流体力学讲义 第六章 流动阻力及能量损失2

1、第六章 流动阻力及能量损失    本章主要研究恒定流动时，流动阻力和水头损失的规律。对于粘性流体的两种流态层流与紊流，通常可用下临界雷诺数来判别，它在管道与渠道内流动的阻力规律和水头损失的计算方法是不同的。对于流速，圆管层流为旋转抛物面分布，而圆管紊流的粘性底层为线性分布，紊流核心区为对数规律分布或指数规律分布。对于水头损失的计算，层流不用分区，而紊流通常需分为水力光滑管区、水力粗糙管区及过渡区来考虑。本章最后还阐述了有关的边界层、绕流阻力及紊流扩散等概念。第一节  流态判别一、两种流态的运动特征 1883年英国物理学家雷诺（Reynolds

2、O.）通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态。 1.层流 层流（laminar flow），亦称片流：是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。特点：（1）有序性。水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。（2）粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。（3）能量损失与流速的一次方成正比。（4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。2.紊流 紊流（turbulent flow），亦称湍流：是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。特点：（1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互混掺，为无序的随机

3、运动。（2）紊流受粘性和紊动的共同作用。（3）水头损失与流速的1.752次方成正比。（4）在流速较大且雷诺数较大时发生。二、雷诺实验   如图6-1所示，实验曲线分为三部分：   （1）ab段：当<c时，流动为稳定的层流。   （2）ef段：当>''时，流动只能是紊流。   （3）be段：当c<<''时，流动可能是层流（bc段），也可能是紊流（bde段），取决于水流的原来状态。 图6-1 图6-2  实验结果（图6-2）的数学表达式     层流： m1=1.0, hf

4、=k1v , 即沿程水头损失与流线的一次方成正比。   紊流： m2=1.752.0, hf =k2v 1.752.0 ，即沿程水头损失hf与流速的1.752.0次方成正比 。                                  

5、60;        层流：     紊流：   三、层流、紊流的判别标准临界雷诺数        临界雷诺数      上临界雷诺数：层流紊流时的临界雷诺数，它易受外界干扰，数值不稳定。 下临界雷诺数：紊流层流时的临界雷诺数，是流态的判别标准，它只取决于水流边界的形状，即水流的过水断面形状。   变直径管流中，细断面直径d1，粗断面直径d2=2d1，则粗细断面雷诺数关系是Re

6、1=2Re2。   圆管流                  （5-1）     层流     紊流   明渠流                         

7、; （5-2）   式中：R水力半径，R=A/P；        A过水断面面积；        P湿周，即断面中固体边界与流体相接触部分的周长。   例：某段自来水管，d=100mm，v=1.0m/s。水温10，（1）试判断管中水流流态？（2）若要保持层流，最大流速是多少？ 解:（1）水温为10时，水的运动粘度，由下式计算得：     则：   即：圆管中水流处在紊流状态。   （2）   要保持层流，最

8、大流速是0.03m/s。   判断：有两个圆形管道，管径不同，输送的液体也不同，则流态判别数（雷诺数）不相同。错  想一想：1.怎样判别粘性流体的两种流态层流和紊流？ 答案： 用下临界雷诺数Rec来判别。当雷诺数Re<Rec时，流动为层流，Re>Rec时,流动为紊流。当为圆管流时,2300，当为明渠流时。(R为水力半径)           2.为何不能直接用临界流速作为判别流态（层流和紊流）的标准？ 答案：因为临界流速跟流体的粘度、流体的密度和管径（当为圆管流时

9、）或水力半径（当为明渠流时）有关。而临界雷诺数则是个比例常数，对于圆管流为2300（2000），对于明渠流为575（500），应用起来非常方便。 思  考  题 1.雷诺数与哪些因数有关？其物理意义是什么？当管道流量一定时，随管径的加大，雷诺数是增大还是减小？雷诺数与流体的粘度、流速及水流的边界形状有关。Re=惯性力/粘滞力, 随d增大，Re减小2.为什么用下临界雷诺数，而不用上临界雷诺数作为层流与紊流的判别准则？    答：上临界雷诺数不稳定，而下临界雷诺数较稳定，只与水流的过水断面形状有关。 3.当管流的直径由小变大时，其下临界雷诺数如何变化？ &#

10、160;  答：不变，临界雷诺数只取决于水流边界形状，即水流的过水断面形状。 第二节    不可压缩流体恒定圆管层流一、恒定均匀流沿程损失的基本方程 1.恒定均匀流的沿程水头损失 图6-3    在均匀流中，有v1=v2，图6-3列1-1断面与2-2断面的能量方程（4-15），得：       （6-3）     说明：（1）在均匀流情况下，两过水断面间的沿程水头损失等于两过水断面间的测压管水头的差值，即液体用于克服阻力所消耗的能量全部由势能提供

11、。     （2）总水头线坡度J沿程不变，总水头线是一倾斜的直线。     问题：水在垂直管内由上向下流动，相距l的两断面间，测压管水头差h，两断面间沿程水头损失hf，则： A.hf=h;  B.hf=h+l；  C.hf=l-h；   D.hf=l。 2.均匀流基本方程式     取断面1及2间的流体为控制体：           （6-4）    均匀流

12、基本方程式                        （6-5）    式中R=A/P为水力半径。     适用范围：适用于有压或无压的恒定均匀层流或均匀紊流。      二、切应力分布   如图6-4（a）所示一水平恒定圆管均匀流，R=r0/2，则由式（6-5）可

13、得              （6-6）     同理可得：                            （6-7）     所以圆管层流的切应力分布为

14、0;              （6-8）     或                                （6-9）

15、         物理意义：圆管均匀流的过水断面上，切应力呈直线分布，管壁处切应力为最大值0，管轴处切应力为零（图6-4(b)）。  图6-4(a) 图6-4(b)问题：圆管层流流动过流断面上切应力分布为： A.在过流断面上是常数；  B.管轴处是零，且与半径成正比； C.管壁处是零，向管轴线性增大； D. 按抛物线分布。 三、流速分布   牛顿内摩擦定律       积分得：   又边界上r=r0时，u=0代入得： 

16、0;    1.圆管层流的流速分布              （6-10）   物理意义： 圆管层流过水断面上流速分布呈旋转抛物面分布。   2.最大流速   圆管层流的最大速度在管轴上（r=0）：    （6-11）   3.断面平均流速     （6-12）   即圆管层流的平均流速是最大流速的一半。    问题：在圆管流中，层流的断面流速分布

17、符合：A.均匀规律；        B.直线变化规律； C.抛物线规律；    D. 对数曲线规律。 问题： 圆管层流，实测管轴线上流速为4ms，则断面平均流速为：A. 4ms；    B. 3.2ms；   C. 2ms；    D. 1ms。四、沿程损失 圆管层流的沿程水头损失可由式（6-12）求得：     （6-13）  式中：沿程阻力系数。   物理意义：圆管层流中，沿程水头损失与断面平

18、均流速的一次方成正比，而与管壁粗糙度无关。   适用范围：1.只适用于均匀流情况，在管路进口附近无效。            2.推导中引用了层流的流速分布公式，但可扩展到紊流，紊流时l值不是常数。   填空：圆管层流，实测管轴线上流速为4m/s，则断面平均流速为2m/s。   例1  =0.85g/cm3的油在管径100mm,v=0.18cm2/s的管中以v=6.35cm/s的速度作层流运动，求 （1）管中心处的最大流速；（2）在离管中心r=2

19、0mm处的流速； （3）沿程阻力系数 ；（4）管壁切应力0及每km管长的水头损失。 解 :（1）求管中心最大流速，由式（6-12）得     （2）离管中心r=20mm处的流速，由式（6-10）得     写成   当r=50mm时，管轴处u=0，则有0=12.7-K52，得K=0.51，则r=20mm在处的流速     （3）沿程阻力系数   先求出Re     （层流）   则   （4）切应力及每千米管长的水头损失     例2  

20、;  应用细管式粘度计测定油的粘度，已知细管直径d=6mm，测量段长l=2m ，如图6-5。实测油的流量Q=77cm3/s，水银压差计的读值hp=30cm，油的密度=900kg/m3。   试求油的运动粘度和动力粘度。 解: 列细管测量段前、后断面能量方程（4-15）      设为层流     图6-5       校核状态     ，为层流。 五、圆管流的起始段   图6-6中起始段长度l：从进口速度接近均匀到管中心流速到达最大值的距离。 图6-6&#

21、160; 且   式中,b为系数，随入口后的距离而改变。  在计算hf时，若管长l>>l´，则不考虑起始段，否则要加以考虑分别计算。 思  考  题 1.圆管层流的切应力、流速如何分布？    答：直线分布，管轴处为0，圆管壁面上达最大值；旋转抛物面分布，管轴处为最大，圆管壁面处为0。 2.如何计算圆管层流的沿程阻力系数？该式对于圆管的进口段是否适用？为什么？    答：否；非旋转抛物线分布 3.为什么圆管进口段靠近管壁的流速逐渐减小，而中心点的流速是逐渐增大的？    答

22、：连续性的条件的要求：流量前后相等（流量的定义） 第三节  紊流理论基础一、紊流的特点   无序性：流体质点相互混掺，运动无序，运动要素具有随机性。   耗能性：除了粘性耗能外，还有更主要的由于紊动产生附加切应力引起的耗能。   扩散性：除分子扩散外，还有质点紊动引起的传质、传热和传递动量等扩散性能。   观看录像一>>          观看录像二>> 二、紊流切应力表达式   1.紊流运动要素的脉动及其时均化 

23、0; 时间平均流速：流体质点的瞬时速度始终围绕着某一平均值而不断跳动（即脉动），这一平均值就称作时间平均流速（图6-7）。       （6-14）   或 图6-7  紊流强度：是脉动量的特征值，指脉动值的均方值的平方根，即 。 脉动量的特点：   脉动量的时均值为零，即。   各脉动量的均方值不等于零，即。  想一想：紊流的瞬时流速、时均流速、脉动流速、断面平均流速有何联系和区别？问题：紊流的瞬时流速、时均流速、脉动流速、断面平均流速有何联系和区别？ 答案：     瞬时

24、流速 ，为某一空间点的实际流速，在紊流流态下随时间脉动；     时均流速，为某一空间点的瞬时速度在时段T内的时间平均值；     脉动速度 与时均速度的叠加等于瞬时速度；     断面平均速度v，为过流断面上各点的流速（紊流是时均速度）的断面平均值。     2.紊流切应力   紊流流态下，紊流切应力：        （6-15）   矩形断面风洞中测得的切应力数据如图6-8： 图6-8  说明

25、：   1）在雷诺数较小时，脉动较弱，粘性切应力占主要地位。   2）雷诺数较大时，脉动程度加剧，紊流附加切应力加大，在已充分发展的紊流中，粘性切应力与紊流附加切应力相比忽略不计。   3）沿断面切应力分布不同，近壁处以粘性切应力为主（称粘性底层）。  紊流时的切应力有哪两种形式？它们各与哪些因素有关？各主要作用在哪些部位？答：粘性切应力主要与流体粘度和液层间的速度梯度有关，主要作用在近壁处。附加切应力主要与流体的脉动程度和流体的密度有关，主要作用在紊流核心处脉动程度较大地方。  a.粘性切应力v：   从时均紊流的概念出发，各液层之

26、间存在着粘性切应力：     式中: 时均流速梯度。   b.紊流附加切力t:   液体质点的脉动导致了质量交换，形成了动量交换和质点混掺，从而在液层交界面上产生了紊流附加切应力t：       的推导   由动量定律可知：   动量增量等于紊流附加切应力T产生的冲量（图6-9），即：       图6-9  由质量守恒定律得：     符号相反 由此可得二元紊流切应力表达式      （6-16

27、）   注意：紊流附加切应力是由微团惯性引起的，只与流体密度和脉动强弱有关，而与流体粘性无直接关系。   判断：紊流附加切应力与粘性切应力均与流体的密度和脉动强度有关。 对 错3.紊流动量传递理论普兰特混合长度理论   紊流附加切应力中，脉动流速 均为随机量，不能直接计算，无法求解切应力。所以1925年德国力学家普兰特比拟气体分子自由程的概念，提出了混合长理论。   a.普兰特假设：   （1）不可压缩流体质点在从某流速的流层因脉动uy'进入另一流速的流层时，在运动的距离L1（普兰特称此为混合长度）内，微团保持其本来的流动特征不变。 &

28、#160; 在混合长度L1内速度增量：     （2）普兰特假设脉动速度与时均流速差成比例，即：          （6-17）   式中:亦称混合长度，但已无直接物理意义。在紊流的固体边壁或近壁处，普兰特假设混合长度正比于质点到管壁的径向距离，即：              （6-18）   式中:k由实验决定的无量纲常数。例如圆管层流k=0.4。    

29、    y至壁面的距离。   考考你:普兰特混合长度理论借用了气体中分子自由程的概念。   b.紊流切应力的表达式   （6-19）   式中：涡流粘度，是紊动质点间的动量传输的一种性质。不取决于流体粘性，而取决于流体状况及流体密度。        运动涡流粘度，不是流体的一种属性，而取决于混合长度及流速梯度等紊流特性。     判断：涡流粘度和动力粘度都与流体的粘滞性有关。对错 三、紊流的基本方程   对N-S方程（3-12

30、）和连续性方程（3-9）进行时间平均即可得出紊流的时均流动方程。   连续性方程   （6-20）   N-S方程（x方向）   （6-21）   式中：   由于脉动产生的附加法应力 统称为雷诺应力   由于脉动产生的附加切应力   它们是紊流传输项，也是造成紊流动量交换及质点混掺的主要原因。在紊流边界层外侧或紊流扩散中，雷诺应力远远超过粘性切应力。 四、紊流流速分布  1. 粘性底层，紊流核心（圆管）的概念（图6-10）   粘性底层（viscous sublayer）：圆管作紊流运动时，靠

31、近管壁处存在着一薄层，该层内流速梯度较大，粘性影响不可忽略，紊流附加切应力可以忽略，速度近似呈线性分布， 这一薄层就称为粘性底层。   紊流核心：粘性底层之外的液流统称为紊流核心。 图6-10 判断：紊流核心的切应力以附加切应力为主，粘性切应力可以忽略。对错2. 粘性底层   a.粘性底层的流速分布  由牛顿内摩擦定律（1-6）式：                     得&

32、#160;            则                             （6-22）  式中：剪切流速，或称摩阻流速。   结论：粘性底层中的流速随y呈线性分布。   b.粘性底层厚度 &

33、#160; 实验资料表明：当时,，则粘性底层厚度为            （6-23）    式中：Re管内流动雷诺数；         沿程阻力系数。   说明:（1）粘性底层厚度很薄，一般只有十分之几毫米。       （2）当管径d相同时，随着液流的流动速度增大，雷诺数增大，粘性底层变薄。   c.圆管壁面水力特性   根据粘性底层厚度1与管

34、壁的粗糙度的关系，在不同的Re流动状态下，任一圆管的壁面均可能呈现下列三种水力状态：   水力光滑壁面（管）（hydraulic smooth wall）：   当管内流动雷诺数较小时，粘性底层厚度1较大，以至于粘性底层足以覆盖全部粗糙，管壁的粗糙度对紊流结构基本上没有影响，水流就象在光滑的壁面上流动一样。这种情况在水力学中称为水力光滑壁面（管）。   水力粗糙壁面（管）（hydraulic rough wall）：   当粘性底层厚度1足够小，以致粗糙度对紊流切应力起决定性作用，其粗糙突出高度伸入到紊流流核中，成为涡旋的策源地，从而加剧了紊流的脉动作用

35、，水头损失也较大，这种情况在水力学中称为水力粗糙壁面（管）。   水力过渡区壁面（管）（transition region wall ）：   介于水力光滑管区与水力粗糙管区之间的区域的紊流阻力受粘性和紊动同时作用，这个区域称为过渡区。 想一想：若原圆管壁面处于水力光滑壁面的水力状态，随着圆管中流速的逐渐增加，其水力状态将如何变化？ 水力光滑壁面 水力过渡壁面 水力粗糙壁面 3.紊流核心区的流速分布   a.对数规律分布   普兰特假设:   （1）切应力为一常量，且其值等于边壁处的切应力0，即=0；   （2）混合长度l随着离边壁的

36、距离y呈线性变化（6-18），即l=ky。   则：                (6-24)  说明：在紊流核心区（y>dl），紊流流速呈对数规律分布。     b.圆管流速的指数规律分布   普兰特卡门根据实验资料得出了圆管紊流流速分布的指数公式：   (6-25)  式中:n随Re增大而减小的指数。   对于光滑管：1.当Re<1.1×105时，称为紊流流速

37、分布的七分之一定律。              2.若Re增加，n值减小，例当Re2×106时， 。 问题：在圆管流中，紊流的断面流速分布符合： A.均匀规律； B.直线变化规律； C.抛物线规律； D.对数曲线规律。     思考题 1.紊流研究中为什么要引入时均概念？紊流时，恒定流与非恒定流如何定义？  把紊流运动要素时均化后，紊流运动就简化为没有脉动的时均流动，可对时均流动和脉动分别加以研究

38、。紊流中只要时均化的要素不随时间变化而变化的流动，就称为恒定流。 2.瞬时流速、脉动流速、时均流速和断面平均流速的定义及其相关关系怎样？   瞬时流速u，为流体通过某空间点的实际流速，在紊流状态下随时间脉动；时均流速，为某一空间点的瞬时流速在时段T内的时间平均值；脉动流速，为瞬时流速和时均流速的差值，；断面平均流速v，为过水断面上各点的流速（紊流是时均流速）的断面平均值， 。 3.紊流时的切应力有哪两种形式？它们各与哪些因素有关？各主要作用在哪些部位？   粘性切应力主要与流体粘度和液层间的速度梯度有关。主要作用在近壁处。   附加切应力主要与流体的脉动

39、程度和流体的密度有关，主要作用在紊流核心处脉动程度较大地方。  4.紊流中为什么存在粘性底层？其厚度与哪些因素有关？其厚度对紊流分析有何意义？ 参考答案：  在近壁处，因液体质点受到壁面的限制，不能产生横向运动，没有混掺现象，流速梯度du/dy很大，粘滞切应力=du/dy仍然起主要作用。      粘性底层厚度与雷诺数、质点混掺能力有关。   随Re的增大，厚度减小。粘性底层很薄，但对能量损失有极大的影响。  5.紊流时断面上流层的分区和流态分区有何区别？   粘性底层，紊流核心：粘性、流速分布

40、与梯度;     层流、紊流：雷诺数 6.圆管紊流的流速如何分布？   粘性底层：线性分布;     紊流核心处：对数规律分布或指数规律分布。 第四节 恒定紊流能量方程一、水流阻力与水头损失   产生流动阻力和能量损失的根源：流体的粘性和紊动。  1.水头损失的两种形式 （1）沿程阻力和沿程水头损失       沿程阻力（frictional drag）：当限制流动的固体边界使流体作均匀流动时，流动阻力只有沿程不变的切应力，该阻力称为沿

41、程阻力。   沿程水头损失（frictional head loss）：由沿程阻力作功而引起的水头损失称为沿程水头损失。       （2）局部阻力和局部水头损失     观看录像>>   局部阻力（local resistance）：液流因固体边界急剧改变而引起速度分布的变化，从而产生的阻力称为局部阻力。     局部水头损失（local head loss）：由局部阻力作功而引起的水头损失称为局部水头损失。 （3）特点   沿程水

42、头损失hf：主要由于“摩擦阻力”所引起的，随流程的增加而增加。在较长的直管道和明渠中是以hf为主的流动。   局部阻力水头损失hj ：主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水流内部结构遭受破坏，产生漩涡，以及在局部阻力之后，水流还要重新调整结构以适应新的均匀流条件所造成的。例“弯头”，“闸门”，“突然扩大”等。 （4）水头损失的叠加原理   水头损失叠加原理：流段两截面间的水头损失为两截面间的所有沿程损失和所有局部损失的总和。即：   （6-26）   式中：n等截面的段数；      

43、60;  m局部阻力个数。 不同固体边界下的水头损失如图6-11： 图6-11判断：在一直管中流动的流体，其水头损失包括沿程水头损失与局部水头损失。对错2.沿程水头损失公式   （1）魏斯巴赫（Weisbach）公式     实验表明：               （6-27）     式中：沿程阻力系数。        

44、60; R水力半径，R=A/P。     适用范围：适用于任意形状等截面流道的恒定均匀流。   （2）圆管流的达西-魏斯巴赫公式（简称为D-W公式）     圆管的R=d/4，则     （6-28）     适用范围：适用于圆管紊流或层流，为恒定均匀管流的通用公式。     判断：有两根管道，一根输油管，一根输水管，当直径、长度、边界粗糙度均相等时，则沿程水头损失必然相等。对错   （3）谢才公式   &

45、#160; （6-29）    式中：C谢才系数，。通常按经验公式确定。     适用范围：适用于各种流态或流区。但是当C按经验公式曼宁公式和巴甫洛夫斯基公式确定时，只适用于处于紊流粗糙管区（阻力平方区）时的明渠、管道均匀流，如明渠流、有压混凝土管流、有压隧洞流等。     选择：半圆形明渠，半径r0=4m，水力半径为：  4m 3m 2m 1m     判断：谢才系数C是一个无量纲的纯数。 你的回答：错   （4）谢才系数的计算   

46、  a.计算常用公式：         由式（6-27）可得         （6-30）     适用范围：适用于任何流区。     b.曼宁公式             （6-31）    适用范围：适用于水流处于阻力平方区的均匀流。   

47、60; c.巴甫洛夫斯基公式          （6-32）     适用范围：适用于水流处于阻力平方区的均匀流，且0.1mR3.0m，0.011n0.04。     式中：R水力半径（m）；     n糙率。 二、圆管中沿程阻力系数的确定   1.尼古拉兹实验曲线   第1区层流区，=f(Re)，=64/Re。   第2区层流转变为紊流的过渡区，=f(Re)。  

48、第3区水力光滑管区，紊流状态，Re>3000,=f(Re)。   第4区由“光滑管区”转向“粗糙管区”的紊流过渡区，=f(Re,/d)。   第5区水力粗糙管区或阻力平方区，=f(/d)。水流处于发展完全的紊流状态，水流阻力与流速的平方成正比，故又称阻力平方区。 问题1：水从水箱经水平圆管流出，开始为层流。在保持水位不变的条件下，改变水的温度，当水温由低向高增加时，出流与水温的关系为：A.流量随水温的增加而增加；    B.流量随水温的增加而减小；C.开始流量随水温的增加而显著增加，当水温增加到某一值后，流量急剧减小；D.开始流

49、量随水温的增加而显著减小，当水温增加到某一值后，流量急剧增加，之后流量变化很小。       问题2： 谢才公式只能用于水流的粗糙区。错   2.圆管紊流的流动分区：光滑区、粗糙区、过渡区。        3.人工粗糙管的沿程阻力系数的半经验公式 例1：  某水管长l=500m，直径d=200mm，管壁粗糙突起高度=0.1mm，如输送流量Q=10 l/s，水温t=10 ，计算沿程水头损失为多少？   解：   

50、60;     t=10    =0.01310cm2/s          故管中水流为紊流。     由式（6-33）计算：         先假设=0.021，则         所以=0.021满足要求       （也可以查莫迪图，当Re=48595按光滑管查，得：=0.0208

51、 ） 例2    有一新的给水管道，管径d=400mm，管长l=100m，糙率n=0.011，沿程水头损失hf=0.4m，水流属于紊流粗糙区，问通过的流量为多少？   解  管道过水断面面积         水力半径         利用曼宁公式（6-31）计算C值，则             所以流量    

52、;     例3     一混凝土衬砌的圆形断面隧洞，管径d=2000mm，管长l=100m，通过流量Q=31.4m3/s，糙率n=0.014，试求该隧洞的洞程水头损失hf。   解  隧洞中流动一般均为紊流粗糙区，故可应用谢才公式。         所以     其中：             将以上各值代入hf式中得

53、60;    三、局部水头损失   1.局部水头损失hj的一般表达式   (6-38)  式中：局部水头损失系数。   2.突然扩大管道的s的确定   动量方程(4-30):（令1=2=1.0，水平放置管道，如图6-12）     能量方程(4-15):（令1=2=1.0）     连续性方程(4-7):   图6-12  联立上述三个方程可得：     (6-39)   3.突然扩大的局部水头损失公式  

54、           (6-40)    或             (6-41)     说明：紊流的局部水头损失与流速平方成正比。   注意：局部阻力系数与流速之间的对应关系。   想一想：造成局部水头损失的主要原因是什么？  主流脱离边壁，漩涡区的形成。4.出口损失系数0（图6-13）   管道突然扩大

55、到水池或容器，有，则  （6-42） 图6-13  5.管道突然缩小的损失系数s（图6-14）   （6-43）   图6-146.进口损失系数e  （图6-15）                          （6-44）  式中：s随进口形状接近流线型化程度增大而减小。 

56、                    图6-15  考考你： 1.管径突变的管道，当其它条件相同时，若改变流向，在突变处所产生的局部水头损失是否相等？为什么？   不等；固体边界不同，如突扩与突缩 2.局部阻力系数与哪些因素有关？选用时应注意什么？   固体边界的突变情况、流速；局部阻力系数应与所选取的流速相对应。 3.如何减小局部水头损失？   让固体边界接近于流线型。 四

57、、总水头损失   总水头损失为所有沿程水头损失和所有局部损失的总和，即：    例    如图6-16所示流速由v1变为v2的突然扩大管中，如果中间加一中等粗细管段使形成两次突然扩大，略去局部阻力的相互干扰，即用叠加方法。试求（1）中间管中流速为何值时，总的局部水头损失最小；（2）计算总的局部水头损失，并与一次扩大时相比较。   解（1）两次突然扩大时的局部水头损失为     图6-16    中间管中流速为v，使其总的局部水头损失最小时   &

58、#160;     即     得     （2）总的局部损失为          因为一次突然扩大时的局部水头损失  ，所以两次突然扩大时总的局部水头损失为一次突然扩大时的二分之一。   圆管流体流动流态特点 第五节  边界层概念一、边界层的提出   1.边界层（boundary layer）：   亦称附面层，雷诺数很大时，粘性小的流体（如空气或水）沿固体壁面流动（或固体在流体中运动）时壁面附

59、近受粘性影响显著的薄流层，如图6-17。      判断：边界层内流体流动与粘性底层流体流动都属于层流。错   2.流场的求解可分为两个区进行   根据边界层的概念，可将流场的求解可分为两个区进行：   边界层内流动必须计入流体的粘性影响可利用动量方程求得近似解。   边界层外流动视为理想流体流动，可按势流求解。 图6-17二、层流边界层和紊流边界层   1.边界层的描述   普兰特把贴近于平板边界存在较大切应力 ，粘性影响不能忽略的薄层称为边界层，图6-18。   边界中的水流同样存在两种流态

60、：层流和紊流。 图6-18  2.边界层的厚度   边界层厚度（boundary layer thickness）：自固体边界表面沿其外法线到纵向流速ux达到主流速U0的99%处，这段距离称为边界层厚度。边界层的厚度顺流增大，即是x的函数。   3.转捩点，临界雷诺数   转捩点：在x=xcr处边界层由层流转变为紊流的过渡点。   临界雷诺数：      (6-45)   特点：临界雷诺数的大小与来流的脉动程度有关，脉动强，小。    想一想：什么是边界层？提出边界层概念对水

61、力学研究有何意义？   边界层是指贴近平板很薄的流层内，速度梯度很大，粘性的影响不能忽略的薄流层。它的提出为解决粘性流体绕流问题开辟了新途径，并使流体绕流运动中一些复杂现象得到解释。4.层流边界层与紊流边界层（图6-19）   层流边界层（laminar boundary layer）：当边界层厚度d较小时，边界层内的流速梯度很大，粘滞应力的作用也很大，这时边界层内的流动属于层流，这种边界层称为层流边界层。   紊流边界层（turbulence boundary layer）：当雷诺数达到一定数值时，边界层中的层流经过一个过渡区后转变为紊流，就成为紊流边

62、界层。   在紊流边界层内，最紧靠平板的地方，dux/dy仍很大，粘滞力仍起主要作用，其流态仍为层流，所以紊流边界层内有一粘性底层。 图6-19  光滑平板边界层   临界雷诺数的范围：   临界雷诺数并非常量，而是与来流的扰动程度有关，如果来流受到扰动，脉动强，流态的改变在较低的雷诺数就会发生。     边界层厚度   层流边界层   紊流边界层 (6-46) (6-47)  5.边界层特点   （1）边界层厚度为一有限值（当ux0.99u时）   （2）边界层厚度沿程增加（=(x)

63、）   （3）边界层内：；边界层外：按理想流体或有势流动计算。   （4）边界层分层流边界层和紊流边界层。   想一想：边界层内是否一定是层流？影响边界层内流态的主要因素有哪些？   否，有层流、紊流边界层；粘性、流速、距离 三、边界层分离   1.边界层分离（separation of boundary layer）：因压强沿流动方向增高，边界层内流体从壁面离开的现象称边界层分离。     平板绕流的边界层分离，如图6-20。   压强梯度保持为零，即dp/dx=0   无论板有多长，都不会发生分离，这

64、时边界层只会沿流向连续增厚。   压强沿程增大，即p2>p1或梯度 dp/dx>0   边界层迅速地增厚，压强的增大（流速减小）和阻力增大使边界层内动量减小，如两者共同作用在一足够长的距离，致使边界层内流体流动停滞下来，分离便由此而生，自分离点B起，边界流线必脱离边界，其下游近壁处形成回流（或涡旋），在分离点：   （6-48）   （6-49） 图6-20 问题1：理想流体的绕流    分离现象。A.不可能产生；    B.会产生；C.随绕流物体表面变化会产生； 

65、; D.根据来流状况判别是否会产生。    问题2：对于层流边界层，    和    都将加速边界层分离： A.减小逆压梯度，减小运动粘度；B.增加逆压梯度，减小运动粘度；C.减小逆压梯度，增加运动粘度；D.增加逆压梯度，增加运动粘度。   问题3：  物体表面的曲率越大，越易发生边界分离，且边界分离的尾涡区也越大。    2.尾流   尾流：分离流线与物体边界所围的下游区域，如图6-21。   减小尾流的

66、主要途径：使绕流体型尽可能流线型化。   图6-21  想一想：边界层分离是如何形成的？如何减小尾流的区域？  因压强沿流动方向增高，以及阻力的存在，使得边界层内动量减小，而形成了边界层的分离。使绕流体型尽可能流线型化，则可减小尾流的区域。 第六节  潜体阻力一、潜体阻力（绕流阻力）   a.潜体阻力：平行于流体方向的分力D。   潜体阻力分压差阻力和摩擦阻力（边界层内的粘性阻力）两种，如图6-22。 图6-22  b.绕流阻力的计算   （6-50）   式中：  流体密度；  &#

67、160;        u0未受扰动的来流流体与绕流体的相对速度；           A绕流物体的迎流面积。          Cd绕流阻力系数，其值主要取决于绕流体体型和Re。小球体Cd可按下式计算：   (Re<1.0) （6-51） (1.0 <Re<103) (103 <Re<2×105)   适用范围：适用于各种体型

68、的绕流阻力。 升力L   升力：垂直于流动的分力L，该力只可能发生在非对称（或斜置对称）的绕流体上。   （6-52）   式中：  Cl升力系数          A与来流方向平行平面的绕流体侧向投影面积。 二、球体绕流阻力   球体绕流阻力的计算公式   （6-53）   式中：  d球体直径；u0球体远处流体速度。     分析微粒沉降，可计算球形微粒沉降的极限流，根据力的平衡原理，球体浮力与其所受阻力之和应与球重相等：     球形微粒沉降的极限速度为：   （6-54）   式中与分别为球体和流体的容重。它可用于设计沉淀池、清淤及污水处理等方面的分析。  想一想：何谓绕流阻力，怎样计算