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流動阻力
鎖定
- 中文名
- 流動阻力
- 外文名
- Flow Resistance
- 類 別
- 力學
- 特 點
- 流動
主要介紹
流體流動阻力:流體在管路系統中的流動可以分為在均勻直管中的流動,產生以表面摩擦為主的沿程阻力;在各種管件象閥門、彎管、設備進出口等中的流 動,由於流道變向、截面積變化、流道分叉匯合等 產生以逆壓差或渦流為主的局部阻力。
流動邊界的物體對流動流體的作用力。它與流體流動的方向相反,由動量傳遞而產生。流動阻力是粘性流體中動量傳遞研究的基本問題之一。流動阻力的反作用力,即流體對物體的作用力,稱為曳力(drag)。對於管流,流動阻力通常用流體的壓力降表示,此壓力降造成的機械能(壓能)降低不能再恢復,亦即部分機械能遭受損失,通稱阻力損失。對於繞流,更多地注意曳力。只要來流即物體上游流體速度均勻,流體繞過靜止物體的流動,與物體在靜止流體中的運動是等同的。因此,工程上常在流動流體中置入靜止的模型,以模擬物體在靜止流體中的運動。
1506年,意大利科學家達·芬奇首先提出物體在流體中運動會受到阻力的觀點,此後I.牛頓等著名科學家都曾作有關研究,然而直到邊界層理論產生之後,才認識到流動阻力的實質。產生阻力的原因,早期只考慮物體前部的形狀,後來發現物體後部的形狀才是最重要的。物體後部發生的邊界層分離,對流動阻力起決定性的影響。
種類 分為摩擦阻力和壓差阻力。摩擦阻力是物體表面剪切力產生的流動阻力,其方向與流體運動方向相反。壓差阻力則是垂直於物體表面的壓力產生的對流體流動的阻力,其方向也與流體運動方向相反。兩種阻力常同時存在。以流體繞過某物體的流動為例,兩種阻力的相對大小取決於下列三個因素:①物體的形狀,如果物體是球那樣的鈍體,邊界層分離較早,壓差阻力是主要的。對於流線型物體,邊界層不分離或分離較遲,則壓差阻力較小,摩擦阻力是主要的。②由物體特徵長度決定的雷諾數的大小,雷諾數決定邊界層中的流動狀態。湍流邊界層摩擦阻力較大,但因分離推遲,往往壓差阻力較小;層流則相反,摩擦阻力較小,而壓差阻力較大。③物體表面的粗糙度,粗糙表面的摩擦阻力較大,但粗糙表面可促進邊界層湍化,使分離推遲,從而減小壓差阻力。
阻力計算 繞流時阻力F的計算式為:式中Cd為阻力系數;u為來流速度;A為物體在垂直於運動方向上的投影面積;ρ為流體密度。阻力系數Cd的大小取決於物體形狀和雷諾數。如液體繞流圓球時的阻力系數Cd與Re的關係曲線(見繞流)。
流體在管道中流動時,直管的阻力主要是摩擦阻力,又稱沿程阻力。摩擦阻力表示為壁面上的剪切應力τw,其計算式為:式中f稱為範寧摩擦係數;u為流體平均速度。τw與管內壓力降 Δp成正比,所以管內摩擦阻力常以壓力降表示,計算式為:式中l為管長;d為管道直徑;λ是摩擦係數(λ=4f),它是Re數和粗糙度ε(管壁上突出物的平均高度)的函數,即:
λ=φ(Re,ε/d)
上述函數關係可由實驗或理論計算得到(見管流)。管內流體流經各種局部障礙物(例如閥門和管內構件),或通道截面積突然擴大或縮小時所產生的阻力主要是壓差阻力,工程上稱為局部阻力。這時雖然也有摩擦阻力存在,但一般很小,可以忽略。對於管流局部阻力的計算常用下式:式中ξ為局部阻力系數,其值由實驗確定。
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