第04章 流體在圓管中的流動(dòng)t

1、第第4 4章章 流體在圓管中的流動(dòng)流體在圓管中的流動(dòng)4 4. .1 1 雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)4.2 4.2 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)4.3 4.3 圓管中的湍流圓管中的湍流運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)4.4 4.4 管路流動(dòng)的管路流動(dòng)的沿程沿程阻力阻力4.5 4.5 管路流動(dòng)的局部阻力管路流動(dòng)的局部阻力4.6 4.6 管路計(jì)算管路計(jì)算4.7 4.7 水擊現(xiàn)象水擊現(xiàn)象流體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)：流體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)：層流層流湍流湍流早在早在19世紀(jì)初，就有人注意到由于流體具有世紀(jì)初，就有人注意到由于流體具有黏性黏性，使得流，使得流體在不同流速范圍內(nèi)，過流斷面的流速分布和能量損失規(guī)體在不同流速范圍內(nèi)，過流斷面的流速分布和能

2、量損失規(guī)律都不相同。律都不相同。直到直到1883年，英國科學(xué)家雷諾進(jìn)行了著名的實(shí)驗(yàn)，才使這年，英國科學(xué)家雷諾進(jìn)行了著名的實(shí)驗(yàn)，才使這一問題得到了科學(xué)的說明：一問題得到了科學(xué)的說明：。（1 1）液流型態(tài)實(shí)驗(yàn)）液流型態(tài)實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開閥門實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開閥門C，使管流的速度由小變大。同時(shí)將顏色水注入管流中。，使管流的速度由小變大。同時(shí)將顏色水注入管流中。層流：層流：當(dāng)平均流速當(dāng)平均流速v較小時(shí)，可以觀察到管流中有顏色的流體呈直線狀，較小時(shí)，可以觀察到管流中有顏色的流體呈直線狀， 這說明水流各層之間彼此互不混摻或者說各微小流束上的質(zhì)點(diǎn)之這說明水流各層之間彼此互不混摻或者說各微小流束上的質(zhì)

3、點(diǎn)之 間彼此互不混摻，即各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡互不相交，這種流動(dòng)形間彼此互不混摻，即各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡互不相交，這種流動(dòng)形 態(tài)稱為層流。態(tài)稱為層流。hf臨界速度：臨界速度：逐漸將閥門開大，增加管內(nèi)水流的流速，顏色水仍能保逐漸將閥門開大，增加管內(nèi)水流的流速，顏色水仍能保 持平穩(wěn)的直線，直到閥門開大到一定的程度，即管內(nèi)水持平穩(wěn)的直線，直到閥門開大到一定的程度，即管內(nèi)水 流流速增大到某一極限，顏色直線開始顫動(dòng)，具有波形流流速增大到某一極限，顏色直線開始顫動(dòng)，具有波形 輪廓，此時(shí)的流速稱為輪廓，此時(shí)的流速稱為。 湍流：湍流：隨著管內(nèi)水流流速的繼續(xù)增加，波形著色直線破裂，顏色隨著管內(nèi)水流流速的繼續(xù)增加，波形

4、著色直線破裂，顏色 水?dāng)U散使全部水流著色成云霧狀，水流運(yùn)動(dòng)過程中各層之水?dāng)U散使全部水流著色成云霧狀，水流運(yùn)動(dòng)過程中各層之 間彼此混摻或者說各微小流束上的質(zhì)點(diǎn)形成渦體彼此混摻，間彼此混摻或者說各微小流束上的質(zhì)點(diǎn)形成渦體彼此混摻， 每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的軌跡都是錯(cuò)綜復(fù)雜的，沒有確定的規(guī)律性，這每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的軌跡都是錯(cuò)綜復(fù)雜的，沒有確定的規(guī)律性，這 種流動(dòng)形態(tài)稱為湍流種流動(dòng)形態(tài)稱為湍流。hf若按相反的程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)若按相反的程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 先開大閥門，使管內(nèi)流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，然后再逐漸關(guān)小閥門，先開大閥門，使管內(nèi)流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，然后再逐漸關(guān)小閥門， 使管內(nèi)水流速度逐漸降低，則上述現(xiàn)象以相反的過程重演。即使管內(nèi)水流速度

5、逐漸降低，則上述現(xiàn)象以相反的過程重演。即 當(dāng)管內(nèi)水流速度降到某一數(shù)值時(shí)，流動(dòng)將呈現(xiàn)為層流。所不同當(dāng)管內(nèi)水流速度降到某一數(shù)值時(shí)，流動(dòng)將呈現(xiàn)為層流。所不同 的是由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)管內(nèi)斷面平均流速要比由層流轉(zhuǎn)變?yōu)榈氖怯赏牧鬓D(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)管內(nèi)斷面平均流速要比由層流轉(zhuǎn)變?yōu)?湍流時(shí)斷面平均流速要小。這樣就出現(xiàn)了湍流時(shí)斷面平均流速要小。這樣就出現(xiàn)了，下臨界流速一般是，下臨界流速一般是 固定的，但上臨界流速則不固定，隨水流受外界干擾情況而改變。固定的，但上臨界流速則不固定，隨水流受外界干擾情況而改變。速度由小變大，層流速度由小變大，層流 湍流湍流:上臨界流速上臨界流速速度由大變小，速度由大變小，湍流湍流 層流層

6、流:下臨界流速下臨界流速湍流運(yùn)動(dòng)湍流運(yùn)動(dòng)，主要因素是慣性力，主要因素是慣性力層流運(yùn)動(dòng)層流運(yùn)動(dòng)，主要因素是黏性力，主要因素是黏性力流態(tài)不穩(wěn)流態(tài)不穩(wěn)kv大小vvvkkv小大vvvkkvvkvv pkkvvv（2 2）液流型態(tài)的判別準(zhǔn)則）液流型態(tài)的判別準(zhǔn)則實(shí)驗(yàn)證明：實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)管徑或流體介質(zhì)不同時(shí)，下臨界速度不同，但下臨界雷諾數(shù)當(dāng)管徑或流體介質(zhì)不同時(shí)，下臨界速度不同，但下臨界雷諾數(shù) 確是一個(gè)比較固定的數(shù)，其值約為確是一個(gè)比較固定的數(shù)，其值約為2320 。而上臨界雷諾數(shù)也不穩(wěn)定。所。而上臨界雷諾數(shù)也不穩(wěn)定。所以以下臨界雷諾數(shù)可以用來判別流態(tài)。下臨界雷諾數(shù)可以用來判別流態(tài)。 所以臨界速度不能作為判別流態(tài)

7、的標(biāo)準(zhǔn)！所以臨界速度不能作為判別流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)！稱為雷諾數(shù)稱為雷諾數(shù)通過量綱分析法可知，上面的四個(gè)物理量可以組合成一個(gè)無量綱通過量綱分析法可知，上面的四個(gè)物理量可以組合成一個(gè)無量綱數(shù)，此數(shù)，此無量綱數(shù)無量綱數(shù)可以用來判別流態(tài)。可以用來判別流態(tài)。d 管道直徑管道直徑),(dfvkvddvRe圓管：圓管：圓管：圓管：d 圓管直徑圓管直徑非圓管斷面：非圓管斷面：R 水力半徑水力半徑明渠流：明渠流：R 水力半徑水力半徑水力半徑：水力半徑：2320Redvkk300ReRvkk575ReRvkkAR 過流斷面面積過流斷面面積過流斷面上流體與固體接觸周長(zhǎng)（濕周）過流斷面上流體與固體接觸周長(zhǎng)（濕周）A水力直徑：

8、水力直徑：Rdk4水力直徑越大，說明流體與管壁接觸少，阻力小，過流能力大能量損失按性質(zhì)可分為兩類：能量損失按性質(zhì)可分為兩類：jfwhhh沿程損失：沿程損失：表示流體在表示流體在運(yùn)動(dòng)中克服粘性切應(yīng)力運(yùn)動(dòng)中克服粘性切應(yīng)力而引起的水頭損失而引起的水頭損失, ,是沿是沿程都有并隨沿程長(zhǎng)度增程都有并隨沿程長(zhǎng)度增加。加。fh水頭損失：水頭損失：?jiǎn)挝恢亓康囊后w自一斷面流至另一斷面所損失的機(jī)械單位重量的液體自一斷面流至另一斷面所損失的機(jī)械能。能。內(nèi)因內(nèi)因 流體的粘滯性和慣性流體的粘滯性和慣性外因外因 流體與固體壁面的接觸情況流體與固體壁面的接觸情況 流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)造成能量損失的原因：流動(dòng)阻力造成

9、能量損失的原因：流動(dòng)阻力（3）水頭損失與）水頭損失與速度速度的關(guān)系的關(guān)系局部損失局部損失：表示流體在運(yùn)動(dòng)中遇到因邊界發(fā)生急劇變化的局部：表示流體在運(yùn)動(dòng)中遇到因邊界發(fā)生急劇變化的局部障礙（如閥門，截面積突變等），使流線發(fā)生變形，并出現(xiàn)許障礙（如閥門，截面積突變等），使流線發(fā)生變形，并出現(xiàn)許多旋渦而耗散的機(jī)械能。多旋渦而耗散的機(jī)械能。jhjfwhhh局部水頭損失只要局部地區(qū)邊界的形狀或大小改變，液流內(nèi)部結(jié)構(gòu)就要急劇調(diào)整，流速分只要局部地區(qū)邊界的形狀或大小改變，液流內(nèi)部結(jié)構(gòu)就要急劇調(diào)整，流速分布進(jìn)行改組流線發(fā)生彎曲并產(chǎn)生旋渦，在這些局部地區(qū)就有局部水頭損失。布進(jìn)行改組流線發(fā)生彎曲并產(chǎn)生旋渦，在這些局

10、部地區(qū)就有局部水頭損失。（3）水頭損失與）水頭損失與速度速度的關(guān)系的關(guān)系通過雷諾實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同流態(tài)條件下，其能量損失的規(guī)律是不同的，通過雷諾實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同流態(tài)條件下，其能量損失的規(guī)律是不同的，在玻璃管在玻璃管B段選取兩個(gè)過流斷面段選取兩個(gè)過流斷面1- -1和和2- -2接測(cè)壓管，根據(jù)伯努利方接測(cè)壓管，根據(jù)伯努利方程可知，兩根測(cè)壓管中的液面高差為兩斷面間的沿程水頭損失。程可知，兩根測(cè)壓管中的液面高差為兩斷面間的沿程水頭損失。whgvgpzgvgpz22222221110jjfwhhhhfhgppvvzz2121211- -2斷面之間截面沒有突變斷面之間截面沒有突變121122fpppghpghhhg

11、 fhgpp21hf與流速與流速v的關(guān)系：的關(guān)系：兩根測(cè)壓管中的液面高差就是兩斷面間的沿程水頭損失兩根測(cè)壓管中的液面高差就是兩斷面間的沿程水頭損失層流中的水頭損失與流速的一次方成比例層流中的水頭損失與流速的一次方成比例湍流湍流中的水頭損失與流速的中的水頭損失與流速的 m 次方成比例次方成比例 m = 1.75 2.0vkhf1275. 12vkhf由上述的實(shí)驗(yàn)分析看出，任何實(shí)際流體的流動(dòng)皆具有層流和由上述的實(shí)驗(yàn)分析看出，任何實(shí)際流體的流動(dòng)皆具有層流和湍流湍流兩種流動(dòng)狀態(tài)；流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，其兩種流動(dòng)狀態(tài)；流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，其hf與與v的關(guān)系便不一樣，的關(guān)系便不一樣，因此，因此，在計(jì)算流動(dòng)的水頭

12、損失之前，需要判別流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在計(jì)算流動(dòng)的水頭損失之前，需要判別流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 例題例題: 水和油的運(yùn)動(dòng)粘度分別為水和油的運(yùn)動(dòng)粘度分別為 若它們以平均速度若它們以平均速度 的流速在直徑為的流速在直徑為 的圓管中流動(dòng)。的圓管中流動(dòng)。試求試求: : 確定其流動(dòng)狀態(tài)？確定其流動(dòng)狀態(tài)？,/1030262smsmv/5 . 0mmd100 解：解：水的流動(dòng)雷諾數(shù)水的流動(dòng)雷諾數(shù)1Re279332300vd湍流湍流流態(tài)流態(tài) 油的流動(dòng)雷諾數(shù)油的流動(dòng)雷諾數(shù)2Re16672300vd層流流態(tài)層流流態(tài)；sm /1079. 126134226426426432216432,321288)(42222220max

13、22v440v220?vdlRghpgvdlRgvdlvdvgdlhvdlghrlghuvgdlhdlghAQvdlghrlghQrrlghuefeffffffff已知：已知：在長(zhǎng)度在長(zhǎng)度l = =10000m，直徑，直徑d=300mm的管路中輸送的管路中輸送 =9.31kN/m3的重油，其重量流量的重油，其重量流量G=2371.6kN/h， 求：求：油溫分別為油溫分別為100C( (=25cm2/s) )和和400C( (=1.5cm2/s) )時(shí)的水頭損失。時(shí)的水頭損失。 解：解：體積流量體積流量:smGQ/0708. 06031. 96 .237132 平均速度平均速度:Re120230

14、0vd 1）100C時(shí)的雷諾數(shù)時(shí)的雷諾數(shù)smdQAQv/142油柱mgvdlhf03.9072Re642Re2300vd 2）400C時(shí)的雷諾數(shù)時(shí)的雷諾數(shù)油柱mgvdlhf42.542Re642層流層流層流層流 實(shí)際流體流動(dòng)中，絕大多數(shù)是湍流，因此研究實(shí)際流體流動(dòng)中，絕大多數(shù)是湍流，因此研究湍流湍流流動(dòng)比研究層流流動(dòng)比研究層流流動(dòng)更具有實(shí)用意義和物理意義。流動(dòng)更具有實(shí)用意義和物理意義。層流運(yùn)動(dòng)：層流運(yùn)動(dòng)：流體質(zhì)點(diǎn)層次分明地向前運(yùn)動(dòng)，其軌跡是平滑的、變化很流體質(zhì)點(diǎn)層次分明地向前運(yùn)動(dòng)，其軌跡是平滑的、變化很慢的曲線，互不混摻的有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。這樣的流體運(yùn)動(dòng)，適用于牛頓內(nèi)慢的曲線，互不混摻的有規(guī)則的運(yùn)

15、動(dòng)。這樣的流體運(yùn)動(dòng)，適用于牛頓內(nèi)摩擦定律。摩擦定律。湍流湍流運(yùn)動(dòng)：運(yùn)動(dòng)：流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡雜亂無章流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡雜亂無章流體質(zhì)點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn)作彼此混摻、互相碰撞作彼此混摻、互相碰撞和穿插的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并有渦體產(chǎn)生。因此，流體質(zhì)點(diǎn)在經(jīng)過流場(chǎng)中的和穿插的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并有渦體產(chǎn)生。因此，流體質(zhì)點(diǎn)在經(jīng)過流場(chǎng)中的某一位置時(shí)其運(yùn)動(dòng)要素都是隨時(shí)間變化的，并且毫無規(guī)律，這樣的流體某一位置時(shí)其運(yùn)動(dòng)要素都是隨時(shí)間變化的，并且毫無規(guī)律，這樣的流體運(yùn)動(dòng)，牛頓內(nèi)摩擦定律不能適用。由于湍流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，要找出它的運(yùn)動(dòng)，牛頓內(nèi)摩擦定律不能適用。由于湍流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，要找出它的規(guī)律還很難。目前所用的都是一些經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)的公式。規(guī)律還

16、很難。目前所用的都是一些經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)的公式。1 1、湍流湍流的特征的特征（1 1）不規(guī)則性：）不規(guī)則性： 湍流湍流是由大小不等的渦體所組成的不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，它是由大小不等的渦體所組成的不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，它 的速度場(chǎng)和壓強(qiáng)場(chǎng)都是隨機(jī)的，由于湍流運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則的速度場(chǎng)和壓強(qiáng)場(chǎng)都是隨機(jī)的，由于湍流運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則 性，使得不可能將運(yùn)動(dòng)作為時(shí)間和空間坐標(biāo)的函數(shù)進(jìn)行描性，使得不可能將運(yùn)動(dòng)作為時(shí)間和空間坐標(biāo)的函數(shù)進(jìn)行描 述，但可用統(tǒng)計(jì)的方法得出各種物理量的平均值。述，但可用統(tǒng)計(jì)的方法得出各種物理量的平均值。（2 2）湍流擴(kuò)散性：）湍流擴(kuò)散性： 湍流湍流運(yùn)動(dòng)中，由于流體渦團(tuán)相互混摻，互相碰撞，因而產(chǎn)運(yùn)動(dòng)中，由于

17、流體渦團(tuán)相互混摻，互相碰撞，因而產(chǎn) 生了流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量傳遞；動(dòng)量大的流體質(zhì)點(diǎn)將生了流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量傳遞；動(dòng)量大的流體質(zhì)點(diǎn)將 動(dòng)量傳遞給動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)，動(dòng)量小的流體質(zhì)點(diǎn)牽制動(dòng)量大動(dòng)量傳遞給動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)，動(dòng)量小的流體質(zhì)點(diǎn)牽制動(dòng)量大 的質(zhì)點(diǎn)。的質(zhì)點(diǎn)。混摻擴(kuò)散增加了動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞量，其混摻擴(kuò)散增加了動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞量，其 結(jié)果造成湍流結(jié)果造成湍流過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植急葘恿鞯牧魉俜植歼^水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植急葘恿鞯牧魉俜植?要均勻的多要均勻的多過流過流斷面流速分布的均勻化。斷面流速分布的均勻化。（3 3）能量耗損：）能量耗損： 湍流運(yùn)動(dòng)中，小渦體通過粘性作用耗損了大量的能量。湍流運(yùn)

18、動(dòng)中，小渦體通過粘性作用耗損了大量的能量。 實(shí)驗(yàn)表明：湍流中的能量損失比同條件下的層流要大的多。實(shí)驗(yàn)表明：湍流中的能量損失比同條件下的層流要大的多。（4 4）雷諾數(shù)：）雷諾數(shù)： 因?yàn)橄屡R界雷諾數(shù)因?yàn)橄屡R界雷諾數(shù) Rec 就是流體兩種流態(tài)的判別準(zhǔn)則，雷諾數(shù)就是流體兩種流態(tài)的判別準(zhǔn)則，雷諾數(shù) 實(shí)際上反映了慣性力與粘性力之比，雷諾數(shù)越大，表明慣性力實(shí)際上反映了慣性力與粘性力之比，雷諾數(shù)越大，表明慣性力 越大，而粘性的限制作用就越小，所以湍流的紊動(dòng)特征就越明越大，而粘性的限制作用就越小，所以湍流的紊動(dòng)特征就越明 顯，也就是說紊動(dòng)強(qiáng)度與雷諾數(shù)有關(guān)。顯，也就是說紊動(dòng)強(qiáng)度與雷諾數(shù)有關(guān)。max84. 0uv

19、湍流中的速度分布湍流中的速度分布的均勻化的均勻化2 2、運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)、運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)（1 1）脈動(dòng)：）脈動(dòng)：湍流中，流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過空間某一固定點(diǎn)時(shí)，速度、湍流中，流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過空間某一固定點(diǎn)時(shí)，速度、 壓強(qiáng)等總是隨時(shí)間變化的，而且毫無規(guī)律，這種壓強(qiáng)等總是隨時(shí)間變化的，而且毫無規(guī)律，這種 現(xiàn)象稱為脈動(dòng)現(xiàn)象?，F(xiàn)象稱為脈動(dòng)現(xiàn)象。（2 2）時(shí)均化：）時(shí)均化：對(duì)某點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)，盡管每一時(shí)刻速度、對(duì)某點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)，盡管每一時(shí)刻速度、壓壓 強(qiáng)強(qiáng)等參數(shù)的大小和方向都在變化，但它都是圍繞某等參數(shù)的大小和方向都在變化，但它都是圍繞某 一個(gè)平均值上下波動(dòng)。于是流體質(zhì)點(diǎn)瞬時(shí)值就可以一個(gè)平均值上下波動(dòng)。于是流

20、體質(zhì)點(diǎn)瞬時(shí)值就可以 看成是這個(gè)平均值與脈動(dòng)值之和?？闯墒沁@個(gè)平均值與脈動(dòng)值之和。實(shí)驗(yàn)研究表明：實(shí)驗(yàn)研究表明：雖然瞬時(shí)流速具有隨機(jī)性，顯示一個(gè)隨機(jī)過程，雖然瞬時(shí)流速具有隨機(jī)性，顯示一個(gè)隨機(jī)過程， 從表面上看沒有確定的規(guī)律性，但是當(dāng)時(shí)間過從表面上看沒有確定的規(guī)律性，但是當(dāng)時(shí)間過 程程 T 足夠長(zhǎng)時(shí)，速度的時(shí)間平均值是一個(gè)常數(shù)。足夠長(zhǎng)時(shí)，速度的時(shí)間平均值是一個(gè)常數(shù)。 時(shí)均速度：時(shí)均速度：瞬時(shí)速度在時(shí)間周期瞬時(shí)速度在時(shí)間周期 T 內(nèi)的平均值。內(nèi)的平均值。uuuTudtTu01uu 脈動(dòng)速度：脈動(dòng)速度：脈動(dòng)速度在時(shí)間周期脈動(dòng)速度在時(shí)間周期 T 內(nèi)的平均值等于零。內(nèi)的平均值等于零。010TdtuTuu瞬時(shí)

21、速度瞬時(shí)速度瞬時(shí)值瞬時(shí)值 = = 時(shí)均量時(shí)均量 + + 脈動(dòng)量脈動(dòng)量 xxxyyyzzzuuuuuuuuuppp盡管在湍流流場(chǎng)中任一點(diǎn)的瞬時(shí)流速和瞬時(shí)壓強(qiáng)是隨機(jī)變化的，然而在時(shí)盡管在湍流流場(chǎng)中任一點(diǎn)的瞬時(shí)流速和瞬時(shí)壓強(qiáng)是隨機(jī)變化的，然而在時(shí)間平均的情況下仍然具有規(guī)律性。間平均的情況下仍然具有規(guī)律性。對(duì)于恒定湍流，空間任一定點(diǎn)的時(shí)均流速和時(shí)均壓強(qiáng)仍然是常數(shù)。對(duì)于恒定湍流，空間任一定點(diǎn)的時(shí)均流速和時(shí)均壓強(qiáng)仍然是常數(shù)。時(shí)均概念的建立，為湍流的研究帶來了很大的方便，時(shí)均概念的建立，為湍流的研究帶來了很大的方便，研究湍流的方法：將湍流運(yùn)動(dòng)分為時(shí)均流動(dòng)和脈動(dòng)流動(dòng)。研究湍流的方法：將湍流運(yùn)動(dòng)分為時(shí)均流動(dòng)和脈

22、動(dòng)流動(dòng)。非恒定湍流非恒定湍流22221()3xyzuuuuNuu湍流度：湍流度：3 3、湍流的剪應(yīng)力、湍流的剪應(yīng)力（1 1）紊動(dòng)切應(yīng)力）紊動(dòng)切應(yīng)力層流運(yùn)動(dòng)：層流運(yùn)動(dòng)：由于流層間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的由于流層間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的粘性切應(yīng)力粘性切應(yīng)力，可，可 由牛頓內(nèi)摩擦定理計(jì)算。由牛頓內(nèi)摩擦定理計(jì)算。湍流運(yùn)動(dòng)：湍流運(yùn)動(dòng)：除了流層間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)外，還有豎向和橫向的質(zhì)除了流層間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)外，還有豎向和橫向的質(zhì) 點(diǎn)混摻，因此應(yīng)用時(shí)均概念計(jì)算湍流切應(yīng)力時(shí)，點(diǎn)混摻，因此應(yīng)用時(shí)均概念計(jì)算湍流切應(yīng)力時(shí)， 應(yīng)將湍流的時(shí)均切應(yīng)力看成是由兩部分組成。應(yīng)將湍流的時(shí)均切應(yīng)力看成是由兩部分組成。時(shí)均切應(yīng)力：時(shí)均切應(yīng)力：21第一

23、部分：由相鄰兩流層間時(shí)間平均流速第一部分：由相鄰兩流層間時(shí)間平均流速 相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的粘性切應(yīng)力粘性切應(yīng)力。dyudx1 流體質(zhì)點(diǎn)沿流向的時(shí)均速度流體質(zhì)點(diǎn)沿流向的時(shí)均速度xu第二部分：由脈動(dòng)流速所引起的第二部分：由脈動(dòng)流速所引起的時(shí)均附加時(shí)均附加 切應(yīng)力切應(yīng)力，又稱為，又稱為紊動(dòng)切應(yīng)力紊動(dòng)切應(yīng)力。yxuu22只與流體的密度和脈動(dòng)流速有關(guān)，而與流體粘只與流體的密度和脈動(dòng)流速有關(guān)，而與流體粘 性無關(guān)，所以又性無關(guān)，所以又稱為稱為雷諾雷諾切切應(yīng)力或慣性應(yīng)力或慣性切切應(yīng)力應(yīng)力。 雷諾切應(yīng)力反映了流層之間的動(dòng)量交換效應(yīng)。雷諾切應(yīng)力反映了流層之間的動(dòng)量交換效應(yīng)。紊動(dòng)剪應(yīng)力：紊動(dòng)剪應(yīng)力：12

24、xyduu udy l 混合長(zhǎng)度混合長(zhǎng)度222)(dyudluuxyx（2 2）混合長(zhǎng)度理論）混合長(zhǎng)度理論湍流的混合長(zhǎng)度理論湍流的混合長(zhǎng)度理論動(dòng)量傳遞理論或摻長(zhǎng)假設(shè)動(dòng)量傳遞理論或摻長(zhǎng)假設(shè)普朗特普朗特1925年提出的，這是一種年提出的，這是一種半經(jīng)驗(yàn)理論半經(jīng)驗(yàn)理論，它建立了紊，它建立了紊流運(yùn)動(dòng)中流運(yùn)動(dòng)中附加切應(yīng)力與時(shí)均流速附加切應(yīng)力與時(shí)均流速之間的關(guān)系，所得的流速之間的關(guān)系，所得的流速分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，是工程中應(yīng)用最廣的經(jīng)驗(yàn)公式。分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，是工程中應(yīng)用最廣的經(jīng)驗(yàn)公式。dyudx1牛頓內(nèi)摩擦定理牛頓內(nèi)摩擦定理21粘性切應(yīng)力粘性切應(yīng)力紊動(dòng)切應(yīng)力紊動(dòng)切應(yīng)力時(shí)均切應(yīng)力：時(shí)均切應(yīng)力：

25、公式的推導(dǎo)公式的推導(dǎo)2普朗特假設(shè)：普朗特假設(shè)： 假設(shè)流體質(zhì)點(diǎn)因橫向脈動(dòng)流速的作用下，橫向運(yùn)動(dòng)假設(shè)流體質(zhì)點(diǎn)因橫向脈動(dòng)流速的作用下，橫向運(yùn)動(dòng) 在在l 距離之內(nèi)，流體質(zhì)點(diǎn)不與其它質(zhì)點(diǎn)相互碰撞，因距離之內(nèi)，流體質(zhì)點(diǎn)不與其它質(zhì)點(diǎn)相互碰撞，因 而保持自己的動(dòng)量不變，在運(yùn)動(dòng)到而保持自己的動(dòng)量不變，在運(yùn)動(dòng)到l 距離時(shí)才和新位距離時(shí)才和新位 置的流體質(zhì)點(diǎn)混摻，完成動(dòng)量交換。置的流體質(zhì)點(diǎn)混摻，完成動(dòng)量交換。C層的流體質(zhì)點(diǎn)向上移動(dòng)層的流體質(zhì)點(diǎn)向上移動(dòng)l 距離，當(dāng)它到達(dá)距離，當(dāng)它到達(dá)a層時(shí)，層時(shí)，此質(zhì)點(diǎn)的速度較周圍流體的速度小，其速度差為：此質(zhì)點(diǎn)的速度較周圍流體的速度小，其速度差為：dyudldyudluuuxxxx

26、x1222)(dyudluuxyxb層的流體質(zhì)點(diǎn)向下移動(dòng)層的流體質(zhì)點(diǎn)向下移動(dòng)l 距離，當(dāng)它到達(dá)距離，當(dāng)它到達(dá)a層時(shí)，層時(shí)，此質(zhì)點(diǎn)的速度較周圍流體的速度大，其速度差為：此質(zhì)點(diǎn)的速度較周圍流體的速度大，其速度差為：dyudludyudluuxxxxx2在在a層處，由于流體質(zhì)點(diǎn)橫向運(yùn)動(dòng)所引起的層處，由于流體質(zhì)點(diǎn)橫向運(yùn)動(dòng)所引起的x方向湍流脈動(dòng)速度的方向湍流脈動(dòng)速度的為：為：dyudluuuxxxx2121由于流體質(zhì)點(diǎn)從上層或下層進(jìn)入所討由于流體質(zhì)點(diǎn)從上層或下層進(jìn)入所討論的那一層時(shí)，它們以相對(duì)速度論的那一層時(shí)，它們以相對(duì)速度 相互接近或離開。由流體連續(xù)性原理相互接近或離開。由流體連續(xù)性原理可知，它們空出

27、來的空間位置必將由可知，它們空出來的空間位置必將由其相鄰的流體質(zhì)點(diǎn)來補(bǔ)充，于是引起其相鄰的流體質(zhì)點(diǎn)來補(bǔ)充，于是引起流體的流體的縱縱向脈動(dòng)向脈動(dòng) ，因此，因此 的的大小必為同一數(shù)量級(jí)。大小必為同一數(shù)量級(jí)。xuyuyxuu ，即即x方向的脈動(dòng)流速與方向的脈動(dòng)流速與y方向的脈動(dòng)流速成比例，且符號(hào)相反。方向的脈動(dòng)流速成比例，且符號(hào)相反。dyudclucuxxy2211dyudclcuucuuxyxyxdyudluuuxxxx2121222()xxyduu uldy 2212()xxduduldydyL 為混合長(zhǎng)度（為混合長(zhǎng)度（）負(fù)號(hào)表示橫向與縱向負(fù)號(hào)表示橫向與縱向脈動(dòng)速度的符號(hào)相反脈動(dòng)速度的符號(hào)相反4

28、 4、湍流速度分布湍流速度分布在湍流運(yùn)動(dòng)中，由于流體具有粘性，緊貼管壁或槽壁的流體質(zhì)點(diǎn)將貼附在湍流運(yùn)動(dòng)中，由于流體具有粘性，緊貼管壁或槽壁的流體質(zhì)點(diǎn)將貼附在固體邊界上，無相對(duì)滑動(dòng)，流速為零，繼而又影響到臨近的流體速度在固體邊界上，無相對(duì)滑動(dòng)，流速為零，繼而又影響到臨近的流體速度也隨之變小，在很靠近固體邊界的流層里有顯著的流速梯度，粘性切應(yīng)也隨之變小，在很靠近固體邊界的流層里有顯著的流速梯度，粘性切應(yīng)力也很大，但紊動(dòng)則趨于零，各層質(zhì)點(diǎn)不產(chǎn)生混摻。即在靠近固體邊界力也很大，但紊動(dòng)則趨于零，各層質(zhì)點(diǎn)不產(chǎn)生混摻。即在靠近固體邊界表面有厚度極薄的層流存在，稱為表面有厚度極薄的層流存在，稱為粘性底層或?qū)恿?/p>

29、底層（粘性底層或?qū)恿鞯讓樱?）。）。粘性底層的厚度通常不到粘性底層的厚度通常不到1mm，且隨雷諾數(shù)，且隨雷諾數(shù)Re的增大而減小。的增大而減小。在層流底層之上，還有一層很薄的在層流底層之上，還有一層很薄的過渡層。過渡層。在過渡層之上，才是湍流運(yùn)動(dòng)稱為在過渡層之上，才是湍流運(yùn)動(dòng)稱為湍流核心區(qū)。湍流核心區(qū)。 yu由邊界條件確定積分常數(shù)，當(dāng)由邊界條件確定積分常數(shù)，當(dāng)y =0 時(shí)，時(shí)，u=0，則，則c=0在黏性底層內(nèi)，剪應(yīng)力取壁面剪應(yīng)力在黏性底層內(nèi)，剪應(yīng)力取壁面剪應(yīng)力dydu積分：積分：cyu表明在黏性底層中，速度按線性分布，則壁面上速度為零。表明在黏性底層中，速度按線性分布，則壁面上速度為零。（1）黏

30、性底層黏性底層速度分布速度分布混合長(zhǎng)度表征了流體質(zhì)點(diǎn)橫向脈動(dòng)的路程，在近壁處，質(zhì)點(diǎn)受邊混合長(zhǎng)度表征了流體質(zhì)點(diǎn)橫向脈動(dòng)的路程，在近壁處，質(zhì)點(diǎn)受邊壁的制約影響，其脈動(dòng)的余地較小，隨著離開壁面距離的增大，壁的制約影響，其脈動(dòng)的余地較小，隨著離開壁面距離的增大，質(zhì)點(diǎn)的湍流自由度增大，因此，質(zhì)點(diǎn)的湍流自由度增大，因此，普朗特假定在近壁處混合長(zhǎng)度普朗特假定在近壁處混合長(zhǎng)度l與與離壁面的距離離壁面的距離y成正比成正比，即：，即：yl k為常數(shù)為常數(shù)尼古拉茲實(shí)驗(yàn)證明：尼古拉茲實(shí)驗(yàn)證明： 規(guī)律可以擴(kuò)展到整個(gè)湍流區(qū)域規(guī)律可以擴(kuò)展到整個(gè)湍流區(qū)域yl2222220)()(udyduydydulydyududyduyu

31、CyuCyuuln1ln10*20u普朗特普朗特- -卡門對(duì)數(shù)分布律卡門對(duì)數(shù)分布律（2 2）湍流湍流核心的速度分布核心的速度分布（以管流為例）（以管流為例）222()xxyduu uldy 沿程阻力損失系數(shù)沿程阻力損失系數(shù)對(duì)于圓管層流對(duì)于圓管層流對(duì)于對(duì)于圓管圓管湍流湍流Re64)(Re,df?gvdlhf22影響影響湍流湍流沿程阻力損失系數(shù)沿程阻力損失系數(shù)的因素與的因素與雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度有關(guān)。雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度有關(guān)。（1 1）尼庫拉茲實(shí)驗(yàn)）尼庫拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬澆捎盟^人工粗糙法，即將經(jīng)過篩選的均勻砂粒，均勻地貼在管尼古拉茲采用所謂人工粗糙法，即將經(jīng)過篩選的均勻砂粒，均勻地貼在管壁表面上，對(duì)于

32、這種簡(jiǎn)化的粗糙形式，可以采用一個(gè)指標(biāo)即壁表面上，對(duì)于這種簡(jiǎn)化的粗糙形式，可以采用一個(gè)指標(biāo)即顆粒突起高度顆粒突起高度（相當(dāng)（相當(dāng)于于砂粒直徑）來表示壁面的粗糙程度，砂粒直徑）來表示壁面的粗糙程度，稱為絕對(duì)粗糙度。絕對(duì)粗稱為絕對(duì)粗糙度。絕對(duì)粗糙度具有長(zhǎng)度的量綱，引入無量綱的糙度具有長(zhǎng)度的量綱，引入無量綱的相對(duì)粗糙度相對(duì)粗糙度 /d，它能在不同直徑的，它能在不同直徑的管流中反映管壁管流中反映管壁粗糙度影響的量。粗糙度影響的量。（a a）人工均勻粗糙）人工均勻粗糙 尼古拉茲用幾種相對(duì)粗糙不同的人工均勻粗糙管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；通過改變尼古拉茲用幾種相對(duì)粗糙不同的人工均勻粗糙管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；通過改變速度，從而改變雷諾

33、數(shù)，測(cè)出沿程速度，從而改變雷諾數(shù)，測(cè)出沿程損失損失，計(jì)算出沿程，計(jì)算出沿程損失損失系數(shù)。系數(shù)。（b b）尼古拉茲尼古拉茲實(shí)驗(yàn)圖實(shí)驗(yàn)圖)(Re,df?（a a）人工均勻粗糙）人工均勻粗糙 尼古拉茲用幾種相對(duì)粗糙不同的尼古拉茲用幾種相對(duì)粗糙不同的人工均勻粗糙管人工均勻粗糙管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；通過改變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；通過改變速度，從而改變雷諾數(shù)，測(cè)出沿程速度，從而改變雷諾數(shù)，測(cè)出沿程損失損失，計(jì)算出沿程，計(jì)算出沿程損失損失系數(shù)。系數(shù)。（b b）尼古拉茲尼古拉茲實(shí)驗(yàn)圖實(shí)驗(yàn)圖whgvgpzgvgpz222222221111hgpphvvzzf212121hgpphhgppghpghpf21212211dvRe /d=

34、1/301/1014222222lvhglvghgvdlhff）層流區(qū)）層流區(qū)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在直線實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在直線abab上上Re64(Re);,Re ,36. 3Relg;2320Ref尼古拉茲實(shí)驗(yàn)圖尼古拉茲實(shí)驗(yàn)圖2222lvhglvghfdvRe）層流向湍流的過渡區(qū)）層流向湍流的過渡區(qū)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在bcbc區(qū)間內(nèi)區(qū)間內(nèi), ,無具體計(jì)算式無具體計(jì)算式(Re); 6 . 336. 3Relg;4000Re2320f3 3）湍流光滑區(qū)）湍流光滑區(qū)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在直線實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在直線cdcd上上,Re;(Re);)/(2 .22Re40007/8fd)(Re,;)/(597Re)/(2 .228

35、/97/8dfdd4 4）水力光滑向水力粗糙的過渡區(qū)）水力光滑向水力粗糙的過渡區(qū)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在cd,efcd,ef區(qū)域內(nèi)區(qū)域內(nèi)5)5)湍流粗糙區(qū)湍流粗糙區(qū)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在efef區(qū)域后區(qū)域后)(;)/(597Re89dfd（3 3）沿程摩阻系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式）沿程摩阻系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式1. 1. 布拉修斯（布拉修斯（BlasiusBlasius）公式）公式湍流光滑區(qū)：湍流光滑區(qū)：25. 0Re3164. 0510Re 2. 2. 希希夫夫林松公式林松公式粗糙區(qū)：粗糙區(qū)：25. 0)(11. 0d3. 3. 謝才公式和謝才系數(shù)謝才公式和謝才系數(shù) 1769年年,謝齊總結(jié)了明渠均勻流的實(shí)測(cè)

36、資料，提出了計(jì)算均勻流的經(jīng)驗(yàn)公謝齊總結(jié)了明渠均勻流的實(shí)測(cè)資料，提出了計(jì)算均勻流的經(jīng)驗(yàn)公式，后稱謝才公式式，后稱謝才公式 lhRCRJCvf 式中，式中，C 稱為謝才系數(shù)，稱為謝才系數(shù)， ；R 水力半徑，水力半徑，m； J 水力坡度。水力坡度。 gvRlhlhRCRJCvgCff2482 sm/21曼寧公式（曼寧公式（1889年，年，Manning） 611RnC式中，式中，n為粗糙系數(shù)為粗糙系數(shù)，也稱，也稱糙率糙率，是表征邊界表面影響水流，是表征邊界表面影響水流阻力的各種因素的一個(gè)綜合系數(shù)。阻力的各種因素的一個(gè)綜合系數(shù)。 曼寧公式應(yīng)用于管道及較小的河渠可得到較滿意的結(jié)果，曼寧公式應(yīng)用于管道及較

37、小的河渠可得到較滿意的結(jié)果，故現(xiàn)為世界各國工程界所采用。故現(xiàn)為世界各國工程界所采用。 gvRlhlhRCRJCvgCff2482 局部水頭損失產(chǎn)生于局部水頭損失產(chǎn)生于邊壁沿程突變邊壁沿程突變的區(qū)域的區(qū)域, ,如流道突然擴(kuò)大如流道突然擴(kuò)大, ,逐漸逐漸擴(kuò)大，彎頭處的流動(dòng)擴(kuò)大，彎頭處的流動(dòng), ,閥門處的突擴(kuò)和突縮閥門處的突擴(kuò)和突縮, ,三通的分流和匯流等局部三通的分流和匯流等局部障礙處障礙處, ,由于邊壁發(fā)生急劇變化由于邊壁發(fā)生急劇變化, ,引起引起主流和固體壁分離主流和固體壁分離, ,使流場(chǎng)內(nèi)部形使流場(chǎng)內(nèi)部形成流速梯度較大的剪切層成流速梯度較大的剪切層. .在強(qiáng)剪切層內(nèi)流動(dòng)很不穩(wěn)定在強(qiáng)剪切層內(nèi)流

38、動(dòng)很不穩(wěn)定, ,不斷產(chǎn)生旋渦不斷產(chǎn)生旋渦并向下游運(yùn)動(dòng)并向下游運(yùn)動(dòng), ,最終在流體粘性的作用下將部分最終在流體粘性的作用下將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而散而散失。失。 局部水頭損失的種類繁多，邊壁的變化復(fù)雜多樣局部水頭損失的種類繁多，邊壁的變化復(fù)雜多樣, ,加上湍流運(yùn)動(dòng)本加上湍流運(yùn)動(dòng)本身的復(fù)雜性身的復(fù)雜性, ,目前尚難以通過機(jī)理分析來定量研究局部水頭損失的規(guī)律，目前尚難以通過機(jī)理分析來定量研究局部水頭損失的規(guī)律，一般通過實(shí)驗(yàn)來確定局部水頭損失的大小。盡管如此一般通過實(shí)驗(yàn)來確定局部水頭損失的大小。盡管如此, ,對(duì)局部阻力和水對(duì)局部阻力和水頭損失的規(guī)律進(jìn)行定性分析還是必要的頭損失的規(guī)律進(jìn)行

39、定性分析還是必要的, ,有助于提出正確合理的設(shè)計(jì)方有助于提出正確合理的設(shè)計(jì)方案案, ,減少局部水頭損失。減少局部水頭損失。（1 1）從流動(dòng)特征分析）從流動(dòng)特征分析, ,局部阻礙分為：局部阻礙分為：過流斷面的擴(kuò)大和縮小過流斷面的擴(kuò)大和縮小流動(dòng)方向的改變流動(dòng)方向的改變流量的匯入和分出流量的匯入和分出以及以上幾種形式的組合等以及以上幾種形式的組合等（2 2）從邊壁的變化緩急分析）從邊壁的變化緩急分析, ,局部阻礙分為：局部阻礙分為：急變急變漸變漸變（3 3）局部水頭損失總是和局部阻礙區(qū)域存在的漩渦相聯(lián)系。）局部水頭損失總是和局部阻礙區(qū)域存在的漩渦相聯(lián)系。 漩渦區(qū)域越大，漩渦強(qiáng)度越大，局部水頭損失也越

40、大。漩渦區(qū)域越大，漩渦強(qiáng)度越大，局部水頭損失也越大。（4 4）局部阻力系數(shù)）局部阻力系數(shù)Re),(df局局部部阻阻礙礙形形狀狀22jvhg1 1、圓管突擴(kuò)的局部、圓管突擴(kuò)的局部阻力阻力分析分析環(huán)狀回流區(qū)環(huán)狀回流區(qū)設(shè)有突擴(kuò)管段，現(xiàn)在研究這個(gè)流段所受外力與水頭損失的關(guān)系：設(shè)有突擴(kuò)管段，現(xiàn)在研究這個(gè)流段所受外力與水頭損失的關(guān)系：取取1- -2斷面間的流體為隔離體，列動(dòng)量方程：斷面間的流體為隔離體，列動(dòng)量方程：FvvQ)(1122)()(cos)()(212221222112zzgAApplgAAppvvQlzz21cos112作用在流體與管壁四周的阻力較小，可略去不計(jì)。作用在流體與管壁四周的阻力較小

41、，可略去不計(jì)。列列1- -2斷面的伯努利方程：斷面的伯努利方程：)()()()(212221122212zzgAAppvvvAvvQ0fh因回流區(qū)的長(zhǎng)度較短因回流區(qū)的長(zhǎng)度較短jfhhgvgpzgvgpz222222221111)()()(1222211vvgvgpzgpz22vAQ 21222211) 1()1 (AAAAgvgvAAgvvhgvgvAAgvvhjj22) 1(2)(22)1 (2)(2222221222121121221221jfhhgvgpzgvgpz22222221111011fh)()()(1222211vvgvgpzgpzgvvgvgvgvvvgvgvvvgvhj22

42、222222)(2212221122222211222211vAvA以上兩個(gè)局部水以上兩個(gè)局部水頭損失系數(shù)，分頭損失系數(shù)，分別與突然擴(kuò)大前、別與突然擴(kuò)大前、后兩個(gè)斷面的平后兩個(gè)斷面的平均速度對(duì)應(yīng)。均速度對(duì)應(yīng)。gvgvgpzgpzhj22)()(22212211特例：當(dāng)流體在淹沒情況下，流入斷面很大的特例：當(dāng)流體在淹沒情況下，流入斷面很大的容器時(shí)，作為突然擴(kuò)大的特例，容器時(shí)，作為突然擴(kuò)大的特例，A1/A20，則，則=1，稱為管道的出口損失系數(shù)。，稱為管道的出口損失系數(shù)。21222211) 1()1 (AAAA2 2、圓管突然縮小的局部、圓管突然縮小的局部阻力阻力分析分析突然縮小的局部水頭突然縮小

43、的局部水頭損失系數(shù)決定于收縮損失系數(shù)決定于收縮面積比面積比A2/A1，其值，其值按按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，與，與收縮后斷面平均速度收縮后斷面平均速度v2相對(duì)應(yīng)相對(duì)應(yīng)210.5(1)AA當(dāng)流體從斷面很大的容當(dāng)流體從斷面很大的容器流入管道時(shí)，作為突器流入管道時(shí)，作為突然縮小的特例，然縮小的特例，A2/A10，=0.5，稱為，稱為管道入口損失系數(shù)。管道入口損失系數(shù)?；蛘卟楸?.74 4、減小、減小局部局部阻力的措施阻力的措施改善邊壁對(duì)流動(dòng)的影響改善邊壁對(duì)流動(dòng)的影響 添加潤(rùn)滑劑減阻：減小管壁的粗糙度；添加潤(rùn)滑劑減阻：減小管壁的粗糙度； 柔性邊壁換為剛性邊壁；柔性邊壁換為剛性邊壁； 避免旋渦區(qū)的產(chǎn)生

44、或減小旋渦區(qū)的大小和強(qiáng)度；避免旋渦區(qū)的產(chǎn)生或減小旋渦區(qū)的大小和強(qiáng)度； 如平順的進(jìn)口；漸擴(kuò)或漸縮；增加彎管的曲率半徑。如平順的進(jìn)口；漸擴(kuò)或漸縮；增加彎管的曲率半徑。gvhj22局部局部損失（損失（阻力）系數(shù)，可由試驗(yàn)測(cè)定。阻力）系數(shù)，可由試驗(yàn)測(cè)定。3 3、局部水頭損失的通用公式、局部水頭損失的通用公式管壁的粗糙度管壁的粗糙度截面變化的程度截面變化的程度流速分布的急劇變化程度（大小、方向）流速分布的急劇變化程度（大小、方向）Re),(df局局部部阻阻礙礙形形狀狀OmHh2629. 0已知：已知：如圖所示是測(cè)定管流中如圖所示是測(cè)定管流中90900 0彎頭的彎頭的局部損失（阻力）系局部損失（阻力）系

45、數(shù)的數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置，等直徑管道的液體流入大氣實(shí)驗(yàn)裝置，等直徑管道的液體流入大氣。 管管段直段直 徑徑d=50mm， 1-2管段管段長(zhǎng)度長(zhǎng)度l=10m，流量流量Q= =0.00274m3/ /s， 沿程阻力損失系數(shù)沿程阻力損失系數(shù)=0.03，測(cè)壓管，測(cè)壓管壓差計(jì)的讀數(shù)為壓差計(jì)的讀數(shù)為 , ,水的運(yùn)動(dòng)黏度水的運(yùn)動(dòng)黏度 。試求試求：彎頭的局部損失（阻力）系數(shù)彎頭的局部損失（阻力）系數(shù) 。sm /10003. 126smdQAQv/396. 142解：解：以以2-22-2過流斷面為參考面，對(duì)過流對(duì)面過流斷面為參考面，對(duì)過流對(duì)面1-1，2-2列列伯努利方程：伯努利方程：whgvgpzgvgpz222222

46、221111，21211vv 20006959110003. 105. 0396. 1Re6vd湍流湍流hhhgpgpzzfj212132. 022dlvhggvdlhf22gvhj22gpzgpz2211測(cè)壓管水頭測(cè)壓管水頭已知：已知：如圖所示，水從左水箱經(jīng)過水平串聯(lián)管道流入右如圖所示，水從左水箱經(jīng)過水平串聯(lián)管道流入右水水 箱，在第三管段有一閥門，設(shè)兩水箱的均為大水箱，箱，在第三管段有一閥門，設(shè)兩水箱的均為大水箱，試求試求：板式板式閥門全開時(shí)閥門全開時(shí) 管內(nèi)的流量。管內(nèi)的流量。，0396. 0251515. 02525. 01515. 032160332211mHmHmlmdmlmdmlmd

47、）（1de12345解：解：對(duì)過流對(duì)面對(duì)過流對(duì)面0-0，6-6列列伯努利方程：伯努利方程：whgvgpzgvgpz222666620000apppvv60606001，gvgvgvgvgvhhhHHfjw222222352342332222116060gvdlgvdlgvdl222233332222221111123450 . 1)1 () 1(032. 0)25. 015. 01 (5 . 0)1 (5 . 016. 3) 115. 025. 0() 1() 1(50. 06354222332222212221221AAdeAAddAA?1234332211vAvAvAQ2222232232

48、32222212212178. 2)15. 025. 0()(78. 2)15. 025. 0()(vvvddvAAvvvvddvAAv31vv 5gvgvgvgvgvhhhHHfjw222222352342332222116060gvdlgvdlgvdl2222333322222211111234smvdvAQsmvv/042. 085. 025. 044/85. 017. 43322222222250 . 1032. 016. 350. 05432123178. 2vvv。0396. 0321 1.1.簡(jiǎn)單管路簡(jiǎn)單管路gvdlhhfw22whgvgpzgvgpz22222222111161

49、18RnCgC 為流量模數(shù)為流量模數(shù)C C為謝才系數(shù)為謝才系數(shù)n n為壁面糙率系數(shù)為壁面糙率系數(shù)R R為水力半徑為水力半徑22KfKClQhRCAC?KC2. 2. 串聯(lián)管路串聯(lián)管路22iKiifClQhH3 3. . 并聯(lián)管路并聯(lián)管路i32122i2222221121321QQQQClQClQClQhhhhKiiKKffffi 定義：在有壓管道中，由于某種原因（如閥門突然啟閉，換向閥突然變換工位，水泵機(jī)組突然停車燈），使水流速度突然發(fā)生變化，引起壓強(qiáng)大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象，稱為水擊。v0 p0ABH0 pcv0dlv0 p0ABH0 pcv0dl閥門突然關(guān)閉，緊靠閥門處的微元液層立即停止流動(dòng)閥門突然關(guān)閉，緊靠閥門處的微元液層立即停止流動(dòng), 流速突然減小至零，流速突然減小至零，該層水流的動(dòng)量發(fā)生突然變化該層水流的動(dòng)量發(fā)生突然變化,該層水流壓強(qiáng)突然增大，水體壓縮，密度增該層水流壓強(qiáng)突然增大，水體壓縮，密度增大，但大，但dl層上游液體未停止流動(dòng)，仍以速度層上游液體未停止流動(dòng)，仍以速度v0向下游流動(dòng)。當(dāng)碰到靜止液向下游流動(dòng)。當(dāng)碰到靜止液層時(shí)，也象碰到閥門一樣速度立即變?yōu)榱?，壓?qiáng)增加層時(shí)，也象碰到閥門一樣速度立即變?yōu)榱?，壓?qiáng)增加p，