流动阻力和能量损失

流动阻力和能量损失第1页，课件共61页，创作于2023年2月第五章流动阻力和能量损失

雷诺实验圆管中的层流圆管中的湍流管路中的沿程阻力管路中的局部阻力第2页，课件共61页，创作于2023年2月流体管内流动的能量损失第3页，课件共61页，创作于2023年2月能量损失的分类沿程能量损失局部能量损失流段内的总能量损失第4页，课件共61页，创作于2023年2月第一节雷诺实验第5页，课件共61页，创作于2023年2月流体流动的两种流动状态层流（滞流）当流速较小时，各流层间流体质点互不掺混，这种流动形态称为层流。湍流（紊流）当流速较大时，各流层间的流体质点相互剧烈掺混，这种运动形态称为紊流。

层流→湍流的平均速度上临界速度湍流→层流的平均速度下临界速度第6页，课件共61页，创作于2023年2月当管径一定，流体粘度一定时当管径改变，或流体粘度改变上临界雷诺数下临界雷诺数138002320当Re>13800，管中流动状态为湍流当Re<2320，管中流动状态为层流判别层流湍流的标准第7页，课件共61页，创作于2023年2月层流湍流形成的原因第8页，课件共61页，创作于2023年2月例题：水温为T＝15℃，管径为20mm的输水管，水流平均流速为8.0cm／s，试确定管中水流形态；若水温不变，求水流形态转化时的临界流速？若水流平均流速不变，求水流形态转化时的临界水温是多少?解：（1）水温为T＝15℃，水流为层流

（2）选取临界雷诺数为2000，计算临界流速当水温不变，u>11.4cm/s时，层流→紊流第9页，课件共61页，创作于2023年2月如果不改变流速，增加水温，水的粘滞系数减小，水流形态同样可以转变。查表得，当水温增大到30℃以上时，，水流形态将由层流转变为紊流。所以30℃为其水流形态转化的临界水温。第10页，课件共61页，创作于2023年2月管中层流湍流的水头损失规律列断面1和2之间的总流能量方程式：1122改变速度v，即可获得层流湍流情况下v与对应的hf值第11页，课件共61页，创作于2023年2月第12页，课件共61页，创作于2023年2月第二节圆管中的层流zOyxp1p2vl在圆管中取任意一个圆柱体，r,l,定常流动中处于平衡状态。受力状态一、速度分布第13页，课件共61页，创作于2023年2月圆管边界条件管中层流的速度分布规律第14页，课件共61页，创作于2023年2月二、速度分析与流量第15页，课件共61页，创作于2023年2月rdrR取半径r处宽度为dr的微小环形面积，则流量为哈根-泊肃叶定律测量粘度的依据第16页，课件共61页，创作于2023年2月平均速度三、平均速度和最大速度第17页，课件共61页，创作于2023年2月四、切应力分布牛顿内摩擦定律在层流的过流断面上，切应力与半径成正比K字形分布第18页，课件共61页，创作于2023年2月当r=R，管壁处的切应力管壁上的总摩擦力为第19页，课件共61页，创作于2023年2月五、沿程损失在等径管路中，由于流体与管壁以及流体本身的内部摩擦，使得流体能量沿流动方向逐渐降低。沿程损失压强损失水头损失功率损失第20页，课件共61页，创作于2023年2月压强损失哈根-泊肃叶方程平均速度表示第21页，课件共61页，创作于2023年2月水头损失——管路两端压强差水头之差第22页，课件共61页，创作于2023年2月第23页，课件共61页，创作于2023年2月功率损失用泵在管路中输送流体时，需要计算克服沿程阻力所消耗的功率，是泵选型的主要依据。单位重力流体的能量损失。第24页，课件共61页，创作于2023年2月六、层流起始段

从入口到层流速度呈现抛物线稳定的距离忽略起始段的影响P254，A值第25页，课件共61页，创作于2023年2月第三节圆管中的湍流主要特征流体质点相互掺混，作无定向、无规则运动，运动要素在时间和空间都是具有随机性质的运动。非恒定流流速分布比层流更均匀能量损失比层流更大第26页，课件共61页，创作于2023年2月t/sv速度脉动流体运动速度随时间瞬息变化压强脉动等统计时均法某段时间内的湍流时均特性时均流动用时均值表示的时均流动脉动运动脉动值表示的湍动粘度涡流粘度第27页，课件共61页，创作于2023年2月粘性底层、水力光滑管和水力粗糙管管壁的摩擦力和分子附着力的作用，管壁上有流体粘附；管壁处流体流速为零靠近管壁处的流体流动受到影响靠近管壁处的一定范围内大都是以层流为主靠近壁面处的层流层称为粘性底层δ第28页，课件共61页，创作于2023年2月粘性底层的厚度与流体的粘度成正比与流体运动速度成反比与沿程阻力系数有关。粘性底层过渡层湍流核心第29页，课件共61页，创作于2023年2月管子的材料、加工方法、使用条件以及使用年限等因素影响，使得管壁会出现各种不同程度的凹凸不平，它们的平均尺寸△称为绝对粗糙度。当δ>△时，管壁的凹凸不平部分完全被粘性底层覆盖，粗糙度对湍流核心几乎没有影响，水力光滑管；当δ<△时，管壁的凹凸不平部分暴露在粘性底层之外，湍流核心的运动流体冲击在凸起部分，不断产生新的旋涡，加剧湍流程度，增大能量损失，水力粗糙管。第30页，课件共61页，创作于2023年2月第31页，课件共61页，创作于2023年2月切应力分布和速度分布粘性切应力脉动切应力第32页，课件共61页，创作于2023年2月第四节管路中的沿程阻力将砂粒筛分后用漆涂于管子的内壁6种相对粗糙度的管路层流到湍流不同Re下的hf，计算出λ第33页，课件共61页，创作于2023年2月布拉修斯公式2320决定λ的唯一因素第34页，课件共61页，创作于2023年2月各个区域相对应的公式：P278，表5-4第35页，课件共61页，创作于2023年2月莫迪图第36页，课件共61页，创作于2023年2月第五节管路中的局部阻力管路的功能——输送流体为了保证流体输送中可能遇到的转向、调节、加速、升压、过滤、测量等需要，在管路上必需要装种种管路附件。弯头、三通、水表、变径段、进出口、过滤器、溢流阀、节流阀、换向阀等。流体流经这些管件受到扰动，产生压强损失，这类损失称为局部阻力损失。第37页，课件共61页，创作于2023年2月沿程阻力损失的表达式：局部阻力损失的表达式：——局部阻力系数将局部阻力损失折合成管中平均速度水头的若干倍。第38页，课件共61页，创作于2023年2月如果局部装置安装在等径管路中间，局部阻力系数只有一个。如果局部装置安装在两种直径的管路（变径管）中间，则会出现两个局部阻力系数。与局部装置前后速度水头相配合的阻力系数ξ一般与主管路的v相配合主管在局部装置前，用ξ1主管在局部装置后，用ξ2第39页，课件共61页，创作于2023年2月一、几种常用的局部阻力系数1.突然扩大第40页，课件共61页，创作于2023年2月2.逐渐扩大吉布松实验当扩张角为5-7°时，阻力最小。扩张角继续增大，阻力显著上升k第41页，课件共61页，创作于2023年2月3.突然缩小最小的收缩断面断面收缩系数0.010.10.20.30.40.50.60.70.81.00.6180.6240.6320.6590.6810.7120.7550.8310.89210.4900.4690.4310.3870.3430.2980.2570.2120.1610第42页，课件共61页，创作于2023年2月4.逐渐缩小这种管道不会出现流线脱离壁面的问题。组里的主要成分是沿程摩擦。常采用10-20°的收缩角。ξ=0.04第43页，课件共61页，创作于2023年2月5.管道的进出口管道出口看作是突然扩大管道进口看作是突然缩小第44页，课件共61页，创作于2023年2月管道入口稍加修圆管道入口呈圆滑曲线第45页，课件共61页，创作于2023年2月6.弯管流动惯性，在弯管和折管的内侧产生流线分离形成漩涡。外侧流体冲击壁面增加液流的混乱。过流断面上，外侧压强大于内侧压强，产生回流。Θ=90°弯管第46页，课件共61页，创作于2023年2月90°弯管的局部阻力系数0.10.20.30.40.50.60.70.80.91ξ0.1320.1380.1580.2060.2940.4400.6610.9771.4081.978折管的局部阻力系数θ2040608090100110120130160ξ0.0460.1390.3640.7410.9851.2601.5601.8612.1502.431第47页，课件共61页，创作于2023年2月三通接头90°和45°三通闸板阀与截止阀液压附件%102030405060708090全ξ160156.53.21.81.10.60.30.180.1ξ28524127.55.74.84.44.14.03.9第48页，课件共61页，创作于2023年2月二、水头损失的叠加原则ξ是在不受其他阻力干扰的孤立条件下测定的。如果几个局部阻力互相靠近、彼此干扰，则测定值又有不同。实际安装情况变化较多，难以预知。实际计算时按算数加法求和。第49页，课件共61页，创作于2023年2月局部阻力损失沿程阻力损失局部阻力的当量管长管路的总阻力长度第50页，课件共61页，创作于2023年2月局部阻力损失沿程阻力损失当量局部阻力系数管路的总阻力系数第51页，课件共61页，创作于2023年2月第六节管路计算管路结构特点等径、串联、并联、分支计算特点短管计算水头损失中沿程和局部损失各占一定比例；长管计算水头损失中绝大部分为沿程损失，其局部阻力损失相对可以忽略不计；管路特性第52页，课件共61页，创作于2023年2月一、短管计算例题：水泵管路如图，铸铁管直径150mm，长度为180mm。管路上装有滤水网（ξ=6）一个，全开截止阀一个，管半径与曲率半径之比为0.5的弯头3个，高程为100m，流量为225m3/h，水温20℃.试求水泵输出的功率。h第53页，课件共61页，创作于2023年2月解：首先需要判断流动状态查表：20℃水的粘度铸铁管非光滑管湍流过渡区第54页，课件共61页，创作于2023年2月过渡区局部阻力系数：入口：0.5弯头：0.294x3截止阀：3.9滤水网：6出口：1第55页，课件共61页，创作于2023年2月水泵的扬程水泵的输出功率第56页，课件共61页，创作于2023年2月二、管路特性一条管路上水头H与流量qV之