《流体力学》第四章 流动阻力和能量损失4.8-4.9

第八节管道流动的局部损失流体流过某些配件时,由于边壁或流量的改变,均匀流在这一局部地区遭到破坏,引起了流速的大小,方向或分布的变化.由此产生的能量损失,称为局部损失。局部损失在某些工程的管道损失中占有很大比重。局部损失种类繁多，情况复杂，其损失计算还不能从理论上解决。要使局部阻碍处受边壁强烈干扰的流动仍能保持层流，只有当Re远小于2000才有可能。因此，以紊流的局部损失讨论为主。局部损失的计算公式为：实验研究表明：局部损失和沿程损失一样，不同的流态遵循不同的规律。如果流体以层流经过局部阻碍，而且受干扰后仍能保持层流的话,局部阻力系数为：22mvhgz=ReBz=ζ：局部阻力系数局部阻碍的种类很多，但按其流动特性来分，主要是过流断面的扩大或收缩、流动方向的改变、流量的合入与分出三种基本形式以及这几种形式的不同组合。(d)(b)(a)(c)图4-17几种典型的局部阻碍涡旋区内不断产生着涡旋,其能量来自主流,不断消耗主流的能量.在涡旋区及其附近,,过流断面上的速度梯度加大,使主流能量损失有所增加.在涡旋被不断带走并扩散的过程中,加剧了下游一定范围内的紊流脉动,从而加大了这段管长的能量损失。在局部阻碍范围损失的能量，只占局部损失中的一部分，另一部分是在局部阻碍下游一定长度的管段上损耗掉的，这段长度称为局部阻碍的影响长度。大量实验研究表明紊流的局部阻力系数取决于：局部阻碍的的几何形状固体壁面的相对粗糙度雷诺数其中，起主导作用的是：相对粗糙的影响Re的影响沿程损失和局部损失本质上都是由紊流掺混作用引起的惯性阻力和粘性阻力造成的。局部阻碍的的几何形状突然扩大的局部损失由动量方程：2211122212()()22mpvpvhZZggaagg=++-++022011()QFvvggaa=-å作用在流体上的外力有：作用在AB断面上的总压力：作用在CD断面上的总压力：重力在管轴上的投影：112PpA=222PpA=122212cos()ZZGAlAZZlqgg-==-将上式代入能量方程1222212022011()()QpApAAZZvvgggaa-+-=-22QvA=12212022011()()()ppvZZvvgaagg+-+=-2211122212()()22mpvpvhZZggaagg=++-++221122202201122()mvvhggvvvgaaaa=-+-突然扩大的水头损失等于以平均流速差计算的流速水头。2211222022011()22mvvvhvvgggaaaa=-+-212()2mvvhg-=断面突然扩大时的水流图形（取动能、动量修正系数均为1）要将该式变成计算局部损失的一般形式，利用突然扩大的阻力系数为：突然扩大前后有两个不同的平均流速，因而有两个相应的阻力系数，计算时必须注意使选用的阻力系数与流速水头相适应。当流体从管道进入无限大空间时，ζ1=1，这是突然扩大的特殊情况，称为出口阻力系数。212()2mvvhg-=1212AvvA=2121AvvA=22211112(1)22mAvvhAggz=-=22222221(1)22mAvvhAggz=-=2112(1)AAz=-2221(1)AAz=-渐扩管的局部损失突然扩大的水头损失较大，改用渐扩管后，水头损失将大大减少。渐扩管的水头损失可认为由摩擦损失和扩散损失两部分组成。扩散损失是涡旋区和流速分布改组所形成的损失。当扩大面积比不变时，渐扩管的摩擦损失随扩散角的增大和管段的缩短而减少，但扩散损失却随之增加。最小水头损失扩散角约在5-8。范围内，所以扩散角最好不超过8-10。。实际通风工程中，管道扩散角通常不超过45。。a突然缩小的局部损失：突然缩小的水头损失大部分发生在收缩断面后面的流段上，主要是收缩断面附近的旋涡区造成的。突然缩小的局部损失为:22210.5(1)2mAvhAg=-断面突然缩小时的水流图形突缩与突扩的对比渐缩管的局部损失：对应的流速水头为222vg断面逐渐缩小时的水流图形阻力系数可由图4-22查得A1A2a管道进口的局部损失：管道伸入进口1.0流线形进口0.06-0.005圆角进口0.25锐缘进口0.5弯管的局部损失:弯管是典型的局部阻碍。它只改变流动方向，不改变平均流速的大小。方向的改变不仅使弯管的内侧和外侧出现旋涡区，而且还产生了二次流现象。二次流和主流叠加在一起，使通过弯管的流体质点作螺旋运动，加大了弯管的水头损失。hbEFGHdRHEθ弯管的几何形状决定于转角θ、曲率半径与管径之比（R/d）。对矩形断面的弯管还有高宽比（h/b）。Re=1000000时弯管的局部阻力系数矩形h/b=2.0矩形h/b=0.5方形h/b=1.0圆形90°60°45°30°R/d(R/b)序号断面形状1.0000.2460.1591.0600.2410.1241.0000.2200.1551.0800.2270.1130.4800.1350.1120.2700.0870.0880.480.1500.1120.4800.1300.1020.270.0790.0780.270.1000.0890.1200.0580.0660.1200.0540.0510.1200.0580.0620.4800.1400.0830.2800.0810.0630.1200.0420.0420.51.02.02.01.00.50.51.02.00.52.01.04321三通的局部损失：工程中常用的三通有两类：Y型三通和T型三通。三通有两个支管，所以有两个局部阻力系数。三通前后又有不同的流速，计算时必须选用和支管相应的阻力系数，以及和该系数相应的流速水头。(a)Y形分流三通;(b)T形合流三通图4-25三通的两种主要类型合流三通的局部阻力系数出现负值，为什么？三通两个支管的阻力系数，绝不会同时出现负值。45°和90°T形三通的局部阻力系数流量比Q1/Q3流量比Q1/Q3ζ32ζ23ζ13ζ23ζ13ζ31ζ31局部阻力之间的相互干扰一般给出的ς值都是在局部阻碍的前后有足够长的直管段，使进入和流出局部阻碍的流动能够恢复均匀流正常流速分布与脉动强度。测得的局部损失包括影响长度内的附加损失。工业管道的设计中不可避免地存在着局部阻碍之间的相互干扰问题。目前该问题的研究还很不够。干扰修正系数相互干扰的结果使局部损失可能减小，也可能增大。如局部阻碍之间的直管段长度大于3d，干扰修正系数一般都小于1。即设计管道时，如各局部阻碍之间的距离都大于3d，忽略相互干扰的影响的计算结果，一般是偏于安全的。第九节减小阻力的措施减小管中流体运动阻力有两条完全不同的途径：改进流体外部的边界，改善边壁对流动的影响。添加剂减阻：在流体内部投加极少量的添加剂，使其影响流体运动的内部结构来实现减阻。（与紊流机理这个流体力学中的基本理论问题密切相关）减小管壁的粗糙度用柔性边壁代替刚性边壁减小紊流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。dαdrd10.20.03rd4080,0.251.00.10.2bd注意:弯管的R最好在(1-4)d的范围内R/d较小时，可布置导流叶片复合式渐扩管和台阶式突扩管不同R/d时90°弯管的ξ值(Re=1000000)ξ尽可能减小支管与合流管之间的夹角，或将支管与合流管连接处的折角改缓，都能减小三通的局部阻力系数。配件之间的不合理衔接，也会使局部阻力加大。切割折角的T形三通先弯后扩?先扩后弯?