流體阻力和水頭損失

1、第四章 流體阻力和水頭損失第四章第四章 流體阻力和水頭損失流體阻力和水頭損失1 1、陳述阻力產(chǎn)生的原因及分類；、陳述阻力產(chǎn)生的原因及分類；2 2、掌握兩種流態(tài)的判別方法；、掌握兩種流態(tài)的判別方法；3 3、理解實際流體運動微分方程式（、理解實際流體運動微分方程式（N-SN-S方程）含義并熟練掌握；方程）含義并熟練掌握；4 4、了解因次分析方法、相似原理；、了解因次分析方法、相似原理；5 5、掌握圓管層流分析；、掌握圓管層流分析；6 6、了解紊流理論分析；、了解紊流理論分析；7 7、掌握圓管紊流沿程水力摩阻的實驗分析。、掌握圓管紊流沿程水力摩阻的實驗分析。教學(xué)目的教學(xué)目的: :第四章 流體阻力和水

2、頭損失第四章第四章 流體阻力和水頭損失流體阻力和水頭損失1 1、雷諾數(shù)，尼古拉茲實驗、雷諾數(shù)，尼古拉茲實驗 ；2 2、紊流的阻力系數(shù)、紊流的阻力系數(shù) ；3 3、沿程損失、沿程損失 ，局部損失，局部損失 ；4 4、圓管層流分析。、圓管層流分析。1 1、實際流體運動微分方程式推導(dǎo)過程；、實際流體運動微分方程式推導(dǎo)過程；2 2、因次分析、因次分析-定理；定理；3 3、紊流理論分析。、紊流理論分析。重重 點點: :難難 點點: :第四章 流體阻力和水頭損失一、基本概念一、基本概念1 1、濕周濕周：管子斷面上流體與固體壁接觸的邊界周長。：管子斷面上流體與固體壁接觸的邊界周長。 以以 表示。表示。2 2、

3、水力半徑水力半徑：斷面面積和濕周之比，：斷面面積和濕周之比， 。AR 圓環(huán)流圓環(huán)流明渠流明渠流第一節(jié)第一節(jié) 液流阻力產(chǎn)生的原因和水頭損失的分類液流阻力產(chǎn)生的原因和水頭損失的分類第四章 流體阻力和水頭損失3 3、絕對粗糙度：壁面上粗糙突起的高度。、絕對粗糙度：壁面上粗糙突起的高度。4 4、平均粗糙度：壁面上粗糙顆粒的平均高度或突起高度、平均粗糙度：壁面上粗糙顆粒的平均高度或突起高度 的平均值。以的平均值。以表示表示。5 5、相對粗糙度：、相對粗糙度：/D /D （D D 管徑）。管徑）。4422dDdDdDR42212aaaR442dddR442aaaR圓管：圓管： 方管：方管： 圓環(huán)流：圓環(huán)流

4、：明渠流：明渠流：第四章 流體阻力和水頭損失二、阻力產(chǎn)生的原因二、阻力產(chǎn)生的原因 1 1、外因、外因（a a）管子的幾何形狀與幾何尺寸。）管子的幾何形狀與幾何尺寸。實驗結(jié)論：實驗結(jié)論： 阻力阻力1 1 阻力阻力2 2 絕對粗糙度絕對粗糙度時，時，對紊對紊流不起作用，稱為水力光滑。流不起作用，稱為水力光滑。（3 3）水力粗糙水力粗糙：當(dāng)：當(dāng)層厚度層厚度 時，時，對紊流有很大的對紊流有很大的影響，稱為水力粗糙。影響，稱為水力粗糙。第四章 流體阻力和水頭損失2 2 速度分布速度分布 壁面附近流動情況分成三個區(qū)域研究：壁面附近流動情況分成三個區(qū)域研究：近壁層流底層近壁層流底層區(qū)、過渡區(qū)、紊流核心區(qū)。區(qū)

5、、過渡區(qū)、紊流核心區(qū)。第四章 流體阻力和水頭損失圓管紊流速度分布近似指數(shù)表達式圓管紊流速度分布近似指數(shù)表達式實驗證明：實驗證明： nmryuu0u um m 軸心處最大流速；軸心處最大流速； y y 坐標(biāo)值；坐標(biāo)值；r ro o 半徑；半徑； n n 指數(shù)。指數(shù)。對于水力光滑管：對于水力光滑管：對于水力粗糙管：對于水力粗糙管： 101n第四章 流體阻力和水頭損失第七節(jié)第七節(jié) 圓管紊流沿程水力摩阻圓管紊流沿程水力摩阻( (實驗分析實驗分析) ) 一、圓管沿程水頭損失計算通式一、圓管沿程水頭損失計算通式 由于紊流運動的復(fù)雜性，水力摩阻系數(shù)的計算無精確公由于紊流運動的復(fù)雜性，水力摩阻系數(shù)的計算無精確

6、公式，它的計算一般借助于經(jīng)驗公式。式，它的計算一般借助于經(jīng)驗公式。 公式推導(dǎo)方法（因次分析法）：公式推導(dǎo)方法（因次分析法）： （1 1）找出影響水力摩阻的各種因素）找出影響水力摩阻的各種因素 （2 2）利用因次分析方法找出其函數(shù)關(guān)系式）利用因次分析方法找出其函數(shù)關(guān)系式 （3 3）實驗處理）實驗處理 （4 4）導(dǎo)出公式）導(dǎo)出公式第四章 流體阻力和水頭損失1 1 影響能耗因素影響能耗因素PPd d V VL LMLML-1-1T T-2-2L LMLML-3-3MLML-1-1T T-1-1LTLT-1-1L LL L2 2 選基本物理量：選基本物理量：、V V、d d 3 3 組成組成4 4個個

7、項：項： 4443332221114321zyxzyxzyxzyxdVdVLdVdVP4 4 據(jù)因次齊次性求各據(jù)因次齊次性求各項：項： ddLVdVP43221,gVddLfPhddLVdfVPhddLVdfVPff2,Re,2,2225 5 列出關(guān)系式：列出關(guān)系式： 第四章 流體阻力和水頭損失實驗證明：實驗證明： h hf f L/D L/D 則：則： gVddLfPhddLVdfVPhddLVdfVPff2,Re,2,222gVddLfPhddLVdfVPhddLVdfVPff2,Re,2,222gVddLfPhddLVdfVPhddLVdfVPff2,Re,2,222gVdLdfhf2R

8、e,22df Re,2令：令： 則：則： gVdLhf22沿程水頭損失計算公式（達西公式）沿程水頭損失計算公式（達西公式）對于水平管：對于水平管：第四章 流體阻力和水頭損失二、計算沿程水力摩阻系數(shù)二、計算沿程水力摩阻系數(shù)的經(jīng)驗公式的經(jīng)驗公式 1 1、確定、確定 的實驗方法的實驗方法 df Re,2與與 Re Re 和和 /D /D 有關(guān)有關(guān)，實驗步驟：，實驗步驟： 選定選定/d/d為定值的管子，變更不同的流量，通過測量一為定值的管子，變更不同的流量，通過測量一定管長的壓差，作定管長的壓差，作 -f-f1 1（ReRe）關(guān)系曲線；）關(guān)系曲線；對于水平管：對于水平管：gVdLphf222222VL

9、gpdVLgdhfVdRe 一個管子測定完后，變更不同相對粗糙度的管子，用一個管子測定完后，變更不同相對粗糙度的管子，用同樣方法實驗，就得出不同相對粗糙度情況下多條曲線。同樣方法實驗，就得出不同相對粗糙度情況下多條曲線。第四章 流體阻力和水頭損失 層流區(qū)層流區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)水力光滑管區(qū)水力光滑管區(qū)ReRe光滑至粗糙過渡區(qū)光滑至粗糙過渡區(qū)水力粗糙管區(qū)水力粗糙管區(qū)尼庫拉茲實驗曲線圖尼庫拉茲實驗曲線圖第四章 流體阻力和水頭損失由尼庫拉茲實驗曲線可知：由尼庫拉茲實驗曲線可知：l 層流狀態(tài)層流狀態(tài), , 圓管內(nèi)沿程阻力損失系數(shù)與粗糙度無關(guān)；圓管內(nèi)沿程阻力損失系數(shù)與粗糙度無關(guān)；l 對于層流向紊流的過渡對于層

10、流向紊流的過渡, , 圓管內(nèi)沿程阻力損失系數(shù)受粗圓管內(nèi)沿程阻力損失系數(shù)受粗糙度的影響較??；糙度的影響較??；l 紊流狀態(tài)，粗糙度對沿程阻力系數(shù)有顯著影響。紊流狀態(tài)，粗糙度對沿程阻力系數(shù)有顯著影響。第四章 流體阻力和水頭損失2 2 計算水力摩阻的莫迪圖計算水力摩阻的莫迪圖 0.050.040.030.020.0150.010.0080.0060.0040.0020.0010.00080.00060.00040.00020.00010.000,050.000,010.10.090.080.070.060.050.040.030.0250.020.0150.010.0090.008層流區(qū)臨界區(qū)過渡區(qū)完

11、全紊流粗糙管區(qū)光滑管區(qū)310410510238654234 5 6 8234 5 6 8234 5 6 8234 5 6 8610710810dRe000001. 0d000005. 0d（用于計算工業(yè)管道）（用于計算工業(yè)管道）第四章 流體阻力和水頭損失3 3 常用計算水力摩阻的經(jīng)驗公式常用計算水力摩阻的經(jīng)驗公式常用公式見教材常用公式見教材125 125 表表4-74-7輸油用特殊橡膠軟管，其水力摩阻的參考經(jīng)驗公式：輸油用特殊橡膠軟管，其水力摩阻的參考經(jīng)驗公式：（1 1）裝有鋼絲圈的橡膠軟管）裝有鋼絲圈的橡膠軟管（2 2）平滑橡膠軟管）平滑橡膠軟管教材教材126126教材教材126126 一般

12、來說，常用管道水力摩阻的計算，都可查閱相關(guān)一般來說，常用管道水力摩阻的計算，都可查閱相關(guān)的經(jīng)驗公式或計算圖表。的經(jīng)驗公式或計算圖表。第四章 流體阻力和水頭損失 例例11：沿程損失：已知管道和流量求沿程損失：沿程損失：已知管道和流量求沿程損失求：冬天和夏天的沿程損失求：冬天和夏天的沿程損失hf解：解：30 027783600mQ.mssmdQV884. 02 . 04278. 0422冬天冬天2300161910092. 12 . 0885. 0Re41Vd層流層流夏天夏天2300498010355. 02 . 0884. 0Re42Vd湍流湍流已知：已知：d d200mm200mm，L L30

13、00m 3000m 的舊無縫鋼管，的舊無縫鋼管，900 kg/m900 kg/m3 3，Q Q90 T/h90 T/h， 在冬天為在冬天為1.0921.0921010-4 -4 m m2 2/s/s，夏天為，夏天為0.3550.3551010-4 -4 m m2 2/s/s。第四章 流體阻力和水頭損失冬天冬天m.gVdlgVdlhf623819288502030001619642Re642222111夏天夏天m.gVdlhf023819288402030000385022222 在夏天，查舊無縫鋼管等效粗糙度在夏天，查舊無縫鋼管等效粗糙度=0.2mm, /=0.2mm, /d=0.0010.0

14、01，查穆迪圖得：查穆迪圖得：2 2=0.0385=0.0385。第四章 流體阻力和水頭損失Q = 0.0314 mQ = 0.0314 m3 3/s/s； 。 例例22：沿程損失：已知沿程損失和流量求管徑：沿程損失：已知沿程損失和流量求管徑求：管徑求：管徑 d d 應(yīng)選多大？應(yīng)選多大？ 解：解：22040403140d.d.AQV由達西公式：由達西公式： 52222108604212dlQ.)dQ(gdlgVdlhf.p/glQ.hlQ.df4222510693619003180400082600826008260dd.dd.Vd400010040040Re52aKPp800已知：已知：L

15、L400m400m的舊無縫鋼管輸送比重的舊無縫鋼管輸送比重0.9, =10 0.9, =10 -5 -5 m m2 2/s /s 的油的油第四章 流體阻力和水頭損失4110064098404000Re./由由/d = 0.2 / 98.4 = 0.002/d = 0.2 / 98.4 = 0.002，查，查 Moody Moody 圖得圖得2 2 = 0.027 = 0.027 d d2 2 = (3.69= (3.691010 4 4 0.027)0.027) 1 / 5 1 / 5 = 0.0996 (m) = 0.0996 (m) ReRe2 2 = 4000 / 0.0996 = 4.

16、01= 4000 / 0.0996 = 4.0110104 4 由由/d = 0.2 / 99.6 = 0.002/d = 0.2 / 99.6 = 0.002，查，查 Moody Moody 圖得圖得3 3 = 0.027= 0.027取取 d = 0.1md = 0.1m。 用迭代法用迭代法: :(m).).(d/3514110498025010693設(shè)設(shè)1 1=0.025=0.025第四章 流體阻力和水頭損失第七節(jié) 局部水力摩阻1 1、局部阻力的產(chǎn)生、局部阻力的產(chǎn)生 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，出于各種凈化、輸送、控制、計在工業(yè)生產(chǎn)過程中，出于各種凈化、輸送、控制、計量等原因，經(jīng)常遇到轉(zhuǎn)彎、加速、

17、減速、分流、合流、調(diào)量等原因，經(jīng)常遇到轉(zhuǎn)彎、加速、減速、分流、合流、調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)，因此必須安裝各種管道附件。節(jié)等環(huán)節(jié)，因此必須安裝各種管道附件。 常用的管件有常用的管件有彎頭、三通、變徑段、短接、活接、進彎頭、三通、變徑段、短接、活接、進出口、過濾器、節(jié)流測量元件、各種閥件出口、過濾器、節(jié)流測量元件、各種閥件等。等。 流體在這些管件中流動時受到擾動，在局部裝置處出流體在這些管件中流動時受到擾動，在局部裝置處出現(xiàn)旋渦區(qū)和速度重新分布。這使得流體產(chǎn)生不規(guī)則地旋轉(zhuǎn)現(xiàn)旋渦區(qū)和速度重新分布。這使得流體產(chǎn)生不規(guī)則地旋轉(zhuǎn)和撞擊運動，消耗能量造成能量損失。和撞擊運動，消耗能量造成能量損失。第四章 流體阻力和水頭

18、損失(1) (1) 局部阻力的產(chǎn)生客觀條件局部阻力的產(chǎn)生客觀條件 A A、管道斷面發(fā)生變化，例如過流斷面突然擴大、縮?。?、管道斷面發(fā)生變化，例如過流斷面突然擴大、縮??； B B、流動方向有改變，例如彎管；、流動方向有改變，例如彎管； C C、管道中有局部裝置，例如安裝閥門。、管道中有局部裝置，例如安裝閥門。第四章 流體阻力和水頭損失(2) (2) 產(chǎn)生局部損失的物理原因產(chǎn)生局部損失的物理原因 A A、液流中流速重新分布、液流中流速重新分布 任何斷面形狀的改變，都必將引起流速的重新分布，因而任何斷面形狀的改變，都必將引起流速的重新分布，因而附加了流體間的相對運動和流體質(zhì)點的急劇變形，結(jié)果導(dǎo)致附加

19、了流體間的相對運動和流體質(zhì)點的急劇變形，結(jié)果導(dǎo)致質(zhì)點間附加摩擦和相互撞擊，使流體能量受到損失。質(zhì)點間附加摩擦和相互撞擊，使流體能量受到損失。 B B、在旋渦中粘性力作功、在旋渦中粘性力作功 流速的重新分布，總是伴隨有流動分離和旋渦的形成，在流速的重新分布，總是伴隨有流動分離和旋渦的形成，在旋渦區(qū)由于粘性的存在，便有摩擦的能量損失。旋渦區(qū)由于粘性的存在，便有摩擦的能量損失。 C C、流體質(zhì)點的混摻引起的動量變化、流體質(zhì)點的混摻引起的動量變化 在旋渦區(qū)中，又有質(zhì)點被主流所帶走，即有動量交換，因在旋渦區(qū)中，又有質(zhì)點被主流所帶走，即有動量交換，因而消耗運動流體的能量。而消耗運動流體的能量。第四章 流體

20、阻力和水頭損失gVdlhj22當(dāng)dl當(dāng)dl當(dāng)2 2、局部水頭損失計算公式、局部水頭損失計算公式（用實驗方法確定）（用實驗方法確定）為局部阻力系數(shù)為局部阻力系數(shù) 在工程實際中，為了便于合并局部和沿程水頭損失，在工程實際中，為了便于合并局部和沿程水頭損失，局部水頭損失也常寫成：局部水頭損失也常寫成：那么當(dāng)量長度：那么當(dāng)量長度：其中：其中：第四章 流體阻力和水頭損失 局部水頭損失從理論上推導(dǎo)一般是很困難的。僅有極局部水頭損失從理論上推導(dǎo)一般是很困難的。僅有極少數(shù)的局部阻力可用理論分析方法進行計算，而絕大多數(shù)少數(shù)的局部阻力可用理論分析方法進行計算，而絕大多數(shù)的局部阻力都需用實驗方法來確定。的局部阻力都

21、需用實驗方法來確定。通過實驗確定局部阻通過實驗確定局部阻力系數(shù)。力系數(shù)。 局部阻力的形式繁多，而且絕大多數(shù)處于紊流狀態(tài)。局部阻力的形式繁多，而且絕大多數(shù)處于紊流狀態(tài)。各種手冊或文獻通過實驗或?qū)嵺`經(jīng)驗，列出了常用的局部各種手冊或文獻通過實驗或?qū)嵺`經(jīng)驗，列出了常用的局部阻力系數(shù)，應(yīng)用時只需阻力系數(shù)，應(yīng)用時只需查表查表即可。如即可。如液壓工程手冊液壓工程手冊上上列出了一些常見局部結(jié)構(gòu)的局部阻力系數(shù)。列出了一些常見局部結(jié)構(gòu)的局部阻力系數(shù)。第四章 流體阻力和水頭損失第四章 流體阻力和水頭損失第四章 流體阻力和水頭損失第四章 流體阻力和水頭損失第四章 流體阻力和水頭損失第四章 流體阻力和水頭損失A A、突然擴大管水頭損失、突然擴大管水頭損失取取1 11 1、2 22 2斷面列方程得：斷面列方程得：gVVpzzhj2p22212121（忽略沿程水力損失（忽略沿程水力損失h hf f）幾種水力摩阻的理論分析幾種水力摩阻的理論分析第四章 流體阻力和水頭損失)VQ(V)Ap(AApAp1