流動(dòng)阻力與能量損失 (2)ppt課件

1、第四章 流動(dòng)阻力與能量損失 部分機(jī)械能不可逆轉(zhuǎn)化為熱能，構(gòu)成能量損失。 多采用半閱歷實(shí)際內(nèi)因是：粘滯力耗散外因是：固壁對(duì)流體的阻滯和擾動(dòng)一流動(dòng)阻力與能量損失一流動(dòng)阻力與能量損失的兩種方式的兩種方式沿程損失和部分損失的表現(xiàn)方式？wwhHHgvgpzHhgvgpzgvgpz0201202222221111222hw=hf+hj 沿程損失 部分損失在長(zhǎng)直管道或長(zhǎng)直明渠中, 流動(dòng)為均勻流或漸變流, 流動(dòng)阻力中只包括與流程的長(zhǎng)短有關(guān)的摩擦阻力-沿程阻力在流道發(fā)生突變的部分區(qū)域, 流動(dòng)屬于變化較猛烈的急變流, 流動(dòng)構(gòu)造急劇調(diào)整, 流速大小, 方向迅速改動(dòng), 往往拌有流動(dòng)分別和旋渦運(yùn)動(dòng), 流體內(nèi)部摩擦作用增

2、大, 稱(chēng)這種流動(dòng)阻力-部分阻力hw=hf+hj 沿程損失 部分損失gvhj22達(dá)西公式gvdLhf22部分損失: 沿程損失系數(shù) : 部分損失系數(shù) 雷諾(O.Reynolds)實(shí)驗(yàn)水金屬網(wǎng)排水進(jìn)水玻璃管節(jié)門(mén)有色液體層流層流: 分層流動(dòng)分層流動(dòng) 有條不紊有條不紊 互不摻混互不摻混紊流紊流(湍流湍流): 雜亂無(wú)章雜亂無(wú)章 相互摻混相互摻混 渦旋紊亂渦旋紊亂二流體運(yùn)動(dòng)的兩種流態(tài)層流與紊流的概念層流與紊流的概念f層流區(qū)lghwlgV紊流區(qū)過(guò)渡區(qū)bcdealgVelgVe流態(tài)的判別-雷諾數(shù)22ReRe2rRrrAARvRvdvdd為特征長(zhǎng)度, 引入水力學(xué)半徑概念(R ) , A為過(guò)流斷面面積為濕周即斷面上

3、因固體邊緣與流體相接觸的周長(zhǎng)Re2000, 流態(tài)屬紊流 紊流的成因: 層流 紊流 轉(zhuǎn)捩 擾動(dòng) 3LLVV2LLV慣性力23ReLLvLLvvvL粘性力雷諾數(shù)的物理意義雷諾數(shù)的物理意義: (1)流態(tài)轉(zhuǎn)捩的判別準(zhǔn)那么流態(tài)轉(zhuǎn)捩的判別準(zhǔn)那么 (2)慣性力與粘性力之比慣性力與粘性力之比例4-1 水=1.7910-6m2/s, 油=30 10-6m2/s, 假設(shè)它們以v=0.5m/s的流速在直徑為 d=100mm的圓管中流動(dòng), 試確定其流動(dòng)形狀解:水的流動(dòng)雷諾數(shù)2000166710301 . 05 . 0Re62Vd流動(dòng)為紊流形狀油的流動(dòng)雷諾數(shù)2000279331079. 11 . 05 . 0Re61v

4、d所以流動(dòng)為層流流態(tài)例4-2 運(yùn)動(dòng)粘度 =1.310-5m2/s 的空氣在寬 B=1m, 高H=1.5m的矩形截面通風(fēng)管道中流動(dòng), 求堅(jiān)持層流流態(tài)的最大流速 解:)(3 . 05 . 12125 . 1122mHBBHAR堅(jiān)持層流的最大流速即是臨界流速)/(022.03 .0103 .1500Re5,smRvRccp2p1L設(shè)流動(dòng)定常, 充分開(kāi)展, 那么4202)(021221dlprlpprlrpp20218vgpgpphf結(jié)合達(dá)西公式8)(2*02*uvuu* 稱(chēng)摩擦速度, 該式對(duì)層流與紊流均適用 三 圓管中的層流r00yx0drr利用公式 )(412Crlpu對(duì)于層流)(4102200r

5、rlpuurrdrdu221rlpp 420rlpum824000rlprudrQr拋物線分布r00yx0drr8120rlpudAAvA所以 max21uV 利用速度分布AdAvuA0 .2)(13AdAvuA33.1)(12結(jié)合達(dá)西公式非圓形截面管流的達(dá)西公式為)(ReRe646428220vdvdgvdlgrvlgphfgvRlhf242例4-3 d=100mm, L=16km, 油在油管中流動(dòng), 油=915kg/m3, =1.8610-4m2/s, 求每小時(shí)經(jīng)過(guò) 50t 油所需求的功率解:200010431086.11.094.1Re/94.1/0152.036009151000504

6、3VdsmAQVsmQQm)(6.2532.18836001000508.932.1888.9294.11.0106.106136.0206136.0104364Re64232kWhgQPmgVdLhfmf作業(yè) 4-6，4-7某點(diǎn)速度的丈量uuuudtTuT01紊流流動(dòng)的特征隨機(jī)性 統(tǒng)計(jì)意義上確實(shí)定性瞬時(shí)量 平均量 脈動(dòng)量(1)紊流運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性VwvuI)(31222I為紊動(dòng)強(qiáng)度四 紊流流動(dòng)uuuudtTuT01vFu利用動(dòng)量定理于圖示控制體,有AvuuQF兩邊除A, 并取平均值dyduvudyduyuvudyduTT)(2121T稱(chēng)為紊動(dòng)粘度(2)紊流運(yùn)動(dòng)的阻力T稱(chēng)為紊動(dòng)粘度普朗特混合長(zhǎng)度假

7、說(shuō)稱(chēng)為混合長(zhǎng)度luya0yxlyuulAb渦體abluvdydulccucvdydulcu212122222212222212112)()()(dydullccldydulccdydulccdydulc紊流流動(dòng)的近壁特征 (ks)-絕對(duì)粗糙度/d (ks/d)-相對(duì)粗糙度(1)水力光滑壁面: (ks) 0(3)過(guò)渡粗糙壁面: 介于其間粘性底層 過(guò)渡層 紊流流核區(qū)(紊流中心區(qū))粘性底層厚度vddReRe8 .320其中 Re 為雷諾數(shù) 為沿程阻力系數(shù)200*8vu2*)(88vuvu6 .11Re6 .11*0*0uu圓管紊流的斷面流速分布(1). 粘性底層(2). 紊流中心區(qū)2222*0)(d

8、yduludykyududydukyukkyl*222*)()(4.0積分有Cykuuln*Re8 .32d厚度*2*00/yuuuuyudydu五.沿程阻力系數(shù)確實(shí)定 一、沿程阻力系數(shù)的影響要素 在層流中，= 64/Re ,即僅與Re有關(guān)。 在紊流中，那么有 =f(Re , 流體邊境條件 而 流體邊境條件=f管長(zhǎng)，斷面外形及大小,壁面粗糙) 普通來(lái)說(shuō),對(duì)圓管,過(guò)流斷面的外形固定了,而管長(zhǎng)和管徑也是一定 ，因此邊境條件中只剩下壁面粗糙需森經(jīng)過(guò)來(lái)反映。所以 =f(Re, K/d) 一. 尼古拉茲實(shí)驗(yàn) 尼古拉茲用多種管徑和多種粒徑的砂粒，得到了K/d= 1/30 1/1024六種不同的相對(duì)粗糙。在

9、類(lèi)似于雷諾實(shí)驗(yàn)的安裝中，量測(cè)不同流量時(shí)的平均流速v和沿程損失hf 。根據(jù)Re=vd/ 和=d/L*2g/v2 *hf 兩式，算出e和。 把實(shí)驗(yàn)結(jié)點(diǎn)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，得到圖12五 . 沿程阻力系數(shù)確實(shí)定尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線 五區(qū)lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV1. 五個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)： 層流區(qū) Re2000 臨界區(qū) 2000Re4000 紊流光滑區(qū) 4000 Re 26.98 ( ) 紊流過(guò)渡區(qū)

10、26.98 () Re = 4160 0.85 = 32.8d/(Re0.5 ) K 時(shí)，主流外圍光滑 K 時(shí)，主流外圍旋渦加強(qiáng) 在K左右時(shí)，介于二者之間 2. 層流底層或粘性底層或邊境底層 當(dāng)其邊境底層小粗糙糙粒高度K時(shí)，糙粒伸入到管流的主流中心區(qū)，大大加劇了流體的撓擾動(dòng)，大大添加了能量損失，這樣的流動(dòng)叫做水力粗糙流動(dòng)。這樣的管叫做水力粗糙管。 水在有壓管內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)其邊境底層大于管壁的粗糙糙粒高度時(shí)，就象在光滑的管子里面流動(dòng)，其能量損失非常小，這樣的流動(dòng)我們把它叫做水力光滑流動(dòng)。這樣的管叫做水力光滑管。 假設(shè)邊境底層和粗糙糙粒高度K相比，在同一個(gè)可比級(jí)別，介于亍上述二者之間，那么稱(chēng)之謂過(guò)渡區(qū)

11、流動(dòng)，為了與第一個(gè)過(guò)渡區(qū)以示區(qū)別，稱(chēng)之曰第二過(guò)渡區(qū)，或第二臨界區(qū)。 3.尼古拉茲粗糙與當(dāng)量粗糙，當(dāng)量糙粒高度為了實(shí)際上描畫(huà)沿程阻力系數(shù)，尼古拉茲選擇了一種理想粗糙，這種粗糙的糙粒大小一樣，外形一樣，且都是圓形，均勻地粘在管壁上，如下圖，習(xí)慣上把這種粗糙稱(chēng)為尼古拉茲粗糙。為了籠統(tǒng)地描畫(huà)尼古拉茲粗糙，實(shí)驗(yàn)上常 把尼古拉茲粗糙的糙粒高度K與管子內(nèi)徑d 的比值稱(chēng)為相對(duì)粗糙度。而把d/K稱(chēng)為相對(duì)光滑度。對(duì)于工業(yè)管道，也就是真實(shí)的管子，其內(nèi)壁的粗糙并不是和尼氏粗糙一樣，它的粗糙糙粒大小與外形往往沒(méi)有規(guī)律。它的粗糙 糙粒高度往往按照一個(gè)當(dāng)量值來(lái)確定。在流膂力學(xué)中，把人工粗糙作為度量管壁粗糙的根本規(guī)范。所謂當(dāng)

12、量粗糙度，就是指和實(shí)踐管道在紊流粗糙區(qū)值相等的同直徑人工粗糙管的糙粒高度。 二.莫迪圖二莫迪圖 .莫迪圖的產(chǎn)生 二者的區(qū)別 在紊流光滑區(qū)兩種管道的實(shí)驗(yàn)曲線是重合的。但在莫氏圖上，在較小的雷諾數(shù)時(shí)，實(shí)踐的曲線較早的脫離紊流光滑區(qū)。 在紊流過(guò)渡區(qū)兩種管的實(shí)驗(yàn)曲線存在較大差別。這表如今隨著Re的添加實(shí)踐管的曲線平滑下降，而人工管的曲線那么有上升部分。 3二者一樣點(diǎn) 在紊流粗糙區(qū)，兩種管的實(shí)驗(yàn)曲線 都與橫坐標(biāo)平行。 在層流區(qū)和第一臨界區(qū)，二者完全一樣。 4.紊流光滑區(qū) -0.5 =2 lgRe 0.5 - 0.8 或 -0.5 =2 lg (Re/2.51) 對(duì)于Re105的光滑管流，布勞修斯提出 =

13、 0.3164/ Re0.25 (記憶對(duì)于105 Re3106 時(shí)，可用尼古拉茲公式 =0.003+ (5)紊流粗糙區(qū) -0.5 =2lg(r0/K) +1.74 或 -0.5 =2lg (3.7d/K ) 粗糙區(qū)還常采用希弗林遜公式 =0.11(K/d )0.25 (記憶 (6).紊流過(guò)渡區(qū)柯列勃洛克根據(jù)大量實(shí)踐管道實(shí)驗(yàn)得出柯列勃洛克公式 為 -0.5 = - 2lg(K/3.7d + 2.51/(Re 0.5) 綜合公式 Re較小時(shí) 太小 較大 Re較大時(shí) 較大 較小 (7).在實(shí)際計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我國(guó)科學(xué)家汪興華教授提出，以尼古拉茲光滑區(qū)斜直線和粗糙區(qū)程度線為漸近線與尼古拉茲分區(qū)誤

14、差不大于2 %為界來(lái)確定校準(zhǔn)，也就是 判別式： 即 光 2000 Re=0.32(K/d )1.28 過(guò) 0.32(K/d )1.28 Re=1000(K/d ) 粗 1000(K/d )Re (8).對(duì)于鋼管和鐵皮風(fēng)道，原蘇聯(lián)的科學(xué)家洛巴耶夫提出洛巴耶夫判別式： 光 v11(/K ) 過(guò) 11(/K )= v =445(/K ) (9).莫迪圖 的運(yùn)用 在柯氏公式根底上的適于供熱的阿里托蘇里公式 =0.11(K/d+68/Re) 0.25 三例題解析例4-4 某熱水采暖管道，保送80攝氏度的熱水，知管內(nèi)流速v=0.6m/s，管長(zhǎng)l=10m，直徑d=50mm，管壁粗糙度K=0.2mm，試求該管

15、道的沿程壓強(qiáng)損失。解方法一：查得水的運(yùn)動(dòng)粘度為0.0037cm2/s ，那么雷諾數(shù)Re = vd / = 0.60.05/0.3710-6 =810002000 由莫迪圖，當(dāng)Re=8.1104,K/d =0.004時(shí)，查得 =0.0296 ，有 pf =*l/d*(V 2 /2)=0.0296(10/0.05) (0.62971.8/2)=1035.55Pa方法二：采用尼古拉茲曲線，查圖由lgRe=lg(8.1104)=4.908 ,K/r=0.2/25=1/125得= 101.41 /100 =0.0257 那么 pf = *l/d*(V 2 /2) =0.0257 (10/0.05) (0

16、.62971.8/2)=899.25Pa 方法三：公式計(jì)算11(/K ) =110.3710-6( 0.210-3)=0.02035m/s445(/K ) =4450.3710-6(0.210-3)=0.8232m/s由0.02035=0.60.8232可知，流動(dòng)位于紊流過(guò)渡區(qū)對(duì)于熱水采暖管道，用阿里特蘇里公式 =0.11(K/d+68/Re)0.25=0.11 ( 0.2 103 /0.05+68/81000)0.25=0.02901pf = *l/d*(V 2 /2) =0.02901(10/0.05) (0.62971.8/2)=1015.02Pa作業(yè) 4-13 4-15例4-5 Q=0

17、.02m3/s , d=0.2m, 水溫為100C , 軸線處速度為um=1.2m/s, 管流屬水力光滑 試求: 管壁切應(yīng)力0解:007.34ln5 . 2/10306. 15 . 5ln5 . 2*260*xxuuxsmruuumm設(shè)07.34ln5.2)(xxxf利用牛頓迭代法即)()(000 xfxfxx設(shè)初值x0=20,三次迭代后得x=25.9322*0*/14.2/04628.0/mNusmxuum例 4-6 鐵管d=200mm, 當(dāng)量粗糙度 =0.2mm, 液體的運(yùn)動(dòng)粘度 =1.510-6 m2/s, 當(dāng)Q=1 L/s 和 Q=40 L/s 時(shí) 求: 管道沿程損失系數(shù) =?解:(1

18、)當(dāng)Q=1L/s=10-3 m3/s 時(shí)20004267105.12.0032.0Re/032.02.01014623VdsmAQV先假設(shè)流動(dòng)屬于水力光滑區(qū)3.0299.0105.100224.0102.0Re/00224.080391.0032.080391.042673164.0Re3164.063*4/125.0usmVu即流動(dòng)屬于紊流光滑管區(qū), 利用以上公式是合理的解:(2) 當(dāng) Q=40 L/s = 4010-3 m3/s 時(shí)200010696.1105.12.0272.1Re/272.12.0104045623VdsmAQV利用柯列勃洛克公式Re7 .182lg274.11d可利用

19、牛頓迭代法求得 =0.02110 .70Re3 . 071. 8105 . 10653. 0102 . 0Re/0653. 080211. 0272. 18*63*usmVu故流動(dòng)屬于紊流過(guò)渡區(qū)例4-7 新鑄鐵水管, 長(zhǎng)L=100m, d=0.25m, 水溫200C, 水流量為Q=0.05m3/s, 求沿程水頭損失 hf解:smdQV/019.142查表得水的運(yùn)動(dòng)粘度5261053. 2Re/10007. 1Vdsm查表4-2, =0.3mm, /d=1.210-3 ,查莫迪圖, =0.021, 故mgVdlhf445.022(水柱)d11122LV2V1d2z2z100流動(dòng)的部分損失(1)突

20、擴(kuò)圓管的部分損失分析gVVgppzzgVgpzgVgpzhj2)()2()2(22221121212222221111動(dòng)量方程)(cos112222221VVQLgAApAp利用 z1-z2=Lcos Q=A2V2 代入上式 有)(112222121VVgVgppzz六.管流的部分損失 部分阻力的發(fā)生地點(diǎn): 部分損失的表現(xiàn)方式： 不同構(gòu)件的部分：流動(dòng)斷面的改動(dòng) 流動(dòng)方向的改動(dòng) 流量的改動(dòng) 研討方法：突擴(kuò)類(lèi)比或?qū)嶒?yàn)d11122LV2V1d2z2z100)(112222121vvgvgppzz代入hj 表達(dá)式中g(shù)vvhvvgvvgvhjj2)(0.1)(21)(221212122221111222

21、取那么一突擴(kuò)的部分損失d11122LV2V1d2z2z100(2)部分損失系數(shù)212222222212) 1(22) 1(AAgVgVAAhj221121121221)1 (22)1 (AAgVgVAAhj與水頭相對(duì)應(yīng)(3)常用流道的部分損失系數(shù)流入水池 =1.0二管流部分阻力系數(shù)會(huì)總 斷面改動(dòng)類(lèi)： 1.管徑突擴(kuò)，可由計(jì)算算出，典型運(yùn)用入水池 2.管徑漸擴(kuò)，包括部分和沿程2部分 3.管徑突縮， 4.管徑漸縮同，沿程損失占主要部分 5.管道進(jìn)口，越光順越小， 6.閥門(mén),閘閥好的關(guān)斷特性，蝶閥的阻力較小 7過(guò)濾網(wǎng)格， 流動(dòng)方向的改動(dòng) ，r/d) 流量的改動(dòng)分流和匯流45度和90度三通)1 (5 .

22、 012AA20)(575. 1675. 0AA)2 . 13 . 0(33. 155. 0例4-8 引水管徑d=500mm, 管道傾角為=300 , 彎頭a與b均為折管, Q=0.4m3/s ,上游水庫(kù)水深h1=3.0m, 過(guò)流斷面寬度B1=5.0m, 下游水庫(kù)水深h2=2.0m, 過(guò)流斷面寬度B2=3.0m 求: 引水管進(jìn)口, 出口, 彎頭 a 和 b 處損失的水頭解:h12241133ba4h2smAQVmdA/04.2196.04.0196.05.044222A. 引水管進(jìn)口: 1-1至3-3為忽然減少 A1=B1h1 A3=AgVhj223131h12241133ba4h2mhhBA

23、AAj10.08.9204.2493.0493.0)35196.01(5.0)1(5.0)1(5.0231111331B. 引水管出口: 4-4至2-2 A4 =A A2 =h2 B2mgVhj20.08 .9204.2936.02223434936. 0)23196. 01 ()1 ()1 (222222434hBAAAC. 彎頭 a 和 b : mgVhhjbja04.08.9204.22.022.030220例4-9 如圖從水池1將水引入水池2, d=150mm, H=4m,L=20m, 沿程損失系數(shù)=0.037, 總的部分損失系數(shù)為=4.28.求: 管內(nèi)水的流量H21l解:dlgHdA

24、VQgVdlH242)(22將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得 Q=0.0515m3/s七.降阻方法 一改善流體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部構(gòu)造： 添加減阻劑 二改善流動(dòng)的邊壁條件： 1.管道進(jìn)口平順 2.漸擴(kuò)增大分散角，突擴(kuò)變成臺(tái)階式突擴(kuò) 3.彎管的曲率半徑最好在14d之間，大斷面時(shí)添加導(dǎo)流葉片 4.盡能夠減小支管與主管之間的夾角作業(yè) 4-25，4-20肚松衯宸&愮鐝D)? $?d悡!餯怉 扈鋹A 嘬貑 d?噡1/2001騫寸15鏈?-CRM鍦氱敤.files/imgr_logo.gif 冣杁9/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-CRM鍦氱敤.files/logo.gif 冟?A/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈

25、?-CRM鍦敤.files/logo_compute.gif 冡?疘1/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-瀵瑰啿鍔涢噺.files/ 9/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-瀵瑰啿鍔涢噺.files/0830.gif冧塖阇8/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-瀵瑰啿鍔涢噺.files/4-2.gif 冨篰飁/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-瀵瑰啿鍔涢噺.files/imgr_logo.gif 冨杁9/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-瀵瑰啿鍔涢噺.files/logo.gif冦旿?A/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-瀵瑰啿鍔涢噺.files/logo_compute.gif 冧?

26、疘4/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-灝忕櫧榧犲拰ERP.files/ /ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-灝忕櫧榧犲拰ERP.files/0830.gif 冪阇?/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-灝忕櫧榧犲拰ERP.files/biaoshi.gif 冭賏?;/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-灝忕櫧榧犲拰ERP.files/cio.gif 冩?=/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-灝忕櫧榧犲拰ERP.files/.gif冩?A/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-灝忕櫧榧犲拰ERP.files/imgr_logo.gif 冭聖杁/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-灝忕櫧榧犲拰ERP.files/logo.gif 冩碝?D/ERP鏂噡1/2001騫寸15鏈?-灝忕櫧榧犲拰ERP.files/logo_compute.gif 冭?疘:/ERP鏂噡1/2001騫寸17鏈?-鏂版湇鍔粡嫻庢誕鐜?files/ F/ERP鏂噡1/2001騫寸17鏈?-鏂版湇鍔粡嫻庢誕鐜?files/astd_oct.gif 冮烜?E/ERP鏂噡1/2001騫寸17鏈?-鏂版湇鍔粡嫻庢誕鐜?files/biaoshi.gif 凅?C/ERP鏂噡1/2001騫寸17鏈?-鏂版湇鍔粡嫻庢誕鐜?files/.gif冮?G/ERP鏂噡1/2001騫寸17