井筒摩阻计算原理与方法

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1、井筒摩阻计算第一节水头损失及其分类实际流体具有粘性，在通道内流动时，流体内部流层之间存在相对运动和流动阻力。流动阻力和水头损失的规律，因流体的流动状态和流动的边界条件而异.一、水头损失分类流体在流动的过程中，在流动的方向、壁面的粗糙程度、过流断面的形状和尺寸均不变的均匀流段上产生的流动阻力称之为沿程阻力，或称为摩擦阻力。沿程阻力的影响造成流体流动过程中能量的损失或水头损失（习惯上用单位重量流体的损失表示）。沿程阻力均匀地分布在整个均匀流段上，与管段的长度成正比，一般用表示。另一类阻力是发生在流动边界有急变的流场中，能量的损失主要集中在该流场及附近流场，这种集中发生的能量损失或阻力称为局

2、部阻力或局部损失，由局部阻力造成的水头损失称为局部水头损失。二、水头损失分类1.沿程阻力损失对于圆管：式中：—管长；—水力半径；—管径；—断面平均流速；—重力加速度；—沿程阻力系数，也称达西系数。一般由实验确定。式中的无量纲系数不是一个常数，它与流体的性质、管道的粗糙程度以及流速和流态有关，在大多数工程问题中，确实与成正比。此外，这样做可以把阻力损失和流速水头合并在一起，便于计算。2.局部阻力损失式中：——局部阻力系数，一般由实验确定。整个管道的阻力损失，应该等于各管段的沿程损失和所有局部损失的总和。第二节粘性流体流动流态一、粘性流体流动流态当流速较小时，沿程损失与流速一次方成正比，当

3、流速较大时，沿程损失几乎与流速的平方成正比，如图所示，并且在这两个区域之间有一个不稳定区域。当阀门B慢慢打开，并打开颜色水阀门D，此时管中的水流流速较小，可以看到玻璃管中一条线状的颜色水。它与水流不相混合，如图6—3(b)所示。从这一现象可以看出，在管中流速较小时，管中水流沿管轴方向呈层状流动，各层质点互不掺混，这种流动状态称为层流。当阀门B逐渐开大，管中的水流流速也相应增大。此时会发现，在流速增加到某一数值时，颜色水原直线的运动轨迹开始波动，线条逐渐变粗，如图6—3(c)所示。继续增加流速，则颜色水迅速与周围的清水混合，6—3(d)所示。这表明液体质点的运动轨迹不规则，各层液体相互剧

4、烈混合，产生随机的脉动，这种流动称为紊流。水流流速从小变大。沿程阻力曲线的走线为A→B→C→D。如图6—2所示。若实验时流速由大变小。则上述观察到的流动现象以相反的程序重演，但有紊流转变为层流的流速(下临界流速)要小于由层流转变为紊流的流速(上临界流速)。如图6—2所示。沿径阻力曲线的走线为D-C-A。如图6—2所示。实验进—步表明，同一实验装置的临界流速是不固定的，随着流动的起始条件和实验条件不同，外界干扰程度不同，其上临界流速差异很大，但是，其下临流流速却基本不变。在实际工程中，扰动是普遍存在的，上临界流速没有实际意义，一般指的临界流速即指下临界流速。二、流态的判别准则流态不仅与断

5、面平均流速有关系，而且与管径、液体粘性、密度有关。即流态既反映管道中流体的特性，同时又反映管道的特性。将上述四个参数合成一无量纲数(无具体单位)，称为雷诺数，用表示。式中：——雷诺数，——流速，m/s，ρ——流体密度，kg/m³，——流体粘度，Pa.s；——运动粘度，m²/s注，粘度单位1Pa.s=1N*s/m2=10P=10³cp=1Kcps=1kg/(m*s)1N=1kg*m/s²对应于临界流速的雷诺数，称为临界雷诺数，通常用表示。大量实验表明，在不同的管道、不同的液体以及不同的外界条件下临界雷诺数不同。通常情况下，临界雷诺数总在2300附近，Rec=2300【例6—1】有一直径的

6、室内上水管，如管中流速水温℃。(1).试判别管中水的流态；(2).试求管内保持层流状态的最大流速为多少？解：（1）l0℃时，水的运动粘性系数,此时，管内雷诺数，故管中水流为紊流。（2）保持层流的最大流速就是临界流速，所以第三节沿程水头损失与切应力的关系一、均匀流动方程式沿程阻力(均匀流内部流层间的切应力)是造成沿程水头损失的直接原因。建立沿程水头损失与切应力的关系式，再找出切应力的变化规律，就能解决沿程水头损失的计算问题。在圆管恒定流均匀流段上设1—l和2—2断面，如图所示。作用于流段上的外力：压力、壁面切应力重力相平衡。即：式中——壁面切应力，——湿周，α——圆管倾斜角，A——圆管断

7、面截面积，l——管段长度。由几何关系得：，除以整理得：并由断面1和断面2的能量方程得：，故：式中：——水力半径，；——水力坡度，。二、圆管过流段面上切应力分布即圆管均匀过流断面上切应力呈直线分布，管轴处，管壁处切应力达最大值三、壁剪切速度下面在均匀流动方程式的基础上，推导沿程摩阻系数和壁面切应力的关系。将代入均匀流动方程式，整理得：，定义具有速度的量纲，称为壁剪切速度（摩擦速度）。则：上式是沿程摩阻系数和壁面切应力的关系式，该式在紊流的研究中广