第 流体阻力和水头损失.pptx
第1页/共84页 气体管流的机械能损失用压强损失表示 第2页/共84页水头损失的计算公式圆管沿程水头损失计算式达西魏斯巴赫公式：式中 l 管长；d 管径；v 断面平均流速；g 重力加速度；沿程摩阻系数（实验确定）该公式符合量纲和谐原理第3页/共84页 局部水头损失按下式计算：式中式中 局部阻力系数，由实验确定；局部阻力系数，由实验确定；v 对应的断面平均流速。对应的断面平均流速。第4页/共84页6.2 粘性流体的两种流态两种流态实际流动中，扰动难以避免，实用上把下临界流速vc做为流态转变的临界流速：v vc流动是层流；v vc流动是紊流。第5页/共84页实验课中雷诺实验的操作图第6页/共84页第7页/共84页层流与紊流 层流（laminar flow）亦称片流，是指流体质点不互相混杂，流体质点作有条不紊的有序的直线运动。观看录像一 观看录像二 特点：（1）有序性。（2）水头损失与流速的一次方成正比。（3）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。层流遵循牛顿内摩擦定律，粘性抑制或约束质点作横向运动。第8页/共84页 紊流（turbulent flow)亦称湍流，是指随流速增大，流层逐渐不稳定，质点相互混掺，流体质点沿很不规则的路径运动。观看录像一 观看录像二 特点：（1）无序性、随机性、有旋性、混合性。（2）水头损失与流速的1.752次方成正比。（3）在流速较大且雷诺数较大时发生。紊流是工程实践中最常见的一种流动，紊流微团不仅有横向脉动，而且有相对于流体总运动的反向运动，紊流中质点运动要素具有随机性，流速的大小方向随机变化，没有两个流体质点可以沿着同样的、甚至相似的路径运动。紊流就是压力表指针不断摆动的原因。第9页/共84页不同流态，沿程水头损失hf和流速v的关系：层流沿程水头损失与流速的1次方成比例，hf v1.0紊流沿程水头损失与流速的1.752.0次方成比例，hf v1.752.0可见流态不同，沿程阻力的变化规律不同，沿程水头损失的规律不同第10页/共84页雷 诺 数1.圆管流雷诺数 临界雷诺数Rec =2300 第11页/共84页用临界雷诺数作为流态判别标准先计算出管流的雷诺数雷诺数表征了流态决定性因素的对比，是判定流动处于层流还是紊流的参数，所有牛顿流体的临界雷诺数Rec=2300。将Re值与Rec=2300比较，可判别流态：ReRec则，流动是层流；ReRec则，流动是紊流；ReRec则，流动是临界流。第12页/共84页非圆通道雷诺数水力半径：代替圆管雷诺数中直径的特征长度R水力半径；A过流断面面积；过流断面上流体与固体壁面接触的周界，称为湿周。矩形断面渠道：圆管流：以水力半径计算的临界雷诺数第13页/共84页6.3 沿程水头损失与切应力的关系第14页/共84页均匀流动方程式压力、壁面切力、重力相平衡 均匀流动方程式对层流紊流都适用，两种流态水头损失规律不同。对层流紊流都适用，两种流态水头损失规律不同。观看动画第15页/共84页圆管过流断面上切应力分布 流束的均匀流动方程当 所取流束表面的切应力；所取流束表面的切应力；R所取流束的水力半径；所取流束的水力半径；J所取流束的水力坡度，与总流的相等，所取流束的水力坡度，与总流的相等，JJ。第16页/共84页阻 力 速 度 定义 为阻力速度 上式是沿程摩阻系数与壁面切应力的关系式第17页/共84页实验一 伯奴利方程试验第18页/共84页对于粘性流体第19页/共84页实验目的：1 观察能量转换，加深对伯奴利方程的理解 2 掌握一种测量流体速度的原理（皮托管）实验原理：粘流伯奴利方程及皮托管准备工作：开启水泵注满水、调节上水阀门使水箱水位始终保持不变，并有少量溢流。实验步骤：1 伯奴利方程验证：用计量水箱（尺）和秒表测流量 2 测速 皮托管测速原理，第20页/共84页6.4 圆管中的层流运动流动特征各流层间服从牛顿内摩擦定律由于y=r0-r，所以公式写为第21页/共84页流速分布该式是过流断面上流速分布式，可以看出流速呈抛物线分布，这是圆管层流的重要特征。第22页/共84页 当r=0时，可得管轴处最大流速 管中流量为上式称为：哈根-泊肃叶公式平均流速为 可以看出 层流过流断面上流速分布不均第23页/共84页 一般，如油类高粘度液体的流动，多为层流，管壁受热和受冷却时，液体的粘度发生局部变化。加热时，壁面附近的液体粘度降低而速度增大，只有中间那部分相对减速。冷却时却完全相反。层流过流断面上流速分布不均，计算其动能校正系数为动量校正系数为第24页/共84页圆管层流沿程水头损失的计算改写成通用的达西公式形势为则其中沿程摩阻系数为 第25页/共84页6.5 紊流运动 紊流的特征与时均化紊流脉动：流体质点在流动过程中不断相互掺混，空间个点的速度、压强、浓度等量随时间无规则变化的现象质点掺混是基于拉格朗日观点描述紊流，着眼于质点运动状况；紊流脉动是基于欧拉观点，着眼于空间点运动参数变化。紊流运动时均化：通过对紊流运动参数的时均化，来求得时间平均的规律性，是研究紊流的有效途径。第26页/共84页紊流运动时均化ux随时间无规则变化，其对某一时间段T的平均值为这就是该空间点 x方向 的时均速度。第27页/共84页这样，瞬时速度可写为其中，ux为该点在x方向的脉动速度脉动速度的时均值为0同理，横向的脉动速度时均值也为0但脉动流速的均方值不为0因此，引入紊流度来表示紊动程度第28页/共84页三种流速概念1.瞬时流速u，为流体通过某空间点的实际流速，在紊流状态下随时间脉动；2.时均流速u，为某一空间点的瞬时流速在时段T内的时间平均值；3.断面平均流速v，为过流断面上各点的流速（紊流是时均流速）的断面平均值。第29页/共84页同理，紊流中压强也可同样处理:引入时均化概念之后，紊流可分解为时均流动和脉动流动的叠加。这样紊流可根据时均参数是否随时间变化分为恒定流和非恒定流，流线、总流等欧拉法基本概念在此意义上也成立。式中式中p瞬时压强；瞬时压强；p时均压强；时均压强；p脉动压强。脉动压强。第30页/共84页紊流的切应力紊流切应力也可分为两部分粘性切应力附加切应力紊流切应力 当雷诺数很大，紊动充分，前者可忽略为脉动流速乘积的时均值为脉动流速乘积的时均值式中式中时均流速梯度时均流速梯度注意：紊流附加切应力是由微团惯性引起的，只与流体密度和注意：紊流附加切应力是由微团惯性引起的，只与流体密度和 脉动强弱有关，而与流体粘性无直接关系。脉动强弱有关，而与流体粘性无直接关系。观看动画观看动画 第31页/共84页混合长度理论（半经验理论）混合长度理论要点如下：1 流体质点在经过混合长度L时才与周围质点向混合发生混合流层间时均流速差为2 脉动流速与时均流速差有关 则 第32页/共84页将常数都归到L内得到混合长度L不受粘性影响 在充分发展的紊流中，切应力只考虑附加切应力而且 则对上式积分，求得紊流壁面附近流速分布式为 （普朗特卡门对数分布律）观看动画观看动画 试验测定的无量纲常数试验测定的无量纲常数,例如圆管层流例如圆管层流0.40.4第33页/共84页粘 性 底 层紧贴壁面薄流层内，速度梯度很大，粘性切应力起控制作用，该层称为粘性底层（viscous sublayerviscous sublayer）粘性底层通常不到1mm厚，随雷诺数增大而减小粘性底层内取 则积分得 据 则有 又有紊流核心：粘性底层之外的液流统称为紊流核心。紊流核心：粘性底层之外的液流统称为紊流核心。第34页/共84页第35页/共84页6.6 紊流的沿程水头损失圆管水头损失的计算公式 对紊流同样适用工程上两种方式求得沿程摩阻系数以半经验理论为基础，结合实验的半经验公式总结实验结果的经验公式第36页/共84页尼古拉兹实验相对粗糙 及雷诺数 是沿程摩阻系数的两个影响因素沿程摩阻系数的测定根据沿程水头损失公式测得的阻力分区图如下第37页/共84页第38页/共84页第39页/共84页5个阻力区 ab线是层流区:只与雷诺数有关 bc线是层流向紊流过渡区:只与雷诺数有关 cd线是紊流光滑区:只与雷诺数有关 cd、ef之间的曲线族是紊流过渡区：与二者都有关 ef右侧水平直线族是紊流粗糙区，又称阻力平方区：只与相对粗糙度有关第40页/共84页紊流区分光滑区、过渡区、粗糙区三部分 这是由于粘性底层的存在第41页/共84页第42页/共84页流速分布紊流光滑区：在粘性底层 在紊流核心 或代入 ，并换成常用对数就得到光滑管流速分布公式第43页/共84页紊流粗糙区粘性底层已破坏，整个断面按紊流核心处理据 并换成常用对数就得到粗糙区流速分布公式 第44页/共84页尼古拉兹指数公式：该公式完全是经验性的，只需测量管轴心处最大流速，就可求出断面流速，进而求得流量第45页/共84页摩阻系数的半经验公式光滑区沿程摩阻系数得到尼古拉兹光滑管公式第46页/共84页粗糙区沿程摩阻系数依相同步骤得到尼古拉兹粗糙管公式 第47页/共84页阻力区的判别边界层厚度其中 称为粗糙雷诺数，是区分阻力区的标准见式6-36第48页/共84页工业管道和克列勃洛克公式怎样把人工粗糙管道和工业粗糙管到联系起来，使尼古拉兹公式应用于实际工业管道。实验证明，紊流光滑区公式通用紊流粗糙区，为应用公式，引入当量粗糙概念。当量粗糙：以工业管道实测的 值，代入公式 反算得到绝对粗糙度 它反映了糙粒各种因素对的 影响 这样公式 就可应用于工业管道 第49页/共84页克列勃洛克公式工业管道紊流过渡区的 计算公式该式是光滑区公式和粗糙区公式的结合，当雷诺数很小时，括号内第一项相对很小，接近光滑区；当雷诺数很大时，括号内第二项很小，接近粗糙区所以该公式适用于三个阻力区根据该公式，制成穆迪图第50页/共84页第51页/共84页沿程摩阻系数的经验公式布拉修斯公式 适用希弗林松公式 谢才公式：据达西公式变换后得到其中谢才系数 可用曼宁公式求得 n为粗糙系数为粗糙系数;R为水力半径为水力半径第52页/共84页曼宁公式在n0.02，R 第55页/共84页局部水头损失的一般分析产生原因：受局部阻碍时，因惯性作用，主流与壁面脱离，形成漩涡区。1、在漩涡区内，质点旋涡运动集中耗能2、漩涡运动的质点被带到下游，加剧下游一定范围内主流的紊动强度，从而加大能量损失。3、局部阻碍附近，流速不断改组，造成能量损失。漩涡区越大，漩涡强度越大，局部损失越大。第56页/共84页第57页/共84页局部损失系数的影响因素局部水头损失计算公式局部水头损失系数理论上与雷诺数及边界情况都有关系，但雷诺数的变化对实际紊动程度的影响很小，因此局部水头损失系数一般只取决于局部阻碍的形状，大小多由实验确定。第58页/共84页几种典型的局部水头损失系数突然扩大管据动量方程列白奴利方程两方程联立得 (包达公式)第59页/共84页突然扩大管据突扩管局损系数为当流体在淹没情况下，流入很大容器时，称为管道出口损失系数，第60页/共84页突然缩小管流道突然缩小时，如图所示，流体在顺压强梯度下流动，不致发生边界层脱体现象。因此，在收缩部分不发生明显的阻力损失。但流体有惯性，流道将继续收缩至A-A面，然后流道重又扩大。这时，流体转而在逆压强梯度下流动，也就产生边界层分离和旋涡。可见，突然缩小时造成的阻力主要还在于突然扩大造成的回流。第61页/共84页突缩管局部水头损失系数决定于收缩面积比，其值按经验公式计算当流体由断面很大的容器流入管道时，称为管道入口损失系数第62页/共84页渐扩管渐扩管水头损失可认为由摩擦损失 hj 和扩大损失 hex 两部分组成。摩擦损失扩大损失 当综上可得：当 时，就相当于突扩管。第63页/共84页渐缩管圆锥形渐缩管，局损系数查表获得弯管弯管只改变流向不改变流速；内外侧产生两个 旋涡区，同时因离心力 作用产生二次流，使弯 管内流体质点作螺旋流 动，加大了水头损失，二次流的影响长度最大可超过50倍管径；弯管水头损失系数查表获得。第64页/共84页局部阻碍之间的相互干扰若局部阻碍之间相距很近，流体流出前一个局部阻碍，在流速分布和紊流脉动还未到正常均匀流之前，又流入后一个局部阻碍，这两个局部阻碍之间存在相互干扰，其损失系数不等于正常情况下二者之和。相互干扰的结果，局部损失有可能增大或减小为正常局损损失之和的0.53倍。第65页/共84页一体平承法兰一体平承法兰活套平承法兰活套平承法兰带法兰异径三通带法兰异径三通异径三通异径三通大小头大小头45弯头弯头90弯头弯头管箍管箍双扩口管双扩口管直管直管正正三三通通内螺纹三通螺纹三通第66页/共84页6.8 边界层概念与绕流阻力流体在通道内的运动是内流，流体绕物体运动，是外流问题。流体作用在绕流物体上的力，可分解为平行于来流方向的绕流阻力；垂直于来流方向的升力。第67页/共84页边界层（boundary layer）概念平板上的边界层边界层以内，由于速度梯度很大，粘性影响不能忽略；边界层以外，相当于理想流体运动。又壁面沿法线方向到速度ux=0.99U0处的距离为边界层厚度 ，它是平板前缘起算距离x的函数第68页/共84页 边界层前部，厚度薄、速度梯度大，流动受粘滞力控制，是层流；随着流动距离的增长，在某一断面（）处转变为紊流，此时雷诺数为临界雷诺数的大小与来流的脉动程度有关，脉动强则小。也可写为对于长为L的绕流平板，当 ，都是层流；当 时，xc以前是层流称为层流边界层（laminar boundary layer），之后是紊流称为紊流边界层（turbulence boundary layer）。第69页/共84页边界层特点 边界层厚度为一有限值（当ux0.99u时）边界层厚度沿程增加（=(x)）边界层内：；边界层外：按理想流体或有势流动计算。边界层分层流边界层和紊流边界层。边界层内流体流动与粘性底层流体流动都属于层流。对吗边界层内流体流动与粘性底层流体流动都属于层流。对吗?影响边界层内流态的主要因素有哪些影响边界层内流态的主要因素有哪些？粘性、流速、距离粘性、流速、距离第70页/共84页管道进口段边界层内流也存在边界层。对圆管进口，在 处流速分布不再变化，这段管道称为进口段或过渡段。圆管层流，进口段长度，圆管紊流，进口段长度，大多数工程计算把这部分损失计入管道进口的局部损失之中，因此仍把整个管道看作均匀流。第71页/共84页曲面边界层及其分离现象曲面边界层的分离流动受壁面挤压，速度沿程增加，压强沿程减小；E点后，区域扩大，速度沿程减小，压强沿程增大，流动受逆压梯度作用，在S点速度梯度为零，其后出现回流，形成漩涡。这就是曲面边界层的分离。观看录像观看录像第72页/共84页压差阻力压差阻力：迎流面的压强与尾流区压强之差其大小决定于尾流区的大小，即决定于边界层分离点的位置。较高雷诺数时减小压差阻力便会减小绕流阻力工程中通常采用流线型体来减小绕流阻力第73页/共84页卡门涡街 圆柱绕流中尾流形态的变化，主要取决于雷诺数的大小观看录像观看录像第74页/共84页尾流尾流：分离流线与物体边界所围的下游区域，如图。减小尾流的主要途径：使绕流体型尽可能流线型化。第75页/共84页绕流阻力流体作用在绕流物体上的力，可分解为绕流阻力D和升力L绕流阻力包括摩擦阻力Df和压差阻力Dp两部分绕流阻力系数CD主要取决于雷诺数，并和物体的形状、表面的粗糙情况以及来流的紊动强度有关。一般查表获得。第76页/共84页 第77页/共84页球体绕流阻力 球体绕流阻力的计算公式 式中：d球体直径；u0球体远处流体速度。分析微粒沉降，可计算球形微粒沉降的极限流，根据力的平衡原理，球体浮力与其所受阻力之和应与球重相等：球形微粒沉降的极限速度为：式中 与 分别为球体和流体的容重。它可用于设计沉淀池、清淤及污水处理等方面的分析。第78页/共84页补充:紊流扩散 扩散（diffusion）：是由物理量梯度引起的使该物理量平均化的物质迁移现象。在流体力学中，是指当流体静止或在均匀流中，含有的异质（如污染物，泥砂等）分布不均时，异质由高浓度向低浓度方向发生位移的过程。扩散的分类：分子扩散（molecular diffusion）：在静止流体中或流速分布均匀的层流中，流体微团以宏观速度运行，而以分子无规则运动扩散，称为分子扩散。紊流扩散（eddy diffusion）：在层流时，流体流层间的传输仅为分子扩散；但在紊流时，流体微团以时均流速运行，而以脉动流速扩散，即由于涡流和脉动运动，使扩散大为加快，这种扩散称涡流扩散或紊流扩散。第79页/共84页 离散（dispersion）：对断面流速分布不均的紊流，即切变紊流，由于同一断面上各点流速不同，以致初始断面异质浓度有很大的横向梯度，而在紊流扩散和分子扩散的共同作用下，断面浓度逐步均化。切变紊流的这种流速分布不均的扩散的综合作用，称为离散。判断判断:排到江河的污水散布是紊流扩散。排到江河的污水散布是紊流扩散。错错第80页/共84页雷诺实验示意图第81页/共84页第82页/共84页比如在两高楼里的风口穿行,贴近楼墙面会觉得风小些,因为躲到了边界层里.第83页/共84页感谢您的观看！第84页/共84页
