计算摩擦系数确定流动状态的简单方法

　　由于流体粘度、紊流和管壁粗糙度的存在,流经管道的流体都会受到阻力。管壁粗糙度是流动阻力的主要因素。粗糙度阻力(摩擦系数)的计算需采用一个冗繁的确定流动状态的程序。利用下述规则可以很容易地确定流动状态。

　　1　前言

　　为了分析管道中牛顿流体的定常流动,普

　　遍使用Darcy Weisbach方程,即方程(1)

　　这个方程体现了由于表面阻力,流体性质和管道的几何尺寸所造成的压头损失及其之间的必然关系。式中f是表面阻力的系数,一般称为Darcy摩擦系数。对于层流(Re<2100),摩擦系数仅仅是雷诺数Re的函数,这个函数由Hagen Poiseuille方程给出,即方程(2)

　　对于紊流(Re>4,000),除了雷诺数Re之外,摩擦系数也是管道相对粗糙度ε/D的函数。在这个区城,通常以Colebrook-Whife方程作为标准。

　　2　工业管道中的流动

　　大多数管壁是粗糙的。粗糙管壁的流体流动阻力比光滑管壁的大,这是因为在管壁凸出物的后面有涡流的形成。为此,关于粗糙管道流体流动阻力的法则就具有显著的实际意义。没有绝对平滑的表面。实际上,所有管壁都是粗糙表面。其粗糙程度随制造工艺和表面光洁度的不同而变化。

　　在紊流中,有一个紧靠管壁的流体薄层,这个薄层的流体流动是层流,因此将该薄层称为“层流内层”。如果层流内层完全覆盖了管壁上的凸出物,水力学观点就认为,壁管可以看作是平滑的。但是,如果壁面凸出物伸出层流内层,那么,层流内层被打破了,管壁被认为是粗糙的。

　　因为层流内层的厚度随着雷诺数Re的增大而减小,所以在低雷诺数时,管道将表现出壁面的水力平滑性;而在很高雷诺数时,管道就表现出壁面的粗糙性。很高雷诺数是指当流动阻力与雷诺数Re无关而完全取决管道粗糙度时的雷诺数值。记住:层流中所有的管道都表现为平滑的。

　　因此判定,管壁的水力学行为和它的阻力性质由雷诺数Re和相对粗糙度ε/D决定。所以,有必要研究三种状态。

　　1·1　光滑管状态

　　这时,摩擦系数f仅仅是雷诺数Re的函数。在这种状态,摩擦系数和流动阻力都与相对粗糙度ε/D无关。这种状态被限定在Re和ε/D的值都小的情况,在这种情况下,管道的壁面凸出物完全被浸在层流边界层内。

　　1·2　过渡状态

　　这种状态,Re和ε/D都对流动阻力产生影响。因此,f是Re和ε/D的函数。

　　1·3　粗糙管状态

　　这种状态发生在Re和ε/D都很高的时候,这时,所有的壁面凸出物都突出于层流边界层。这样,f仅仅是ε/D的函数。

　　分类标准是: