流体阻力与流体损失课件

第五章 流动阻力与水头损失§5-1

概述§5-2

黏性流体的流动型态§5-3

均匀流基本方程§5-4

圆管中的层流运动§5-5

圆管中的紊流运动§5-8

局部水头损失§5-7 边界层理论简介第五章 流动阻力与水头损失§5-1 概述§5-2 黏性流体第五章 流动阻力与水头损失(6学时)一、本章学习要点:流动阻力与水头损失的基本概念黏性流体的流动型态沿程水头损失与切应力的关系圆管中的层流运动圆管中的紊流运动局部水头损失第五章 流动阻力与水头损失(6学时)一、本章学习要点:§5-1 概述一、章目解析从力学观点看，本章研究的是流动阻力。产生流动阻力的原因：内因：黏性＋惯性；外因：外界干扰。从能量观点看，本章研究的是能量损失(水头损失)。二、研究内容内流(如管流、明渠流等)：研究hw的计算(本章重点)外流(如绕流)：研究CD的计算§5-1 概述一、章目解析从力学观点看，本章研究的是流动阻力三、流动阻力和水头损失的两种形式hf：沿程水头损失，由沿程阻力引起hm：局部水头损失，由局部阻力引起总水头损失：三、流动阻力和水头损失的两种形式hf：沿程水头损失，由沿程阻§5-2黏性流体的流动型态一、雷诺实验1883年英国物理学家雷诺按图示试验装置对黏性流体进行实验，提出了流体运动存在两种型态：层流和紊流。§5-2黏性流体的流动型态一、雷诺实验1883紊流形成过程的分析选定流层流速分布曲线ττ干扰FFFFFFFFFFFF升力涡体紊流形成条件涡体的产生雷诺数达到一定的数值紊流形成过程的分析选定流层流速分布曲线ττ干扰FFFFFFFOsborneReynolds(1842-1916)OsborneReynolds(1842-1916)OsborneReynolds(1842-1916)UnitedKingdomOsborneReynolds(1842-1916)流体阻力与流体损失课件

雷诺在观察现象的同时，测量，绘制的关系曲线。层流：紊流：雷诺在观察现象的同时，测量，绘制二、流态判别1.试验发现二、流态判别1.试验发现2.判别标准圆管：取2.判别标准圆管：取非圆管：定义水力半径为特征长度。相对于圆管有故取非圆管：定义水力半径为特征长度。相对于圆管有故[例1]水流经变截面管道，已知d2/d1=2，则相应的Re2/Re1=?[解]因故[例1]水流经变截面管道，已知d2/d1=2，则相应的Re§5-3均匀流基本方程一、均匀流基本方程1.对如图所示恒定均匀有压管流，建立1、2两断面的伯努利方程，得流体用于克服阻力所消耗的能量全部由势能提供。§5-3均匀流基本方程一、均匀流基本方程1.对如图所示恒流体阻力与流体损失课件2.在s方向列动量方程，得：式中：2.在s方向列动量方程，得：式中：3.联立可得均匀流基本方程上式对层流、紊流均适用。二、过流断面上切应力τ的分布仿上述推导，可得任意r处的切应力：考虑到，有故（线性分布）3.联立可得均匀流基本方程上式对层流、紊流均适用。二、过流三、沿程水头损失hf的通用公式由均匀流基本方程计算，需先求出。因据π定理：故三、沿程水头损失hf的通用公式由均匀流基本方程式中，为沿程阻力系数。代入可得沿程水头损失的通用公式——达西公式：令式中，为沿程阻力系数。代入§5-4圆管中的层流运动一、过流断面上的流速分布据rur0§5-4圆管中的层流运动一、过流断面上的流速分布据rur积分，代入边界条件后得：——旋转抛物面分布积分，代入边界条件后得：——旋转抛物面分布最大流速：流量：最大流速：流量：二、断面平均流速二、断面平均流速三、沿程水头损失由和得：三、沿程水头损失由和得：与hf的通用公式比较，可得圆管层流时沿程阻力系数：四、动能、动量修正系数与hf的通用公式比较，可得圆管层流时沿程阻力系数：四、动能、§5-5圆管中的紊流运动一、紊流的特征主要特征：流体质点相互掺混，作无定向、无规则的运动，运动要素在时间和空间都具有随机性质的脉动，如图所示。§5-5圆管中的紊流运动一、紊流的特征主要特征：流体质点时间平均紊流：恒定紊流与非恒定紊流的含义。紊流的脉动性使过流断面上的流速分布比层流的更均匀，但能量损失比层流更大。严格来讲，紊流总是非恒定的。紊流瞬时运动要素可表示如下：

上述公式表明紊流运动可看做为一个时间平均流动和一个脉动流动的叠加。时间平均紊流：恒定紊流与非恒定紊流的含义。紊流的脉动性使过流二、紊流切应力紊流切应力τ包括黏性切应力τ1和紊流附加切应力τ2两部分，即其中：这里称为混合长度，可用经验公式或计算。二、紊流切应力紊流切应力τ包括黏性切应力τ1和紊流附加切应力三、黏性底层水力光滑、水力粗糙的含义。黏性底层一般只有十分之几个毫米，但对流动阻力的影响较大。三、黏性底层水力光滑、水力粗糙的含义。黏性底层一般只有流体阻力与流体损失课件四、过流断面上的流速分布黏性底层区紊流核心区水力粗糙区水力光滑区四、过流断面上的流速分布黏性底层区紊流核心区水力粗糙区五、沿程阻力系数λ的变化规律及影响因素1.尼古拉兹实验简介JohannNikuradse五、沿程阻力系数λ的变化规律及影响因素1.尼古拉兹实验简介J流体阻力与流体损失课件层流区（I）：2.实验成果层、紊流过渡（Ⅱ）：紊流光滑区（Ⅲ）：紊流过渡区（Ⅳ）：紊流粗糙区（Ⅴ）：层流区（I）：2.实验成果层、紊流过渡（Ⅱ）：紊六、λ的计算公式层、紊流过渡区（Ⅱ）：空白层流区（I）：六、λ的计算公式层、紊流过渡区（Ⅱ）：空白层流区（I）：紊流光滑区（Ⅲ）：紊流过渡区（Ⅳ）：(尼古拉兹光滑管公式)紊流光滑区（Ⅲ）：紊流过渡区（Ⅳ）：(尼古拉兹光紊流粗糙区（Ⅴ）：紊流粗糙区（Ⅴ）：适合紊流区的公式：

而适合紊流区的公式：而LewisMoody为便于应用柯列勃洛克公式，莫迪将其制成莫迪图。LewisMoody为便于应用柯列勃洛克公式，莫迪将其制成§5-7边界层理论简介一.边界层理论的提出二.边界层的定义边界层——紧贴固壁不能忽略黏滞性影响的流动区域。§5-7边界层理论简介一.边界层理论的提出二.三.边界层分离的概念边界层的分离——当流体流经边壁转变流段时，发生主流脱离边壁伴随旋涡产生的流动现象。三.边界层分离的概念边界层的分离——当流体流经边壁转变流段时§5-8局部水头损失一、局部水头损失产生的原因边壁急骤变形发生边界层分离，引起能量损失；流动方向变化造成的二次流损失；旋涡区的存在是造成局部水头损失的主要原因。

局部水头损失与沿程水头损失一样，也与流态有关，但目前仅限于紊流研究，且基本为实验研究。§5-8局部水头损失一、局部水头损失产生的原因边壁急骤变二、圆管突然扩大的局部水头损失1、由1-2断面建立伯努利方程，可得（1）二、圆管突然扩大的局部水头损失1、由1-2断面建立伯努利方程2、在s方向列动量方程式中：引入实验结果（2）2、在s方向列动量方程式中：引入实验结果（2）3、联立（1）、（2），并取，得（包达公式）3、联立（1）、（2），并取三、局部水头损失通用公式式中：ξ=f(Re,边界情况)，称为局部阻力系数，一般由实验确定。三、局部水头损失通用公式式中：ξ=f(Re,边界情况)，称为例：自水池中引出一根具有不同直径的水管。已知d=50mm，D=200mm，l=100m，H=12m，局部阻力系数ζ进=0.5，

ζ阀=5.0，沿程阻力系数λ=0.03，求管中通过的流量。例：自水池中引出一根具有不同直径的水管。已知d=50mm，例:如图所示，水箱中的水通过垂直管道向大气出流，设水箱水深H，管道直径为d，长度l，沿程阻力系数，进口局部阻力系数，试问在什么条件下，流量Q不随管长l的增加而增加？例:如图所示，水箱中的水通过垂直管道向大气出流，设水箱水深H[例]密度为ρ的流体在水平等径长直管道中作恒定流动。已知λ（沿程阻力系数）、d（管径）和v（流速），试推导相距l的两过流断面间压强差△p=p1-p2的计算式，并由此导出流动相似的模型率（即相似准则）。【解】在相距的两过流断面间建立恒定总流的伯努利方程

由题意可知，式中

故得两过流断面间的压强差[例]密度为ρ的流体在水平等径长直管道中作恒定流动。已知λ（因模型和原型流动的相似必可用同一物理方程来描述，故有或

写成比尺关系为因模型和原型流动的相似必可用同一物理方程来描述，故有或写成即流动相似的模型率为欧拉准则。

从上面分析可知，对于恒定有压管流，欧拉数因此，当流动处于层流区、层紊流过渡区、紊流光滑区、紊流过渡区时，按几何相似和黏性力相似进行模型实验设计，就可保证压力相似；但当流动处于紊流粗糙区时，流动阻力与雷诺数无关，该流动范围通常称为自模区，流动处于自模区时，则只需按几何相似进行模型实验设计即可。即流动相似的模型率为欧拉准则。从上面分析可知，对于恒定有本章重点掌握

沿程水头损失的计算

局部水头损失的计算黏性流体的流动型态（层流、紊流）及其判别复习题：若同一流体流经两根长度相同、但管材不同的等径长直管道，当雷诺数相等时，它们的水头损失在（）是相同的。A、层流区B、层、紊过渡区C、紊流光滑区D、紊流过渡区E、紊流粗糙区若在同一长直等径管道中用不同液体进行实验，当流速相同时，其沿程水头损失在（）是相同的。

A、层流区B、紊流光滑管区C、紊流过度区D、紊流粗糙管区本章重点掌握沿程水头损失的计算局部水头损失的如图A、B二种截面管道，已知二管长度相同，通过流量相同，沿程水头损失系数相同，则二管道的沿程水头损失

。D.尚不能确定大小流速由v1变为v2的突然扩大管如图示，若中间加一中等直径的管段，使形成两次突然扩大，则当两次扩大的总局部水头损失最小时与一次扩大的局部水头损失之比hm2/hm1为（）

A.1:2B.1:4C.2:1D.4:1如图A、B二种截面管道，已知二管长度相同，通过流量相同，已知管内水流流动处于紊流粗糙管区，此时，若增大流量，则管路沿程损失hf与沿程损失系数λ的相应变化为(

)

A、hf与λ都增大

B、hf与λ都减小