流体力学 水力学 流动阻力和水头损失

1、第四章流动形态及其水头损失，4.1流动阻力和水头损失的分类，流动阻力，摩擦阻力：流体有粘性和横向流速梯度，产生摩擦阻力。 差压阻力：局部地区固体边界的形状和大小急剧变化，有局部障碍，流动的内部结构产生解离和涡流，流线弯曲，流速分布变化，流动的相对运动增加，产生差压阻力。 水头损失、沿路水头损失hf :在均匀的流动中，水流的阻力是摩擦阻力，能量损失是沿路水头损失hf。 局部水头损失hj :在不均匀流动中，水流产生的阻力是摩擦阻力和差压阻力，其产生的能量损失是局部水头损失hj。 总水头损失： hw=hf hj、摩擦阻力、停滞解离差压阻力、惯性解离差压阻力、惯性解离差压阻力、4.2实际液体流动的两种

2、形态4.2.1雷诺试验、4.2.2流状态的判别-雷诺数、雷诺数：非圆形过水截面的临界雷诺数：管流的临界雷诺数管流下的临界雷诺数： Rec=2000非圆形过水断面雷诺数：例4-1，有圆形送水管，直径d为2.0cm，管中水流的断面平均流速为1m/s，水温t=15，并尝试判别管中水流的类型。 通过石油时，如果其他条件相同，则询问流动状态是层流还是湍流(t=15时，石油=0.6cm2/s，水=0.0114cm2/s )，解：4.3均匀流动的水头损失与剪切应力的关系4.3.1流动水头损失与剪切应力的关系是管作用于该总流段的外力为动水压： P1=p1A P2=p2A 重力： G=V=AL，向流动方向的投影

3、Gx=ALsin 摩擦阻力： t=0a=0l， 管轴方向的平衡方程式：4.3.2使水截面上的剪应力的分布均匀流动4.4圆管中的层流运动4.4.1圆管均匀层流的截面流速分布、4.4.2圆管均匀层流的沿路水头损失、达西式、通用式-层流湍流适用，利用管径d=75mm的管路输送重油，如图所示， 重油的重度油=8.83KN/m3，运动粘性系数油=0.9cm2/s，管轴安装完全管理，水银面台阶hp=20mm，求出重油的每小时流量和每米长的沿途水头损失。 解： 1、求流量：例4-2、重油流为层流：2、行程水头损失，2300层流、4.5液体湍流运动4.5.1湍流的形成条件，涡流体的形成； 形成的旋涡体脱离原来

4、的流层和流束，混入相邻的流层和流束中。 层流和湍流的根本区别在于层流中各层流体的质点不相互混合，而存在比较规则的“瞬时流线”的湍流中大小不同的涡体在各流层之间振动和混合。 4.5.2湍流脉动现象和时间平均化概念运动要素的脉动现象：湍流存在很多涡流体，涡流体各方向混合、碰撞，湍流中任意空间点的运动要素(流速、压力等)随时间变化湍流运动要素的脉动。 运动要素的时平均化处理：脉动值说明：脉动值不被视为微量，可以达到时平均的三分之一。 脉动总是三维的，主流是一维或二维的，但产生三方向的脉动速度。 脉动是漩涡体混合或交换的结果，不是流体分子的运动。 注意：湍流稳态流-时间平均的运动要素不随时间变化的流。

5、 湍流非稳态流-时间平均运动要素随时间变化的流动。 关于稳态流、非稳态流、流线、流束、总流等-湍流运动要素的时间平均。 4.5.3湍流中摩擦剪应力湍流中剪应力=内摩擦剪应力附加剪应力内摩擦剪应力-计算邻接两层时由于平均速度相对运动而产生的粘性剪应力。 剪切应力-施加脉动。湍流附加剪应力： (浮游动量传递理论)当湍流各流层间存在相对运动，流层间发生质点混合时，当质点因流速的不同(运动量的不同)而向新流层横向运动时，动量的变化而在新流层上产生附加剪应力- -湍流附加摩擦剪应力(雷诺应力)。 4.5.4湍流中的层流底层和层流核心4.5.4.1层流底层(粘性底层): 靠近固体边界处，受管壁和流体粘性的

6、影响，流体质点流速较小，流动状态属于层流的流体层。 层流底层的厚度-一般只有足够的数毫米，最大数毫米。 湍流核心：粘性底层以外是湍流区，包括湍流充分发展的湍流核心区和湍流处于发展状态的过渡层(厚度只有几厘米)。 4.5.4.2流路壁面的类型绝对粗糙度ks () :固体壁面上粗体突出壁面的高度的平均值。 水力平滑管：层流底层的厚度0大于绝对粗糙度ks时，流体在平坦的层流底层外缘滑动，就像在平滑的壁面上流动一样，边壁对水流的抵抗力主要是层流底层的粘性力，这种管被称为水力平滑管。 水力粗管：当层流底层厚度0小于绝对粗糙度ks时，湍流流核绕过突出高度，就会形成小涡流，边壁对水流的阻力主要由这些小涡流引起，边壁的粗糙度起主要作用，这种粗糙壁面的管称为水力粗管。 转移粗管：以上两者之间的情况下，层流底层的厚度不足以完全掩盖边界壁粗糙度的影响，但绝对粗糙度还没有发挥决定性的作用，这样的粗壁面的管被称为转移粗管。 4.5.5湍流的流速分布普朗克-卡