流動阻力和水頭損失

1、能源與機械工程系水力學(xué)C第4章 流動阻力和水頭損失7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 【教學(xué)重點】1實際流體的兩種流動型態(tài)的判別 ；2均勻流的基本方程；3圓管層流與紊流的流速分布；4沿程阻力系數(shù)及沿程水頭損失的計算;5. 局部水頭損失的計算 。沿程損失與局部損失的特征，當(dāng)量粗糙度、當(dāng)量直徑的概念，紊流沿程阻力系數(shù)的計算 7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程第一節(jié) 水頭損失的概念及分類一、水流阻力與水頭損失1. 水頭損失產(chǎn)生的原因： 1）液體具有粘滯性；（內(nèi)因） 2）由于固體邊界的影響，液流內(nèi)部質(zhì)點間產(chǎn)生相對運動。（外因） 流速分布切應(yīng)力分布uy7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 液體

2、經(jīng)過時的局部損失包括五段：進口、突然放大、突然縮小、彎管和閘門。 進口突然放大突然縮小彎管閘門7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 2、水頭損失的分類沿程損失hf沿程都有并隨沿程長度而增加的能量損失，稱作沿程水頭損失，常用hf表示。hf 1hf 2hf 3hf 47/27/2022 水力學(xué) 給排水工程流動急劇調(diào)整產(chǎn)生的流動阻力為局部阻力；局部損失總的水頭損失為：進口突然放大突然縮小彎管閘門7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程1.沿程水頭損失 2.局部水頭損失 或或！關(guān)鍵是各種流動條件下無因次系數(shù) 和 的計算。 二 、 能量損失的計算公式7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 大量的實踐表明

3、，沿程損失的規(guī)律與流體運動狀態(tài)密切相關(guān)，雷諾（Reynolds）通過大量實驗研究后，發(fā)現(xiàn)實際流體運動存在著兩種不同的狀態(tài)，即層流（laminar flow）和紊（湍）流（Turbulent flow）兩種流動類型。兩種流動類型中沿程損失規(guī)律大不相同。下面來介紹雷諾是如何發(fā)現(xiàn)流體運動的這兩種流態(tài)的。 第二節(jié) 雷諾實驗 層流與紊流7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程一、層流與紊流( Laminar and Turbulent flow)各液層之間毫不相混，這種分層有規(guī)律的流動層流7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程運動軌跡極不規(guī)則，各部分流體劇烈摻混紊（湍）流7/27/2022 水力學(xué) 給排水

4、工程OABD：流速由小到大。EDCAO：流速由大到小。二、 與V 之間的關(guān)系7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程（1）在OA段， ， 。 （2）在DE段， ，（3) 在AD段，流動狀態(tài)不穩(wěn)定，為過渡區(qū)。7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程7/27/2022 流體力學(xué) 設(shè)備和熱動雷諾數(shù)： 臨界雷諾數(shù)：對于圓管：三. 流態(tài)的判別雷諾數(shù)(Reynolds number)7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 Re Rek 500 紊流明 渠bhm7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程【 例4-1 】 已知： ， ， 求：（1）判別流態(tài); （2）求臨界速度 解： （1） （紊流） （2） 7/27

5、/2022 水力學(xué) 給排水工程7/27/2022 流體力學(xué) 設(shè)備和熱動四、 紊流的成因7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 層流受擾動后，當(dāng)粘性的穩(wěn)定作用起主導(dǎo)作用時，擾動就受到粘性的阻滯而衰減下來，層流就是穩(wěn)定的。當(dāng)擾動占上風(fēng)時，粘性的穩(wěn)定作用無法克服使擾動衰減下來，于是擾動便變?yōu)槲闪?。因此，流動呈現(xiàn)何流動狀態(tài)，取決于擾動的慣性作用和粘性的穩(wěn)定作用相互斗爭的結(jié)果。Hinze：紊流是一個相當(dāng)熟悉的概念，但至今仍不能給出一個很好的定義，使其能評價其特征。楊本洛: 對一個以不規(guī)則作為必要條件寫出的現(xiàn)象，試圖尋找它的規(guī)則的研究是永遠(yuǎn)不會成功的。為什么雷諾數(shù)可以作為判別流態(tài)的一般準(zhǔn)則? 7/27/2

6、022 水力學(xué) 給排水工程雷諾數(shù)反映了慣性力和粘滯力的對比關(guān)系。7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程軸向力的平衡： 第四節(jié) 圓管中的層流運動一、均勻流動方程式圖3.18 7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程稱為水力坡度 表明圓管均勻流中，切應(yīng)力與半徑成正比，在斷面上按直線規(guī)律分布，軸線上為零，在管壁上達(dá)最大值。7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程1、速度剖面顯然，斷面流速分布是以管中心線為軸的旋轉(zhuǎn)拋物面。邊界條件：r = r0，u = 0。二、斷面流速分布特征7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程2、斷面最大速度(管軸上)3、平均流速4、沿程損失及沿程阻力系數(shù)7/27/2022 水力學(xué)

7、給排水工程5、動能修正系數(shù)及動量修正系數(shù) 6、動量修正系數(shù)7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 【例4-2 】已知： 求： 解： ，cm/s，流態(tài)為層流，故有，7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 紊流內(nèi)部有著許許多多尺度不同的渦旋。這些渦旋都在圍繞著通過自身的某一軸旋轉(zhuǎn)的同時，還具有空間運動的隨機性。 紊流的宏觀表現(xiàn)是各流層的流體質(zhì)點相互摻混，流動極不規(guī)則，雜亂無章，即使在同一空間點上，流體質(zhì)點的速度、壓強等物理量隨時間呈一種不規(guī)則的隨機變化特征，這種現(xiàn)象稱為脈動或漲落（fluctuation)現(xiàn)象。 第五節(jié) 紊(湍)流的特征 一、紊流運動的特征瞬時值、時均值、脈動值7/27/2022

8、水力學(xué) 給排水工程 由于脈動的隨機性，統(tǒng)計平均法是處理紊流流動的基本方法。統(tǒng)計平均法有時均法和體均法等。7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程速度分量 ux 的時均值： 同理 ，有其中，T為平均周期，比紊流的脈動周期大得多，而比流動的不恒定性的特征時間又小得多，隨具體情況而定。 脈動值 ： 如果湍流流動中各物理量的時均值不隨時間而變，僅僅是空間點的函數(shù)，可認(rèn)為時均流動是恒定流動。紊流的瞬時運動總是非恒定的，而平均運動可能是非恒定的，也可能是恒定的。但紊流從本質(zhì)上來說是非恒定的。7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 因時均流速的不同，各流層間的相對運動，仍然存在著粘性切應(yīng)力 。1、 粘性切應(yīng)力

9、2 、慣性切應(yīng)力 這就是因紊流橫向脈動而產(chǎn)生的慣性切應(yīng)力。二、紊流阻力7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程因此紊流理論主要就是研究脈動值和平均值之間的關(guān)系。宏觀上流動質(zhì)點脈動引起慣性切應(yīng)力，這與分子微觀運動引起粘性切應(yīng)力十分相似。因此，Prandtl（1925）將流體質(zhì)點的脈動 與分子運動相類比，提出了混合長度的概念。 混合長度：假設(shè)在脈動過程中，存在著一個與分子平均自由路程相當(dāng)?shù)木嚯x。流體微團在該距離內(nèi)不會和其它微團相碰撞。 因此，該流體微團保持原有的物理屬性，例如,保持動量不變。只是在經(jīng)過這段距離后，才與周圍流體相混合，并取得與新位置原有流體相同的動量?；旌祥L度（Mixing Lengt

10、h）理論7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程式中 稱為混合長度。于是湍流切應(yīng)力可寫成由普朗特混合長度理論，可以導(dǎo)出 注意： 7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程四、紊流的流速分布三、紊流結(jié)構(gòu)7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程紊流7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程第六節(jié) 沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律一、沿程阻力系數(shù)的影響因素絕對粗糙度K：粗糙凸起的高度相對粗糙度：K/d 或 K/r0，其倒數(shù)稱為相對光滑度二、尼古拉茲實驗不要走神，注意聽講吆！7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 為了分析和觀測Re和相對粗糙度對沿程阻力系數(shù) 的影響，共選取了六種不同的相對粗糙度。 1、人工均勻粗糙 將大小

11、基本相同，形狀近似球體的砂粒用漆汁均勻而稠密地粘附于管壁上，這種尼古拉茲使用的人工均勻粗糙叫尼古拉茲粗糙。7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程Lg（100）lgRe層流時,紊流光滑區(qū)紊流過渡區(qū)紊流粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))2、尼古拉茲實驗結(jié)果：7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程3、紊流阻力分區(qū)的解釋紊流光滑區(qū)紊流過渡區(qū)紊流粗糙區(qū)7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程光滑區(qū)：重合。粗糙區(qū)：均與橫軸平行。因此可把尼古拉茲粗糙作為度量的基本標(biāo)準(zhǔn)，把工業(yè)管道的不均勻粗糙折合為尼古拉茲粗糙。 當(dāng)量粗糙度：與工業(yè)管道粗糙區(qū)值相等的同直徑尼氏管道的糙粒高度稱為該工業(yè)管道的當(dāng)量粗糙度。四、工業(yè)管道的計算7/2

12、7/2022 水力學(xué) 給排水工程過渡區(qū)的計算公式 2.阿里特蘇里公式：二者存在較大的差異:工業(yè)管道在較小的Re下就偏離光滑曲線，且隨Re的增加平滑下降，而尼古拉茲曲線存在著上升的部分。因此，尼古拉茲的過渡區(qū)的實驗資料對工業(yè)管道是完全不適用的 1.Colebrook(柯列勃洛克)公式K：工業(yè)管道的當(dāng)量糙粒高度7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程莫迪圖（以柯氏公式為基礎(chǔ)）7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 層流區(qū) 紊流光滑區(qū) 布拉休斯經(jīng)驗公式： 紊流過渡區(qū) 經(jīng)驗公式 紊流粗糙區(qū) 阿里特蘇里經(jīng)驗公式：（Re105 ) 的經(jīng)驗公式7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程【例4-3 】已知: ， ，

13、 ， 求：（1）人工管道， （2）光滑銅管 （3）工業(yè)管， 分別求 解：（1） ； 查尼氏實驗圖，得： 7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程（2） （3） ， 查Moody圖，得 ：7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式謝齊公式斷面平均流速謝齊系數(shù)水力半徑水力坡度1.謝齊系數(shù)有量綱，量綱為L1/2T-1，單位為m1/2/s。2.謝齊公式可適用于不同流態(tài)和流區(qū)(明渠和管流均可)。3.常用計算謝齊系數(shù)的經(jīng)驗公式：曼寧公式巴甫洛夫斯基公式這兩個公式均依據(jù)阻力平方區(qū)紊流的實測資料求得，故只能適用于阻力平方區(qū)的紊流?；騨為粗糙系數(shù)，簡稱糙率。水力半徑單位均采用米。7/27/2

14、022 水力學(xué) 給排水工程第七節(jié) 局部水頭損失一、局部損失一般分析進口突然放大突然縮小彎管閘門7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程二、突擴圓管的局部損失分析斷面11與22之間的沿程損失很小，可忽略不計。根據(jù)伯努利方程 7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程 再對1、2兩斷面間全部流體應(yīng)用動量方程(不計管壁摩擦阻力) 由于，將上式代入式，得7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程這就是突擴圓管流動局部損失的理論公式。亦可表示為或 管道出口的局部阻力系數(shù)特例！7/27/2022 水力學(xué) 給排水工程三、突縮管的局部損失特例！當(dāng)液體由大容器流入管道時,7/27/2

15、022 水力學(xué) 給排水工程樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。7月-227月-22Wednesday, July 27, 2022人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。23:30:1623:30:1623:307/27/2022 11:30:16 PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。7月-2223:30:1623:30Jul-2227-Jul-22加強交通建設(shè)管理，確保工程建設(shè)質(zhì)量。23:30:1623:30:1623:30Wednesday, July 27, 2022安全在于心細(xì)，事故出在麻痹。7月-227月-2223:30:1623:30:16July 27, 2022踏實肯干

16、，努力奮斗。2022年7月27日11:30 下午7月-227月-22追求至善憑技術(shù)開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務(wù)樹立形象。27 七月 202211:30:16 下午23:30:167月-22嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。七月 2211:30 下午7月-2223:30July 27, 2022作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)記得牢，駕輕就熟除煩惱。2022/7/27 23:30:1623:30:1627 July 2022好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。11:30:16 下午11:30 下午23:30:167月-22一馬當(dāng)先，全員舉績，梅開二度，業(yè)績保底。7月-227月-2223:3023:30:162

17、3:30:16Jul-22牢記安全之責(zé)，善謀安全之策，力務(wù)安全之實。2022/7/27 23:30:16Wednesday, July 27, 2022相信相信得力量。7月-222022/7/27 23:30:167月-22謝謝大家！樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。7月-227月-22Wednesday, July 27, 2022人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。23:30:1623:30:1623:307/27/2022 11:30:16 PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。7月-2223:30:1623:30Jul-2227-Jul-22加強交通建設(shè)管理，確保工程建設(shè)質(zhì)

18、量。23:30:1623:30:1623:30Wednesday, July 27, 2022安全在于心細(xì)，事故出在麻痹。7月-227月-2223:30:1623:30:16July 27, 2022踏實肯干，努力奮斗。2022年7月27日11:30 下午7月-227月-22追求至善憑技術(shù)開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務(wù)樹立形象。27 七月 202211:30:16 下午23:30:167月-22嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。七月 2211:30 下午7月-2223:30July 27, 2022作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)記得牢，駕輕就熟除煩惱。2022/7/27 23:30:1623:30:1627 July 2022好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。11:30:16 下午11:30 下午23:30:167月-22一馬當(dāng)先，全員舉績，梅開二度，業(yè)績保底。7月-227月-2223:3023:30:1623:30:16Jul-22牢記安全之責(zé)，善謀安全之策，力務(wù)安全之實。2022/7/27 23:30:16Wednesday, July 27, 2022相信相信得力量。7月-222022/7/27 23:30:167月-22謝謝大家！樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。7月-227月-22Wednesday, July 27, 2022人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。23:3