熱工與流體力學(xué)基礎(chǔ)(蔣祖星版)

1、36441 熱力與流體力學(xué)基礎(chǔ) 1-115 主編第一篇工程流體力學(xué)第二篇工程熱力學(xué)第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算第一節(jié)流動(dòng)阻力與水頭損失流體流經(jīng)直管段和各種管件時(shí)受到的阻力是不相同的，產(chǎn)生的能量損失也不同，為了便于分析和計(jì)算，工程計(jì)算中常將能量損失分為兩類：沿程損失和局部損失，它們的機(jī)理和計(jì)算方法各有不同。一、沿程阻力與沿程損失流體在管徑、管壁形狀沿程不變的流道上（過流斷面的大小和形狀都不隨流程而變）流過時(shí)，其所受到的阻力將沿程不變，這種流動(dòng)阻力稱為沿程阻力。流體克服這一阻力產(chǎn)生的能量損失稱為沿程損失。單位重量流體的沿程損失稱為沿程水頭損失，用符號(hào)hf來(lái)表示。在圖4 1中，hfAB、hfBC、h

2、fCD分別是AB、BC、CD管段的沿程水頭損失。第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算二、局部阻力與局部損失當(dāng)流道邊界發(fā)生急劇變化時(shí)，過流斷面的大小和形狀以及流道中流體速度的分布都會(huì)發(fā)生急劇變化，造成局部的阻力損失。這種阻力稱為局部阻力。由此引起的能量損失稱為局部損失。單位重量流體的局部損失稱為局部水頭損失，以符號(hào)hj表示。在圖4 1中，hjA、hjB、hjC分別為A、B、C三個(gè)管道截面突變處的局部水頭損失。第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算圖4-1沿程損失與局部損失第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算第二節(jié)流體流動(dòng)的基本形態(tài)實(shí)踐表明，管道中流體流動(dòng)的速度不同，流體的流動(dòng)狀態(tài)不同。1883

3、年英國(guó)學(xué)者雷諾通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流體運(yùn)動(dòng)存在兩種不同的形態(tài)，即層流和湍流。一、雷諾實(shí)驗(yàn)和流態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 2所示，在水箱A的側(cè)壁連接一根玻璃管B，玻璃管末端裝有一個(gè)閥門C，用以調(diào)節(jié)玻璃管中水的流量，在水箱的上方放置一個(gè)小容器D，其中盛有密度與水箱內(nèi)液體密度相近的有顏色的液體。從小容器引出一根細(xì)管E，細(xì)管下端彎向玻璃管的進(jìn)口，有顏色液體的流量由裝在細(xì)管上的小閥F調(diào)節(jié)，使有顏色的液體也流入玻璃管中。第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算圖4-2雷諾實(shí)驗(yàn)裝置二、流態(tài)判別準(zhǔn)則臨界雷諾數(shù)第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算三、當(dāng)量直徑解：1)管中的雷諾數(shù)Re為2)空氣保持層流的最大流速為第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算

4、第三節(jié)管流沿程水頭損失計(jì)算實(shí)際工程中大多數(shù)流體處于湍流狀態(tài)，但在粘性較大的潤(rùn)滑油系統(tǒng)和輸油管路中，也會(huì)出現(xiàn)層流狀態(tài)。因此，研究層流運(yùn)動(dòng)的沿程阻力損失，仍然具有一定的實(shí)際意義，同時(shí)也有助于進(jìn)一步分析湍流的沿程損失。一、圓管層流運(yùn)動(dòng)沿程損失計(jì)算1.均勻流動(dòng)方程式第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算均勻流動(dòng)是指流速大小和方向均沿流程不變的流動(dòng)。由于這種流動(dòng)只能發(fā)生在壁面（截面形狀、大小、表面粗糙度等）不發(fā)生任何變化的直管段上，所以在均勻流動(dòng)時(shí)，只有沿程損失，沒有局部損失。為了尋找沿程損失的變化規(guī)律，需要先建立沿程損失和沿程阻力之間的關(guān)系式，又稱為均勻流動(dòng)方程式。圖4-3圓管均勻流動(dòng)第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)

5、算第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算2.圓管層流過流斷面上的切應(yīng)力與流速(1)切應(yīng)力分布對(duì)于均勻流，J不隨r變化。第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算圖4-4圓管層流過流斷面上的切應(yīng)力和速度(2)速度分布第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算3.圓管層流運(yùn)動(dòng)時(shí)的沿程阻力系數(shù)第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算解：v=Q/A=4Q/=475/m/s=0.96m/s二、圓管湍流的沿程損失計(jì)算實(shí)際工程中，除少數(shù)流動(dòng)為層流外，絕大多數(shù)都屬于湍流運(yùn)動(dòng)，因此湍流的特征和運(yùn)動(dòng)規(guī)律在解決工程實(shí)際問題中有重要的作用。1.湍流脈動(dòng)現(xiàn)象

6、與時(shí)均法第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算圖4-5湍流速度的脈動(dòng)第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算圖4-6湍流結(jié)構(gòu)2.湍流結(jié)構(gòu)、水力光滑管和水力粗糙管第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算(1)湍流結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)證明，流體在管內(nèi)作湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，并非整個(gè)過流斷面上都為湍流(見圖4-6)。(2)水力光滑管和水力粗糙管任何管道的內(nèi)壁都不可能絕對(duì)光滑，總有凹凸不平現(xiàn)象，如圖4-7所示。圖4-7水力光滑管和水力粗糙管第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算3.湍流阻力與流速分布(1)湍流阻力在湍流中，流體內(nèi)部不僅存在著因流層間的時(shí)均流速不同而產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力，而且還存在著由于脈動(dòng)使流體質(zhì)點(diǎn)之間發(fā)生動(dòng)量交換而產(chǎn)生的慣性

7、切應(yīng)力。第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算(2)湍流速度分布實(shí)驗(yàn)證明，流體在管道中作湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，過流斷面上的速度分布如圖4-8所示。第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算圖4-8湍流速度分布第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算4.湍流沿程阻力系數(shù)的確定由于湍流的復(fù)雜性，至今還不能完全通過理論推導(dǎo)的方法確定湍流沿程阻力系數(shù)l，只能借助實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式。(1)尼古拉茲實(shí)驗(yàn)為了得到l的變化規(guī)律，尼古拉茲在類似圖4-2所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，采用人工粗糙管(管內(nèi)壁上均勻敷有粒度相同的砂粒)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算圖4-9尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線1)第區(qū)為層流區(qū)。第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算2)第區(qū)為層流與

8、湍流的臨界區(qū)。3)第區(qū)為湍流光滑區(qū)。4)第區(qū)為湍流過渡區(qū)。5)第區(qū)為湍流粗糙區(qū)(也稱為阻力平方區(qū))。(2)莫迪實(shí)驗(yàn)為了得到實(shí)際管道的l值，莫迪在1848年用天然粗糙的工業(yè)管道做了與尼古拉茲相類似的實(shí)驗(yàn)。圖4-10莫迪圖第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算表4-1常用工業(yè)管道的當(dāng)量粗糙度(k)(3)湍流l的計(jì)算公式除了莫迪圖外，很多學(xué)者還根據(jù)資料總結(jié)出了關(guān)于實(shí)際管道l值的計(jì)算公式和區(qū)域劃分方法。2 3201 000d/k時(shí)為湍流粗糙區(qū)。在該區(qū)，計(jì)算l值的常用公式有第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算0.32(d/k)1281 000,所以按長(zhǎng)管計(jì)算，第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算忽略局部損失和速度水頭。【案例分析

9、與知識(shí)拓展】案例1：虹吸管第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算圖4-22虹吸管第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算案例2：管路水擊現(xiàn)象在有壓管路中，由于某些外界原因（例如閥門的突然啟閉、水泵機(jī)組突然停車等）使管中流速突然發(fā)生變化，從而導(dǎo)致壓力急劇升高和降低，這種交替變化的水力現(xiàn)象稱為水擊，又稱為水錘。水擊發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的升壓值可達(dá)管路正常工作壓力的幾十倍，甚至上百倍。這種大幅度的壓力波動(dòng)具有很大的破壞性，往往會(huì)引起管路系統(tǒng)強(qiáng)烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成閥門破裂、管路接頭脫落，甚至管路爆裂等重大事故。第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算圖4-23

10、水擊強(qiáng)度隨時(shí)間變化第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算【本章小結(jié)】一、沿程阻力和局部阻力損失沿程阻力損失是因流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦引起的，其損失的能量主要用于克服粘滯摩擦力，其大小與流程長(zhǎng)度成正比。局部阻力損失是因局部流動(dòng)邊界形狀的變化引起的，其損失的能量主要用于維持局部的旋渦運(yùn)動(dòng)，其大小與管長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只發(fā)生于流道局部阻礙處，主要取決于流道的邊界形狀。二、雷諾實(shí)驗(yàn)與流態(tài)通過雷諾實(shí)驗(yàn)分析得到了層流和湍流的特征。流體作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，流線相互平行，流體質(zhì)點(diǎn)間無(wú)橫向?qū)α骰旌献饔?，流?dòng)較平穩(wěn)。流體流速較大時(shí)，由于流動(dòng)慣性力的增大，流體會(huì)作湍流運(yùn)動(dòng)，此時(shí)流動(dòng)出現(xiàn)旋渦擾動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)出現(xiàn)橫向?qū)α骰旌线\(yùn)動(dòng)。第四章流動(dòng)阻力與管路水

11、力計(jì)算三、沿程阻力系數(shù)的計(jì)算對(duì)于管內(nèi)層流運(yùn)動(dòng)，管截面上的流速呈拋物線分布，粘滯切應(yīng)力呈線性分布，其沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)成反比，即=64/Re。管內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為時(shí)均流動(dòng)與脈動(dòng)流動(dòng)的疊加。其管截面上的時(shí)均速度為對(duì)數(shù)曲線分布，其沿程阻力系數(shù)可根據(jù)管壁相對(duì)粗糙度及雷諾數(shù)的相對(duì)大小，按推薦的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。四、局部阻力系數(shù)的計(jì)算管流局部阻力系數(shù)的大小主要與邊界形狀、壁面相對(duì)粗糙度及雷諾數(shù)有關(guān)。管流局部阻力系數(shù)的大小可根據(jù)不同的邊界形狀選擇不同的計(jì)算公式或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定。通過對(duì)管道進(jìn)口、變徑處、彎頭處和分支或匯流處的流動(dòng)邊界進(jìn)行處理，使其過渡盡量平緩，這樣能有效減少管流局部阻力系數(shù)。第四章流動(dòng)阻力與管路水力計(jì)算五、管路水力計(jì)算管路水力計(jì)算一般分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。進(jìn)行管路水