1、主要内容,3.1 流体的流动状态 3.2 管道流动 3.3 管流阻力损失 3.4 管流系统阻力损失,第3章 管流流动,1两种流动状态,3.1 流体的流动状态,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,2,3.1 流体的流动状态,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,3,层流：所有流体质点只作沿同一方向的直线运动，无横向运动。,湍流：流体质点作复杂的无规则运动（紊流）。,过渡状态：从层流到紊流之间。,流速很慢 层流流速较大 过渡态流速大 紊流（湍流）,现象,结论,2、流体流动状态的标准,雷诺数Reynolds Number:,3.1 流体的流动状态,05:55:51,第3章 管流及其能量
2、损失,4,临界雷诺数为Rec：流体流动从一种状态转变为另一种状态的雷诺数Re。,管流一般取Rec = 2300，板流Rec = 5 105,层流紊流 Rec上=13800,紊流层流 Rec下=2300,注意,3.1 流体的流动状态,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,5,3.2 圆管中的流动,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,6,层流laminar flow紊流turbulent flow,1、建立微分方程：圆管内轴对称流动，可直接引用柱坐标系连续性方程及动量平衡方程。,元体分析法：取微元体，内半径为r，厚度为r，长度为L的同心圆薄层。,动量传入量 动量传出量 +系统作用力的
3、总和 = 动量蓄积量,重 力,压 力,对流动量传输,黏性动量传输,3.2.1 圆管中的层流,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,7,2、简化微分方程层流流动、不可压缩流体、稳定流动、水平轴对称流动,黏性动量传输：径向 黏性动量收支差CD,对流动量传输：轴向 对流动量收支差=0 （不可压缩流体、稳定流动）,重力：水平轴对称流动 重力忽略,压力：AB,动量蓄积量：无 （稳定流动）,3.2.1 圆管中的层流,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,8,及,轴对称流动,边界条件,3.2.1 圆管中的层流,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,9,3、求解微分方程：在轴对称边界条件下对
4、微分方程积分，求得管内层流流速分布,瞬时流速,最大流速,平均流速,3.2.1 圆管中的层流,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,10,结 论,抛物线分布,思考,圆管层流时Bernoulli Equations 中动能修正系数=？,3.2.1 圆管中的层流,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,11,3.2.2 圆管中的紊流,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,12,紊流turbulent flow,脉动,瞬时速度在一段时间的平均值,脉动速度时均值,紊流流动时仅考虑时均速度,3.2.2 圆管中的紊流,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,13,3.2.2 圆管中的紊流
5、,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,14,湍流中的总摩擦应力=粘性切应力+附加切应力,3.2.2 圆管中的紊流,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,15,盾头抛物线型,速度分布,3.2.2 圆管中的紊流,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,16,边界层,阻力 管流摩阻（摩擦阻力/沿程阻力）：由流体的黏性引起。 管流局部阻力：流动方向或流速突然变化引起。阻力损失黏性流体在流动过程中的阻力产生的能量损失叫阻力损失。包括： 管流摩阻（摩擦阻力/沿程阻力）损失 管流局部阻力损失,3.3 管流能量损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,17,计算通式,k值计算方法,理
6、论推导,经验方法,半理论、半经验方法,1、计算方法,影响因素程损失,3.3.1 管流沿程损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,18,2、圆管层流摩阻（理论推导方法）,3.3.1 管流沿程损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,19,Pa,3.3.1 管流沿程损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,20,3、圆管内紊流摩阻半理论、半经验方法,紊流下圆管的摩擦系数,绝对粗糙度,相对粗糙度,水力管,水力光滑管当层流底层厚度,3.3.1 管流沿程损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,21,尼古拉兹实验曲线,3.3.1 管流沿程损失,05:55:51,第3章
7、管流及其能量损失,22,第一过渡区BC： 变化不明显，2300Re4103，一般按光滑区处理,紊流光滑管流区CD：仅与Re有关，,布拉修斯修正式：,尼古拉兹修正式：,3103Re108,Re105,4103Re2308(d/)0.85,26.98(d/)8/7Re2308(d/)0.85,与Re、,有关,3.3.1 管流沿程损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,24,当层流底层 hL与Re、有关,当层流底层 hL与有关,层流：hL与Re有关,紊流：层流底层出现,计算的通用式：,经验值,总结,3.3.1 管流沿程损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,25,砖砌管道 =0.
8、05 金属光滑管道 = 0.025 金属氧化管道 =0.0350.04 金属生锈管道 =0.045,很多资料用表示,莫迪图,3.3.1 管流沿程损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,26,4、非圆形管道的摩阻,Pa,A管道的截面积，m2；S管道的周长，m,例如,正方形截面管道,3.3.1 管流沿程损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,27,3.3.1 管流沿程损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,28,【例题3-1】长度L=1000m，内劲d=200mm 的普通镀锌钢管（=0.39）输送=0.355cm2/s的重油，已知流量Q=38L/s，=880kg/m3
9、，试求其沿程损失。 解：,3.3.2 管流局部损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,29,kr局部阻力系数，经验法确定，查表,公式,方法,经验法,理论法,局部阻力：由于流体流向，速度变化而引起的阻力损失流体流过弯头、闸阀、三通及变管径区域,3.3.2 管流局部损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,30,管道截面突然缩小（理论法）,其他（经验法）,管道截面突然扩大（理论法）,3.3.2 管流局部损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,31,3.3.2 管流局部损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,32,3.4 管流系统阻力损失,05:55:51,第3
10、章 管流及其能量损失,33,管流系统阻力损失,特点串联管路特点：各段流量相同，阻损叠加。并联管路特点：各支路阻损相同，流量叠加。,计算方法,串联管路特点：各段流量相同，,并联管路特点：各支路阻损相同，,3.4 管流系统阻力损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,34,减少流体阻力损失, 改善固体边界状态hr 尽量减少局部管件或截面变化；改善局部管件结构：管道入口（光滑喇叭形）；弯管（90圆转弯 ）；扩管（突然逐渐扩大加隔板）；三通（加合流板、分流板）hl 尽量L ；D；选用光滑管,思考：“经济流速”的选择,3.4 管流系统阻力损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,35,0
11、5:55:51,第3章 管流及其能量损失,36,(2) 添加减阻剂 添加减阻剂，改善紊流运动内部结构。 三种添加剂：高分子聚合物（聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺）；金属皂；悬浮物（泥、砂、纸浆、石棉）。,3.4 管流系统阻力损失,3.4 管流系统阻力损失,05:55:51,第3章 管流及其能量损失,37,例题 3-2、直径为d1圆管经过两次突然扩大，直径放大到d2。问中间断面直径为何值时，局部阻力损失最小？此时损失为多少？解：设局部阻力损失最小时中间断面直径为d,流速为v。,本章小结,主要内容：流体流动状态，阻力损失的分类及阻力系数，不可压缩流体管流摩阻，管流局部阻力，管流阻力计算。,重点：流体流动状态、管流阻力计算。难点：复杂管路阻力计算。 基本要求：掌握层流与紊流基本概念和雷诺数的表达式及物理意义，了解阻力的概念及计算通式，掌握管流摩阻与局部阻力计算方法及减少管流系统阻力损失的途径。,05:55:51,38,第3章 管流及其能量损失,作业：P,
