流動阻力

流體流動阻力：流體在管路系統(tǒng)中的流動可以分為在均勻直管中的流動，產(chǎn)生以表面摩擦為主的沿程阻力；在各種管件象閥門、彎管、設備進出口等中的流 動，由于流道變向、截面積變化、流道分叉匯合等 產(chǎn)生以逆壓差或渦流為主的局部阻力。

流動邊界的物體對流動流體的作用力。它與流體流動的方向相反，由動量傳遞而產(chǎn)生。流動阻力是粘性流體中動量傳遞研究的基本問題之一。流動阻力的反作用力，即流體對物體的作用力，稱為曳力(drag)。對于管流，流動阻力通常用流體的壓力降表示，此壓力降造成的機械能（壓能）降低不能再恢復，亦即部分機械能遭受損失,通稱阻力損失。對于繞流,更多地注意曳力。只要來流即物體上游流體速度均勻，流體繞過靜止物體的流動，與物體在靜止流體中的運動是等同的。因此，工程上常在流動流體中置入靜止的模型，以模擬物體在靜止流體中的運動。

1506年，意大利科學家達·芬奇首先提出物體在流體中運動會受到阻力的觀點，此后I.牛頓等著名科學家都曾作有關研究，然而直到邊界層理論產(chǎn)生之后，才認識到流動阻力的實質。產(chǎn)生阻力的原因，早期只考慮物體前部的形狀，后來發(fā)現(xiàn)物體后部的形狀才是量重要的。物體后部發(fā)生的邊界層分離，對流動阻力起決定性的影響。

種類　分為摩擦阻力和壓差阻力。摩擦阻力是物體表面剪切力產(chǎn)生的流動阻力，其方向與流體運動方向相反。壓差阻力則是垂直于物體表面的壓力產(chǎn)生的對流體流動的阻力，其方向也與流體運動方向相反。兩種阻力常同時存在。以流體繞過某物體的流動為例，兩種阻力的相對大小取決于下列三個因素：①物體的形狀，如果物體是球那樣的鈍體，邊界層分離較早，壓差阻力是主要的。對于流線型物體，邊界層不分離或分離較遲，則壓差阻力較小，摩擦阻力是主要的。②由物體特征長度決定的雷諾數(shù)的大小，雷諾數(shù)決定邊界層中的流動狀態(tài)。湍流邊界層摩擦阻力較大，但因分離推遲，往往壓差阻力較小；層流則相反，摩擦阻力較小，而壓差阻力較大。③物體表面的粗糙度，粗糙表面的摩擦阻力較大，但粗糙表面可促進邊界層湍化，使分離推遲，從而減小壓差阻力。

阻力計算　繞流時阻力F的計算式為：式中Cd為阻力系數(shù);u為來流速度;A為物體在垂直于運動方向上的投影面積；ρ為流體密度。阻力系數(shù)Cd的大小取決于物體形狀和雷諾數(shù)。如液體繞流圓球時的阻力系數(shù)Cd與Re的關系曲線（見繞流）。

流體在管道中流動時，直管的阻力主要是摩擦阻力，又稱沿程阻力。摩擦阻力表示為壁面上的剪切應力τw,其計算式為：式中f稱為范寧摩擦系數(shù)；u為流體平均速度。τw與管內壓力降 Δp成正比，所以管內摩擦阻力常以壓力降表示，計算式為：式中l(wèi)為管長；d為管道直徑；λ是摩擦系數(shù)(λ=4f），它是Re數(shù)和粗糙度ε（管壁上突出物的平均高度）的函數(shù)，即：

λ=φ(Re,ε/d)

上述函數(shù)關系可由實驗或理論計算得到（見管流）。管內流體流經(jīng)各種局部障礙物（例如閥門和管內構件），或通道截面積突然擴大或縮小時所產(chǎn)生的阻力主要是壓差阻力，工程上稱為局部阻力。這時雖然也有摩擦阻力存在，但一般很小，可以忽略。對于管流局部阻力的計算常用下式：式中ξ為局部阻力系數(shù)，其值由實驗確定。

研究流動阻力的意義　在工程應用上，研究流動阻力的目的是：①計算能量消耗，確定所需加入流動系統(tǒng)的外功，以便選擇流體輸送機械。②尋求減小阻力的方法，以減少能耗。例如：為降低彎曲通道中的阻力，可設置導流葉片；為減小壓差阻力，可使物體具有圓頭尖尾的細長外形(流線型)；為減小通道截面變化時的局部阻力，可采用截面逐漸變化的通道；為降低減壓精餾塔的塔板壓力降，可采用漸縮通道小孔的文丘里塔板。③通過改變流動阻力進行流量的調節(jié)和分配或改善流動截面上的流速分布，即流體均布。例如：在流化床反應器中采用高壓力降分布板，迫使流體沿流動截面均勻分布，以消除因床層波動而引起的流體分布不均現(xiàn)象。