1.4 流体流动过程中 能量损失与管道计算1 1 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。 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：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。2 沿沿程阻力用沿程压头损失程阻力用沿程压头损失hL表示，局部阻力用局部压头表示，局部阻力用局部压头损失损失hM表示。单位为米流体柱或帕。因此，柏努利方程中的表示。单位为米流体柱或帕。因此，柏努利方程中的压头损失项压头损失项 实际流体在流动过程中才会产生流动阻力，为了克服该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。能的某一倍数，这一倍数称为阻力系数。31.4.1 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，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，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，流体微团相交错，而且迅速地变化，流体微团(或称或称涡体涡体)在顺流向运动的同时，还作横向、垂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：论这个问题之前，现看一下雷诺试验：4 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当玻璃管内的流速较低时，从细管注入的颜色液体流速较低时，从细管注入的颜色液体能成为单独的一股细流前进，同玻璃能成为单独的一股细流前进，同玻璃内的水不相混杂。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注入的那股带颜色的细流马上消失在水中，同水混杂起来。水中，同水混杂起来。5 前一种情况说明流体运前一种情况说明流体运动时，流体的质点成为互不动时，流体的质点成为互不干扰的细流前进，各股流互干扰的细流前进，各股流互相平行，层次分明。流体的相平行，层次分明。流体的这种流态是这种流态是层流层流。 后一种情况说明流体流后一种情况说明流体流动时，出现一种紊乱态。流动时，出现一种紊乱态。流体各质点作不规则的运动。体各质点作不规则的运动。液流内各股细流相互更换位液流内各股细流相互更换位置，流体质点有轴向和横向置，流体质点有轴向和横向运动，互相撞击产生湍动和运动，互相撞击产生湍动和旋涡，这种流态叫旋涡，这种流态叫湍流湍流或称或称紊流紊流。6层流、湍流示意图：71.4.1.2 雷诺准数雷诺准数（1）雷诺准数： 式中 D：管道直径； v：流速； ：流体密度； ：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）。8对于在平直的圆管中流动的流体： Re2320：流态属层流 Re4000：流态属湍流 2320Re 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。9o 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。o 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之比，即1.4.1.3 水力半径和当量直径10 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， 于是 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。11对于长度a、宽度b的矩形截面的管道， 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：12 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 而不是 ；其间的流量是Q m3/s时，流速应是 ，而不是 131.4.2 1.4.2 沿程能量损失沿程能量损失沿程能量损失沿程能量损失式中式中 hl-沿程能量损失，沿程能量损失， ； l -管长，管长，m； d -管径，对非圆形管道取当量直径管径，对非圆形管道取当量直径de，m； -气体的动压头，气体的动压头， ； -沿程阻力系数（或摩擦系数）。沿程阻力系数（或摩擦系数）。 14o（1）在层流流态下，摩擦系数为）在层流流态下，摩擦系数为15（2 2）紊流流态下沿程阻力系数）紊流流态下沿程阻力系数）紊流流态下沿程阻力系数）紊流流态下沿程阻力系数 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。 光滑的金属管道： 0.020.025； 一般氧化的金属管道： 0.0350.04； 有锈的金属管道： 0.045； 砖砌管道： 0.050.06。161.4.3局部能量损失局部能量损失 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。17 为了与沿程阻力的表示方法相一致，局部压头损失可表示为： 米流体柱 式中 hM-因局部阻力而产生的压头损失，米流体柱； -局部阻力系数，对于大多数管件和阀件，其值要通过试验确定。18局部阻力系数 值在层流流态下随Re值而变化。当Re5000Pa） (p5000）（1500 Pa p5000 Pa） (p5000Pa) 573513 压缩空气（p4atm） 815 高压净煤气（不预热） （预热） 81268 低压净煤气（不预热） （预热） 5835 发生炉煤气 13 天然煤气 2025 氧气（p100tm） （100tmp18 乙炔 48 二氧化碳 812 泥浆管 0.51.5 收尘管 1820 291.4.5.2 简单管路简单管路 简单管路是指具有相同管径、相同流量的管路，它是组成各种复杂管路的基本单元。在管路上，流动阻力即包括沿程阻力也包括局部阻力，因此其阻力公式为：若为不可压缩流体的稳定流动，则通过管道任意截面的体积流量相等，体积流量方程是：301.4.5.3 串联管路和并联管路串联管路和并联管路 （1）串联管路 串联管路是由几个相互串联在一起的管段所组成，也就是由几个简单的管路串联而成的。u 对于串联管路：总能量损失等于各简单管路能量对于串联管路：总能量损失等于各简单管路能量损失之和；各简单管路内质量流量不变。损失之和；各简单管路内质量流量不变。31 串联管路的计算与前面所讲的简单管路计算方法相同。串联管路的计算与前面所讲的简单管路计算方法相同。322）并联管路）并联管路 若几条简单管路（或串联管路）的入口端与出口端各自连接在一起，就组成了一个并联管路。 在热工设备中，并联管路是很多的，如多管式换热器，它们的每一组是由共同的入口、出口相连起来的管簇，从而构成了并联管路。u 并联管路的质量平衡关系为：并联管路的质量平衡关系为：Q=Q1+Q2+Qnu 并联管路各支管道中流体的阻力损失相等：并联管路各支管道中流体的阻力损失相等： hp=hp1=hp2=hpn33 欲使窑炉维持正常操作，一方面要提供足够的燃料以及供燃料燃烧所需的空气，另一方面，还应及时的将燃烧产物排除窑外。为引导窑内气体运动，常用的装置有烟囱、喷射器、和风机等。下面主要介绍烟囱。 对于自然通风的窑炉，烟囱的作用是引导窑内气体运动并将废气排出，如图所示。 1.4.6 1.4.6 烟囱烟囱3435 烟囱底部的静压头值可通过对窑炉系统列柏努利方程式求得。而在窑炉的不同部位，温度是变化的，应当分段列柏努利方程。在每一段都取平均温度进行计算，并以某一段的上部截面为基准面，同时由于窑内气体流速不大，忽略了动压头随温度的变化。1.4.6.1烟囱底部所需负压的计算烟囱底部所需负压的计算 36 (0)(1) 由公式（由公式（0）可以看出，由窑前至烟囱底部）可以看出，由窑前至烟囱底部静压头的减少是用来克服动压头增量、压头损静压头的减少是用来克服动压头增量、压头损失以及当气体由上向下运动时，克服热气体的失以及当气体由上向下运动时，克服热气体的几何压头所消耗的能量（此时把几何压头也看几何压头所消耗的能量（此时把几何压头也看作一种阻力）。作一种阻力）。 如果忽略动压头的变化，则静压头的减少如果忽略动压头的变化，则静压头的减少是用来克服窑炉系统的总阻力，其中包括几何是用来克服窑炉系统的总阻力，其中包括几何压头的增量（气体向上运动、几何压头起推动压头的增量（气体向上运动、几何压头起推动力作用、与阻力符号相反；气体由上向下运动，力作用、与阻力符号相反；气体由上向下运动，几何压头起阻力作用，与阻力符号相同）。几何压头起阻力作用，与阻力符号相同）。 当从窑炉系统的零压面进行计算时，当从窑炉系统的零压面进行计算时，hs1 =0，则公式（，则公式（0）可写成：）可写成：37 即当窑前为大气压，烟囱底部为负压，在此压强差的推动下，气体得以克服窑炉系统阻力，并以一定速度在窑内运动。而这个负压值是靠烟囱的高度和内外气体 密度差来提供的。这个可以由列55、66截面的柏努利方程而得知 hs5+hg5+hk5= hs6+hg6+hk6+hp5-6 将基准截面取在66面上，hg60，hs60，则上式可写成 hs5+hg5+hk5= hk6+hp5-6 s=hs5hg5（hk6 hk5）hp5-6 （2） 由上式可以看出，烟囱底部的几何压头hg5除克服沿烟囱高度的动压头增量和阻力损失外，其余的转变为烟囱底部的负压，以引导窑内气体运动，这就是烟囱工作的基本原理。381.4.6.2 烟囱计算烟囱计算 从热工角度而言，烟囱计算主要是确定烟囱直径与高度。从热工角度而言，烟囱计算主要是确定烟囱直径与高度。 烟囱直径计算：烟囱出口直径是根据废气排出量和规定的出烟囱直径计算：烟囱出口直径是根据废气排出量和规定的出口速度求得口速度求得 式中：式中：Qv0烟气标态流量，烟气标态流量，m03/s； v0选定的烟气出口标态流速，选定的烟气出口标态流速，m0/s. 39 对于自然通风的烟囱，适宜的出口速度可取对于自然通风的烟囱，适宜的出口速度可取24 m0/s，机械通风时可取，机械通风时可取815 m0/s。 出口速度小，烟囱出口直径大，容易造成倒风现象；出口速度小，烟囱出口直径大，容易造成倒风现象； 速度太大，出口直径小，增加气体流动过程的阻力损失，速度太大，出口直径小，增加气体流动过程的阻力损失，并造成施工困难。并造成施工困难。 金属烟囱底部直径和出口直径一样。砖结构和钢筋混金属烟囱底部直径和出口直径一样。砖结构和钢筋混凝土结构烟囱，为考虑其稳定性，底部直径适当加大。一凝土结构烟囱，为考虑其稳定性，底部直径适当加大。一般底部直径为顶部直径的般底部直径为顶部直径的1.31.5倍。倍。40烟囱高度计算：根据公式（烟囱高度计算：根据公式（2），烟囱高度可按下式计算：），烟囱高度可按下式计算： 式中：式中：s烟囱底部负压，即为烟囱底部负压，即为hs，习惯上称为抽力。可按公式，习惯上称为抽力。可按公式（1）计算，为保证烟囱工作的可靠性，还应考虑）计算，为保证烟囱工作的可靠性，还应考虑1.21.3的储备系数的储备系数 H烟囱高度，烟囱高度，m； 空气密度，空气密度，kg/m3； 按烟囱高度的平均温度计算的烟气密度，按烟囱高度的平均温度计算的烟气密度，kg/m3； v2、v1分别表示烟囱顶部和底部的气流速度，分别表示烟囱顶部和底部的气流速度，m/s； 烟气流动的摩擦阻力系数，对于砖砌烟囱取烟气流动的摩擦阻力系数，对于砖砌烟囱取0.050.06； vm按烟囱高度的平均温度，平均直径计算的烟气平均流速，按烟囱高度的平均温度，平均直径计算的烟气平均流速， m/s； dm烟囱的平均直径，烟囱的平均直径，m 。41烟囱高度烟囱高度考虑大气压影响考虑大气压影响42n实际计算时多采用估算方法：实际计算时多采用估算方法： H =(2530)d确定烟气温度降，计算平均温确定烟气温度降，计算平均温度和密度，将算出的高度度和密度，将算出的高度H与假设高度比较，误与假设高度比较，误差应小于差应小于5。n应注意的几点：应注意的几点：几个炉窑合用一个烟囱时，阻力采用最大的一个几个炉窑合用一个烟囱时，阻力采用最大的一个计算，直径按总烟气量计算。计算，直径按总烟气量计算。 燃料消耗量按最大时计算。燃料消耗量按最大时计算。空气密度按全年最高温度计算。空气密度按全年最高温度计算。考虑地理位置的海拔影响。考虑地理位置的海拔影响。满足环保要求。满足环保要求。4344