第四章 流动阻力和水头损失.pptx

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1、流动阻力的两种类型hw（pw）流体粘性引起1.沿程阻力沿程损失(长度损失、摩擦损失)达西-魏斯巴赫公式沿程阻力系数2.局部阻力局部损失局部阻力系数第1页/共79页3.总能量损失4.用水头线表示第2页/共79页雷雷 诺诺 试试 验验揭示了沿程水头损失与流速的关系。当vvc时，hfv1.752.0。发现了流体流动中存在两种性质不同的形态，即层流和紊流。层流流体呈层状流动，各层质点互不掺混；紊流流体质点的运动轨迹极不规则，各层质点相互掺混，且产生随机脉动。第3页/共79页粘性流体的两种流态1.雷诺实验（1883年）（a）层流（b）临界状态（c）紊流下临界流速vc临界流速上临界流速vc请看雷诺实验动画

2、演示第4页/共79页2.分析雷诺实验层流紊流ab段层流ef段紊流be段临界状态结论：流态不同，沿程损失规律不同第5页/共79页3.雷诺数Rec临界雷诺数（2300左右）Re=vd/雷诺数（无量纲）ReRec紊流（包括层流向紊流的临界区20004000）结论：用雷诺数判断流态第6页/共79页非圆管流动流态的判别非圆管流动流态的判别对于非圆形断面管道和明渠水流，则采用特征长度R（水力半径）表示。过流断面上流体与固体接触的周界，简称湿周。相应的临界雷诺数为 第7页/共79页4.用量纲分析说明雷诺数的物理意义惯性力与粘性力作用之比判断流态第8页/共79页沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的

3、关系各力之间的平衡式:两断面的能量方程:均匀流基本方程式切应力分布:第9页/共79页圆管中的层流运动1.流动特性l 流体呈层状流动，各层质点互不掺混层流中的切应力为粘性切应力其中 y=r0-r第10页/共79页2.断面流速分布牛顿内摩擦定律又积分（a）旋转抛物面第11页/共79页（b）平均速度（c）层流动能修正系数层流动量修正系数测量圆管层流平均速度的方法第12页/共79页3.沿程损失系数又比较注意：v，但hfv第13页/共79页 工程中的应用量测流体粘度：应用上述公式要注意两个方面：为起始长度第14页/共79页4.例：应用细管式粘度计测油的粘度，细管d=6mm，l=2m，Q=77cm3/s，

4、水银压差计读值h=30cm，水银密度m=13600kg/m3，油的密度=900kg/m3，求油的运动粘度解：设为层流第15页/共79页解得运动粘度校核流态计算成立第16页/共79页紊 流 运 动1.紊流的特性涡体的产生 各流层间的质点运动极不规则，相互掺混，其运动要素在空间、时间上均呈现随机的脉动现象。第17页/共79页2.紊流运动的时均化脉动性（1）瞬时速度u（2）时均速度（3）脉动速度u（4）断面平均速度v即把紊流运动看成为是时均流动和脉动流动的叠加 第18页/共79页紊流的切应力紊流的切应力紊流运动分解为两种流动的叠加：时均运动脉动运动a、时均运动流层间产生的粘性切应力：第19页/共79

5、页b.脉动流动引起的切应力（附加切应力、惯性切应力、雷诺切应力）c.切应力靠近壁面且Re数较小时，占主导地位离开壁面且Re数很大时，第20页/共79页4.混合长度理论 的计算普朗特混合长度理论的要点（假设）（1）流体质点因脉动横向位移l1到达新的空间点，才同周围点发生动量交换，失去原有特征，l1称混合长度第21页/共79页（2）亦称为混合长度雷诺数越大，紊流越剧烈，2横向脉动速度与纵向脉动速度为同一量级，并与du/dy存在一定比例关系（3）混合长度只与质点到壁面的距离有关，。第22页/共79页5.紊流的速度分布规律紊流（k是实验确定的常数，称卡门常数k0.4）积分得普朗特-卡门对数分布规律第2

6、3页/共79页6.紊流流动结构图粘性底层在固体边壁处存在一层极薄的，紊动附加切应力很小忽略不计，粘性切应力占主导地位的极薄流体层。也称层流底层。其厚度与雷诺数成反比。粘性底层虽然很薄，但却对紊流流速分布和流动阻力具有重大影响 1层流底层；2过渡区；3紊流核心第24页/共79页圆管紊流的沿程损失k绝对粗糙度k/d相对粗糙度1.尼古拉兹实验（1933-1934）（1）实验曲线人工粗糙（尼古拉兹粗糙）第25页/共79页尼古拉兹实验尼古拉兹实验1.层流区 2.层流向紊流的过渡区 范围很小，实用意义不大；4.紊流过渡区 5.紊流粗糙区（阻力平方区）3.紊流光滑区 第26页/共79页（2）变化规律层流底层

7、的变化紊流光滑区紊流过渡区紊流粗糙区第27页/共79页2.紊流沿程损失系数（1）紊流光滑区尼古拉兹光滑区公式采用此式求解较困难第28页/共79页（2）紊流粗糙区尼古拉兹粗糙区公式第29页/共79页（3）紊流过渡区a.工业管道当量粗糙度ke和工业管道粗糙区值相等的同直径的尼古拉兹粗糙管的粗糙度常用工业管道的ke管道材料ke(mm)管道材料ke(mm)新氯乙烯管00.002镀锌钢管0.15铅管、铜管、玻璃管0.01新铸铁管0.150.5钢管0.046钢板制风管0.15涂沥青铸铁管 0.12混凝土管0.33.0第30页/共79页b.柯列勃洛克公式此式为尼古拉兹光滑区和粗糙区公式的叠加第31页/共79

8、页c.莫迪图按柯氏公式计算第32页/共79页 经验公式经验公式水力光滑区：布拉修斯公式（e1.2m/s适用于旧钢管和旧铸铁管第34页/共79页 经经 验验 公公 式式谢才公式-流速与水力坡度、水力半径关系 谢才系数；水力半径；水力坡度。曼宁公式：粗糙系数。适用范围：。第35页/共79页巴浦洛夫斯基公式：或 当 当 适用范围：。第36页/共79页非圆管断面的管道沿程损失：其中，第37页/共79页非圆管中的流动1.水力半径R湿周圆管的水力半径边长分别为a和b的矩形断面水力半径若为明渠流第38页/共79页2.当量直径de圆管的当量直径de=4R=d矩形断面的当量直径适用范围：（1）紊流；（2）断面与

9、圆管不可差异太大第39页/共79页3.例：圆环外径r1、内径r2（1）水力半径（2）当量直径第40页/共79页例：给水管长30m，直径d=75mm，材料为新铸铁管，流量Q=7.25L/s，水温t=10，求该管段的沿程水头损失解：水温t=10时，水的运动粘度=1.3110-6m2/s第41页/共79页当量粗糙度ke=0.25mm，ke/d=0.003由Re、ke/d查莫迪图，得=0.028或由公式，得=0.028第42页/共79页例：温度为例：温度为20的水在的水在0cm0cm的焊接钢管中流动，已知水的焊接钢管中流动，已知水力坡度力坡度.006.006，求，求例：用清洁的新熟铁管输送.25m3/

10、s,的油,=0.093cm2/s,已知L=3000m,hf=23m,求管径d.例4:有两根管道,L相等,d相等,ks相等,但一根输送粘度小的水，另一根输送粘度大的油.1.如v相等,问两者的hf是否相当?2.如两者的Re相等,问两者的hf是否相当?第43页/共79页局部阻力及损失的计算1.局部阻力产生的原因第44页/共79页阻力流线演示第45页/共79页2.几种常见的局部损失系数（1）突然扩大列1-1和2-2断面的能量方程列动量方程第46页/共79页由连续性方程或注意：1v1；2v2特例：=1管道的出口损失系数第47页/共79页（2）突然缩小特例：=0.5管道的入口损失系数v2（3）渐扩管第48

11、页/共79页当20，k=sin公式、图表=58，最小（4）渐缩管收缩角n=A2/A1收缩面积比v1第49页/共79页（5）弯管二次流螺旋运动影响长度50倍管径减小弯管转角、增大R/d或设置导流叶片，减小二次流第50页/共79页（6）三通图表水力计算时，只考虑支管（阻力大）第51页/共79页3.局部阻碍之间的相互干扰两个局部阻碍之间间距大于3倍管径，且安全4.减阻措施a.物理b.化学：添加少量的减阻剂第52页/共79页绕 流 运 动绕流、流场分布、物体受力1.边界层的概念（1904年普朗特提出）两类不同性质的流动：（1）物体边界附近薄层由于粘性力作用，有很大的速度梯度du/dy边界层（附面层）；

12、（2）边界层以外的流动，粘性力作用不计理想流体无旋流动（势流）第53页/共79页2.平板上的边界层边界层厚度（99%u0处）边界层的特点：a.很薄（mm级）；b.随着沿平板流动的深入，边界层厚度增加；第54页/共79页c.流态转变的临界雷诺数d.或第55页/共79页3.内流的边界层=r0管道进口段进口至=r0处，50100倍d进口的局部损失第56页/共79页边界层分离，形成旋涡4.曲面边界层及边界层分离现象第57页/共79页分析端点：u=0（驻点、滞止点）压强最大BC：增速减压 促进流动第58页/共79页CS：减速增压S：分离点u=0（驻点、滞止点）SE：尾流区第59页/共79页圆柱后部发生的

13、流动分离形成一对旋涡“猫眼”第60页/共79页这是从静止开始的运动初期边界层的发展速度增大，分离点前移第61页/共79页压差阻力（形状阻力）：迎面驻点压强与尾流区压强之差，它取决于分离点的位置和尾流区的大小减小绕流阻力减小压差阻力流线型物体第62页/共79页5.绕流阻力摩擦阻力、压差阻力薄平板摩擦阻力有尖锐边缘（薄圆盘）压差阻力曲面物体（圆球）既有摩擦阻力又有压差阻力（1）公式A特征面积对摩擦阻力，A是接触平面；对压差阻力，A是垂直于来流方向的投影面积第63页/共79页（2）绕流阻力系数Cda.薄平板CdCdf层流：紊流：混合边界层：第64页/共79页b.曲面物体阻力系数随Re数而变化，分6个

14、区域第65页/共79页Re60卡门涡街，摩擦阻力、压差阻力，Dv1.5阻力系数随Re数而变化，分6个区域第66页/共79页500Re2105分离严重，压差阻力，Dv22105Re5105分离区缩小，Cd跌落Re5105分离点又向前移，Cd回升Re3106Cd与Re无关第67页/共79页圆球曲线基本与圆柱体一致第68页/共79页Re103，只有压差阻力，分离点固定在圆盘边线上，Cd为一常数第71页/共79页d.例：一盒形拖车，宽b=2.5m，高h=3m，长a=10.5m，该拖车在空气（=1.24kg/m3，=0.14cm2/s）中以v0=27m/s速度行驶，求拖车两边和顶部的摩擦阻力；若拖车的阻

15、力系数CD=0.45，求作用在拖车上的压差阻力解：拖车尾端处Re当Re=2107且v0较大，可认为从前缘起，边界层全部是紊流第72页/共79页摩擦阻力总阻力压差阻力第73页/共79页6.卡门涡街Re60，旋涡交替脱落，形成涡街涡街振动频率：斯特洛哈尔（1878）经验公式Sr斯特洛哈尔系数危害：共振导致声响效应；对建筑物的破坏第74页/共79页7.悬浮速度气力输送、除尘、燃烧FDGu0重力绕流阻力浮力悬浮速度不是物体运动速度！第75页/共79页u0u上升物体上升速度v=u0-uRe1Re=10103Re=1032105第76页/共79页例：某气力输送管道，要求风速u0为砂粒悬浮速度u的5倍，砂粒直径d=0.3mm，密度m=2650kg/m3，空气密度=1.205kg/m3，运动粘度=15.710-6m2/s，求风速u0解：假设Re=10103第77页/共79页校核在假设范围内，计算成立第78页/共79页感谢您的观看！第79页/共79页