阻力損失計(jì)算.doc

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1、第五節(jié)阻力損失1-5-1兩種阻力損失直管阻力和局部阻力化工管路主要由兩部分組成：一種是直管,另一種是彎頭、三通、閥門等各種管件。無論是直管或管件都對流動有一定的阻力,消耗一定的機(jī)械能。直管造成的機(jī)械能損失稱為直管阻力損失(或稱沿程阻力損失)；管件造成的機(jī)械能損失稱為局部阻力損失。對阻力損失作此劃分是因?yàn)閮煞N不同阻力損失起因于不同的外部條件，也為了工程計(jì)算及研究的方便,但這并不意味著兩者有質(zhì)的不同。此外,應(yīng)注意將直管阻力損失與固體表面間的摩擦損失相區(qū)別。固體摩擦僅發(fā)生在接觸的外表面,而直管阻力損失發(fā)生在流體內(nèi)部,緊貼管壁的流體層與管壁之間

2、并沒有相對滑動。圖1-33阻力損失阻力損失表現(xiàn)為流體勢能的降低圖1-33表示流體在均勻直管中作定態(tài)流動,u1=u2。截面1、2之間未加入機(jī)械能,he=0。由機(jī)械能衡算式(1-42)可知：(1-71)由此可知,對于通常的管路，無論是直管阻力或是局部阻力,也不論是層流或湍流,阻力損失均主要表現(xiàn)為流體勢能的降低,即。該式同時表明,只有水平管道,才能以(即p1-p2)代替以表達(dá)阻力損失。層流時直管阻力損失流體在直管中作層流流動時,因阻力損失造成的勢能差可直接由式(1-68)求出：(1-72)此式稱為泊稷葉(Poiseuille)方程。層流阻力損

3、失遂為：(1-73)1-5-2湍流時直管阻力損失的實(shí)驗(yàn)研究方法層流時阻力損失的計(jì)算式是由理論推導(dǎo)得到的。湍流時由于情況復(fù)雜得多，未能得出理論式，但可以通過實(shí)驗(yàn)研究,獲得經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算式。這種實(shí)驗(yàn)研究方法是化工中常用的方法。因此本節(jié)通過湍流時直管阻力損失的實(shí)驗(yàn)研究,對此法作介紹。實(shí)驗(yàn)研究的基本步驟如下：(1)析因?qū)嶒?yàn)──尋找影響過程的主要因素對所研究的過程作初步的實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的歸納,盡可能地列出影響過程的主要因素對于湍流時直管阻力損失hf,經(jīng)分析和初步實(shí)驗(yàn)獲知諸影響因素為：流體性質(zhì)：密度、粘度；流動的幾何尺寸：管徑d、管長、管壁粗糙度(管內(nèi)壁表

4、面高低不平)；流動條件：流速u；于是待求的關(guān)系式應(yīng)為：(1-74)62(2)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)──減少實(shí)驗(yàn)工作量當(dāng)一個過程受多個變量影響時,通常用網(wǎng)絡(luò)法通過實(shí)驗(yàn)以尋找自變量與過程結(jié)果的關(guān)系。以式(1-74)為例,需要多次改變一個自變量的數(shù)值測取hf的值而其它自變量保持不變。這樣,自變量個數(shù)越多,所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)急劇增加。為減少實(shí)驗(yàn)工作量,需要在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行規(guī)劃,包括應(yīng)用正交設(shè)計(jì)法、因次分析法等,以盡可能減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。因次分析法是通過將變量組合成無因次數(shù)群,從而減少實(shí)驗(yàn)自變量的個數(shù),大幅度地減少實(shí)驗(yàn)次數(shù),因此在化工上廣為應(yīng)用。因次分析法的基礎(chǔ)是：任何物

5、理方程的等式兩邊或方程中的每一項(xiàng)均具有相同的因次，此稱為因次和諧或因次的一致性。從這一基本點(diǎn)出發(fā),任何物理方程都可以轉(zhuǎn)化成無因次形式(具體的因次分析方法可參閱附錄或其它有關(guān)著作)。以層流時的阻力損失計(jì)算式為例,不難看出,式(1-73)可以寫成如下形式(1-75)式中每一項(xiàng)都為無因次項(xiàng),稱為無因次數(shù)群。換言之,未作無因次處理前,層流時的阻力的函數(shù)形式為：(1-76)作無因次處理后,可寫成(1-77)對照式(1-74)與式(1-75),不難推測,湍流時的式(1-74)也可寫成如下的無因次形式(1-78)式中即為雷諾數(shù)(Re),稱為相對粗糙度

6、。將式(1-74)與式(1-78)作一次比較可以看出,經(jīng)變量組合和無因次化后,自變量數(shù)目由原來的6個減少到3個。這樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時無需一個個地改變原式中的6個自變量,而只要逐個地改變Re、和即可。顯然,所需實(shí)驗(yàn)次數(shù)將大大減少,避免了大量的實(shí)驗(yàn)工作量。尤其重要的是,若按式(1-74)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時,為改變和,實(shí)驗(yàn)中必須換多種液體；為改變d,必須改變實(shí)驗(yàn)裝置。而應(yīng)用因次分析所得的式(1-78)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)時,要改變只需改變流速；要改變,只需改變測量段的距離,即兩測壓點(diǎn)的距離。這是一個極為重要的特性,從而可以將水、空氣等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣應(yīng)用于其它流體,將小

7、尺寸模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于大型裝置。無因次化是一項(xiàng)簡單的工作,但由此帶來的好處卻是巨大的。因此,實(shí)驗(yàn)前的無因次化工作是規(guī)劃一個實(shí)驗(yàn)的一種有效手段。(3)數(shù)據(jù)處理──實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確表達(dá)獲得無因次數(shù)群之后,各無因次數(shù)群之間的函數(shù)關(guān)系仍需由實(shí)驗(yàn)并經(jīng)分析確定。方法之一是將各無因次數(shù)群(、、……)之間的函數(shù)關(guān)系近似地用冪函數(shù)的形式表達(dá),(1-79)此函數(shù)可線性化為(1-80)62此后不難將、、的實(shí)驗(yàn)值,用線性回歸的方法求出系數(shù)K、a、b的值,同時也檢驗(yàn)了式(1-79)的函數(shù)形式是否適用。對式(1-78)而言,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),阻力損失與管長成正比,該式可改

8、寫為：(1-81)函數(shù)的具體形式可按實(shí)驗(yàn)結(jié)果用圖線或方程表達(dá)。1-5-3直管阻力損失的計(jì)算式統(tǒng)一的表達(dá)方式對于直管阻力損失,無論是層流或湍流,均可將式(1-81)改寫成如下的統(tǒng)一形式,以便于工程計(jì)算,(1-