流体力学课件水流阻力与能量损失.ppt
流体力学第4节 流动阻力和能量损失,流动阻力和水头损失,水头损失定义，及水头损失叠加一两种流态层流和紊流二 均匀流基本方程 三圆管中的层流运动及沿程水头损失计算四紊流运动及沿程水头损失计算五 局部水头损失六 边界层基本概念和绕流阻力七 减小阻力的措施,水头损失及其叠加,沿程水头损失：, 沿程阻力系数； 管段长度； 管道直径； 重力加速度； 水流流速。,L,d,g,v,沿程水头损失发生在均匀流中，主要由流体之间或流体与边壁之间的摩擦造成。,局部水头损失hj局部水头损失发生在局部区域，与水流状态和水流断面的几何形状变化相关。,水头损失及其叠加, 局部水头损失系数，或称局部阻力系数； 水流流速。水头损失叠加：,一. 两种流态层流、紊流,层流：流体质点有条不紊的运动，各层之间互不掺混。紊流：各层流体质点相互掺混，质点迹线紊乱无规则。,雷诺数：,层流：紊流：,临界雷诺数：,3. 层流、紊流的判别标准：,6-29（2010年） 管径d=50mm，水温为10时，水的运动粘度为 ，管道内要保持层流状态，最大流速是（ ）m/s。,解：,层流应满足：,即：上式中的临界流速为满足层流条件的最大流速。,工程上常常采用临界雷诺数为2000,（A）0.21 （B）0.115 （C）0.105 （D）0.0525,粘性流体的两种流态,非圆形断面的雷诺数：,水力半径R ：过流断面面积 比湿周,湿周： 过流断面上，水流与固体边界相接触的周线。,二均匀流基本方程 圆管中的均匀流动,l,P1,v1,v1,P2,z1,z2,G,分析受力：,在恒定均匀流中任取一流束， 如图：,即：,平衡关系：,二 均匀流基本方程,根据圆管均匀流动中的受力平衡关系，可整理出：,上式称为均匀流基本方程,或,切应力,水力半径,水力坡度,说明：,教材中不统一。,圆管中的均匀流动,轴心点速度为最大值：,断面平均速度：,切应力：线性分布； 断面速度：二次抛物线形分布,三圆管中的层流运动及沿程水头损失计算,断面上某点的速度：,断面上轴心点的速度：,断面平均速度：,圆管沿程水头损失（层流或紊流）：,层流沿程水头损失系数：,紊流沿程水头损失系数：,圆管层流运动过流断面上速度分布为（ ）（式中r0为圆管半径）。,圆管层流断面速度为二次抛物线分布。 答案中只有（A）为速度u与半径r2成正比， 即二次抛物线的关系。,例6-30（2005年）,答案：A,四 紊流运动及沿程水头损失计算,（一）. 紊流的脉动现象：,（二）. 紊流的阻力：,时间平均速度,紊流切应力 = 粘性切应力 + 紊流的附加切应力,粘性底层： 圆管作紊流运动时，靠近管壁处存在着一个薄薄的流体层，该层内流速梯度较大，粘性影响不可忽略，紊流附加切应力可以忽略，速度近似呈线性分布， 这一薄层就称为粘性底层。,四 紊流运动及沿程水头损失计算,紊流的速度分布,粘性底层,紊流核心,四 紊流运动及沿程水头损失计算,绝对粗糙度( )： 粗糙突出管壁的平均高度，用表示。相对粗糙度( /d ） ：管壁的绝对粗糙度与管径的比值.,水力光滑管 过渡段 水力粗糙管,根据粘性底层厚度 与管壁的粗糙度的关系，在不同的Re流动状态下，任一圆管的壁面均可能呈现下列三种水力状态：,例6-31（2007年）层流沿程阻力系数（ ） A 只与雷诺数有关 B 只与相对粗糙度有关 C 只与流程长度和水力半径有关 D 既与雷诺数有关又与相对粗糙度有关,解：层流时阻力为黏性阻力， 故只与雷诺数有关。 答案：A,四 紊流运动及沿程水头损失计算,（三）.紊流沿程水头损失计算, 沿程阻力系数；, 绝对粗糙度, 相对粗糙度, 雷诺数,沿程水头损失计算公式：,沿程阻力系数-尼古拉兹试验实验结果,- 紊流光滑区 - 区紊流过渡区 - 紊流粗糙区,- 层流区,-临界区,尼古拉兹实验结果,第1区层流区第2区层流转变为紊流的过渡区第3区水力光滑管区，紊流状态第4区由“光滑管区”转向“粗糙管区”的 紊流过渡区第5区水力粗糙管区或阻力平方区， 水流处于发展完全的紊流状态，水流阻力与流速的平方成正比，故又称阻力平方区。,例6-35（2005年）圆管紊流粗糙区（阻力平方区）的沿程摩阻系数 与（ ） A 雷诺数Re有关 B 相对粗糙度 有关 C Re和 有关 D Re 和管长 l 有关 答案：,阻力平方区沿程摩阻系数 只与相对粗糙度有关。,谢才公式:, 谢才系数，是有量纲的系数； 水力半径； 水力坡度。,紊流的沿程水头损失,曼宁公式:,水力半径 以m 计； 为粗糙系数。,例6-36（2007年）梯形断面水渠按均匀流设计，已知过水断面A=5.04 ，湿周=6.73m，粗糙系数n=0.025，按曼宁公式计算谢才系数C为（ ）m /s 。 A 30.80 B 30.13 C 38.80 D 38.13,题6-36 直接代入公式计算即可。,解：按曼宁公式,答案：D,水力半径,五局部水头损失,局部水头损失：急变流中，过流断面急剧变化处发生的水头损失，,实验表明，局部水头损失系数主要取决于：,局部障碍的几何形状、固体壁面的相对粗糙度以及雷诺数Re。,局部水头损失计算公式：局部水头损失系数：,管道突然扩大、突然缩小,管道突然扩大到水池或容器:,则,管道突然缩小：,如：,则：,进口损失系数e,随进口形状接近流线型的程度增大而减小。,六边界层基本概念和绕流阻力,边界层： 亦称附面层，雷诺数很大时，流体沿固体壁面流动（或固体在流体中运动）时壁面附近受粘性影响显著的很薄的流层。,曲面边界层的分离现象：,发生区域：在减速增压区；根本原因：壁面粘性阻力作用；必要条件：反向压力梯度存在。,雷诺数很大时，尾涡区增大,雷诺数很小时,雷诺数增大，发生边界层分离,七减小阻力的措施,针对沿程阻力的措施： 1.降低壁面的粗糙度； 2.用柔性边壁代替刚性边壁；针对局部阻力的减阻措施： 1.壁面漩涡区的产生； 2.减小漩涡区的大小或强度。,层流边界层： 当边界层厚度d较小时，边界层内的流速梯度很大，粘滞应力的作用也很大，边界层内的流动属于层流，称为层流边界层。,紊流边界层： 当雷诺数达到一定数值时，边界层中的层流经过一个过渡区后转变为紊流，就成为紊流边界层。,层流边界层与紊流边界层,
