[农学]第四章流动阻力和水头损失.ppt
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1、农学第四章流动阻力和水头损失 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失4.24.7:沿程水头损失:沿程水头损失:沿程水头损失系数:沿程水头损失系数4.8:局部水头损失:局部水头损失:局部水头损失系数:局部水头损失系数4.1:阻力产生原因及分类:阻力产生原因及分类章节结构章节结构3:伯努利方程阻力损失:伯努利方程阻力损失hw4.2:与流态有关与流态有关4.3、4.5:层流流态情形:层流流态情形4.4、4.6、4
2、.7:紊流流态情形:紊流流态情形第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失4.1 流动阻力产生的原因及分类一、阻力产生的原因:一、阻力产生的原因:外因:外因:1.断面面积及几何形状断面面积及几何形状2.管路长度管路长度3.管壁粗糙度管壁粗糙度内因:内因:1.运动流体内部质点之间的相互摩擦,产生动量交换。运动流体内部质点之间的相互摩擦,产生动量交换。2.运动流体内部质点之间的相互碰撞,产生动量交换。运动流体内部质点之间的相互碰撞,产生动量交换。掌握掌握第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失外因:外因:1.断面面积及几何形状断面面积及几何形状面积:面积:A湿周:湿周:过流断面上
3、与流体相接触的固体边界的长度过流断面上与流体相接触的固体边界的长度水力半径:水力半径:断面面积和湿周长度之比断面面积和湿周长度之比ii 求(求(1 1)圆管、()圆管、(2 2)套管、()套管、(3 3)矩形渠道的水力半径:)矩形渠道的水力半径:d第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失外因:外因:1.断面面积及几何形状断面面积及几何形状面积:面积:A湿周:湿周:过流断面上与流体相接触的固体边界的长度过流断面上与流体相接触的固体边界的长度水力半径:水力半径:断面面积和湿周长度之比断面面积和湿周长度之比ii 求(求(1 1)圆管、()圆管、(2 2)套管、()套管、(3 3)矩形渠道的
4、水力半径:)矩形渠道的水力半径:Dd第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失外因:外因:1.断面面积及几何形状断面面积及几何形状面积:面积:A湿周:湿周:过流断面上与流体相接触的固体边界的长度过流断面上与流体相接触的固体边界的长度水力半径:水力半径:断面面积和湿周长度之比断面面积和湿周长度之比ii 求(求(1 1)圆管、()圆管、(2 2)套管、()套管、(3 3)矩形渠道的水力半径:)矩形渠道的水力半径:ab第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失说明:说明:说明:说明:单独的面积或者湿周不能作为衡量管道阻力大小的标准。单独的面积或者湿周不能作为衡量管道阻力大小的标准。水
5、力半径可以单独衡量管路水流阻力的大小。水力半径可以单独衡量管路水流阻力的大小。水力半径与水流阻力呈水力半径与水流阻力呈反比。反比。即:水力半径越大,阻力越小;水力半径越小,阻力越大。即:水力半径越大,阻力越小;水力半径越小,阻力越大。ii 如下几种矩形管道,水流满管流动,试比较各自的阻力大小。如下几种矩形管道,水流满管流动,试比较各自的阻力大小。aa2a0.5a1.5a0.5a第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失说明:说明:说明:说明:单独的面积或者湿周不能作为衡量管道阻力大小的标准。单独的面积或者湿周不能作为衡量管道阻力大小的标准。水力半径可以单独衡量管路水流阻力的大小。水力半
6、径可以单独衡量管路水流阻力的大小。水力半径与水流阻力呈水力半径与水流阻力呈反比。反比。即:水力半径越大,阻力越小;水力半径越小,阻力越大。即:水力半径越大,阻力越小;水力半径越小,阻力越大。ii 如下几种矩形管道,水流满管流动,试比较各自的阻力大小。如下几种矩形管道,水流满管流动,试比较各自的阻力大小。aa2a0.5a1.5a0.5a第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2.管路长度管路长度 L水流阻力与管长成正比。水流阻力与管长成正比。3.管壁粗糙度管壁粗糙度绝对粗糙度绝对粗糙度壁面上粗糙突起的高度。壁面上粗糙突起的高度。平均粗糙度平均粗糙度壁面上粗糙颗粒的平均高度或突起高度的平
7、均值。壁面上粗糙颗粒的平均高度或突起高度的平均值。以以表示。表示。相对粗糙度相对粗糙度/D,管路绝对粗糙度相对于管径的无量纲比值。,管路绝对粗糙度相对于管径的无量纲比值。一般而言,管路越粗糙,水流阻力越大。一般而言,管路越粗糙,水流阻力越大。第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失内因:内因:通过流动状态观察实验,可发现:当管内流速较小时,流体质点有序通过流动状态观察实验,可发现:当管内流速较小时,流体质点有序前进,质点之间以相互摩擦为主,局部障碍处存在质点碰撞;随着管前进,质点之间以相互摩擦为主,局部障碍处存在质点碰撞;随着管内流速增加,流体质点开始发生碰撞,最终几乎以碰撞为主。内
8、流速增加,流体质点开始发生碰撞,最终几乎以碰撞为主。流体在流动中永远存在质点的摩擦和撞击现象,流体在流动中永远存在质点的摩擦和撞击现象,流体质点由于相互摩流体质点由于相互摩擦所表现出的粘性,以及质点撞击引起速度变化所表现出的惯性,才擦所表现出的粘性,以及质点撞击引起速度变化所表现出的惯性,才是流动阻力产生的根本原因。是流动阻力产生的根本原因。第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失二、流动阻力及水头损失的分类:二、流动阻力及水头损失的分类:根据阻力产生的外部条件的不同,可将流动阻力分为:根据阻力产生的外部条件的不同,可将流动阻力分为:沿程阻力:沿程阻力:粘性造成的摩擦阻力和惯性造成的
9、能量消耗,是液流粘性造成的摩擦阻力和惯性造成的能量消耗,是液流沿流程直管段上所产生的阻力。沿流程直管段上所产生的阻力。局部阻力:局部阻力:液流中流速重新分布,旋涡中粘性力做功和质点碰撞液流中流速重新分布,旋涡中粘性力做功和质点碰撞产生动量交换,是液流经过管路进口、出口、大小头、弯头、闸产生动量交换,是液流经过管路进口、出口、大小头、弯头、闸门、过滤器等局部管件时产生的阻力。门、过滤器等局部管件时产生的阻力。与之相对应,管路总水头损失可写为:与之相对应,管路总水头损失可写为:沿程水头损失沿程水头损失hf:液流因克服沿程阻力而产生的水头损失。液流因克服沿程阻力而产生的水头损失。局部水头损失局部水头
10、损失hj:液流因克服局部阻力而产生的水头损失。液流因克服局部阻力而产生的水头损失。第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失4.2 两种流态及其转化标准掌握掌握水流因流速的不同,有两种不同的流态水流因流速的不同,有两种不同的流态层流、紊流层流、紊流。由此导致流。由此导致流体在流动过程中:体在流动过程中:断面速度分布规律不同断面速度分布规律不同阻力损失规律不同阻力损失规律不同因此,要讨论水流流动时的速度分布及阻力损失规律,必须首先对水因此,要讨论水流流动时的速度分布及阻力损失规律,必须首先对水流流态有所认识并加以判别流流态有所认识并加以判别雷诺(雷诺(Reynolds)实验)实验。第四章
11、第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失实验结论实验结论 1:当流速较小时,各流层流体质点互相平行前进,质点间互不干扰,没当流速较小时,各流层流体质点互相平行前进,质点间互不干扰,没有横向位置的交换。流动状态主要表现为质点摩擦有横向位置的交换。流动状态主要表现为质点摩擦层流流态。层流流态。一、流态转化演示实验:雷诺(一、流态转化演示实验:雷诺(ReynoldsReynolds)实验)实验1883年,雷诺(年,雷诺(Reynolds)通过实验揭示了不同流态的流动实质。实)通过实验揭示了不同流态的流动实质。实验装置如图所示。验装置如图所示。第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失实验
12、结论实验结论 2:当流速较大时,流体质点在运动中有横向位置的交换,各流层之间质当流速较大时,流体质点在运动中有横向位置的交换,各流层之间质点相互混掺、互相碰撞、杂乱无章的向前运动点相互混掺、互相碰撞、杂乱无章的向前运动紊流流态。紊流流态。一、流态转化演示实验:雷诺(一、流态转化演示实验:雷诺(ReynoldsReynolds)实验)实验1883年,雷诺(年,雷诺(Reynolds)通过实验揭示了不同流态的流动实质。实)通过实验揭示了不同流态的流动实质。实验装置如图所示。验装置如图所示。第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失实验结论实验结论 3:层流到紊流的中间过渡状态称为临界状态。
13、层流到紊流的中间过渡状态称为临界状态。一、流态转化演示实验:雷诺(一、流态转化演示实验:雷诺(ReynoldsReynolds)实验)实验1883年,雷诺(年,雷诺(Reynolds)通过实验揭示了不同流态的流动实质。实)通过实验揭示了不同流态的流动实质。实验装置如图所示。验装置如图所示。第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失方法一:临界流速方法一:临界流速vc(上临界流速)(上临界流速)、vc(下临界流速)(下临界流速)由零流速逐渐加大流速,使水流从层流过渡至紊流,其临界状态下的由零流速逐渐加大流速,使水流从层流过渡至紊流,其临界状态下的流速即为流速即为vc(上临界流速);同理,
14、由紊流逐渐减小流速,使水流从(上临界流速);同理,由紊流逐渐减小流速,使水流从紊流过渡至层流,其临界状态下的流速即为紊流过渡至层流,其临界状态下的流速即为vc(下临界流速)。(下临界流速)。上临界流速与下临界流速并不相等,有:上临界流速与下临界流速并不相等,有:vcRec必要条件必要条件第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失为什么为什么ReRec cReRec c,且数值不稳定?,且数值不稳定?对于流速逐渐加大,层流对于流速逐渐加大,层流紊流的正过程。层流形成紊流的紊流的正过程。层流形成紊流的先决条件是涡体的形成,必要条件是先决条件是涡体的形成,必要条件是ReRec。如果流动外部环
15、如果流动外部环境非常平稳,没有外部扰动。即使境非常平稳,没有外部扰动。即使ReRec,涡体没有形成,流,涡体没有形成,流态仍可能持续保持层流。一旦遇到外部扰动,涡体形成,流态态仍可能持续保持层流。一旦遇到外部扰动,涡体形成,流态即转化为紊流。即转化为紊流。此时的临界值为此时的临界值为Rec。因此:。因此:Rec Rec。而且,。而且,受外界干扰的影响,受外界干扰的影响,Rec数值不稳定。数值不稳定。对于流速减小,紊流对于流速减小,紊流层流的逆过程。紊流本身存在涡体。层流的逆过程。紊流本身存在涡体。随着随着Re的减小,当的减小,当Re 时,时,管壁粗糙度管壁粗糙度对对紊流核心区的紊流核心区的流动
16、几乎没有影响,流体像是在由粘性底层构成的光滑管路中流流动几乎没有影响,流体像是在由粘性底层构成的光滑管路中流动。动。对对流动阻力流动阻力的的影响不计,称为水力光滑。影响不计,称为水力光滑。l l紊流核心区紊流核心区层流底层区层流底层区第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2.2.水力粗糙(管)水力粗糙(管)当当l 时,时,管壁粗糙度管壁粗糙度暴露于紊流核心暴露于紊流核心区内,粗糙度导致流体质点之间碰撞、产生旋涡,增加了能量损区内,粗糙度导致流体质点之间碰撞、产生旋涡,增加了能量损失。失。对流动阻力有很大影响,称为水力粗糙。对流动阻力有很大影响,称为水力粗糙。l l层流底层区层流底层
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