流体力学-第四章-流动阻力和能量损失(第一次)ppt课件.ppt

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1、流体力学穷究于理，成就与工穷究于理，成就与工能量方程的几何意义能量方程的几何意义绘出沿程各个截面的水头线绘出沿程各个截面的水头线直观反映沿程水头变化直观反映沿程水头变化弯矩图弯矩图剪力图剪力图材料力学材料力学直观直观反映整个流程的能量转换关系反映整个流程的能量转换关系内容回顾内容回顾核心问题核心问题1： 水头线的提出水头线的提出工程需要工程需要水头损失水头损失hw的概念的概念l 单位重量液体自上游断面流至下游断面所损失的单位重量液体自上游断面流至下游断面所损失的机械能。机械能。l它与液体的它与液体的固体边界固体边界有关有关l它与液体的它与液体的粘滞性粘滞性有关有关影影 响响 因因 素素核心问题

2、核心问题2： 水头损失水头损失水头损失的分类水头损失的分类hf为沿程阻力损失为沿程阻力损失简称简称沿程损失沿程损失。hj为局部阻力损失为局部阻力损失简称简称局部损失局部损失。20082964粘滞性粘滞性物理性质：物理性质：固体边界：固体边界：产生流产生流动阻力动阻力损耗机损耗机械能械能h hw w水头损失产生机理水头损失产生机理产生损失的内因产生损失的内因产生损失的外因产生损失的外因固壁对流动的固壁对流动的阻滞阻滞和和扰动扰动22vpzHg常数速速度度水水头头位位置置水水头头压压强强水水头头总总水水头头1 1、理想流体、理想流体动动水水头头线线总总水水头头线线静静水水头头线线bc1aa2cbH

3、总水头线总水头线静水头线静水头线gv2/211/p1zgv2/222/p2z00核心问题核心问题3： 总水头线与测压管水头线总水头线与测压管水头线221 122121222aawa va vppzzhgg2 2、实际流体、实际流体速速度度水水头头位位置置水水头头压压强强水水头头总总水水头头动动水水头头线线总总水水头头线线静静水水头头线线损损失失水水头头损损失失水水头头线线dA静水头线总水头线gvaa2211gp11zgvaa2222gp22zwh000012z1hw12z2z静水头线静水头线总水头线总水头线水流轴线水流轴线基准线基准线水力坡度水力坡度： 常用符号常用符号 J 表示，表示， J=

4、 hf / L。单位长度流程上的水头损失。单位长度流程上的水头损失。含义含义：1p22vg21 12vg2222vgp2p 恒定总流伯努利方程是在不可压缩这样的流动模恒定总流伯努利方程是在不可压缩这样的流动模型基础上提出的型基础上提出的,但在流速不高（小于但在流速不高（小于 68m / s ) ，压，压强变化不大的情况下，同样可以应用于气体。强变化不大的情况下，同样可以应用于气体。whgvpzgvpz+2+=2+2222221111 气体粘度较小，实际流速沿断面分布比较均匀，气体粘度较小，实际流速沿断面分布比较均匀，接近于平均流速，气体流动中的动能修正系数常取接近于平均流速，气体流动中的动能修

5、正系数常取1.01、动能修正系数、动能修正系数核心问题核心问题4： 恒定气流能量方程恒定气流能量方程2212112222wvvzpzph 将方程各项乘以重度将方程各项乘以重度 ，方程各项都转换为，方程各项都转换为压压强量纲强量纲。 能量方程用于液体时，水头概念直观具体，采能量方程用于液体时，水头概念直观具体，采用长度量纲方便。用长度量纲方便。2、气流能量方程应采用压强量纲、气流能量方程应采用压强量纲 能量方程用于气体流动时，水头概念没有像液能量方程用于气体流动时，水头概念没有像液体流动那样明确具体。体流动那样明确具体。2211221222wpvpvzzhgg2212112222wvvzpzph

6、3、气流能量方程采用相对与绝对压强的区别、气流能量方程采用相对与绝对压强的区别22121122()()22aawvvzppzpph22121122()()22aawvvzppzpphaapp液体能量方程液体能量方程真正误差：真正误差：2212112222wvvzpzph22121122()()22aawvvzppzpph22121122()()22aawvvzppzpph气体能量方程气体能量方程21()aaappzz wapgvpzzvp+2+=)(+2+22212211-最终结果最终结果p1和和 p2为相对压强为相对压强第四章第四章 流动阻力和能量损失流动阻力和能量损失学习要求：学习要求：问

7、题问题1 1、沿程损失和局部损失沿程损失和局部损失问题问题2 2、层流与紊流、雷诺数层流与紊流、雷诺数1、理解水头损失产生的原因、理解水头损失产生的原因 2、区分层流与紊流的区别与联系、区分层流与紊流的区别与联系3、理解雷诺数提出的目的、理解雷诺数提出的目的纸上谈兵纸上谈兵到到是弹演习是弹演习1、结论由大量实验得出、结论由大量实验得出2、出现了大量修正系数、出现了大量修正系数学习进程学习进程由静止到运动由静止到运动静静力学力学相对平衡相对平衡动动力学力学恒定恒定总流总流恒定恒定元流元流实际流体实际流体理想流体理想流体由理想到现实由理想到现实由简单片复杂由简单片复杂内流和外流内流和外流根据根据流

8、体与约束流动的固体边界的位置关系。流体与约束流动的固体边界的位置关系。4.1 沿程损失和局部损失沿程损失和局部损失内流：内流：流体在约束流动的固体边界内部。（管道、明渠）流体在约束流动的固体边界内部。（管道、明渠）本章重点本章重点：内流的相关问题。：内流的相关问题。外流：外流：流体在约束流动的固体边界外部。（流体绕流桥墩、流体在约束流动的固体边界外部。（流体绕流桥墩、船舶、飞机、汽车等）故外流也称绕流。船舶、飞机、汽车等）故外流也称绕流。沿程阻力与沿程水头损失沿程阻力与沿程水头损失 当流体在约束流动的固体边界内做当流体在约束流动的固体边界内做均匀流动均匀流动时，时，产生的流动阻力称为产生的流动

9、阻力称为沿程阻力沿程阻力或摩擦阻力。或摩擦阻力。 由沿程阻力做功引起的水头损失称由沿程阻力做功引起的水头损失称沿程水头损沿程水头损失失（hf f) )。 沿程水头损失沿流程均匀分布，与沿程水头损失沿流程均匀分布，与流程长度流程长度成成正比正比。局部阻力与局部水头损失局部阻力与局部水头损失 局部阻力：局部阻力：当约束流动的固体当约束流动的固体边界边界急剧急剧改变改变，使流速分布发生变化而产生的流动阻力。使流速分布发生变化而产生的流动阻力。 局部水头损失一般局部水头损失一般发生发生在管道入口、转弯、突在管道入口、转弯、突扩（缩）、三通、阀门等附近的局部流段上。扩（缩）、三通、阀门等附近的局部流段上

10、。 其相应的水头损失称其相应的水头损失称局部水头损失局部水头损失（h hm m）。）。总水头损失总水头损失(1) (1) 液体具有液体具有粘滞性粘滞性。 (2) (2) 由于由于固体边界固体边界的影响，液流内部质点的影响，液流内部质点之间产生之间产生相对运动相对运动。 液体具有粘滞性是主要的，起决定性作用。液体具有粘滞性是主要的，起决定性作用。 液流产生水头损失的两个条件液流产生水头损失的两个条件 如何定量计算水头损失？如何定量计算水头损失？液体液体沿程沿程水头水头损失：损失：局部局部水头水头损失：损失： 能量损失的计算公式能量损失的计算公式长期工程经验总结长期工程经验总结22flvhdg22

11、mvhg 沿程阻力系数；沿程阻力系数；l管道长度；管道长度；d管道直径；管道直径；v平均流速平均流速 局部阻力系数局部阻力系数 核心问题核心问题： 和和 的计算。的计算。气气体体沿程沿程压强压强损失损失: :局部局部压强压强损失：损失： 22flvpd22mvp把把能量损失能量损失的计算问题转化为的计算问题转化为求阻力系数求阻力系数的问题。的问题。 这两系数必须这两系数必须借助于典型实验借助于典型实验，用经用经验或半经验方法验或半经验方法求得。求得。u雷诺生平简介雷诺生平简介 雷诺（雷诺（O.ReynoldsO.Reynolds，1842-19121842-1912）: :英国英国力学家、力学

12、家、 理学家和工程师，理学家和工程师，18421842年年8 8月月2323日生于爱尔兰，日生于爱尔兰，18671867年毕业于剑桥大学王年毕业于剑桥大学王后学院，后学院，18681868年出任曼彻斯特欧文学院年出任曼彻斯特欧文学院（后改名为维多利亚大学）首席工程学教（后改名为维多利亚大学）首席工程学教授，授，18771877年当选为皇年当选为皇家学会会员家学会会员，18881888年年获皇家勋章。雷诺于获皇家勋章。雷诺于18831883年发表了一篇经年发表了一篇经典性论文典性论文决定水流为直线或曲线运动决定水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中的阻力定律的探的条件以及在平行水槽中的阻力定

13、律的探讨讨。 这篇文章用实验说明水流分为层流与紊流两种形态，并提出这篇文章用实验说明水流分为层流与紊流两种形态，并提出以无量纲数以无量纲数ReRe作为判别两种流态的标准。雷诺于作为判别两种流态的标准。雷诺于18861886年提出轴年提出轴承的润滑理论，承的润滑理论，18951895年在湍流中引入应力的概念。他的成果曾年在湍流中引入应力的概念。他的成果曾汇编成汇编成雷诺力学和物理学课题论文集雷诺力学和物理学课题论文集两卷。两卷。 4.2 层流与紊流、雷诺数层流与紊流、雷诺数 实验装置：实验装置：保持恒定流的水箱保持恒定流的水箱; ; 带阀门带阀门的等直径圆管的等直径圆管; ; 带针管的有色液体漏

14、斗。带针管的有色液体漏斗。层流：层流：各层质点互不掺混各层质点互不掺混紊流：紊流：随机脉动的流动随机脉动的流动过渡流：过渡流：层流与紊流之间的层流与紊流之间的流动流动 实验表明：实验表明：同一种流体在同一管道中流动，当同一种流体在同一管道中流动，当流速不同时，流体存在两种不同型态的运动。流速不同时，流体存在两种不同型态的运动。形成条件？如何判别？形成条件？如何判别？ 能量方程简化：能量方程简化：A A、B B断面的实际总流伯努利方程：断面的实际总流伯努利方程：DAEBC12fh2222AABBABfpvpvZZhgg,ABABZZvv条件：条件：ABfpph水柱高度差就是水柱高度差就是A A、

15、B B断面间的沿程水头损失。断面间的沿程水头损失。lgvlghfO流速由小至大流速由小至大流速由大至小流速由大至小kVkV12颜色水颜色水颜色水两个临界值两个临界值 对于特定的流动装置对于特定的流动装置上临上临界流速界流速vk是不固定的，随着是不固定的，随着流动的起始条件和实验条件流动的起始条件和实验条件的扰动程度不同，的扰动程度不同， vk值可以值可以有很大的差异；但是有很大的差异；但是下临界下临界流速流速vk却是不变的。却是不变的。小到大小到大大到小大到小 在实际工程中，扰动普在实际工程中，扰动普遍存在，上临界流速没有实遍存在，上临界流速没有实际意义。际意义。由上图可得出：由上图可得出：h

16、f = kvm 层流：层流：m =1,hf v1紊流：紊流：m =1.752,hf v1.752沿程水头损失沿程水头损失hf 和平均流速和平均流速 v 的关系的关系ABCDE阻力一次方定律阻力一次方定律阻力平次方定律阻力平次方定律雷诺实验雷诺实验 揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。 当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。 当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，在当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺，这

17、种型态的流动叫做紊流。流动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。流态判别流态判别雷诺从一系列实验还发现：雷诺从一系列实验还发现：1 1、不同流体不同流体在在相同直径相同直径管中实验，临界速度管中实验，临界速度不同不同 流动状态不仅和流动状态不仅和流速流速v有关，还和有关，还和管径管径 d、流体的、流体的动力粘滞系数动力粘滞系数以及以及密度密度有关。有关。2 2、相同流体相同流体在在不同直径不同直径管中实验，临界速度管中实验，临界速度不同不同影响流态的因素影响流态的因素 故判定临界速度是液体的物理性质（故判定临界速度是液体的物理性质（ ， ）和管）和管径（径（d d）的函数。）的函数。流态的

18、判别标准流态的判别标准临界雷诺数临界雷诺数 对应于对应于临界流速临界流速的雷诺数称为的雷诺数称为临界雷诺数临界雷诺数，用，用ReK表示。表示。 以上以上4个参数可个参数可组合组合成一个无因此数，叫做成一个无因此数，叫做雷诺雷诺数数，用，用Re表示表示。 流动状态不仅和流动状态不仅和流速流速v有关，还和有关，还和管径管径 d、流体的、流体的动力粘滞系数动力粘滞系数以及以及密度密度有关。有关。Re/dRe/Kd vRe/d v引入运动粘滞系数：引入运动粘滞系数：/v 联立两式：联立两式：下临界雷诺数下临界雷诺数Re/Kcd v上临界雷诺数上临界雷诺数Re/Kcd vABCDEReRecReReRe

19、cKReReKRe2000K 实验表明，对于任何实验表明，对于任何圆管径圆管径和任何牛顿流体，其临界雷诺和任何牛顿流体，其临界雷诺数是相同的，即：数是相同的，即： Re在在2000-4000是由层流向紊流转变的过渡区。是由层流向紊流转变的过渡区。工程上为简便起见，假设当工程上为简便起见，假设当ReRek时，流动处于时，流动处于紊流状态，这样，流态的判别条件是紊流状态，这样，流态的判别条件是:层流：层流：紊流：紊流： 注意：注意：要强调指出的是临界雷诺数值要强调指出的是临界雷诺数值Rek=2000，是是仅就牛顿流体的圆管流仅就牛顿流体的圆管流而言的。而言的。雷诺数雷诺数 dvdvccc Re经过

20、雷诺实验和他以后的许多学者如席勒（经过雷诺实验和他以后的许多学者如席勒（Ludwig Schiller）的）的精密实验结果指明，对于非常光滑、均匀一致的直圆管，下临界精密实验结果指明，对于非常光滑、均匀一致的直圆管，下临界雷诺数约于雷诺数约于2320，所以在工业管道中通常取下临界雷诺数，所以在工业管道中通常取下临界雷诺数2320。上临界雷诺数不易测得其精确数值，一般取为上临界雷诺数不易测得其精确数值，一般取为13800。临界雷诺数临界雷诺数用量纲分析说明雷诺数的物理意义用量纲分析说明雷诺数的物理意义 Lv dnduAam 粘性力粘性力惯性力惯性力 LvLLvL223 Re 惯性力与粘性力作用之

21、比惯性力与粘性力作用之比判断流态判断流态 紊流紊流流态流态分析分析 层流和紊流的层流和紊流的本质本质区别：区别： 层流各流层间互不掺混，只存层流各流层间互不掺混，只存在粘性引起的各流层间的在粘性引起的各流层间的滑动摩滑动摩擦阻力擦阻力。 紊流时则有大小不等的涡体动紊流时则有大小不等的涡体动荡于各流层间。除了粘性阻力，荡于各流层间。除了粘性阻力，还存在着由于质点掺混，互相碰还存在着由于质点掺混，互相碰撞所造成的撞所造成的惯性阻力惯性阻力。 Lv dnduAam 粘性力粘性力惯性力惯性力 LvLLvL223 Re 现象与本质l 当雷诺数小于临界雷诺数：当雷诺数小于临界雷诺数：粘滞力起主导粘滞力起主

22、导作用，导致液体质点作线状运动，为层流。作用，导致液体质点作线状运动，为层流。l 当雷诺数大于临界雷诺数：当雷诺数大于临界雷诺数：惯性力起主惯性力起主导作用，导致涡体作无规则的随机运动（紊导作用，导致涡体作无规则的随机运动（紊动），于是，流动就成为紊流。动），于是，流动就成为紊流。n紊流流动的近壁特征紊流流动的近壁特征粘性底层（层流底层）粘性底层（层流底层）、过渡层过渡层、紊流核心区紊流核心区冬季：冬季： 故属于层流；故属于层流；夏季：夏季： 故属于紊流。故属于紊流。 【例题例题】用直径用直径d20cm的旧钢管输送石油，已知的旧钢管输送石油，已知石油密度石油密度900Kg/m3，若通过的流量为

23、每小时，若通过的流量为每小时100吨，石油的平均运动粘滞系数在冬季为吨，石油的平均运动粘滞系数在冬季为1.092cm2/s，夏季为，夏季为0.335cm2/s ，试分别判断石油，试分别判断石油在冬夏两季的流态？在冬夏两季的流态？mQQQvA20003369.179910092. 12 . 0982438. 0Re4vd20003011.586510335. 02 . 0982438. 0Re4vd33100 100.030864/3600900ms24 0.0308640.982438/0.2m s解：解：【解解】 （1）雷诺数 Redv2244 0.011.273.14 0.1qQAd200

24、01027. 11011 . 027. 1Re56（m/s） 故水在管道中是紊流状态。故水在管道中是紊流状态。【例题例题】管道直径管道直径 100mm100mm，输送水的流量，输送水的流量 m m3 3/s/s，水的运动粘度，水的运动粘度 m m2 2/s/s，求水在管中的流，求水在管中的流动状态？若输送动状态？若输送 m m2 2/s/s的石油，保持前一种的石油，保持前一种情况下的流速不变，流动又是什么状态？情况下的流速不变，流动又是什么状态？d610141014. 10.01Vq Red故油在管中是层流状态。故油在管中是层流状态。（2 2）雷诺数）雷诺数 Redv41.27 0.11114

25、20001.14 10【例题例题】温度温度 、运动粘、运动粘 的的水，在直径水，在直径 的管中流动的管中流动,测得流速测得流速 ,问水流处于什么状态？如要改变其运动，可以采取那问水流处于什么状态？如要改变其运动，可以采取那些办法？些办法？sm /1014. 126md2Ct15 解：水的流动雷诺数解：水的流动雷诺数Re14042000dv 层流流态层流流态 如要改变其流态如要改变其流态Re11.4/Kvm sd 1）改变流速）改变流速20.008/ReKvdcms 2）提高水温改变粘度）提高水温改变粘度scmv/8( (1) 1) 液体具有液体具有粘滞粘滞性。性。 (2) (2) 由于由于固体

26、边界固体边界的影响，液流内部质点之间的影响，液流内部质点之间 产生产生相对运动相对运动。 液体具有粘滞性是主要的，起决定性作用。液体具有粘滞性是主要的，起决定性作用。 液流产生水头损失的两个条件液流产生水头损失的两个条件 要点总结要点总结关键问题关键问题1： 沿程损失和局部损失沿程损失和局部损失总水头损失总水头损失液体液体沿程沿程水头水头损失：损失：局部局部水头水头损失：损失： 22flvhdg22mvhg 沿程阻力系数；沿程阻力系数；l管道长度；管道长度；d管道直径；管道直径；v平均流速平均流速 局部阻力系数局部阻力系数关键问题关键问题2： 能量损失的计算能量损失的计算 核心问题核心问题：

27、和和 的计算。的计算。气气体体沿程沿程压强压强损失损失: :局部局部压强压强损失：损失： 22flvpd22mvp把把能量损失能量损失的计算问题转化为的计算问题转化为求阻力系数求阻力系数的问题。的问题。 这两系数必须这两系数必须借助于典型实验借助于典型实验，用经用经验或半经验方法验或半经验方法求得。求得。关键问题关键问题3： 雷诺实验雷诺实验 实验装置：保持恒定流的水箱实验装置：保持恒定流的水箱; ; 带阀门的带阀门的等直径圆管等直径圆管; ; 带针管的有色液体漏斗带针管的有色液体漏斗。层流：层流：各层质点互不掺混各层质点互不掺混紊流：紊流：随机脉动的流动随机脉动的流动过渡流：过渡流：层流与紊

28、流之间的流动层流与紊流之间的流动lglglgfhkmvmfhkv层流：层流：m=1，hf v1紊流：紊流：m=1.752，hf v1.752 对于特定的流动装置对于特定的流动装置上临界流速上临界流速vk是不固定的，随着流动的起始条件和是不固定的，随着流动的起始条件和实验条件的扰动程度不同，实验条件的扰动程度不同， vk值可以值可以有很大的差异；但是有很大的差异；但是下临界流速下临界流速vk却却是不变的。在实际工程中，扰动普遍是不变的。在实际工程中，扰动普遍存在，上临界流速没有实际意义。存在，上临界流速没有实际意义。流速由小到大流速由小到大流速由大到小流速由大到小阻力一次方定律阻力一次方定律阻力

29、平次方定律阻力平次方定律流态的判别流态的判别临界雷诺数临界雷诺数 Rev d Re2000k 雷诺等人通过大量的实验发现：流体的流动状态不仅和雷诺等人通过大量的实验发现：流体的流动状态不仅和流速流速v有关，还和管径有关，还和管径d、流体的动力粘滞系数、流体的动力粘滞系数和密度和密度有关。有关。以上四个参数可组合成一个无因次数，叫做雷诺数，用以上四个参数可组合成一个无因次数，叫做雷诺数，用Re表表示。示。 对应于临界流速的雷诺数称为临界雷诺数，用对应于临界流速的雷诺数称为临界雷诺数，用ReK表示。表示。实验表明，对于任何圆管径和任何牛顿流体，其临界雷诺数实验表明，对于任何圆管径和任何牛顿流体，其

30、临界雷诺数是相同的，即：是相同的，即： Re在在2000-4000是由层流向紊流转变的过渡区。是由层流向紊流转变的过渡区。工程上为简便起见，假设当工程上为简便起见，假设当ReRek时，流动处于时，流动处于紊流状态，这样，流态的判别条件是紊流状态，这样，流态的判别条件是:层流：层流：紊流：紊流： 注意：注意：要强调指出的是临界雷诺数值要强调指出的是临界雷诺数值Rek=2000，是是仅就牛顿流体的圆管流仅就牛顿流体的圆管流而言的。而言的。粘性底层（层流底层）粘性底层（层流底层）、过渡层过渡层、紊流核心区紊流核心区关键问题关键问题4： 紊流流动的近壁特征紊流流动的近壁特征沿程损失、局部损失、水头损失

31、的机理及计算沿程损失、局部损失、水头损失的机理及计算课后任务课后任务层流、紊流、雷诺实验、（上、下）临界速度层流、紊流、雷诺实验、（上、下）临界速度雷诺数、（上、下）临界雷诺数、紊流的近壁特征雷诺数、（上、下）临界雷诺数、紊流的近壁特征作业作业 1、流体能量损失有几种形式？产生能量损失的物理原因、流体能量损失有几种形式？产生能量损失的物理原因是什么？是什么？ 2、为何不能直接用临界速度作为判别流体（层流与紊流）、为何不能直接用临界速度作为判别流体（层流与紊流）的标准？的标准？ 3、怎么判别流体的两种流态、怎么判别流体的两种流态层流与紊流？层流与紊流？ 4、简述紊流流动的近壁特征。、简述紊流流动的近壁特征。预习内容预习内容第四章第四章 流动阻力和能量损失流动阻力和能量损失问题问题1 1、圆管中的层流运动圆管中的层流运动问题问题2 2、紊流运动的特征与紊流阻力紊流运动的特征与紊流阻力问题问题3 3、尼古拉兹实验尼古拉兹实验