[1-4]流体流动阻力

[1-4]流体流动阻力 1 西北大学化工原理课件 1.4 流体流动阻力 1.4.2 直管阻力 1.4.3 局部阻力 1.4.1 管件与阀门 2 西北大学化工原理课件 1.4 流体流动阻力局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。动画 1.4.1 管件与阀门一、管与管件 1. 管道及其种类：包括金属管、非金属管等； 2. 管件：指管与管的连接部件，包括法兰、弯头、三通、接头、异径管、阻火器、视镜等；直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力； 3 ...

1 西北大学化工原理课件 1.4 流体流动阻力 1.4.2 直管阻力 1.4.3 局部阻力 1.4.1 管件与阀门 2 西北大学化工原理课件 1.4 流体流动阻力局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。动画 1.4.1 管件与阀门一、管与管件 1. 管道及其种类：包括金属管、非金属管等； 2. 管件：指管与管的连接部件，包括法兰、弯头、三通、接头、异径管、阻火器、视镜等；直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力； 3 西北大学化工原理课件 4 西北大学化工原理课件异径管堵头 5 西北大学化工原理课件 6 西北大学化工原理课件二、管道连接 1. 焊接：适用于大直径的长管道连接，具有成本低、方便牢固等优点，凡是不需拆卸的地方，都应尽量选用焊接； 2. 螺纹连接：一般用于低压小直径水煤气管的连接。其连接较简单、成本较低、拆卸方便，但可靠性差，易发生渗漏，且不耐高压。化工生产中用于上下水、空气等低压小口径管道连接，不能用于大口径、高温高压、易燃爆和有毒介质的管道连接；管、管件、阀门间的连接有多种方法，不同连接方法将直接影响设备费用和操作状况，连接方法的选择取决于生产操作要求的可靠性、原料费用、拆卸次数等。管道连接的方法分为： 3. 法兰连接：化工生产中应用最为广泛的管道连接方式。其结合强度高、拆卸方便、密封可靠，缺点是成本较高； 4. 承插连接：多用于非金属管路与少数铸铁管的连接，其成本低且简单方便，但拆卸较为困难，高压下也无法使用。 7 西北大学化工原理课件三、阀门 1. 阀门结构： 2. 阀门种类及特点：普通阀门主要由阀座、阀芯、阀杆与手轮四部分组成。常用阀门包括截止阀、闸阀、球阀、蝶阀和止逆阀(即单向阀)等几个种类，其特点因种类不同也有所差别。 8 西北大学化工原理课件 9 西北大学化工原理课件工作演示 10 西北大学化工原理课件 11 西北大学化工原理课件球阀 12 西北大学化工原理课件蝶阀蝶阀止逆阀 13 西北大学化工原理课件安全阀弹簧式安全阀杠杆式安全阀 14 西北大学化工原理课件流体在水平等径直管中作定态流动。 fh pugzpugz +++=++ ρρ 22 22 12 11 2 1 2 1 1.4.2 直管流动阻力一、阻力的表现形式 15 西北大学化工原理课件 21 uu = 21 zz = ρρ ppphf Δ=−=∴ 21 若管道为倾斜管，则： )()( 2211 gz pgzphf +−+= ρρ 流体的流动阻力表现为机械能的减少；水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差对于水平等径直管，有： 16 西北大学化工原理课件二、直管阻力的通式由于压力差而产生的推动力： ( ) 4 2 21 dpp π− 流体的摩擦力： dlAF τπτ == dldpp τππ =− 4 )( 2 21 τρρ d lphf 4=Δ= 2 8 2 2 u d l u hf ρ τ= 若令 2 8 uρ τλ = 定态流动时： F 直管阻力 17 西北大学化工原理课件 ——直管阻力通式（范宁Fanning公式）其它形式： λ ——摩擦系数（摩擦因数）压头损失 g u d lH f 2 2 λ= m 压力损失 2 2u d lp f ρλ=Δ Pa 该公式层流与湍流均适用；注意与的区别。pΔ fpΔ 2 2u d lhf λ=则有： J/kg 18 西北大学化工原理课件三、层流时的摩擦系数 max2 1 uu = 221 max 4 )( R l ppu μ −=由层流速度分布方程： 2 dR = 221 32)( d lupp μ=− 2 32 d lup μ=Δ 又 ——哈根-泊谡叶(Hagen-Poiseuille)方程则： 2 32 d luphf ρ μ ρ = Δ=故能量损失：层流时阻力与速度的一次方成正比。 2Re 64 2 6432 22 2 u d lu d l udd luhf ⋅⋅=⋅⋅== ρ μ ρ μ Re 64=λ 变形：比较得： J/kg 19 西北大学化工原理课件四、湍流时的摩擦系数 1. 量纲分析法目的：（1）减少实验工作量；（2）结果具有普遍性，便于推广。基础：因次一致性即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次。 20 西北大学化工原理课件基本定理：白金汉（Buckinghan）π定理设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本量纲数为m个，则该物理现象可用N＝(n－m)个独立的无因次数群表示。将此量纲为一的量称为准数。湍流时压力损失的影响因素：（1）流体性质：ρ，μ （2）流动的几何尺寸：d，l，ε（管壁粗糙度）（3）流动条件：u 21 西北大学化工原理课件 ( )εμρ ,,,,, ldufp f =Δ 物理变量 n＝ 7 基本因次 m＝3 无因次数群 N＝n－m＝4 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=Δ dd lud u p f ε μ ρφρ ,,2无因次化处理式中： 2u p Eu fρ Δ= ——欧拉（Euler）准数即该过程可用4个无因次数群表示。 22 西北大学化工原理课件 dε ——相对粗糙度 dl ——管道的几何尺寸 μ ρud=Re ——雷诺数根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=Δ d k d l u p f εφρ Re,2 2Re, u dd lph ff ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=Δ= εψρ或 )(Re, d εψλ = 23 西北大学化工原理课件（1）层流区（Re≤ 2000） λ与无关，与Re为直线关系，即： ,即：与u的一次方成正比。 dε Re 64=λ uhf ∝ fh （2）过渡区（2000×=× ××== −μ ρudRe 查表1-1,取钢管的绝对粗糙度为0.2mm,则有: 流动为湍流 00286.0 70 2.0 == d ε 查图1-32,得λ＝0.027,则能量损失: J/kg33.9 2 2.2 07.0 10027.0 2 22 === u d lhf λ 压头损失： m95.0 81.9 33.9 === g h H ff 压力损失： Pa931333.92.998 =×==Δ ff hp ρ (2)当长距离输油时，由题意知：输油距离扩大了10000倍 4 410 10 5178 51.78 Paf fp p M′Δ = Δ = × = 根据Fanning公式，可知压力损失变为：因油管的耐压极限为pmax=15MPa，故所求的加压站数量为： max 51.78 3.45 4( ) 15 fpn p ′Δ= = = ≈ 个 30 西北大学化工原理课件五、非圆形管内的流动阻力当量直径： Π××= Ade 44 ＝润湿周边流通截面积 ( ) 12 12 2 1 2 244 dd dd dd de −=+ − = ππ π 边长分别为a、b的矩形管 : ba ab ba abde +=+= 2 )(2 4 套管环隙，内管的外径为d1，外管的内径为d2 : d2d 1 31 西北大学化工原理课件注意：（1）Re与hf中的直径用de计算；（2）层流时计算λ： Re C=λ 正方形 C＝57 套管环隙 C＝96 （3）流速仍用实际流通面积计算。 2785.0 e s d Vu ≠ 32 西北大学化工原理课件 1.4.3 局部阻力一、阻力系数法近似认为局部阻力满足平方定律： 2 2uhf ζ= 或 g uH f 2 2 ζ= ζ——局部阻力系数 J/kg J/N=m 33 西北大学化工原理课件小管中的大速度— — 1 2 1 2 2 1 u 2 10)1( uh A A f ζ ζζ = =−= 1. 突然扩大动画演示 34 西北大学化工原理课件小管中的大速度−= −=−= 2 2 2 1 2 2 5.00)1(5.0 uuh A A f ζ ζζ 2.突然缩小动画演示 35 西北大学化工原理课件 3. 管进口及出口进口：流体自容器进入管内(突然缩小极限情况)。 ζ进口 = 0.5 进口阻力系数出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外空间（突然扩大极限情况）。 ζ出口 = 1 出口阻力系数 36 西北大学化工原理课件 g u d lHu d lh efef 22 22 λλ == 或二、当量长度法将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为Le的直管所产生的阻力。 Le ——管件或阀门的当量长度，m。总阻力： 2 )( 2 2'2 u d lu d llh ef ζλλ Σ+=Σ+=Σ 减少流动阻力的途径：管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些。 37 西北大学化工原理课件例1-8 如图所示，料液由常压高位槽流入精馏塔中。进料处塔中的压力为0.2at(表压)，送液管道为φ45×2.5mm、长8m的钢管。管路中装有全开标准截止阀一个，欲使塔的进料量要维持在5m3/h，试计算高位槽的液面要高出塔的进料口多少米？（操作条件下料液的物性：， Pa·s ） h pa1 2 解：取高位槽中液面为1-1′面，管出口内侧为2-2′面，且以过2-2′截面中心线的水平面为基准面。在1与2截面间列柏努利方程： fh pugzpugz Σ+++=++ ρρ 22 22 12 11 2 1 2 1 其中：z1=h；u1≈0；p1=0；z2=0；p2=20kPa； sm d Vu s /1.1 04.0785.0 36005 4 2 2 2 =×==∴ π 4 3 1001.3103.1 1.189004.0Re ×=× ××== −μ ρud 3kg/m890=ρ 3102.1 −×=μ 取管壁绝对粗糙度： mm，则：3.0=ε 0075.040 3.0 == d ε 查P29图1-32得摩擦系数： 036.0=λ 由表1-2查各管件局部阻力系数，可得： 75.80.675.05.15.0 =+++=Σζ 38 西北大学化工原理课件 kgJu d lhf /98.102 1.175.8 04.0 10036.0 2 22 =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +×=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∑+=∑∴ ζλ 所求位差： m62.481.9/)98.10 2 1.1 890 1030(/) 2 ( 232 22 =++×=Σ++= ghuph fρ 思考：将截面2-2′取在管出口外侧时，计算结果有什么变化？此时流体流入塔内，2-2′截面速度为零，无动能项，但应计入出口突然扩大阻力，即： 1=出口ζ 所以两种方法的结果相同。参见 P34 例1-3

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