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流体阻力计算:摩擦系数、雷诺系数、压头损失、压力损失的计算详

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作者来源: 未知 ????? 发布时间:2024-02-19

  两种。直管阻力是流体流经一定管径的直管时,由于流体的内摩擦而产生的阻力。局部阻力是流体流经管路中的管件、阀门及截面的突然扩大和突然缩小等局部地方的阻力。

  式中:hf——直管阻力,J/kg;λ——摩擦系数,也称摩擦因数,无量纲;l——管的长度,m;d——直管的内径,m;u——流体在管内的流速,m/s。

  范宁公式中的摩擦因数是确定直管阻力损失的重要参数。范宁公式对层流与湍流均适用,只是两种情况下摩擦系数λ不同。

  λ的值与反映流体湍动程度的Re及管内壁粗糙程度的ε大小有关。流体在管中流动时产生的阻力是以压强变化方式表现出来的,压强变化可以采用下面的公式进行计算:

  工业生产上所使用的管道,按其材料的性质和加工情况,大致可分为光滑管与粗糙管。通常把玻璃管、铜管、铅管和塑料管等列为光滑管,把钢管和铸铁管等列为粗糙管。实际上,即使是同一种材质的管子,由于使用时间的长短与腐蚀结垢的程度不同,管壁的粗糙度也会发生很大的变化

  1)绝对粗糙度绝对粗糙度是管道壁面凸出部分的平均高度,以ε表示,管壁粗糙程度对流体流动的影响如下图所示。下表中列出了某些工业管道的绝对粗糙度数值。

  2)相对粗糙度相对粗糙度是指绝对粗糙度与管径的比值,即ε/d。管壁粗糙度对流动阻力或摩擦系数的影响,主要是由于流体在管道中流动时,流体质点与管壁凸出部分相碰撞而增加了流体的能量损失,其影响程度与管径的大小有关,因此在摩擦系数图中用相对粗糙度ε/d,而不是绝对粗糙度ε。

  流体做层流流动时,流体层平行于管轴流动,层流层掩盖了管壁的粗糙面,同时流体的流动速度也比较缓慢,对管壁凸出部分没有什么碰撞作用,所以层流时的流动阻力或摩擦系数与管壁粗糙度无关,只与Re有关。

  为了计算方便,通常将摩擦系数λ对Re与ε/d的关系曲线标绘在双对数坐标上,如下图,该图称为莫狄图。这样就可以方便地根据Re与ε/d值从图中查得各种情况下的λ值。

  ①层流区。当Re2000时,λ与Re为一直线关系,与相对粗糙度无关。此时∑hf∝u,即∑hf与u的一次方成正比。

  ②过渡区。当2000re4000时,管内流动类型随外界条件影响而变化,λ也随之波动。工程上一般按湍流处理,λ可从相应的湍流时的曲线延伸查取。

  ③湍流区。当re4000且在图中虚线以下区域时,λ与Re、ε/d都有关,当ε/d一定时,λ随Re的增大而减小,Re增大至某一数值后,λ下降缓慢;当Re一定时,λ随ε/d的增加而增大。

  ④完全湍流区。即图中虚线以上的区域,λ与Re的数值无关,只取决于ε/d。λ-Re曲线几乎成水平线,当管子的ε/d一定时,λ为定值。在这个区域内,阻力损失与u2成正比,故又称为阻力平方区。由图可见,ε/d值越大,达到阻力平方区的Re值越低。对于湍流时的摩擦系数λ,除了用莫狄图查取外,还可以利用一些经验公式计算。这里介绍适用于光滑管的柏拉修斯式:

  其适用范围为Re=5×103~105。λ、Re、ε/d之间的关系见下表。

  局部阻力是流体流经管路中的管件、阀门、流量计及截面的突然扩大和突然缩小处等局部区域所产生的阻力。

  当量长度法是将流体通过局部障碍时的局部阻力计算转化为直管阻力损失计算的方法。将流体流过的局部阻力,折合成直径相同、长度为le的直管所产生的阻力,即:

  当局部流通截面发生变化时,u应该采用较小截面处的流体流速。le数值由实验测定,在湍流情况下,某些管件与阀门的当量长度也可以从下图或下表查得。

  式中,ζ称为局部阻力系数,一般由实验测定。注意,计算突然扩大与突然缩小局部阻力时,u为小管中的较大的速度。常见的局部阻力系数见下表。

  总阻力的表示方法除了以能量形式表示外,还可以用压头损失Hf(1N流体的流动阻力,m)及压力降Δpf(1m3流体流动时的流动阻力,m)表示。它们之间的关系为:

  分别计算下列两种情况下,流体流过ϕ76mm×3mm、长10m的水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。

  因此流动为层流。摩擦系数可从上图“摩擦系数λ与雷诺数Re、相对粗糙度ε/d的关系”上查取,也可用公式来计算:

  流动为湍流。求摩擦系数尚需知道相对粗糙度ε/d,查上表“工业管道的绝对粗糙度数值”,取钢管的绝对粗糙度ε为0.2mm,则:

  根据Re=1.53×105及ε/d=0.00286查上图“摩擦系数λ与雷诺数Re、相对粗糙度ε/d的关系”,得λ=0.027,所以能量损失:

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