流体流动之摩擦阻力计算讲解课件

本章章节本章章节第一节第一节 流体静力学流体静力学第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动第三节第三节 流体在管内流动时的摩擦阻力流体在管内流动时的摩擦阻力本章章节第一节 流体静力学第二节 流体在管内的流动第本章章节本章章节第三节第三节 流体在管内流动时的摩擦阻力流体在管内流动时的摩擦阻力一、一、牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度二、二、流动类型与雷诺准数流动类型与雷诺准数三、三、流体在圆管内流动时的阻力计算流体在圆管内流动时的阻力计算四、四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力本章章节第三节 流体在管内流动时的摩擦阻力一、牛顿粘性摩擦阻力摩擦阻力一、一、一、一、牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度 运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力称用力称用力称用力称内摩擦力，这是产生流体阻力的根本原因内摩擦力，这是产生流体阻力的根本原因内摩擦力，这是产生流体阻力的根本原因内摩擦力，这是产生流体阻力的根本原因。这种表明流体流动时这种表明流体流动时这种表明流体流动时这种表明流体流动时产生内摩擦力的特性称为粘产生内摩擦力的特性称为粘产生内摩擦力的特性称为粘产生内摩擦力的特性称为粘性性性性，粘性是流动性的反面。，粘性是流动性的反面。，粘性是流动性的反面。，粘性是流动性的反面。剪应力剪应力剪应力剪应力 比例系数，称为比例系数，称为比例系数，称为比例系数，称为粘度（粘度（粘度（粘度（Viscosity)Viscosity)。摩擦阻力一、牛顿粘性定律与流体的粘度 运动着的流体内摩擦阻力摩擦阻力一、一、一、一、牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度 比例系数，称为比例系数，称为比例系数，称为比例系数，称为粘度（粘度（粘度（粘度（Viscosity)Viscosity)。粘度只有在流动时才显现出来粘度只有在流动时才显现出来粘度只有在流动时才显现出来粘度只有在流动时才显现出来。粘度是流体的物理性质之一粘度是流体的物理性质之一粘度是流体的物理性质之一粘度是流体的物理性质之一 ，随种类和物态而变化，随种类和物态而变化，随种类和物态而变化，随种类和物态而变化 液体粘度随液体粘度随液体粘度随液体粘度随T T升高而减小，气体粘度随升高而减小，气体粘度随升高而减小，气体粘度随升高而减小，气体粘度随T T升高而增大升高而增大升高而增大升高而增大。工程中一般忽略压强对粘度的影响。工程中一般忽略压强对粘度的影响。工程中一般忽略压强对粘度的影响。工程中一般忽略压强对粘度的影响。理想流体无粘性理想流体无粘性理想流体无粘性理想流体无粘性摩擦阻力一、牛顿粘性定律与流体的粘度 比例系数，称为粘摩擦阻力摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数雷诺实验（雷诺实验（1883年）年）雷诺实验装置雷诺实验装置流动型态流动型态层流层流层流层流湍流湍流湍流湍流过渡流过渡流过渡流过渡流摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数雷诺实验（1883年）雷诺实验5摩擦阻力摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数流动型态流动型态层流层流层流层流湍流湍流湍流湍流过渡流过渡流过渡流过渡流层层层层流流流流（滞滞滞滞流流流流）：流流流流体体体体质质质质点点点点仅仅仅仅沿沿沿沿着着着着与与与与管管管管轴轴轴轴平平平平行行行行的的的的方方方方向向向向作作作作直直直直线线线线运运运运动动动动，质质质质点点点点无无无无径径径径向向向向脉脉脉脉动动动动，质质质质点点点点之间互不混合。之间互不混合。之间互不混合。之间互不混合。湍湍湍湍流流流流（紊紊紊紊流流流流）：流流流流体体体体质质质质点点点点除除除除了了了了沿沿沿沿管管管管轴轴轴轴向向向向前前前前流流流流动动动动外外外外，还还还还有有有有径径径径向向向向脉脉脉脉动动动动，各各各各质质质质点点点点的的的的速速速速度度度度在在在在大大大大小小小小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。过过过过渡渡渡渡流流流流：介介介介于于于于层层层层流流流流和和和和湍湍湍湍流流流流之之之之间间间间，是是是是一一一一种种种种不不不不稳稳稳稳定状态。定状态。定状态。定状态。摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数流动型态层流湍流过渡流层流（滞6摩擦阻力摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数层流层流层流层流湍流湍流湍流湍流过渡流过渡流过渡流过渡流如何判断流体的流动类型呢？如何判断流体的流动类型呢？如何判断流体的流动类型呢？如何判断流体的流动类型呢？流型判据流型判据流型判据流型判据雷诺准数雷诺准数雷诺准数雷诺准数ReRe雷诺准数雷诺准数雷诺准数雷诺准数ReRe标志流体流动的湍动程度，标志流体流动的湍动程度，标志流体流动的湍动程度，标志流体流动的湍动程度，越大表示湍动越剧烈。越大表示湍动越剧烈。越大表示湍动越剧烈。越大表示湍动越剧烈。Re 2000Re 2000为层流；为层流；为层流；为层流；Re 4000Re 4000为湍流；为湍流；为湍流；为湍流；2000 2000 Re Re 40004000处于不稳定过渡区。处于不稳定过渡区。处于不稳定过渡区。处于不稳定过渡区。摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数层流湍流过渡流如何判断流体的流7摩擦阻力摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数Re 2000Re 2000为层流；为层流；为层流；为层流；Re 4000Re 4000为湍流；为湍流；为湍流；为湍流；2000 2000 Re Re 40004000处于不稳定过渡区。处于不稳定过渡区。处于不稳定过渡区。处于不稳定过渡区。例例例例2020的水在的水在的水在的水在5858 2.52.5 的钢管中流动时，如果水的流速为的钢管中流动时，如果水的流速为的钢管中流动时，如果水的流速为的钢管中流动时，如果水的流速为1 1 1 1 m/sm/s，确定管中水的，确定管中水的，确定管中水的，确定管中水的流动类型。流动类型。流动类型。流动类型。解解解解由附录查得，由附录查得，由附录查得，由附录查得，2020时水的密度为时水的密度为时水的密度为时水的密度为 粘度为粘度为粘度为粘度为因此，可判断水在管中呈湍流。因此，可判断水在管中呈湍流。因此，可判断水在管中呈湍流。因此，可判断水在管中呈湍流。注：无单位注：无单位注：无单位注：无单位摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数Re 2000为层流；例28摩擦阻力摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数重点强调重点强调重点强调重点强调流体主体为湍流，但在管壁处会形成层流称之为流体主体为湍流，但在管壁处会形成层流称之为流体主体为湍流，但在管壁处会形成层流称之为流体主体为湍流，但在管壁处会形成层流称之为“层流底层层流底层层流底层层流底层”且且且且ReRe越大，层流底层越薄越大，层流底层越薄越大，层流底层越薄越大，层流底层越薄 摩擦阻力二、流动类型与雷诺准数重点强调流体主体为湍流，但在管9章节小结章节小结二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数流体主体为湍流，但在管壁处会形成流体主体为湍流，但在管壁处会形成流体主体为湍流，但在管壁处会形成流体主体为湍流，但在管壁处会形成层流称之为层流称之为层流称之为层流称之为“层流底层层流底层层流底层层流底层”且且且且ReRe越大，层流底层越薄越大，层流底层越薄越大，层流底层越薄越大，层流底层越薄 雷诺准数雷诺准数雷诺准数雷诺准数ReRe标志流体流动的湍动程度，标志流体流动的湍动程度，标志流体流动的湍动程度，标志流体流动的湍动程度，越大表示湍动越剧烈。越大表示湍动越剧烈。越大表示湍动越剧烈。越大表示湍动越剧烈。Re 2000Re 2000为层流；为层流；为层流；为层流；Re 4000Re 4000为湍流；为湍流；为湍流；为湍流；2000 2000 Re Re 40004000处于不稳定过渡区。处于不稳定过渡区。处于不稳定过渡区。处于不稳定过渡区。章节小结二、流动类型与雷诺准数流体主体为湍流，但在管壁处会形10摩擦阻力摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算流动阻力包括：流动阻力包括：直管阻力直管阻力直管阻力直管阻力 (沿程阻力），由于内摩擦产生的阻力沿程阻力），由于内摩擦产生的阻力沿程阻力），由于内摩擦产生的阻力沿程阻力），由于内摩擦产生的阻力局部阻力局部阻力局部阻力局部阻力：流体流经管件、阀门、等局部地方因流速大小及方向的改：流体流经管件、阀门、等局部地方因流速大小及方向的改：流体流经管件、阀门、等局部地方因流速大小及方向的改：流体流经管件、阀门、等局部地方因流速大小及方向的改变而引起的阻力。变而引起的阻力。变而引起的阻力。变而引起的阻力。摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算流动阻力包括：直管阻11摩擦阻力摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算直管阻力直管阻力直管阻力直管阻力 (沿程阻力）沿程阻力）沿程阻力）沿程阻力）范宁公式范宁公式范宁公式表明范宁公式表明范宁公式表明范宁公式表明直管阻力随流体直管阻力随流体直管阻力随流体直管阻力随流体动压头动压头以及管道以及管道以及管道以及管道长长度增大而增大，随管径度增大而增大，随管径度增大而增大，随管径度增大而增大，随管径的增大而减小的增大而减小的增大而减小的增大而减小。压头损失，压头损失，m压力损失，压力损失，Pa摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算直管阻力(沿程阻力12摩擦阻力摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算直管阻力直管阻力直管阻力直管阻力 (沿程阻力）沿程阻力）沿程阻力）沿程阻力）摩擦阻力系数摩擦阻力系数摩擦阻力系数摩擦阻力系数，与流动类型和管路相对粗糙度有关，与流动类型和管路相对粗糙度有关，与流动类型和管路相对粗糙度有关，与流动类型和管路相对粗糙度有关绝对粗糙度绝对粗糙度绝对粗糙度绝对粗糙度：管道壁面凸出部分的平均高度管道壁面凸出部分的平均高度管道壁面凸出部分的平均高度管道壁面凸出部分的平均高度相对粗糙度相对粗糙度相对粗糙度相对粗糙度 /d/d：绝对粗糙度与管径的比值：绝对粗糙度与管径的比值：绝对粗糙度与管径的比值：绝对粗糙度与管径的比值摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算直管阻力(沿程阻力13摩擦阻力摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算直管阻力直管阻力直管阻力直管阻力 (沿程阻力）沿程阻力）沿程阻力）沿程阻力）当流体当流体当流体当流体层层流流流流流流流流动时动时摩擦阻力系数只与摩擦阻力系数只与摩擦阻力系数只与摩擦阻力系数只与ReRe有关，有关，有关，有关，与相与相与相与相对对粗糙度无关粗糙度无关粗糙度无关粗糙度无关摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算直管阻力(沿程阻力14摩擦阻力摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算直管阻力直管阻力直管阻力直管阻力 (沿程阻力）沿程阻力）沿程阻力）沿程阻力）当流体湍流流当流体湍流流当流体湍流流当流体湍流流动时动时 b b 时时时时,与层流相与层流相与层流相与层流相似似似似,只与只与只与只与Re Re 有关有关有关有关,称称称称水力光滑管水力光滑管水力光滑管水力光滑管。b b 时，只与时，只与时，只与时，只与 /d/d 有关，为有关，为有关，为有关，为完完完完全湍流粗糙管全湍流粗糙管全湍流粗糙管全湍流粗糙管。摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算直管阻力(沿程阻力15摩擦阻力摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算层流区层流区层流区层流区 Re2000Re2000过渡区过渡区过渡区过渡区 Re=20004000Re=20004000湍流区湍流区湍流区湍流区 Re4000Re4000及虚线及虚线及虚线及虚线以下区域以下区域以下区域以下区域 ，与与与与/d/d和和和和ReRe均有关。均有关。均有关。均有关。ReRe一定时一定时一定时一定时,/d,/d,；/d/d一定时一定时一定时一定时,Re,Re,。完全湍流区完全湍流区完全湍流区完全湍流区 虚线以上区虚线以上区域，域，仅与仅与/d/d有关。有关。摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算层流区 Re16摩擦阻力摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算局部阻力局部阻力局部阻力局部阻力流体流经流体流经流体流经流体流经管件、阀门、截面突变管件、阀门、截面突变管件、阀门、截面突变管件、阀门、截面突变等局部地方因流速大小及方向的改变而引起的阻力，等局部地方因流速大小及方向的改变而引起的阻力，等局部地方因流速大小及方向的改变而引起的阻力，等局部地方因流速大小及方向的改变而引起的阻力，这些障碍可使层流变为湍流，因而局部阻力比同等长度直管阻力大得多这些障碍可使层流变为湍流，因而局部阻力比同等长度直管阻力大得多这些障碍可使层流变为湍流，因而局部阻力比同等长度直管阻力大得多这些障碍可使层流变为湍流，因而局部阻力比同等长度直管阻力大得多阻力系数法阻力系数法阻力系数法阻力系数法 局部阻力系数局部阻力系数局部阻力系数局部阻力系数管件、阀门见管件、阀门见管件、阀门见管件、阀门见P32P32，表，表，表，表1-101-10突然扩大突然扩大突然扩大突然扩大突然缩小突然缩小突然缩小突然缩小摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算局部阻力流体流经管件17摩擦阻力摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算局部阻力局部阻力局部阻力局部阻力当量长度法当量长度法当量长度法当量长度法 把局部阻力折算成相应长度把局部阻力折算成相应长度把局部阻力折算成相应长度把局部阻力折算成相应长度 的直管阻力的直管阻力的直管阻力的直管阻力当量长度，见当量长度，见当量长度，见当量长度，见P31 P31 表表表表1-91-9摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算局部阻力当量长度法 18摩擦阻力摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算局部阻力局部阻力局部阻力局部阻力当量长度法当量长度法当量长度法当量长度法 阻力系数法阻力系数法阻力系数法阻力系数法 说明：说明：说明：说明：（1 1）l le e和和和和 均由实验测定，可查有关手册和资料得到均由实验测定，可查有关手册和资料得到均由实验测定，可查有关手册和资料得到均由实验测定，可查有关手册和资料得到（2 2）不管突然扩大还是缩小，）不管突然扩大还是缩小，）不管突然扩大还是缩小，）不管突然扩大还是缩小，u u均取细管中的流速均取细管中的流速均取细管中的流速均取细管中的流速（3 3）在应用柏努利方程时，）在应用柏努利方程时，）在应用柏努利方程时，）在应用柏努利方程时，当截面选在出口内侧时保留动能项，选在出口外侧时当截面选在出口内侧时保留动能项，选在出口外侧时当截面选在出口内侧时保留动能项，选在出口外侧时当截面选在出口内侧时保留动能项，选在出口外侧时保留能量损失（保留能量损失（保留能量损失（保留能量损失（=1=1）项）项）项）项摩擦阻力三、流体在圆管内流动时的阻力计算局部阻力当量长度法 19章节小结章节小结三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算三、流体在圆管内流动时的阻力计算局部阻力局部阻力局部阻力局部阻力当量长度法当量长度法当量长度法当量长度法 阻力系数法阻力系数法阻力系数法阻力系数法 直管阻力直管阻力直管阻力直管阻力 摩擦阻力系数摩擦阻力系数摩擦阻力系数摩擦阻力系数局部阻力系数局部阻力系数局部阻力系数局部阻力系数章节小结三、流体在圆管内流动时的阻力计算局部阻力当量长度法 20摩擦阻力摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力解决思路：将非圆形管折算成相应管径的圆形管解决思路：将非圆形管折算成相应管径的圆形管解决思路：将非圆形管折算成相应管径的圆形管解决思路：将非圆形管折算成相应管径的圆形管 当量直径当量直径当量直径当量直径 流通截面积流通截面积流通截面积流通截面积润湿周边润湿周边润湿周边润湿周边例例例例 套管套管套管套管 摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力解决思路：将非21摩擦阻力摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力解决思路：将非圆形管折算成相应管径的圆形管解决思路：将非圆形管折算成相应管径的圆形管解决思路：将非圆形管折算成相应管径的圆形管解决思路：将非圆形管折算成相应管径的圆形管 当量直径当量直径当量直径当量直径 流通截面积流通截面积流通截面积流通截面积润湿周边润湿周边润湿周边润湿周边任任任任务务务务 a ab b摩擦阻力四、流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力解决思路：将非22摩擦阻力摩擦阻力管路总阻力管路总阻力管路总阻力管路总阻力或或或或摩擦阻力管路总阻力或23