流体力学泵与风机-第4章-流动阻力和能量损失ppt课件.ppt
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1、篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统4.14.14.14.1 沿程损失和局部损失沿程损失和局部损失4.24.24.24.2 层流与紊流、雷诺数层流与紊流、雷诺数 4.34.34.34.3 圆管中的层流运动圆管中的层流运动4.44.44.44.4 紊流运动的特征和紊流阻力紊流运动的特征和紊流阻力4.54.54.54.5 尼古拉兹实验尼古拉兹实验4.64.64.64.6 工业管道紊流阻力系数的计算公式工业管道紊流阻力系数的计算公式4.74.74.74.7 非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失4.84.84.84.8 管道流动的局部
2、损失管道流动的局部损失5.95.95.95.9 减小阻力的措施减小阻力的措施第四章第四章流动阻力和能量损失流动阻力和能量损失篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统4.14.1 沿程损失和局部损失沿程损失和局部损失单位重量流体的单位重量流体的平均能量损失平均能量损失第四章第四章流动阻力和能量损失流动阻力和能量损失固体边壁固体边壁速度梯度速度梯度粘性粘性流动阻力流动阻力能量损失能量损失能量损失能量损失一、一、流动阻力和流动阻力和流动阻力和流动阻力和能量损失的分类能量损失的分类2.2.局部阻力局部阻力 1.1.沿程阻力沿程阻力局部
3、能量损失局部能量损失(局部水头损失局部水头损失)沿程能量损失沿程能量损失(沿程水头损失沿程水头损失)篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统2.2.局部能量损失局部能量损失 1.1.沿程能量损失沿程能量损失 发生在均匀流发生在均匀流(缓变流缓变流)整个流程中的能量损失,由流体整个流程中的能量损失,由流体的沿程摩擦阻力造成的损失。的沿程摩擦阻力造成的损失。发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失,即在管发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失,即在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩件附近的局部范围内主要
4、由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。涡等造成的损失。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统二、能量损失的计算公式二、能量损失的计算公式单位重力流体的沿程能量损失单位重力流体的沿程能量损失沿程损失系数沿程损失系数管道长度管道长度管道内径管道内径单位重力流体的动压头(速度水头)。单位重力流体的动压头(速度水头)。1.1.沿程水头损失沿程水头损失篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统2 2、局部水头损失、局部水头损失单位重力流体的局部能量损失。单位重
5、力流体的局部能量损失。单位重力流体的动压头(速度水头)。单位重力流体的动压头(速度水头)。局部损失系数局部损失系数用压强损失表示用压强损失表示:篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统三、总能量损失三、总能量损失 整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的叠加。整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的叠加。总能量损失总能量损失(水头损失水头损失)。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统一、两种流态一、两种流态雷诺实验实验装置雷诺实验实验装置水金属网排水进水
6、玻璃管筏门有色液体4.2 4.2 层流与紊流、雷诺数层流与紊流、雷诺数实验现象实验现象:篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统实验现象实验现象层流:层流:着色流束为一条明晰细小的直线。着色流束为一条明晰细小的直线。表明整个流场呈一簇互相平行的流线,表明整个流场呈一簇互相平行的流线,流动状态分层规则。流动状态分层规则。紊流:紊流:着色流束迅速与周围流体相混,着色流束迅速与周围流体相混,颜色扩散至整个玻璃管。表明流体质颜色扩散至整个玻璃管。表明流体质点作复杂的无规则的运动点作复杂的无规则的运动,各部分流体各部分流体互相剧烈掺混。
7、互相剧烈掺混。过渡状态:过渡状态:着色流束开始振荡摆动。表着色流束开始振荡摆动。表明流体质点的运动处于不稳定状态。明流体质点的运动处于不稳定状态。层流层流紊流紊流过渡状态过渡状态篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统二、沿程损失与流动状态二、沿程损失与流动状态实验装置实验装置篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统实验结果实验结果O hfvcr vDCBAvcr 结论:结论:沿程损失与流动状态有关,故沿程损失与流动状态有关,故计算各种流体通道的沿程损失,必计
8、算各种流体通道的沿程损失,必须首先判别流体的流动状态。须首先判别流体的流动状态。层流:层流:紊流:紊流:篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统三、流态的判别准则三、流态的判别准则临界雷诺数临界雷诺数1 1、实验发现、实验发现2、临界流速临界流速下临界流速下临界流速上临界流速上临界流速层层 流:流:不稳定流:不稳定流:紊紊 流:流:流动较稳定流动较稳定流动不稳定流动不稳定O hjvcr vDCBAvcr vcr变化变化?判定标准判定标准?篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是
9、一种得分类型的系统3、临界雷诺数临界雷诺数层层 流:流:不稳定流:不稳定流:紊紊 流:流:下临界雷诺数下临界雷诺数上临界上临界雷诺数雷诺数工程上常用的圆管临界雷诺数工程上常用的圆管临界雷诺数层层 流:流:紊紊 流:流:雷诺数雷诺数篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统例例4.1 水和油的运动粘度分别为水和油的运动粘度分别为 和和 ,若它们以,若它们以v0.5m/s 的流速在直径为的流速在直径为d100mm的圆管中流动,的圆管中流动,试确定其流动形态;若使流动保持为层流,最大流速是多少?试确定其流动形态;若使流动保持为层流,最
10、大流速是多少?解解:(1)水的流动雷诺数水的流动雷诺数 所以流动为紊流流态。所以流动为紊流流态。保持层流的最大流速是临界流速保持层流的最大流速是临界流速:(2)(2)油的流动雷诺数油的流动雷诺数 所以流动为层流流态。所以流动为层流流态。油流动保持为层流的最大流速:油流动保持为层流的最大流速:篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统例例4-2 某低速风管道,直径某低速风管道,直径d200mm,风速,风速v3 3.0m/s,空气,空气温度是温度是30C。(。(1)试判断风道内气体的流态;()试判断风道内气体的流态;(2)该风道)该
11、风道的的临界流速是多少?临界流速是多少?解解:(1)查表得空气的运动粘滞系数查表得空气的运动粘滞系数管中管中流动雷诺数:流动雷诺数:所以流动为紊流流态。所以流动为紊流流态。(2)风道)风道的临界流速:的临界流速:篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统四、流态分析四、流态分析层流:层流:滑动摩擦阻力滑动摩擦阻力规则流层规则流层紊流:紊流:滑动摩擦阻力,惯性阻力滑动摩擦阻力,惯性阻力质点掺混碰撞质点掺混碰撞大得多大得多(a)(b)(c)旋涡的形成机理旋涡的形成机理 掺混交换的质点掺混交换的质点(流体微团流体微团),是不同尺度的旋
12、涡,是不同尺度的旋涡 扰动的惯性作用和粘性的稳定作用的力量对比决定流态扰动的惯性作用和粘性的稳定作用的力量对比决定流态篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统 粘性流体在圆管粘性流体在圆管中紊流流动时,紧贴固体中紊流流动时,紧贴固体壁面有一层很薄的流体,壁面有一层很薄的流体,受壁面的限制,脉动运动受壁面的限制,脉动运动几乎完全消失,粘滞起主几乎完全消失,粘滞起主导作用,基本保持着层流导作用,基本保持着层流状态,这一薄层称为粘性状态,这一薄层称为粘性底层。底层。圆管中紊流的区划圆管中紊流的区划:2.2.紊流充分发展的中心区紊流充
13、分发展的中心区1.1.粘性底层区粘性底层区3.3.由粘性底层区到紊流充分发展的中心区的过渡区由粘性底层区到紊流充分发展的中心区的过渡区 粘性底层粘性底层:五、流动空间分布特征五、流动空间分布特征粘性层流底层、过渡区和紊流核心区粘性层流底层、过渡区和紊流核心区 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统4.3 4.3 圆管中的层流运动圆管中的层流运动z1z2一、均匀流动方程式一、均匀流动方程式问题:问题:圆管中层流时圆管中层流时的计算公式的计算公式 均匀流:均匀流:重力重力:侧面的切侧面的切向阻力向阻力:两端面两端面总压力总压力:
14、受力分析:受力分析:由流向平衡条件得由流向平衡条件得:篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统z1z2称为水力坡度称为水力坡度均匀流基本方程均匀流基本方程 反映水头损失与管壁反映水头损失与管壁切应力切应力(阻力阻力)之间的关系之间的关系同理得同理得:切应力与半径成正比,切应力与半径成正比,管壁最大,轴心最小管壁最大,轴心最小(零零)。如图如图沿程水头损失沿程水头损失与切应力的关与切应力的关系系上述沿程水头损失与切应力的关系及均匀流基本方程适用于层流,也适于紊流沿程水头损失与切应力的关系及均匀流基本方程适用于层流,也适于紊流篮球
15、比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统二、沿程阻力系数的计算二、沿程阻力系数的计算运动特征:圆筒层,一个套着一个滑动。运动特征:圆筒层,一个套着一个滑动。边界条件:边界条件:断面流速分布断面流速分布1.最大流速最大流速管轴处管轴处:2.平均平均流速流速3.圆管流量圆管流量4动能修正系数:动能修正系数:=2动量修正系数:动量修正系数:=1.33篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统适用于层流适用于层流结论:结论:层流流动的沿程损失与平均流速的一次方成正比层流流动
16、的沿程损失与平均流速的一次方成正比。例例4-4 设圆管的直径设圆管的直径d=2cm,流速,流速v=12cm/s,水温,水温t=10C。试。试求在管长求在管长l=20m上的沿程水头损失。上的沿程水头损失。5.沿程水头损失计算沿程水头损失计算解解:先判明流态,先判明流态,10C时,时,所以流动为层流。所以流动为层流。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统例例4-5 在管径在管径d=1cm,管长,管长l=5m的圆管中,冷冻机润滑油作的圆管中,冷冻机润滑油作层流运动,测得流量层流运动,测得流量Q=80cm3/s,水头损失,水头损失h
17、f=30m oil,试求,试求油的运动粘滞系数油的运动粘滞系数解解:平均流速平均流速作业:作业:p127 4-5,6,7,8篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统4.4 4.4 紊流运动的特征和紊流阻力紊流运动的特征和紊流阻力一、一、紊流运动的特征紊流运动的特征1.脉动现象脉动现象 流体质点相互掺混,作无定向、无规则的运动,运动在流体质点相互掺混,作无定向、无规则的运动,运动在时间和空间都是具有随机性质的运动时间和空间都是具有随机性质的运动,属于非恒定流动属于非恒定流动。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜
18、负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统2.时均值、脉动值时均值、脉动值 在时间间隔在时间间隔 t t 内某一流动参量的平均值称为该流动参内某一流动参量的平均值称为该流动参量的量的时均值时均值。瞬时值瞬时值 某一流动参量的瞬时值与时均值之差,称为该流动参量的某一流动参量的瞬时值与时均值之差,称为该流动参量的脉动值脉动值。时均值时均值脉动值脉动值篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统3.时均恒定流动时均恒定流动 空间各点的时均值不随时间改变的紊流流动称为空间各点的时均值不随时间改变的紊流流动称为时均时均恒定流动,
19、或恒定流动、准恒定流动恒定流动,或恒定流动、准恒定流动。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统二、二、紊流阻力紊流阻力层流:层流:摩擦切向应力摩擦切向应力紊流:紊流:摩擦切向应力摩擦切向应力附加切向应力附加切向应力流体质点的脉动导流体质点的脉动导致了质量交换,形致了质量交换,形成了动量交换和质成了动量交换和质点混掺,从而在液点混掺,从而在液层交界面上产生了层交界面上产生了紊流附加切应力紊流附加切应力(惯性切应力惯性切应力,雷诺雷诺切应力切应力)+由动量定律可知:由动量定律可知:动量增量等于紊流附加切应力动量增量等于紊流附加切
20、应力T产生的冲量产生的冲量 浙大动画篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统三、三、普朗特混合长度理论普朗特混合长度理论a ab b(1)(1)流体微团在从某流速的流层因脉动流体微团在从某流速的流层因脉动uy进入另一进入另一流速的流层时,在运动的距离流速的流层时,在运动的距离l(普兰特称此为混(普兰特称此为混合长度)内,微团保持其本来的流动特征不变。合长度)内,微团保持其本来的流动特征不变。普朗特假设普朗特假设:(2)(2)脉动速度与时均流速差成比例脉动速度与时均流速差成比例 l 称为计算混合长称为计算混合长篮球比赛是根据运动
21、队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统高雷诺数时,紊流充分发展,高雷诺数时,紊流充分发展,可得:,可得:为简便起见,不再标以时均符号。为简便起见,不再标以时均符号。四、圆管中四、圆管中紊流的速度分布紊流的速度分布卡门常数卡门常数积分常数,由实验定积分常数,由实验定离圆管壁的距离离圆管壁的距离篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统4.54.5 尼古拉兹实验尼古拉兹实验一、一、一、一、沿程阻力系数及其影响因素的分析沿程阻力系数及其影响因素的分析K尼古拉兹粗糙K:绝对粗糙度 :相
22、对粗糙度二、二、二、二、沿程阻力系数的测定和阻力分区沿程阻力系数的测定和阻力分区实验对象实验对象:圆管圆管 实验条件实验条件:不同直径,不同流量,不同相对粗糙度不同直径,不同流量,不同相对粗糙度篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统实验示意图实验示意图:数据处理数据处理:尼古拉兹实验曲线尼古拉兹实验曲线篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统尼古拉兹实验曲线的五个区域尼古拉兹实验曲线的五个区域1.1.层流区层流区管壁的相对粗糙度对沿程损失管壁的相对粗糙度对沿
23、程损失系数没有影响。系数没有影响。2.2.过渡区过渡区 不稳定区域,可能是层流,也可能是紊流。不稳定区域,可能是层流,也可能是紊流。3.3.紊流光滑管区紊流光滑管区4.4.紊流粗糙管过渡区紊流粗糙管过渡区沿程损失系数沿程损失系数 与相对粗糙度无关,而只与雷诺数有关。与相对粗糙度无关,而只与雷诺数有关。沿程损失系数沿程损失系数 与相对粗糙度和雷诺数有关。与相对粗糙度和雷诺数有关。5.5.紊流粗糙区紊流粗糙区(平方阻力区平方阻力区)此区域内流动的能量损失与流速的平方成正比,故称此区域内流动的能量损失与流速的平方成正比,故称此区域为此区域为平方阻力区平方阻力区。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里
24、得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统为什么紊流分为三个阻力区为什么紊流分为三个阻力区?因为层流底层的存在因为层流底层的存在篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统4.6 4.6 工业管道紊流阻力系数的计算公式工业管道紊流阻力系数的计算公式一、一、一、一、光滑区和粗糙区的光滑区和粗糙区的值值(一一一一)、当量粗糙高度当量粗糙高度:是指和工业管道粗糙区是指和工业管道粗糙区值相等的值相等的 同直径尼古拉兹粗糙管的粗糙高度。同直径尼古拉兹粗糙管的粗糙高度。工业管道工业管道工业管道工业管道当量粗糙高度当
25、量粗糙高度 见见P106P106表表4-14-1(二二二二)、计算公式计算公式1 1 1 1、半经验公式半经验公式紊流光滑区:紊流光滑区:或或紊流粗糙区:紊流粗糙区:或或篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统1 1 1 1、纯经验公式纯经验公式光滑区布拉修斯公式:光滑区布拉修斯公式:粗糙区希弗林松公式:粗糙区希弗林松公式:二、二、二、二、紊流过渡区和柯列勃洛克公式紊流过渡区和柯列勃洛克公式(一一一一)、过渡、过渡、过渡、过渡区区曲线曲线曲线曲线的比较的比较工业管道:工业管道:工业管道:工业管道:粗糙不均匀,具有随机性粗糙不均
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