水流阻力和水头损失祥解.pptx
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1、颜色水颜色水hfl打开下游阀门,保持水箱水位稳定打开下游阀门,保持水箱水位稳定第1页/共111页颜色水颜色水hfl再打开颜色水开关,则红色水流入管道再打开颜色水开关,则红色水流入管道层流:红色水液层有条不紊地运动,层流:红色水液层有条不紊地运动,红色水和管道中液体水相互不混掺红色水和管道中液体水相互不混掺(实验)(实验)第2页/共111页颜色水颜色水hfl下游阀门再打开一点,管道中流速增大下游阀门再打开一点,管道中流速增大红色水开始颤动并弯曲,出现波形轮廓红色水开始颤动并弯曲,出现波形轮廓第3页/共111页 红颜色水射出后,完全破裂,形成漩涡,扩散红颜色水射出后,完全破裂,形成漩涡,扩散至全管
2、,使管中水流变成红色水。至全管,使管中水流变成红色水。这一现象表明:液体质点运动中会形成涡体,这一现象表明:液体质点运动中会形成涡体,各涡体相互混掺。各涡体相互混掺。颜色水颜色水hfl下游阀门再打开一点,管中流速继续增大下游阀门再打开一点,管中流速继续增大第4页/共111页颜色水颜色水hfl层流:各流层的液体质点有条不紊运动,层流:各流层的液体质点有条不紊运动,相互之间互不混杂。相互之间互不混杂。第5页/共111页颜色水颜色水hfl紊流:各流层的液体质点形成涡体,紊流:各流层的液体质点形成涡体,在流动过程中,互相混杂。在流动过程中,互相混杂。第6页/共111页 实验时,结合观察红颜色水的流动,
3、量测两测实验时,结合观察红颜色水的流动,量测两测压管中的高差以及相应流量,建立水头损失压管中的高差以及相应流量,建立水头损失h hf f 和管和管中流速中流速v v的试验关系,并点汇于双对数坐标纸上。的试验关系,并点汇于双对数坐标纸上。颜色水颜色水hfl第7页/共111页颜色水颜色水hfl 试验按照两种顺序进行试验按照两种顺序进行:(1)流量增大流量增大 (2)流量减小流量减小 试验结果如下图所示。试验结果如下图所示。第8页/共111页AC、ED:直线直线段段 AB、DE:直线直线段段CDAvCB层流层流 紊流紊流EBDAvC层流层流 紊流紊流E第9页/共111页BDAvCCvC60.363.
4、445层流层流 过渡过渡 紊流紊流E第10页/共111页BDAvCCvC45层流层流 过渡过渡 紊流紊流在双对数坐标上,点汇水在双对数坐标上,点汇水头损失和流速的关系为:头损失和流速的关系为:2 60.363.4E第11页/共111页BDAvCCvC层流层流 过渡过渡 紊流紊流2 60.363.4层流 1=45 m=1 紊流 2=60.363.4 m=1.752.001 45E第12页/共111页由层流转化为紊流时的管中平均流速称为上临界流速。由紊流转化为层流时的管中平均流速称为下临界流速。下临界流速:上临界流速:第13页/共111页在圆管中(有压),若为层流为紊流由上式可得:(下临界雷诺数)
5、(上临界雷诺数)(不稳定)水:(t为水温,为)第14页/共111页对于明渠无压流动:为层流为紊流在理想流体里,因为没有粘性的作用,所以无所谓层流和紊流。Re反映了惯性力与粘性力的对比关系。若Re较小,反映出粘性力的作用大,粘性力作用对质点运动起控制作用,质点呈现有秩序的线状运动,为层流。当流动的雷诺数逐渐增大时,粘性力对流动的控制也随之减小,质点运动失去控制时,层流即失去了稳定,由于外界的各种原因,如边界上的高低不平等因素,惯性作用将使微小的扰动发展扩大,形成紊流。水力半径定义:第15页/共111页所以雷诺数可以用来判别流动型态。惯性力,动能,粘性力,则呈紊流;惯性力,动能,粘性力,则呈层流;
6、雷诺实验揭示出:l实际液体运动中存在两种不同型态:层流和紊流l不同型态的液流,水头损失规律不同第16页/共111页5-2 水流阻力和水头损失的种类 水流阻力:是流体与边界相互作用而产生的平行于流动方向的作用力。水头损失:单位重量液体的机械能损失。下面先对阻力进行分析:设想处在流动中的一个物体,这个物体表面形成流动的内边界。取一个边界面上的微小面积dA,在dA上作用有切应力0和法应力p0,因此流体作用于物体表面dA上的作用力为dT=0dA和dP=p0dA,他们在流动方向(即y方向)上的投影为:第17页/共111页dAP000yxzu0其中为流动不受干扰时的流速。第18页/共111页将上式对全部面
7、积积分,得阻力的表达式为:阻力水头损失局部阻力:液体因固体边界急剧改变而引起速度分布的变化,从而产生的阻力。一个流段两截面间的总水头损失:叠加原理第19页/共111页液体以下管道时的沿程损失包括四段:hf 1hf 2hf 3hf 4第20页/共111页液体经过时的局部损失包括五段:进口、突然放大、突然缩小、弯管和闸门。进口进口突然放大突然放大突然缩小突然缩小弯管弯管闸闸门门第21页/共111页5-3 均匀流动的沿程损失和沿程阻力(切应力)的基本关系式 1.液体均匀流动的沿程水头损失 伯努利方程式:在均匀流时:则:第22页/共111页2.液体均匀流的基本方程式 P1P2G001122Lz1z20
8、0第23页/共111页在水流运动方向上各力投影的平衡方程式:且并且液流与固体边壁接触面上的平均切应力为,代入上式得同除以第24页/共111页或上式即为沿程水头损失与切应力的关系,称为均匀流基本方程式。P1P2rr0112200或对圆管第25页/共111页5-4 圆管层流的水头损失 1、圆管层流可用纳维埃斯托克司方程来求解:2、用来求解:xyumaxyrr0rrdrr0设以管流为中心取一段流股,因流股对管轴对称,所以流股上的切应力是均匀分布的第26页/共111页则有对于圆管(r为流股的半径)层流的切应力服从牛顿内摩擦定律。如y为自管壁量起的径向距离,则:其中为r0园管半径。因此:第27页/共11
9、1页两式中的相等,则:因圆管流动是均匀的,J值不是r的函数,故将上式积分得:边界条件:在管壁上,即处u=0,则积分常数为:即圆管层流的流速分布式。第28页/共111页在管轴线上(r=0),流速最大,即:如引入一个断面的平均流速为v,V将代入上式得圆管层流的断面平均流速为:第29页/共111页V比较上两式可以看出:V即说明圆管层流的平均流速为最大流速的一半。或第30页/共111页一般情况下,沿程水头损失,可用速度水头来表示上式可改为:令则(为沿程阻力系数)这就是常用的沿程水头损失计算公式(达西公式)。或第31页/共111页事实上,过水断面上的流速分布图为一旋转抛物面,而这个抛物面与过水断面所围成
10、得体积,就是流量Q。根据高等数学知,抛物体的体积等于高乘以底面积的一半因而:而第32页/共111页5-5 流体的紊流运动 一、紊流的发生间断面流速梯度无穷大切应力无穷大不可能流速调整紊流形成过程的分析 通过雷诺试验可知,层流和紊流的主要区别在于紊流:各流层之间液体质点不断互相混掺层流:无互相混掺是由于液流扰动产生涡体所致,涡体形成是混掺作用产生的根源。第33页/共111页在明渠中任取一层液流进行分析 注 意液层上部和下部切应力方向yu第34页/共111页 由于外部扰动、来流中残留的扰动,液流不可避免产生局部性波动。随着波动,局部流速和压强将重新调整。微小流束各段承受不同方向的横向力P 作用。P
11、PPPP第35页/共111页 横向力和切应力构成了同向力矩,使波峰越凸,波谷越凹,促使波幅增大。PPPPPP第36页/共111页 波幅增大到一定程度,横向压力和切应力的综合作用,使波峰和波谷重叠,形成涡体。PPP第37页/共111页 涡体上面流速大,压强小,下面流速小,压强大,形成作用于涡体的升力,推动涡体脱离原流层掺入流速较高的临层,扰动临层进一步产生新的涡体。P升力升力涡涡 体体u 大大u 小小第38页/共111页P升力升力涡涡 体体u 大大u 小小 涡体形成后,其是否能掺入上临层取决于涡体惯 性力和粘滞力的对比。当涡体惯性作用与粘性作用相比大到一定程度,才有可能上升至临层,由层流发展到紊
12、流。第39页/共111页P升力升力涡涡 体体u 大大u 小小涡体形成后,也可能掺入下临层,取决于瞬时流速分布第40页/共111页yu时均流速分布时均流速分布P升力升力涡涡 体体u 大大u 小小 当流速分布上大,下小时,涡体会由下层掺入上层;第41页/共111页yu时均流速分布时均流速分布瞬时流速分布瞬时流速分布P升力升力涡涡 体体u 大大u 小小 流速分布上小,下大时,涡体会由上层掺入下层。流动随机性可能使流速呈现上小下大的分布第42页/共111页二、紊流的基本特征及时均法时均法紊紊流流的的基基本本特特征征是是:在运动过程中,质点具有不断的互相混杂现象。质点的互相混杂使流区内各点的流速、压强等
13、运动要素在数值上发生一种脉动现象。uxuxt例如:设ux为恒定紊流中某一点在x方向的瞬时流速,从系统特性可以知道,ux是随时间变化的,所以严格来讲,紊流总是非恒定流动。如将对一段平均:把紊流运动看成是由时间平均流动和脉动流动叠加而成。第43页/共111页t/sp河床底部水流动水压强随时间的变化曲线第44页/共111页ux/cm/s 瞬时流速时均流速式中,T 为较长的时段第45页/共111页ux/cm/s 脉动流速 式中,脉动流速可正、可负第46页/共111页则得:为时均值,就是在一种设想的流动中,该点上不随时间而改变的流速。从上式可得:瞬时值对时间平均后得时均值,脉动值的时间平均值必为零的结论
14、。即:瞬时压强p可以写成:第47页/共111页其中:紊流的性质及特征:1、具有连续性;2、是大雷诺数;3、具有随机性;4、三维性和旋涡性;5、扩散性、可以传热、传递动量平均值计算原则设A、B为两个物理量1、2、3、4、第48页/共111页特点:寻找由于脉动所引起的紊流附加应力与时间流速的关系,从而求得脉动对时均流动的影响。三、紊流的半经验理论yx0主要的附加切应力是作用在垂直于y轴的平面上沿着x方向的附加切应力。设应力用yx来表示,下标y表示切应力所在平面的法线方向,x则表示切应力方向。单位时间内的质量为:第49页/共111页则单位时间内流入(或流出)dAy截面的x向动量应为:在较长的一个时段
15、里,通过同一个截面,既有动量流入也有动量流出,而其时均值为:x方向的作用力:切应力:yyxduuAryxyyxyyxuudduu=rAArt=流出)。时才有动量的流入(或。意义上没有动量的流动虽有脉动,但在时均00yxyxuuuu第50页/共111页应力yx的方向:(设流动的流速梯度是正的)全部应力是粘性应力与脉动的附加应力之和。混合长度理论:在紊流里,质点被横向脉动流速运移某一横向距离L后,这个质点才会在新的的地点与四周的质点互相混合,从而失去他原来的特征(如动量),结果是该质点具有与四周质点同样的特征,这个横向距离L叫做混合长度。为负.第51页/共111页假定:根据实验结果:y-该质点到管
16、壁的径向距离。其中:k卡门通用常数,无量纲,k=0.4;第52页/共111页在边界附近:yx00为边界上的(y=0处)切应力V:动力流速(摩阻流速、剪切流速),积分得:称为对数流速分布公式。第53页/共111页5-6 圆管中的紊流1、园管紊流流核与粘性底层 粘性底层在紊流中紧靠管壁附近这一薄层称为粘性底层;在粘性底层之外的液流,统称为紊流流核。当rr0时,有:厚度很小的粘性底层中的流速分布近似为直线分布。第54页/共111页而是某一个雷诺数,当时为层流,是某一个临界雷诺数,实验结果:第55页/共111页可见,当管径d相同时,液体随着流速增大,Re,L。第56页/共111页绝对粗糙度():粗糙突
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