第六章流动阻力和水头损失精选文档.ppt

第六章流动阻力和水头损失本讲稿第一页，共七十九页分分 类类l沿程水头损失在均匀流段（包括渐变流）中产生的流动阻力为沿程阻力（或摩擦阻力），由此引起的水头损失，与流程的长度成正比，用hf表示；l局部水头损失在非均匀流段（流动边界急剧变化）中产生的流动阻力为局部阻力，由此引起的水头损失，取决于管配件的形式，用hj表示；l整个管道中的水头损失等于各段的沿程水头损失和各处的局部水头损失之和。本讲稿第二页，共七十九页流动阻力的两种类型hw（pw）流体粘性引起1.沿程阻力沿程损失(长度损失、摩擦损失)达西-魏斯巴赫公式沿程阻力系数2.局部阻力局部损失局部阻力系数本讲稿第三页，共七十九页3.总能量损失4.用水头线表示本讲稿第四页，共七十九页雷雷 诺诺 试试 验验l揭示了沿程水头损失与流速的关系。当vvc时，hfv1.752.0。l发现了流体流动中存在两种性质不同的形态，即层流和紊流。l层流流体呈层状流动，各层质点互不掺混；l紊流流体质点的运动轨迹极不规则，各层质点相互掺混，且产生随机脉动。本讲稿第五页，共七十九页粘性流体的两种流态1.雷诺实验（1883年）（a）层流（b）临界状态（c）紊流下临界流速vc临界流速上临界流速vc雷诺实验动画演示雷诺临界流速实验动画演示本讲稿第六页，共七十九页2.分析雷诺实验层流紊流ab段层流ef段紊流be段临界状态结论：流态不同，沿程损失规律不同本讲稿第七页，共七十九页3.雷诺数Rec临界雷诺数（2300左右）Re=vd/雷诺数（无量纲）ReRec紊流（包括层流向紊流的临界区20004000）结论：用雷诺数判断流态本讲稿第八页，共七十九页非圆管流动流态的判别l对于非圆形断面管道和明渠水流，则采用特征长度R（水力半径）表示。l l 过流断面上流体与固体接触的周界，简称湿周。l相应的临界雷诺数为 本讲稿第九页，共七十九页4.用量纲分析说明雷诺数的物理意义惯性力与粘性力作用之比判断流态本讲稿第十页，共七十九页沿程水头损失与切应力的关系l各力之间的平衡式:l两断面的能量方程:l均匀流基本方程式l切应力分布:壁剪切速度本讲稿第十一页，共七十九页圆管中的层流运动1.流动特性l 流体呈层状流动，各层质点互不掺混2.切应力层流中的切应力为粘性切应力其中 y=r0-r本讲稿第十二页，共七十九页3.断面流速分布牛顿内摩擦定律又积分（a）旋转抛物面本讲稿第十三页，共七十九页（b）平均速度（c）层流动能修正系数层流动量修正系数测量圆管层流平均速度的方法本讲稿第十四页，共七十九页4.沿程损失系数又比较注意：v，但hfv本讲稿第十五页，共七十九页 工程中的应用量测流体粘度：应用上述公式要注意两个方面：为起始长度本讲稿第十六页，共七十九页4.例：应用细管式粘度计测油的粘度，细管d=6mm，l=2m，Q=77cm3/s，水银压差计读值h=30cm，水银密度m=13600kg/m3，油的密度=900kg/m3，求油的运动粘度解：设为层流本讲稿第十七页，共七十九页解得运动粘度校核流态计算成立本讲稿第十八页，共七十九页紊 流 运 动1.紊流的特性涡体的产生 各流层间的质点运动极不规则，相互掺混，其运动要素在空间、时间上均呈现随机的脉动现象。本讲稿第十九页，共七十九页2.紊流运动的时均化脉动性（1）瞬时速度u（2）时均速度（3）脉动速度u（4）断面平均速度v即把紊流运动看成为是时均流动和脉动流动的叠加 本讲稿第二十页，共七十九页紊流的切应力l紊流运动分解为两种流动的叠加：l时均运动l脉动运动la、时均运动流层间产生的粘性切应力：本讲稿第二十一页，共七十九页b.脉动流动引起的切应力（附加切应力、惯性切应力、雷诺切应力）c.切应力靠近壁面且Re数较小时，占主导地位离开壁面且Re数很大时，本讲稿第二十二页，共七十九页4.混合长度理论 的计算普朗特混合长度理论的要点（假设）（1）流体质点因脉动横向位移l1到达新的空间点，才同周围点发生动量交换，失去原有特征，l1称混合长度本讲稿第二十三页，共七十九页（2）亦称为混合长度雷诺数越大，紊流越剧烈，2横向脉动速度与纵向脉动速度为同一量级，并与du/dy存在一定比例关系（3）混合长度只与质点到壁面的距离有关，本讲稿第二十四页，共七十九页5.紊流的速度分布规律紊流（k是实验确定的常数，称卡门常数k0.4）积分得普朗特-卡门对数分布规律本讲稿第二十五页，共七十九页6.紊流流动结构图粘性底层在固体边壁处存在一层极薄的，紊动附加切应力很小忽略不计，粘性切应力占主导地位的极薄流体层。也称层流底层。其厚度与雷诺数成反比。粘性底层虽然很薄，但却对紊流流速分布和流动阻力具有重大影响 1层流底层；2过渡区；3紊流核心本讲稿第二十六页，共七十九页（2）变化规律层流底层的变化紊流光滑区紊流过渡区紊流粗糙区本讲稿第二十七页，共七十九页圆管紊流的沿程损失k绝对粗糙度k/d相对粗糙度1.尼古拉兹实验（1933-1934）（1）实验曲线人工粗糙（尼古拉兹粗糙）本讲稿第二十八页，共七十九页尼古拉兹实验尼古拉兹实验层流区 2.层流向紊流的过渡区 范围很小，实用意义不大；4.紊流过渡区 5.紊流粗糙区（阻力平方区）3.紊流光滑区 例:有两根管道,L相等,d相等,ks相等,但一根输送粘度小的水，另一根输送粘度大的油.1.如v相等,问两者的hf是否相当?2.如两者的Re相等,问两者的hf是否相当?本讲稿第二十九页，共七十九页2.紊流沿程损失系数（1）紊流光滑区尼古拉兹光滑区公式采用此式求解较困难本讲稿第三十页，共七十九页（2）紊流粗糙区尼古拉兹粗糙区公式本讲稿第三十一页，共七十九页（3）紊流过渡区a.工业管道当量粗糙度ke和工业管道粗糙区值相等的同直径的尼古拉兹粗糙管的粗糙度常用工业管道的ke管道材料ke(mm)管道材料ke(mm)新氯乙烯管00.002镀锌钢管0.15铅管、铜管、玻璃管0.01新铸铁管0.150.5钢管0.046钢板制风管0.15涂沥青铸铁管0.12混凝土管0.33.0本讲稿第三十二页，共七十九页b.柯列勃洛克公式此式为尼古拉兹光滑区和粗糙区公式的叠加本讲稿第三十三页，共七十九页c.莫迪图按柯氏公式计算本讲稿第三十四页，共七十九页 经验公式水力光滑区：布拉修斯公式（e100000)粗糙区：希弗林松公式本讲稿第三十五页，共七十九页 经 验 公 式l谢才公式-流速与水力坡度、水力半径关系 谢才系数；水力半径；水力坡度。曼宁公式：粗糙系数。适用范围：本讲稿第三十六页，共七十九页巴浦洛夫斯基公式：或 当 当 适用范围：本讲稿第三十七页，共七十九页非圆管断面的管道沿程损失：其中，本讲稿第三十八页，共七十九页非圆管中的流动1.水力半径R湿周圆管的水力半径边长分别为a和b的矩形断面水力半径若为明渠流本讲稿第三十九页，共七十九页2.当量直径de圆管的当量直径de=4R=d矩形断面的当量直径本讲稿第四十页，共七十九页3.例：圆环外径r1、内径r2（1）水力半径（2）当量直径本讲稿第四十一页，共七十九页例：给水管长30m，直径d=75mm，材料为新铸铁管，流量Q=7.25L/s，水温t=10，求该管段的沿程水头损失解：水温t=10时，水的运动粘度=1.3110-6m2/s本讲稿第四十二页，共七十九页当量粗糙度ke=0.25mm，ke/d=0.003由Re、ke/d查莫迪图，得=0.028或由公式，得=0.028本讲稿第四十三页，共七十九页例：温度为20的水在0cm的焊接钢管中流动，已知水力坡度.006，求例：用清洁的新熟铁管输送.25m3/s,的油,=0.093cm2/s,已知L=3000m,hf=23m,求管径d.本讲稿第四十四页，共七十九页局部阻力及损失的计算1.局部阻力产生的原因本讲稿第四十五页，共七十九页阻力流线演示本讲稿第四十六页，共七十九页2.几种常见的局部损失系数（1）突然扩大列1-1和2-2断面的能量方程列动量方程本讲稿第四十七页，共七十九页由连续性方程或注意：1v1；2v2特例：=1管道的出口损失系数本讲稿第四十八页，共七十九页（2）突然缩小特例：=0.5管道的入口损失系数v2（3）渐扩管本讲稿第四十九页，共七十九页当20，k=sin公式、图表=58，最小（4）渐缩管收缩角n=A2/A1收缩面积比v1本讲稿第五十页，共七十九页（5）弯管二次流螺旋运动影响长度50倍管径减小弯管转角、增大R/d或设置导流叶片，减小二次流本讲稿第五十一页，共七十九页（6）三通图表水力计算时，只考虑支管（阻力大）本讲稿第五十二页，共七十九页3.局部阻碍之间的相互干扰两个局部阻碍之间间距大于3倍管径，且安全4.减阻措施a.物理b.化学：添加少量的减阻剂本讲稿第五十三页，共七十九页绕 流 运 动绕流、流场分布、物体受力1.边界层的概念（1904年普朗特提出）两类不同性质的流动：（1）物体边界附近薄层由于粘性力作用，有很大的速度梯度du/dy边界层（附面层）；（2）边界层以外的流动，粘性力作用不计理想流体无旋流动（势流）本讲稿第五十四页，共七十九页2.平板上的边界层边界层厚度（99%u0处）边界层的特点：a.很薄（mm级）；b.随着沿平板流动的深入，边界层厚度增加；本讲稿第五十五页，共七十九页c.流态转变的临界雷诺数d.或本讲稿第五十六页，共七十九页3.内流的边界层=r0管道进口段进口至=r0处，50100倍d进口的局部损失本讲稿第五十七页，共七十九页边界层分离，形成旋涡4.曲面边界层及边界层分离现象本讲稿第五十八页，共七十九页分析端点：u=0（驻点、滞止点）压强最大BC：增速减压 促进流动本讲稿第五十九页，共七十九页CS：减速增压S：分离点u=0（驻点、滞止点）SE：尾流区本讲稿第六十页，共七十九页圆柱后部发生的流动分离形成一对旋涡“猫眼”本讲稿第六十一页，共七十九页这是从静止开始的运动初期边界层的发展速度增大，分离点前移本讲稿第六十二页，共七十九页压差阻力（形状阻力）：迎面驻点压强与尾流区压强之差，它取决于分离点的位置和尾流区的大小减小绕流阻力减小压差阻力流线型物体本讲稿第六十三页，共七十九页5.绕流阻力摩擦阻力、压差阻力薄平板摩擦阻力有尖锐边缘（薄圆盘）压差阻力曲面物体（圆球）既有摩擦阻力又有压差阻力（1）公式A特征面积对摩擦阻力，A是接触平面；对压差阻力，A是垂直于来流方向的投影面积本讲稿第六十四页，共七十九页（2）绕流阻力系数Cda.薄平板CdCdf层流：紊流：混合边界层：本讲稿第六十五页，共七十九页b.曲面物体阻力系数随Re数而变化，分6个区域本讲稿第六十六页，共七十九页Re60卡门涡街，摩擦阻力、压差阻力，Dv1.5阻力系数随Re数而变化，分6个区域本讲稿第六十七页，共七十九页500Re2105分离严重，压差阻力，Dv22105Re5105分离区缩小，Cd跌落Re5105分离点又向前移，Cd回升Re3106Cd与Re无关本讲稿第六十八页，共七十九页圆球曲线基本与圆柱体一致本讲稿第六十九页，共七十九页Re103，只有压差阻力，分离点固定在圆盘边线上，Cd为一常数本讲稿第七十二页，共七十九页d.例：一盒形拖车，宽b=2.5m，高h=3m，长a=10.5m，该拖车在空气（=1.24kg/m3，=0.14cm2/s）中以v0=27m/s速度行驶，求拖车两边和顶部的摩擦阻力；若拖车的阻力系数CD=0.45，求作用在拖车上的压差阻力解：拖车尾端处Re当Re=2107且v0较大，可认为从前缘起，边界层全部是紊流本讲稿第七十三页，共七十九页摩擦阻力总阻力压差阻力本讲稿第七十四页，共七十九页6.卡门涡街Re60，旋涡交替脱落，形成涡街涡街振动频率：斯特洛哈尔（1878）经验公式St斯特洛哈尔系数危害：共振导致声响效应；对建筑物的破坏本讲稿第七十五页，共七十九页7.悬浮速度气力输送、除尘、燃烧FDGu0重力绕流阻力浮力悬浮速度不是物体运动速度！本讲稿第七十六页，共七十九页u0u上升物体上升速度v=u0-uRe1Re=10103Re=1032105本讲稿第七十七页，共七十九页例：某气力输送管道，要求风速u0为砂粒悬浮速度u的5倍，砂粒直径d=0.3mm，密度m=2650kg/m3，空气密度=1.205kg/m3，运动粘度=15.710-6m2/s，求风速u0解：假设Re=10103本讲稿第七十八页，共七十九页校核在假设范围内，计算成立本讲稿第七十九页，共七十九页