流体流动过程中能量损失与管道计算.
流体在管道中对流动规律——流动能量损失的确定.
流体在管道中对流动规律——流动能量损失的确定流体流动时会产生能量损失，只有知道流体流动过程的能量损失，才能用柏努利方程解决流体输送中的实际问题。
流体流动过程的能量损失一般简称为流体阻力。
一、流体阻力的产生原因1．黏度理想流体在流动时不会产生流体阻力，因为理想流体是没有黏性的，实际流体流动时会产生流体阻力，是因为实际流体有黏性。
流体的黏性是流体流动时产生能力损失的根本原因，而流体层与层之间、流体和壁面之间的相对运动是产生内磨擦阻力，引起能量损失的必要条件。
流体黏性的大小用黏度来表示，其数值越大，在同样的流动条件下，流体阻力就会越大。
流体黏度的定义为：两层流体之间单位面积上的内磨擦与速度梯度为之比，用符号μ表示，其单位是：Pa ·s液体的黏度随温度升高减小，气体的黏度则随温度升高而增大。
压力变化时，液体的黏度基本不变；气体的黏度随压力的增加而增加得很少，在一般工程计算中可忽略，只有在极高或极低的压力下，才需要考虑压力对气体黏度的影响。
某些常用流体的黏度，可以从有关手册中查得。
流体流动时产生的能量损失除了与流体的黏性、流动距离有关外，还取决于管内流体的流速等因素。
流速对能量损失的影响与流体在流道内的流动形态有关。
2．流体的流动型态1883年著名的科学家雷诺用实验揭示了流体流动的两种截然不同的流动型态。
实验装置：图1-36，在1个透明的水箱内，水面下部安装1根带有喇叭形进口的玻璃管，管的下游装有阀门以便调节管内水的流速。
水箱的液面依靠控制进水管的进水和水箱上部的溢流管出水维持不变。
喇叭形进口处中心有一针形小管，有色液体由针管流出，有色液体的密度与水的密度几乎相同。
实验现象：①当玻璃管内水的流速较小时,管中心有色液体不扩散，呈现一根平稳的细线流,沿玻璃管的轴线向前流动（如图1-36(a）所示）。
②随着水的流速增大至某个值后，有色液体的细线开始抖动，弯曲，呈现波浪形（如图1-36（b）所示）。
③速度增大到一定程度后，有色液体的细线扩散，使管内水的颜色均匀一致（如图1-36（c ）所示）。
管道阻力损失计算公式
管道阻力损失计算公式
管道阻力损失是流体在管道中经历的机械能损失，由其内的摩擦力，压力损失和间断损失组成。
管道阻力损失的计算公式是：
ΔP = L × 0.109 × (V²/ D4) × (f / 2g)
ΔP：管道阻力损失，单位是KPa；
L：管道总长度，单位是m；
V：流体流速，单位是m/s；
D：管道内径，单位是m；
f：管道内摩擦系数；
2g：重力加速度，一般把2g定为9.8。
管道阻力损失计算公式可以帮助我们计算管道中流体的机械能损失，从而更好地控制管道的设计和运行。
管道阻力损失的计算公式可以用于计算水管、汽油管、空气管、蒸汽管等各种流体的阻力损失。
例如，可以用来计算水管中水流的阻力损失，计算公式如下：
ΔP = L × 0.109 × (V²/ D4) × (0.02 / 2g)
ΔP：管道阻力损失，单位是KPa；
L：管道总长度，单位是m；
V：水流流速，单位是m/s；
D：管道内径，单位是m；
0.02：水流的摩擦系数；
2g：重力加速度，一般把2g定为9.8。
通过计算管道的阻力损失，我们可以更好地控制管道的运行，从而更有效地利用管道的资源。
管道阻力损失的计算公式实际上是一种能量守恒定律，它也可以用于分析水力学系统中流体的流动特性，从而发现和解决流体流动中的问题。
总之，管道阻力损失计算公式是一个非常有用的工具，可以帮助我们计算管道中流体的机械能损失，更好地控制管道的设计和运行。
4流体力学第三章流动阻力与能量损失
2
32 L hf v 2 d
Re d 2 g
64 ，可知： Re
上式说明：圆管层流沿程阻力系数λ只与Re有 关，与管壁粗糙度无关。
第五节 圆管中的紊流运动
讨论管中紊流运动的基本特征及沿程损失规律. 一、紊流脉动与时均化 ㈠脉动现象 如图3-7。相互掺混，互相 碰撞。 ★在紊流中，某流体质点 的瞬时速度和压强始终围 绕某一平均值而上下波动 的现象—脉动现象。
㈡时均化
紊流运动要素围绕它上下波动的平均值称为时均值。 时均速度的定义：
u x AT u x Adt
0
T
1 T u x u x dt T 0
瞬时速度
(3-20)
' x
ux ux u
二、紊流阻力
由两部分组成： ①流体各层因时均流速不同而存在相对运动，故 流层间产生因粘滞性所引起的摩擦阻力。 粘性切应力τ1按牛顿内摩擦定律计算。 ②由于脉动现象，流层间质点的动量交换形成的 紊流附加切应力τ2。 其大小由普朗特的混合长度理论计算。见式 (3-21)。 Re较小时，τ1为主要； Re足够大时,τ2为主要。
第八节
局部损失的计算与减阻措施
一、局部损失产生的原因
主要讨论紊流的局部损失。
pj
2
(3-3)
(3-4)
v2
2
第二节 两种流态与雷诺数
雷诺发明两种流动状态，沿程损失与流态密切相关。 一、雷诺试验 见视频。
层流—各流层的流体质点互不混 杂的流动型态。 紊流—各流体质点的瞬时速度大小 方向随时间而变，各流层质点互相 掺混的流动型态。
层流与紊流的转变
层流紊流有过 渡区（不稳定 区），实用上把 下 临 界 流 速 vk 作 为流态转变速度。
流体力学泵与风机——流动型态与能量损失
δ＞管壁表面凸凹不平的平均值（绝对粗糙度）称为水力光滑管。 δ＜管壁表面凸凹不平的平均值（绝对粗糙度）称为水力粗糙管。
层流底层中的速度是按直线规律分 布的，在紊流的核心区速度是按对 数规律分布的，在核心区速度分布 的特点是速度梯度较小，速度比较 均匀，这是由于紊流时质点脉动掺 混，动量交换强烈的结果。
串联
并联
复杂管道
枝状
网状
第四章
串联管道
通过串联管道各管 段中的流量相等
串联管道的总能量损失是各 段管道中的能量损失之和
水力计算
并联管道
总流量应等于各支管流量之和 各并联支管的能量损失都相同
并联管路流量不均的问题及解决
水力计算
缩短屏式过热器外圈管路，减小流动阻力使管内 流过的蒸汽量增加
水力计算
水击现象
第四章
用旧钢管做沿程能头损失试验，已知管径d＝1.5cm，水 温t＝10℃(运动黏滞系数ν＝0.0131cm²／s)，通过流量qv ＝0.02L／s,问管道中的水流呈什么流态?沿程阻力系数λ 为多少?
➢ 答案:解：管中平均流速 ➢ 则管中雷诺数为
v＝
4qV
d 2
＝
4×0.02×103 3.14×1.52
➢ 水击：在压力管路中，由于液体流速的急剧变
化，从而造成管中液体的压力显著、反复、迅速 的变化，对管道有一种“锤击”的特征，称这种 现象为水击。(或叫水锤。) ➢ 水击危害 ➢ 水击传播过程 ➢ 水击类型 ➢ 防止措施
第四章
水击危害
➢ 1、影响管道系统的正常流动和水泵的正 常运转
流体流动在管道中的能量损失分析
流体流动在管道中的能量损失分析管道是流体能量传递和流动的重要通道。
在流体流动过程中，由于管道内部和外部的各种因素的影响，会出现能量损失现象。
了解和分析管道中的能量损失对于优化管道系统设计以及提高流体传输效率具有重要意义。
本文将对流体流动在管道中的能量损失进行分析和讨论。
1. 管道摩阻损失管道内部的摩阻是流体流动中主要的能量损失来源。
摩阻损失是由于流体与管道壁面以及流体分子之间的相互作用而导致的。
在实际应用中，一般使用阻力系数来表示管道的摩阻损失。
常见的阻力系数有雷诺数、摩阻系数等。
2. 管道展向损失管道的展向变化也会导致能量损失。
展向变化会引起流体的速度变化和压力变化，从而引起能量的损失。
一般情况下，展向变化越大，能量损失越大。
常见的展向损失形式有管子的扩流和缩流。
3. 管道弯头损失管道中的弯头会引起流体流动方向的改变，从而引起能量损失。
弯头会造成流体分离、涡旋和摩擦，从而引起能量转化和能量损失。
弯头损失一般用弯头阻力系数来表示。
4. 管道阻塞损失管道中可能出现各种类型的阻塞物，如沉积物、腐蚀产物等。
这些阻塞物会导致管道中的截面积减小，从而引起压力降低和能量损失。
阻塞损失与阻塞物的形状、粘度、密度等有关。
5. 管道分歧损失管道中的分歧会导致流体流动方向改变和速度分布不均匀，从而引起能量损失。
对于分歧损失的分析和计算，需要考虑分歧的形状、角度、大小等因素。
6. 管道壁面摩擦损失流体在管道内部流动时，与管道壁面之间存在摩擦力。
摩擦力会消耗流体的能量，从而引起能量损失。
管道壁面摩擦损失与管道的表面粗糙度、流体的黏度等因素相关。
综上所述，管道中的能量损失是由多个因素共同作用而产生的。
了解和分析这些能量损失的来源和特点，对于优化管道系统设计、提高流体传输效率具有重要意义。
在实际应用中，通过合理选择管道材料、减小展向变化、优化管道弯头设计等方式，可以有效减少能量损失，提高管道系统的性能。
流动过程中的能量转换及损失分析
流动过程中的能量转换及损失分析在湖泊、海洋或河流等水体中，水会不断流动，形成流动过程。
在流动过程中，能量的转换和损失是一个重要的物理现象。
本文将围绕着流动过程中的能量转换和能量损失展开讨论。
首先，流体动能是流动过程中的重要能量形式之一。
当水体流动时，其具有一定的速度和质量。
根据动能的定义，动能等于质量乘以速度的平方的一半。
因此，流动水体的动能与其质量和速度密切相关。
在流动过程中，水体的动能主要通过两种方式转换为其他形式的能量：一是机械能转换，即将动能转化为水体所经过物体的位移能和压缩能；二是热能转换，即将动能转化为水体与周围环境的热量。
机械能转换主要发生在水体撞击物体或通过水力发电站的过程中，而热能转换则主要发生在湖泊、海洋或河流的表面和底层之间的热交换过程中。
在流动过程中，能量的转换往往伴随着一定的损失。
能量损失主要由以下几个因素引起：1. 摩擦损失：当水体流经河道或管道等表面时，会与表面发生摩擦，从而产生摩擦力。
摩擦力将部分水体的动能转化为表面的热能，导致能量损失。
2. 湍流损失：在流动过程中，如果流体速度发生变化或流动方向发生改变，就会形成湍流。
湍流的产生引起了能量的大量耗散，使得流体的动能转化为热能，造成能量损失。
3. 粘滞性损失：流体的粘滞性使得流体内部分子之间存在相互作用力，从而引起能量的损失。
粘滞性损失主要发生在高粘度流体或流速较慢的情况下。
4. 涡旋损失：在流动过程中，水体中常常会形成涡旋。
涡旋的产生导致能量的耗散，使得水体的动能转化为热能，引起能量损失。
总之，流动过程中的能量转换和损失是一个复杂的物理过程。
在实际应用中，我们需要了解并控制这些能量转换和损失的过程，以优化流体运动的效率。
例如，在水利工程中，通过改变导流方式、减少摩擦和涡旋等措施，可以降低能量损失，提高水力发电效率。
在环境保护领域，了解水体流动过程中的能量转换和损失对于水质评估和水生态保护也具有重要意义。
综上所述，流动过程中的能量转换和损失是一个重要的物理现象。
流体力学流动效率计算公式
流体力学流动效率计算公式流体力学是研究流体在运动中的力学性质和规律的一门学科。
在工程领域中，流体力学的研究对于设计和优化流体系统具有重要意义。
流动效率是评价流体系统性能的重要指标之一，它反映了流体在管道或设备中的运动效果和能量损失情况。
在工程实践中，我们常常需要计算流动效率来评估流体系统的性能，并根据计算结果进行优化设计。
本文将介绍流体力学流动效率的计算公式及其应用。
1. 流动效率的定义。
流动效率是指流体在管道或设备中的运动效果和能量损失情况。
在实际工程中，流动效率通常用流动的能量损失与输入的能量之比来表示，即流动效率=输出能量/输入能量。
流动效率的计算可以帮助工程师了解流体系统的性能状况，找出能量损失的原因，并进行优化设计。
2. 流动效率的计算公式。
流动效率的计算公式可以根据具体的流体系统和流动情况来确定。
一般来说，流动效率的计算公式可以分为两种情况，定常流动和非定常流动。
（1）定常流动情况下的流动效率计算公式。
在定常流动情况下，流动效率可以用流体在管道或设备中的能量损失与输入的能量之比来表示。
假设流体在管道中的能量损失为ΔP，输入的能量为P，那么流动效率η可以表示为：η = (P-ΔP)/P。
其中，ΔP为流体在管道中的能量损失，P为输入的能量。
（2）非定常流动情况下的流动效率计算公式。
在非定常流动情况下，流动效率的计算相对复杂一些。
一般来说，可以利用流体动力学方程和能量守恒方程来进行计算。
非定常流动情况下的流动效率计算公式可以表示为：η = (W-ΔW)/W。
其中，W为输入的能量，ΔW为流体在管道中的能量损失。
3. 流动效率的应用。
流动效率的计算可以帮助工程师评估流体系统的性能，找出能量损失的原因，并进行优化设计。
在实际工程中，流动效率的应用非常广泛，下面以几个具体的应用场景来介绍流动效率的应用。
（1）管道流动效率的计算。
在管道流动中，流动效率的计算可以帮助工程师了解管道中的能量损失情况，找出能量损失的原因，并进行管道的优化设计。
流体力学第5章管流损失和阻力计算
除了流体与管壁之间的摩擦外，流体内部的粘性、湍流等也会导致能量损失。 例如，湍流会使流体的流动变得不规则，增加流体之间的相互碰撞和摩擦，从 而产生更多的能量损失。
损失和阻力的影响
01
能量消耗
管流损失和阻力会导致流体在 流动过程中能量不断损失，这 需要额外提供能量来克服这些 损失，如泵或风机的能耗会增 加。
02 系统效率
管路中的损失和阻力会降低整 个系统的效率，使得系统需要 更多的输入能量才能达到预期 的输出效果。
03
设备选型
04
在进行设备选型时，需要考虑管 路中的损失和阻力，以确保所选 设备能够满足实际需求。例如， 在选择泵时，需要考虑到管路中 的损失和阻力，以确保泵能够提 供足够的扬程和流量。
安全风险
理论发展
实验结果可为流体力学理论的发展提 供实证支持，进一步完善管流损失和 阻力的计算模型。
THANKS
感谢观看
过大的管流损失和阻力可能会导 致流体流动受阻，甚至产生流体 过热、压力过高等问题，这可能 对设备和人员安全造成威胁。因 此，需要进行合理的设计和操作 ，以避免这些问题的发生。
02
管流损失的计算
局部损失计算
局部损失是由于流体在管道中 流动时，遇到突然扩大、缩小、 弯曲等局部障碍而产生的能量 损失。
控制流体流速和压力
降低流体流速
01
适当降低流体在管路中的流速，可以减小流体流动的阻力，从
而降低管流损失。
控制流体压力
02
合理控制流体在管路中的压力，避免过高的压力导致流体流动
阻力的增加。
使用减压阀和稳压阀
03
在管路中安装减压阀和稳压阀，可以稳定流体压力，减小流体
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4
( D1 D2 )
2 ，而不是 ( D D2 )
1 2
4
Q ( D1 D2 )
2
(m / s)
1.4.2 沿程能量损失
l v2 hl d 2 • 式中 hl----沿程能量损失， N / m2或J / m3 ；
l -----管长，m；
1 2 v -----气体的动压头，N / m2 ； 2
d ----管径，对非圆形管道取当量直径de，m；
----沿程阻力系数（或摩擦系数）。
（1）在层流流态下，紊流流态下沿程阻力系数
A ＝ n Re
光滑的金属管道：A=0.32 n=0.25 表面粗糙的金属管道：A=0.129 n=0.12 砖砌管道：A=0.175 n=0.12 在一般工程计算时， 值可近似选取。
RH
因此，水力半径反映了管道或设备的集合因素对流动状态，也就 是对阻力大小的影响。 对于圆形管道，
F
D2
4
D2
, D
于是
RH
F D 4 D 4
即圆管直径为水力半径的4倍，对于非圆形管道或设备，也取水力 半径的4倍表示其尺寸，即取当量直径： De=4RH
层流、湍流示意图：
1.4.1.2 雷诺准数 （1）雷诺准数： Re D
式中
D：管道直径；
v：流速；
ρ ：流体密度；
µ：动力粘度。
（2）雷诺准数的物理意义：表示作用于流体上的惯性 力与粘性力之比（相对大小）。
对于在平直的圆管中流动的流体： Re≤2320：流态属层流 Re≥4000：流态属湍流 2320<Re <4000：流态是不稳定的，可能是层流，也可能 是湍流，而且极容易从一种流态转变为另一种流态，所以 称过渡流。
•
流体都是在管道或渠道中输送的。根据产生阻力的部位不同，把
阻力分为沿程阻力和局部阻力两类。
• 沿程阻力:产生于整个流动路程上，由于流体的粘性和流体质点之间 的互相碰撞而产生的阻力；
• 局部阻力：产生于管道中的管件，阀件，出入口等处，是由于这些
局部位置所造成的对流动的障碍或干扰而产生的附加阻力。
•
沿程阻力用沿程压头损失hL表示，局部阻力用局部压头 损失hM表示。单位为米流体柱或帕。因此，柏努利方程中的
它与相同数值的圆管直径D对流动状况产生相同的影响，对于圆管De=D。
对于长度a、宽度b的矩形截面的管道，
De 4 ab 2ab 2(a b) a b
对于内径为D1的管道里套着一根外径为D2 的圆管两者
之间的环形通道：
De 4 4
2 ( D12 D2 )
( D1 D2 )
前一种情况说明流体运 动时，流体的质点成为互不 干扰的细流前进，各股流互 相平行，层次分明。流体的 这种流态是层流。 后一种情况说明流体流 动时，出现一种紊乱态。流 体各质点作不规则的运动。 液流内各股细流相互更换位 置，流体质点有轴向和横向 运动，互相撞击产生湍动和 旋涡，这种流态叫湍流或称 紊流。
压头损失项
hW hL hM 米流体柱（或帕）
• 实际流体在流动过程中才会产生流动阻力，为了克服该 阻力才有阻力损失，因此，在工程上常将能量损失表示为动
能的某一倍数，这一倍数称为阻力系数。
1.4.1 流态和雷诺试验
1.4.1.1雷诺试验 在一般流动过程中，由于流体流动速 度不同，流体质点的运动可能处于两种完 全不同的状态。一种是流体质点互不干扰 而有规则的层流运动。而另一种则是流体 质点速度存在脉动的湍流流动。层流中， 流体质点沿其轨迹层次分明地向前运动， 其轨迹是一些平滑的随时间变化较慢的曲 线。湍流中流体质点的轨迹杂乱无章，互 相交错，而且迅速地变化，流体微团(或称 涡体)在顺流向运动的同时，还作横向、垂 向和局部逆向运动，也与它周围的流体发 生混掺。那么流体质点在什么情况下发生 层流流动，什么情况下发生湍流流动，什 么情况下发生从层流向湍流过渡呢？在讨 论这个问题之前，现看一下雷诺试验：
试验时首先稍微开启阀门K ，流 体便开始缓慢的由水箱G中流出。然 后将细管上的阀门P稍微开启，则有 有色液体从T1管流入玻璃管T中，在 T管中形成一条直线，且很稳定。随 后如果将阀门K再稍微开大一些，则 玻璃管中流体的流速随之增大，但是 上述现象任然不变，染色流束仍将保 持稳定流态。也就是说当玻璃管内的 流速较低时，从细管注入的颜色液体 能成为单独的一股细流前进，同玻璃 内的水不相混杂。 但当K开启到一定程度时，也就 是当玻璃管内的流速较高时，从细管 注入的那股带颜色的细流马上消失在 水中，同水混杂起来。
光滑的金属管道： ＝0.02～0.025；
一般氧化的金属管道： ＝0.035～0.04； 有锈的金属管道： ＝0.045；
砖砌管道： ＝0.05～0.06。
1.4.3局部能量损失
当流体经管道上的管件、阀门及出入口等处流过时 由于流体流向和速度大小的改变，以及产生旋涡等原因， 产生比同样长度的直管大得多的阻力，这种由于在局部地 方流动受到障碍和干扰而产生的附加阻力叫局部阻力。必 须注意到，干扰的因素虽然只是产生于局部地方，但其影 响在下游较长一段距离内却没有消失。
1.4.1.3 水力半径和当量直径
在生产上常常会遇到非圆形管，例如有些气体的 管道是矩形的，有些是环形的。对于非圆形管道内流 体的流动，必须找到一个和直径相当的量来计算Re值 以及阻力大小，即要用当量直径De来代替圆形管道的 直径D。
当量直径可通过水力半径RH求出。水力半径的定 义是：与流动方向相垂直的截面积F与被流体所浸润 的周边长度Π 之比，即 F
1.4 流体流动过程中 能量损失与管道计算
•
实际流体由于具有粘性，在流动时就产生阻力。对于不可压缩流 体来说，这种阻力使流体的一部分机械能，不可逆地转化为热能而损 失到环境中去。这部分能量便不再参加流体动力学过程，称之为能量 损失。单位重量（单位体积）流体的能量损失，称为水头损失（压头 损失）并以hw(或△p)表示。
D1 D2
必须着重指出，当量直径只是用来代替圆管的直径D， 以表明管道的几何因素对某些流体力学现象有相同的影响。 它不应该代替圆管的直径去计算不属于这个范围的物理量， 例如截面积、流速、流量等。例如上述的环形管道的截面 积是 时，流速应是
而不是 2 2
4 ( D1 D2 )
4
；其间的流量是 2 Q m3/s