流動(dòng)損失管道計(jì)算PPT課件

1、3、雷諾數(shù)Re流動(dòng)狀態(tài)不僅取決于速度，而是由管道尺寸、流體物性、速度共同決定，即：vdRe利用雷諾數(shù)可以判別流動(dòng)狀態(tài)：ReRecr 層流ReRecr 紊流Recr Re Recr 可能層流也可能紊流Recr 13800 Recr 2320Re2000物理意義：)/(Re2lvv單位時(shí)間單位面積動(dòng)量，慣性力速度梯度，粘性力Recr ：紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲗?yīng)的雷諾數(shù)Recr ：層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲗?yīng)的雷諾數(shù)第1頁/共47頁【例6-3】 管道直徑d=100mm，輸送水的流量q=0.01m3/s，水的運(yùn)動(dòng)黏度 v=10-6m2/s，求水在管中的流動(dòng)狀態(tài)？若輸送v=1.1410-4 m2/s的石油，保持前一種情

2、況下的流速不變，流動(dòng)又是什么狀態(tài)？【解】VdRe27. 11 . 014. 301. 04422dqVV20001027. 11011 . 027. 1Re56故水在管道中是紊流狀態(tài)200011141014. 11 . 027. 1Re4Vd故油在管中是層流狀態(tài)（1）（2）第2頁/共47頁4.2流體在圓管中的層流流動(dòng)1.入口段流動(dòng)壁面滯止x=00 xL邊界層增長x=L邊界層充滿管腔xL充分發(fā)展段2、入口段長度層流入口段L=(60 138)d (Re=10002300)湍流入口段L=(20 40)d (Re=104106)一、圓管截面速度分布第3頁/共47頁3.速度分布由定常流動(dòng)，控制體外力平衡

3、取圖示同軸圓柱形控制體，側(cè)面切應(yīng)力為,端面上取平均壓強(qiáng)p取半徑為r，長度為l的流段022221rlrprpppp21lpr2p2p1L第4頁/共47頁由牛頓內(nèi)摩擦定律在軸線上(r=0),速度為最大值由壁面不滑移條件，r=r0 , v=0可得圓管定常層流的速度分布式：drdvlprdrdv2rdrlpdv2)(4220rrlpv20max4rlpv20max)(1rrvv2max20020322120dlpvrrdrvrQvrr00yx0drr第5頁/共47頁二、沿程損失單位重量流體的沿程損失稱為沿程水頭損失，以 hf 表示gVdlh22fl管道長度，m；d管道內(nèi)徑，m；V管道中有效截面上的平均

4、流速，m/s稱為達(dá)西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式。f2222211122hgVgpzgVgpz20f8ggrlVphgVdlRegVdlVdgrlVh264223282220f第6頁/共47頁 切應(yīng)力分布lrprrlpdrddrdvff2)( 4220在管壁處0rr 0lrpf200代入沿程損失gVdlh22f208VVV8/切應(yīng)力速度或摩察速度第7頁/共47頁例 d=100mm, L=16km, 油在油管中流動(dòng), 油=915kg/m3, =1.8610-4m2/s, 求每小時(shí)通過 50t 油所需要的功率200010431086.11.094.1Re/94.1/0152.03

5、60091510005043VdsmAQVsmQQm)(6.2532.18836001000508.932.1888.9294.11.0106.106136.0206136.0104364Re64232kWhgQPmgVdLhfmf第8頁/共47頁例 輸送潤滑油的管子直徑 8mm，管長 15m，如圖 所示。油的運(yùn)動(dòng)黏度 m2/s，流量 12cm3/s，求油箱的水頭 （不計(jì)局部損失）。 dl61015Vqh239. 0008. 014. 3101244242dqVV雷諾數(shù) 20005 .1271015008. 0239. 06VdRe為層流列截面1-1和2-2的伯努利方程f2221202hgVg

6、pgVgphaa第9頁/共47頁認(rèn)為油箱面積足夠大，取01VgVdlRegVh26422222806. 92239. 0008. 0155 .12764806. 92239. 022gVdlhf2Re6422第10頁/共47頁例 設(shè)有1000m水平鋼管，直徑150mm，兩端壓強(qiáng)分別為1106Pa和3.5104Pa， 油在油管中流動(dòng), 油=920kg/m3, =410-4m2/s, 求通過 管道流量由伯努力方程：gVdlgpph2221w8 . 9215. 010008 . 9920105 . 310246wVh假設(shè)為層流流動(dòng)，則速度為：2315. 0VsmdlpV/84. 1322校核雷諾數(shù)：

7、69010415. 084. 1Re4smVdQ/0325. 0432第11頁/共47頁4.3 流體在圓管中湍流流動(dòng)特 性隨機(jī)性摻混性渦旋性時(shí)均法體均法表達(dá)法輸運(yùn)特性湍流結(jié)構(gòu)特性基本方程大尺度渦旋場小尺度隨機(jī)運(yùn)動(dòng)u= u+uu= u+u雷諾方程包含雷諾應(yīng)力T T0 01 1u=udtu=udtT T第12頁/共47頁一、紊流的脈動(dòng)現(xiàn)象與時(shí)均化1、時(shí)均值TVdtT0_1V將紊流速度轉(zhuǎn)化成了平均速度2、紊流度VV2反映紊流的隨機(jī)性VVVVwvudtfTfT)(31122221022011110000ffdtfTfdtTdtfTffffdtTfTTTT第13頁/共47頁二、壁面紊流流動(dòng)結(jié)構(gòu)壁面紊流自

8、由紊流壁面紊流粘性底層過渡層核心流Red8 .32第14頁/共47頁1、水力光滑管2、水力粗糙管當(dāng) 時(shí)，則管壁的粗糙凸出的高度完全被層流底層所掩蓋當(dāng) 時(shí)，即管壁的粗糙凸出部分突出到紊流區(qū)中第15頁/共47頁三、普朗特混合長度理論xyVVyVlVxxdd目的：確定紊流應(yīng)力大小關(guān)鍵：如何確定脈動(dòng)速度混合長度l：微團(tuán)y向脈動(dòng)進(jìn)入另一層流體經(jīng)過不與其它流體相碰撞的距離假設(shè)1：假設(shè)2：第16頁/共47頁22020)()(T1T1 dyVdCldtdyVdlCdtVVVVxTxyTxxytdyVddyVddyVdClxtxxt2紊流粘性系數(shù):t第17頁/共47頁（2）核心區(qū)l0三、紊流的速度分布（1）粘性

9、底層t0由牛頓內(nèi)摩擦定律:0yVdydV由摩擦速度定義式：/0V紊流速度分布式：VVV2或yVV普朗特混合長度理論22)(dydVltl為混合長度，設(shè)l=ky，并假設(shè)與壁面切應(yīng)力近似相等kyVkyyV*01dd1*ln1CyVkVV即第18頁/共47頁(3) 過渡層粘性應(yīng)力與紊流應(yīng)力在數(shù)量級上相當(dāng)（4）各區(qū)如何劃分)5 . 5lg75. 5(yVVVyVVV粘性底層過渡層交點(diǎn)y值即粘性底層厚度（5）工程應(yīng)用nryVV10maxtlRe41042.3 1041.1 1051.1 1062.0 1063.2 106n 6.0 6.6 7.0 8.8 10.0 10.030/30/55/vyVvyV

10、vyVy第19頁/共47頁四、紊流的沿程損失計(jì)算gVdlh22fVV8/第20頁/共47頁4.4 圓管流動(dòng)沿程損失實(shí)驗(yàn)研究水力光滑粗糙過渡區(qū)水力粗糙湍流雷諾數(shù)Re相對粗糙度/d絕對粗糙度粗糙度流 態(tài)層流商用管人工管達(dá)西摩擦因子ReRe, ,=f=f達(dá) 西 公 式2 2f flvlvh =h =2g2gd d適用各種管道粘性底層 尼古拉茲圖等效粗糙度穆迪圖 圓管流動(dòng)沿程損失第21頁/共47頁lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.6

11、5.46.05.8IIIIIIVIV ()層流區(qū)Re64(Re)2000RefVd尼古拉茲實(shí)驗(yàn)30/11014/1d第22頁/共47頁lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV()流態(tài)過渡區(qū)4000Re2000Vd( )紊流光滑區(qū)25.0Re3164.08 .0)lg(Re21勃拉修斯公式)/(80Re4000d卡門-尼古拉茲公式第23頁/共47頁lg(100)d/613025212010145

12、04lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV()紊流粗糙區(qū)85. 0)2(4160Re)/(80dd)Re51.27 .3lg(21d274.1)2lg(21d()紊流阻力平方區(qū)85. 0)2(4160Red考爾布魯克公式第24頁/共47頁穆迪圖25. 0)Re68(11. 0d紊流通用公式：第25頁/共47頁完全粗糙區(qū)穆迪圖湍流光滑區(qū)過渡區(qū)層流區(qū)粗糙過渡區(qū)普朗特史里希廷公式布拉休斯公式羅斯線Re 2300/ Re 64Re 23004000無

13、規(guī)律.Re 0 250 3164Re 5400010 1 1R Re e= =2 2l lg g. 0 8Re 630004 10馮卡門公式d d= = 1 1. .7 74 4+ +2 2l lg g( ( / /2 2 ) ) 2 ./dRe 0 8524160等效粗糙度科爾布魯克公式1 1=-2lg=-2lg.d.Re 2 513 7Re 8400010C3.6 圓管流動(dòng)沿程損失第26頁/共47頁C3.6 圓管流動(dòng)沿程損失水泥 0.33.0鉚釘鋼 0.99.0 材料(新) (mm) 木板 0.180.9鑄鐵 0.26鍍鋅鐵 0.15瀝青鑄鐵 0.12商用鋼和鍛鐵 0.046冷拔管 0.0

14、015 表 商用管等效粗糙度第27頁/共47頁【例6-1】 輸送石油的管道長 5000m，直徑 250mm的舊無縫鋼管，通過的質(zhì)量流量 100t/h，運(yùn)動(dòng)黏度在冬季 =1.09104 m2/s，夏季 =0.3610-4 m2/s，若取密度 885kg/m3，試求沿程水頭損失各為多少？ldmq冬夏smdqVV/64. 025. 014. 3360099.1124422【解】 首先判別流動(dòng)所處的區(qū)域99.112885101003mVqq為為層層流流冬冬冬冬 20009 .14671009. 125. 064. 04VdRe紊紊流流夏夏夏夏 20004 .44441036. 025. 064. 04

15、VdRe第28頁/共47頁需進(jìn)一步判別夏季石油在管道中的流動(dòng)狀態(tài)處于紊流哪個(gè)區(qū)域，查表6-1得舊無縫鋼 管 0.19 59.6 = =990824444.4 即4000 99082，流動(dòng)處于紊流光滑管區(qū)。 沿程水頭損失 冬季 （m 石油柱） 由于夏季石油在管道中流動(dòng)狀態(tài)處于紊流光滑管區(qū)，故沿程阻力系數(shù)用勃拉休斯公式計(jì)算，即 夏季 （m 石油柱）78)( r7819. 01256 .59夏Re2 .1881. 9264. 025. 050009 .146764222fgVdlh0388. 04 .44443164. 03164. 025. 025. 0Re2 .1681. 9264. 025.

16、050000388. 0222fgVdlh第29頁/共47頁輸送空氣（t=20）的舊鋼管道，取管壁絕對粗糙度 lmm，管道長 400m，管徑 250mm，管道兩端的靜壓強(qiáng)差為 9806Pa，試求該管道通過的空氣流量 為多少?ldfpVq【解】 因?yàn)槭堑戎睆降墓艿?，管道兩端的靜壓強(qiáng)差就等于在該管道中的沿程損失。 t= 20的空氣，密度 1.2kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度管道的相對粗糙度 ，由莫迪圖試取 0.027故 (m/s)22fVdlpsm /101526004. 02501d45.192 . 140002. 0980625. 022flpdV第30頁/共47頁雷諾數(shù) 根據(jù) 和 ，由莫迪圖查得 0.

17、027，正好與試取的 值相符合。若兩者不相符合， 則應(yīng)將查得的 值代入上式，按上述步驟進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，直至最后由莫迪圖查得的值與改進(jìn)的 值相符合為止。管道通過的空氣流量為 (m3/s)324167101525. 045.196VdReRed954. 025. 0414. 345.19422dVqV第31頁/共47頁4.5 局部損失產(chǎn)生原因微團(tuán)碰撞摩擦產(chǎn)生渦旋擴(kuò)大收縮彎 管速度重新分布閥 門典型部件計(jì)算公式局部損失系數(shù)表局部損失22mVhKg第32頁/共47頁二、局部損失的計(jì)算11和22的中心點(diǎn)的壓強(qiáng)各為和，平均流速各為和，截面積各為和1p2p1V2V1A2A1212VAAV2121VAAV )(

18、)(12122211VVqAApApApV)()(12221VVqAppV)(12221VVVpp連續(xù)方程：動(dòng)量方程：1pp列出截面1-1和2-2的伯努利方程jhgVgpgVgp22222211)(21)(1222121VVgppghj第33頁/共47頁gVVVVgVVVghj2)()(21)(12212221122gVgVAAgVVVhgVgVAAgVVVh22121221212222221222221j2112122121212j2122221111AAAA第34頁/共47頁C3.7 局部損失1.入口與出口(1)三種管入口(2) 管出口（K=1）2.擴(kuò)大與縮小(1) 突然擴(kuò)大(2) 突然縮

19、小(3) 漸擴(kuò)管222112212meeVdhK , K()gd時(shí),K為極小值 。 5222112212meeVdhK , K()gd第35頁/共47頁C3.7 局部損失3.彎管和折管(1) 彎管(2) 折管安裝導(dǎo)流片后， 減小80% 。4.閥門關(guān)閉時(shí), 全開時(shí), 值為閘閥蝶閥球閥。 dr-K , 90圖為 曲線。 隨增加而增大。彎管中發(fā)生二次流和分離區(qū)第36頁/共47頁4.6 管路計(jì)算1、管道水力計(jì)算主要任務(wù)(1) 給定的流量和允許的壓強(qiáng)損失確定管道直徑；(2) 給定的管道直徑、管道布置和流量來計(jì)算壓強(qiáng)損失；(3) 給定的管道直徑、管道布置和允許的壓強(qiáng)損失，計(jì)算流量。管道水力計(jì)算的基本公式：

20、連續(xù)性方程、伯努利方程和能量損失公式等。w2222211122hgVgpzEgVgpz222111AgVAgVqm常數(shù)jfwhhhgVdlh22fgVh22j第37頁/共47頁2 管道系統(tǒng)分類 1）按能量損失大小 長管：凡局部阻力和出口速度水頭在總的阻力損失中，其比例不足5的管道系統(tǒng)，稱為水力長管，也就是說只考慮沿程損失。 短管：在水力計(jì)算中，同時(shí)考慮沿程損失和局部損失的管道系統(tǒng)，稱為短管。2）按管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 串聯(lián)管道：不同管徑或不同粗糙度的數(shù)段管子串聯(lián)聯(lián)接所 組成的管道系統(tǒng)，。 并聯(lián)管道：是指數(shù)段管道并列聯(lián)接所組成的管道系統(tǒng)。 分支管道 管網(wǎng)第38頁/共47頁3、串聯(lián)管道w3w2w1whhh

21、h321VVVqqq常數(shù)第39頁/共47頁例 管路損失計(jì)算：沿程損失+局部損失 已知: 圖示上下兩個(gè)貯水池由直徑d=10cm，長l=50m的鐵管連接（= 0.046 mm）中間連有球形閥一個(gè)（全開時(shí)v=5.7），90彎管兩個(gè)（每個(gè)Kb= 0.64），為保證管中流量Q = 0.04m3/s , 求：兩貯水池的水位差H（m）。 管內(nèi)平均速度為 解：32244 0 04m s5 09m s0 1mQ./V./d.管內(nèi)流動(dòng)損失由兩部分組成：局部損失和沿程損失。局部損失除閥門和彎頭損失外，還有入口（in= 0.5）和出口（out=1.0）損失 222moutinVbVh(KKKK)g沿程損失為 22fl

22、 Vhgd第40頁/共47頁例 管路損失計(jì)算：沿程損失+局部損失 由穆迪圖確定。=10 6 m2/s562(5 09m s)(0 1m)5 09 1010m s0 046mm0 00046100mm./.VdRe./.d查穆迪圖可得 = 0.0173 對兩貯水池液面（1）和（2）列伯努利方程的第一種推廣形式, 由b）式 2212()()22LppVVzzhgggg 對液面V1=V2=0，p1=p2=0，由上式可得 21222mveoutinLfl VHzzhhh(KKKK)gd第41頁/共47頁例 管路損失計(jì)算：沿程損失+局部損失 225 09m s500 5 5 7 2 0 641 0 0 01730 12 9 81m s11 2m 11 4m22 6m.討論： （1）本例中盡管在單管中嵌入了多個(gè)部件，包括入口和出口，有多個(gè)局部損失成分，只要正確確定每個(gè)部件的局部損失因子，將其累加起來，按一個(gè)總的局部損失處理。 （2）計(jì)算結(jié)果表明，本例中管路局部損失與沿程損失大小相當(dāng)，兩者必須同時(shí)考慮 。 （3）本例若改為第三類問題：給定流量和水頭損失計(jì)算管徑，由于許多部件的局部損失因子與管徑有關(guān)，