热工与流体力学基础(蒋祖星版)

1、36441 热力与流体力学基础 1-115 主编第一篇工程流体力学第二篇工程热力学第四章流动阻力与管路水力计算第一节流动阻力与水头损失流体流经直管段和各种管件时受到的阻力是不相同的，产生的能量损失也不同，为了便于分析和计算，工程计算中常将能量损失分为两类：沿程损失和局部损失，它们的机理和计算方法各有不同。一、沿程阻力与沿程损失流体在管径、管壁形状沿程不变的流道上（过流断面的大小和形状都不随流程而变）流过时，其所受到的阻力将沿程不变，这种流动阻力称为沿程阻力。流体克服这一阻力产生的能量损失称为沿程损失。单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失，用符号hf来表示。在图4 1中，hfAB、hfBC、h

2、fCD分别是AB、BC、CD管段的沿程水头损失。第四章流动阻力与管路水力计算二、局部阻力与局部损失当流道边界发生急剧变化时，过流断面的大小和形状以及流道中流体速度的分布都会发生急剧变化，造成局部的阻力损失。这种阻力称为局部阻力。由此引起的能量损失称为局部损失。单位重量流体的局部损失称为局部水头损失，以符号hj表示。在图4 1中，hjA、hjB、hjC分别为A、B、C三个管道截面突变处的局部水头损失。第四章流动阻力与管路水力计算第四章流动阻力与管路水力计算图4-1沿程损失与局部损失第四章流动阻力与管路水力计算第二节流体流动的基本形态实践表明，管道中流体流动的速度不同，流体的流动状态不同。1883

3、年英国学者雷诺通过大量实验发现，流体运动存在两种不同的形态，即层流和湍流。一、雷诺实验和流态雷诺实验装置如图4 2所示，在水箱A的侧壁连接一根玻璃管B，玻璃管末端装有一个阀门C，用以调节玻璃管中水的流量，在水箱的上方放置一个小容器D，其中盛有密度与水箱内液体密度相近的有颜色的液体。从小容器引出一根细管E，细管下端弯向玻璃管的进口，有颜色液体的流量由装在细管上的小阀F调节，使有颜色的液体也流入玻璃管中。第四章流动阻力与管路水力计算图4-2雷诺实验装置二、流态判别准则临界雷诺数第四章流动阻力与管路水力计算三、当量直径解：1)管中的雷诺数Re为2)空气保持层流的最大流速为第四章流动阻力与管路水力计算

4、第三节管流沿程水头损失计算实际工程中大多数流体处于湍流状态，但在粘性较大的润滑油系统和输油管路中，也会出现层流状态。因此，研究层流运动的沿程阻力损失，仍然具有一定的实际意义，同时也有助于进一步分析湍流的沿程损失。一、圆管层流运动沿程损失计算1.均匀流动方程式第四章流动阻力与管路水力计算均匀流动是指流速大小和方向均沿流程不变的流动。由于这种流动只能发生在壁面（截面形状、大小、表面粗糙度等）不发生任何变化的直管段上，所以在均匀流动时，只有沿程损失，没有局部损失。为了寻找沿程损失的变化规律，需要先建立沿程损失和沿程阻力之间的关系式，又称为均匀流动方程式。图4-3圆管均匀流动第四章流动阻力与管路水力计

5、算第四章流动阻力与管路水力计算第四章流动阻力与管路水力计算2.圆管层流过流断面上的切应力与流速(1)切应力分布对于均匀流，J不随r变化。第四章流动阻力与管路水力计算图4-4圆管层流过流断面上的切应力和速度(2)速度分布第四章流动阻力与管路水力计算第四章流动阻力与管路水力计算第四章流动阻力与管路水力计算3.圆管层流运动时的沿程阻力系数第四章流动阻力与管路水力计算第四章流动阻力与管路水力计算解：v=Q/A=4Q/=475/m/s=0.96m/s二、圆管湍流的沿程损失计算实际工程中，除少数流动为层流外，绝大多数都属于湍流运动，因此湍流的特征和运动规律在解决工程实际问题中有重要的作用。1.湍流脉动现象

6、与时均法第四章流动阻力与管路水力计算图4-5湍流速度的脉动第四章流动阻力与管路水力计算第四章流动阻力与管路水力计算图4-6湍流结构2.湍流结构、水力光滑管和水力粗糙管第四章流动阻力与管路水力计算(1)湍流结构实验证明，流体在管内作湍流运动时，并非整个过流断面上都为湍流(见图4-6)。(2)水力光滑管和水力粗糙管任何管道的内壁都不可能绝对光滑，总有凹凸不平现象，如图4-7所示。图4-7水力光滑管和水力粗糙管第四章流动阻力与管路水力计算3.湍流阻力与流速分布(1)湍流阻力在湍流中，流体内部不仅存在着因流层间的时均流速不同而产生的粘滞切应力，而且还存在着由于脉动使流体质点之间发生动量交换而产生的惯性

7、切应力。第四章流动阻力与管路水力计算(2)湍流速度分布实验证明，流体在管道中作湍流运动时，过流断面上的速度分布如图4-8所示。第四章流动阻力与管路水力计算图4-8湍流速度分布第四章流动阻力与管路水力计算4.湍流沿程阻力系数的确定由于湍流的复杂性，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l，只能借助实验研究总结一些经验或半经验公式。(1)尼古拉兹实验为了得到l的变化规律，尼古拉兹在类似图4-2所示的实验台上，采用人工粗糙管(管内壁上均匀敷有粒度相同的砂粒)进行了大量实验。第四章流动阻力与管路水力计算图4-9尼古拉兹实验曲线1)第区为层流区。第四章流动阻力与管路水力计算2)第区为层流与

8、湍流的临界区。3)第区为湍流光滑区。4)第区为湍流过渡区。5)第区为湍流粗糙区(也称为阻力平方区)。(2)莫迪实验为了得到实际管道的l值，莫迪在1848年用天然粗糙的工业管道做了与尼古拉兹相类似的实验。图4-10莫迪图第四章流动阻力与管路水力计算表4-1常用工业管道的当量粗糙度(k)(3)湍流l的计算公式除了莫迪图外，很多学者还根据资料总结出了关于实际管道l值的计算公式和区域划分方法。2 3201 000d/k时为湍流粗糙区。在该区，计算l值的常用公式有第四章流动阻力与管路水力计算0.32(d/k)1281 000,所以按长管计算，第四章流动阻力与管路水力计算忽略局部损失和速度水头。【案例分析

9、与知识拓展】案例1：虹吸管第四章流动阻力与管路水力计算图4-22虹吸管第四章流动阻力与管路水力计算第四章流动阻力与管路水力计算第四章流动阻力与管路水力计算第四章流动阻力与管路水力计算案例2：管路水击现象在有压管路中，由于某些外界原因（例如阀门的突然启闭、水泵机组突然停车等）使管中流速突然发生变化，从而导致压力急剧升高和降低，这种交替变化的水力现象称为水击，又称为水锤。水击发生时所产生的升压值可达管路正常工作压力的几十倍，甚至上百倍。这种大幅度的压力波动具有很大的破坏性，往往会引起管路系统强烈振动，严重时会造成阀门破裂、管路接头脱落，甚至管路爆裂等重大事故。第四章流动阻力与管路水力计算图4-23

10、水击强度随时间变化第四章流动阻力与管路水力计算【本章小结】一、沿程阻力和局部阻力损失沿程阻力损失是因流体运动时的摩擦引起的，其损失的能量主要用于克服粘滞摩擦力，其大小与流程长度成正比。局部阻力损失是因局部流动边界形状的变化引起的，其损失的能量主要用于维持局部的旋涡运动，其大小与管长无关，只发生于流道局部阻碍处，主要取决于流道的边界形状。二、雷诺实验与流态通过雷诺实验分析得到了层流和湍流的特征。流体作层流运动时，流线相互平行，流体质点间无横向对流混合作用，流动较平稳。流体流速较大时，由于流动惯性力的增大，流体会作湍流运动，此时流动出现旋涡扰动，流体质点出现横向对流混合运动。第四章流动阻力与管路水

11、力计算三、沿程阻力系数的计算对于管内层流运动，管截面上的流速呈抛物线分布，粘滞切应力呈线性分布，其沿程阻力系数与雷诺数成反比，即=64/Re。管内湍流运动可简化为时均流动与脉动流动的叠加。其管截面上的时均速度为对数曲线分布，其沿程阻力系数可根据管壁相对粗糙度及雷诺数的相对大小，按推荐的经验或半经验公式进行计算。四、局部阻力系数的计算管流局部阻力系数的大小主要与边界形状、壁面相对粗糙度及雷诺数有关。管流局部阻力系数的大小可根据不同的边界形状选择不同的计算公式或实验数据来确定。通过对管道进口、变径处、弯头处和分支或汇流处的流动边界进行处理，使其过渡尽量平缓，这样能有效减少管流局部阻力系数。第四章流动阻力与管路水力计算五、管路水力计算管路水力计算一般分为设计计算和校核计算。进行管路水