管道流动.ppt

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1、1第三章 管道流动 3.1 管流阻力的两种类型管流阻力的两种类型 3.2 层流和紊流层流和紊流 3.3 圆管中流体的层流流动圆管中流体的层流流动 3.4 圆管中流体的紊流流动圆管中流体的紊流流动 3.5 沿程阻力系数沿程阻力系数 3.6 局部阻力系数局部阻力系数 3.7 管路计算管路计算23.1 管流阻力的两种类型3 定义:粘性流体在管道中流动时,沿流程受到的摩擦阻力,称为沿程阻力。沿程阻力。（原因：粘性流体，流体与流体之间以及流体与管壁面之间,存在摩擦力。）流体流动时克服沿程阻力而损失的能量，称为沿程沿程阻损阻损。公式：在管流中，沿程阻损用下式计算：3.13.1管流阻力的两种类型管流阻力的两

2、种类型2.2.局部阻力损失局部阻力损失 1.1.沿程阻力损失沿程阻力损失一、沿程阻损一、沿程阻损22lvpd 42Nm;/lmvm s沿程阻力系数（摩擦阻力系数），无因次系数；管道长度，平均流速，22v单位体积流体的动能。单位体积流体的动能。d管道内径，管道内径，m单位体积流体的沿程能量损失。单位体积流体的沿程能量损失。fp22flvpd3()N mm2Nm3()N mmfp也叫沿程压力损失，也叫沿程压降也叫沿程压力损失，也叫沿程压降2Nm2Nm5二、局部阻损 在管道系统中，通常装有阀门、弯头、三通、变截面在管道系统中，通常装有阀门、弯头、三通、变截面管等，流体经过这些局部装置时，将发生碰撞，

3、流速管等，流体经过这些局部装置时，将发生碰撞，流速要重新分布。要重新分布。流体质点与这些局部装置产生碰撞，使流体的流动受流体质点与这些局部装置产生碰撞，使流体的流动受到阻碍，此时受到的阻力称为到阻碍，此时受到的阻力称为局部阻力局部阻力。流体为克服局部阻力所损失的能量，称为局部损失。流体为克服局部阻力所损失的能量，称为局部损失。在管道流动中的局部损失，用下式求在管道流动中的局部损失，用下式求222jvNpm局部损失系数局部损失系数,无因次量无因次量,多由实验确定。多由实验确定。单位体积流体的局部能量损失。局部压损，或局部压降。单位体积流体的局部能量损失。局部压损，或局部压降。jp6三、总的阻力损

4、失三、总的阻力损失p总的阻力损失。总的阻力损失。fjppp 在工程实际中，管路系统是由等径管道和管道附件连接在一起组在工程实际中，管路系统是由等径管道和管道附件连接在一起组成的。因此管流在全程的损失按阻力迭加原理计算，即成的。因此管流在全程的损失按阻力迭加原理计算，即在本章的后面将详细讨论在本章的后面将详细讨论 和和 的计算问题。的计算问题。7三、三、辐射防护的目的与任务辐射防护的目的与任务 辐射防护的主要目的是在保证不对辐射防护的主要目的是在保证不对伴随辐射照射的有益实践造成过度限制伴随辐射照射的有益实践造成过度限制的情况下为人类提供合适的保护。具体的情况下为人类提供合适的保护。具体来讲，就

5、是要来讲，就是要防止有害的确定性效应，防止有害的确定性效应，并限制随机性效应的发生率，使之达到并限制随机性效应的发生率，使之达到被认为可以接受的水平。被认为可以接受的水平。8 既要保护环境，保障从事辐射既要保护环境，保障从事辐射工作人员和公众成员，以及他们的工作人员和公众成员，以及他们的后代的安全和健康，又要允许进行后代的安全和健康，又要允许进行那些可能产生辐射照射的必要活动；那些可能产生辐射照射的必要活动；提高辐射防护措施的效益，以促进提高辐射防护措施的效益，以促进核科学技术、核能和其它辐射应用核科学技术、核能和其它辐射应用事业的发展。事业的发展。9第三章 管道流动 3.1 管流阻力的两种类

6、型管流阻力的两种类型 3.2 层流和紊流层流和紊流 3.3 圆管中流体的层流流动圆管中流体的层流流动 3.4 圆管中流体的紊流流动圆管中流体的紊流流动 3.5 沿程阻力系数沿程阻力系数 3.6 局部阻力系数局部阻力系数 3.7 管路计算管路计算103.2 层流和紊流层流和紊流流动形态的实验流动形态的实验雷诺实验雷诺实验1883年，英国的雷诺：自然界的流体流动有两种不同的年，英国的雷诺：自然界的流体流动有两种不同的形态，即层流和紊流（或湍流）。形态，即层流和紊流（或湍流）。雷诺实验装置雷诺实验装置11看到：明晰的细小的着色流；看到：明晰的细小的着色流；说明：染色的流体质点的不与周围的说明：染色的

7、流体质点的不与周围的水相混，液体质点的运动是有规则有水相混，液体质点的运动是有规则有秩序的。称这种流动状态为层流。秩序的。称这种流动状态为层流。看到：色水线开始震荡，变成波浪看到：色水线开始震荡，变成波浪形，与周围的流体相混。形，与周围的流体相混。说明：流体质点的运动是杂乱无章说明：流体质点的运动是杂乱无章的，互相搀杂的。称这种状态为紊的，互相搀杂的。称这种状态为紊流或湍流。流或湍流。流速加大12实验指出实验指出：层流状态：层流状态：水在毛细管，水在毛细管，重油在管道中的流动，重油在管道中的流动，血液在微血管中的流动。血液在微血管中的流动。在实际计算中，必须首先判别流动形态。在实际计算中，必须

8、首先判别流动形态。紊流状态：紊流状态：工程实际中，工程实际中，水在管道或渠道中的流动，水在管道或渠道中的流动，空气在管道或空间中的流动。空气在管道或空间中的流动。13流动形态的判别准数流动形态的判别准数雷诺数雷诺数速度大小判别：不科学？！速度大小判别：不科学？！随着流体的随着流体的粘度、密度和流道尺寸粘度、密度和流道尺寸的不同而变化。的不同而变化。不可能对每一种实际流动都定出临不可能对每一种实际流动都定出临界流速。界流速。雷诺根据实验总结出一个雷诺根据实验总结出一个无因无因次量次量雷诺数，雷诺数，作为判别流作为判别流动状态的准则。以动状态的准则。以Re表示。表示。Revdvdd流体通道的定性尺

9、寸（或特征尺寸）。对于直径为对于直径为d的圆截面管道，其特征尺寸取的圆截面管道，其特征尺寸取d。对于对于圆管圆管而言，而言，Re2300为紊流流动；为紊流流动；Re2300为层流流动。为层流流动。14对于非圆形截面的管道流体，用当量直径对于非圆形截面的管道流体，用当量直径de来表示。来表示。4eAdmCReeevdvdA管道有效截面积。管道有效截面积。m2C流体与固体边界接触的周长，称为湿周。流体与固体边界接触的周长，称为湿周。m这样，这样，意义意义:Reevd反应流体粘滞能力的大小,粘性项反应流体惯性的大小,惯性项惯性项综合概括了影响流体运动状态的各种因素综合概括了影响流体运动状态的各种因素

10、,惯性项大惯性项大(流速大、直径大流速大、直径大),流体质点容易发生混乱运动流体质点容易发生混乱运动,使流动呈湍流状态使流动呈湍流状态;粘性项大粘性项大,能够削弱以至能够削弱以至消除引起流体质点发生混乱运动的扰动消除引起流体质点发生混乱运动的扰动,使流动保持层流状态使流动保持层流状态.15第三章 管道流动 3.1 管流阻力的两种类型管流阻力的两种类型 3.2 层流和紊流层流和紊流 3.3 圆管中流体的层流流动圆管中流体的层流流动 3.4 圆管中流体的紊流流动圆管中流体的紊流流动 3.5 沿程阻力系数沿程阻力系数 3.6 局部阻力系数局部阻力系数 3.7 管路计算管路计算163.3圆管中流体的层

11、流流动圆管中流体的层流流动17求横截面上的求横截面上的规律、流量、沿程阻损。规律、流量、沿程阻损。条件：不可压缩流体，等直径圆管，稳定层流流动条件：不可压缩流体，等直径圆管，稳定层流流动粘性性流体在圆管中作层流流动时，由于粘性作用，在管壁粘性性流体在圆管中作层流流动时，由于粘性作用，在管壁上流体质点的速度为上流体质点的速度为0，随着流层离开管壁接近管中心时，随着流层离开管壁接近管中心时，流速逐渐增加，圆管中心流速为最大值。流速逐渐增加，圆管中心流速为最大值。因为流动为轴对称，故选用柱坐标系。取微元薄筒为研究对象。因为流动为轴对称，故选用柱坐标系。取微元薄筒为研究对象。按已限定条件，控制体在按已

12、限定条件，控制体在X方向的合外力为方向的合外力为0。18控制体受到的两端压力控制体受到的两端压力:微元薄筒内外侧切应力微元薄筒内外侧切应力:2prdr(2)pplddlr r2 rdl(2)()rdr dldrrX方向的合外力方向的合外力:2 rdrp2()prdr pdll2 rdl2()()0rdr dldrr192()()0rdr dldrr2 rdrp2()prdr pdll2rdl用控制体用控制体2 rdVdldr去除上式，略去二阶无穷小量，得去除上式，略去二阶无穷小量，得1()0prlrr(),pp xl因为只是的函数，（r）,只是r的函数，所以1()0dpdrdlr dr两边乘以

13、两边乘以rdr,并对并对r积分，得积分，得212dp rrCdl20212Cdp rrdl根据边界条件定根据边界条件定C1的值的值:r=0时，时，C1=0，所以，所以2dp rdl 说明：切应力的大小与说明：切应力的大小与r成正比，如上图；成正比，如上图；推导过程未限定是层流还是紊流，故对二者均适用。推导过程未限定是层流还是紊流，故对二者均适用。dvdr 因为2dp rdvdldr 所以12dpdvrdrdl即2214dpvrCdl对上式积分v212214dpvrCdl边界条件：边界条件：r=R时，时，v=0224R dpCdl 所以224Rr dpvdl 所以由于由于dp/dl始终为负，可见

14、粘性流体在圆管中作层流流动时，始终为负，可见粘性流体在圆管中作层流流动时，流速的分布规律为旋转抛物面。流速的分布规律为旋转抛物面。根据速度分布，可进一步计算以下各量。根据速度分布，可进一步计算以下各量。22（1）最大流速最大流速2max4R dpvdl 管轴处管轴处:224Rr dpvdl（2）体积流量体积流量002241(28)42RRQrdrR dpvdprr rRddldl 23（3）平均流速平均流速228QQR dpvAdlR（4）沿程阻力损失沿程阻力损失由平均速度的表达式有由平均速度的表达式有28dpvpdlRl max12vv2max4R dpvdl 222283264264Re2

15、vlvllvpRddvdlvd 即v24264Re2lvpd 64Re令22lvpd 这就是这就是圆管中层流流动圆管中层流流动的阻力公式。的阻力公式。说明：层流时的摩擦阻力系数说明：层流时的摩擦阻力系数在管径与流体性质不变时，在管径与流体性质不变时，摩擦阻力系数摩擦阻力系数与平均流速成反比。与平均流速成反比。层流时的沿程阻力损失（或压力损失）与平均速度的一次方成正比。层流时的沿程阻力损失（或压力损失）与平均速度的一次方成正比。64Re25330.1,850/Pa skg mmsp-3例题：设有的油，流过长为l=3000m，直径d=300mm的铸铁管，其流量Q=41 10。试求摩擦压力损失。32

16、41 100.58/0.34Qvm sA解：850 0.58 0.3Re147923000.1vd，属于层流。64640.0433Re14792223000850 0.580.043361906/20.32lvpN md 26第三章 管道流动 3.1 管流阻力的两种类型管流阻力的两种类型 3.2 层流和紊流层流和紊流 3.3 圆管中流体的层流流动圆管中流体的层流流动 3.4 圆管中流体的紊流流动圆管中流体的紊流流动 3.5 沿程阻力系数沿程阻力系数 3.6 局部阻力系数局部阻力系数 3.7 管路计算管路计算27一、一、紊流流动、时均值、脉动值、时均稳定流动紊流流动、时均值、脉动值、时均稳定流动 紊流切应力紊流切应力 （1）紊流流动紊流流动 流体质点相互掺混，作无定向、无规则的运动，运动在流体质点相互掺混，作无定向、无规则的运动，运动在时间和空间都是具有随机性质的运动。属于非稳定流动时间和空间都是具有随机性质的运动。属于非稳定流动。vxvxixv vxxv28（2）时均值、脉动值）时均值、脉动值 在时间间隔在时间间隔 t t 内某一流动参量的平均值称为该流动参内某一流动参量的平均值称为该