流动阻力和水头损失优秀PPT.ppt
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1、流动阻力和水头损失你现在浏览的是第一页,共62页第一节第一节 流动阻力产生的原因及分类流动阻力产生的原因及分类一、基本概念一、基本概念湿周:管子断面上流体与固体壁接触的边界周长。湿周:管子断面上流体与固体壁接触的边界周长。以以 表示。表示。单位:米单位:米2 2、水力半径:断面面积和湿周之比。、水力半径:断面面积和湿周之比。单位:米单位:米 例:例:圆管:圆管:正方:正方:你现在浏览的是第二页,共62页圆环流:圆环流:明渠流:明渠流:3 3、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。4 4、平均粗糙度平均粗糙度:壁面上粗糙颗粒的平均高度或:壁面上粗糙颗粒的平均高度或突
2、起高度的平均值。以突起高度的平均值。以表示。表示。5 5、相对粗糙度相对粗糙度:/D/D(DD管径)。管径)。你现在浏览的是第三页,共62页二、阻力产生的原因二、阻力产生的原因1、外因:、外因:(a)管子的几何形状与几何尺寸。)管子的几何形状与几何尺寸。面积:A1a2 A2a2 A33a2/4湿周:水力半径:R10.25aR20.2a R30.1875a实验结论实验结论:阻力阻力1 1 阻力阻力2 2 Vcup VcdownVcdown(4 4).流动介质变化时,流动介质变化时,VcVc也不同,由此得出,也不同,由此得出,VcVc不能作为判别流态的标准。不能作为判别流态的标准。你现在浏览的是第
3、十二页,共62页三、判别流动状态的标准三、判别流动状态的标准 ReRe 1 1、雷诺实验中所发生的现象与下列因素有关,雷诺实验中所发生的现象与下列因素有关,流体密度流体密度,粘性系数,粘性系数,平均流速,平均流速V V,管径,管径D D,即即 流动现象流动现象f f(,V V,D D)即流动现象只与雷诺数即流动现象只与雷诺数ReRe有关。有关。对于圆管,雷诺数对于圆管,雷诺数 VV管内流速管内流速dd管径管径粘性系数粘性系数工程上一般取工程上一般取ReRe临临20002000,当当Re Re 20002000时,为层流,时,为层流,当当Re Re 20002000时,为紊流。时,为紊流。你现在
4、浏览的是第十三页,共62页2 2、Re Re 的物理意义:作用在质点上的的物理意义:作用在质点上的惯性力与粘惯性力与粘性力的比值性力的比值。证明:证明:式中式中 L L 为特征长度,对于圆管,为特征长度,对于圆管,L Ld d。3 3、单位:无量纲数、单位:无量纲数你现在浏览的是第十四页,共62页第三节第三节 因次分析和相似原理因次分析和相似原理 由于流体流动十分复杂,至今对一些工程中的由于流体流动十分复杂,至今对一些工程中的复杂流动问题,仍不能完全依靠理论分析来复杂流动问题,仍不能完全依靠理论分析来求得解答。因此为了解决各种工程实际问题,求得解答。因此为了解决各种工程实际问题,需要广泛进行各
5、种需要广泛进行各种模拟实验模拟实验。实验常常是流动。实验常常是流动研究中最基本的手段,而研究中最基本的手段,而实验的理论基础则是实验的理论基础则是相似原理相似原理,实验资料的,实验资料的数据分析则要应用因数据分析则要应用因次(量纲)分析次(量纲)分析。你现在浏览的是第十五页,共62页例如,把飞机或火箭模型放到风洞中吹风,或者例如,把飞机或火箭模型放到风洞中吹风,或者把舰船模型放到拖曳水池中做牵引试验。很自然,把舰船模型放到拖曳水池中做牵引试验。很自然,把模型做得和实物一样大小是很不经济的或者不把模型做得和实物一样大小是很不经济的或者不现实的,因此模拟实验中一般采用缩小了的模型。现实的,因此模拟
6、实验中一般采用缩小了的模型。这就产生了两个问题,为了这就产生了两个问题,为了保持模拟流场与实际保持模拟流场与实际流场之间的一定对应关系流场之间的一定对应关系,或者说相似性,实验,或者说相似性,实验中的各种特征参数,如所用的流体性质,来流速中的各种特征参数,如所用的流体性质,来流速度等,应当怎样调整度等,应当怎样调整?由由模拟实验得出的各种数模拟实验得出的各种数据,如模型所受的流体作用力及模型流场速度分据,如模型所受的流体作用力及模型流场速度分布怎样才能有效地外推到实际流场中去布怎样才能有效地外推到实际流场中去?这些正这些正是本节所要讨论的内容。是本节所要讨论的内容。你现在浏览的是第十六页,共6
7、2页一一 、相似的基本概念相似的基本概念 流体力学中的相似通常可分为流体力学中的相似通常可分为几何相似几何相似、运运动相似动相似和和动力相似动力相似。所谓几何相似,就是模。所谓几何相似,就是模型流场跟原型流场的型流场跟原型流场的“边界边界”几何形状要求几何形状要求相似,确切地讲,它们各对应部分的夹角相相似,确切地讲,它们各对应部分的夹角相等,尺寸大小成常数比例。等,尺寸大小成常数比例。你现在浏览的是第十七页,共62页例如,在一个宽度为例如,在一个宽度为c c的流动水槽中,放置一具的流动水槽中,放置一具线尺度分别为线尺度分别为a a和和b b的椭圆形障碍物,于是形成了的椭圆形障碍物,于是形成了一
8、个绕流流场。倘若图中水槽绕流流场一个绕流流场。倘若图中水槽绕流流场模型模型流动与某个实际问题的原型流动几何相似,则该流动与某个实际问题的原型流动几何相似,则该原型流动的原型流动的“边界边界”几何形状必须跟图中相似,几何形状必须跟图中相似,只是规模尺寸按同一比例放大或缩小而已,即只是规模尺寸按同一比例放大或缩小而已,即 (4-1)(4-1)其中下标其中下标1 1和和2 2分别表示原分别表示原型和模型所具有的量。即,型和模型所具有的量。即,原型流动必也是水槽中绕椭圆形障碍的流动,无原型流动必也是水槽中绕椭圆形障碍的流动,无非是水槽和椭圆形障碍的原型比模型按同一比例非是水槽和椭圆形障碍的原型比模型按
9、同一比例放大或缩小。或者,模型流场的边界线尺度乘以放大或缩小。或者,模型流场的边界线尺度乘以一个相同的常数后,就跟原型流场完全重合。一个相同的常数后,就跟原型流场完全重合。你现在浏览的是第十八页,共62页在几何相似的基础上在几何相似的基础上,列举模型流场与原型流场,列举模型流场与原型流场之间之间“相应的点相应的点”才有意义。例如,在图中所示才有意义。例如,在图中所示的模型流场中取的模型流场中取P2P2和和Q2Q2点,则相应于原型流场就点,则相应于原型流场就有有P1P1和和Q1Q1点。如果在这些任取的相应点上,模型点。如果在这些任取的相应点上,模型和原型流场的流速分量满足关系式和原型流场的流速分
10、量满足关系式Ux(p2)/Ux(p1)Ux(p2)/Ux(p1)Uy(p2)/Uy(p1)=Uz(p2)/Uz(p1)Uy(p2)/Uy(p1)=Uz(p2)/Uz(p1)Ux(Q2)/Ux(Q1)Ux(Q2)/Ux(Q1)Uy(Q2)/Uy(Q1)Uy(Q2)/Uy(Q1)Uz(Q2)/Uz(Q1)(4-2)Uz(Q2)/Uz(Q1)(4-2)那么这两个流场间称之谓那么这两个流场间称之谓运动相似或流场相似运动相似或流场相似。上式表明,流场相似也就是在两流场上式表明,流场相似也就是在两流场对应点速度对应点速度方向相同、大小成常数比例。方向相同、大小成常数比例。你现在浏览的是第十九页,共62页由
11、此不难理解,由此不难理解,动力相似动力相似就是要求在两流场相应就是要求在两流场相应点上各点上各动力学变量动力学变量成同一常数比例。成同一常数比例。(同名力成同名力成比例,如比例,如 重力、粘性力、惯性力、弹性力等重力、粘性力、惯性力、弹性力等)但但是,动力相似是否亦存在着类似式是,动力相似是否亦存在着类似式(41)(41)和式和式(4-2)(4-2)那样必须满足的关系式呢那样必须满足的关系式呢?或者进一步满足或者进一步满足什么样的充分条件以后,两流场才是动力相似呢什么样的充分条件以后,两流场才是动力相似呢?这就是这就是相似判据相似判据。1、重力相似准则(弗劳德准则)、重力相似准则(弗劳德准则)
12、2、粘性力相似准则(雷诺准则)、粘性力相似准则(雷诺准则)3、压力相似准则(欧拉准则)、压力相似准则(欧拉准则)4、弹性力相似准则、弹性力相似准则(柯西准则柯西准则)5、表面张力相似准则(韦伯准则)、表面张力相似准则(韦伯准则)6、非定常性相似准则(斯特劳哈尔准则)、非定常性相似准则(斯特劳哈尔准则)你现在浏览的是第二十页,共62页一般说来,满足了上述三方面的相似以后,模型一般说来,满足了上述三方面的相似以后,模型流动就能逼真地流动就能逼真地模拟出原型流动模拟出原型流动,而且模型流动,而且模型流动的的试验结果,可以有价值地返回成原型流动所需试验结果,可以有价值地返回成原型流动所需解决的问题解决
13、的问题。否则,模型试验就失去其模拟或解。否则,模型试验就失去其模拟或解决实际流动问题的意义。决实际流动问题的意义。总之,相似理论是物理模拟的基础,它能指总之,相似理论是物理模拟的基础,它能指导如何去鉴别相似现象,并提供确定相似判据的导如何去鉴别相似现象,并提供确定相似判据的方法。它又是方法。它又是组织实验,整理实验结果,并把这组织实验,整理实验结果,并把这些结果有规律地推广到其他现象上去的科学依据。些结果有规律地推广到其他现象上去的科学依据。因此,在相似理论基础上,模型试验已成为近代因此,在相似理论基础上,模型试验已成为近代科技研究的重要方法。在工程领域中,如风洞中科技研究的重要方法。在工程领
14、域中,如风洞中的飞机模型试验,水槽的船舶试验室内空调气流的飞机模型试验,水槽的船舶试验室内空调气流组织,室外大气污染扩散模拟等,采用模型试验组织,室外大气污染扩散模拟等,采用模型试验已取得了许多杰出的成果。已取得了许多杰出的成果。你现在浏览的是第二十一页,共62页探讨几何相似、运动相似和动力相似等方面的内探讨几何相似、运动相似和动力相似等方面的内容,甚至可包括其他物理或化学变化的过程,就容,甚至可包括其他物理或化学变化的过程,就构成了相似理论。概括地讲,构成了相似理论。概括地讲,几何相似是流体力几何相似是流体力学相似的前提,运动相似是流体力学相似的目的,学相似的前提,运动相似是流体力学相似的目
15、的,动力相似是实现运动相似的保障。动力相似是实现运动相似的保障。而动力相似则而动力相似则通过保持原型流动和模型流动相似准数相等来实通过保持原型流动和模型流动相似准数相等来实现的。现的。在这个意义上,如何获得动力相似准数就在这个意义上,如何获得动力相似准数就成为了解决问题的第一步。一般说来,可分别用成为了解决问题的第一步。一般说来,可分别用方程分析的方法和量纲分析的方法来推求相似准方程分析的方法和量纲分析的方法来推求相似准数,我们主要介绍量纲分析方法。数,我们主要介绍量纲分析方法。你现在浏览的是第二十二页,共62页以相似原理为基础的模型实验方法,按照流体流以相似原理为基础的模型实验方法,按照流体
16、流动相似的条件,可设计模型和安排试验。这些条动相似的条件,可设计模型和安排试验。这些条件是件是几何相似、运动相似和动力相似几何相似、运动相似和动力相似。前两个相似是第三个相似的充要条件,同时前两个相似是第三个相似的充要条件,同时满足以上条件为流动相似,满足以上条件为流动相似,模型试验的结果方可模型试验的结果方可用到原型设备中去。用到原型设备中去。但是,要做到流动完全相似是很难办到(甚至是但是,要做到流动完全相似是很难办到(甚至是根本办不到)的。根本办不到)的。在工程实际中的模型试验,好多只能满足部分相在工程实际中的模型试验,好多只能满足部分相似准则,即称之为似准则,即称之为局部相似局部相似。你
17、现在浏览的是第二十三页,共62页二、因次分析法二、因次分析法1 1、概念、概念(1 1)单位:量度各种物理量数值大小的标准。)单位:量度各种物理量数值大小的标准。基本单位:相互独立、不能互换的单位。基本单位:相互独立、不能互换的单位。导出单位:由基本单位根据物理方程或定导出单位:由基本单位根据物理方程或定义而导出的单位。义而导出的单位。(2 2)因次:即量纲,是标志性质不同的各类物)因次:即量纲,是标志性质不同的各类物理量的符号。理量的符号。如如 长度因次用长度因次用 L L 表示。表示。(3 3)基本因次:某种单位制中基本单位对应的)基本因次:某种单位制中基本单位对应的因次,它具有独立性。因
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