粘性流体运动及其阻力计算

粘性流体运动及其阻力计算第一页，共六十页，编辑于2023年，星期三运用能量方程式确定流动过程中流体所具有的能量变化，需要解决能量损失项

的计算。不可压缩流体在流动过程中，流体之间因相对运动切应力作功，以及流体与固壁之间摩擦力作功，都是靠损失流体自身所具有的机械能来补偿的。为了得到能量损失的规律，必须同时分析各种阻力的特性，研究壁面特征的影响，以及产生各种阻力的机理。本章主要讨论粘性流体的运动状态、管中流动的特点及其流动阻力的计算。引言第二页，共六十页，编辑于2023年，星期三4.1流体运动与流动阻力的两种形式一、流动阻力的影响因素过流断面上影响流动阻力的因素有两个：一是过流断面的面积A，二是过流断面与固体边界接触的周界长X，简称湿周。当流量相同的流体流过面积相等而湿周不等的两种过流断面时，湿周长的过流断面给予的阻力大；当流量相同炖的流体流过湿周相等而面积不等的两种过流断面时，面积小的过流断面给予的阻力大。结论：流动阻力与湿周大小成正比，与过流断面面积成反比。水力半径R:第三页，共六十页，编辑于2023年，星期三4.1流体运动与流动阻力的两种形式二、流体运动与流动阻力的两种形式1.均匀流动和沿程损失流体运动时的流动为直线，且相互平行的流动为均匀流动，否则为非均匀流动。均匀流动中，流体所受到的阻力只有由于流体的粘性形成阻碍流体运动不变的摩擦阻力，单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失。其中称为沿程阻力系数，它与雷诺数和管道表面的粗糙度有关，是一个无量纲数，由实验确定。第四页，共六十页，编辑于2023年，星期三4.1流体运动与流动阻力的两种形式二、流体运动与流动阻力的两种形式2.非均匀流动和局部损失过流断面流动方向改变，速度重新分布，质点间进行动量交换而产生的阻力称为局部阻力。流体克服局部阻力所消耗的机械能称为局部损失。单位重量流体的局部损失称为局部水头损失为其中：为局部阻力系数，是一个由实验确定的无量纲数。工程上的管路系统既有直管段又有阀门弯头等局部管件。在应用总流伯努利方程进行管路水力计算时，所取两断面之间的能量损失既有沿程损失又有局部损失。应分段计算再叠加，即第五页，共六十页，编辑于2023年，星期三4.1流体运动与流动阻力的两种形式二、流体运动与流动阻力的两种形式第六页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、雷诺实验实验装置颜料水箱玻璃管细管阀门4.2流体运动的两种状态第七页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、雷诺实验(续)实验现象过渡状态紊流层流层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。着色流束为一条明晰细小的直线。紊流：流体质点作复杂的无规则的运动。着色流束与周围流体相混，颜色扩散至整个玻璃管。过渡状态：流体质点的运动处于不稳定状态。着色流束开始振荡。4.2流体运动的两种状态第八页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、雷诺实验(续)实验现象(续)4.2流体运动的两种状态第九页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、两种流动状态的判定1、实验发现2、临界流速——下临界流速——上临界流速层流：不稳定流：紊流：流动较稳定流动不稳定4.2流体运动的两种状态第十页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、两种流动状态的判定（续）3、临界雷诺数层流：不稳定流：紊流：——下临界雷诺数——上临界雷诺数工程上常用的圆管临界雷诺数层流：紊流：雷诺数4.2流体运动的两种状态第十一页，共六十页，编辑于2023年，星期三三、沿程损失与流动状态实验装置4.2流体运动的两种状态第十二页，共六十页，编辑于2023年，星期三三、沿程损失与流动状态(续)实验结果结论：沿程损失与流动状态有关，故计算各种流体通道的沿程损失，必须首先判别流体的流动状态。层流：紊流：4.2流体运动的两种状态第十三页，共六十页，编辑于2023年，星期三

以倾斜角为的圆截面直管道的不可压缩粘性流体的定常层流流动为例。pp+(p/l)dlmgrr0xhgdl受力分析：重力:侧面的粘滞力:两端面总压力:4.3圆管中的层流第十四页，共六十页，编辑于2023年，星期三轴线方向列力平衡方程pp+(p/l)dlmgrr0xhgdl两边同除r2dl得由于得，一、切向应力分布

4.3圆管中的层流第十五页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、速度分布

将

代入

得，对r积分得，

当r=r0时vx=0，得

故：

4.3圆管中的层流第十六页，共六十页，编辑于2023年，星期三三、最大流速、平均流速、圆管流量、压强降1.最大流速管轴处:

2.平均流速3.圆管流量水平管:

4.3圆管中的层流第十七页，共六十页，编辑于2023年，星期三三、最大流速、平均流速、圆管流量、压强降(续)4.压强降(流动损失)水平管:

结论：层流流动得沿程损失与平均流速得一次方成正比。4.3圆管中的层流第十八页，共六十页，编辑于2023年，星期三四、其它公式1.动能修正系数α结论：圆管层流流动的实际动能等于按平均流速计算的动能的二倍2.壁面切应力(水平管)4.3圆管中的层流第十九页，共六十页，编辑于2023年，星期三四、其它公式1.动能修正系数α结论：圆管层流流动的实际动能等于按平均流速计算的动能的二倍2.壁面切应力(水平管)4.3圆管中的层流第二十页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、紊流流动、时均值、脉动值、时均定常流动1.紊流流动流体质点相互掺混，作无定向、无规则的运动，运动在时间和空间都是具有随机性质的运动,属于非定常流动。4.4圆管中的紊流第二十一页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、紊流流动、时均值、脉动值、时均定常流动(续)2.时均值、脉动值在时间间隔t内某一流动参量的平均值称为该流动参量的时均值。瞬时值某一流动参量的瞬时值与时均值之差，称为该流动参量的脉动值。时均值脉动值4.4圆管中的紊流第二十二页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、紊流流动、时均值、脉动值、时均定常流动(续)3.时均定常流动空间各点的时均值不随时间改变的紊流流动称为时均定常流动，或定常流动、准定常流动。4.4圆管中的紊流第二十三页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、紊流中的切向应力普朗特混合长度层流：摩擦切向应力紊流：摩擦切向应力附加切向应力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+1.紊流中的切向应力由动量定律可知：

动量增量等于紊流附加切应力△T产生的冲量4.4圆管中的紊流第二十四页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、紊流中的切向应力普朗特混合长度(续)2.普朗特混合长度abba(1)流体微团在从某流速的流层因脉动vy'进入另一流速的流层时，在运动的距离l（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。普朗特假设:(2)脉动速度与时均流速差成比例4.4圆管中的紊流第二十五页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、紊流中的切向应力普朗特混合长度(续)2.普朗特混合长度(续)4.4圆管中的紊流第二十六页，共六十页，编辑于2023年，星期三三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失1.粘性底层、圆管中紊流的区划、水力光滑与水力粗糙粘性底层:

粘性流体在圆管中紊流流动时，紧贴固体壁面有一层很薄的流体，受壁面的限制，脉动运动几乎完全消失，粘滞起主导作用，基本保持着层流状态，这一薄层称为粘性底层。

圆管中紊流的区划:2.紊流充分发展的中心区1.粘性底层区3.由粘性底层区到紊流充分发展的中心区的过渡区4.4圆管中的紊流第二十七页，共六十页，编辑于2023年，星期三三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续)1.粘性底层、圆管中紊流的区划、水力光滑与水力粗糙(续)水力光滑与水力粗糙粘性底层厚度：

水力粗糙：<管壁的粗糙凸出的平均高度：

水力光滑：>紊流区域完全感受不到管壁粗糙度的影响。

管壁的粗糙凸出部分有一部分暴露在紊流区中，管壁粗糙度紊流流动发生影响。

4.4圆管中的紊流第二十八页，共六十页，编辑于2023年，星期三三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续)2.圆管中紊流的速度分布(1)光滑平壁面假设整个区域内=w=常数粘性底层内粘性底层外因切向应力速度(摩擦速度)4.4圆管中的紊流第二十九页，共六十页，编辑于2023年，星期三三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续)2.圆管中紊流的速度分布(续)(2)光滑直管具有与平壁近似的公式速度分布:最大速度:平均速度:4.4圆管中的紊流第三十页，共六十页，编辑于2023年，星期三三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续)2.圆管中紊流的速度分布(续)(2)光滑直管(续)其它形式的速度分布:(指数形式)

Re

n

v/vxmax平均速度:4.4圆管中的紊流第三十一页，共六十页，编辑于2023年，星期三三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续)2.圆管中紊流的速度分布(续)(3)粗糙直管速度分布:最大速度:平均速度:紊流u层流u4.4圆管中的紊流第三十二页，共六十页，编辑于2023年，星期三三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续)3.圆管中紊流的沿程损失(1)光滑直管(2)粗糙直管实验修正后4.4圆管中的紊流第三十三页，共六十页，编辑于2023年，星期三实验目的：

沿程损失:层流:紊流:在实验的基础上提出某些假设，通过实验获得计算紊流沿程损失系数λ的半经验公式或经验公式。代表性实验:尼古拉兹实验莫迪实验4.5圆管流动沿程阻力系数的确定第三十四页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、尼古拉兹实验实验对象:不同直径圆管不同流量不同相对粗糙度实验条件:实验示意图:4.5圆管流动沿程阻力系数的确定第三十五页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、尼古拉兹实验(续)尼古拉兹实验曲线4.5圆管流动沿程阻力系数的确定第三十六页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、尼古拉兹实验(续)尼古拉兹实验曲线的五个区域层流区管壁的相对粗糙度对沿程损失系数没有影响。2.过渡区不稳定区域，可能是层流，也可能是紊流。4.5圆管流动沿程阻力系数的确定第三十七页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、尼古拉兹实验(续)尼古拉兹实验曲线的五个区域(续)紊流光滑管区沿程损失系数与相对粗糙度无关，而只与雷诺数有关。勃拉休斯公式：尼古拉兹公式：卡门-普朗特公式：4.5圆管流动沿程阻力系数的确定第三十八页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、尼古拉兹实验(续)尼古拉兹实验曲线的五个区域(续)紊流粗糙管过渡区沿程损失系数与相对粗糙度和雷诺数有关。洛巴耶夫公式：阔尔布鲁克公式：兰格公式：4.5圆管流动沿程阻力系数的确定第三十九页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、尼古拉兹实验(续)尼古拉兹实验曲线的五个区域(续)紊流粗糙管平方阻力区沿程损失系数只与相对粗糙度有关。尼古拉兹公式：此区域内流动的能量损失与流速的平方成正比，故称此区域为平方阻力区。4.5圆管流动沿程阻力系数的确定第四十页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、莫迪实验实验对象:不同直径工业管道不同流量不同相对粗糙度实验条件:4.5圆管流动沿程阻力系数的确定第四十一页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、莫迪实验(续)莫迪实验曲线4.5圆管流动沿程阻力系数的确定第四十二页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、莫迪实验(续)莫迪实验曲线的五个区域1.层流区——层流区2.临界区3.光滑管区5.完全紊流粗糙管区4.过渡区——紊流光滑管区——过渡区——紊流粗糙管过渡区——紊流粗糙管平方阻力区4.5圆管流动沿程阻力系数的确定第四十三页，共六十页，编辑于2023年，星期三与圆形管道相同之处:沿程损失计算公式雷诺数计算公式上面公式中的直径d需用当量直径D来代替。与圆形管道不同之处:4.6非圆形截面管道沿程阻力计算第四十四页，共六十页，编辑于2023年，星期三当量直径为4倍有效截面与湿周之比，即4倍水力半径。一、当量直径D二、几种非圆形管道的当量直径计算1.充满流体的矩形管道4.6非圆形截面管道沿程阻力计算第四十五页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、几种非圆形管道的当量直径计算（续）2.充满流体的圆环形管道d2d13.充满流体的管束S1S1S2d4.6非圆形截面管道沿程阻力计算第四十六页，共六十页，编辑于2023年，星期三4.6非圆形截面管道沿程阻力计算三、用菜西公式进行计算

令：则：由此流量及速度的计算公式分别为：式中：i为单位长度的沿程损失，为蔡西系数，为流量模数第四十七页，共六十页，编辑于2023年，星期三局部损失：ζ用分析方法求得，或由实验测定。局部损失产生的原因：主要是由流体的相互碰撞和形成漩涡等原因造成4.8管路中的局部损失第四十八页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、管道截面突然扩大流体从小直径的管道流往大直径的管道112v2A2v1A12取1-1、2-2截面以及它们之间的管壁为控制面。连续方程动量方程能量方程4.8管路中的局部损失第四十九页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、管道截面突然扩大(续)112v2A2v1A12将连续方程、动量方程代入能量方程，以小截面流速计算的以大截面流速计算的4.8管路中的局部损失第五十页，共六十页，编辑于2023年，星期三一、管道截面突然扩大(续)管道出口损失速度头完全消散于池水中4.8管路中的局部损失第五十一页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、管道截面突然缩小流体从大直径的管道流往小直径的管道v2A2v1A1vcAc流动先收缩后扩展，能量损失由两部分损失组成4.8管路中的局部损失第五十二页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、管道截面突然缩小(续)v2A2v1A1vcAc由实验等直管道随着直径比由0.115线性减小到14.8管路中的局部损失第五十三页，共六十页，编辑于2023年，星期三二、弯管AA'CBD'D流体在弯管中流动的损失由三部分组成:2.由切向应力产生的沿程损失1.形成漩涡所产生的损失3.由二次流形成的双螺旋流动所产生的损失4.8管路中的局部损失第五十四页，共六十页，编辑于2023年，星期三[例C3.6.3]沿程损失：已知管道和流量求沿程损失求：冬天和夏天的沿程损失hf解：冬天层流夏天湍流冬天(油柱)夏天(油柱)已知:d＝20cm,l＝3000m的旧无缝钢管,ρ＝900kg/m3,Q＝90T/h.,在 冬天为1.092×10-4m2/s,夏天为0.355×10-4m2/s在夏天，查旧无缝钢管等效粗糙度ε=0.2mm,ε/d=0.001查穆迪图λ2=0.0385第五十五页，共六十页，编辑于2023年，星期三[例C3.6.3A]沿程损失：已知管道和压降求流量求：管内流量Q

解：穆迪图完全粗糙区的λ＝0.025,设λ1＝0.025,由达西公式查穆迪图得λ2＝0.027,重新计算速度查穆迪图得λ2＝0.027已知:d＝10cm,l＝400m的旧无缝钢管比重为0.9,

=10-5m2/s的油第五十六页，共六十页，编辑于2023年，星期三[例C3.6.3B]沿程损失：已知沿程损失和流量求管径求：管径d应选多大

解：由达西公式

已知:l＝400m的旧无缝钢管输送比重0.9,

=10-5m2/s的油Q=0.031