流体在管内的流动阻力
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流体流动阻力的测定 实验报告
实验一流体流动阻力的测定摘要：通过实验测定流体在光滑管、粗糙管、层流管中流动时，借助于伯努利方程计算摩擦阻力系数和雷诺数之间的关系，并与理论值相比较。
同时以实验手段计算突然扩大处的局部阻力，并对以上数据加以分析，得出结论。
一、目的及任务1.掌握测定流体流动阻力的实验的一般实验方法。
2.测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管和阀门的局部阻力系数ξ。
3.测定层流管的摩擦阻力。
4.验证湍流区内摩擦阻力系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度的函数。
5.将所得的光滑管的λ-Re 方程与Blasius 方程相比较。
二、基本原理1.直管摩擦阻力不可压缩流体（如水），在圆形直管中做稳定流动时，由于黏性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在突然扩大、弯头等管件时，由于流体运动速度和方向的突然变化，产生局部阻力。
影响流体阻力的因素较多，在工程上采用量纲分析方法简化实验，得到在一定条件下具有普遍意义的结果，其方法如下。
流体流动阻力与流体的性质，流体流经处几何尺寸以及流动状态有光，可表示为∆p=f （d ，l ，u ，ρ，μ，ε）引入下列无量纲数群雷诺数Re=μρdu 相对粗糙度dε管子的长径比dl 从而得到),,du (p 2d ld u εμρρψ=∆令λ=Φ（Re ，dε）2)(Re,2u d d l pερΦ=∆可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系，这种关系可用实验方法直接测定。
22u d l ph f ⨯=∆=λρ式中f h ——直管阻力，J/Kg ；l ——被测管长，m ；d ——被测管内径，m ；u ——平均流速，m/s ；λ——摩擦阻力系数。
当流体在一管径为d 的圆形管中流动时，选取两个截面，用U 形压差计测出这两个截面间的静压强差，即为流体流过两截面间的流动阻力。
根据伯努利方程找出静压强差和摩擦阻力系数的关系式，即可求出摩擦阻力系数。
改变流速可测出不同Re 下的摩擦阻力系数，这样就可得出某一相对粗糙度下管子的λ-Re 关系。
11-第11讲 粘性流体管内流动阻力和能量损失
u
u'
u
u
t
0 图 4-9 紊流速度脉动示意图 T
由于脉动的随机性， 一般采用时间平均值对紊流流动进行研究。 假设脉动的平均周期为 T，则定义速度的时间平均值（简称时均值）为
u
1 udt T 0
T
（4-19）
瞬时值与时均值之差就是脉动值，用“’“表示，于是，脉动速度为
u' u u
或写成
p1 1V12 p2 2V22 hf g 2g g 2g
由于两截面均为层流，故 1 2 ；又截面积不变，由连续性方程，有 V1 V2 V ，则有
hf
p1 p2 p g g
这说明， 流体自截面 1 到截面 2 的能量损失， 损失的不是动能， 而是压能。 再由 （4-14） 式，可得
u u u'
同样，瞬时压强、时均压强和脉动压强的关系为
p
代入上式，得到沿程损失为
32l V d2
32lV 64 l V 2 64 l V 2 hf 2 d g Vd d 2 g Re d 2 g
上式也表明，对于层流来说，流动损失与速度的一次方成正比。对比达西公式
hf
得到圆管层流流动的沿程阻力系数为
l V2 d 2g
（3）在管道中心处速度最大，为
umax
p 1 2 311.8 0.052 R 0.127m / s l 4 100 4 1.53 10 2
在半径 r 20mm 处的速度为
u
p 1 311.8 0.052 0.022 (R2 r 2 ) 0.107m / s l 4 100 4 1.53 10 2
R p1 l τ r p2 u x u 1 图 4-6 2
流体流动阻力测定实验
实验报告项目名称：流体流动阻力测定实验学院：专业年级：学号：姓名：指导老师：实验组员：一、实验目的1、学习管路阻力损失h f和直管摩擦系数的测定方法。
2、掌握不同流量下摩擦系数与雷诺数Re之间的关系及其变化规律。
3、学习压差测量、流量测量的方法。
了解压差传感器和各种流量计的结构、使用方法及性能。
4、掌握对数坐标系的使用方法。
二、实验原理流体在管道内流动时，由于黏性剪应力和涡流的存在，会产生摩擦阻力。
这种阻力包括流体流经直管的沿程阻力以及因流体运动方向改变或管子大小形状改变所引起的局部阻力。
流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系：h f = ρfP ∆=22u d l λ （4-1）式中： -f h 直管阻力，J/kg ；-d 直管管径，m ；-∆p 直管阻力引起的压强降，Pa ； -l 直管管长，m ； -u 流速，m / s ； -ρ流体的密度，kg / m 3；-λ摩擦系数。
滞流时，λ=Re 64；湍流时，λ与Re 的关系受管壁相对粗糙度dε⋅的影响，即λ= )(Re,df ε。
当相对粗糙度一定时，λ仅与Re 有关，即λ=(Re)f ，由实验可求得。
由式（4—1），得 λ=22u P l d f∆⋅⋅ρ （4-2） 雷诺数 Re =μρ⋅⋅u d （4-3）式中-μ流体的黏度，Pa*s和流体在管内的流速u，查出流体的物理性质，即可分别计测量直管两端的压力差p算出对应的λ和Re。
三、实验装置1、本实验共有两套装置，实验装置用图4-2所示的实验装置流程图。
每套装置中被测光滑直管段为管内径d=8mm，管长L=1.6m的不锈钢管；被测粗糙直管段为管内径d=10mm，管长L=1.6m的不锈钢管2、流量测量：在图1-2中由大小两个转子流量计测量。
3、直管段压强降的测量：差压变送器或倒置U形管直接测取压差值。
图4-2 流体流动阻力测定实验装置流程图⑴—大流量调节阀；⑵—大流量转子流量计；⑶—光滑管调节阀；⑷—粗糙管调节阀；⑸—光滑管；⑹—粗糙管；⑺—局部阻力阀；⑻—离心泵；⑼—排水阀；⑽倒U管⑾⑾’—近端测压点；⑿⑿’—远端测压点；⒀⒀’—切断阀；⒁⒁’—放空阀；⒂⒂’—光滑管压差；⒃⒃’—粗糙管压差；⒄—数字电压表；⒅—压差变送器四、实验步骤1、检查储水槽内的水位是否符合要求，检查离心泵的所有出口阀门以及真空表、压力表的阀门是否关闭。
流体流动阻力
当管路由若干直径不同的管段组成时, 当管路由若干直径不同的管段组成时,由于各段的流速不 同,此时管路的总能量损失应分段计算,然后再求其总和 此时管路的总能量损失应分段计算, P77:15、16、18 、 、
水在圆形直管中作完全湍流时，当输送量、 水在圆形直管中作完全湍流时，当输送量、管长和管子的 相对粗糙度不变，仅将其管径扩大一倍， 相对粗糙度不变，仅将其管径扩大一倍，则阻力变为原来的 （ 来的（ 来的（ ）倍；若水作层流流动时，其它条件不变，阻力变为原 若水作层流流动时，其它条件不变， ）倍；
1）突然扩大与突然缩小 ）
u2 h′ = ξ ⋅ 小管的流速u， 可根据小管与大管的截面积之比 取小管的流速 ，ξ可根据小管与大管的截面积之比 f 2
查图。 查图。 2）管出口和管入口 ） 管入口：流体自容器进入管内，相当于突然缩小， 管入口：流体自容器进入管内，相当于突然缩小，A2/A1≈0， 突然缩小 ， 管进口阻力系数，ξc=0.5。 管进口阻力系数， 。 管出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外，相当于突然 管出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外，相当于突然 扩大。 管出口阻力系数， 扩大。 A1/A2≈0，查表得管出口阻力系数，ξe=1.0。 ，查表得管出口阻力系数 。
水力半径r 水力半径 H： 流体在流道里的流道截面积A与润湿周边长度 之比 流体在流道里的流道截面积 与润湿周边长度Π之比 与润湿周边长度 rH=A/Π 当量直径d 当量直径 e： 取4倍的水力半径称为非圆形管的当量直径 e 倍的水力半径称为非圆形管的当量直径d 倍的水力半径称为非圆形管的当量直径 de=4 rH =4A/Π
1)滞流区：Re≤2000 滞流区 3)湍流区 2000≤Re≤4000 湍流区 及 2)过渡区：4000≤Re及 虚线下区域 过渡区 λ=64/Re， ， 无关，呈一条直线 ε/d无关 一定时， 无关， ε/d一定时，Re↑曲线均可用 为安全计，一般查湍流λ-Re曲线 一定时， 一定时 一定时 滞流或湍流λ-Re曲线均可用，为安全计，一般查湍流 滞流或湍流 ，与 λ↓；Re一定时，ε/d↑，λ↑ 曲线
管路流体流动阻力的测定(华南师范大学)
实验四管路流体流动阻力的测定一、实验目的1、掌握流体流动阻力的测定方法2、测定流体流过直管时的摩擦阻力，并确定摩擦系数λ与雷诺数Re 的关系3、测定流体流过管件的局部阻力，并求出阻力系数。
二、实验原理流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地会引起压力损耗。
这种损耗包括流体经过直管的沿程阻力以及因流体流动方向改变或因管子大小形状改变所引起的局部阻力。
1、直管阻力损失的测定不可压缩流体连续稳定地在直管中流动时，相距l 米的任意两个截面1-1和2-2间的机械能恒算可以用下式来表示：2211221222fp u p u gz gz h ρρ++=+++（4-1）或者2211221222fp u p u z z H g g g gρρ++=+++（4-2）式中：1z ，2z ——截面1-1和截面2-2距基准面的高度，m1p ，2p ——流体在截面1-1和截面2-2处的绝对压强，Pa ；1u ，2u ——流体在截面1-1和截面2-2处的流速，m ·s -1；ρ——流体的密度，kg ·m -3f h ——单位质量流体流过l 米距离时的直管阻力损失，J ·kg -1f H ——单位重量流体流过l 米距离时的直管阻力损失，m。
当两个截面管径相等，并处于同一水平面时，则有12z z =，12u u u==分别代入式（4-1）和式（4-2）得：12f p p ph ρρ-==（4-3）以及12f p p pH g gρρ-== （4-4）应用上述两式均可计算出流体的直管阻力损失，其大小主要体现在所取两截面的压差12p p -上。
因此，只需测得所取截面的压差，便可得到直管阻力损失。
2、直管摩擦系数λ和雷诺数Re 的测定当流体在圆形直管内流动时，直管的阻力损失可通过范宁（Fanning ）公式进行计算：22f l u h d λ=⋅（4-5）或22f l u H d g λ=⋅（4-6）式中：λ——直管的摩擦系数，无量纲；l ——直管的长度，m ；d ——直管的内径，m ；大量实验研究表明，摩擦系数λ与流体的密度ρ、粘度μ、管径d 、流速u 和管壁粗糙度e 有关应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度e/d 存在函数关系，即：(Re,ef dλ=（4-7）通过实验测得λ和Re 数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。
实验1 流体流动阻力的测定
第二章 实验部分实验一 流体流动阻力的测定一、实验目的（1）了解流体流动阻力的测定方法。
（2）测定流体流过直管时的磨擦阻力，并确定磨擦系数λ与雷诺数Re 的关系。
（3）测定流体流过管件（本实验为闸阀）时的局部阻力，并求出阻力系数ξ。
（4）了解与本实验有关的各种流量测量仪表、压差测量仪表的结构特点和安装方式，掌握其测量原理、学会正确使用。
二、基本原理流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地会引起压强损耗。
这种损耗包括流体经过直管的沿程阻力以及因流体运动方向改变或因管子大小形状改变所引起的局部阻力。
1．沿程阻力流体在水平均匀管道中稳定流动时，由截面1到截面2，阻力损失表现在压强的降低；h f =gp p ρ21-影响阻力损失的因素十分复杂，目前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。
为了减少实验工作量，扩大实验结果的应用范围，可采用因次分析法将各变量综合成准数关系式。
影响阻力损失的诸因素有：（1）流体性质：密度ρ，粘度μ；（2）管路的几何尺寸：管径d ，管长l ，管壁粗糙度e ； （3）流动条件：流速u 。
可表示为：△P=f(d,l ,μ,ρ,u,e)。
组合成如下的无因次式：,,,2⎪⎭⎫⎝⎛=∆d e d l du u Pμρφρ22Re u d e dl p∙∙∙=∆⎪⎭⎫ ⎝⎛ϕρ引入⎪⎭⎫ ⎝⎛∙=d eRe ϕλ，则上式变为：gu dl pfh22∙=∆=λρ式中，λ称为直管摩擦系数，滞流时λ=64/Re ；湍流时λ与Re 的关系受管壁粗糙度的影响，需由实验求得。
根据伯努利方程可知，流体通过直管的沿程阻力损失，可直接由所测得的液柱压差计读数ΔR 算出：△p=ΔR(ρ指－ρ水)g其中：ρ指——压差计中指示液密度，kg/m 3。
本实验中用水银作指示液，被测流体为水。
ΔR ——U 型管中水银位差，m 。
g ——重力加速度，g=9.81m/s 2。
2．局部阻力局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。
管路阻力计算公式
管路阻力计算公式管路阻力是指液体在管道内流动时所受到的阻碍，其大小取决于流体的性质、管道的几何尺寸和流动的条件。
在实际工程中，准确计算管路阻力对于流体输送和工艺设计至关重要。
下面将介绍管路阻力的计算公式。
1.法氏公式法氏公式是计算管道流动阻力最常用的公式之一、它适用于圆形截面的水平、直立管道以及部分较短的水平、上升弯头。
其计算公式如下：ΔP=λ(L/D)(ρV^2/2)其中，ΔP为管道中的压力损失，单位为帕斯卡(Pa)；λ为摩擦阻力系数，根据管道的材料及条件可以查表或参考标准值；L为管道的长度，单位为米(m)；D为管道的内径，单位为米(m)；ρ为流体的密度，单位为千克/立方米(kg/m^3)；V为流体的流速，单位为米/秒(m/s)。
2.公因数法公因数法是另一种计算管道阻力的常用方法，适用于两端是同一直径的水平、上升和下降的圆管。
其计算公式如下：ΔP=KρV^2/2其中，ΔP为压力损失，单位为帕斯卡(Pa)；K为公因数，其具体数值根据管道的条件可查表或参考标准值；ρ为流体的密度，单位为千克/立方米(kg/m^3)；V为流体的流速，单位为米/秒(m/s)。
3.长度加速度法长度加速度法适用于水平直管或上升/下降弯头的计算中。
其计算公式如下：ΔP=1/2ρv^2(fL+g)其中，ΔP为压力损失，单位为帕斯卡(Pa)；ρ为流体的密度，单位为千克/立方米(kg/m^3)；v为流体的流速，单位为米/秒(m/s)；f为管道长度与管径之比；L为管道长度，单位为米(m)；g为液体的头压。
4.简化法式对于实际工程中的一些简化计算，可以采用以下常见的简化公式：-窄圆管公式：ΔP=32μLV/D^2，其中μ为动力黏度；-多种流状态公式：ΔP=αρV^2/2，其中α为系数；-工程系数法式：ΔP=βρV^2/2，其中β为系数。
需要注意的是，以上列出的公式都是针对一些特定条件下的近似计算公式，实际计算中需要结合具体的工程情况和流体参数，选择合适的公式进行计算。
化工原理实验报告一流体阻力
图1. 管路阻力测定实验装置流程图
1-底阀 2-入口真空表 3-离心泵 4-出口压力表 5-充水阀 6-差压变送器 7-涡轮流量计 8-差压变送器 9-水箱
测定直管阻力所用管子的规格：1#~2#实验装置：直管内径为 27.1mm，直管管长1m。3#~8#实验装置：直管内径为35.75mm，直 管管长1m局部阻力的测定对象是两个阀门，一个闸阀，一个截止阀。
实验一、管路阻力的测定
一、实验目的1．学习直管阻力与局部阻力的测定方法。2．学习计算
并绘制直管摩擦系数与Re的关系曲线的方法。
3．学习确定局部阻力系数的方法。
二、实验原理;流体在管路中的流动阻力分为直管阻力和局部阻力两种。直管阻
力也称为表皮阻力，是流体流经一定管径的直管时，由于流体内摩擦而产生的阻力
将实验数据整理列于下表中
序 流 量 U 闸阀压 1 截止阀 2
号 m3/h m/s 差
压差
mmH2O
mmH2O
1 7.88 2.18 298 1.23 810 3.34 0.242 1108 4.57
平均值
1.34 平均值 8.55
以第一组数据为例，计算如下
根据公式（2），局部阻力系数
五、思考题1. 以水为工作流体所测得的关系能否适用于其他种类的牛
， （m）
(1)
局部阻力也称为形体阻力，是由于流体流经管路中的管件、阀门及管截
面的突然扩大或缩小等局部地方，由于边界层分离而产生旋涡所引起的
能量损失
， (m)
(2)
管路的总能量损失等于管路中所有以上两种阻力的加和
本实验所用的装置流程图如图1所示，实验装置由并联的两个支路
组成，一个支路用于测定直管阻力，另一个用于测定局部阻力。
流体力学第七章
扰动因素
对比 抗衡
v
粘性稳定
d
惯性力 vd Re 粘性力
利于稳定
圆管中恒定流动的流态转化仅取决于雷诺数，这是客观规律 用无量纲量表达的又一例证，也是粘性相似准则的实际应用。
圆管中恒定流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷 诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示 超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取 值范围。有实际意义的是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数的流 ReC 2320 动必为层流，有确定的取值，圆管定常流动取为
流动中流体所承受的阻力来自于流体质点间及流体和管壁间摩擦阻力，称为 沿程阻力。
l v2 h d 2g
称为沿程水头损失
2. 非均匀流动和局部损失hζ
在非均匀流动中，各流段所形成的阻力是各种各样的，但都集中在很 短的流段内，这种阻力称为局部阻力。
v2 h 2g
称为局部水头损失
§7-1 流动状态实验——雷诺实验
第七章 流体在管路中的流动
流动阻力和水头损失
层 流 与 紊 流 圆 管 中 的 层 流 运动 圆管中的紊流运动 局 部 水 头 损 失
实际流体具有粘性，单位重量的流体在运动过程中因克 服粘性阻力而耗损的机械能称为水头损失。为了使流体能维 持自身的运动，就必须从外界给流体输入一定的能量以补偿 水头损失。例如，为保证管路正常通水，就得通过水泵给水 管输入能量。因此，水头损失的研究具有重要的意义。
五. 紊流运动中的水头损失
影响的因素
f (Re, / r )
对Hale Waihona Puke 流64 Re对紊流
f (Re, / r )
§7-7
管中流动沿程阻力系数的确定
化工原理流体流动阻力讲义
即
M L M L -2 -1
jk ck abc3 jk q
根据因次一致性原则，上式等号两侧各基本量因次的指数必然
相等，所以
对于因次Ｍ j+k=1
对于因次θ -c-k=-2
对于因次 L a+b+c-3j-k+q =-1
返回
1这6里方程式只有3个，而未知数却有6个,自然不能联立解出
各未知数的数值。为此,只能把其中的三个表示为另三个的函数来 处理，设以 b、k、q 表示为a、c 及 j 的函数，则联解得:
de
4
ab 2(a b)
2ab ab
返回
说26明： （1）Re与hf中的直径用de计算；
hf
Re
l
de deu
u2 2
（2）层流时：
C
Re
正方形 C＝57 套管环隙 C＝96
（3）流速用实际流通面积计算 。
u Vs A
实际的流 通截面积
u
Vs
4
de2
返回
27
1.4.2 局部阻力
湍流流动下，局部阻力的计算方法有阻力系
数法和当量长度法
一、阻力系数法
将局部阻力表示为动能
u2 2
的一个倍数。
h'f
u2 2
J/kg
或
H
' f
u2 2g
J/N=m
ζ——局部阻力系数 ，无因次
返回
12.8 突然扩大
(1 A1 )2
A2
hf '
u12 2
0—1
u1 — 小管中的大速度
返回
229. 突然缩小
( A2 1)2
A0
h'f
M L M L -2 -1
jk ck abc3 jk q
根据因次一致性原则，上式等号两侧各基本量因次的指数必然
相等，所以
对于因次Ｍ j+k=1
对于因次θ -c-k=-2
对于因次 L a+b+c-3j-k+q =-1
返回
1这6里方程式只有3个，而未知数却有6个,自然不能联立解出
各未知数的数值。为此,只能把其中的三个表示为另三个的函数来 处理，设以 b、k、q 表示为a、c 及 j 的函数，则联解得:
de
4
ab 2(a b)
2ab ab
返回
说26明： （1）Re与hf中的直径用de计算；
hf
Re
l
de deu
u2 2
（2）层流时：
C
Re
正方形 C＝57 套管环隙 C＝96
（3）流速用实际流通面积计算 。
u Vs A
实际的流 通截面积
u
Vs
4
de2
返回
27
1.4.2 局部阻力
湍流流动下，局部阻力的计算方法有阻力系
数法和当量长度法
一、阻力系数法
将局部阻力表示为动能
u2 2
的一个倍数。
h'f
u2 2
J/kg
或
H
' f
u2 2g
J/N=m
ζ——局部阻力系数 ，无因次
返回
12.8 突然扩大
(1 A1 )2
A2
hf '
u12 2
0—1
u1 — 小管中的大速度
返回
229. 突然缩小
( A2 1)2
A0
h'f
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第三节 流体在管内的流动阻力 教学目的: 1. 了解流体阻力的来源 2. 掌握流体的黏度、流动类型，会利用雷诺数判断流体的流动类型。 3. 能计算流体的流动阻力 教学重点 流动类型的判断 教学难点 流动阻力的计算 课时安排 两课时 教学类型 新授课 教学过程: 【引言】在讨论伯努利方程应用时可以看到，只有给出了能量损失这项具有数值或指明忽略不计，才能用伯努利方程解决流体输送中的问题。因此，流体阻力的计算颇为重要。本届主要讨论流体阻力的来源，影响阻力的因素以及流体在管内的阻力计算。 【板书】第三节 流体在管内的流体阻力 一、流体阻力的来源 以水在管内流动为例，管内任一截面上各点的速度并不相同，中心处的速度最大，愈靠近管壁速度愈小，在管壁处水的质点附于管壁上，其速度为零。其它流体在管内流动时也有类似的规律。所以，流体在圆管内流动时，实际上是被分割成无数极薄的圆筒层，一层套着一层，各层以不同的速度向前运动，如图1—11所示。由于各层速度不同，层与层之间发生了相对运动。速度快的流体层对相邻的速度较慢的流体层产生了一个推动其向前进方向的力；同时，速度慢的流体层对速度快的流体层也作用一个大小相等、方向相反的力，从而阻碍较快流体层向前运动。这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力。它是流体粘性的表现，又称为粘滞力或粘性摩擦力。流体流动时的内摩擦，是流动阻力产生的依据，流体流动时必须克服内摩擦力而作功，从而流体的一部分机械能转变为热而损失掉。 【板书】二、流体的黏度 流体流动时产生内摩擦力的性质称为粘性，衡量流体念想大小的物理量称为动力粘度或绝对黏度，简称黏度。单位：泊 P 1PaS=10P 【讲解】所以粘度的物理意义是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。由上式可知，速度梯度最大之处剪应力亦最大，速度梯度为零之处剪应力亦为零。粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来。分析静止流体的规律时就不用考虑粘度这个因素。 粘度是流体物理性质之一，其值由实验测定。液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升高而增大。压强变化时，液体的粘度基本不变；气体的粘度随压强增加而增加得很少，在一般工程计算中可以忽略，只有在极高或极低的压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。 在工业生产中唱遇到各种流体混合物，在缺乏实验数据时，克参阅有关资料以选用适当的经验公式进行计算。 【板书】三、流体的流动类型 【讲解】在讨论流体阻力产生的原因及影响因素时知道，流体的阻力与流体的流动状态有关。下面讨论流体的流动类型和如何判断流动类型。 【板书】1.两种流体类型——层流和湍流 【讲解】为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响,可安排实验称为雷若实验.在水箱内装有溢流装置,以维持水位恒定.箱的底部接一段直径相同的水平玻璃管,管出口处有阀门以调节流量.水箱上方装有带颜色液体的小瓶1,有色液体可经过细管注入玻璃管内.在水流经玻璃管过程中,同时把有色液体送到玻璃管入口以后的管中心位置上. 实验时可以观察到,当玻璃管里水流的速度不大时,从细管引到水流中心的有色液体成一直线平稳的流过整根玻璃管,与玻璃管里的水并不相混杂。这种现象表明玻璃管内的水的质点是沿着与管轴平行的方向作直线运动.若把水流速度逐渐提高到一定数值,有色液体的细线开始出现波浪行,速度再增,细线便完全消失,有色液体流出细管后随即散开,与水完全混和在一起,使整根玻璃管中的水呈现均匀的颜色,这种现象表明,水的质点除了沿管道相前运动外,各质点还作不规则的杂乱运动,且彼此相互碰撞并混合.质点速度的大小和方向随时发生变化. 这个实验显示出流体流动的两种截然不同的类型. 【板书】湍流和紊流 【讲解】若用不同的管径和不同的流体分别进行实验,从实验中发现,不仅流速u能引起流动状况改变,而且管径d,流体的粘度μ和密度ρ也都能引起流动状况的改变.足见,流体的流动状况是由多方面决定的.通过进一步分析研究,可以把这些影响因素组合成为
du的形式. du
称为雷若准数或雷若数,以Re表示.这样就可以根据准数的数值来分析流动状态. 【板书】2.流动类型的判断——雷诺数
以Re表示 Re=du 【讲解】雷诺数是一个没有单位的纯数值，称为特征数。在计算特征数时，必须采用同一单位制下的单位，无论采用哪些单位制，只要式中各物理量的单位一致，所算出来的数值都相等。实验证明,流体在直管内流动时,当Re≤2000时,流体流动类型属于滞流;当Re≥4000时,流动类型属于紊流;而当Re值在2000~4000的范围内,可能是滞流,也可能是紊流,若受外界条件的影响,如管道直径或方向的改变,外界的轻微的振荡,都易促成紊流的发生,所以将这一范围称为不稳定的过渡区.在生产操作条件下,常将Re>3000的情况按紊流考虑. [例1-16] 20℃得水在内径为50mm得管内流动,流速为2m/s.试分别用法定单位制和物理单位制计算准数得数值. 解:(1)用法定单位制计算 从本教材附录六查得水在20℃时
3/2.998mkg sPa.10*005.13
已知:管径d=0.05m,流速u=2m/s,则
Re=9932010*005.12.998*2*05.03du (2)用物理单位制计算 23/9982.0/2.998cmgmkg ).(10*005.11001000*10*005.1.10*005.1233scmgPsPa u=2m/s=200cm/s, d=5cm 所以 Re=99320 由此例可见,无论采用何种单位制来计算,Re值都相等. 【讲解】滞流与湍流的区分不仅在于各有不同的Re值，更重要的是它们有本质区别。 【板书】四、流体在圆管内流动时的速率分布 【讲解】流体在管内作滞流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。由于质点碰撞而产生的附加阻力较由粘性所产生的阻力大得多，所以碰撞将使流体前进阻力急剧加大。 管道截面上某一固定的流体质点在沿管轴向前运动的同时，还有径向运动，而径向速度的大小和方向是不断变化的，从而引起轴向速度的大小和方向也随时变化。即在湍流中，流体质点的不规则运动，构成质点在主运动之外还有附加的脉动。质点的脉动是湍流运动的最基本特点。无论是滞流或湍流，在管道任意截面上，流体质点的速度沿管径而变化，管壁处速度为零，离开管壁以后速度渐增，到管中心处速度最大。速度在管道截面上的分布规律因流型而异。既然湍流时管壁处的速度也等于零，则靠近管壁的流体仍作滞流流动，这一作滞流流动向流体薄层，称为滞流内层或滞流底层。自滞流内层往管中心推移，速度逐渐增大，出现了既非滞流流动亦非完全湍流流动的区域。这区域称为缓冲层或过渡层。再往中心才是湍流拦体。滞流内层的厚度随Re值的增加而减小。滞流内层的存在，对传热与传质过程都有重大影响，这方面的问题，将在后面有关章节中讨论。 【板书】五、流动阻力的计算 【讲解】流体在直管内流动时，由于流型不同，流动阻力所遵循的规律亦不相同。滞流时，流动阻力来自流体本身所具有的粘性而引起的内摩擦。对牛顿型流体，内摩擦应力的大小服从牛顿粘性定律。而湍流时，流动阻力除来自于流体的粘性而引起的内摩擦外，还由于流体内部充满了大大小小的旋涡。流体质点的不规则迁移、脉动和碰撞，使得流体质点间的动量交换非常剧烈，产生了前已述及的附加阻力。这阻力又称为湍流切应力，简称为湍流应力。所以湍流中的总摩擦应力等于粘性摩擦应力与湍流应力之和。 【板书】1.直管阻力的计算 1）圆形直管 【讲解】流体在圆形直管内流动时的损失能量用范宁公式计算
【板书】 hf =22udl ①用公式计算 【讲解】湍流时，由于流体质点运动的复杂性，目前还不能完全用理论分析得到入的计算式，而是通过实验研究，获得一些半理论、半经验的公式，可参考有关资料，选用合适的公式计算。 【板书】②查 关系图 【讲解】通过实验，将 与 的关系标绘在双对数坐标纸上，为了应用方便，按管子的材料，将管子大致分为光滑分为光滑管和粗糙管两类，通常把玻璃管、铜管、铅管、塑料管等列为光滑管，把钢管、铸铁管、水泥管等列为粗糙管。 【板书】a.层流时 【讲解】流体做层流流动时，管壁上凹凸的地方都被有规则的流体层所覆盖，流体质点对管壁凸出的部分不会发生碰撞，所以，摩擦系数与管壁粗糙度无关，只与 有关，因此，不论是光滑管和粗糙管， 值均与根据 由图中a线查取，表达着一直线的方程。 【板书】b.湍流时 【讲解】流体做湍流流动时， 不但与 有关，还与管壁粗糙度有关。对于光滑管， 值可根据 从图中b线查取。对于粗糙管 值可根据 从图中 线查取。 【板书】c.过渡区 【讲解】过渡区内的流型不稳定，对于阻力计算，考虑到留有余地， 值可按湍流曲线的延伸线查取。 【板书】2）非圆形直管 【讲解】当流体流经非圆形管时，流体阻力然可用上式，此外有些研究表明，当量直径用于湍流情况下的阻力计算，才比较可靠，而且用于矩形管时，其截面的长宽之比不能超过3:1，用于唤醒截面时，其可靠性就较差。若层流时应用当量直径计算阻力的误差就更大，当必须采用当量直径计算阻力时，还需要对层流时摩擦系数的计算式进行修正。 【板书】2.局部阻力的计算 【讲解】流体在管路的进口,出口,弯头,阀门,扩大,缩小等局部位置流过时,其流速大小和方向都发生了变化,且流体受到干扰或冲击,使涡流现象加剧而消耗能量.由实验测知,流体即使在直管中为滞流流动,但流过管件或阀门时也容易变为紊流.在紊流情况下,为克服局部阻力所引起的能量损失有两种计算方法. 【板书】1）阻力系数法 【讲解】流体克服局部阻力所引起的能量损失,也可以表示成动能的一个函数,即 【板书】
【板书】2）当量长度法 【讲解】流体流经管路,阀门等局部地区所引起的能量损失称为管件或阀门的当量长度,其单位为m,表示流体流过某一管件或阀门的当量长度可从图1-29的共线图查得.先于图左侧的垂直线上找到与所求管件或阀门相应的点,再从图右侧的标尺上定出与管内径相当的一点,两点连一直线与图中间的标尺相交,交点在标尺上的读数就是所求的当量长度. 有时用管道直径的倍数来表示局部阻力的当量长度,如对直径为9.5到63.5mm的90°弯头,le/d的值约为30,由此对一定直径的弯头,即可求出其相应的当量长度. le/d值由实验测出,各管件的le/d值可以从化工手册查得. 管件,阀门等构造细节与加工精度往往差别很大,从手册中查得的le或 值只是约略值,即局部阻力的计算也只是一种估算. 【板书】3.管路系统中的总能量损失 【讲解】管路系统中的总能量损失常称为总阻力损失,是管路上全部直管阻力与局部阻力之和.这些阻力可以分别用有关公式进行计算.对于流体流经直径不变的管路时,如果把局部阻力都按当量长度的概念来表示,则管路的总能量损失为 【板书】