第四章 流動(dòng)阻力和水頭損失PPT課件

1、流動(dòng)阻力的兩種類型hw（pw）流體粘性引起1.沿程阻力沿程損失(長(zhǎng)度損失、摩擦損失)gvdlhf2222vdlpf達(dá)西-魏斯巴赫公式沿程阻力系數(shù)2.局部阻力局部損失gvhj22局部阻力系數(shù)22vpj第1頁(yè)/共79頁(yè)3.總能量損失 jfwhhhjfwppp4.用水頭線表示第2頁(yè)/共79頁(yè)雷雷 諾諾 試試 驗(yàn)驗(yàn) 揭示了沿程水頭損失與流速的關(guān)系。當(dāng)vvc時(shí)， hfv1.752.0 。 發(fā)現(xiàn)了流體流動(dòng)中存在兩種性質(zhì)不同的形態(tài)，即層流和紊流。 層流流體呈層狀流動(dòng)，各層質(zhì)點(diǎn)互不摻混； 紊流流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡極不規(guī)則，各層質(zhì)點(diǎn)相互摻混，且產(chǎn)生隨機(jī)脈動(dòng)。第3頁(yè)/共79頁(yè)粘性流體的兩種流態(tài)1.雷諾實(shí)驗(yàn)（1883

2、年）（a）層流（b）臨界狀態(tài)（c）紊流下臨界流速vc臨界流速上臨界流速vcccvv 請(qǐng)看雷諾實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫演示第4頁(yè)/共79頁(yè)2.分析雷諾實(shí)驗(yàn)vmkhflglglgmfkvh 層流紊流0 . 10 . 11vvkhf0 . 275. 10 . 275. 12vvkhfab段層流ef段紊流be段臨界狀態(tài) 4512563156020 . 11m0 . 275. 12m0 . 23m結(jié)論：流態(tài)不同，沿程損失規(guī)律不同第5頁(yè)/共79頁(yè)3.雷諾數(shù)dvcdvccRedvdvcccReRec臨界雷諾數(shù)（2300左右）Re=vd/雷諾數(shù)（無(wú)量綱）ReRec紊流（包括層流向紊流的臨界區(qū)20004000）結(jié)論：用雷諾數(shù)判

3、斷流態(tài)第6頁(yè)/共79頁(yè)非圓管流動(dòng)流態(tài)的判別非圓管流動(dòng)流態(tài)的判別 對(duì)于非圓形斷面管道和明渠水流，則采用特征長(zhǎng)度R（水力半徑）表示。 過(guò)流斷面上流體與固體接觸的周界，簡(jiǎn)稱濕周。 相應(yīng)的臨界雷諾數(shù)為 AR 57542300RevRc第7頁(yè)/共79頁(yè)4.用量綱分析說(shuō)明雷諾數(shù)的物理意義 Lv dnduAam粘性力慣性力 LvLLvL223Re慣性力與粘性力作用之比判斷流態(tài)第8頁(yè)/共79頁(yè)沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系 各力之間的平衡式: 兩斷面的能量方程: 均勻流基本方程式 切應(yīng)力分布:0cos021lgAlApAp RJ0fhgvgpzgvgpz222222211100rr第9頁(yè)

4、/共79頁(yè)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)1.流動(dòng)特性l 流體呈層狀流動(dòng)，各層質(zhì)點(diǎn)互不摻混層流中的切應(yīng)力為粘性切應(yīng)力其中 y=r0-rdydudrdu第10頁(yè)/共79頁(yè)2.斷面流速分布drdu牛頓內(nèi)摩擦定律又Jrg2rdrgJdu2積分（a）2204rrgJu旋轉(zhuǎn)拋物面20max4rgJurrurdrgJdu020第11頁(yè)/共79頁(yè)（b）平均速度AudAAQv（c）層流動(dòng)能修正系數(shù)233AvdAuA層流動(dòng)量修正系數(shù)33. 122AvdAuA20002rrdrur208Jrgmax21u測(cè)量圓管層流平均速度的方法第12頁(yè)/共79頁(yè)3.沿程損失系數(shù)208grvlJlhf又gvdlhf22比較ReRe64f注意：v

5、，但hfv232gdvl0 . 1v第13頁(yè)/共79頁(yè)Qldhf1284RecRelcxcxdRe058. 0 工程中的應(yīng)用量測(cè)流體粘度：應(yīng)用上述公式要注意兩個(gè)方面：為起始長(zhǎng)度第14頁(yè)/共79頁(yè)4.例：應(yīng)用細(xì)管式粘度計(jì)測(cè)油的粘度，細(xì)管d=6mm，l=2m，Q=77cm3/s，水銀壓差計(jì)讀值h=30cm，水銀密度m=13600kg/m3，油的密度=900kg/m3，求油的運(yùn)動(dòng)粘度解：fhsmdQv/73. 242設(shè)為層流gvdlhf2Re642mhm23. 4第15頁(yè)/共79頁(yè)解得運(yùn)動(dòng)粘度smlvgdhf/1054. 8642262校核流態(tài)23001918Revd計(jì)算成立第16頁(yè)/共79頁(yè)紊 流

6、 運(yùn) 動(dòng)1.紊流的特性渦體的產(chǎn)生 各流層間的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，相互摻混，其運(yùn)動(dòng)要素在空間、時(shí)間上均呈現(xiàn)隨機(jī)的脈動(dòng)現(xiàn)象。 第17頁(yè)/共79頁(yè)2.紊流運(yùn)動(dòng)的時(shí)均化脈動(dòng)性（1）瞬時(shí)速度u（2）時(shí)均速度（3）脈動(dòng)速度u（4）斷面平均速度vuTttudtTu001uuu0100TttdtuTudAuAvA1即把紊流運(yùn)動(dòng)看成為是時(shí)均流動(dòng)和脈動(dòng)流動(dòng)的疊加 第18頁(yè)/共79頁(yè)紊流的切應(yīng)力紊流的切應(yīng)力 紊流運(yùn)動(dòng)分解為兩種流動(dòng)的疊加： 時(shí)均運(yùn)動(dòng) 脈動(dòng)運(yùn)動(dòng) a、時(shí)均運(yùn)動(dòng)流層間產(chǎn)生的粘性切應(yīng)力：ydudx1第19頁(yè)/共79頁(yè)b.脈動(dòng)流動(dòng)引起的切應(yīng)力（附加切應(yīng)力、慣性切應(yīng)力、雷諾切應(yīng)力）22yxuuc.切應(yīng)力21靠近壁

7、面且Re數(shù)較小時(shí)，占主導(dǎo)地位離開壁面且Re數(shù)很大時(shí)，112第20頁(yè)/共79頁(yè)4.混合長(zhǎng)度理論 的計(jì)算2普朗特混合長(zhǎng)度理論的要點(diǎn)（假設(shè)）（1）流體質(zhì)點(diǎn)因脈動(dòng)橫向位移l1到達(dá)新的空間點(diǎn)，才同周圍點(diǎn)發(fā)生動(dòng)量交換，失去原有特征，l1稱混合長(zhǎng)度 dyudlyulyuxxx11 dyudlyulyuuxxxx11第21頁(yè)/共79頁(yè)（2）dyudlcuxx11dyudlcuxy1222221212dyudldyudlccxx21212lccl亦稱為混合長(zhǎng)度dyduldydudydul22212Relu雷諾數(shù)越大，紊流越劇烈，2橫向脈動(dòng)速度xu與縱向脈動(dòng)速度為同一量級(jí)，并與du/dy存在一定比例關(guān)系 l（3）

8、混合長(zhǎng)度只與質(zhì)點(diǎn)到壁面的距離有關(guān)，。kyl 第22頁(yè)/共79頁(yè)5.紊流的速度分布規(guī)律紊流2202dydul壁面附近切應(yīng)力kyl （k是實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，稱卡門常數(shù)k0.4）01kydydu積分得cykuln10普朗特-卡門對(duì)數(shù)分布規(guī)律第23頁(yè)/共79頁(yè)6.紊流流動(dòng)結(jié)構(gòu)圖粘性底層在固體邊壁處存在一層極薄的，紊動(dòng)附加切應(yīng)力很小忽略不計(jì)，粘性切應(yīng)力占主導(dǎo)地位的極薄流體層。也稱層流底層。其厚度與雷諾數(shù)成反比。Re8 .328 .32dv粘性底層雖然很薄，但卻對(duì)紊流流速分布和流動(dòng)阻力具有重大影響 1層流底層；2過(guò)渡區(qū)；3紊流核心第24頁(yè)/共79頁(yè)圓管紊流的沿程損失dkf Re,k絕對(duì)粗糙度k/d相對(duì)粗糙度

9、1.尼古拉茲實(shí)驗(yàn)（1933-1934）（1）實(shí)驗(yàn)曲線人工粗糙（尼古拉茲粗糙）第25頁(yè)/共79頁(yè)RefRe64RefRefdkfsRe,dkfs尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)1.層流區(qū) 2.層流向紊流的過(guò)渡區(qū) 范圍很小，實(shí)用意義不大；4.紊流過(guò)渡區(qū) 5.紊流粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)） 3.紊流光滑區(qū) 第26頁(yè)/共79頁(yè)（2）變化規(guī)律層流底層的變化紊流光滑區(qū)紊流過(guò)渡區(qū)紊流粗糙區(qū)4 . 0sk64 . 0sk6sk第27頁(yè)/共79頁(yè)2.紊流沿程損失系數(shù)（1）紊流光滑區(qū)尼古拉茲光滑區(qū)公式51. 2Relg21Ref采用此式求解較困難第28頁(yè)/共79頁(yè)（2）紊流粗糙區(qū)尼古拉茲粗糙區(qū)公式kd7 . 3lg21dkf第

10、29頁(yè)/共79頁(yè)（3）紊流過(guò)渡區(qū)a.工業(yè)管道當(dāng)量粗糙度ke和工業(yè)管道粗糙區(qū)值相等的同直徑的尼古拉茲粗糙管的粗糙度常用工業(yè)管道的ke管道材料ke(mm)管道材料ke(mm)新氯乙烯管00.002鍍鋅鋼管0.15鉛管、銅管、玻璃管0.01新鑄鐵管0.150.5鋼管0.046鋼板制風(fēng)管0.15涂瀝青鑄鐵管 0.12混凝土管0.33.0第30頁(yè)/共79頁(yè)b.柯列勃洛克公式Re51. 27 . 3lg21dkdkf Re,此式為尼古拉茲光滑區(qū)和粗糙區(qū)公式的疊加第31頁(yè)/共79頁(yè)c.莫迪圖按柯氏公式計(jì)算第32頁(yè)/共79頁(yè) 經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式水力光滑區(qū)：布拉修斯公式（e1.2m/s3 . 03.0867. 0

11、10179. 0vd3.00210.0d適用于舊鋼管和舊鑄鐵管第34頁(yè)/共79頁(yè) 經(jīng)經(jīng) 驗(yàn)驗(yàn) 公公 式式 謝才公式-流速與水力坡度、水力半徑關(guān)系 謝才系數(shù)；水力半徑；水力坡度。曼寧公式：粗糙系數(shù)。RJCv 611RnC 適用范圍：mRn5 . 0,020. 0。第35頁(yè)/共79頁(yè)yRnC110. 075. 013. 05 . 2nRnymR1ny5 . 1mR1ny3 . 104.0011.0,0.31.0nmRm巴浦洛夫斯基公式： 或 當(dāng) 當(dāng) 適用范圍：。第36頁(yè)/共79頁(yè)gvdlhef22Rde4非圓管斷面的管道沿程損失： 其中，第37頁(yè)/共79頁(yè)非圓管中的流動(dòng)1.水力半徑RAR 濕周圓管

12、的水力半徑AR 2d邊長(zhǎng)分別為a和b的矩形斷面水力半徑AR 442dddbaab2若為明渠流AR baab2第38頁(yè)/共79頁(yè)2.當(dāng)量直徑deRde4圓管的當(dāng)量直徑de=4R=d矩形斷面的當(dāng)量直徑baabRde24適用范圍：（1）紊流；（2）斷面與圓管不可差異太大第39頁(yè)/共79頁(yè)3.例：圓環(huán)外徑r1、內(nèi)徑r2（1）水力半徑（2）當(dāng)量直徑21212221212rrrrrrR2124rrRde第40頁(yè)/共79頁(yè)例：給水管長(zhǎng)30m，直徑d=75mm，材料為新鑄鐵管，流量Q=7.25L/s，水溫t=10，求該管段的沿程水頭損失解：242101 .444mdAsmAQv/64. 1水溫t=10時(shí)，水的

13、運(yùn)動(dòng)粘度=1.3110-6m2/s94100Revd第41頁(yè)/共79頁(yè)當(dāng)量粗糙度ke=0.25mm，ke/d=0.003由Re、ke/d查莫迪圖，得=0.028或由公式 ，得=0.02825. 0Re6811. 0dkmgvdlhf54. 122第42頁(yè)/共79頁(yè)例：溫度為例：溫度為20的水在的水在0cm0cm的焊接鋼管中流動(dòng)，已知的焊接鋼管中流動(dòng)，已知水力坡度水力坡度.006.006，求，求例：用清潔的新熟鐵管輸送.25m3/s,的油,=0.093cm2/s,已知L=3000m,hf=23m,求管徑d.例4: 有兩根管道,L相等,d相等,ks相等,但一根輸送粘度小的水，另一根輸送粘度大的油.

14、1.如v相等,問(wèn)兩者的hf是否相當(dāng)?2.如兩者的Re相等,問(wèn)兩者的hf是否相當(dāng)?第43頁(yè)/共79頁(yè)局部阻力及損失的計(jì)算gvhj221.局部阻力產(chǎn)生的原因第44頁(yè)/共79頁(yè)局部阻礙的形狀、尺寸f阻力流線演示第45頁(yè)/共79頁(yè)2.幾種常見的局部損失系數(shù)（1）突然擴(kuò)大列1-1和2-2斷面的能量方程jhgvgpzgvgpz2222222111列動(dòng)量方程122122221vvQzzgAApApgvvhj2212第46頁(yè)/共79頁(yè)由連續(xù)性方程2211AvAvgvgvAAhj22121121221或gvgvAAhj22122222212注意：1v1；2v2特例：=1管道的出口損失系數(shù)第47頁(yè)/共79頁(yè)（2）

15、突然縮小1215 . 0AA特例：=0.5管道的入口損失系數(shù)v2（3）漸擴(kuò)管gvnhf2112sin8212gvnkhex211212第48頁(yè)/共79頁(yè)當(dāng)20，k=sin2211112sin8nkn公式、圖表=58，最小（4）漸縮管收縮角n=A2/A1收縮面積比v12v第49頁(yè)/共79頁(yè)（5）彎管二次流螺旋運(yùn)動(dòng)影響長(zhǎng)度50倍管徑減小彎管轉(zhuǎn)角、增大R/d或設(shè)置導(dǎo)流葉片，減小二次流第50頁(yè)/共79頁(yè)（6）三通圖表3v水力計(jì)算時(shí)，只考慮支管（阻力大）第51頁(yè)/共79頁(yè)3.局部阻礙之間的相互干擾21c兩個(gè)局部阻礙之間間距大于3倍管徑， ，且安全21c21c21c4.減阻措施a.物理b.化學(xué)：添加少量的

16、減阻劑第52頁(yè)/共79頁(yè)繞 流 運(yùn) 動(dòng)繞流、流場(chǎng)分布、物體受力1.邊界層的概念（1904年普朗特提出）兩類不同性質(zhì)的流動(dòng)：（1）物體邊界附近薄層由于粘性力作用，有很大的速度梯度du/dy邊界層（附面層）；（2）邊界層以外的流動(dòng)，粘性力作用不計(jì)理想流體無(wú)旋流動(dòng)（勢(shì)流）第53頁(yè)/共79頁(yè)2.平板上的邊界層邊界層厚度（99%u0處）邊界層的特點(diǎn)：a.很?。╩m級(jí)）；b.隨著沿平板流動(dòng)的深入，邊界層厚度增加；第54頁(yè)/共79頁(yè)c.流態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù)d.85002700Re0cu650103103Recxxu或0yp0 xp第55頁(yè)/共79頁(yè)3.內(nèi)流的邊界層=r0管道進(jìn)口段進(jìn)口至=r0處，50100倍

17、d進(jìn)口的局部損失第56頁(yè)/共79頁(yè)0 xp邊界層分離，形成旋渦4.曲面邊界層及邊界層分離現(xiàn)象第57頁(yè)/共79頁(yè)分析端點(diǎn)：u=0（駐點(diǎn)、滯止點(diǎn)）壓強(qiáng)最大BC：增速減壓 促進(jìn)流動(dòng)0 xp第58頁(yè)/共79頁(yè)CS：減速增壓0 xpS：分離點(diǎn)u=0（駐點(diǎn)、滯止點(diǎn)）SE：尾流區(qū)第59頁(yè)/共79頁(yè)圓柱后部發(fā)生的流動(dòng)分離形成一對(duì)旋渦“貓眼”第60頁(yè)/共79頁(yè)這是從靜止開始的運(yùn)動(dòng)初期邊界層的發(fā)展速度增大，分離點(diǎn)前移第61頁(yè)/共79頁(yè)壓差阻力（形狀阻力）：迎面駐點(diǎn)壓強(qiáng)與尾流區(qū)壓強(qiáng)之差，它取決于分離點(diǎn)的位置和尾流區(qū)的大小減小繞流阻力減小壓差阻力流線型物體第62頁(yè)/共79頁(yè)5.繞流阻力摩擦阻力、壓差阻力薄平板摩擦阻力

18、有尖銳邊緣（薄圓盤）壓差阻力曲面物體（圓球）既有摩擦阻力又有壓差阻力（1）公式220uACDdA特征面積對(duì)摩擦阻力，A是接觸平面；對(duì)壓差阻力，A是垂直于來(lái)流方向的投影面積第63頁(yè)/共79頁(yè)（2）繞流阻力系數(shù)Cda.薄平板CdCdf層流：Re46. 1dfC紊流：5Re074. 0dfC7510103Re58. 2Relg445. 0dfC9510Re10混合邊界層：Re1700Re074. 05dfC第64頁(yè)/共79頁(yè)b.曲面物體dpdfdCCC阻力系數(shù)隨Re數(shù)而變化，分6個(gè)區(qū)域第65頁(yè)/共79頁(yè)Re60卡門渦街，摩擦阻力、壓差阻力， Dv1.5阻力系數(shù)隨Re數(shù)而變化，分6個(gè)區(qū)域第66頁(yè)/共79頁(yè)500Re2105分離嚴(yán)重，壓差阻力，Dv22105Re5105分離區(qū)縮小，Cd跌落Re5105分離點(diǎn)又向前移，Cd回升Re3106Cd與Re無(wú)關(guān)第67頁(yè)/共79頁(yè)圓球曲線基本與圓柱體一致第68頁(yè)/共79頁(yè)Re103，只有壓差阻力，分離點(diǎn)固定在圓盤邊線上，Cd為一常數(shù)第71頁(yè)/共79頁(yè)d.例：一盒形拖車，寬b=2.5m，高h(yuǎn)=3m，長(zhǎng)a=10.5m，該拖車在空氣（=1.24kg/m3，=0.14cm2/s）中以v0=27m/s速度行駛，求拖車兩邊和頂部的摩擦阻力；若拖車的阻力系數(shù)CD=0.45，求作