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《实验——流体流动阻力测定实验报告》.doc
6.2 圆管紊流的沿程损失
1. 圆管层流的沿程损失
内径为,长度为的圆管,在层流状态下的压力损失为
如果换算成水头高度损失则有
(6.2.1)
式中,称圆管层流沿程阻力或摩擦阻力系数,它仅由决定即。对于圆管紊流而言,一般认为的表达式形式与式(6.2-1)是相同的。不同在于沿程阻力系数要复杂的多。通常认为(为管壁绝对粗糙度,为圆管半径)。这样对于圆管紊流,沿程式可表示为
(6.2-2)
式中 u—圆管中平均流速。
l—圆管长度。
d—直径,。
—雷诺数。
—管壁绝对粗糙度。
通常由实验确定。前人作了大量的研究,主要结论如下
2. 卡门-普朗特(Karman-Prandtl)公式
光滑管 (6.2-3)
粗糙管 (6.2-4)
上两式有一定理论基础,又有实验资料确定系数,比较精确,缺点是计算不方便。
3. 布拉休斯(Blasins)公式
) (6.2-5)
(6.2-6)
4. 莫迪(Moody)图
上述公式计算的数繁琐,1940年美国普林斯登的莫迪(L.F.Moody)对工业用管作了大量实验,绘制出了与Re及的关系图(图6-2)供实际计算使用,简便而准确,并经过许多实际验算,符合实际情况。因而莫迪图应用广泛。
图 6-2 莫迪图
5. 非圆管的紊流阻力
对于非圆管中的紊流时的阻力,其计算方法是将非圆管折算成圆管计算。根据水力半径和圆管几何直径d的关系,则有
(6.2-7)
式中 —非圆管的水力半径,,为湿周长度,A为过流面积。
—阻力系数,,Re为非圆管雷诺数。
在工程上,通常根据Chery公式计算水头损失。所谓Chery公式就是式(6.2-7)的变形
(6.2-8)
式中 k—常数,,称Chezy系数,可从有关手册或资料中查取。
例1.长度m,内径mm的镀锌钢管,用以输送运动粘度m2/s(即cSt)的油液,测得流量L/s。确定沿程损失?
解:(1)确定流速及流态
管中流速为
(m/s)
雷诺数Re为
故可判定管中流态为紊流
(2)根据Re选择并计算沿程损失
由于,故沿程损失系数为
沿程损失为
(m油柱)
例2.长度m,内径mm的新铸铁管(绝对粗糙度mm),用以输出重度N/m3的油液(m/s2),测得重量流量N/h。设冬季油液运动粘度m2/s,夏季运动粘度 m2/s,试确定冬夏季中的输油管的水头损失?
解:(1)将流量规范化并判定两季中的流态
流量 (m3/s)
流速 (m/s)
冬季时
夏季时
(2)计算水头损失
冬季时为层流,按层流沿程损失公式,则有
(m油柱)
夏季时流动为紊流,根据及,利用莫迪图可确定,则有
(m油柱)
6.3 管流局部损失
1.局部阻力损失
输送流体的管道不是只由等断面的直管组成,为控制流体分流和控制流量和流动方向,管路上要装置很多弯头,三通,阀门等管道辅件及控制件。流体在流经过这些器件时,或流速变化,或流向变化,或兼而有之,从而干扰了流体的正常运动,产生撞击,分离脱流,漩涡等现象,带来附加阻力,增加了能量损失。由于这类流体的运动比较复杂,影响因素较多,除少数几种可作一定的理论分析之外,一般都依靠实验方法求得实用局部阻力系数。
局部阻力损失可分为两类,一类是由于过流断面变化(包括断面收缩和扩大)引起得局部损失;另一类是流动方向的变化(如弯头)引起的局部损失。这里仅介绍几种常见的局部阻力系数,其余可查相关手册,不再罗列。
(1)管径突然扩大或缩小时的局部阻力系数
过流断面突然变化有两种:即突然扩大或突然缩小(图6-3和图6-4),突然扩大或缩小时的水头损失公式在形式上是一致的,即
(6.3-1)
式中 —局部阻力系数,对于突扩或突缩值不同。
—流过突变处的流体在下游管中流速。
对于突然扩大管流,式(6.3-1)可根据Bernulli方程导出。参看图6-3,取管径轴线作为位置势能的基准面(零位)。按Bernulli方程,则有
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