流體力學(xué)學(xué)習(xí)課件第六章流動(dòng)阻力和水頭損失

1、第六章第六章 流動(dòng)阻力和水頭損失流動(dòng)阻力和水頭損失 張炯張炯2022-4-91主要內(nèi)容61 61 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類(lèi)流動(dòng)阻力和水頭損失的分類(lèi)62 62 黏性流體的兩種流態(tài)黏性流體的兩種流態(tài)63 63 沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系64 64 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)65 65 紊流運(yùn)動(dòng)紊流運(yùn)動(dòng)66 66 紊流的沿程水頭損失紊流的沿程水頭損失67 67 局部水頭損失局部水頭損失68 68 邊界層概念與繞流阻力邊界層概念與繞流阻力1、研究?jī)?nèi)容、研究?jī)?nèi)容:恒定不可壓縮流體中的機(jī)械能損失。2、流動(dòng)阻力及其分類(lèi)：、流動(dòng)阻力及其分類(lèi)： 由于流體存在粘性（內(nèi) 因）及由固體

2、邊壁發(fā)生變化（外因）所產(chǎn)生的阻礙流體運(yùn)動(dòng)的力。 61 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類(lèi)一、水頭損失的分類(lèi)一、水頭損失的分類(lèi)按固體邊壁情況的不同，分為：按固體邊壁情況的不同，分為：（1）沿程阻力沿程阻力（2）局部阻力局部阻力由流體粘性所產(chǎn)生的阻礙流體運(yùn)動(dòng)的力。由流體粘性所產(chǎn)生的阻礙流體運(yùn)動(dòng)的力。 在邊壁沿程無(wú)變化（邊壁形狀、尺寸、過(guò)流方向均在邊壁沿程無(wú)變化（邊壁形狀、尺寸、過(guò)流方向均無(wú)變化）的均勻流流段上，產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。無(wú)變化）的均勻流流段上，產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。由固體邊壁發(fā)生改變所產(chǎn)生的阻礙流體運(yùn)動(dòng)的力。由固體邊壁發(fā)生改變所產(chǎn)生的阻礙流體運(yùn)動(dòng)的力。 在邊壁沿程急劇變化，流速分布發(fā)生變化的局部在邊壁沿程急

3、劇變化，流速分布發(fā)生變化的局部區(qū)段上（如管道入口、異徑管、彎管、三通、閥區(qū)段上（如管道入口、異徑管、彎管、三通、閥門(mén)等），集中產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。門(mén)等），集中產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。3、水頭損失的分類(lèi)：、水頭損失的分類(lèi)：（2）局部損失）局部損失 hj （1）沿程損失）沿程損失 hf總水頭總水頭損失損失hw流體克服流體克服沿程沿程阻力所損失掉的能量。阻力所損失掉的能量。流體克服流體克服局部局部阻力所損失掉的能量。阻力所損失掉的能量。兩者不相互干擾時(shí)兩者不相互干擾時(shí)hw = hf + hj注：沿程水頭損失均勻分布在整個(gè)流段上，與流段的長(zhǎng)度成正比。常見(jiàn)的發(fā)生局部水頭損失區(qū)域常見(jiàn)的發(fā)生局部水頭損失區(qū)域 jcjbj

4、afcdfbcfabjfwhhhhhhhhh總水頭損失：總水頭損失：二、水頭損失的計(jì)算公式二、水頭損失的計(jì)算公式1.1.沿程阻力沿程阻力沿程損失沿程損失( (長(zhǎng)度損失、摩擦損失長(zhǎng)度損失、摩擦損失) )gvdlhf22達(dá)西達(dá)西- -魏斯巴赫公式魏斯巴赫公式 沿程阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù) d d 管徑管徑 v v 斷面平均流速斷面平均流速 g g 重力加速度重力加速度2.2.局部阻力局部阻力局部損失局部損失gvhj22 局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù) v v 對(duì)應(yīng)的斷面平均速度對(duì)應(yīng)的斷面平均速度（2）紊流）紊流流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生相互混摻，流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生相互混摻， 流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡與其流向不平行

5、。流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡與其流向不平行。6-2 粘性流體的兩種流態(tài)粘性流體的兩種流態(tài)流體質(zhì)點(diǎn)作規(guī)則運(yùn)動(dòng)，相互不干擾，流體流體質(zhì)點(diǎn)作規(guī)則運(yùn)動(dòng)，相互不干擾，流體 質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡與流向平行。質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡與流向平行。（1）層流）層流一、雷諾實(shí)驗(yàn)（一、雷諾實(shí)驗(yàn)（1880 1883年）年）1、實(shí)驗(yàn)裝置：Qhf實(shí)驗(yàn)證明：沿程損失實(shí)驗(yàn)證明：沿程損失h hf f與與V V的關(guān)系與流態(tài)有關(guān)。的關(guān)系與流態(tài)有關(guān)。1122顏色水K2K1LhfBDCAEVK1VK2LghfLgV2、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)方法：使水流的速度分別使水流的速度分別由小到大由小到大由大到小由大到小改變改變。觀測(cè)現(xiàn)象，并測(cè)出相應(yīng)的數(shù)值（觀測(cè)現(xiàn)象，并測(cè)出相應(yīng)的數(shù)

6、值（ v、 hf ）。）。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：（1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：1 流速流速 v 由小由小大：大：當(dāng)當(dāng) v vcr 時(shí)，時(shí)， 玻璃管中的紅線消失；玻璃管中的紅線消失；2 流速流速 v 由大由大?。盒。寒?dāng)當(dāng) v vcr 時(shí)，時(shí)， 玻璃管中的紅線又重新出現(xiàn)。玻璃管中的紅線又重新出現(xiàn)。vcr上臨界流速； vcr下臨界流速。（2）流態(tài)的劃分：）流態(tài)的劃分：vcr v vcrv vcr層流；紊流；可為層流也可為湍流，保持原有流態(tài)。（3）流速）流速 v 與沿程損失與沿程損失 hf 的關(guān)系的關(guān)系 ： lg vcr lg vlg hflg vcr ABDCE在雷諾實(shí)驗(yàn)中，在雷諾實(shí)驗(yàn)

7、中，測(cè)得多組測(cè)得多組 hf 與與 v 的值，得到的值，得到 v hf 的對(duì)應(yīng)關(guān)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在對(duì)數(shù)紙上系，在對(duì)數(shù)紙上點(diǎn)繪出點(diǎn)繪出 v hf關(guān)系曲線關(guān)系曲線. 如圖所示。如圖所示。k2=1.752.0k1=1.01 當(dāng)流速由小到大時(shí)當(dāng)流速由小到大時(shí)曲線沿曲線沿AEBCD 移動(dòng)；移動(dòng)；2 當(dāng)流速由大到小時(shí)當(dāng)流速由大到小時(shí)曲線沿曲線沿DCEA 移動(dòng)移動(dòng) lg vcr lg vlg hflg vcr ABDCE分析：分析：1 AE 段： lg vcr lg vlg hflg vcr ABDCE層流v CD段：紊流v vcr，為直線段，hf = kv 1.752.0 m2=1.752.0， 直線的斜率 3

8、 EC 段：vcr v vcr ，為折線段。屬過(guò)渡區(qū) ，狀態(tài)取決于原流動(dòng)狀態(tài)。 lg vcr lg vlg hflg vcr ABDCE由于沿程損失與流態(tài)有關(guān)，故計(jì)算hf 時(shí)，應(yīng)先判斷流體的流動(dòng)型態(tài)。二、流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)臨界雷諾數(shù) Rec1、圓管：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 上臨界流速vcr不穩(wěn)定，受起始擾動(dòng)的影響很大；下臨界流速vcr穩(wěn)定，不受起始擾動(dòng)的影響。一般取Rec=2300vdvdRe雷諾數(shù)雷諾數(shù)23002000Redvcc用臨界雷諾數(shù)作為流態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)，只需計(jì)算用臨界雷諾數(shù)作為流態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)，只需計(jì)算出流管的雷諾數(shù)出流管的雷諾數(shù)將Re值與Rec=2300比較，便可判別流態(tài)： ReRec，則vRec，則v

9、vc，流動(dòng)是紊流； Re=Rec，則v=vc，流動(dòng)是臨界流。vdReAR hbR水力半徑 ; 濕周,為過(guò)流斷面與固體邊壁相接觸的周界。x = b +2hR=Ax2、非圓管：、非圓管：3.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 LvLLvL223 Re慣性力與粘性力作用之比判斷流態(tài)圓滿管流（如圖右）圓滿管流（如圖右）4412dddR以水力半徑以水力半徑R R為特征長(zhǎng)度，相應(yīng)的為特征長(zhǎng)度，相應(yīng)的臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)575vRRRec 例：某段自來(lái)水管，d=100mm，v=1.0m/s。水溫10，（1）試判斷管中水流流態(tài)？（2）若要保持層流，最大流速是多少？解:（1）水溫為

10、10時(shí)，水的運(yùn)動(dòng)粘度，由下式計(jì)算得：則： 即：圓管中水流處在紊流狀態(tài)。 （2）要保持層流，最大流速是0.03m/s。63 沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系本節(jié)只對(duì)簡(jiǎn)單均勻流作分析，找出本節(jié)只對(duì)簡(jiǎn)單均勻流作分析，找出 hf 與與 的關(guān)系。的關(guān)系。以圓管為例以圓管為例一、均勻流基本方程一、均勻流基本方程1、沿程損失（、沿程損失（伯努利方程）伯努利方程）gvgv22222211因?yàn)榱黧w的流動(dòng)是恒定、均勻流，因?yàn)榱黧w的流動(dòng)是恒定、均勻流，所以有：所以有：故有故有)()(2211pzpzhf2、均勻流基本方程（力的平衡）：、均勻流基本方程（力的平衡）：如果流體的流動(dòng)為均勻流，則流體的

11、受力應(yīng)平衡。如果流體的流動(dòng)為均勻流，則流體的受力應(yīng)平衡。（1）分析受力，如圖：）分析受力，如圖：重力： ()慣性力： 01 質(zhì)量力：質(zhì)量力：lgAG2 表面力：側(cè)面所受切力：兩斷面所受壓力：p2 A2 (-) p1 A1 (+)soFl 濕周0壁面剪應(yīng)力0fhgRgRJl120cos0p Ap AgAll 21zz 01212flppzzhgggA （2）基本方程：）基本方程：Rlhf0J R0適用于層流與紊流，只要是均勻流即可。gJRv0*v*動(dòng)力速度、阻力速度、剪切速度。3、圓管過(guò)流斷面上剪應(yīng)力分布規(guī)律、圓管過(guò)流斷面上剪應(yīng)力分布規(guī)律表明有壓圓管均勻流過(guò)流斷面上切應(yīng)力呈直線分布。表明有壓圓管

12、均勻流過(guò)流斷面上切應(yīng)力呈直線分布。如圖右所示一水平恒定圓管均勻流，R=r0/2，則由上式可得 同理可得： 所以圓管均勻流切應(yīng)力分布為 或 0 xy二、沿程損失的普遍表達(dá)式二、沿程損失的普遍表達(dá)式達(dá)西公式達(dá)西公式 gvRhf2412gvdlhf22適用于圓形管路適用于非圓形管路 適用于層流與 紊 流。64 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)一、流動(dòng)特征一、流動(dòng)特征由于層流各流層質(zhì)點(diǎn)互不摻混，對(duì)于圓管來(lái)說(shuō)，各層質(zhì)點(diǎn)沿平行管軸線方向運(yùn)動(dòng)。與管壁接觸的一層速度為零，管軸線上速度最大，整個(gè)管流如同無(wú)數(shù)薄壁圓筒一個(gè)套著一個(gè)滑動(dòng)。二、流速分布、流量、平均流速二、流速分布、流量、平均流速 1、流速分布： 積分

13、當(dāng)r=r0時(shí)， u=0由drduJrg2)(2204rrgJu204rgJumax（2）管軸中心處流速最大，為：注：（1）圓管層流過(guò)水?dāng)嗝嫔狭魉俜植汲市D(zhuǎn)拋物面分布；（3）管壁處流速最小，為： umin= 0 umax0ArrgJrdrrrgJudAQ4002208240)(2、流量：3、斷面平均流速：208rgJAQvmaxu21 即圓管層流的平均流速是最大流速的一半。 gvdlgvdlRdvlhef226432222三、沿程水頭損失的計(jì)算三、沿程水頭損失的計(jì)算 208rJv且：且：1、在雷諾實(shí)驗(yàn)中，已知如果流體的流態(tài)為、在雷諾實(shí)驗(yàn)中，已知如果流體的流態(tài)為層流層流， 則有：則有：hf =k

14、v 。 而由以上理論也證明而由以上理論也證明 hf 與與 v 的一次方成正比。的一次方成正比。2、在圓管、在圓管層流層流中，中，只與只與Re有關(guān)。有關(guān)。即：即：=f ( Re )64Re例例1 1 =0.85g/cm=0.85g/cm3 3的油在管徑的油在管徑100mm,100mm,v v=0.18cm=0.18cm2 2/s/s的管中以的管中以v v=6.35cm/s=6.35cm/s的速度作層流運(yùn)動(dòng)，求的速度作層流運(yùn)動(dòng)，求 （1 1）管中心處的最大流速；（）管中心處的最大流速；（2 2）在離管中心）在離管中心r=20mmr=20mm處的流速；處的流速；（3 3）沿程阻力系數(shù)）沿程阻力系數(shù)

15、；（；（4 4）管壁切應(yīng)力）管壁切應(yīng)力0 0及每及每kmkm管長(zhǎng)的水頭損失。管長(zhǎng)的水頭損失。 解 :（1）求管中心最大流速 （2）離管中心r=20mm處的流速2220r44gJurrgJumax)(寫(xiě)成 當(dāng)r=50mm時(shí)，管軸處u=0，則有0=12.7-K52，得K=0.51，則r=20mm在處的流速 （3 3）沿程阻力系數(shù)）沿程阻力系數(shù) 先求出Re （層流） 則 （4）切應(yīng)力及每千米管長(zhǎng)的水頭損失 紊流運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，到目前尚處于半經(jīng)驗(yàn)紊流運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，到目前尚處于半經(jīng)驗(yàn)階段，此處只介紹與流動(dòng)阻力損失有關(guān)的階段，此處只介紹與流動(dòng)阻力損失有關(guān)的理論。理論。65 紊流運(yùn)動(dòng)紊流運(yùn)動(dòng)一、紊流的特點(diǎn)一、

16、紊流的特點(diǎn)紊流的流動(dòng)參數(shù)在時(shí)間、空間上的分布具有隨機(jī)性，同時(shí)又具有統(tǒng)計(jì)上的確定性。脈動(dòng)脈動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)要素在某段時(shí)間內(nèi)以一定值為中流體的運(yùn)動(dòng)要素在某段時(shí)間內(nèi)以一定值為中 心，隨時(shí)間不斷改變的現(xiàn)象，稱(chēng)脈動(dòng)。心，隨時(shí)間不斷改變的現(xiàn)象，稱(chēng)脈動(dòng)。二、紊流脈動(dòng)與時(shí)均化二、紊流脈動(dòng)與時(shí)均化1、脈動(dòng)現(xiàn)象、脈動(dòng)現(xiàn)象由于在紊流運(yùn)動(dòng)中，各流體質(zhì)點(diǎn)間相互混摻，由于在紊流運(yùn)動(dòng)中，各流體質(zhì)點(diǎn)間相互混摻， 使流體各運(yùn)動(dòng)要素發(fā)生脈動(dòng)現(xiàn)象。使流體各運(yùn)動(dòng)要素發(fā)生脈動(dòng)現(xiàn)象。2、時(shí)均化概念、時(shí)均化概念脈動(dòng)流速時(shí)均值：010dtuTuTxx運(yùn)動(dòng)要素在一定時(shí)段內(nèi)時(shí)大時(shí)小，但總運(yùn)動(dòng)要素在一定時(shí)段內(nèi)時(shí)大時(shí)小，但總圍繞一定值（平均值）上下波動(dòng)

17、。圍繞一定值（平均值）上下波動(dòng)。（1）設(shè)某點(diǎn)的瞬時(shí)流速為 ux（以 x 方向?yàn)槔簆pp瞬時(shí)壓強(qiáng)：瞬時(shí)流速：xxxuuuTxxdtuTu01時(shí)均流速：常用紊流度常用紊流度N來(lái)表示紊動(dòng)的程度來(lái)表示紊動(dòng)的程度xzyxuuuuN)(22231想一想：紊流的瞬時(shí)流速、時(shí)均流速、脈動(dòng)流速、斷面平均流速有何聯(lián)系和區(qū)別？ 3、脈動(dòng)現(xiàn)象及時(shí)均化的意義：、脈動(dòng)現(xiàn)象及時(shí)均化的意義：（1）由于紊流中各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間改變，所以應(yīng)屬）由于紊流中各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間改變，所以應(yīng)屬 于非恒定流動(dòng)，但若其時(shí)均值不隨時(shí)間改變，即可于非恒定流動(dòng)，但若其時(shí)均值不隨時(shí)間改變，即可 將其視為恒定流（時(shí)均恒定流），故所有關(guān)于恒定將

18、其視為恒定流（時(shí)均恒定流），故所有關(guān)于恒定 流的公式均可用于此。即采用了時(shí)均化概念，紊流流的公式均可用于此。即采用了時(shí)均化概念，紊流 脈動(dòng)有可能按恒定流來(lái)處理。脈動(dòng)有可能按恒定流來(lái)處理。（2）由于存在脈動(dòng)現(xiàn)象，故紊流與層流相比，其速度分）由于存在脈動(dòng)現(xiàn)象，故紊流與層流相比，其速度分 布、溫度分布、懸浮物分布都更趨平均化。表現(xiàn)在布、溫度分布、懸浮物分布都更趨平均化。表現(xiàn)在 動(dòng)能修正系數(shù)和動(dòng)量修正系數(shù)上，紊流時(shí)近似為動(dòng)能修正系數(shù)和動(dòng)量修正系數(shù)上，紊流時(shí)近似為 1， 而層流時(shí)差別較大。而層流時(shí)差別較大。三、紊流的切應(yīng)力三、紊流的切應(yīng)力1、紊流切應(yīng)力表達(dá)式：、紊流切應(yīng)力表達(dá)式：在紊流中的水流阻力除了粘

19、性阻力外，液體質(zhì)點(diǎn)混摻和動(dòng)量交換還將產(chǎn)生附加的切應(yīng)力，簡(jiǎn)稱(chēng)紊流附加應(yīng)力。因此，紊流的水流阻力可表達(dá)為:yuxdd 121時(shí)均流速產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力時(shí)均流速產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力脈動(dòng)流速產(chǎn)生的附加切應(yīng)力脈動(dòng)流速產(chǎn)生的附加切應(yīng)力（1）粘滯切應(yīng)力可由牛頓內(nèi)摩擦定律解決；）粘滯切應(yīng)力可由牛頓內(nèi)摩擦定律解決；（2）附加切應(yīng)力主要依靠紊流半經(jīng)驗(yàn)理論解決。）附加切應(yīng)力主要依靠紊流半經(jīng)驗(yàn)理論解決。普朗特混合長(zhǎng)度理論； 卡門(mén)理論； 泰勒理論。ReRe數(shù)較小時(shí)，占主導(dǎo)地位數(shù)較小時(shí)，占主導(dǎo)地位ReRe數(shù)很大時(shí)，數(shù)很大時(shí)，121紊流附加切應(yīng)力的半經(jīng)驗(yàn)理論：紊流附加切應(yīng)力的半經(jīng)驗(yàn)理論：22_dyudl vu四、粘性底層四、粘性

20、底層粘性底層：圓管作紊流運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠近管壁處存在著一薄層，粘性底層：圓管作紊流運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠近管壁處存在著一薄層，該層內(nèi)流速梯度較大，粘性影響不可忽略，紊流該層內(nèi)流速梯度較大，粘性影響不可忽略，紊流附加切應(yīng)力可以忽略，速度近似呈線性分布，附加切應(yīng)力可以忽略，速度近似呈線性分布， 這這一薄層就稱(chēng)為粘性底層。一薄層就稱(chēng)為粘性底層。 特點(diǎn)：1 流動(dòng)近似層流； 2 時(shí)均流速為線性分布； 3 紊流附加切應(yīng)力可忽略。 紊流核心：粘性底層之外的液流統(tǒng)稱(chēng)為紊流核心。紊流核心：粘性底層之外的液流統(tǒng)稱(chēng)為紊流核心。 （1）粘性底層的厚度：）粘性底層的厚度：dRe8 .320粘性底層的厚度為：66 紊流的沿程水頭損失紊流的

21、沿程水頭損失任務(wù)： 確定紊流流動(dòng)中確定紊流流動(dòng)中的值。的值。確定方法： 以紊流的半經(jīng)驗(yàn)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以紊流的半經(jīng)驗(yàn)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整理成整理成的半經(jīng)驗(yàn)公式；的半經(jīng)驗(yàn)公式； 直接根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合成直接根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合成的經(jīng)驗(yàn)公式。的經(jīng)驗(yàn)公式。gvdlhf22gvRlhf242一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn) 尼古拉茲進(jìn)行了人工粗糙管的阻力實(shí)驗(yàn)。尼古拉茲進(jìn)行了人工粗糙管的阻力實(shí)驗(yàn)。他用經(jīng)過(guò)仔細(xì)篩分后，粒徑為他用經(jīng)過(guò)仔細(xì)篩分后，粒徑為的沙子粘的沙子粘貼在管壁上形成人工粗糙管。貼在管壁上形成人工粗糙管。 并對(duì)并對(duì)d/=30d/=30、6161、120120、252252、50

22、4504和和10141014六種管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到六種管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到-Re-Re對(duì)數(shù)曲線，對(duì)數(shù)曲線，稱(chēng)為尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線。稱(chēng)為尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線。一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)（1）絕對(duì)粗糙度）絕對(duì)粗糙度粗糙凸出固體壁面的平均高度。粗糙凸出固體壁面的平均高度。（2）相對(duì)粗糙度）相對(duì)粗糙度絕對(duì)粗糙度與過(guò)流斷面上某一特絕對(duì)粗糙度與過(guò)流斷面上某一特性性 幾何尺寸的比值。幾何尺寸的比值。層流沿程阻力系數(shù)層流沿程阻力系數(shù)只是只是Re的函數(shù)，紊流中沿程阻力系數(shù)的函數(shù)，紊流中沿程阻力系數(shù)除和流動(dòng)狀況除和流動(dòng)狀況(Re)有關(guān)外，由于壁面粗糙是對(duì)流動(dòng)的一種有關(guān)外，由于壁面粗糙是對(duì)流動(dòng)的一種擾動(dòng)，因此壁面粗糙

23、是影響沿程阻力系數(shù)的另一個(gè)重要因擾動(dòng)，因此壁面粗糙是影響沿程阻力系數(shù)的另一個(gè)重要因素。素。1、實(shí)驗(yàn)方法：、實(shí)驗(yàn)方法：（1）選擇一組不同相對(duì)粗糙度的人工粗糙管。）選擇一組不同相對(duì)粗糙度的人工粗糙管。 壁面粗糙一般包括粗糙突起的高度、形狀以及疏密和壁面粗糙一般包括粗糙突起的高度、形狀以及疏密和排列等許多因素。尼古拉茲將經(jīng)過(guò)篩選的均勻砂粒緊密地排列等許多因素。尼古拉茲將經(jīng)過(guò)篩選的均勻砂粒緊密地粘在管壁表面，做成人工粗糙。粘在管壁表面，做成人工粗糙。 用砂粒的突出高度（砂粒直徑）表示壁面的絕對(duì)粗用砂粒的突出高度（砂粒直徑）表示壁面的絕對(duì)粗糙。糙。/d表示相對(duì)粗糙。表示相對(duì)粗糙。分析得出：)/,(dRf

24、e（2）實(shí)驗(yàn)裝置：）實(shí)驗(yàn)裝置：gvdlhf22)100lg(lgeR（3）具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：）具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 對(duì)不同相對(duì)糙度的管路，分別測(cè)得一系列 Q， hf ，t， l ，d 。1 計(jì)算：2 做做 Re /d曲線（如圖）曲線（如圖）尼古拉茲圖可分為五個(gè)區(qū)域：尼古拉茲圖可分為五個(gè)區(qū)域：I.層流區(qū)層流區(qū) II. 過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū) III.紊流光滑區(qū)紊流光滑區(qū) IV. 紊流過(guò)渡區(qū)紊流過(guò)渡區(qū) V. 紊流粗糙區(qū)紊流粗糙區(qū)2、實(shí)驗(yàn)分析、實(shí)驗(yàn)分析（據(jù)的變化特征分為五個(gè)區(qū)）：（1）層流區(qū)（）層流區(qū)（區(qū)區(qū)）：）：ab線，lgRe 3.36, Re 2300，=f(Re )（2）層流）層流紊流過(guò)渡區(qū)（紊流過(guò)渡區(qū)（區(qū)區(qū)）

25、bc線，3.36 lgRe 3.6 2300 Re 3.6，Re 4000，=f(Re )（4）紊流過(guò)渡區(qū)（）紊流過(guò)渡區(qū)（區(qū)）：區(qū)）：=f(Re ，/d ) cd，ef之間的曲線族，不同的相對(duì)粗糙管的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布落在不同的曲線上。表明即與Re有關(guān)，又與/d有關(guān)。范圍越大。越小，則其水力光滑區(qū)，dfRe3、實(shí)驗(yàn)意義：（1）較具體的揭示了影響）較具體的揭示了影響的各因素之間的具體關(guān)系。的各因素之間的具體關(guān)系。（2）補(bǔ)充了普朗特半經(jīng)驗(yàn)理論，為推導(dǎo)紊流半經(jīng)）補(bǔ)充了普朗特半經(jīng)驗(yàn)理論，為推導(dǎo)紊流半經(jīng) 驗(yàn)公式提供了依據(jù)。驗(yàn)公式提供了依據(jù)。（5）紊流粗糙區(qū)、阻力平方區(qū)（區(qū)）：=f(/d )ef右側(cè)水平的直線簇，

26、不同的相對(duì)粗糙管的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分別落在不同的的水平直線上。表明只與/d有關(guān)，與Re無(wú)關(guān)。1 (Re , /d )， 2 各流區(qū)流速分布資料。（2）普朗特動(dòng)量傳遞理論 （紊流速度對(duì)數(shù)表達(dá)式）； （1）尼古拉茲實(shí)驗(yàn)資料：二、人工粗糙管路二、人工粗糙管路和和v計(jì)算計(jì)算公式推導(dǎo)依據(jù)：公式推導(dǎo)依據(jù)：1、紊流光滑區(qū)、紊流光滑區(qū)2、紊流粗糙區(qū)、紊流粗糙區(qū)d7321.lg51221.lgeR3、紊流光滑區(qū)向紊流過(guò)渡區(qū)：、紊流光滑區(qū)向紊流過(guò)渡區(qū)： 因人工管路與工業(yè)管路在此區(qū)存在較大因人工管路與工業(yè)管路在此區(qū)存在較大差異，研究此區(qū)無(wú)實(shí)際意義，故在此不做介紹。差異，研究此區(qū)無(wú)實(shí)際意義，故在此不做介紹。另：由于層流紊流過(guò)渡

27、區(qū) （區(qū)）極窄，無(wú)實(shí)際 意義，故不作研究。4、光滑區(qū)、過(guò)渡區(qū)、粗糙區(qū)判別標(biāo)準(zhǔn)、光滑區(qū)、過(guò)渡區(qū)、粗糙區(qū)判別標(biāo)準(zhǔn) （2）過(guò)渡區(qū)：）過(guò)渡區(qū)： 0.40 60 5 Re* 70 （1）光滑區(qū)：）光滑區(qū)： 0. 40 Re* 60 Re* 70*vRe 粗糙雷諾數(shù)粗糙雷諾數(shù)當(dāng)量粗糙度當(dāng)量粗糙度 指和工業(yè)管路粗糙區(qū)指和工業(yè)管路粗糙區(qū)相等的、相等的、 同粒徑的、人工粗糙的砂粒高度。同粒徑的、人工粗糙的砂粒高度。人工管路為等粒徑，即人工管路為等粒徑，即相等。相等。工業(yè)管路粒徑不等，故常用工業(yè)管路粒徑不等，故常用當(dāng)量粗糙度當(dāng)量粗糙度表示。表示。三、實(shí)用（工業(yè)）管路三、實(shí)用（工業(yè)）管路的確定的確定實(shí)際工程中常用的

28、管道，稱(chēng)為工業(yè)管道。實(shí)際工程中常用的管道，稱(chēng)為工業(yè)管道。64工業(yè)管道流區(qū)的劃分及工業(yè)管道流區(qū)的劃分及 的的計(jì)算公式：計(jì)算公式： 1. 1.紊流流區(qū)的劃分紊流流區(qū)的劃分： . .過(guò)渡粗糙區(qū)過(guò)渡粗糙區(qū)： . .水力光滑區(qū)水力光滑區(qū)： . .紊流粗糙區(qū)紊流粗糙區(qū)：。，則水力光滑區(qū)不存在。若范圍：40008080Re4000dd85. 024160Red范圍：85. 024160Re80dd范圍：652. 2. 的的計(jì)算公式：計(jì)算公式：層流：層流：Re64水力光滑區(qū)：水力光滑區(qū)：，布拉修斯經(jīng)驗(yàn)公式。25. 0Re3164. 0紊流粗糙區(qū)紊流粗糙區(qū)(阻力平方區(qū)阻力平方區(qū))：，普朗特公式。8 . 0Rel

29、og21274. 12log21d66過(guò)渡粗糙區(qū)：過(guò)渡粗糙區(qū)：柯列勃洛克公式。,Re51. 27 . 3log21d 柯列勃洛克公式適用于紊流的三個(gè)流區(qū)，故它又柯列勃洛克公式適用于紊流的三個(gè)流區(qū)，故它又被稱(chēng)為紊流沿程損失系數(shù)被稱(chēng)為紊流沿程損失系數(shù) 的綜合的綜合計(jì)算公式計(jì)算公式。 謝才公式謝才公式 通常用于均勻流。將達(dá)西魏斯巴赫公式變形 lhdgvf22lhJf以d=4R， ，代入上式，整理得 RJCRJgv8式中： v 斷面平均流速 R 水力半徑 J 水力坡度 C 謝才系數(shù)（1）曼寧公式：611Rnc （2）巴甫洛夫公式：適用于紊流粗糙區(qū) 謝才系數(shù)謝才系數(shù)式中： n 綜合反映壁面對(duì)水流阻滯作用

30、的系數(shù)，稱(chēng)為粗糙系數(shù)。見(jiàn)表6-3。 R 水力半徑，單位為m。穆迪圖(Moody)gvRhf2412R水力半徑x濕周A過(guò)流斷面面積R =Ax四、非圓管沿程損失計(jì)算四、非圓管沿程損失計(jì)算 例 有一新的給水管道，管徑d=400mm，管長(zhǎng) l =100m，糙率n =0.011，沿程水頭損失hf=0.4m，水流屬于紊流粗糙區(qū)，問(wèn)通過(guò)的流量為多少？ 解 管道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e 水力半徑 利用曼寧公式計(jì)算C值，則 所以流量 例. 給水管為長(zhǎng)40m，直徑d75mm的新鑄鐵管，流量Q7.25L/s, 水溫10C。試求該管段的沿程水頭損失。6-7 局部水頭損失局部水頭損失 局部水頭損失與沿程水頭損失一樣，不同的局部水頭

31、損失與沿程水頭損失一樣，不同的流態(tài)所遵循的規(guī)律也不同。流態(tài)所遵循的規(guī)律也不同。 目前能用理論公式推導(dǎo)出的只有突然擴(kuò)大的局部損失計(jì)算，目前能用理論公式推導(dǎo)出的只有突然擴(kuò)大的局部損失計(jì)算，其它計(jì)算均由實(shí)驗(yàn)而得。因大多數(shù)的流動(dòng)為其它計(jì)算均由實(shí)驗(yàn)而得。因大多數(shù)的流動(dòng)為紊流紊流，故在此，故在此只研究紊流時(shí)的局部損失計(jì)算。只研究紊流時(shí)的局部損失計(jì)算。層流區(qū)： hj v紊流區(qū)： hj v 2gvhj22 一、局部水頭損失的一般分析一、局部水頭損失的一般分析 局部水頭損失產(chǎn)生的原因：邊壁的變化導(dǎo)致漩渦區(qū)的產(chǎn)生，引起能量損失。突然擴(kuò)大突然縮小閘閥三通匯流管道彎頭管道進(jìn)口分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)gvhj22 二、局部損失計(jì)算公式 =f (局部阻礙的形狀 )，