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流体的流动阻力本讲稿第一页，共二十二页1.1.牛顿粘性定律牛顿粘性定律第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力 一、流体的粘度一、流体的粘度uFu=0内摩擦力运动着的流体内部相邻两流体层之间的相互作用力。粘性流体抵抗相邻流体层发生相对运动的性质称为流体的粘性。确定流体流动时内摩擦力大小的物理性质。粘度当流体流动的速度梯度等于1时，单位面积上由于流体的粘性所产生的内摩擦力的大小。粘度的单位未Pas(SI制)或 P(泊，物理制)。衡量流体粘性大小的物理量。2.非牛顿型流体非牛顿型流体本讲稿第二页，共二十二页牛顿型流体与非牛顿型流体特性牛顿型流体与非牛顿型流体特性类型典型举例特点剪应力表达式 牛顿型流体气体、水、大多数液体剪应力正比于法向速度梯度非牛顿型流体塑性流体牙膏、泥浆、油墨等剪应力超过某临界值后才能流动，剪应力正比于法向速度梯度假塑性流体高分子溶液、油漆等表观粘度随速度梯度的增大而降低涨塑性流体塑料溶液，高固体含量的悬浮液等表观粘度随速度梯度的增大而增加本讲稿第三页，共二十二页第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力 二、流体流动的类型二、流体流动的类型 （层流与湍流层流与湍流）1883年英国著名科学家雷诺(Osborne Reynolds)进行的实验 雷诺实验本讲稿第四页，共二十二页流动型态流动型态层流：层流：流速较小时，可看到一条稳定的直线。表明此时流体流速较小时，可看到一条稳定的直线。表明此时流体各个质点互不混杂，平行于管轴向前运动。各个质点互不混杂，平行于管轴向前运动。过渡流：过渡流：随着流速的增加，有颜色的直线开始出现波浪。随着流速的增加，有颜色的直线开始出现波浪。湍流湍流：速度再增大，流体质点不仅沿管轴运动，而且还做不：速度再增大，流体质点不仅沿管轴运动，而且还做不规则的横向运动。规则的横向运动。本讲稿第五页，共二十二页45lgHflguabcdelguclguc本讲稿第六页，共二十二页雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义 雷诺数：雷诺数：由影响流型的管径由影响流型的管径d d、流速、流速 u u 和流体的粘度和流体的粘度、密度密度等因素组成的无因次数群等因素组成的无因次数群,以以ReRe表示。表示。雷诺数雷诺数的物理意义为流体流动时惯性力与粘的物理意义为流体流动时惯性力与粘性力之比性力之比.层流：层流：Re2000Re2000 湍流：湍流：Re2000Re2000粘性力粘性力：使流体保持层流的趋势。：使流体保持层流的趋势。惯性力惯性力：使流体做不规则的自由运动，流动趋于湍流：使流体做不规则的自由运动，流动趋于湍流。本讲稿第七页，共二十二页边界层概念边界层概念 在工程上，通常把流速为零的壁面到流速等于在工程上，通常把流速为零的壁面到流速等于主体流速主体流速u的的99%处之间的区域称为边界层。处之间的区域称为边界层。本讲稿第八页，共二十二页第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力 三、边界层的概念三、边界层的概念1.1.边界层的形成与发展边界层的形成与发展本讲稿第九页，共二十二页第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力 三、边界层的概念三、边界层的概念2.2.边界层的分离边界层的分离本讲稿第十页，共二十二页1.1.直管阻力损失的计算通式直管阻力损失的计算通式第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力 四四、直管阻力损失的计算、直管阻力损失的计算范宁(Fanning)公式直管阻力：直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力。本讲稿第十一页，共二十二页2.2.流体层流时的速度分布和摩擦因数流体层流时的速度分布和摩擦因数第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力 四、直管阻力损失的计算四、直管阻力损失的计算 哈根泊谡叶(Hagen-Poiseuille)方程 本讲稿第十二页，共二十二页3.3.湍流湍流时的速度分布和摩擦因数时的速度分布和摩擦因数第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力 四、直管阻力损失的计算四、直管阻力损失的计算 湍流主体湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化；过渡层过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；层流内层层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。本讲稿第十三页，共二十二页 （1 1）湍流湍流时的速度分布时的速度分布第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力 四、流体直管阻力损失的计算四、流体直管阻力损失的计算本讲稿第十四页，共二十二页圆管内层流与湍流的比较圆管内层流与湍流的比较项 目层流湍流剪应力速度分布平均速度动能本讲稿第十五页，共二十二页第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力四、流体直管阻力损失的计算四、流体直管阻力损失的计算（2 2）湍流时的湍流时的摩擦因数摩擦因数本讲稿第十六页，共二十二页常见工业管道的绝对粗糙度常见工业管道的绝对粗糙度金属管e /mm非金属管e /mm无缝黄铜管、铜管及铝管0.010.05干净玻璃管0.0015 0.01新的无缝钢管或镀锌铁管0.1 0.2橡皮软管0.01 0.03新的铸铁管0.3木管道0.25 1.25具有轻度腐蚀的无缝钢管0.2 0.3陶土排水管0.45 6.0具有显著腐蚀的无缝钢管0.5以上很好整平的水泥管0.33旧的铸铁管0.85以上石棉水泥管0.03 0.8本讲稿第十七页，共二十二页第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力四、流体直管阻力损失的计算四、流体直管阻力损失的计算3.湍流湍流时的摩擦因数时的摩擦因数因次分析法因次分析法第一步：析因试验第一步：析因试验寻找影响过程的主要因素寻找影响过程的主要因素第二步：无因次化第二步：无因次化减少变量数减少变量数第三步：数据处理第三步：数据处理实验结果的正确表达实验结果的正确表达本讲稿第十八页，共二十二页摩擦系数雷诺数Re相对粗糙度/d0.0000010.000010.000050.00020.00060.0020.0060.010.020.05光滑管层流湍流完全湍流过渡区本讲稿第十九页，共二十二页第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力四、流体直管阻力损失的计算四、流体直管阻力损失的计算 3.湍流湍流时的摩擦因数时的摩擦因数经验公式经验公式Re=(5100)103柏拉修斯（Blasius)公式Re=(4105)103e/d=110-60.05柯尔布鲁克（Colebrook)公式本讲稿第二十页，共二十二页1.1.阻力系数法阻力系数法将局部阻力表示为动能的某一倍数。第四节第四节 流体的流动阻力流体的流动阻力 五五、局部阻力、局部阻力局部阻力：局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。2.2.当量长度法当量长度法将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为le的直管所产生的阻力。本讲稿第二十一页，共二十二页常见管件及阀门的阻力系数及当量长度常见管件及阀门的阻力系数及当量长度53名称zle/d名称zle/d45标准弯头0.3517闸阀(全开)0.17990标准弯头0.7535闸阀(半开)4.5225180回弯头1.575标准阀(全开)6.0300标准三通管150标准阀(半开)9.5475管接头0.042止逆阀(球式)70.03500活接头0.042止逆阀(摇板式)2.0100本讲稿第二十二页，共二十二页