂、混杂成为一种紊乱状态。这种运动状态，称为紊流运动,第二节 流动阻力和能量损失,二、 层流、紊流和雷诺实验,雷诺和其它学者的大量实验数据证实，若这四个物理量写成无因次数：,第二节 流动阻力和能量损失,二、 层流、紊流和雷诺实验,则流动是紊流；,则流动是层流。,第二节 流动阻力和能量损失,二、 层流、紊流和雷诺实验,研究非圆形断面或在流体中运动的物体时，式中的d应以其相应的特征尺寸代替。能够综合反映断面水力特性的量是水力半径R；它被定义为,其中A为有效断面面积（米2）。X称为湿周（米），指在有效断面A上，流体与固体边界的接触长度，下图为几种湿周的例子。,第二节 流动阻力和能量损失,二、 层流、紊流和雷诺实验,对于圆形管道，其水力半径R为： R=1/4d2/d=d/4 或写成：d=4R 以d当表示，即d=4R=d当。,在通风工程中，除圆断面管道外，常见的还有矩形断面管道，其相应的d当为： d当=4R=4ab/2（a+b）=2ab/（a+b）,第二节 流动阻力和能量损失, 流态分析,层流和紊流的根本区别在于层流各流层间互不掺混，只存在粘性引起的摩擦阻力；紊流则有大小不等的涡流动荡于各流层之间，除了粘性阻力，还存在着由于质点掺混、互相碰撞所造成的惯性阻力。因此，紊流阻力比层流阻力大得多。,雷诺数之所以能判别流态，正是因为它反映了惯性力和粘性力的对比关系。因此，当管中流体流动的雷诺数小于2320时，其粘性起主导作用，层流稳定。当雷诺数大于2320时，在流动核心部分的惯性力克服了粘性力的阻滞而产生涡流，掺混现象出现，层流向紊流转化。,二、 层流、紊流和雷诺实验,第二节 流动阻力和能量损失,三、单位摩阻R及沿程阻力的计算,每米长管道所具有的沿程摩擦阻力损失称为单位摩阻，以R表示。, 圆管的沿程摩擦阻力： 对于每米长的圆管，其单位摩阻为： R=/d·H动 代入公式得： Hm=R·L 圆管的单位摩阻R的数值可从附录中查找。,第二节 流动阻力和能量损失,三、单位摩阻R及沿程阻力的计算, 矩形直长管道的沿程摩擦阻力： 求矩形管道中的摩擦阻力时，最方便的方法是利用当量直径来计算。,在计算中，不必自行计算摩擦阻力系数，根据流速v和流速当量直径d当可直接求出单位摩阻R，上述数字均可通过查表取得。,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算, 局部阻力的分类,1流向改变, 流速改变方向,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算,、局部阻力的计算 1突然扩大圆管的局部阻力计算：,（1）流体断面1-1上的总压力。 P1=p1F1 P2=p2F2 （2）流体漩涡区上的作用力。 P0=p1（F2-F1） （3）流体段本身的重量。 G=F2L,外力在水平方向的合力为： P=P1-P2+P0=p1F1-p2F2+p1（F2-F1）=（p1-p2）F2,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算,、局部阻力的计算 1突然扩大圆管的局部阻力计算：,又根据伯努利方程式（若流体为空气时）：,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算,、局部阻力的计算 1突然扩大圆管的局部阻力计算：,令：,称为局部阻力系数，则有：,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算,2局部阻力损失的计算公式（普遍式） 从定性上分析，由于引起局部阻力损失的原因是一致的，即流速的变化均伴随涡流的产生。因此可以用同一形式来表达，只是局部阻力系数不同而已，因此，确定任何局部阻力损失的普遍公式，可以写成：,式中的局部阻力系数，取决于局部阻力构件的几何形状，通过实验来确定。 局部阻力损失是集中产生的，常常可以通过改变管道的几何形状使之减弱或加强。减小局部阻力的途径是避免产生涡流区和质点的撞击。,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算, 常用管件及其局部阻力 1弯头,（1）弯头的规格,1）D弯头的直径毫米 2）弯头的转向角度 3）R弯头的曲率半径，通常以管径D的倍数来表示。,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算, 常用管件及其局部阻力 1弯头,在除尘风网中，弯头的曲率半径R可在（1-2）D的范围内选择。 在气力输送装置中，弯头的曲率半径R在（6-10）D为宜。弯头的节数不宜过多，一般每节不大于（15-180），但D或R较大时，节数需适当增多。,（2）弯头局部阻力的计算,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算, 常用管件及其局部阻力,2三通,三通是汇合和分开气流的一种管件。,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算, 常用管件及其局部阻力,2三通,（1）三通的规格,三通的直管直径D直、支管直径D支、总管直径D总以及支管和直管的中心夹角。 对空气而言，汇合气流的三通称吸气三通，分开气流的三通称压气三通。 根据管网的需要，常用中心夹角为300-450的三通。 三通的阻力取决于两股气流合并的角度及直流与支流的直径比（D直/D支）、支流与直流的速度比（V支/V直）。,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算, 常用管件及其局部阻力,2三通,（2）三通的直管和支管的局部阻力计算： H直=直·H动直 H支=支·H动支 式中：直、支直管和弯管的阻力系数,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算, 常用管件及其局部阻力,3进口收缩管等异形管件的局部阻力,4汇集管,在工程上，常遇到多点进风且吸风量相同、进风口距离相等的较长圆锥形汇集管的阻力计算，可近似按照下列公式计算：,H=2R大L 千克/米2 式中：,R大按汇集管大头直径和流量计算的单位摩阻； L圆锥形管的长度。,第二节 流动阻力和能量损失,四、局部阻力的计算,
