工大流体力学第四章.ppt

4.8　管道流动的局部损失 4.8　管道流动的局部损失 4.8.1 局部损失一般分析 1、流道边壁的变化，会引起流动分离，也就是在边壁突变处脱离边壁，在局部流场内形成速度较大的强剪切层。 2、强剪切层内部的流动很不稳定，产生旋涡，即在主流和边壁之间产生回流区，回流区和主流区的分界面就是强剪切层。在分界面发生质量、动量和能量的交换。 3、旋涡的不断产生导致时均运动的能量转化为脉动运动的能量，而时均运动转化为脉动运动不可逆，在粘性作用下，在回流区内将脉动动能转化为热能而散失。回流区的部分旋涡会进入主流，并运动到下游逐渐衰灭。 4、局部阻力的根源是流道局部突变，但流体能量的散失过程是在局部障碍的下游一定长度的管段内发生的——影响长度。 4.8　管道流动的局部损失 4.8.1 局部损失一般分析 实验表明，局部水头损失系数主要取决于局部障碍形状、固体壁面的相对粗糙以及雷诺数。其中，局部障碍形状起主导作用。 沿程阻力和局部阻力的本质： 1、突露在湍流核心的每一个糙粒都是产生微小旋涡的根源，可以看成是以个个微小的局部障碍。沿程阻力可以看成是无数微小局部阻力之和，局部阻力可以看成是沿程阻力的局部扩大。 2、从本质上看，沿程阻力和局部阻力都是由湍流的脉动掺混作用引起的粘性阻力和惯性阻力造成的。 4.8　管道流动的局部损失 4.8.1 局部损失一般分析 对于局部损失，由于内部流场极其复杂，一般难以对其进行解析分析，而由实验测定。工程设计手册中以图表的形式给出不同类型和尺寸的管件的局部损失系数。 4.8　管道流动的局部损失 4.8.2　变管径的局部损失 根据1-1，2-2断面列能量方程， 两断面间的局部水头损失为： 根据两断面动量方程，有： 4.8　管道流动的局部损失 4.8.2　变管径的局部损失 由 或 得： 突然扩大的阻力系数为： 4.8　管道流动的局部损失 4.8.2　变管径的局部损失 突然缩小的阻力系数为： 4.8　管道流动的局部损失 4.8.2　变管径的局部损失 渐扩管的阻力系数为： 圆锥形渐扩管的形状可由扩大面积比 和扩散角 这两个几何参数来确定。 扩散损失是漩涡区和流速分布改组所形成 的损失。 当 时, 渐扩管的阻力系数 为： 4.8　管道流动的局部损失 4.8.2　变管径的局部损失 渐缩管的 阻力系数为： 管道进口： 4.8　管道流动的局部损失 4.8.3　弯管的局部损失 弯管速度方向的改变不仅使弯管的内侧和外侧出现两个旋涡区，而且产生二次流现象。二次流与主流叠加，使流过弯管的质点做螺旋运动，加大了能量损失。R/d对弯管阻力系数影响最大。 4.8　管道流动的局部损失 4.8.3　弯管的局部损失 4.8　管道流动的局部损失 4.8.4　三通的局部损失 三通有两个支管，所以有两个局部阻力系数。合流三通其中一支的力系数有时会出现负值，但两个支管的阻力系数不可能同时出现负值。 4.8　管道流动的局部损失 4.8.4　三通的局部损失 4.8　管道流动的局部损失 4.8.5　局部阻力之间的相互干扰 局部障碍前的断面流速分布和脉动强度对局部阻力系数有明显影响，即局部阻力之间存在相互干扰，影响的程度用干扰修正系数C来计算： 局部障碍直接连接时，水头损失会出现一定幅度的变化，可能增大，也可能减小。在设计管道时，如各局部障碍之间的距离都大于3倍管径，忽略相互干扰的计算结果，一般偏于安全。 4.9　减小阻力的措施 4.9.1　减阻途径 减阻有两条完全不同的途径： 途径一，改善边壁对流动的影响； 途径二，在流体中投入极少量填加剂，改善流体的内部结构。 以下只介绍途径一——改善边壁对流动的影响。 4.9　减小阻力的措施 4.9.2　途径一 减少局部阻力的着眼点在于防止或推迟流体与壁面的分离，避免旋涡区的产生或减小旋涡区的大小和强度。 1、减小管壁的粗糙度 2、平顺管道进口 4.9　减小阻力的措施 4.9.2　途径一 3、渐扩管和突扩管 4、弯管：曲率半径最好在R=(1~4)d； 断面大的弯管加导流叶片 4.6　工业管道湍流阻力系数的计算公式 4.6.4　莫迪图 莫迪图是流体力学中最重要、最有用的图之一，不仅适用于圆形管，也适用于非圆形管。主要解决三类问题： 4.6　工业管道湍流阻力系数的计算公式 4.6　工业管道湍流阻力系数的计算公式 4.6.5　例题 例1： 在管径d=100mm,管长为l=300m的圆管中，有t=10℃的水流，雷诺数Re=80000，请分别在以下三种情况下求水头损失。 （1）管内壁为K=0.15的均匀沙粒的人工粗糙 （2）光滑铜管（流动处于湍流光滑区） （3）工业管道，其当量粗糙高度为K=0.15 4.6　工业管道湍流阻力系数的计算公式 4.6.5　例题 例2： 工业管道，管径d=300mm，管长