流體力學(xué)流動(dòng)阻力與水頭損失

1、第6章流動(dòng)阻力與水頭損失教學(xué)要點(diǎn)一、教學(xué)目的與任務(wù)1、本章教學(xué)目的（1）使學(xué)生掌握流體流動(dòng)的兩種狀態(tài)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系；（2）使學(xué)生切實(shí)掌握計(jì)算阻力損失的知識(shí)，為管路計(jì)算打基礎(chǔ)。2、本章教學(xué)任務(wù)（1）了解雷諾實(shí)驗(yàn)過程及層流、紊流的流態(tài)特點(diǎn)，熟練掌握流態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)；（2）掌握?qǐng)A管層流基本規(guī)律，了解紊流的機(jī)理和脈動(dòng)、時(shí)均化以及混合長度理論；（3 ） 了解尼古拉茲實(shí)驗(yàn)和莫迪圖的使用，掌握阻力系數(shù)的確定方法；（4）理解流動(dòng)阻力的兩種形式，掌握管路沿程損失和局部損失的計(jì)算。二、重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)：雷諾數(shù)及流態(tài)判別，圓管層流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，沿程阻力系數(shù)的確定，沿程損失和局部損失 計(jì)算。難點(diǎn)：紊流流速分布和紊流阻力分析

2、。三、教學(xué)方法用對(duì)比的方法講清什么是均勻流動(dòng)，什么是不均勻流動(dòng)。講清什么是沿程損失、什么是局部損失，以及絕對(duì)粗糙度、相對(duì)粗糙度等概念，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)法講清楚上下臨界速度、 流動(dòng)狀態(tài)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系、流速與沿程損失的關(guān)系， 講清楚在什么樣的前提條件下得出什么樣的結(jié)論，進(jìn)而解決什么樣的問題。第11次課年月日章題目第6章流動(dòng)阻力與水頭損失方式課堂模塊流體流動(dòng)阻力方法重點(diǎn)內(nèi)容學(xué)習(xí)法單元基本概念、均勻流動(dòng)、流動(dòng)狀態(tài)、層流手段板書+多媒體基本要求使學(xué)生了解流體運(yùn)動(dòng)與流動(dòng)阻力的兩種型式，了解雷諾實(shí)驗(yàn)過程及層流、紊流的流 態(tài)特點(diǎn)，熟練掌握流態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)；掌握雷諾數(shù)與組力損失之間的關(guān)系，掌握層流運(yùn) 動(dòng)規(guī)律。重點(diǎn)兩

3、種流動(dòng)狀態(tài)與雷諾數(shù)的關(guān)系、圓管層流運(yùn)動(dòng) 規(guī)律，難點(diǎn)流動(dòng)狀態(tài)的判別內(nèi)容拓展利用長管儀設(shè)計(jì)測(cè)量流體粘性的實(shí)驗(yàn)一一素質(zhì)綜合訓(xùn)練參考教材1、張也影流體力學(xué)北京：高等教育出版社，19992、徐文娟.工程流體力學(xué)3、 禹華謙.工程流體力學(xué)（水利學(xué)）.成都：西南交通大學(xué)出版社，19994、莫乃榕，工程流體力學(xué)，華中科技大學(xué)出版社，20005、程軍、趙毅山.版社，2004流體力學(xué)學(xué)習(xí)方法及解題指導(dǎo)上海：同濟(jì)大學(xué)出作業(yè)習(xí)題：6 1、63思考題： 6 1、6 2、63、6 4、6 5本次課內(nèi)容導(dǎo)入形成流動(dòng)阻力的主要因素：1粘性大??；2、流體的流動(dòng)狀態(tài)；3、流體與固體壁面的接觸情況。矚實(shí)驗(yàn)資料和經(jīng)驗(yàn)公式。§

4、; 6-1流動(dòng)阻力與水頭損失的分類水頭損失在工程上的意義圖4-1水頭損失的數(shù)值大小直接關(guān)系到動(dòng)力設(shè)備容量的確定，因而關(guān)系到工程的可 靠和經(jīng)濟(jì)性。如圖4-1，水泵供水示意圖。據(jù)供水要求，水泵將水池中水從斷面1-1提升到斷面2-2。靜揚(yáng)高：斷面1和2的高程差H。揚(yáng)程H:靜揚(yáng)高加水頭損失。即：H 二 H。八 hw當(dāng)水泵提供的H為定值時(shí)，若hw增大則H減小，因而不能滿足生產(chǎn)需要： 則需H定，則需增大H,即增大動(dòng)力設(shè)備容量，可見動(dòng)力設(shè)備的容量，與管路 系統(tǒng)的能量損失有關(guān)，所以只有正確計(jì)算水頭損失，才能合理的選用動(dòng)力設(shè)備。二、水頭損失的兩種形式液體的粘滯性是液體能量損失的根本原因，據(jù)邊界形狀和大小是否沿程

5、變化和主流是否脫離固體邊界壁或形成漩渦，把水頭損失分為沿程水頭損失hf和局部水頭損失hm兩大類。當(dāng)固體邊界的形狀和大小沿程不變，液流在長直流段中的水頭損失稱為沿程 水頭損失（hf）。在產(chǎn)生沿程損失的流段中，流線彼此平行，主流不脫離邊壁，也 無漩渦發(fā)生，一般，在均勻流和漸變流情況下產(chǎn)生的水頭損失只有沿程損失。當(dāng)固體邊界的形狀、大小或兩者之一沿流程急劇變化所產(chǎn)生的水頭損失稱為 局部水頭損失（hm）。在局部損失發(fā)生的局部范圍內(nèi)，主流與邊界往往分離并發(fā)生漩渦，如水流在 管道突然收縮或流經(jīng)閥門和突然擴(kuò)大處。三、水頭損失疊加原理水流在全過程中，如有若干段直流段及邊界有若干處突然改變，而各個(gè)局部 損失又 互

6、不影響時(shí)，水流流經(jīng)整個(gè)流程的水頭損失hw是各沿程損失hf和各個(gè)局部損失hm的代數(shù)和，即：hw八hfhm沿程水頭損失和局部水頭損失從本質(zhì)上講都是液體質(zhì)點(diǎn)之間相互摩擦和碰撞，或者說，都是液流阻力做功消耗的機(jī)械能。產(chǎn)生沿程損失的阻力是內(nèi)摩擦力，稱這種阻力為沿程阻力。在產(chǎn)生局部損失的地方，由于主流與邊界分離和漩渦的存在， 質(zhì)點(diǎn)間的摩擦 和 撞加劇，因而引起的能量損失比同樣長度而沒有漩渦時(shí)的損失要大得多，稱 這種阻力為局部阻力。§ 6-2粘性流體的兩種流態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫演示。實(shí)驗(yàn)時(shí)如記錄流速，當(dāng)v/ vCr時(shí)，層流T紊流，反向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)并且形成不同的水頭損失。v vcr時(shí)，紊流T層流。實(shí)驗(yàn)表明

7、：在不同條件下，流體有層流和紊流兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),Vcr遠(yuǎn)小于 vCr。vCr 上臨界速度，V“ 一一下臨界速度。水在毛細(xì)管和巖石縫隙中的流動(dòng)，重油在管道中的流動(dòng)， 多處于層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而實(shí)際工程中，水在管道（或水渠）中 的流動(dòng)，空氣在管道中的流動(dòng)，大多是紊流運(yùn)動(dòng)。二、流動(dòng)狀態(tài)與水頭損失的關(guān)系水頭損失與流速的關(guān)系可表示為lg hf = lg k m lg v即hf = kvm實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng) v<vcr時(shí)流動(dòng)處于層流狀態(tài)，m =1,hf = kv ,圖5.3.1水頭損失與流速的關(guān)系直線OB；當(dāng)Vcr<v<v；r時(shí)，流動(dòng)處于過渡狀態(tài)， m = 1.75 2,hf =kvm曲線AC ；當(dāng)

8、v>vCr時(shí)，流動(dòng)處于紊流狀態(tài)，m=2,hfkv2，曲線CD。圖為水頭損失與流速的關(guān)系。三、流動(dòng)狀態(tài)判別準(zhǔn)則一一雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re 雷諾根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)歸納出的一個(gè)無因次綜合量，即對(duì)應(yīng)臨界速度有Re =:vd vdRecrvcrd上臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)幾何形狀相似的一切流體其下臨界雷諾數(shù)基本上相等，即Recr =2320;上臨界雷諾數(shù)可達(dá) 12000或更大，并且隨實(shí)驗(yàn)環(huán)境、流動(dòng)起始狀態(tài)的不同而有所不同。當(dāng) Rev Recr時(shí)流動(dòng)為層流；當(dāng) Re> Re“時(shí)流動(dòng)為紊流；當(dāng) Re“ <Re< Re“時(shí) 流動(dòng)可能是層流，也可能是紊流，處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)。上臨界雷諾

9、數(shù)在工程上無實(shí)用意義，通常用Recr判別層流與紊流。 實(shí)際工程中，圓管內(nèi)流體流動(dòng)Recr =2000，即，Re<2000為層流Re>2000為紊流當(dāng)流體的過水?dāng)嗝鏋榉菆A形時(shí)，用R,則Recr vcrRRecr =一 =500V水利、礦山等工程中常見的明渠流更不穩(wěn)定，其下臨界雷諾數(shù)更低，工程計(jì)算時(shí)一般取 Recr 為Re cr =300當(dāng)流體繞過固體物而流動(dòng)時(shí)，其常用的雷諾數(shù)表達(dá)式為Rev式中 v流體的繞流速度；° 流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù); l固體物的特征長度。大量實(shí)驗(yàn)得出流體繞球形物體流動(dòng)時(shí)下臨界雷諾數(shù)為Recr = v = 1V這一數(shù)據(jù)對(duì)于 選礦、水力輸送等工程計(jì)算，具有重

10、大的意義。思考題：1、在直徑相同的管中流過相同的流體，當(dāng)流速相等時(shí)，它們的雷諾數(shù)是否相等? 當(dāng)流過不同的流體時(shí)，它們的臨界雷諾數(shù)相等嗎？2、同一種流體分別在直徑為 d的圓管和水力直徑為 di的矩形管中做有壓流動(dòng)，當(dāng)d = di，且速度相等時(shí)，它們的流態(tài)是否相同？6 2例52在大氣壓力下，15° C水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)- =1.442 10 m Is。如果水在內(nèi)徑為 d =50mm的圓管中流動(dòng)，從紊流逐漸降低流速，問降到多大速度時(shí)才能變?yōu)閷恿鳎抗こ讨心承┖芗?xì)的圓管流動(dòng)，或者低速、高粘流體的圓管流動(dòng)，如阻尼管、潤滑油管、原油輸油管道內(nèi)的流動(dòng)多屬層流。層流運(yùn)動(dòng)規(guī)律也是流體粘度測(cè)量和研究紊流運(yùn)動(dòng)

11、的基礎(chǔ)。 因此，本節(jié)主要研究流體在圓管中層流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一、均勻流動(dòng)中內(nèi)摩擦力的分布規(guī)律設(shè)過水?dāng)嗝娴陌霃綖閞o，則相應(yīng)的水力半徑 R=r°/2，由弋廠得T r在其中取出半徑為r的圓柱形流段，設(shè)其表面上的切向應(yīng)力為 ，則一二丄i ,與上式相比可Y 2ro§ 6-4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)一、圓管層流運(yùn)動(dòng)中流體內(nèi)摩擦切應(yīng)力的分布規(guī)律。它表明：其中的內(nèi)摩擦切應(yīng)力是沿著半徑r按直線規(guī)律分布的。當(dāng) r =0時(shí)，.=0；當(dāng)r =r0時(shí)，.=.0為最大值。二、圓管層流中的速度分布規(guī)律rdu r在半徑為r處，i，由層流牛頓內(nèi)摩擦定律i2dy 2有durdr2#、 卩 2 2積分并考慮r =r0時(shí)

12、，u =0的邊界條件，可得u (rf -r2)4卜、斯托克斯公式，它表明：圓管層流過水?dāng)嗝嫔狭魉俜植紙D形是一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面，最大流速在圓管中心，即 r =0處，其大小為u max2 r°i16JudA三、圓管層流中的平均速度和流量1 、平均速度為對(duì)于圓形管道v比較可得上式說明: 可以i 22"r22To_r2)rdr =Lr。2 =丄淤8卩 32卩1vUmax2圓管層流中平均速度等于管軸處流速的一半。如用畢托管測(cè)出管軸的點(diǎn)速度即算出圓管層流中的平均速度v和流量Q。流量為Q = AdQror° jY 2-r2)2 二 rd丄 ro4dO484128A25 哈根一泊肅葉

13、定律。由于Q、i、Y、d0等量是已知或可測(cè)量出的，因此，可求 出流體的動(dòng)力粘性系數(shù)。許多測(cè)量流體粘性系數(shù)的實(shí)驗(yàn)就是根據(jù)這一原理進(jìn)行的。安排學(xué)生利用長管儀設(shè)計(jì)測(cè)量流體粘性的實(shí)驗(yàn)一一素質(zhì)綜合訓(xùn)練四、匚 32Hv32lv2v64 lv2対v2亠亠亠do中d；2vRe do2gdo2g圓管層流沿程損失計(jì)算公式 ，稱為達(dá)西公式。式中，稱為沿程阻力系數(shù)，該式 表明只與雷諾數(shù)有關(guān)，與其它因素?zé)o關(guān)。拓展：流體以層流狀態(tài)在長度為I的管中運(yùn)動(dòng)時(shí)，所消耗的功率為N 二 Qhf 二 Qdo 2g從上式可知，Q一定時(shí)，適當(dāng)?shù)亟档?或適當(dāng)增大d都可降低功率損耗。不過應(yīng)保證 Re<2000，否則該流動(dòng)可能變成紊流。例

14、43 在長度I =1000 m,直徑d = 300mm的管路中輸送重度為丫 =9.31kN/m 3的重 油，其重量流量 G =2371.6kN/h，求油溫分別為10°C（運(yùn)動(dòng)粘度為】=25cm2/s ）和40°C （運(yùn)動(dòng)粘度為15cm2/s）時(shí)的水頭損失。解體積流量2371.69.31 36003= 0.0708 m3/s平均速度0.0708兀2-0.324=1m/s10°C時(shí)的雷諾數(shù)vd 二 100 30= 120 ： 200040°C時(shí)的雷諾數(shù)Re2 =四 J" 30 =200<200015該流動(dòng)屬層流，故可以應(yīng)用達(dá)西公式計(jì)算沿程水頭

15、損失。2 2 2hf11 v 64 1 v 64 1000 1=90.703m油柱高 d 2g Re1 d 2g 120 0.3 2 9.8同理，可計(jì)算40 °C時(shí)的沿程水頭損失2641000 匯12hf254.421 m 油柱高200 漢0.3漢2沢9.8五、層流起始段圓管中層流斷面上的流速分布是拋物線型的，但是并非流體一進(jìn)入管道就立即形成這種流速分布。通常在管道的入口斷面上，除了管壁上速度由于粘著作用突降為零外，其它各點(diǎn)U都是相等的。隨后，內(nèi)摩擦力的影響逐漸擴(kuò)大，而靠近管壁各層U便依次滯緩下來。根據(jù)連續(xù)性條件，加到接近2v時(shí)，拋物線型的流速分布才算形成形成斷面之間的距離稱為層流的

16、起始段，以le 二 0.065d Re這一公式曾得到尼古拉茨的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。還有路計(jì)算中，I e值是很有實(shí)際意義的。 讀者可參閱有關(guān)資料。本次課小結(jié):管軸中心的U就越來越大，當(dāng)中心的速度Umax增（如圖）。從入口斷面到拋物線型的流速分布le表示。對(duì)于圓管其值可用下式計(jì)算JL-1上1、粘性流體有層流和紊流兩種流動(dòng)狀態(tài);2、流動(dòng)狀態(tài)不同，h f也不同。63圖5.4.1層流起始段的速度和壓在液壓設(shè)備的短管 些計(jì)算le的公式，作業(yè)：習(xí)題力分布 思考題：6 1水力半徑的概念及其對(duì)流動(dòng)阻力的影響，粘性流體運(yùn)動(dòng)和流動(dòng)阻力的形式；6 2均勻流動(dòng)基本方程；均勻流動(dòng)中的水頭損失與摩擦損失的關(guān)系；6 3.流體流動(dòng)的兩種

17、狀態(tài)，流動(dòng)狀態(tài)與水頭損失的關(guān)系；流動(dòng)狀態(tài)的判斷準(zhǔn)則及其 表達(dá)式；在直徑相同的管中流過相同的流體，當(dāng)流速相等時(shí)，它們的雷諾數(shù)是否相等？當(dāng) 流過不同的流體時(shí)，它們的臨界雷諾數(shù)相等嗎？考慮同一種流體分別在直徑為d的圓管和水力直徑為di的矩形管中做有壓流動(dòng)，當(dāng) d = di，且速度相等時(shí)，它們的流態(tài)是否相同?第12次課年月日章題目第6章流動(dòng)阻力與水頭損失方式課堂模塊流體流動(dòng)阻力方法重點(diǎn)內(nèi)容學(xué)習(xí)法6 4.圓管層流速度分布及其剪切力分布形式，平均流速與最大流速的關(guān)系單元紊流運(yùn)動(dòng)手段多媒體基本要求了解紊流的機(jī)理和脈動(dòng)、時(shí)均化以及混合長度理論；了解尼古拉茲實(shí)驗(yàn)和莫迪圖 的使用，掌握阻力系數(shù)的確定方法；理解流動(dòng)

18、阻力的兩種形式，重點(diǎn)沿程阻力分析與計(jì)算難點(diǎn)沿程損失系數(shù)的計(jì)算內(nèi)容拓展Flash動(dòng)畫演示參考教材1、張也影流體力學(xué)北京：高等教育出版社，19992、徐文娟.工程流體力學(xué)3、 禹華謙.工程流體力學(xué)(水利學(xué)).成都：西南交通大學(xué)出版社，19994、 莫乃榕，工程流體力學(xué)，華中科技大學(xué)出版社，20005、 程 軍、趙毅山.流體力學(xué)學(xué)習(xí)方法及解題指導(dǎo) .上海：冋濟(jì)大學(xué)出版社，2004作業(yè)習(xí)題：62思考題：6 5、6 6、67、68上次課內(nèi)容回顧及本次課內(nèi)容引出§ 6-5紊流運(yùn)動(dòng)在實(shí)際工程中，除少數(shù)流動(dòng)是層流運(yùn)動(dòng)外，絕大多數(shù)流動(dòng)是紊流運(yùn)動(dòng)。一、紊流的特征通過雷諾實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng) Re>Rer時(shí)

19、，管中紊流流體質(zhì)點(diǎn)是雜亂無章地運(yùn)動(dòng)的，不但u瞬息變化，而且，一點(diǎn)上流體p等參數(shù)都存在類似的變化， 這種瞬息變化的現(xiàn)象稱脈動(dòng) 。層流 破壞以后，在 紊流中形成 許多大大小小方向不同的 旋渦，這些旋渦是造成速度脈動(dòng)的原因 。特征：紊流的u、p等運(yùn)動(dòng)要素，在空間、時(shí)間上均具有隨機(jī)性質(zhì)，是一種非定常流動(dòng)。二、紊流運(yùn)動(dòng)要素的時(shí)均化紊流的分析方法一一統(tǒng)計(jì)時(shí)均法。如圖所示。觀測(cè)時(shí)間足夠長，可得出各運(yùn)動(dòng)參量對(duì)時(shí) 間的平均值，故稱為 時(shí)均值，如時(shí)均速度、時(shí)均壓強(qiáng)。UxMK i'X.Uxu1 1NtdtK tTLO圖5.5.1 紊流運(yùn)動(dòng)圖圖5.5.2 時(shí)均速度通過時(shí)均化處理，紊流運(yùn)動(dòng)f與t無關(guān)的假想的準(zhǔn)定

20、常流動(dòng)。這樣，前面基于定常流所建立的連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程、能量方程等，都可以用來分析紊流運(yùn)動(dòng)。因此，紊流運(yùn)動(dòng)中 的符號(hào)u、p都具有時(shí)均化的含義。三、紊流中的摩擦阻力1、牛頓內(nèi)摩擦阻力2、附加內(nèi)摩擦阻力一一由質(zhì)點(diǎn)相互混雜、能量交換而引起。四、紊流運(yùn)動(dòng)中的速度分布速度按對(duì)數(shù)曲線分布:根據(jù)實(shí)測(cè)，圓管紊流過水?dāng)嗝嫔蟰= ( 0.75 0.87) Umax。而由上節(jié)知道，在圓管層流過水?dāng)嗝嫔?，平均速度為管軸處最大流速umax的0.5倍。此外，也有學(xué)者認(rèn)為，紊流運(yùn)動(dòng)中的速度分布曲線是指數(shù)曲線。五、紊流核心與層流邊層紊流的結(jié)構(gòu)由層流邊層、過渡區(qū)及紊流區(qū)三個(gè)部分組成。層流邊層的厚度，可用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:.=

21、32.8dRe 緊貼管壁一層厚度為:.的流體層作層流運(yùn)動(dòng)一一層流邊層紊流區(qū)（紊流核心或流核）一一紊流的主體。過渡區(qū) 紊流核心與層流邊層之間的區(qū)域。由實(shí)驗(yàn)得知，即使粘性很大的流體 （例如石油），其6值也只有幾毫米。一般流體，其6 值通常只有十分之幾毫米。隨著Re/, § 。雖然&很薄，但是在有些問題中影響很大。例如在計(jì)算能量損失時(shí)，§的厚度越大能量損失越??；但在熱傳導(dǎo)性能上，5愈厚，放熱效果愈差。六、水力光滑管和水力粗糙管任何管道，其壁面總是凸凹不平的，如圖5.5.3 （ a ）所示。圖5.5.3水力光滑和水力粗糙表面峰谷之間的平均距離為：管壁的絕對(duì)粗糙度。當(dāng)： 厶時(shí)

22、，層流邊層完全淹沒了管壁的粗糙凸出部分一一“水力光滑管當(dāng)： 厶時(shí)，紊流與粗糙峰相接觸而產(chǎn)生新的旋渦一一“ 水力粗糙管也有資料指出：5厶時(shí)為水力光滑；0.3 .1時(shí)為完全粗糙；0.3 1 、5.:七、圓管紊流中的水頭損失紊流中的水頭損失hf l v2區(qū)別:層流64Re8F匸 紊流= = fi （Re, ），是一個(gè)只能由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)。Pr所以，計(jì)算紊流hf的關(guān)鍵是確定'ohfd 2g,對(duì)確定的流動(dòng)，l, d ,v是已知的，只要知道-既可求出hf，但取決8F于流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于層流，-=64/ Re （理論分析式并為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)），對(duì)于紊流。因=f1 Re 仝j只能由實(shí)驗(yàn)來確定（提出假設(shè)T實(shí)驗(yàn)修

23、正T經(jīng)驗(yàn)或半徑驗(yàn)公式）I r丿此本節(jié)重點(diǎn)是確定'o第13次課年月日章題目第6章流動(dòng)阻力與水頭損失方式課堂模塊流體流動(dòng)阻力方法重點(diǎn)內(nèi)容學(xué)習(xí)法單元管流水頭損失的計(jì)算手段多媒體基本要求掌握尼古拉茲實(shí)驗(yàn)，會(huì)計(jì)算沿程水頭損失和局部水頭損失重點(diǎn)沿程阻力分析與計(jì)算難點(diǎn)沿程損失系數(shù)的計(jì)算內(nèi)容拓展Flash動(dòng)畫演示參考教材1、張也影流體力學(xué)北京：高等教育出版社，19992、徐文娟工程流體力學(xué)3、 禹華謙.工程流體力學(xué)(水利學(xué)).成都：西南交通大學(xué)出版社，19994、 莫乃榕，工程流體力學(xué)，華中科技大學(xué)出版社，20005、 程 軍、趙毅山流體力學(xué)學(xué)習(xí)方法及解題指導(dǎo) 上海：冋濟(jì)大學(xué)出版社，2004§

24、; 6-6紊流沿程水頭損失尼古拉茨實(shí)驗(yàn)確定阻力系數(shù)是雷諾數(shù)Re及相對(duì)粗糙度 Wr之間的關(guān)系，具體關(guān)系要由實(shí)驗(yàn)確定,最著名的是尼古拉茨于0-9-8 75 衛(wèi) Lo.a a e eO-£4A4,0 424.4 4.6 4.S 3.0- 5.2 5.4 5.6 5.S 6.0I號(hào)J'19321933年間做的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)曲線見圖。01將矚V圖561尼古拉茨實(shí)驗(yàn)曲線由圖可以看出與Re及/r的關(guān)系可以分成 五個(gè)區(qū)間，在不同的區(qū)間，流動(dòng)狀態(tài)不 同，的規(guī)律也不同。第I區(qū)間一層流區(qū)，Re<2320(即lgRe<3.36)。與Re的關(guān)系點(diǎn)都集中在直線I上 ,即rA-64只與Re有關(guān)而與

25、一無關(guān)，符合，rRe第n區(qū)間一層流到紊流的過渡區(qū)，2320< Re<4000（即3.36<lg Re<3.6）。在此區(qū)間內(nèi)，急劇/,所有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)幾乎都集中在n線上，該區(qū)無實(shí)用意義。d ?第川區(qū)間一光滑管紊流區(qū)，4000<Re<26.98（匕卩。對(duì)某一厶/r的管流來說，在一定的Re下，如果，即為水力光滑管，則實(shí)驗(yàn)點(diǎn)就都集中在直線川上，表明與厶仍然無關(guān)，只與Re有關(guān)。, ：/r /的管流，其實(shí)驗(yàn)點(diǎn)愈早（即Re愈小的情況下）離開直線川。d 8191 2 d第”區(qū)間一水力光滑管到水力粗糙管的過渡區(qū)，26.98（）7 < Re<r（）。在此A人區(qū)間內(nèi)，隨著

26、Re/,各種：/r的管流的:.以致.：/r較大的管流，其早一些時(shí)候（即 雷諾數(shù)較小時(shí)）便與d / :：有關(guān)（即轉(zhuǎn)變?yōu)樗Υ植诠埽?；而?r較小的管流，其遲些時(shí)候 （即Re較大時(shí)）才出現(xiàn)這一情況。191 2 d第V區(qū)間一水力粗糙管區(qū) ，Re>p（a）。到達(dá)這一區(qū)間后，每一 A/r的管流的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連線，幾乎都是與 lg Re軸平行的，即入與Re無關(guān)。厶/r /,入/, hf v2，稱此區(qū)間為完全粗糙區(qū)或阻力平方區(qū)。二、 計(jì)算入的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式要求：會(huì)用三、莫迪圖1940年美國普林斯登大學(xué)的莫迪對(duì)天然粗糙管（指工業(yè)用管）作了大量實(shí)驗(yàn)，繪制出與Re及厶/r的關(guān)系圖，即著名的莫迪圖，供實(shí)際計(jì)算使用

27、。要求：會(huì)查例如：Re =902866 ,：/d =0.00052，查莫迪圖，得 =0.017Re=902866, /d =0.0016，查莫迪圖，得 '=0.022 Re=4986, ： /d =0.00125，查莫迪圖，得 =0.0387根據(jù)不同專業(yè)特點(diǎn)選講下面各題，重點(diǎn)是解題思路和方法例5.6.1 長度I =1000m，內(nèi)徑d =200 mm的普通鍍鋅鋼管，用來輸送粘性系數(shù) 二0.355 cm2 /s的重油，測(cè)得其流量 Q = 38 l/s，求其沿程阻力損失。解1.計(jì)算雷諾數(shù)Re以便判別流動(dòng)狀態(tài)-(1.09&080.05D00.090.030.020.0130.01IH3

28、OQIH0.W20015002允氐O.flBSlllllI刃SIESIBI：；yiita mill IHll II lilllo.oai O.DOOK0.0006二漳2扳-HS：S!II!I：!：SKQ.DOSnMfiuiiiiiiEiBs ；：!；SSIiMiiiiiill3IIIIIIIIIIIMlidftAI IIIIIIIIIM!id觀鋸lI“IIIllllllBi運(yùn)盡聖 UK!胞Q(»fHC.009JO'3 4 J 67MIF 2U0Jllilllllll IA 5 6J£i 4 ? 67102( I0114fl i(L0'1lflfcIKII1I

29、IIH l|llhl!HII lillllliiEi0.D0M5fl.OWOOlOCKMXWI圖562 工業(yè)生產(chǎn)管道與Re及/d的關(guān)系圖Q Q0.038v =2 = 1.21m/sA 二腫 0.7884 0.22 d4vd 121 20 Re6817 2320 紊流v 0.3552判斷區(qū)間并計(jì)算阻力系數(shù)'由于Re=6817>4000/ 冷 /1.143而 26.98 d I = 26.98-20 I =33770，符合條件 4000ReB6.983丿10.39丿故為水力光滑管，則0.31640.316468170.25-0.03483計(jì)算沿程阻力損失 hfhf丄d2g20.034

30、8 10001.21.兀0.22 9.8=12.99 m 油柱4.驗(yàn)算、 =32.8d= 32.8 200一 5.16mmRe J 扎 6817 J0.0348因?yàn)槿?5.16mm：厶=0.39mm,故確為水力光滑管。例5.6.2無介質(zhì)磨礦送風(fēng)管道（鋼管），長度I = 30 m，直徑d二750 mm，在溫度t =20°C （t =0.157cm2/s）的情況下，送風(fēng)量 Q =30000m3/h。求：（1）此風(fēng)管中的 沿程阻力損失是多少；（2）使用一段時(shí)間后其絕對(duì)粗糙度為 : = 1.2mm，其沿程損失又是多少。解因?yàn)镼 30000v = = 18.9m/sA 兀2A 0.752 36

31、004Re=vd=v 0.157= 902866>232O紊流取:= 0.39mm，則 26.98-26.98750亍0.39二 152985 : Re根據(jù) 039 =0.00052及Re = 902866,查莫迪圖，得，=0.017。也可應(yīng)用半經(jīng) d 750驗(yàn)公式計(jì)算出 =0.0173。I2 v3018.9一丄、hf =:扎= 0.0173 -12.61 m氣柱d2g0.752 9.8當(dāng) =1.2 mm時(shí)， 1.2= 0.0016 :,按Re二902866 ,查莫迪圖，d750 =0.022。則此風(fēng)管中的沿程損失為所以，風(fēng)管中的沿程損失為得hf - -0.022 衛(wèi)216m 氣柱d 2

32、g0.752 9.8例5.6.3直徑d =200 mm，長度I二300 m的新鑄鐵管，輸送重度為咐=8.82kN/m 3的 石油，已測(cè)得流量Q =882kN/h。如果冬季時(shí)，油的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)：1 =1.092cm2/s,夏季時(shí)， 油的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù) 學(xué)=0.355 cm2/s。問：冬季和夏季輸油管中沿程水頭損失hf是多少？解1.計(jì)算雷諾8823Q 0.0278Q0.0278 m /s v0.885m/s3600 漢 882A 巴乂0224.vd88.5 20Re11621 <2320層流-11.092vd88.5 20Re24986 >2320紊流-20.3552.計(jì)算沿程水頭損失h

33、f冬季為層流，則I v264300 0.8852hf =:扎T2.37 m油柱d 2gRe10.2 2 9.8夏季時(shí)為紊流，由表 41查得，新鑄鐵管的人-0.25mm，則0.25=0.00125，d 200結(jié)合Re2 =4986，查莫迪圖得=0.0387，貝Uhf2v2g= 0.0387300 0.88520.2 2 9.8=2.32 m油柱本次課小結(jié)：1、紊流運(yùn)動(dòng)是準(zhǔn)定常流動(dòng)，各運(yùn)動(dòng)要素均具有時(shí)均化的含義;2、層流和紊流的hf計(jì)算式具有相同的形式。作業(yè)：習(xí)題62思考題：6 5.紊流運(yùn)動(dòng)要素的處理方法和紊流中的摩擦阻力；6 6.紊流核心和層流邊層、 水力光滑管和水力粗糙管的概念；為什么圓管中紊

34、流的速度分布要比層流的均勻？層流邊層的厚度對(duì)紊流區(qū)的流動(dòng)有何影響？6 7 沿程阻力系數(shù)的確定-尼古拉茨試驗(yàn)圖分哪幾個(gè)區(qū)，各個(gè)區(qū)域哪些因素有關(guān)， 并畫出尼古拉茨試驗(yàn)圖；沿程阻力損失計(jì)算的一般公式；第14次課年月日章題目第6章流動(dòng)阻力與水頭損失方式課堂模塊流體流動(dòng)阻力方法重點(diǎn)內(nèi)容學(xué)習(xí)法單元管流水力計(jì)算及水擊現(xiàn)象手段講授討論指導(dǎo)其他基本要求1. 理解局部水頭損失產(chǎn)生的原因，能正確選擇局部水頭損失系數(shù)進(jìn)行 局部水頭損失計(jì)算；2. 了解邊界層的概念，理解邊界層分離的原因；3. 掌握繞流阻力的計(jì)算。重點(diǎn)1. 局部水頭損失產(chǎn)生的原因2. 局部阻力系數(shù)的選擇以及局部水頭損失的計(jì)算；（重點(diǎn)）3. 邊界層的概念，

35、理解邊界層分離的原因；（難點(diǎn)）4. 繞流阻力的計(jì)算。（重點(diǎn)）內(nèi)容拓展討論、思考、作業(yè)：作業(yè)題：習(xí)題6-23； 6-25參考教材1、張也影流體力學(xué)北京：高等教育出版社，19992、徐文娟.工程流體力學(xué)3、 禹華謙.工程流體力學(xué)（水利學(xué)）.成都：西南交通大學(xué)出版社，19994、 莫乃榕，工程流體力學(xué)，華中科技大學(xué)出版社，20005、 程 軍、趙毅山.流體力學(xué)學(xué)習(xí)方法及解題指導(dǎo) 上海：冋濟(jì)大學(xué)出版社，2004§ 6.7局部水頭損失實(shí)際管道往往是由許多管段組成，有時(shí)各管段徑不同，在各管段之間也用各種型式的管件來聯(lián)接。如彎管、漸變管；直線段上還可能裝置有閥門；在渠道 中也常有彎道、漸變段，攔污

36、柵等。這樣水流在流動(dòng)過程中，流向或過水?dāng)嗝嬗?所改變，貝U水流內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)的機(jī)械能也在轉(zhuǎn)化，即勢(shì)能與動(dòng)能相轉(zhuǎn)化并伴有能量損失。所以當(dāng)液流流經(jīng)這些部位時(shí)都要產(chǎn)生局部水頭損失。局部水頭損失的計(jì)算，應(yīng)用理論來解是很困難的，主要是因?yàn)樵诩弊兞髑闆r 下，作用在固體邊界上的動(dòng)水壓強(qiáng)不好確定，目前只有少數(shù)情況可以用理論作近 似分析，大多數(shù)情況還只能用實(shí)驗(yàn)方法來解決。本節(jié)僅以圓管突然擴(kuò)大的局部水 頭損失的計(jì)算為例進(jìn)行介紹。如上圖所示：取斷面1 1和2 2之間的液流為隔離體，分析作用在隔離 體上的力有：作用在斷面1 1和2 2上的動(dòng)水壓力為 RAi和P2A2 ; 作用在環(huán)形面上是渦漩區(qū)，假定此處壓強(qiáng)也按靜水壓強(qiáng)規(guī)

37、律分布，因此作用于該環(huán)形斷面上的動(dòng)水壓力為 R（A2 - AJ ; 隔離體上的重力G= A，G與液流方向的交角為Q，所以重力沿液流方向的分力為：Gcos“. hA2（乙-ZJ ; 管壁阻力略去不計(jì)。在上述各力的作用下，應(yīng)用動(dòng)量方程有：pi Ai - P2 A pi （A2 - Ai） A2（Zi - Z2） = ： Q （： 02 2 - ： 01 1）將Q “2人2代入上式整理得：（Zi - Pi（Z2旦）2（02： 2 -F i）g2對(duì)隔離體兩斷面寫出總流能量方程:沁22ghw(1)因?yàn)檩^小，略去hf，即hm =hw所以：將代入，并令:)-匸2： = ： 2=01hm得：hm二儀型(3)圓

38、管突然擴(kuò)大時(shí)局部水頭損失的理論公2g式用連續(xù)方程：lA "遼人2,： 2 = ： 1代入得:A式中：21 W)2是用擴(kuò)大前流速水頭2g表示的突然擴(kuò)大的局部水頭損失2 _ Y. °1 2A1、2一瓦)2g系數(shù)若用：1嚴(yán)2代入A1則有：hm = (-1)2 式中：2=(-1)是用擴(kuò)大后的流速A2g2gA:丿2水頭二表示的突然擴(kuò)大局部水頭損失系數(shù) 2g各種局部阻力(彎頭、閥門)的形式雖有不同，但造成損失的物理成因是相同的, 因此都可用同一形式的公式計(jì)算，即：式中；局部水頭損失E值可由試驗(yàn)確定，對(duì)不同的邊界情況，有不同的局部 水頭損失系數(shù)E oE值可由查表獲得，查表時(shí)須注意E是對(duì)應(yīng)

39、于該局部水頭損失區(qū)上游斷面的 流速：勺還是下游斷面的流速：2 o§ 6.8邊界層概念與繞流阻力邊界層是在實(shí)際流體的大雷諾數(shù)流動(dòng)中， 緊貼固壁存在的一個(gè)粘性起主導(dǎo)作用的薄流層。根據(jù)邊界層的流動(dòng)特征建立起來的邊界層理論不僅為處理無分離的大雷諾數(shù)流動(dòng)的粘性影響提供了手段，而且也給邊界層外的理想流體假設(shè)提供了依據(jù)，對(duì)理論流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的結(jié)合奠定了基礎(chǔ)。一.邊界層的概念在討論來流繞過物體的外部流動(dòng)時(shí)，如果流動(dòng)的雷諾數(shù)足夠大，似乎有理由 忽略粘性，作理想流體假設(shè)，使問題簡(jiǎn)單易解。然而，不論流動(dòng)的雷諾數(shù)大到什 么程度，也不能改變無滑移物面條件必須滿足這個(gè)事實(shí)，所以緊貼著物體表面， 有一層薄的邊界層，在邊界層中流速從零迅速增大，而且雷諾數(shù)越大，邊界層越薄，流速梯度越大，所以在邊界層中，粘性力是必須要考慮的。而在邊界層外， 則完全可以