流体流动湍流阻力损失优秀课件.ppt

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1、流体流动湍流阻力损失第1页，本讲稿共33页本节主要内容：本节主要内容：l经验公式经验公式l莫狄图莫狄图1 1 1 1、管壁粗糙度对摩擦系数的影响、管壁粗糙度对摩擦系数的影响、管壁粗糙度对摩擦系数的影响、管壁粗糙度对摩擦系数的影响2 2 2 2、量纲分析法量纲分析法量纲分析法量纲分析法(因次分析法因次分析法因次分析法因次分析法)3 3 3 3、湍流摩擦系数的求算、湍流摩擦系数的求算、湍流摩擦系数的求算、湍流摩擦系数的求算第2页，本讲稿共33页湍流运动时，湍流运动时，管壁的粗糙度管壁的粗糙度对阻力、能量的损失有较大的影响。对阻力、能量的损失有较大的影响。q绝对粗糙度绝对粗糙度 ：管壁粗糙部分的平均

2、高度。管壁粗糙部分的平均高度。q相对粗糙度相对粗糙度 /d：绝对粗糙度与管道直径的比值。绝对粗糙度与管道直径的比值。du1、管壁粗糙度对摩擦系数的影响第3页，本讲稿共33页材料与加工精度；材料与加工精度；光滑管：玻璃管，铜管等；光滑管：玻璃管，铜管等；粗糙管：钢管、铸铁管等。粗糙管：钢管、铸铁管等。使用时间；使用时间；绝对粗糙度可查表或相关手册。绝对粗糙度可查表或相关手册。p 粗糙度的产生粗糙度的产生第4页，本讲稿共33页dubbb 层流运动层流运动层流运动层流运动流体运动速度较慢流体运动速度较慢流体运动速度较慢流体运动速度较慢,与管壁碰撞不大，因此与管壁碰撞不大，因此与管壁碰撞不大，因此与管

3、壁碰撞不大，因此 对对对对阻力、摩擦系数无影响阻力、摩擦系数无影响阻力、摩擦系数无影响阻力、摩擦系数无影响，只与只与只与只与RRee有关。层流时，有关。层流时，有关。层流时，有关。层流时，在粗糙管的流动与在光滑管的流动在粗糙管的流动与在光滑管的流动在粗糙管的流动与在光滑管的流动在粗糙管的流动与在光滑管的流动相同。相同。相同。相同。粗糙度对摩擦系数的影响粗糙度对摩擦系数的影响第5页，本讲稿共33页b b b，Re b 质点通过凸起部分时产生漩涡质点通过凸起部分时产生漩涡 能耗能耗 对摩擦系数有影响对摩擦系数有影响。湍流运动湍流运动阻力与层流相似，此时称为水力光滑管。阻力与层流相似，此时称为水力光

4、滑管。第6页，本讲稿共33页湍流运动时流体的直管阻力为：湍流运动时流体的直管阻力为：为阻力系数，为阻力系数，湍流运动时阻力湍流运动时阻力W Wf f在形式上与层流相同。在形式上与层流相同。第7页，本讲稿共33页 依据一定的原则，将几个变量组合成一个无因次数群。用无因次数群代替原来若干变量进行实验，以得到可应用的公式。这一方法称为量纲分析方法量纲分析方法。2 2、量纲分析法、量纲分析法(因次分析法因次分析法)l什么是量纲分析方法？什么是量纲分析方法？第8页，本讲稿共33页 因某些研究问题过于复杂，以至因某些研究问题过于复杂，以至因某些研究问题过于复杂，以至因某些研究问题过于复杂，以至不能建立数学

5、表达式不能建立数学表达式不能建立数学表达式不能建立数学表达式或或或或难以用数学方法求解难以用数学方法求解难以用数学方法求解难以用数学方法求解。转而用实验方法。转而用实验方法。转而用实验方法。转而用实验方法。引入引入量纲分析方法量纲分析方法可使实验变量减少、实验数据关可使实验变量减少、实验数据关联过程得以简化。联过程得以简化。l为什么要用量纲分析方法？为什么要用量纲分析方法？第9页，本讲稿共33页 量纲分析法的基础是：量纲分析法的基础是：因次一致性的原则和因次一致性的原则和定理。定理。2 2、量纲分析法、量纲分析法(因次分析法因次分析法)因次一致性的原则：因次一致性的原则：一个能合理反映物理现象

6、的方程，一个能合理反映物理现象的方程，其等号两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的其等号两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次因次。l量纲分析方法的原理量纲分析方法的原理第10页，本讲稿共33页 设影响某现象的物理量为设影响某现象的物理量为n n个，这些物理量个，这些物理量的基本因次为的基本因次为m m个，则该物理现象可用个，则该物理现象可用N=n-mN=n-m个独立的无因次数群的幂函数表示，此即为个独立的无因次数群的幂函数表示，此即为定理定理。此类无因次数群称为此类无因次数群称为准数。准数。第11页，本讲稿共33页摩擦系数的影响因素可用以下的一般式表示：摩擦系数的影响因素可用以下

7、的一般式表示：摩擦系数的影响因素可用以下的一般式表示：摩擦系数的影响因素可用以下的一般式表示：也可写成也可写成幂指数形式幂指数形式：第12页，本讲稿共33页利用量纲分析法利用量纲分析法 式中六个物理量的因次分别为：式中六个物理量的因次分别为：（1）第13页，本讲稿共33页整理，得：整理，得：整理，得：整理，得：将上面六个式代入（将上面六个式代入（1）式，得：）式，得：第14页，本讲稿共33页根据根据因次一致性原则因次一致性原则，得：，得：第15页，本讲稿共33页将方程解代入原方程（将方程解代入原方程（1）整理，得：）整理，得：（1）第16页，本讲稿共33页 只与只与两个无因次数群两个无因次数群

8、有关。有关。湍流摩擦阻力系数的通式：湍流摩擦阻力系数的通式：第17页，本讲稿共33页n n光滑管光滑管光滑管光滑管（1 1 1 1）柏拉修斯）柏拉修斯）柏拉修斯）柏拉修斯(Blasius)(Blasius)(Blasius)(Blasius)式：式：式：式：3 3 3 3、湍流摩擦系数的求算、湍流摩擦系数的求算、湍流摩擦系数的求算、湍流摩擦系数的求算经验公式经验公式适用范围：适用范围：常见的几种解析式有：常见的几种解析式有：常见的几种解析式有：常见的几种解析式有：第18页，本讲稿共33页（2 2 2 2）顾毓珍公式：顾毓珍公式：顾毓珍公式：顾毓珍公式：适用范围：适用范围：第19页，本讲稿共33

9、页（3 3 3 3）尼库拉则与卡门公式：）尼库拉则与卡门公式：）尼库拉则与卡门公式：）尼库拉则与卡门公式：适用范围：适用范围：第20页，本讲稿共33页n n粗糙管粗糙管粗糙管粗糙管（1 1 1 1）顾毓珍公式：）顾毓珍公式：）顾毓珍公式：）顾毓珍公式：适用范围：适用范围：第21页，本讲稿共33页n n粗糙管粗糙管粗糙管粗糙管（2 2 2 2）尼库拉则公式：）尼库拉则公式：）尼库拉则公式：）尼库拉则公式：适用范围：适用范围：达到完全湍流达到完全湍流第22页，本讲稿共33页莫狄图莫狄图 (1)(1)(1)(1)层流区层流区层流区层流区 (2)(2)(2)(2)过渡区过渡区过渡区过渡区 (3)(3)

10、(3)(3)湍流区湍流区湍流区湍流区(4)(4)(4)(4)完全湍流区完全湍流区完全湍流区完全湍流区(阻力平方区阻力平方区阻力平方区阻力平方区)第23页，本讲稿共33页滞流区滞流区过渡区过渡区湍流区湍流区完全湍流，粗糙管完全湍流，粗糙管光滑管光滑管Re/d 摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系(双对数坐标双对数坐标)第24页，本讲稿共33页圆管圆管A A 管道截面积管道截面积 浸润周边长度浸润周边长度当量直径法：当量直径法：ab矩形管矩形管Rr环形管环形管4.流体在非圆直管中的阻力流体在

11、非圆直管中的阻力第25页，本讲稿共33页 流体流经管件时，其速度的大小、方向等发生变化，出流体流经管件时，其速度的大小、方向等发生变化，出现漩涡，内摩擦力增大，形成局部阻力。现漩涡，内摩擦力增大，形成局部阻力。常见的局部阻力有：常见的局部阻力有：突扩突扩突缩突缩弯头弯头三通三通四、局部阻力四、局部阻力第26页，本讲稿共33页 由局部阻力引起的能耗损失的计算方法有两种：由局部阻力引起的能耗损失的计算方法有两种：阻力系阻力系数法数法和和当量长度法当量长度法。为局部阻力系数。由实验得出，可查表或图。为局部阻力系数。由实验得出，可查表或图。4.1 阻力系数法阻力系数法第27页，本讲稿共33页1).1)

12、.突扩管和突缩管突扩管和突缩管常见局部阻力系数的求法：常见局部阻力系数的求法：2).2).进口和出口进口和出口进口：容器进入管道，突缩。进口：容器进入管道，突缩。A A小小/A/A大大 0 0，=0.5=0.5出口：管道进入容器，突扩。出口：管道进入容器，突扩。A A小小/A/A大大 0 0，=1.0=1.0突扩管突扩管第28页，本讲稿共33页 l le e为当量长度。为当量长度。将流体流经管件时，所产生的局部阻力折合成相当将流体流经管件时，所产生的局部阻力折合成相当于流经长度为于流经长度为l le e的直管所产生的阻力。的直管所产生的阻力。l le e由实验确定，可查表。由实验确定，可查表。

13、4.2 4.2 当量长度法当量长度法第29页，本讲稿共33页 强调：强调：在计算局部阻力损失时，公式中的流速在计算局部阻力损失时，公式中的流速u u均为截均为截面积较小管中的平均流速。面积较小管中的平均流速。五、五、管道总阻力管道总阻力第30页，本讲稿共33页例例 如图所示输水系统，已知管路总长度（包括所有当量长度，如图所示输水系统，已知管路总长度（包括所有当量长度，下同）为下同）为100m100m，压力表之后管路长度为，压力表之后管路长度为80m80m，管路摩擦系数，管路摩擦系数为为0.030.03，管路内径为，管路内径为0.05m0.05m，水的密度为，水的密度为1000kg/m31000

14、kg/m3，泵的效，泵的效率为率为0.80.8，输水量为，输水量为15m3/h15m3/h。求：（。求：（1 1）整个管路的阻力损失，）整个管路的阻力损失，J/kgJ/kg；（；（2 2）泵轴功率，）泵轴功率，kw.kw.H=20mH1=2m第31页，本讲稿共33页解：（解：（1 1）整个管路的阻力损失，）整个管路的阻力损失，J/kgJ/kg；由题意知，；由题意知，（2 2）泵轴功率，）泵轴功率，kwkw；在贮槽液面在贮槽液面0-00-0与高位槽液面与高位槽液面1-11-1间列柏努利方程，以贮槽液面为间列柏努利方程，以贮槽液面为基准水平面，有：基准水平面，有：其中，其中，u u0 0=u=u1 1=0=0，p p1 1=p=p0 0=0=0（表压）（表压）,H,H0 0=0=0，H=20mH=20m代入方程得：代入方程得：第32页，本讲稿共33页代入方程得：代入方程得：又又 故故 第33页，本讲稿共33页