流体传动中的压力损失分析与计算

　　本文针对液体流动时的层流和紊流两种状态，分析了直管内压力损失和管道局部压力损失的计算特点，提出了减少压力损失的方法和具体措施。

　　1 液体流动的状态

　　流动状态取决于一无因次数，其值与管道尺寸以及液体的流速和粘度有关，这个无因次数称为雷诺数。由式（1）求得：

　　式中，v 为平均流速；d 为管道内径；ρ 为液体密度；μ为动力粘度。

　　判定流动状态的依据是临界雷诺数 Rec，Rec由实验测得。当 Re<Rec时，液流为层流；当 Re>Rec时，液流为紊流。

　　2 直管内压力损失（hf）

　　2.1 层流状态

　　如图 1 所示，设液体在半径为 R 的水平直圆管内作稳定层流运动。在管内取一半径为 r、长度为 l的微小圆柱体，两端作用压力分别为 p1、p2，作用在周面上的内摩擦力为 F。

　　由数学推导可以求得液流速度分布表达式为

　　式（2）为二次抛物线方程，表明直圆管层流流速呈以管道轴线为中心的抛物线分布，r＝0 处速度最大，即

　　由最大流速可求出管中的流量为

　　管内的平均流速为

　　由式（5）可得出直圆管层流时的压力损失计算公式

　　式（6）表明，直圆管层流运动时，其压力损失与断面平均流速的一次方成正比，与液体动力粘度和管长成正比，与管道直径的平方成反比，而与管壁粗糙度无关。

　　实际应用中，经常变换为式（7）的形式。

　　式中，λ 为管道摩擦阻力系数，金属水管常取λ=64/Re，金属油管常取 λ=75/Re，胶软油管常取λ=80/Re。

　　2.2 紊流状态

　　工程应用中，紊流的沿程损失，常按经验公式或实验求得。在流体传动中，一般按照内壁光滑的金属圆管（包括铜、黄铜及其它由轻金属制成的光滑圆管以及 Re<8×104 的无缝钢管）计算，当 4000<Re<10⁵时，λ＝0.3164Re^-0.25；当 10⁵<Re<3 ×10⁶时，λ＝0.032+0.221Re^-0.237。

　　3 局部压力损失（h_j）

　　液体流体经过阀门、弯管、突变管等这些局部管件时，由于通流截面、流动方向的急剧变化，增大了流体间的摩擦、碰憧以及形成旋涡区等原因，从而产生局部损失。旋涡区的出现是产生局部压力损失的根本原因。液体流经等径弯管、突变管和阀门时产生旋的情况如图 2 所示。

　　局部压力损失可用式（8）计算：