流体力学CH流动阻力与能量损失.pptx

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1、12.1沿程损失和局部损失归纳归纳造成流段损失的原因：造成流段损失的原因：内因：粘性和速度梯度；内因：粘性和速度梯度；外因：流场中边界形状发生剧烈变化，或有局部障碍。外因：流场中边界形状发生剧烈变化，或有局部障碍。若流体是理想流体，即使边界形状发生急剧变化，也只能若流体是理想流体，即使边界形状发生急剧变化，也只能是机械能的相互转化，不会造成流动损失。是机械能的相互转化，不会造成流动损失。总之，流体粘性是造成流动损失的根本原因。第1页/共100页2能量损失的表示及分类 有二种表示方法：液体：单位重量流体的能量表示 符号hl ，因次m 气体：单位体积内流体的能量表示 符号pl ，因次Pa 按流动边

2、界情况，分为沿程损失和局部损失。2.1沿程损失和局部损失第2页/共100页3（1）沿程损失hf据实验得出：沿程水头损失与管段长度、管径、流速、流体粘度、密度以及管壁粗糙度等因素有关。2.1沿程损失和局部损失第3页/共100页4达西公式达西公式 沿程阻力系数（一般由实验确定）；沿程阻力系数（一般由实验确定）；管段长度；管段长度；管道直径；管道直径；重力加速度度；重力加速度度；水流平均流速。水流平均流速。ldg V18581858年，法国工程师达西（年，法国工程师达西（DarcyDarcy）在归纳总结前人实）在归纳总结前人实验的基础上提出了圆管沿程损失的计算公式：验的基础上提出了圆管沿程损失的计算

3、公式：2.1沿程损失和局部损失第4页/共100页52.1沿程损失和局部损失第5页/共100页6（2）局部损失hj局部水头损失发生在局部区域，与水流状态和水流断面的几何形状相关。局部阻力系数（通常由实验确定）局部阻力系数（通常由实验确定）V V对应断面水流平均流速对应断面水流平均流速2.1沿程损失和局部损失第6页/共100页72.2层流与湍流、雷诺数两种流态两种流态早在早在18301830年，研究人员发现沿程损失与流速有一定关系：年，研究人员发现沿程损失与流速有一定关系：流速较小时，水头损失和流速的一次方成比例；流速较小时，水头损失和流速的一次方成比例；流速较达时，水头损失几乎和流速的平方成比例

4、。流速较达时，水头损失几乎和流速的平方成比例。过了过了5050多年，英国实验物理学家雷诺研究发现，水头损失规律之多年，英国实验物理学家雷诺研究发现，水头损失规律之不同，是由于粘性流体存在两种不同的流态不同，是由于粘性流体存在两种不同的流态层流和湍流。层流和湍流。雷诺（雷诺（O.ReynoldsO.Reynolds，1842184219121912）于）于18831883年发表了年发表了一篇经典性论文：一篇经典性论文：决定水流为直线或曲线运动的条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讨件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨第7页/共100页8层流和湍流层流和湍流雷诺实验装置2.

5、2层流与湍流、雷诺数第8页/共100页9层流和湍流层流和湍流同一流体、同一管道同一流体、同一管道只因为流速不同只因为流速不同形成两种性质不同的流动状态。形成两种性质不同的流动状态。2.2层流与湍流、雷诺数第9页/共100页10层流和湍流层流和湍流层流：层流：流体质点分层有规则地流动，各层质点宏观上互不掺混的流体质点分层有规则地流动，各层质点宏观上互不掺混的 流动状态。流动状态。湍流：湍流：流体质点的运动轨迹极不规则，流体剧烈掺混的流动状态。流体质点的运动轨迹极不规则，流体剧烈掺混的流动状态。2.2层流与湍流、雷诺数第10页/共100页11层流和湍流层流和湍流“乱乱”说明说明流体质点除了沿管轴线

6、的速度以流体质点除了沿管轴线的速度以 外，还有不规则的横向速度，结果把邻层流体外，还有不规则的横向速度，结果把邻层流体 质点搅和了。质点搅和了。2.2层流与湍流、雷诺数第11页/共100页122.2层流与湍流、雷诺数Rek称为雷诺临界数，不随管径大小和流体物理性质而变化。Re2000湍流第12页/共100页132.2层流与湍流、雷诺数强调：对于Re100000Re100000第80页/共100页812.7非圆管的沿程损失水力半径基本思想：把非圆管设法折合成圆管来计算，通过建立非 圆管的当量直径来实现。希望找到一个量可以综合反映断面尺寸和几何形状对流动的影响。对于非圆管流动以及明渠水流，采用水力

7、半径作为特征长度。水力半径：过流断面面积A与湿周 之比。湿周：过流断面上流体和固体壁面接触的周界。湿周湿周第81页/共100页822.7非圆管的沿程损失水力半径水力半径R作为特征长度，它综合反映了断面尺寸和几何形状对流动的影响。圆管的水力半径：边长为a,b 的矩形：边长为a正方形：第82页/共100页832.7非圆管的沿程损失水力半径令非圆管的水力半径R和圆管的水力半径d/4相等，即得当量直径的计算公式：de=4R 即当量直径是水力半径的4倍边长为a,b 的矩形：边长为a正方形：第83页/共100页842.7非圆管的沿程损失水力半径 以以d de e计算阻力计算阻力以以d de e判断流态判断

8、流态非圆形截面的形状与圆形相差越小，用当量直径计算的可非圆形截面的形状与圆形相差越小，用当量直径计算的可靠性越大。靠性越大。第84页/共100页852.7非圆管的沿程损失例题例1：某400200mm钢板风道长80m，管内平均流速 V=10m/s。空气的温度为20，求压强损失。例2：充满流体的环形截面管道，其内、外环管径分别为d 和D，则该环形截面管道 的当量直径。第85页/共100页86例例3 3：排水管道，直径为排水管道，直径为d d。求其水力半径和当量直径。求其水力半径和当量直径。2.7非圆管的沿程损失第86页/共100页872.8管道流动的局部损失急变流中，过流断面急剧变化处发生的水头损

9、失，为局部水头损失。局部水头损失：层流的局部损失问题在暖通空调方面极少遇到，所以一般主要研究湍流的局部损失。局部损失一般分析局部损失一般分析第87页/共100页882.8管道流动的局部损失第88页/共100页892.8管道流动的局部损失局部损失一般分析局部损失一般分析实验表明，局部水头损失系数主要取决于实验表明，局部水头损失系数主要取决于局部障碍形状局部障碍形状、固体壁面的相对粗糙固体壁面的相对粗糙以及以及雷诺数雷诺数。其中，。其中，局部障碍形状起局部障碍形状起主导作用。主导作用。第89页/共100页902.8管道流动的局部损失局部损失一般分析局部损失一般分析沿程阻力和局部阻力的本质：沿程阻力

10、和局部阻力的本质：1 1、突露在湍流核心的每一个糙粒都是产生微小旋涡的根、突露在湍流核心的每一个糙粒都是产生微小旋涡的根源，可以看成是以个个微小的局部障碍。沿程阻力可以看源，可以看成是以个个微小的局部障碍。沿程阻力可以看成是无数微小局部阻力之和，局部阻力可以看成是沿程阻成是无数微小局部阻力之和，局部阻力可以看成是沿程阻力的局部扩大。力的局部扩大。2 2、从本质上看，、从本质上看，沿程阻力和局部阻力都是由湍流的脉动沿程阻力和局部阻力都是由湍流的脉动掺混作用引起的粘性阻力和惯性阻力造成的。掺混作用引起的粘性阻力和惯性阻力造成的。第90页/共100页912.8管道流动的局部损失变管径的局部损失根据1

11、-1，2-2断面列能量方程，两断面间的局部水头损失为：根据两断面动量方程，有：第91页/共100页92突然扩大的阻力系数为：变管径的局部损失变管径的局部损失2.8管道流动的局部损失第92页/共100页93突然缩小的阻力系数为：变管径的局部损失变管径的局部损失2.8管道流动的局部损失第93页/共100页94弯管的局部损失弯管速度方向的改变不仅使弯管的内侧和外侧出现两个旋涡区，而且产生二次流现象。二次流与主流叠加，使流过弯管的质点做螺旋运动，加大了能量损失。R/d对弯管阻力系数影响最大。2.8管道流动的局部损失第94页/共100页95局部阻力之间的相互干扰局部障碍直接连接时，水头损失会出现一定幅度

12、的变化，可能增大，也可能减小。在设计管网时，如各局部障碍之间的距离都大于3倍管径，忽略相互干扰的计算结果，一般偏于安全。2.8管道流动的局部损失第95页/共100页962.9减小阻力的措施减阻途径减阻途径减阻有两条完全不同的途径：减阻有两条完全不同的途径：途径一，途径一，改善边壁对流动的影响；改善边壁对流动的影响；途径二，途径二，在流体中投入极少量填加剂，改善流体的内部在流体中投入极少量填加剂，改善流体的内部 结构。结构。第96页/共100页97途径一途径一1 1、减小管壁的粗糙度、减小管壁的粗糙度2 2、平顺管道进口、平顺管道进口减少局部阻力的着眼点在于防止或推迟流体与壁面的分离，减少局部阻

13、力的着眼点在于防止或推迟流体与壁面的分离，避免旋涡区的产生或减小旋涡区的大小和强度。避免旋涡区的产生或减小旋涡区的大小和强度。2.9减小阻力的措施第97页/共100页98途径一途径一3 3、渐扩管和突扩管、渐扩管和突扩管4 4、弯管：曲率半径最好在、弯管：曲率半径最好在R=(14)dR=(14)d；断面大的弯管加导流叶片断面大的弯管加导流叶片2.9减小阻力的措施第98页/共100页99途径一途径一5 5、三通、三通 尽可能减小支管与合流管之间的夹角；尽可能减小支管与合流管之间的夹角；将支管与合流管连接处的折角改缓慢。将支管与合流管连接处的折角改缓慢。2.9减小阻力的措施第99页/共100页100感谢您的观看！第100页/共100页