第四章流动阻力和水头损失.pptx

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1、会计学1第四章第四章 流动阻力流动阻力(zl)和水头损失和水头损失第一页，共79页。流动阻力(zl)的两种类型hw（pw）流体粘性引起1.沿程阻力沿程损失(长度(chngd)损失、摩擦损失)达西-魏斯巴赫公式(gngsh)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页第二页，共79页。3.总能量(nngling)损失4.用水头线表示(biosh)第2页/共79页第三页，共79页。雷雷雷雷 诺诺诺诺 试试试试 验验验验n n揭示了沿程水头损失与流速的关系。当揭示了沿程水头损失与流速的关系。当vvcvvcvvc时，时，hf hfv1.75v1.752.0 2.0。n n发现了流体流动

2、中存在两种性质不同的形态，即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。层流和紊流。n n层流层流流体呈层状流动，各层质点流体呈层状流动，各层质点(zhdin)(zhdin)互不掺混；互不掺混；n n紊流紊流流体质点流体质点(zhdin)(zhdin)的运动轨迹极不规的运动轨迹极不规则，各层质点则，各层质点(zhdin)(zhdin)相互掺混，且产生随机相互掺混，且产生随机脉动。脉动。第3页/共79页第四页，共79页。粘性流体的两种流态1.雷诺实验(shyn)（1883年）（a）层流(cn li)（b）临界状态（c）紊流下临界(ln ji)流速vc临界(ln ji)流速上临界流速vc

3、请看雷诺实验动画演示第4页/共79页第五页，共79页。2.分析(fnx)雷诺实验层流(cn li)紊流ab段层流ef段紊流be段临界状态结论：流态不同(b tn)，沿程损失规律不同(b tn)第5页/共79页第六页，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(cn li)向紊流的临界区20004000）结论(jiln)：用雷诺数判断流态第6页/共79页第七页，共79页。非圆管流动非圆管流动(lidng)流态的判别流态的判别n n对于非圆形断面管道和明渠水流，则采用特征长对于非圆形断面管道和明渠水流，则采用特征长度度R R（水力半径（

4、水力半径(bnjng)(bnjng)）表示。）表示。n n n n 过流断面上流体与固体接触的周界，简称过流断面上流体与固体接触的周界，简称湿周。湿周。n n相应的临界雷诺数为相应的临界雷诺数为 第7页/共79页第八页，共79页。4.用量纲分析说明雷诺数的物理(wl)意义惯性力与粘性力作用(zuyng)之比判断流态第8页/共79页第九页，共79页。沿程水头损失与切应力沿程水头损失与切应力(yngl)的关系的关系n n各力之间的平衡各力之间的平衡(pnghng)(pnghng)式式:n n两断面的能量方程两断面的能量方程:n n均匀流基本方程式均匀流基本方程式n n切应力分布切应力分布:第9页/

5、共79页第十页，共79页。圆管中的层流(cn li)运动1.流动(lidng)特性l 流体(lit)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页第十一页，共79页。2.断面(dun min)流速分布牛顿(ni dn)内摩擦定律又积分(jfn)（a）旋转抛物面第11页/共79页第十二页，共79页。（b）平均速度(pn jn s d)（c）层流动(lidng)能修正系数层流动量修正(xizhng)系数测量圆管层流平均速度的方法第12页/共79页第十三页，共79页。3.沿程损失(snsh)系数又比较(bjio)注意(zh y)：v，但hfv第13页/共7

6、9页第十四页，共79页。工程(gngchng)中的应用量测流体粘度：应用上述公式要注意(zh y)两个方面：为起始(q sh)长度第14页/共79页第十五页，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，水银压差(y ch)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(cn li)第15页/共79页第十六页，共79页。解得运动(yndng)粘度校核(xio h)流态计算(j sun)成立第16页/共79页第十七页，共79页。紊 流 运 动1.紊流的特性(txng)涡体的产生(chnsh

7、ng)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(shjin)上均呈现随机的脉动现象。第17页/共79页第十八页，共79页。2.紊流运动(yndng)的时均化脉动(midng)性（1）瞬时速度(shn sh s d)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页第十九页，共79页。紊流的切应力紊流的切应力(yngl)n n紊流运动分解为两种流动的叠加：紊流运动分解为两种流动的叠加：n n时均运动时均运动n n脉动脉动(midng)(midng)运动运动n na a、时均运动流层间产生的粘性切应力：、时均运动

8、流层间产生的粘性切应力：第19页/共79页第二十页，共79页。b.脉动流动引起的切应力(yngl)（附加切应力(yngl)、惯性切应力(yngl)、雷诺切应力(yngl)）c.切应力(yngl)靠近(kojn)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页第二十一页，共79页。4.混合(hnh)长度理论 的计算普朗特混合长度理论(lln)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(fshng)动量交换，失去原有特征，l1称混合长度第21页/共79页第二十二页，共79页。（2）亦称为(chn wi)混合长度雷诺数越大，紊流越剧烈(jli

9、)，2横向脉动(midng)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页第二十三页，共79页。5.紊流的速度(sd)分布规律紊流（k是实验确定(qudng)的常数，称卡门常数k0.4）积分(jfn)得普朗特-卡门对数分布规律第23页/共79页第二十四页，共79页。6.紊流流动(lidng)结构图粘性底层在固体(gt)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(zl)具有重大影响 1层流底层；2过渡

10、区；3紊流核心第24页/共79页第二十五页，共79页。圆管紊流的沿程损失(snsh)k绝对(judu)粗糙度k/d相对粗糙度1.尼古拉兹实验(shyn)（1933-1934）（1）实验曲线人工粗糙（尼古拉兹粗糙）第25页/共79页第二十六页，共79页。尼古拉兹实验尼古拉兹实验(shyn)(shyn)层流区层流区 2.层流(cn li)向紊流的过渡区 范围很小，实用(shyng)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页第二十七页，共79页。（2）变化规律层流底层(d cn)的变化紊流光滑(gung hu)区紊流过渡(gud)区紊流粗糙区第27页/共

11、79页第二十八页，共79页。2.紊流沿程损失(snsh)系数（1）紊流光滑(gung hu)区尼古拉兹光滑(gung hu)区公式采用此式求解较困难第28页/共79页第二十九页，共79页。（2）紊流粗糙(cco)区尼古拉兹粗糙(cco)区公式第29页/共79页第三十页，共79页。（3）紊流过渡(gud)区a.工业(gngy)管道当量粗糙度ke和工业(gngy)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

12、0.12混凝土管0.33.0第30页/共79页第三十一页，共79页。b.柯列勃洛克(lu k)公式此式为尼古拉兹光滑(gung hu)区和粗糙区公式的叠加第31页/共79页第三十二页，共79页。c.莫迪图按柯氏公式(gngsh)计算第32页/共79页第三十三页，共79页。经验公式经验公式水力水力(shu(shu l)l)光滑区：布拉修斯公式（光滑区：布拉修斯公式（e100000)e1.2m/s,v1.2m/s适用(shyng)于旧钢管和旧铸铁管第34页/共79页第三十五页，共79页。经经 验验 公公 式式n n谢才公式谢才公式-流速与水力坡度、水力半径流速与水力坡度、水力半径(bnjng)(b

13、njng)关系关系n nn n 谢才系数；谢才系数；n n水力半径水力半径(bnjng)(bnjng)；n n水力坡度。水力坡度。n n曼宁公式：曼宁公式：n n粗糙系数。粗糙系数。适用范围：。第35页/共79页第三十六页，共79页。巴浦洛夫斯基公式(gngsh)：或 当 当 适用范围：。第36页/共79页第三十七页，共79页。非圆管断面的管道(gundo)沿程损失：其中(qzhng)，第37页/共79页第三十八页，共79页。非圆管中的流动(lidng)1.水力(shul)半径R湿周圆管的水力(shul)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页第三十九页，共79页。2

14、.当量(dngling)直径de圆管的当量(dngling)直径de=4R=d矩形断面(dun min)的当量直径适用范围：（1）紊流；（2）断面与圆管不可差异太大第39页/共79页第四十页，共79页。3.例：圆环外径(wi jn)r1、内径r2（1）水力(shul)半径（2）当量(dngling)直径第40页/共79页第四十一页，共79页。例：给水管长30m，直径(zhjng)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(yndng)粘度=1.3110-6m2/s第41页/共79页第四十二页，共79页。当量(dngli

15、ng)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(gngsh)，得=0.028第42页/共79页第四十三页，共79页。例：温度为例：温度为例：温度为例：温度为2020的水在的水在的水在的水在0cm0cm的焊接钢管中流动，已知水力的焊接钢管中流动，已知水力的焊接钢管中流动，已知水力的焊接钢管中流动，已知水力(shu(shu l)l)坡度坡度坡度坡度.006.006，求，求，求，求例：用清洁的新熟铁例：用清洁的新熟铁(shti)(shti)管输送管输送.25m3/s,.25m3/s,的油的油,=0.093cm2/s,=0.093cm2/s,已知已

16、知L=3000m,hf=23m,L=3000m,hf=23m,求管径求管径d.d.例4:有两根管道,L相等,d相等,ks相等,但一根输送粘度(zhn d)小的水，另一根输送粘度(zhn d)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页第四十四页，共79页。局部(jb)阻力及损失的计算1.局部阻力(zl)产生的原因第44页/共79页第四十五页，共79页。阻力(zl)流线演示第45页/共79页第四十六页，共79页。2.几种常见的局部(jb)损失系数（1）突然(trn)扩大列1-1和2-2断面(dun min)的能量方程列动量方程第46页

17、/共79页第四十七页，共79页。由连续性方程(fngchng)或注意(zh y)：1v1；2v2特例：=1管道的出口损失(snsh)系数第47页/共79页第四十八页，共79页。（2）突然(trn)缩小特例：=0.5管道的入口(r ku)损失系数v2（3）渐扩管第48页/共79页第四十九页，共79页。当20，k=sin公式(gngsh)、图表=58，最小（4）渐缩管收缩(shu su)角n=A2/A1收缩(shu su)面积比v1第49页/共79页第五十页，共79页。（5）弯管(wn un)二次流螺旋运动影响(yngxing)长度50倍管径减小弯管(wn un)转角、增大R/d或设置导流叶片，减

18、小二次流第50页/共79页第五十一页，共79页。（6）三通(sn tn)图表(tbio)水力计算时，只考虑(kol)支管（阻力大）第51页/共79页第五十二页，共79页。3.局部阻碍(z i)之间的相互干扰两个局部阻碍之间间距(jin j)大于3倍管径，且安全4.减阻措施(cush)a.物理b.化学：添加少量的减阻剂第52页/共79页第五十三页，共79页。绕 流 运 动绕流、流场分布(fnb)、物体受力1.边界层的概念(ginin)（1904年普朗特提出）两类不同性质(xngzh)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）；（2）边界层以外的流动，

19、粘性力作用不计理想流体无旋流动（势流）第53页/共79页第五十四页，共79页。2.平板(pngbn)上的边界层边界层厚度(hud)（99%u0处）边界层的特点(tdin)：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页第五十五页，共79页。c.流态转变(zhunbin)的临界雷诺数d.或第55页/共79页第五十六页，共79页。3.内流的边界层=r0管道(gundo)进口段进口至=r0处，50100倍d进口(jn ku)的局部损失第56页/共79页第五十七页，共79页。边界层分离(fnl)，形成旋涡4.曲面(qmin)边界层及边界层分离现象第57页/共79页第五

20、十八页，共79页。分析(fnx)端点：u=0（驻点、滞止(zh zh)点）压强最大BC：增速减压 促进(cjn)流动第58页/共79页第五十九页，共79页。CS：减速(jin s)增压S：分离点u=0（驻点(zh din)、滞止点）SE：尾流区第59页/共79页第六十页，共79页。圆柱(yunzh)后部发生的流动分离形成一对旋涡“猫眼”第60页/共79页第六十一页，共79页。这是从静止(jngzh)开始的运动初期边界层的发展速度(sd)增大，分离点前移第61页/共79页第六十二页，共79页。压差阻力（形状阻力）：迎面(yng min)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

21、减小绕流阻力(zl)减小压差(y ch)阻力流线型物体第62页/共79页第六十三页，共79页。5.绕流阻力(zl)摩擦阻力、压差(y ch)阻力薄平板(pngbn)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页第六十四页，共79页。（2）绕流阻力(zl)系数Cda.薄平板(pngbn)CdCdf层流(cn li)：紊流：混合边界层：第64页/共79页第六十五页，共79页。b.曲面(qmin)物体阻力(zl)系数随Re数而变化，分6个区域第65页/共79页第六十六

22、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(binhu)，分6个区域第66页/共79页第六十七页，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页第六十八页，共79页。圆球曲线(qxin)基本与圆柱体一致第68页/共79页第六十九页，共79页。Re103，只有压差阻力(zl)，分离点固定在圆盘边线上，Cd为一常数第71页/共79页第七十二页，共79页。d.例：一盒形拖车(tuch)，宽b=2.5m，高h=3m，长a=10.5m，

23、该拖车(tuch)在空气（=1.24kg/m3，=0.14cm2/s）中以v0=27m/s速度行驶，求拖车(tuch)两边和顶部的摩擦阻力；若拖车(tuch)的阻力系数CD=0.45，求作用在拖车(tuch)上的压差阻力解：拖车(tuch)尾端处Re当Re=2107且v0较大(jio d)，可认为从前缘起，边界层全部是紊流第72页/共79页第七十三页，共79页。摩擦阻力总阻力(zl)压差(y ch)阻力第73页/共79页第七十四页，共79页。6.卡门涡街Re60，旋涡(xunw)交替脱落，形成涡街涡街振动(zhndng)频率：斯特洛哈尔（1878）经验(jngyn)公式Sr斯特洛哈尔系数危害：

24、共振导致声响效应；对建筑物的破坏第74页/共79页第七十五页，共79页。7.悬浮(xunf)速度气力输送、除尘(chchn)、燃烧FDGu0重力(zhngl)绕流阻力浮力悬浮速度不是物体运动速度！第75页/共79页第七十六页，共79页。u0u上升物体上升速度v=u0-uRe1Re=10103Re=1032105第76页/共79页第七十七页，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(yndng)粘度=15.710-6m2/s，求风速u0解：假设(jish)Re=10103第77页/共79页第七十八页，共79页。校核(xio h)在假设(jish)范围内，计算成立第78页/共79页第七十九页，共79页。