【莱温坦伯】流体在管内的流动阻力

流体在管内的流动阻力

流体在管路中流动时的阻力分为直管阻力和局部阻力两种。直管阻力是流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力。局部阻力是流体流经管路中的管件、阀门及截面的突然扩大和突然缩小等局部地方所引起的阻力。总阻力等于直管阻力和局部阻力的总和。

（一）流体的粘度

1．黏性

流体流动时，流体质点间存在相互吸引力，流通截面上各点的流速并不相等，即其内部存在相对运动，当某质点以一定的速度向前运动时，与之相邻的质点则会对其产生一个约束力阻碍其运动，将这种流体质点间的相互约束力称为内摩擦力。流体流动时为克服这种内摩擦力需消耗能量。流体流动时产生内摩擦的性质称为流体的黏性。黏性大的流体流动性差，黏性小的流体流动性好。

黏性是流体的固有属性，流体无论是静止还是流动，都具有黏性。

图1-17所示，有上下两块平行放置且面积很大而相距很近的平板，板间充满某种液体。若将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力F，上板就以恒定速度u沿x方向运动。此时，两板间的液体就会分成无数平行的薄层而运动，粘附在上板底面的一薄层液体也以速度u随上板运动，其下各层液体的速度依次降低，粘附在下板表面的液层速度为零，流体相邻层间的内摩擦力即为F。实验证明，F与上下两板间沿y方向的速度变化率Δu/Δy成正比，与接触面积A成正比。流体在圆管内流动时，u与y的关系是曲线关系，上述变化率应写成du／dy，称为速度梯度，即粘度是表征流体粘性大小的物理量，是流体的重要物理性质之一，流体的粘性越大，值越大。其值由实验测定。

流体的粘度随流体的种类及状态而变化，液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度升高而增大。压力变化时，液体的粘度基本不变，气体的粘度随压力增加而增加得很少，一般工程计算中可以忽略。某些常用流体的粘度，可以从有关手册和本书附录中查得。

粘度的法定计量单位是Pa·s；但在工程手册中粘度的单位常用物理单位制，泊（P）或厘泊（cP）表示。它们之间的关系是

1Pa·s =10P=1000cP

（二）直管阻力

1．范宁公式

直管阻力，也叫沿程阻力。直管阻力通常由范宁公式计算，其表达式为

式中hf——直管阻力，J/kg；
l——直管的长度，m；

d——直管的内径，m；

u——流体在管内的流速，m/s。

范宁公式中的摩擦因数是确定直管阻力损失的重要参数。的值与反映流体湍动程度的Re及管内壁粗糙程度的ε大小有关。

2．管壁粗糙程度

工业生产上所使用的管道，按其材料的性质和加工情况，大致可分为光滑管与粗糙管。通常把玻璃管、铜管和塑料管等列为光滑管，把钢管和铸铁管等列为粗糙管。实际上，即使是同一种材质的管子，由于使用时间的长短与腐蚀结垢的程度不同，管壁的粗糙度也会发生很大的变化。

①绝对粗糙度绝对粗糙度是指管壁突出部分的平均高度，以ε表示，如图所示。表中列出了某些工业管道的绝对粗糙度数值。

管壁粗糙程度对流体流动的影响

②相对粗糙度相对粗糙度是指绝对粗糙度与管道内径的比值，即ε/d。管壁粗糙度对摩擦系数的影响程度与管径的大小有关，所以在流动阻力的计算中，要考虑相对粗糙度的大小。