流体力学管道阻力计算课件

5管内不可压缩流体流动重点:阻力计算1流体力学管道阻力计算一、雷诺实验一、雷诺实验 实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有。5.1粘性流体的两种流粘性流体的两种流动状状态2流体力学管道阻力计算两根两根测压管中的液面高差管中的液面高差为两断面两断面间的沿程水的沿程水头损失失速度由小速度由小变大，大，层流流 紊流；紊流；上上临界流速界流速速度由大速度由大变小，紊流小，紊流 层流；流；下下临界流速界流速紊流运紊流运动层流运流运动流流态不不稳5.1 粘性流体的两种流粘性流体的两种流动状状态一、雷一、雷诺实验3流体力学管道阻力计算5.1 粘性流体的两种流粘性流体的两种流动状状态一、雷一、雷诺实验(续)实验现象象(续)4流体力学管道阻力计算二、流动状态与水头损失的关系二、流动状态与水头损失的关系速度由大速度由大变小，紊流小，紊流变为层流；流；DC1B ；紊流运；紊流运动；CDE线；层流运流运动；AB直直线；流；流态不不稳；紊流运紊流运动；E点之后点之后速度由小速度由小变大，大，层流流变为紊流；紊流；BC+CD 5流体力学管道阻力计算由上述的实验分析看出，任何实际流体的流动皆具有层流和紊流两种流动状态；流体运动状态不同，其hfhf与v v的关系便不一样，因此，在计算流动的水头损失之前，需要判别流体的运动状态。例例如如，圆管管中中定定常常流流动的的流流态为层流流时，沿沿程程水水头损失失与与平平均均流流速速成成正正比比，而而紊紊流流时则与与平平均均流流速速的的1.751.752.02.0次方成正比。次方成正比。层流流过渡渡区区紊紊流流6流体力学管道阻力计算三、流动状态判别标准三、流动状态判别标准通通过过量量纲纲分分析析和和相相似似原原理理发发现现，上上面面的的物物理理量量可可以以组合成一个无量纲数，并且可以用来判别流态。组合成一个无量纲数，并且可以用来判别流态。称为称为雷诺数。雷诺数。由于：由于：所以：所以：临界速度不能作界速度不能作为 判判别流流态的的标准！准！7流体力学管道阻力计算 18831883年年，雷雷诺诺试试验验也也表表明明：圆圆管管中中恒恒定定流流动动的的流流态态转转化化取取决决于雷诺数于雷诺数 d 是圆管直径，是圆管直径，v 是断面平均流速，是断面平均流速，是流体的运动粘性系数。是流体的运动粘性系数。实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中恒定流动的情况，容易理解：减小 d，减小 v ，加大 三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。8流体力学管道阻力计算粘性稳定粘性稳定扰动因素扰动因素 d v 利于稳定利于稳定 圆管中恒定流动的流态转化仅取决于雷诺数，这是客观规律用无量纲量表达的又一例证，也是粘性相似准则的实际应用。对比抗衡9流体力学管道阻力计算 圆管管中中恒定定流流动的的流流态发生生转化化时对应的的雷雷诺数数称称为临界界雷雷诺数数，又又分分为上上临界界雷雷诺数数和和下下临界界雷雷诺数数。上上临界界雷雷诺数数表表示示超超过此此雷雷诺数数的的流流动必必为紊紊流流，它它很很不不确确定定，跨跨越越一一个个较大大的的取取值范范围。有有实际意意义的的是是下下临界界雷雷诺数数，表表示示低低于于此此雷雷诺数数的的流流动必必为层流，有确定的取流，有确定的取值，圆管定常流管定常流动取取为 紊流紊流层流层流紊流紊流层流层流上临界雷诺数上临界雷诺数下临界雷诺数下临界雷诺数ReRe12000-4000010流体力学管道阻力计算对圆管：管：d 圆管直径管直径对非非圆管断面：管断面：R 水力半径水力半径对明渠流：明渠流：R 水力半径水力半径对绕流流现象：象：L 固体物的特征固体物的特征长度度对流体流体绕过球形物体：球形物体：d 球形物直径球形物直径11流体力学管道阻力计算1.层流与紊流的区流与紊流的区别层流运流运动中，流体中，流体层与与层之之间互不混互不混杂，无，无动量交量交换紊流运紊流运动中，流体中，流体层与与层之之间互相混互相混杂，动量交量交换强烈烈2.层流向紊流的流向紊流的过渡渡 与与涡体形成有关体形成有关四、紊流的成因、紊流的成因3.涡体的形成并不一定能形成紊流体的形成并不一定能形成紊流12流体力学管道阻力计算水水和和油油的的运运动粘粘度度分分别为 ，若若它它们以以 的的流流速速在在直直径径为 的的圆管管中中流流动，试确定其流确定其流动状状态？例例题 解：水的流解：水的流动雷雷诺数数 紊流流紊流流态 油的流油的流动雷雷诺数数 层流流流流态13流体力学管道阻力计算 温温度度 、运运动粘粘度度 的的水水，在在直直径径 的的管管中中流流动，测得得流流速速 ，问水水流流处于于什什么么状状态？如如要要改改变其其运运动，可以采取那些，可以采取那些办法？法？例例题 解：水的流解：水的流动雷雷诺数数 层流流流流态 如要改如要改变其流其流态 1）改）改变流速流速 2）提高水温改）提高水温改变粘度粘度14流体力学管道阻力计算5.2 管内流管内流动的能量的能量损失失两大两大类流流动能量能量损失失:一、沿程能量一、沿程能量损失失 发生在生在缓变流整个流程流整个流程中的能量中的能量损失，由流体的失，由流体的粘滞力粘滞力造成的造成的损失。失。单位重力流体的沿程能量位重力流体的沿程能量损失失沿程沿程损失系数失系数管道管道长度度管道内径管道内径单位重力流体的位重力流体的动压头（速度水（速度水头）。）。2.局部能量局部能量损失失1.沿程能量沿程能量损失失15流体力学管道阻力计算5.2 管内流管内流动的能量的能量损失失二、局部能量二、局部能量损失失 发生在流生在流动状状态急急剧变化的急化的急变流中的能量流中的能量损失，失，即在管件附近的局部范即在管件附近的局部范围内主要由流体微内主要由流体微团的碰撞、的碰撞、流体中流体中产生的漩生的漩涡等造成的等造成的损失。失。单位重力流体的局部能量位重力流体的局部能量损失。失。单位重力流体的位重力流体的动压头（速度水（速度水头）。）。局部局部损失系数失系数16流体力学管道阻力计算5.2 管内流管内流动的能量的能量损失失三、三、总能量能量损失失整个管道的能量整个管道的能量损失是分段失是分段计算出的能量算出的能量损失的叠失的叠加。加。总能量能量损失。失。17流体力学管道阻力计算 以以倾斜角斜角为 的的圆截面直管道的不可截面直管道的不可压缩粘性流体粘性流体的定常的定常层流流流流动为例例。pp+(p/l)dl mgrr0 xhgdl受力分析：受力分析：重重力力:侧面的面的粘滞力粘滞力:两端面两端面总压力力:5.3 圆管道内切管道内切应力分布力分布18流体力学管道阻力计算 5.3 圆管道内切管道内切应力分布力分布轴线方向列力平衡方程方向列力平衡方程pp+(p/l)dl mgrr0 xhgdl两两边同除同除 r2dl得得由于由于得，得，一、切向一、切向应力分布力分布19流体力学管道阻力计算2.壁面切壁面切应力力(水平管水平管)5.3 圆管道内切管道内切应力分布力分布20流体力学管道阻力计算 5.4 圆管中流体的管中流体的层流流流流动一、速度分布一、速度分布将将 代入代入 得，得，对r积分得，分得，当当r=r0时 vx=0，得，得 故：故：21流体力学管道阻力计算 5.4 圆管中流体的管中流体的层流流流流动三、三、最大流速、平均流速、最大流速、平均流速、圆管流量、管流量、压强降降1.最大流速最大流速管管轴处:2.平均平均流速流速3.圆管流量管流量水平管水平管:22流体力学管道阻力计算 5.4 圆管中流体的管中流体的层流流流流动三、三、最大流速、平均流速、最大流速、平均流速、圆管流量、管流量、压强降降(续)4.压强降降(流流动损失失)水平管水平管:结论：层流流流流动得沿程得沿程损失与平均流速得一次方成正比失与平均流速得一次方成正比。23流体力学管道阻力计算 5.4 圆管中流体的管中流体的层流流流流动四、其它公式四、其它公式1.动能修正系数能修正系数结论：圆管管层流流流流动的的实际动能等于按平均流速能等于按平均流速计算的算的动能的二倍能的二倍24流体力学管道阻力计算5.5 管道入口段中的流管道入口段中的流动一、一、边界界层 当粘性流体流当粘性流体流经固体壁面固体壁面时，在固体壁面与流体主，在固体壁面与流体主流之流之间必定有一个流速必定有一个流速变化的区域，在高速流中化的区域，在高速流中这个区个区域是个薄域是个薄层，称，称为边界界层。25流体力学管道阻力计算5.5 管道入口段中的流管道入口段中的流动二、管道入口段二、管道入口段 当粘性流体流入当粘性流体流入圆管管,由于受管壁的影响由于受管壁的影响,在管壁上形成在管壁上形成边界界层,随着流随着流动的深入的深入,边界界层不断增厚不断增厚,直至直至边界界层在在管管轴处相交相交,边界界层相交以前的管段相交以前的管段,称称为管道入口段。管道入口段。26流体力学管道阻力计算5.5 管道入口段中的流管道入口段中的流动二、管道入口段二、管道入口段(续)入口段内和入口段后速度分布特征入口段内和入口段后速度分布特征层流边界层紊流边界层完全发展的流动L*L*入口段内入口段内:入口段后入口段后:各截面速度分布各截面速度分布不断不断变化化各截面速度分布各截面速度分布均相同均相同27流体力学管道阻力计算0.紊流的紊流的发生生紊流发生的机理是十分复杂的，下面给出一种粗浅的描述。层流流动的稳定性丧失（雷诺数达到临界雷诺数）扰动使某流层发生微小的波动流速使波动幅度加剧在横向压差与切应力的综合作用下形成旋涡旋涡受升力而升降引起流体层之间的混掺造成新的扰动5.6 粘性流体的湍流流粘性流体的湍流流动的基本概念的基本概念28流体力学管道阻力计算+-+-高速流层高速流层低速流层低速流层 任意流层之上下侧的切应力构成顺时针方向的力矩，有促使旋涡产生的倾向。29流体力学管道阻力计算旋涡受升力而升降，产生横向运动，引起流体层之间的混掺涡体涡体30流体力学管道阻力计算5.6 粘性流体的湍流流粘性流体的湍流流动的基本概念的基本概念1.湍流流湍流流动 流体流体质点相互点相互掺混，作无定向、无混，作无定向、无规则的运的运动，运，运动在在时间和空和空间都是具有随机性都是具有随机性质的运的运动,属于非定常流属于非定常流动。31流体力学管道阻力计算2.脉脉动现象和象和时均化的概念均化的概念1 1、脉动：2 2、时均化：紊流中，流体质点经过空间某一固定点时，速度、压力等总是随时间变化的，而且毫无规律，这种现象称为脉动现象。对某点的长时间观察发现，尽管每一时刻速度等参数的大小和方向都在变化，但它都是围绕某一个平均值上下波动。于是流体质点的瞬时值就可以看成是这个平均值与脉动值之和。32流体力学管道阻力计算2、脉脉动值、时均均值 在在时间间隔隔 t 内某一流内某一流动参量的参量的平均平均值称称为该流流动参量的参量的时均均值。瞬瞬时值 某一流某一流动参量的瞬参量的瞬时值与与时均均值之差，之差，称称为该流流动参量的参量的脉脉动值。时均均值脉脉动值5.6 粘性流体的湍流流粘性流体的湍流流动的基本概念的基本概念33流体力学管道阻力计算二.脉脉动现象和象和时均化的概念均化的概念1 1、脉动：2 2、时均化：紊流中，流体质点经过空间某一固定点时，速度、压力等总是随时间变化的，而且毫无规律，这种现象称为脉动现象。对某点的长时间观察发现，尽管每一时刻速度等参数的大小和方向都在变化，但它都是围绕某一个平均值上下波动。于是流体质点的瞬时值就可以看成是这个平均值与脉动值之和。34流体力学管道阻力计算3、时均定常流均定常流动 空空间各点的各点的时均均值不随不随时间改改变的紊流流的紊流流动称称为时均定均定常流常流动，或定常流，或定常流动、准定常流、准定常流动。5.6 粘性流体的湍流流粘性流体的湍流流动的基本概念的基本概念35流体力学管道阻力计算4、湍湍流中的切向流中的切向应力力层流：流：摩擦切向摩擦切向应力力湍流：湍流：摩擦切向摩擦切向应力力附加切向附加切向应力力液体液体质点的脉点的脉动导致了致了质量交量交换，形，形成了成了动量交量交换和和质点混点混掺，从而在液，从而在液层交界面上交界面上产生了生了紊流附加切紊流附加切应力力+由由动量定律可知：量定律可知：动量增量等于湍流附加切量增量等于湍流附加切应力力T产生的冲量生的冲量 5.6 粘性流体的湍流流粘性流体的湍流流动的基本概念的基本概念36流体力学管道阻力计算5、普朗特混合普朗特混合长度度abba(1)流体微流体微团在从某流速的流在从某流速的流层因脉因脉动vy进入另一入另一流速的流流速的流层时，在运，在运动的距离的距离l（普（普兰特称此特称此为混混合合长度）内，微度）内，微团保持其本来的流保持其本来的流动特征不特征不变。普朗特假普朗特假设:(2)脉脉动速度与速度与时均流速差成比例均流速差成比例 5.6 粘性流体的湍流流粘性流体的湍流流动的基本概念的基本概念37流体力学管道阻力计算2.普朗特混合普朗特混合长度度5.6 粘性流体的湍流流粘性流体的湍流流动的基本概念的基本概念38流体力学管道阻力计算普朗特简介普朗特简介普朗特简介普朗特简介普朗特（18751953），德国物理学家，近代力学奠基人之一。1875年2月4日生于弗赖辛，1953年8月15日卒于格丁根。他在大学时学机械工程，后在慕尼黑工业大学攻弹性力学，1900年获得博士学位。1901年在机械厂工作，发现了气流分离问题。后在汉诺威大学任教授时，用自制水槽观察绕曲面的流动，3年后提出边界层理论，建立绕物体流动的小粘性边界层方程，以解决计算摩擦阻力、求解分离区和热交换等问题。奠定了现代流体力学的基础。普朗特在流体力学方面的其他贡献有：风洞实验技术。他认为研究空气动力学必须作模型实验。1906年建造了德国第一个风洞（见空气动力学实验），1917年又建成格丁根式风洞。机翼理论。在实验基础上，他于19131918年提出了举力线理论和最小诱导阻力理论，后又提出举力面理论等。湍流理论。提出层流稳定性和湍流混合长度理论。此外还有亚声速相似律和可压缩绕角膨胀流动，后被称为普朗特-迈耶尔流动。他在气象学方面也有创造性论著。普朗特在固体力学方面也有不少贡献。他的博士论文探讨了狭长矩形截面梁的侧向稳定性。1903年提出了柱体扭转问题的薄膜比拟法。他继承并推广了A.J.C.B.de圣维南所开创的塑性流动的研究。T.von卡门在他指导下完成的博士论文是关于柱体塑性区的屈曲问题。普朗特还解决了半无限体受狭条均匀压力时的塑性流动分析。著有普朗特全集、流体力学概论，此外还与O.G.蒂琼合写应用水动力学和空气动力学（1931）等。39流体力学管道阻力计算 1 1、紊流区域划分：、紊流区域划分：粘性底层粘性底层 层流向紊流的过渡层层流向紊流的过渡层 紊流的核心区紊流的核心区 5.7 湍流流湍流流动的粘性底的粘性底层 粘性流体在粘性流体在圆管中湍流流管中湍流流动时，紧贴固体壁面有一固体壁面有一层很薄的很薄的流体，受壁面的限制，脉流体，受壁面的限制，脉动运运动几乎完全消失，粘滞起几乎完全消失，粘滞起主主导作用，基本保持着作用，基本保持着层流流状状态，这一薄一薄层称称为粘性底粘性底层。40流体力学管道阻力计算 2 2、流道壁面的类型：、流道壁面的类型：0 0 粘性底层的厚度粘性底层的厚度 任何流道的固体边壁上，总存在高低不平的突起粗任何流道的固体边壁上，总存在高低不平的突起粗糙体，将粗糙体突出壁面的特征高度定义为糙体，将粗糙体突出壁面的特征高度定义为绝对粗糙度绝对粗糙度 /d/d 相对粗糙相对粗糙41流体力学管道阻力计算 粘性底粘性底层厚度：厚度：水力粗糙：水力粗糙：湍流区域完全感受不到管壁粗糙度的影响。湍流区域完全感受不到管壁粗糙度的影响。管壁的粗糙凸出部分有一部分暴露在湍流管壁的粗糙凸出部分有一部分暴露在湍流区中，管壁粗糙度紊流流区中，管壁粗糙度紊流流动发生影响。生影响。5.7 湍流流湍流流动的粘性底的粘性底层水水力力光光滑滑面面和和粗粗糙糙面面并并非非完完全全取取决决于于固固体体边边界界表表面面本本身身是是光光滑滑还还是是粗粗糙糙，而而必必须须依依据据粘粘性性底底层层和和绝绝对对粗粗糙糙度度两两者者的的相相对对大大小小来来确确定定，即即使使同同一一固固体体边边壁壁，在在某某一一雷雷诺诺数数下下是是光光滑滑面面，而而在在另另一一雷雷诺数下是粗糙面。诺数下是粗糙面。注意42流体力学管道阻力计算紊流中的速度分布紊流中的速度分布紊流运动中，由于流体涡团相互掺混，互相碰撞，因而产生了流体内部各质点间的动量传递；动量大的流体质点将动量传递给动量小的质点，动量小的流体质点牵制动量大的质点，结果造成断面流速分布的均匀化。5.8 湍流流湍流流动的速度分布的速度分布43流体力学管道阻力计算(1)光滑平壁面光滑平壁面假假设整个区域内整个区域内 =w=常数常数粘性底粘性底层内内粘性底粘性底层外外因因切向切向应力速度力速度(摩擦速度摩擦速度)5.8 湍流流湍流流动的速度分布的速度分布细分参考分参考44流体力学管道阻力计算(2)光滑直管光滑直管具有与平壁近似的公式具有与平壁近似的公式速度分布速度分布:最大速度最大速度:平均速度平均速度:5.8 湍流流湍流流动的速度分布的速度分布45流体力学管道阻力计算(2)光滑直管光滑直管(续)其它形式的速度分布其它形式的速度分布:(指数形式指数形式)Re nv/vxmax平均速度平均速度:5.8 湍流流湍流流动的速度分布的速度分布46流体力学管道阻力计算(3)粗糙直管粗糙直管速度分布速度分布:最大速度最大速度:平均速度平均速度:5.8 湍流流湍流流动的速度分布的速度分布47流体力学管道阻力计算5.9 湍流流湍流流动的阻力系数的阻力系数计算算1.圆管中湍流的沿程管中湍流的沿程损失失(1)光滑直管光滑直管(2)粗糙直管粗糙直管实验修修正后正后48流体力学管道阻力计算5.10 沿程沿程损失的失的实验研究研究实验目的：目的：沿程沿程沿程沿程损损失失失失:层流流:紊流紊流:在在实验的基的基础上提出某些假上提出某些假设，通，通过实验获得得计算算紊流沿程紊流沿程损失系数失系数的半的半经验经验公式或公式或经验经验公式。公式。代表性代表性实验:尼古拉尼古拉兹实验莫迪莫迪实验49流体力学管道阻力计算5.10 沿程沿程损失的失的实验研究研究一、一、一、一、尼古拉尼古拉兹实验实验对象象:不同直径不同直径圆管管 不同流量不同流量不同相不同相对粗糙度粗糙度实验条件条件:实验示意示意图:50流体力学管道阻力计算 尼尼古古拉拉茨茨用用几几种种相相对粗粗糙糙不不同同的的人人工工均均匀匀粗粗糙糙管管进行行实验；通通过改改变速度，从而改速度，从而改变 雷雷诺数，数，测出沿程阻力，出沿程阻力，计算出沿程阻力系数。算出沿程阻力系数。二、尼古拉茨实验过程二、尼古拉茨实验过程 其其中中壁壁面面粗粗糙糙中中影影响响沿沿程程阻阻力力的的具具体体因因素素也也不不少少，如如粗粗糙糙的的突突起起高高度度、粗粗糙糙的的形形状状、粗糙的疏密和排列等粗糙的疏密和排列等、人工均匀粗糙、人工均匀粗糙、尼尼古古拉拉茨茨实验图的分析实验图的分析、实验、实验51流体力学管道阻力计算5.10 沿程沿程损失的失的实验研究研究一、一、一、一、尼古拉尼古拉兹实验(续)尼古拉尼古拉兹实验曲曲线52流体力学管道阻力计算5.10 沿程沿程损失的失的实验研究研究一、一、一、一、尼古拉尼古拉兹实验(续)尼古拉尼古拉兹实验曲曲线的五个区域的五个区域1.1.层流区流区管壁的相管壁的相对粗糙度粗糙度对沿程沿程损失系数没有影响。失系数没有影响。2.过渡区渡区 不不稳定区域，可能是定区域，可能是层流，也可能是紊流。流，也可能是紊流。53流体力学管道阻力计算5.10 沿程沿程损失的失的实验研究研究一、一、一、一、尼古拉尼古拉兹实验(续)尼古拉尼古拉兹实验曲曲线的五个区域的五个区域(续)3.3.紊流光滑管区紊流光滑管区沿程沿程损失系数失系数 与相与相对粗糙度无关，而只与雷粗糙度无关，而只与雷诺数有关。数有关。勃拉休斯公式：勃拉休斯公式：尼古拉尼古拉兹公式：公式：卡卡门-普朗特公式：普朗特公式：54流体力学管道阻力计算5.10 沿程沿程损失的失的实验研究研究一、一、一、一、尼古拉尼古拉兹实验(续)尼古拉尼古拉兹实验曲曲线的五个区域的五个区域(续)4.4.紊流粗糙管紊流粗糙管过渡区渡区沿程沿程损失系数失系数 与相与相对粗糙度和雷粗糙度和雷诺数有关。数有关。洛巴耶夫公式：洛巴耶夫公式：阔尔布布鲁克公式：克公式：兰格公式：格公式：55流体力学管道阻力计算5.10 沿程沿程损失的失的实验研究研究一、一、一、一、尼古拉尼古拉兹实验(续)尼古拉尼古拉兹实验曲曲线的五个区域的五个区域(续)5.5.紊流粗糙管平方阻力区紊流粗糙管平方阻力区沿程沿程损失系数失系数 只与相只与相对粗糙度有关。粗糙度有关。尼古拉尼古拉兹公式：公式：此区域内流此区域内流动的能量的能量损失与流速的平方成正比，故称失与流速的平方成正比，故称此区域此区域为平方阻力区平方阻力区。56流体力学管道阻力计算 实用管道的粗糙是不规则的，须通过实用管道与人工粗糙管道试验结果之比较，把和实用管道断面形状、大小相同，紊流粗糙区 值相等的人工粗糙管道的砂粒高度 定义为实用管道的当量粗糙度。5.10 沿程沿程损失的失的实验研究研究引出莫迪引出莫迪引出莫迪引出莫迪实验57流体力学管道阻力计算5.10 沿程沿程损失的失的实验研究研究二、莫迪二、莫迪二、莫迪二、莫迪实验实验对象象:不同直径不同直径工工业管道管道 不同流量不同流量不同相不同相对粗糙度粗糙度实验条件条件:58流体力学管道阻力计算5.10 沿程沿程损失的失的实验研究研究二、莫迪二、莫迪二、莫迪二、莫迪实验(续)莫迪莫迪莫迪莫迪实验曲曲线59流体力学管道阻力计算5.10 沿程沿程损失的失的实验研究研究二、莫迪二、莫迪二、莫迪二、莫迪实验(续)莫迪莫迪莫迪莫迪实验曲曲线的五个区域的五个区域1.层流区流区层流区流区2.临界区界区3.光滑管区光滑管区5.完全紊流粗糙管区完全紊流粗糙管区4.过渡区渡区紊流光滑管区紊流光滑管区过渡区渡区紊流粗糙管紊流粗糙管过渡区渡区紊流粗糙管平方阻力区紊流粗糙管平方阻力区60流体力学管道阻力计算 解：解：层流流 由：由：冬季冬季时：冬季冬季时：夏季夏季时为紊流：紊流：紊流紊流夏季夏季时：查莫迪莫迪图例例 题：长 度度 为 300m，直直 径径 为 200mm的的 新新 铸 铁 管管，用用 来来 输 送送 的的石石油油，测得得其其流流量量 。如如果果冬冬季季时，。夏夏季季时，。问在在冬冬季季和和夏夏季季中中，此此输油油管管路路的的沿沿程程损失失为若若干干？61流体力学管道阻力计算例例 沿程沿程损失：已知管道和流量求沿程失：已知管道和流量求沿程损失失求：求：冬天和夏天的沿程冬天和夏天的沿程损失失hf解：解：冬天冬天层流流夏天夏天湍流湍流冬天冬天(油柱油柱)夏天夏天(油柱油柱)已知已知:d20cm,l3000m的旧无的旧无缝钢管管,900kg/m3,Q90T/h.,在冬天冬天为1.09210-4m2/s,夏天夏天为0.35510-4m2/s在夏天，在夏天，查旧无旧无缝钢管等效粗糙度管等效粗糙度=0.2mm,/d=0.001查穆迪穆迪图2=0.038562流体力学管道阻力计算例例 沿程沿程损失：已知管道和失：已知管道和压降求流量降求流量求：求：管内流量管内流量Q 解：解：穆迪穆迪图完全粗糙区的完全粗糙区的0.025,设10.025,由达西公式由达西公式查穆迪穆迪图得得20.027,重新重新计算速度算速度查穆迪穆迪图得得20.027已知已知:d10cm,l400m的旧无的旧无缝钢管比重管比重为0.9,=10-5m2/s的油的油63流体力学管道阻力计算例例 沿程沿程损失：已知沿程失：已知沿程损失和流量求管径失和流量求管径求：求：管径管径d 应选多大多大 解：解：由达西公式由达西公式 已知已知:l400m的旧无的旧无缝钢管管输送比重送比重0.9,=10-5m2/s的油的油Q=0.0319m3/s64流体力学管道阻力计算5.11 管道水力管道水力计算算管道的种管道的种类:简单管道管道串串联管道管道并并联管道管道分支管道分支管道一、一、简单管道管道 管道直径和管壁粗糙度均相同的一根管子或管道直径和管壁粗糙度均相同的一根管子或这样的数根的数根管子串管子串联在一起的管道系在一起的管道系统。计算基本公式算基本公式连续方程方程沿程沿程损失失能量方程能量方程65流体力学管道阻力计算5.11 管道水力管道水力计算算一、一、简单管道管道(续)三三类计算算问题（1）已知）已知qV、l、d、，求，求hf；（2）已知）已知hf、l、d、，求，求qV；（3）已知）已知hf、qV、l、，求，求d。简单管道的水力管道的水力计算是其它复算是其它复杂管道水力管道水力计算的基算的基础。66流体力学管道阻力计算5.11 管道水力管道水力计算算一、一、简单管道管道(续)第一第一类问题的的计算步算步骤（1）已知）已知qV、l、d、，求，求hf；qV、l、d计算算Re由由Re、查莫迪莫迪图得得 计算算 hf67流体力学管道阻力计算5.11 管道水力管道水力计算算一、一、简单管道管道(续)第二第二类问题的的计算步算步骤（2）已知）已知hf、l、d、，求，求qV；假假设 由由hf计算算 v、Re由由Re、查莫迪莫迪图得得 New校核校核 New=NewNY由由hf计算算 v、qV68流体力学管道阻力计算5.11 管道水力管道水力计算算一、一、简单管道管道(续)第三第三类问题的的计算步算步骤（3）已知）已知hf、qV、l、，求，求d。hf qV l 计算算 与与 d的函数曲的函数曲线由由Re、查莫迪莫迪图得得 New校核校核 New=NewNY由由hf计算算 v、qV69流体力学管道阻力计算一、局部水头损失产生的原因一、局部水头损失产生的原因旋涡区的存在是造成局部水头损失的主要原因。局部水头损失与沿程水头损失一样，也与流态有关，但目前仅限于紊流研究，且基本为实验研究。5.12 局部局部损失失70流体力学管道阻力计算突然扩大突然缩小闸阀三通汇流管道弯头管道进口分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区有有压管管道道恒恒定定流流遇遇到到管管道道边界界的的局局部部突突变 流动分离形成剪切层 剪切层流动不稳定，引起流动结构的重新调整，并产生旋涡 平均流动能量转化成脉动能量，造成不可逆的能量耗散。局部水头损失局部水头损失71流体力学管道阻力计算v1A1A2v21122与沿程因摩擦造成的分布损失不同，这部分损失可以看成是集中损失在管管道道边界界的的突突变处，每每单位重量流体承担的这部分能量损失称为局部水头损失。根据能量方程根据能量方程 认为因边界突变造成的能量损失全部产生在1-1，2-2两断面之间，不再考虑沿程损失。局部水头损失72流体力学管道阻力计算v1A1A2v21122 上游断面1-1取在由于边界的突变，水流结构开始发生变化的渐变流段中，下游2-2断面则取在水流结构调整刚好结束，重新形成渐变流段的地方。总之，两断面应尽可能接近，又要保证局部水头损失全部产生在两断面之间。经过测量两断面的测管水头差和流经管道的流量，进而推算两断面的速度水头差，就可得到局部水头损失。73流体力学管道阻力计算v1A1A2v21122 局部水头损失折合成速度水头的比例系数 当上下游断面平均流速不同时，应明确它对应的是哪个速度水头？局部水头损失系数局部水头损失系数 其它情况的局部损失系数在查表或使用经验公式确定时也应该注意这一点。通常情况下对应下游的速度水头。突扩圆管突扩圆管74流体力学管道阻力计算 局部水头损失的机理复杂，除了突扩圆管的情况以外，一般难于用解析方法确定，而要通过实测来得到各种边界突变情况下的局部水头损失系数。局部水头损失系数随流动的雷诺数而变 当雷诺数大到一定程度后，值成为常数。在工程中使用的表格或经验公式中列出的 就是指这个范围的数值。75流体力学管道阻力计算2入口阻力系数举例76流体力学管道阻力计算5.12 局部局部损失失3、管道截面突然、管道截面突然扩大大流体从小直径的管道流往大直径的管道流体从小直径的管道流往大直径的管道112v2A2v1A12取取1-1、2-2截面以及它截面以及它们之之间的管壁的管壁为控制面。控制面。连续方程方程动量方程量方程能量方程能量方程77流体力学管道阻力计算5.12 局部局部损失失3、管道截面突然、管道截面突然扩大大(续)112v2A2v1A12将将连续方程、方程、动量方程代入能量方程，量方程代入能量方程，以以小截面小截面流速流速计算的算的 以以大截面大截面流速流速计算的算的 78流体力学管道阻力计算5.12 局部局部损失失3、管道截面突然、管道截面突然扩大大(续)管道出口管道出口损失失速度速度头完全消散于池水中完全消散于池水中79流体力学管道阻力计算5.12 局部局部损失失4、管道截面突然、管道截面突然缩小小流体从大直径的管道流往小直径的管道流体从大直径的管道流往小直径的管道v2A2v1A1vcAc流流动先收先收缩后后扩展，能量展，能量损失由两部分失由两部分损失失组成成80流体力学管道阻力计算5.12 局部局部损失失4、管道截面突然、管道截面突然缩小小(续)v2A2v1A1vcAc由由实验等直管道等直管道随着直径比由随着直径比由0.115线性性减小到减小到181流体力学管道阻力计算5.12 局部局部损失失AACBDD流体在弯管中流流体在弯管中流动的的损失由三部分失由三部分组成成:2.由切向由切向应力力产生的沿程生的沿程损失失1.形成漩形成漩涡所所产生的生的损失失3.由二次流形成的双螺旋流由二次流形成的双螺旋流动所所产生的生的损失失其它各种弯管、截门、闸阀等的局部水头损失系数可查表或由经验公式获得。82流体力学管道阻力计算减小管壁的粗糙度；柔性减小管壁的粗糙度；柔性边壁壁换为刚性性边壁壁避免旋避免旋涡区的区的产生或减小旋生或减小旋涡区的大小和区的大小和强度；度；如平如平顺的的进口口渐扩或或渐缩弯管曲率半径弯管曲率半径 减小阻力的措施减小阻力的措施 1.1.添加剂减阻 2.2.改善边壁对流动的影响83流体力学管道阻力计算5.13-14 管道水力管道水力计算算管道的种管道的种类:简单管道管道串串联管道管道并并联管道管道分支管道分支管道一、一、简单管道管道 管道直径和管壁粗糙度均相同的一根管子或管道直径和管壁粗糙度均相同的一根管子或这样的数根的数根管子串管子串联在一起的管道系在一起的管道系统。计算基本公式算基本公式连续方程方程沿程沿程损失失能量方程能量方程84流体力学管道阻力计算一、一、简单管道管道三三类计算算问题（1）已知）已知qV、l、d、，求，求hf；（2）已知）已知hf、l、d、，求，求qV；（3）已知）已知hf、qV、l、，求，求d。简单管道的水力管道的水力计算是其它复算是其它复杂管道水力管道水力计算的基算的基础。5.13 管道水力管道水力计算算85流体力学管道阻力计算一、一、简单管道管道(续)第一第一类问题的的计算步算步骤（1）已知）已知qV、l、d、，求，求hf；qV、l、d计算算Re由由Re、查莫迪莫迪图得得 计算算 hf86流体力学管道阻力计算一、一、简单管道管道(续)第二第二类问题的的计算步算步骤（2）已知）已知hf、l、d、，求，求qV；假假设 由由hf计算算 v、Re由由Re、查莫迪莫迪图得得 New校核校核 New=NewNY由由hf计算算 v、qV87流体力学管道阻力计算一、一、简单管道管道(续)第三第三类问题的的计算步算步骤（3）已知）已知hf、qV、l、，求，求d。hf qV l 计算算 与与 d的函数曲的函数曲线由由Re、查莫迪莫迪图得得 New校核校核 New=NewNY由由hf计算算 v、qV88流体力学管道阻力计算二、串二、串联管道管道 由不同管道直径和管壁粗糙度的数段根管子由不同管道直径和管壁粗糙度的数段根管子连接在一起接在一起的管道。的管道。ABH21串串联管道特征管道特征1.各管段的流量相等各管段的流量相等2.总损失等于各段管失等于各段管道中道中损失之和失之和89流体力学管道阻力计算二、串二、串联管道管道(续)两两类计算算问题ABH21（1）已知串）已知串联管道的流量管道的流量qV，求，求总水水头H ；（2）已知）已知总水水头H，求串，求串联管道的流量管道的流量qV。90流体力学管道阻力计算5.14 管道水力管道水力计算算三、并三、并联管道管道 由几条由几条简单管道或串管道或串联管道，入口端与出口端分管道，入口端与出口端分别连接接在一起的管道系在一起的管道系统。并并联管道特征管道特征1.总流量是各分管段流量之和。流量是各分管段流量之和。2.并并联管道的管道的损失等于各分管失等于各分管道的道的损失。失。AQQ1 d1 hw1Q2 d2 hw2Q3 d3 hw3BQ91流体力学管道阻力计算5.14 管道水力管道水力计算算三、并三、并联管道管道(续)两两类计算算问题（1）已知）已知A点和点和B点的静水点的静水头线高度（即高度（即z+p/g)，求，求总流量流量qV；AQQ1 d1 hw1Q2 d2 hw2Q3 d3 hw3BQ假假设 由由hf计算算 v、Re由由Re、查莫迪莫迪图得得 New校核校核 New=NewNY由由hf计算算 v、qV 求解方法相当求解方法相当于于简单管道的第管道的第二二类计算算问题。92流体力学管道阻力计算5.14 管道水力管道水力计算算三、并三、并联管道管道(续)两两类计算算问题(续)（2）已知）已知总流量流量qV，求各分管道中的流量及能量，求各分管道中的流量及能量损失失。假假设管管1的的 qV1 由由qV1计算管算管1的的hf1 由由hf1求求qV2和和 qV3hf1=hf2=hf3qV1=qV1N结束束计算算按按qV1、qV2 和和qV3的比例的比例计算算qV1、qV2 和和qV3计算算hf1、hf2和和hf3 YAQQ1 d1 hw1Q2 d2 hw2Q3 d3 hw3BQ93流体力学管道阻力计算5.14 管道水力管道水力计算算四、分支管道四、分支管道分支管道特征分支管道特征流入流入汇合点的流量等于自合点的流量等于自汇合点流出的流量。合点流出的流量。94流体力学管道阻力计算5.14 管道水力管道水力计算算四、分支管道四、分支管道(续）计算算问题已知管道的尺寸、粗糙度和流体性已知管道的尺寸、粗糙度和流体性质，求通，求通过各管道的流量。各管道的流量。213Jz2z1z3假假设J点的点的zJ+pJ/g求求qV1、qV2 和和qV3 是否是否满足足连续方程方程 N结束束计算算调整整J点的点的zJ+pJ/g Y95流体力学管道阻力计算5.14 管道水力管道水力计算算五、管网五、管网 由若干管道由若干管道环路相路相连接、在接、在结点点处流出的流量来自几个流出的流量来自几个环路的管道系路的管道系统。96流体力学管道阻力计算5.14 管道水力管道水力计算算五、管网五、管网(续)管网特征管网特征1.流入流入结点的流量等于流出点的流量等于流出结点的流量，即任一点的流量，即任一结点点处流流量的代数和等于零。量的代数和等于零。2.在任一在任一环路中，由某一路中，由某一结点沿两个方向到另一个点沿两个方向到另一个结点的能点的能量量损失相等，即任一失相等，即任一环路能量路能量损失的代数和等于零。失的代数和等于零。97流体力学管道阻力计算5.14 管道水力管道水力计算算五、管网五、管网(续)计算算问题已知管道的尺寸、粗糙度和流体性已知管道的尺寸、粗糙度和流体性质，求通，求通过各管道的流量。各管道的流量。预选各管道流体的各管道流体的流流动方向和流量方向和流量计算各管道的算各管道的能量能量损失失 N结束束计算算引入修正流量引入修正流量 qV，各管道修正流量各管道修正流量 Y98流体力学管道阻力计算 分枝状管网应按最不利点设计干管，在干管各段的流量分配给定，管径由经济流速确定的情况下，可以决定所需作用水头。此后的支管设计就成为已知水头和流量求管径的问题。枝状管网枝状管网99流体力学管道阻力计算 工程上一般采用迭代法确定各管段流量分配，先给出流量分配初值，由经济流速确定管径，计算各闭合环水头损失代数和，根据各闭合环代数和的值，推求校正流量，重新进行流量分配，继续迭代过程，直至满足要求。对环状管网的每一个节点可写出连续方程，其中独立的比总节点数少一个。管网中的每一个闭合环水头损失的代数和为零。方程总个数恰为管网中的管段数。环状管网环状管网100流体力学管道阻力计算5.15 水水击现象象一、水一、水击现象的描述象的描述四个四个过程：程：Au0BCAu0B1.压力升高力升高过程程2.压力恢复力恢复过程程水击具有破坏性水击流速突然改变，压力引起大幅度波动的现象101流体力学管道阻力计算5.15 水水击现象象一、水一、水击现象的描述象的描述四个四个过程：程：Au0BCBAu0C3.压力降低力降低过程程4.压力恢复力恢复过程程102流体力学管道阻力计算5.15 水水击现象象二、二、压强波（膨波（膨胀波）的波）的传播速度播速度 式中式中 K 流体的体流体的体积模量模量 E 管壁的管壁的弹性模量性模量 s 管壁厚度管壁厚度 d 管壁内径管壁内径例：管壁无例：管壁无弹性，性，E 103流体力学管道阻力计算5.15 水水击现象象三、直接水三、直接水击、间接水接水击、减弱水、减弱水击的措施的措施 直接水直接水击:间接水接水击:阀门关关闭的的时间 ts2l/c，阀门处压强将达不到将达不到最大的水最大的水击压强。减弱水减弱水击的措施：的措施：（1）避免直接水）避免直接水击，尽量延，尽量延长间接水接水击时阀门的关的关闭时间。（2）采用）采用过载保保护，以，以缓冲水冲水击压强。（3）降低管内流速，）降低管内流速，缩短管短管长，使用，使用弹性好的管道。性好的管道。104流体力学管道阻力计算5.16 非非圆形管道沿程形管道沿程损失的失的计算算与与圆形管道相同之形管道相同之处:沿程沿程损失失计算公式算公式雷雷诺数数计算公式算公式上面公式中的直径上面公式中的直径d需用当量直径需用当量直径D来代替。来代替。与与圆形管道不同之形管道不同之处:105流体力学管道阻力计算5.16 非非圆形管道沿程形管道沿程损失的失的计算算当量直径当量直径为4倍有效截面与湿周之比，即倍有效截面与湿周之比，即4倍水力半径。倍水力半径。一、当量直径一、当量直径D二、几种非二、几种非圆形管道的当量直径形管道的当量直径计算算1.充充满流体的矩形管道流体的矩形管道106流体力学管道阻力计算5.16 非非圆形管道沿程形管道沿程损失的失的计算算二、几种非二、几种非圆形管道的当量直径形管道的当量直径计算（算（续）2.充充满流体的流体的圆环形管道形管道d2d13.充充满流体的管束流体的管束S1S1S2d107流体力学管道阻力计算4.椭圆管管5.等等边三角形管三角形管108流体力学管道阻力计算