流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,可编辑,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,可编辑,*,第四章,流动形态及其水头损失,第四章流动形态及其水头损失,4.1,流动阻力和水头损失的分类,流动阻力,摩擦阻力：,流体有粘滞性和横向流速梯度，产生摩擦阻力。,压差阻力：,局部地区固体边界的形状或大小有急剧改变，或有局部障碍，液流内部结构产生离解和漩涡，流线弯曲，流速分布改变，增加了液流的相对运动，产生压差阻力。,4.1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力摩擦阻力：压差阻,水头损失,沿程水头损失,h,f,：,均匀流中，水流产生的阻力为摩擦阻力，能量损失为,沿程水头损失,h,f,。,局部水头损失,h,j,：,非均匀流中，水流产生的阻力为摩擦阻力和压差阻力，其产生的能量损失为,局部水头损失,h,j,。,总水头损失：,h,w,=h,f,+ h,j,水头损失沿程水头损失hf ：局部水头损失hj ：总水头损失,摩擦阻力,摩擦阻力,滞止离解,压差阻力,滞止离解,惯性离解,压差阻力,惯性离解,惯性离解,压差阻力,惯性离解,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,4.2,实际液体流动的两种形态,4.2.1,雷诺试验,4.2 实际液体流动的两种形态,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,4.2.2,流态的判别,-,雷诺数,雷诺数：,非圆形过水断面下临界雷诺数：,管流上临界雷诺数：,管流下临界雷诺数：,R,ec,=2000,非圆形过水断面雷诺数：,b,h,4.2.2 流态的判别-雷诺数雷诺数：非圆形过水断面下临,例,41,有一圆形输水管，直径,d,为,2.0cm,，管中,水流的断面平均流速为,1m/s,，水温,t=,15,，试判别管中水流的型态。当通过石油,时，若其他条件相同，问流态是层流还是紊流？,（,t= 15,时，,石油,=0.6cm,2,/s,水,=0.0114cm,2,/s,）,解：,例41 有一圆形,4.3,均匀流沿程水头损失与切应力的关系,4.3.1,沿程水头损失与切应力的关系,在管道恒定均匀流中，取总流流段,1-1,到,2-2,，,各作用力处于平衡状态：,F=0,。,O,O,z,2,z,1,1,1,2,2,P,1,P,2,0,0,G,4.3 均匀流沿程水头损失与切应力的关系OOz2z1112,作用于该总流流段上的外力有：,动水压力,：,P,1,=p,1,A,P,2,=p,2,A,重力：,G=,V= AL,，在流动方向上的投影,G,x,=,ALsin,摩擦阻力：,T=,0,A= ,0,L,O,O,z,2,z,1,1,1,2,2,P,1,P,2,0,0,G,x,作用于该总流流段上的外力有：OOz2z11122P1P2,写出管轴方向的平衡方程：,O,O,z,2,z,1,1,1,2,2,P,1,P,2,0,0,G,x,写出管轴方向的平衡方程：OOz2z11122P1P20,4.3.2,均匀流过水断面上切应力的分布,0,0,r,0,r,4.3.2 均匀流过水断面上切应力的分布00r0r,0,0,r,0,r,y,u,4.4,圆管中的层流运动,4.4.1,圆管均匀层流的断面流速分布,00r0ryu4.4 圆管中的层流运动,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,4.4.2,圆管均匀层流的沿程水头损失,达西公式,通用公式,-,层流紊流均适用,4.4.2 圆管均匀层流的沿程水头损失达西公式通用公式-,利用管径,d=75mm,的管道输送重油，如图所示，已 知重油的重度,油,=8.83KN/m,3,，运动粘性系数,油,=0.9cm,2,/s,，管轴上装有毕托管，水银面高差,h,p,=20mm,，求重油每小时流量及每米长的沿程水头损失。,解：,1,、求流量：,例,4-2,假设重油的流动为层流：,利用管径d=75mm的,2,、求沿程水头损失, 2300,层流,2、求沿程水头损失 2300 层流,4.5,液体的紊流运动,4.5.1,紊流的形成条件,涡体的形成；,形成后的涡体，脱离原来的流层或流束，掺入邻近的流层或流束。,层流与紊流的根本区别在于：,层流中,各流层的流体质点，互不掺混，有比较规则的“瞬时流线”存在；,紊流中,有大小不等的涡体震荡于各流层之间，互相掺混。,4.5 液体的紊流运动涡体的形成；,4.5.2,紊流脉动现象与时均化概念,运动要素的,脉动现象：,紊流中存在大量涡体，涡体沿各方向进行混掺、碰撞，使紊流中任何一个空间点上的,运动要素（流速、压强等）随时间不断在变化,-,紊流运动要素脉动。,4.5.2 紊流脉动现象与时均化概念,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,运动要素的时均化处理：,运动要素的时均化处理：,脉动值说明：,脉动值不能当作微量处理，有时可达到时均值的三分之一。,脉动总是三维的，虽然主流是一维或二维的，但均产生三个方向的脉动速度。,脉动是涡体互相掺混、交换的结果，不是流体分子的运动。,脉动值说明：,注意：,紊流恒定流,-,指时间平均的运动要素不随时间而变化的流动。,紊流非恒定流,-,指时间平均的运动要素随时间而变化的流动。,恒定流、非恒定流、流线、流束、总流等,-,对紊流运动要素时均值而言。,注意：,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,4.5.3,紊流中摩擦切应力计算,紊流中切应力,=,内摩擦切应力,+,附加切应力,内摩擦切应力,-,相邻两层时均速度相对运动所产生的粘滞切应力。,附加切应力,-,脉动所产生。,紊流附加切应力：,（普朗特动量传递理论）,紊流各流层间存在相对运动，当流层间发生质点混和时，因流速的不同（动量不同），导致质点横向运动到新流层时，因动量的改变产生对新流层的附加切应力,-,紊流附加摩擦切应力,（雷诺应力）。,4.5.3 紊流中摩擦切应力计算,31,可编辑,31可编辑,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,4.5.4,紊流中的层流底层与紊流核心,4.5.4.1,层流底层（粘性底层）：,紧靠固体边界的地方，由于管壁及流体粘性的影响，流体质点流速小，流态属于层流的流体层。,层流底层厚度,-,一般只有十分之几毫米，最大只有几毫米。,紊流核心：,粘性底层以外为紊流区，包括紊动充分发展的紊流流核区和紊流处于发展状态的过渡层（厚度仅百分之几厘米）。,4.5.4紊流中的层流底层与紊流核心,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,4.5.4.2,流道壁面的类型,绝对粗糙度,k,s,（,）：,将固体壁面上，粗糙体突出壁面的高度的平均值 。,水力光滑管：,当层流底层的厚度,0,大于,绝对粗糙度,k,s,，流体在平直的层流底层的外缘上滑动，象在光滑壁面上流动一向，边壁对水流的阻力，主要是层流底层的粘滞力，这种管道称为,水力光滑管。,4.5.4.2 流道壁面的类型,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,水力粗糙管：,当层流底层的厚度,0,小于,绝对粗糙度,k,s,时，紊流流核绕过突出高度时，将形成小漩涡，边壁对水流的阻力主要是由这些小漩涡造成的，,边壁粗糙度起主要的作用，,这种粗糙壁面的管道，称为,水力粗糙管,。,过渡粗糙管：,介于以上两者之间的情况，层流底层的厚度不足以完全掩盖住边壁粗糙度的影响，但绝对粗糙度还没有起决定性的作用，这种粗糙壁面的管道称为,过渡粗糙管,。,水力粗糙管：过渡粗糙管：,4.5.5,紊流的流速分布,普朗特,-,卡门对数流速分布公式：,水力光滑管区：,水力粗糙管区：,4.5.5 紊流的流速分布水力光滑管区：水力粗糙管区：,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,4.6,圆管中沿程阻力系数的变化规律,尼古拉兹实验（实验图）,-,人工粗糙,层流区：,R,e,2300,，,=f(,R,e,),，,=64/,R,e,，,h,f,1.0,流态过渡区：,2300,R,e,4000,紊流光滑区：,=f(,R,e,),，,h,f,1.75,紊流过渡区：,=f(,R,e,，,k,s,/d,),，,h,f,1.752.0,紊流粗糙区：,=f(,k,s,/d,),，,h,f,2.0,4.6 圆管中沿程阻力系数的变化规律,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,舍维列夫公式（旧钢管和铸铁管）：,舍维列夫公式（旧钢管和铸铁管）：,谢才公式（明渠）：,谢才系数,谢才公式（明渠）：谢才系数,例,4,3,解：,例43解：,例,4,4,解：,例44解：,4.7,流动的局部水头损失,局部水头损失,-,发生在固体边界的形状或大小急剧改变的前后局部范围内,（非均匀流）。,局部损失主要用于维持漩涡运动，与边界形状有密切关系。,4.7 流动的局部水头损失,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,对,1-1,、,2-2,断面列伯努力方程：,对1-1、2-2断面列伯努力方程：,例,4,8,例48,解：,解：,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,(3),1,1,2,2,(3)1122,有一段直径,d=100mm,的管路，长,10m,，其中有两个,90,的弯管（,d/,=1.0,）。管段的沿程阻力系数,=0.037,。如拆除这两个弯管而管段长度不变，问管段中的流量能增加百分之几？,例,4,9,解：查表得弯管的局部水头损失系数计算式为：,有一段直径d=100mm的管路，长10m，其,流体力学-水力学-流动阻力和水头损失课件,62,可编辑,62可编辑,