第五章--流动阻力和能量损失--课件

5-15-1流动阻力及水头损失的两种型式流动阻力及水头损失的两种型式 5-25-2流体流动的两种型态流体流动的两种型态 5-35-3均匀流动的沿程损失方程式均匀流动的沿程损失方程式 5-45-4圆管中的层流运动和沿程损失圆管中的层流运动和沿程损失 5-55-5圆管中的湍流运动圆管中的湍流运动 5-65-6湍流的沿程损失湍流的沿程损失 5-75-7局部损失计算局部损失计算 5-85-8绕流阻力绕流阻力 第五章第五章 流动阻力和能量损失流动阻力和能量损失 1PPT课件5-1 5-1 流动阻力及水头损失型式流动阻力及水头损失型式一、一、沿程阻力和沿程损失沿程阻力和沿程损失1.1.沿程阻力沿程阻力:在边界的几何形状和尺寸沿程不变或缓变的情况在边界的几何形状和尺寸沿程不变或缓变的情况下，流体的内部以及流体与固体边界之间存在沿程不变的内下，流体的内部以及流体与固体边界之间存在沿程不变的内摩擦力。摩擦力。2.2.沿程损失：由于沿程阻力作功引起的水头损失，用表示。沿程损失：由于沿程阻力作功引起的水头损失，用表示。二、局部阻力和局部损失二、局部阻力和局部损失 1.1.局部阻力局部阻力:流体流经固体边界急剧改变的区域时，流速大小、流体流经固体边界急剧改变的区域时，流速大小、方向迅速改变，流动急剧调整产生的流动阻力。方向迅速改变，流动急剧调整产生的流动阻力。2.局部损失局部损失:流体克服这种局部阻力而产生的水头损失，用流体克服这种局部阻力而产生的水头损失，用 表示。表示。2PPT课件三、总水头损失三、总水头损失3PPT课件5-2 5-2 流体流动的两种型态流体流动的两种型态一、雷诺实验一、雷诺实验 18831883年英国物理学家年英国物理学家雷诺雷诺按图示试验装置对粘性流体进行按图示试验装置对粘性流体进行实验，提出了流体运动存在两种型态：层流和湍流。实验，提出了流体运动存在两种型态：层流和湍流。4PPT课件1.1.层流层流 ：管中水流呈层状流动，各层的流体质点互不掺混的：管中水流呈层状流动，各层的流体质点互不掺混的流动状态。流动状态。2.2.湍流湍流 ：管内流体质点发生了杂乱无章的混掺运动的流动状：管内流体质点发生了杂乱无章的混掺运动的流动状态成为湍流。态成为湍流。雷诺5PPT课件二、临界流速二、临界流速层流层流 湍流湍流 1.1.临界流速临界流速 :当玻璃管中的流速达到某一数值时，流动状态就当玻璃管中的流速达到某一数值时，流动状态就要发生变化时玻璃管中的平均流速。要发生变化时玻璃管中的平均流速。2.2.上临界流速上临界流速 ：由层流转变为湍流的临界流速：由层流转变为湍流的临界流速 。3.3.下临界流速下临界流速 ：由湍流转变为层流的临界流速：由湍流转变为层流的临界流速 。6PPT课件三、流动状态与水头损失的关系三、流动状态与水头损失的关系（1 1）abab段：当时，流动状态为段：当时，流动状态为层流，直线的斜率层流，直线的斜率 ，说明与，说明与成正比成正比（2 2）efef段：当时，流动状态为段：当时，流动状态为湍流，直线的斜率湍流，直线的斜率（3 3）bebe段：当段：当 时，为层流和时，为层流和湍流的过渡区，流动状态是不稳定的，湍流的过渡区，流动状态是不稳定的，取决于流动状态的初始状态。取决于流动状态的初始状态。或或7PPT课件四、流动状态的判别标准四、流动状态的判别标准雷诺数雷诺数:下临界雷诺数下临界雷诺数上临界雷诺数上临界雷诺数流动状态的判别标准流动状态的判别标准 ：层流层流湍流湍流8PPT课件五、水力要素五、水力要素1 1湿周：过流截面与固体边界相接触的线段长度，用表示湿周：过流截面与固体边界相接触的线段长度，用表示（实线）。湿周的大小在一定程度上反映了流动阻力的大小，（实线）。湿周的大小在一定程度上反映了流动阻力的大小，在过流截面面积相同的条件下，湿周越长，流动阻力越大。在过流截面面积相同的条件下，湿周越长，流动阻力越大。2 2水力半径：过流截面面积与对应湿周的比值，用表示。水力半径：过流截面面积与对应湿周的比值，用表示。圆管圆管9PPT课件 3 3当量直径当量直径 :当非圆管流与某一圆管流的过流能力相当时，当非圆管流与某一圆管流的过流能力相当时，即两者的水力半径相同时，圆管的直径为非圆管流的当量直径，即两者的水力半径相同时，圆管的直径为非圆管流的当量直径，用用 表示。表示。对于非圆管流动，其下临界雷诺数为对于非圆管流动，其下临界雷诺数为若采用水力半径来定义雷诺数，则若采用水力半径来定义雷诺数，则10PPT课件5-3 5-3 均匀流动的沿程损失方均匀流动的沿程损失方程式程式均匀流基本方程均匀流基本方程11PPT课件总流在流动方向上处于平衡状态，列流动方向平衡方程如下总流在流动方向上处于平衡状态，列流动方向平衡方程如下 或或均匀流基本均匀流基本方程方程12PPT课件5-4 5-4 圆管中的层流运动和沿程圆管中的层流运动和沿程损失损失一、过流截面上的切应力和流速分布一、过流截面上的切应力和流速分布13PPT课件1.1.切应力分布切应力分布斜直线分布斜直线分布3.3.流量流量4.4.平均速度平均速度2.2.流速分布流速分布抛物线分布抛物线分布14PPT课件二、沿程损失计算二、沿程损失计算令 上式称为圆管中层流运动的沿程损失计算公式，又称为上式称为圆管中层流运动的沿程损失计算公式，又称为达西公式。达西公式。15PPT课件5-5 5-5 圆管中的湍流运动圆管中的湍流运动一、湍流的成因一、湍流的成因16PPT课件1.1.涡体的形成涡体的形成(a)(a)涡体产生倾向；涡体产生倾向；(b)(b)流速及压强的重新调整；流速及压强的重新调整；(c)(c)波动的波动的加剧；加剧；(d)(d)涡体的形成。涡体的形成。2.2.湍流的形成湍流的形成涡体形成后，在涡体附近的流速分布将有所改变，流速快涡体形成后，在涡体附近的流速分布将有所改变，流速快的流层的运动方向与涡体旋转的方向一致；流速慢的流层的运的流层的运动方向与涡体旋转的方向一致；流速慢的流层的运动方向与涡体旋转方向相反。这样，就会使流速快的流层速度动方向与涡体旋转方向相反。这样，就会使流速快的流层速度更加增大，压强减小；流速慢的流层速度将更加减小，压强增更加增大，压强减小；流速慢的流层速度将更加减小，压强增大。这将导致涡体两边产生压差，形成横向升力（或降力），大。这将导致涡体两边产生压差，形成横向升力（或降力），这种升力（或降力）就有可能推动涡体脱离原流层，作横向运这种升力（或降力）就有可能推动涡体脱离原流层，作横向运动，进入新流层，从而产生湍流。动，进入新流层，从而产生湍流。17PPT课件二、湍流的脉动现象和时均化二、湍流的脉动现象和时均化1.1.脉动现象脉动现象:流场中某空间点的瞬时流速虽然随时间不断变流场中某空间点的瞬时流速虽然随时间不断变化，但始终围绕着某一速度平均值上下不断变动的现象称为化，但始终围绕着某一速度平均值上下不断变动的现象称为脉动现象。脉动现象。18PPT课件时均速度时均速度 瞬时速度瞬时速度 n 为书写方便起见，常将时均值符号上的为书写方便起见，常将时均值符号上的“一一”省略省略n 在研究和计算紊流流动问题时，所指的流动参数都是时均参数在研究和计算紊流流动问题时，所指的流动参数都是时均参数n 我们把时均参数不随时间而变化的流动，称为准定常紊流我们把时均参数不随时间而变化的流动，称为准定常紊流n 时均值只能描述流体总体的运动，不能反映脉动的影响时均值只能描述流体总体的运动，不能反映脉动的影响19PPT课件三、湍流结构三、湍流结构近壁层流层厚度近壁层流层厚度 :管道直径管道直径 沿程损失系数沿程损失系数 1 1湍流结构分析湍流结构分析 流核区流核区 层流向湍流的过渡区层流向湍流的过渡区 粘性底层区粘性底层区 厚度d 20PPT课件2 2“光滑管光滑管”和和“粗糙管粗糙管”绝对粗糙度绝对粗糙度:管壁凸出部分的平均高度，用管壁凸出部分的平均高度，用 表示。表示。（1 1）光滑管）光滑管 ：（2 2）粗糙管）粗糙管（3 3）过渡粗糙管）过渡粗糙管 21PPT课件四、湍流切应力分布和流速分布四、湍流切应力分布和流速分布 摩擦切应力摩擦切应力 附加切应力附加切应力 普朗特混合长度普朗特混合长度 ：称为卡门常数称为卡门常数 1.1.切应力分布切应力分布22PPT课件2.2.流速分布流速分布管壁切应力管壁切应力 流速分布流速分布（1 1）近壁层流层：）近壁层流层：摩阻流速摩阻流速 （2 2）湍流层）湍流层 ：切应力切应力均匀流动断面切应力均匀流动断面切应力:流速分布表达式流速分布表达式:光滑管光滑管 粗糙管粗糙管 23PPT课件5-6 5-6 湍流的沿程损失湍流的沿程损失一、湍流沿程损失计算一、湍流沿程损失计算 2.2.沿程损失系数的确定沿程损失系数的确定（1 1）实验和理论的方法）实验和理论的方法（2 2）根据实验实测资料，得到经验公式）根据实验实测资料，得到经验公式1.1.计算公式计算公式24PPT课件二、二、尼古拉兹实验尼古拉兹实验 l 尼古拉兹用黄沙筛选后由细到粗分为六种，分别粘贴在光尼古拉兹用黄沙筛选后由细到粗分为六种，分别粘贴在光滑管上滑管上 用三种不同管径的圆管（用三种不同管径的圆管（25mm25mm、50mm50mm、l00mml00mm）用六种不同的用六种不同的 值（值（1515、30.630.6、6060、126126、252252、507507）l 方法：方法：人为造出六种不同的相对粗糙度的管；人为造出六种不同的相对粗糙度的管；对不同的管径通过改变流量来改变雷诺数；对不同的管径通过改变流量来改变雷诺数；测出沿程阻力损失，由测出沿程阻力损失，由 求阻力系数求阻力系数 25PPT课件26PPT课件（1 1）层流区（）层流区（abab线）线）（2 2）流态过渡区（）流态过渡区（bcbc线）线）（3 3）湍流光滑区（）湍流光滑区（cdcd线）线）（4 4）湍流过渡区）湍流过渡区(cd(cd线与线与efef线所包围的区域线所包围的区域 )（5 5）湍流粗糙区）湍流粗糙区(ef(ef线右边区域线右边区域)27PPT课件三、莫迪图（工业管道）三、莫迪图（工业管道）28PPT课件湍流沿程损失系数的综合计算公式（科里布鲁克公式湍流沿程损失系数的综合计算公式（科里布鲁克公式）工业管道的流区划分标准工业管道的流区划分标准（1 1）光滑区）光滑区 （2 2）湍流过渡区）湍流过渡区 （3 3）粗糙区）粗糙区 莫迪29PPT课件5-7 5-7 局部损失计算局部损失计算一、边界层理论一、边界层理论 1.1.边界层：贴近平板存在较边界层：贴近平板存在较大切应力、粘性影响不能忽大切应力、粘性影响不能忽略的这一层液体略的这一层液体 。边界层的厚度顺流增大，即边界层的厚度顺流增大，即是是x x的函数。的函数。30PPT课件3.3.转捩点，临界雷诺数转捩点，临界雷诺数 n转捩点：在转捩点：在x=xcr处边界层由层流转变为湍流的过渡点。处边界层由层流转变为湍流的过渡点。n临界雷诺数：临界雷诺数：平板边界层平板边界层31PPT课件二、边界层的分离二、边界层的分离1.1.边界层分离：物面上的边界层在某个位置开始脱离物面，边界层分离：物面上的边界层在某个位置开始脱离物面，并在物面附近出现与主流方向相反的回流现象。并在物面附近出现与主流方向相反的回流现象。从从D D到到E E流动加速，流动加速，顺压梯度区；顺压梯度区；流流体压能向动能转变，不发生边界层体压能向动能转变，不发生边界层分离分离从从E E到到F F流流动动减减速速,逆逆压压梯梯度度区区；E E到到F F段动能只存在损耗，速度减小很快段动能只存在损耗，速度减小很快在在S S点点处处出出现现粘粘滞滞 ，由由于于压压力力的的升升高高产产生生回回流流导导致致边边界界层层分分离离，并并形形成尾涡。成尾涡。32PPT课件v结论：结论：粘性流体在粘性流体在压力降低区压力降低区内流动（加速流动），决不会内流动（加速流动），决不会出现边界层的分离，只有在出现边界层的分离，只有在压力升高区压力升高区内流动（减速流动）内流动（减速流动），才有可能出现分离，形成漩涡。尤其是在主流减速足够，才有可能出现分离，形成漩涡。尤其是在主流减速足够大的情况下，边界层的分离就一定会发生大的情况下，边界层的分离就一定会发生。33PPT课件2.2.分离实例分离实例从静止开始边界层发展情况从静止开始边界层发展情况扩张管扩张管（上壁有抽吸）（上壁有抽吸）34PPT课件35PPT课件36PPT课件卡门涡街 v圆柱绕流问题：圆柱绕流问题：随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，分离随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，分离点并不断的前移，当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎稳点并不断的前移，当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随主定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随主流向下游运动，这就是流向下游运动，这就是卡门涡街卡门涡街v卡门对涡街进行运动分析得出了阻力、涡释放频率以及斯特罗卡门对涡街进行运动分析得出了阻力、涡释放频率以及斯特罗哈数的经验公式哈数的经验公式v卡门涡街会产生共振，危害很大；也可应用于流量测量。卡门涡街会产生共振，危害很大；也可应用于流量测量。37PPT课件l 根据卡门涡街的上述性质，可以制成卡门涡街流量计根据卡门涡街的上述性质，可以制成卡门涡街流量计l 测定卡门涡街脱落频率的方法有热敏电阻丝法、超音波束法等测定卡门涡街脱落频率的方法有热敏电阻丝法、超音波束法等 圆圆柱柱体体的的卡卡门门涡涡街街的的脱脱落落频频率率 与与流流体体流流动动的的速速度度 和和圆圆柱柱体体直直径径 有有关关，由由泰泰勒勒(F(FTaylor)Taylor)和和瑞瑞利利(L(LRayleighRayleigh)提提出出下下列列经经验公式验公式 上上式式适适用用于于 范范围围内内的的流流动动，式式中中无无量量纲纲数数 称称为为斯斯特劳哈特劳哈(V(VStrouhalStrouhal)数数 ，即，即 根据罗斯柯（根据罗斯柯（A ARoshkoRoshko）19541954年的实验结果，当年的实验结果，当 大于大于10001000时，斯特劳哈数时，斯特劳哈数 近似地等于常数，即近似地等于常数，即 =0.21=0.21。38PPT课件三、圆管管径扩大处的局部损三、圆管管径扩大处的局部损失 边界层分离的同时，主边界层分离的同时，主流与静止流体之间会产生环流与静止流体之间会产生环状回流区，回流区与主流的状回流区，回流区与主流的分界面形成一个强剪切层，分界面形成一个强剪切层，该层内的流体会产生漩涡，该层内的流体会产生漩涡，使分界面上发生质量、动量使分界面上发生质量、动量和能量的交换，流体总的能和能量的交换，流体总的能量通过分界面传递到回流区量通过分界面传递到回流区后被消耗，剪切层内形成的后被消耗，剪切层内形成的部分漩涡会进入主流并运动部分漩涡会进入主流并运动到下游逐渐衰灭。到下游逐渐衰灭。39PPT课件过流截面过流截面1-11-1与与2-22-2，列伯诺里方程，列伯诺里方程 1-11-1与与2-22-2流动方向的动量方程流动方向的动量方程 40PPT课件分析流动方向上的合外力分析流动方向上的合外力（1 1）作用在）作用在1-11-1截面上的压力截面上的压力（2 2）作用在）作用在2-22-2截面上的压力截面上的压力（3 3）作用在环形漩涡区的压力）作用在环形漩涡区的压力（4 4）1-11-1与与2-22-2之间流体重力沿流速方向的分力之间流体重力沿流速方向的分力 41PPT课件局部损失公式（波达公式）局部损失公式（波达公式）局部损失系数局部损失系数 一般计算公式一般计算公式42PPT课件普朗特简介普朗特简介普朗特简介普朗特简介v普朗特（普朗特（1875187519531953），德国物理学家，近代力学奠基人之一。），德国物理学家，近代力学奠基人之一。18751875年年2 2月月4 4日日生于弗赖辛，生于弗赖辛，19531953年年8 8月月1515日卒于格丁根。他在大学时学机械工程，后在慕尼日卒于格丁根。他在大学时学机械工程，后在慕尼黑工业大学攻黑工业大学攻弹性力学弹性力学，19001900年获得博士学位。年获得博士学位。19011901年在机械厂工作，发现了年在机械厂工作，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，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 3年后提出年后提出边界层边界层理论，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。奠定了现代阻力、求解分离区和热交换等问题。奠定了现代流体力学流体力学的基础。普朗特在流的基础。普朗特在流体力学方面的其他贡献有：体力学方面的其他贡献有：风洞实验技术。他认为研究风洞实验技术。他认为研究空气动力学空气动力学必须作模必须作模型实验。型实验。19061906年建造了德国第一个风洞（见年建造了德国第一个风洞（见空气动力学实验空气动力学实验），），19171917年又建成年又建成格丁根式风洞。格丁根式风洞。机翼理论。在实验基础上，他于机翼理论。在实验基础上，他于1913191319181918年提出了举力线年提出了举力线理论和最小诱导阻力理论理论和最小诱导阻力理论，后又提出举力面理论等。，后又提出举力面理论等。湍流湍流理论。提出层理论。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，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。迈耶尔流动。他在气象学方面也有创造性论著。普朗特在普朗特在固体力学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。截面梁的侧向稳定性。19031903年提出了柱体扭转问题的薄膜比拟法年提出了柱体扭转问题的薄膜比拟法。他继承。他继承并推广了并推广了A.J.C.B.deA.J.C.B.de圣维南所开创的塑性流动的研究圣维南所开创的塑性流动的研究。T.vonT.von卡门在他指导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。著有狭条均匀压力时的塑性流动分析。著有普朗特全集普朗特全集、流体力学概论流体力学概论，此外还与此外还与O.G.O.G.蒂琼合写蒂琼合写应用水动力学和空气动力学应用水动力学和空气动力学（19311931）等等。43PPT课件5-8 5-8 绕流阻力绕流阻力一、绕流阻力的概念一、绕流阻力的概念1.1.绕流阻力：绕流物体受到平绕流阻力：绕流物体受到平行于来流方向上的阻力。行于来流方向上的阻力。2.2.升力：绕流物体受到垂直于升力：绕流物体受到垂直于来流方向上的阻力。来流方向上的阻力。3.3.绕流阻力的组成绕流阻力的组成（1 1）摩擦阻力：由于流体的粘性所引起。）摩擦阻力：由于流体的粘性所引起。（2 2）压差阻力：对于非流线型物体，由于边界层的分离，在）压差阻力：对于非流线型物体，由于边界层的分离，在物体的尾部形成漩涡区的压强比物体前部的压强低，在流动方物体的尾部形成漩涡区的压强比物体前部的压强低，在流动方向上产生压强差，形成作用于物体上的阻力。压差阻力主要取向上产生压强差，形成作用于物体上的阻力。压差阻力主要取决于物体的形状，又称形体阻力。决于物体的形状，又称形体阻力。44PPT课件二、绕流阻力二、绕流阻力绕流阻力系数，取决于绕流物体形状绕流阻力系数，取决于绕流物体形状来流相对于物体的流速来流相对于物体的流速迎流面在垂直于来流方向的投影面积迎流面在垂直于来流方向的投影面积流体的密度流体的密度斯托克斯公式斯托克斯公式 ()()兰姆公式兰姆公式()()圆球绕流圆球绕流圆柱体绕流圆柱体绕流45PPT课件二维物体绕流阻力系数曲线二维物体绕流阻力系数曲线46PPT课件三维物体绕流阻力系数曲线三维物体绕流阻力系数曲线47PPT课件三、绕流升力三、绕流升力绕流升力主要由压应力组成。绕流升力主要由压应力组成。绕流升力公式绕流升力公式绕流升力系数绕流升力系数48PPT课件