流体阻力及其运动特性

流体介质流过管路系统时，由于沿程摩擦产生能量损失，又由于局部阻力（阀门、三通、弯头、管径突然扩大与缩小）产生附加的能量损失。

在一个直径为D_N的导管中，其压力损失Δp_N的计算式为

式中，ρ_N为介质密度；v_N为介质流速；L_N为导管的有效长度；λ_N为导管的阻力系数；ζ_Nj为通过阀门的能量损失系数；ζ_Nk为其他零件局部损失系数。

如果液体介质流过简单的管路，压力损失值可按实验确定的系数λ进行理论计算，如图1-35所示。对于局部阻力，仅仅在简单的情况下进行理论计算，因为在大多数情况下，系数ζ是不同的，必须按不同情况通过试验来确定。实际上，系数ζ表示流体沿程阻力的动能损失。对于两个不同的结构或两种不同的工艺条件，除了偶然的情况外，水力阻力是不相等的，系数ζ也是不同的。

如果仅仅涉及到局部阻力，压力降的计算公式为

式中，V_N为在局部阻力件之前或之后，按管径DN计算的流体平均速度，在某些情况下是指特定区的流速。

注意：在大多数情况下，ζ是对圆截面管道讲的。

对于一个管段，式(1—23)可写成：

1.局部阻力系数ζ_k

局部阻力分为阀门阻力和其他局部阻力。这样划分的目的，是便于深入研究通过阀门的介质流动。

（1）导管的流入和流出 当容器与导管连接的时候，导管被安装在容器的出口或入口上，或者把导管的一头插入罐内引出导管，如图1-36和图1-37所示。各图中已给出各种情况下的ζ值。

图1-35 阻力系数的λ计算图

图1-36 介质从不同接管流入时的ζ值

a）直接 b）插入接 c）斜接 d）圆滑过渡接 e）大口孔

图1-37 介质从不同接管流出时的ζ值

（2）流通截面的变化 不同直径导管连接时需要连接件。这些连接件使截面积缓慢地或突然地扩大或缩小。下面介绍各种连接件的压力损失Δp和流阻系数ζ的计算关系式。

1）突然扩大。如图1-38所示，如果压力损失主要是由于流通截面A₁突然扩大，其计算公式为

图1-38 突然扩大

计算流阻系数ζ公式为

ζ值也可以查表1-106。

表1-106 流通截面突然扩大时系数ζ与D₁/D₂的关系

2）渐扩管。图1-39所示为介质通过渐扩管的情况。压力损失产生于介质对管壁的摩擦和流线的扩大。Δp是几何尺寸D₁、D₂、L和ϕ的函数。

ζ可从图1-40中查得。这是对中等粗糙度管子的试验结果。

图1-39 介质通过渐扩管

图1-40 紊流状态下介质通过渐扩管时的ζ值

3）突然收缩。如图1-41所示，如果已知介质的收缩截面是A₂，在这种情况下，压力损失的确定与突然扩大时相似。

计算压力损失Δp时，可用式（1-27），而流阻系数ζ的计算式为

因为在大多数情况下，截面A₂是不知道的，所以ζ是A₂/A₁的函数，如图1-42所示。它对应于进口处为锐边的突然收缩管中流动时的ζ值。

图1-41 突然收缩

图1-42 介质在突然收缩管中流动时的ζ值(www.xing528.com)

4）渐缩管。如图1-43所示的渐缩管，其压力损失比突然收缩的要小，其压力损失Δp的计算式为

渐缩管的角度ϕ=4°～10°时，ζ值可查表1-107，它是管子直径比的函数。

2.通过阀门的流阻系数

图1-43 渐缩管

阀门可以切断、调节或者分配流过的介质。应对阀门进行下列分析：

1）确定阀门全开时产生的流阻或压力损失。

2）不同开度时的流阻系数或压力损失（主要是指调节阀）。

表1-107 渐缩管ζ值与直径比的关系

下面仅讨论切断阀。从经济的观点来看，希望阀的全开时阻力越小越好。因此，阀门的ζ值是一个非常重要的指标，也是分级的依据。

进一步研究阀门的特性，可以得出以下结论：

1）阀门的流阻影响系统性能。因为流阻存在，要求增高起点压力，或是降低用户的使用压力。

2）阀门的流体阻力值是介质参数和阀门结构的函数。

3）在较短的管路系统中，能量的总损失主要是由阀门压降引起的。

4）阀门结构的选择，不能仅考虑阀门起到启闭的作用，还必须使阀门的局部阻力尽可能地小。

通过式（1-22）可得出阀门压力损失的计算公式为

由式（1-30）可以看出，ζ_Nj的量纲为1。它表示介质通过阀门时的能量损失程度。能量损失的原因是多种多样的，如方向的改变、流通面积的扩张或收缩、管壁的摩擦等。

图1-44示出了几种调节阀的简图和介质能量损失的情况。要知道，即使对于一个构造简单的调节阀，要想通过理论计算得出ζ_Nj值也是不可能的。ζ_Nj值要通过试验确定。

下面介绍试验结果，以便为计算阀门的能量损失提供方便有用的数据。

图1-44 介质通过阀门的能量损失情况

a）直通阀 b）角式阀 c）蝶阀

显然，应研究每种流动状态（层流、过渡流、紊流）下的ζ_Nj值。但实际上，大多是紊流，故通常仅介绍紊流情况下的ζ_Nj值。在雷诺数Re的函数中，ζ_Nj值是个常数。

图1-45示出了旋启式止回阀的结构。在表1-108、表1-109及图1-46中，给出了闸阀、截止阀和升降式止回阀及旋启式止回阀的试验ζ_Nj值。除了这些阀门的数据外，还研究了其他结构的阀门。在缺少具体的ζ_Nj值情况下，可利用表1-110中的数据作为参考值。

图1-45 旋启式止回阀的结构

图1-46 旋启式止回阀的ζ值

表1-108 闸阀的ζ值

注：对于楔式双闸板闸阀和平行式单闸板或双闸板闸阀，ζ值均可应用。

表1-109 截止阀与升降式止回阀的ζ值

表1-110 阀门管件的ζ值

（续）

（续）

图1-47 介质通过节流孔时压力和速度的变化

a）具有节流孔板的导管 b）节流区压力的变化