第4章水流阻力和水头损失

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,*,水力学,第3章 水流阻力和水头损失,主讲：马金花,主要内容：,水头损失的物理概念及其分类,沿程,水头损失与切应力的关系,液体运动的两种流态,圆管,中的层流运动及其沿程水头损失的计算,紊流,特征,沿程,阻力系数的变化规律,计算沿程水头损失的经验公式,谢才公式,局部水头损失,边界层的概念,粘滞,性和惯性,物理性质,固体边界,固壁对流动的,阻滞,和,扰动,产生水流阻力,损耗机械能,h,w,水头损失的物理概念及其分类,产生损失的内因,产生损失的外因,4.1,沿程水头损失和局部水头损失,实际流体在管内流动时，由于粘性的存在，总要产生能量损失。产生能量损失的原因和影响因素很复杂，通常可包括粘性阻力造成的粘性损失,一、沿程阻力与沿程损失,粘性流体在管道中流动时，流体与管壁面以及流体之间存在摩擦力，所以沿着流动路程，流体流动时总是受到摩擦力的阻滞，这种沿流程的摩擦阻力，称为沿程阻力。流体流动克服沿程阻力而损失的能量，就称为沿程损失。沿程损失是发生在缓变流整个流程中的能量损失，它的大小与流过的管道长度成正比。造成沿程损失的原因是流体的粘性，因而这种损失的大小与流体的流动状态（层流或紊流）有密切关系。,两部分。,和局部阻力造成的局部损失,单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失，以 表示，单位体积流体的沿程损失，又称为沿程压强损失，以 表示 。,在管道流动中的沿程损失可用下式求得,(4-1),达西公式,(4-1a),式中,沿程阻力系数，它与雷诺数和管壁粗糙度有关，是一,个无量纲的系数，将在本章后面进行讨论；,管道长度，,m,；,管道内径，,m,；,管道中有效截面上的平均流速，,m/s,。,二、局部阻力与局部损失,在管道系统中通常装有阀门、弯管、变截面管等局部装置。流体流经这些局部装置时流速将重新分布，流体质点与质点及与局部装置之间发生碰撞、产生漩涡，使流体的流动受到阻碍，由于这种阻碍是发生在局部的急变流动区段，所以称为局部阻力。流体为克服局部阻力所损失的能量，称为局部损失。,单位重量流体的局部损失称为局部水头损失，以 表示，单位体积流体的局部损失，又称为局部压强损失，以 表示 。,在管道流动中局部损失可用下式求得,(4-2),(4-2a),式中,局部阻力系数。,局部阻力系数 是一个无量纲的系数，根据不同的局部装置由实验确定。在本章后面进行讨论。,三、总阻力与总能量损失,在工程实际中，绝大多数管道系统是由许多等直管段和一些管道附件连接在一起所组成的，所以在一个管道系统中，既有沿程损失又有局部损失。我们把沿程阻力和局部阻力二者之和称为总阻力，沿程损失和局部损失二者之和称为总能量损失。总能量损失应等于各段沿程损失和局部损失的总和，即,(4-3),(4-3a),上述公式称为能量损失的叠加原理。,沿程水头损失与切应力的关系,1,1,2,2,L,O,O,Z,1,Z,2,列流动方向的平衡方程式：,F,P1,=Ap,1,0,0,G=,gAL,F,P2,=Ap,2,湿周,整理得：,改写为：,水力半径,过水断面面积与湿周之比，即,A,/,量纲分析,圆管中,沿程,阻力系数,4.1,实际液体运动的两种形态,如图所示的,实验装置，主要由恒水位水箱,A,和玻璃管,B,等组成。玻璃管入口部分用光滑喇叭口连接，管中的流量用阀门,C,调节。,(,a,),(,b,),(,c,),雷 诺 实 验 装 置图,一、沿程水头损失和平均流速的关系,在所实验的管段上，因为水平直管路中流体作稳定流时，根据能量方程可以写出其沿程水头损失就等于两断面间的压力水头差，即,改变流量，将 与 对应关系绘于双对数坐标纸上，得到,结果表明：,式中,直线的截距；,直线的斜率，且,(,为直线与水平线,的交角）。,大量实验证明：,沿程水头损失与平均流速成正比。,紊流时：,沿程水头损失与平均流速的,1.752,次方成正比。,无论是层流状态还是紊流状态，实验点都分别集中在不同斜率的直线上，方程式为,层流时：,二、两种流态,雷诺试验,揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。,当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。,当流速较大，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。,层流与紊流的判别,（下）临界雷诺数,雷诺数,或,若,Re,Re,k,，,水流为紊流，,雷诺实验演示,雷诺数可理解为水流惯性力和粘滞力量级之比,惯性力,ma,粘滞力,量纲为,量纲为,粘滞力,湿周,水力半径,对于圆管,水力半径,【,例题,】,管道直径,100mm,，输送水的流量,m3/s,，水的运动粘度,m2/s,，求水在管中的流动状态？若输送,m2/s,的石油，保持前一种情况下的流速不变，流动又是什么状态？,【,解,】,（,1,）雷诺数,（,m/s,）,故水在管道中是紊流状态。,（,2,）,故油在管中是层流状态。,紊流,形成过程的分析,选定流层,流速分布曲线,干扰,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,升力,涡 体,紊流,形成条件,涡体的,产生,雷诺数,达到一定的数值,层流底层和紊流核心,4.3,均匀流基本方程,沿程损失与切应力的关系,作用于流束的外力,（,1,）两端断面上的动水,压力为,p,1,A,和,p,2,A,（,2,）,侧面上的动水压力，,垂直于流速,（,3,）侧面上的切力,（,4,）重力,流束的受力平衡方程,同理,由,能量方程,切应力的分布,建立 和 之间的关系，可得：,阻力速度,4.3,圆管层流的沿程阻力系数,质点运动特征,（,图示,）,：,液体质点是分层有条不紊、互不混杂地运动着,切,应力：,流速分布,（,推演,）,：,断面平均流速：,沿程,水头损失：,沿程,阻力系数：,【,例题,】,圆管直径,mm,，,管长,m,，,输送运动粘度,cm,2,/s,的石油，流量,m,3,/h,，,求沿程损失。,【,解,】,判别流动状态,为层流,式中,（,m/s,）,（,m,油柱）,【,例题,】,输送润滑油的管子直径,8mm,，,管长,15m,，,如图,6-12,所示。油的运动粘度,m,2,/s,，,流量,12cm,3,/s,，,求油箱的水头 （不计局部损失）。,图示 润滑油管路,（,m/s,）,雷诺数,为层流列截面,1-1,和,2-2,的伯努利方程,认为油箱面积足够大，取,(,m,),，则,紊流特征,运动要素的脉动现象,瞬时运动要素（如流速、压强等）随时间发生波动的现象,图示,紊,流产生附加切应力,由,相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生的粘滞切应力,纯粹由脉动流速所产生的附加切应力,紊流,粘性底层,在紊流中紧靠固体边界附近，有一极薄的层流层，其中粘滞切应力起主导作用，而由脉动引起的附加切应力很小，该层流叫做粘性底层。,图示,粘性底层虽然很薄，但对紊流的流动有很大的影响。所以，粘性底层对紊流沿程阻力规律的研究有重大意义。,质点运动特征,：,液体质点互相混掺、碰撞，杂乱无章地运动着,4.5,圆管紊流的沿程阻力系数,紊动使,流速分布均匀化,紊,流中,由于液体质点相互混掺，互相碰撞，因而产生了液体内部各质点间的动量传递，动量大的质点将动量传给动量小的质点，动量小的质点影响动量大的质点，结果造成断面流速分布的均匀化。,流速分布的指数公式：,当,Re10,5,时，,流速分布的对数公式：,摩阻,流速，,层流流速分布,紊流,流速分布,沿程阻力系数的变化规律,尼古拉兹,实验,或,Lg,（,100,）,lgRe,层流时,水力光滑壁面,称为紊流光滑区,水力粗糙壁面,称为紊流粗糙区又称为阻力平方区,过渡粗糙壁面,称为紊流过渡粗糙区,紊流结构图示,莫迪图,尼古拉兹的实验曲线是用各种不同的人工均匀砂粒粗糙度的圆管进行实验得到的，这 与工业管道内壁的自然不均匀粗糙度有很大差别。因此在进行工业管道的阻力计算时，不 能随便套用上图去查取 值。莫迪,（,F.Moody,）,根据光滑管、粗糙管过渡区和粗糙管平方阻力区中计算 的公式绘制了莫迪实用曲线，如,图,所示。该图按对数坐标绘制，表示 与 、 之间的函数关系。整个图线分为五个区域，即层流区、临界区（相当于尼古拉兹曲线的过渡区）、光滑管区、过渡区（相当于尼古拉兹曲线的紊流水力粗糙管过渡区）、完全紊流粗糙管区（相当于尼古拉兹曲线的平方阻力区）。利用莫迪曲线图确定沿程阻力系数 值是非常方便的。在实际计算时根据 和 ，从图中查得 值，即能确定流动是在哪一区域内。,莫迪图,计算沿程水头损失的经验公式,阿里特苏里公式,布拉休斯公式,舍维列夫公式,计算沿程水头损失的经验公式,谢才公式,断面平均流速,谢才系数,水力半径,水力坡度,1.,谢才系数有量纲，量纲为,L,1/2,T,-1,，,单位为,m,1/2,/s,。,2.,谢才公式可适用于不同流态和流区，既可适用于明渠水流也可应用于管流。,3.,常用计算谢才系数的经验公式：,曼宁,公式,巴甫洛夫斯基公式,这两个,公式均依据阻力平方区紊流的实测资料求得，故只能,适用于阻力平方区的紊流,。,或,n,为粗糙系数，简称糙率。水力半径单位均采用米。,例题,d,1,d,2,V,1,V,2,2,2,1,1,3,3,L,4.6,局部水头损失,Z,1,Z,2,O,O,G,x,对,1-1,、,2-2,断面列能量方程式,列,X,方向的动量方程式,化简,整理得：,所以有,返回,局部水头损失的通用计算公式：,局部阻力系数,应用举例,理想液体,流线,实际液体,流线,流速分布,流速分布,返回,返回,h,f,雷诺试验,lgV,lgh,f,O,流速由小至大,流速由大至小,1,2,颜色水,颜色水,颜色水,颜色水,返回,雷诺实验的动态演示,r,u,r,0,每一,圆筒层表面的切应力：,另依,均匀流沿程水头损失与切应的关系式有：,所以有,积分整理得,当,r=r,0,时，,u,x,=0,，,代入上式得,层流流速分布为,抛物型流速分布,返回,中心线的最大流速,A,紊流,紊流的脉动现象,t,u,x,O,t,u,x,O,或,（时均）恒定流,（时,均）非恒定流,返回,紊流的,粘性底层,层流底层,0,紊流,层流底层厚度,可见，,0,随雷诺数的增加而减小。,当,Re,较小时，,水力光滑壁面,当,Re,较大时，,0,0,水力粗糙壁面,0,过渡粗糙壁面,返回,返回,紊流,形成过程的分析,返回,选定流层,流速分布曲线,干扰,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,升力,涡 体,h,f,尼古拉兹实验,相对粗糙度 或相对光滑度,雷诺数,Re,返回,例题：有一混凝土护面的梯形渠道，底宽,10m,，,水深,3m,，,两岸边坡为,1,：,1,，粗糙系数为,0.017,，流量为,39m,3,/s,，,水流属于阻力平方区的紊流，求每公里渠道上的沿程水头损失。,b,h,1,：,1,1,：,1,解：,B,水面宽,过水,断面面积,湿周,水力半径,谢才系数,沿程,水头损失,断面平均流速,例题：水从水箱流入一管径不同的管道，管道连接情况如图所示，已知：,（以上,值均采用发生局部水头损失后的流速）,当,管道输水流量为,25l/s,时，求所需要的水头,H,。,l,1,l,2,V,0,0,d,2,d,1,H,分析：用能量方程式，三选定，,列,能量方程：,1,1,2,2,0,0,l,1,l,2,V,0,0,d,2,d,1,H,1,1,2,2,0,0,解：,代入,数据，解得：,故所需,水头为,2.011m,。,4.7,边界层的基本概念,一、边界层的概念,对于水和空气等粘度很小的流体，在大雷诺数下绕物体流动时，粘性对流动的影响仅限于紧贴物体壁面的薄层中，而在这一薄层外粘性影响很小，完全可以看作是理想流体的势流，这一薄层称为边界层。,图,所示为大雷诺数下粘性流体绕流翼型的二维流动，根据普朗特边界层理论，把大雷诺数下均匀绕流物体表面的流场划分为三个区域，即边界层、外部势流和尾涡区。,翼型绕流,图,翼型上的边界层,III,外部势流,II,尾部流区域,I,边界层,边界层外边界,边界层外边界,边界层的厚度,一般将壁面流速为零与流速达到来流速度的,99,处之间的距离定义为边界层厚度,。边界层厚度沿着流体流动方向逐渐增厚，这是由于边界层中流体质点受到摩擦阻力的作用，沿着流体流动方向速度逐渐减小，因此，只有离壁面逐渐远些，也就是边界层厚度逐渐大些才能达到来流速度。,边界层的流态：,根据实验结果可知，同管流一样，边界层内也存在着,层流和紊流两种流动状态,，若全部边界层内部都是层流，称为,层流边界层,，若在边界层起始部分内是层流，而在其余部分内是紊流，称为,混合边界层,，如,图,所示，在层流变为紊流之间有一过渡区。,判别边界层的层流和紊流的准则数仍为雷诺数，但雷诺数中的特征尺寸用离前缘点的距离,x,表示之，特征速度取边界层外边界上的速度 ，即临界雷诺数为,图,平板上的混合边界层,层流边界层,过渡区域,紊流边界层,层流底层,二、边界层的基本特征,(1),与物体的特征长度相比，边界层的厚度很小, .,(2),边界层内沿厚度方向，存在很大的速度梯度。,(3),边界层厚度沿流体流动方向是增加的。,(4),由于边界层很薄，可以近似认为边界层中各截面上的 压强等于同一截面上边界层外边界上的压强值。,(5),在边界层内，粘性力与惯性力同一数量级。,(6),边界层内的流态，也有层流和紊流两种流态。,二、曲面边界层分离现象,当不可压缩粘性流体流过平板时，在边界层外边界上沿平板方向的速度是相同的，而且整个流场和边界层内的压强都保持不变。,当粘性流体流经曲面物体时，边界层外边界上沿曲面方向的速度是改变的，所以曲面边界层内的压强也将同样发生变化，对边界层内的流动将产生影响，发生曲面边界层的分离现象。,曲面边界层的分离现象,在实际工程中，物体的边界往往是曲面（流线型或非流线型物体）。当流体绕流非流线型物体时，一般会出现下列现象：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，流体力学中称这种现象为边界层分离现象，如,图,所示。流线型物体在非正常情况下也能发生边界层分离，如图所示。,（,a,）流线形物体；（,b,）非流线形物体,图,曲面边界层分离现象示意图,边界层,外部流动,外部流动,尾迹,外部流动,外部流动,尾迹,边界层,以不可压缩流体绕流圆柱体为例,在圆柱体前驻点,A,处，流速为零，该处尚未形成边界层，即边界层厚度为零。,在,AB,段，流体加速减压，沿流动方向形成顺压梯度,在,B,点流速达到最大，过,B,点后，流体减速增压，沿流动方向形成逆压梯度。,圆柱绕流的边界层,当流体绕过圆柱体最高点,B,流到后半部时，压强增加，速度减小，更促使边界层内流体质点的减速，从而使动能消耗更大。当达到,S,点时，近壁处流体质点的动能已被消耗完尽，流体质点不能再继续向前运动，于是一部分流体质点在,S,点停滞下来，过,S,点以后，压强继续增加，在压强差的作用下，除了壁上的流体质点速度仍等于零外，近壁处的流体质点开始倒退。,接踵而来的流体质点在近壁处都同样被迫停滞和倒退，以致越来越多被阻滞的流体在短时间内在圆柱体表面和主流之间堆积起来，使边界层剧烈增厚，边界层内流体质点的倒流迅速扩展，而边界层外的主流继续向前流动，这样在这个区域内以,ST,线为界，如,图,a,所示，在,ST,线内是倒流，在,ST,线外是向前的主流，两者流动方向相反，从而形成旋涡。,图,a,曲面边界层分离现象,使流体不再贴着圆柱体表面流动，而从表面分,图,a,曲面边界层分离现象离出来，造成边界层分离，,S,点称为分离点。形成的旋涡，不断地被主流带走，在圆柱体后面产生一个尾涡区。尾涡区内的旋涡不断地消耗有用的机械能，使该区中的压强降低，即小于圆柱体前和尾涡区外面的压强，从而在圆柱体前后产生了压强差，形成了压差阻力。压差阻力的大小与物体的形状有很大关系，所以又称为形状阻力。,卡门涡街,当粘性流体绕过圆柱体，发生边界层分离，在圆柱体后面产生一对不稳定的旋转方向相反的对称旋涡，当,Re,超过,40,后，对称旋涡不断增长，最后形成几乎稳定的非对称性的、多少有些规则的、旋转方向相反、上下交替脱落的旋涡，这种旋涡具有一定的脱落频率，称为卡门涡街。,图,卡门涡街形成示意图,卡门涡街,圆柱绕流,1,圆柱绕流,2,4.8,绕流阻力和阻力系数,粘性流体绕物体流动时，物体受到的合力一般可分解为,升力,和,阻力,。,绕流物体的阻力,由两部分组成：,摩擦阻力,和,压差阻力,。对于圆柱体和球体等钝头体，压差阻力比摩擦阻力要大得多；而流体纵向流过平板时一般只有摩擦阻力。,物体绕流阻力的形成过程，从物理观点看完全清楚，但是要从理论上来确定是十分困难的，目前还只能在风洞中用实验方法测得，这种实验称为风洞实验。,实验表明：物体阻力与来流的动压头 和物体在垂直于来流方向的截面积,A,的乘积成正比，即,为了便于比较各种形状物体的阻力，工程上引用无因次阻力系数 来表达物体阻力的大小，其公式为,物体形状对绕流阻力的影响图,物体的,总阻力,D,无量纲的,阻力系数,无限长圆柱体,有限长圆柱体,平板垂直,流动方向,无限长圆柱体,无限长方柱体,椭圆形柱体,流线型柱体,图,c,几种形状物体的阻力系数,由,图,清楚地看出，若把物体制成流线型，可使边界层的分离点后移，甚至不发生分离，阻力系数大大减小。所以将物体制成流线型的外形（如飞机的机翼、汽轮机叶片的剖面等），是减少物体阻力的主要措施之一。,流线体,