本章强调的重点为局部阻力损失的形成原因以及改善措施。图10-21 三通管减小局部阻力系数措施的示意图......
2023-06-29
确定圆管内沿程阻力系数的优化方法
【摘要】：1．圆形管流的雷诺数区域划分尼古拉兹沿程阻力系数f和雷诺数Re的对数坐标上，得到了实验曲线，如图10-15所示。图10-15 尼古拉兹实验曲线尼古拉兹发现，圆形管流的运动中沿程阻力系数f依据流体流动的雷诺数Re划分成层流区、层流与湍流的临界区、湍流水力光滑区、湍流过渡区以及湍流粗糙区五个区域。
圆管内层流的沿程阻力系数可以用
的计算式求出，但是由于湍流的复杂性，至今还不能完全通过理论推导的方法确定湍流沿程阻力系数，只能借助实验研究总结一些计算f的经验公式和半经验公式或使用莫迪图查表确定。这里仅介绍湍流的雷诺数区域划分与区域特性，使用莫迪图的方式和降低沿程阻力的方法。
10.8.1 尼古拉兹实验
尼古拉兹在 1933年进行了一系列的管道流动的阻力实验，发现圆形管流的运动中，沿程阻力系数f是雷诺数Re和相对粗糙度△/d的函数，即
此外，尼古拉兹将实验结果绘制成尼古拉兹实验曲线以获得圆形管流的运动运动规律，相关内容描述如下。
1．圆形管流的雷诺数区域划分
尼古拉兹沿程阻力系数f和雷诺数Re的对数坐标上，得到了实验曲线，如图10-15所示。
图10-15 尼古拉兹实验曲线
尼古拉兹发现，圆形管流的运动中沿程阻力系数f依据流体流动的雷诺数Re划分成层流区、层流与湍流的临界区、湍流水力光滑区、湍流过渡区以及湍流粗糙区五个区域。
（1）层流区。尼古拉兹从实验中发现，当流体的雷诺数 Re≥ 2 320时，所有的实验点都落在同一条直线上，也就是在如图10-15所示直线Ⅰ上。这说明沿程阻力系数f仅与雷诺数Re有关，而和管壁的相对粗糙度△/d无关，也就是 f=f(Re)，而且沿程阻力系数f与雷诺数Re的关系满足
也证实了理论分析得出的层流计算公式是正确的。此时管路中沿程水头损失hf与流体的流速u成正比。
（2）层流与湍流的临界区。2 320 ≤ Re ≤ 4 000，也就是如图10-15所示曲线Ⅱ上，沿程阻力系数f仍仅与雷诺数Re有关，而和管壁的相对粗糙度△/d无关，也就是 f=f(Re)，但是该区极不稳定，实验点较为分散，对于工程实用上的意义不大，所以此区的研究很少。如果碰到特殊情况需要计算时，通常按湍流水力光滑区对应的经验公式处理。
（3）湍流水力光滑区。Re在4 000与 26.98(d/△) 8/7之间范围，所有的实验点都落在同一条曲线，也就是如图10-15所示中的曲线Ⅲ上，沿程阻力系数f仍仅与雷诺数Re有关，而和管壁的相对粗糙度△/d无关，也就是 f=f(Re)。这是因为层流底层厚度δ远大于相对粗糙度△/ d ，管道内壁凹凸不平处完全被层流底层掩盖，管壁的粗糙度几乎对管道内流体的流动无影响。
（4）湍流过渡区。当流体雷诺数在 26.98(d/△) 8/77至 4 610(0.5d/△) 0.85之间范围，流体处于水力光滑管到水力粗糙管的过渡区，又称为第二过渡区。此区域内，具有不同相对粗糙度的实验点各自分开，形成一条条曲线，这表明，沿程阻力系数f不仅与雷诺数Re有关，还与管壁的相对粗糙度△/d有关，也就是 f=f(Re，△/ d)）。随着雷诺数Re的增大，层流底层厚度δ变小，使得管壁的绝对粗糙度△开始影响到核心区内流动。
（5）湍流粗糙区。当 Re ≥4 610(0.5d/△) 0.85时，沿程阻力系数f仅与管壁的相对粗糙度△/ d 有关，而与雷诺数Re无关，也就是 f=f (△/ d)。这是因为在此区域，层流底层厚度δ远小于绝对粗糙度△，管道内壁凹凸不平处完全暴露于湍流核心区中，管壁的粗糙度成为影响沿程阻力损失的主要因素。
2．实验意义
尼古拉兹实验在流体力学研究中代表的意义在于它概括反映了各种情况下，沿程阻力系数f与雷诺数Re及管壁的相对粗糙度△/d的变化关系。但是尼古拉兹用人工粗糙管道进行实验，其实验结果并不完全与实际情况相同。
10.8.2 莫迪图
莫迪于1944年总结了工业管道的实验资料，绘制了工业管道的沿程阻力系数f与雷诺数Re和管壁的相对粗糙度△/d的变化关系曲线，即工程常用的莫迪图（Moody figure），如图10-16 所示。只要根据求出的雷诺数Re和管壁的相对粗糙度△/d，即可在莫迪图中直接查出沿程阻力系数f，从而求出沿程水头损失。
图10-16 莫迪图
10.8.3 降低沿程阻力损失的方法
在降低沿程阻力损失的方法中，最容易想到的减阻（损）措施是减小管壁的粗糙度。如在实际工程中对钢管、铸铁管等进行内部涂塑，或者采用塑料管道、玻璃钢管道代替金属管道。使用柔性管壁代替刚性管壁也可以减少沿程阻力，实验证明，安放在管道中的弹性软管比同样条件的刚性管道的沿程阻力小 35%，而且管中液体的黏性越大，软管的管壁越薄，减阻效果越好。除此之外，及时清除管道中的杂物、尽量减少管壁的腐蚀或锈蚀、合理选择流体流动的速度以及简化管路从而减少管道长度或选用经济合理的管径均有助于降低管内流动产生的沿程阻力损失。
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