流動(dòng)阻力和水頭損失解析課件

1、第六章 流動(dòng)阻力和水頭損失 流體流動(dòng)的阻力和水頭損失 沿程水頭損失的計(jì)算 局部水頭損失的計(jì)算6.1 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類(lèi) 水頭損失的分類(lèi)按流動(dòng)邊界情況的不同 沿程水頭損失沿程阻力 沿程阻力： 在邊壁沿程無(wú)變化的均勻流段上產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。 沿程水頭損失（hf）： 由于沿程阻力做功而引起的水頭損失。 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。 流體在等直徑直管中流動(dòng)(均勻流)的水頭損失為沿程水頭損失。6.1 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類(lèi) 水頭損失的分類(lèi)按流動(dòng)邊界情況的不同 局部水頭損失局部阻力 局部阻力： 在邊壁沿程急劇變化，流速分布發(fā)生變化的局部區(qū)段上， 集中產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。 局部水

2、頭損失（hj）： 由局部阻力引起的水頭損失。 發(fā)生在管道入口、異徑管、彎管、三通、閥門(mén)等處的水頭損失， 都是局部水頭損失。6.1 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類(lèi) 水頭損失的分類(lèi) 總水頭損失： 各管段的沿程水頭損失和所有局部水頭損失的總和， 即 氣體管流的機(jī)械能損失壓強(qiáng)損失式中，6.1 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類(lèi) 水頭損失的分類(lèi) 在均勻流流段，為沿程水頭損失； 在非均勻流流段，為局部水頭損失。6.1 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類(lèi) 水頭損失的計(jì)算公式 圓管沿程水頭損失達(dá)西-魏斯巴赫公式（實(shí)驗(yàn)+理論）式中，為沿程阻力系數(shù)(沿程摩阻系數(shù))，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。式中，為局部阻力系數(shù)(局部水頭損失系數(shù))，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 局部水

3、頭損失基于實(shí)驗(yàn)6.1 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類(lèi) 總水頭線(H線)和測(cè)壓管水頭線(Hp線)的繪制 開(kāi)始斷面： H線從自由液面開(kāi)始，并考慮管道入口處的局部水頭損失； Hp線在H線的下方，兩者之間的差值為速度水頭。 中間斷： 在等直徑直管段，考慮沿程水頭損失，H和Hp線為斜直線； 在有局部水損處(異徑管，閥門(mén)等)， H和Hp線為突降直線； 當(dāng)各段均為等直徑直管段時(shí)，H和Hp線始終平行。6.1 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類(lèi) 總水頭線(H線)和測(cè)壓管水頭線(Hp線)的繪制 結(jié)束斷面： 對(duì)管嘴出流(流入大氣)， H和Hp線均結(jié)束于管道軸心點(diǎn)； 對(duì)淹沒(méi)出流(流入水箱) ，H和Hp線均結(jié)束于下游自由液面。 其他注

4、意事項(xiàng)： 在管徑發(fā)生改變處，動(dòng)能和勢(shì)能將發(fā)生相互轉(zhuǎn)化； 從密閉容器中出流，開(kāi)始斷面的液面的相對(duì)壓強(qiáng)不為零； 有能量輸入或輸出，H和Hp線為突升或突降直線。6.2 黏性流體的兩種流態(tài) 雷諾實(shí)驗(yàn)兩種流態(tài) 層流稍許開(kāi)啟閥門(mén)時(shí)，玻璃管中的水，一層套著一層， 呈層狀流動(dòng)，各層質(zhì)點(diǎn)互不摻混。 紊流再開(kāi)大閥門(mén)時(shí)，顏色水纖流破散并與周?chē)逅旌希?此時(shí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡極不規(guī)則，各層質(zhì)點(diǎn)相互摻混。6.2 黏性流體的兩種流態(tài) 雷諾實(shí)驗(yàn)臨界流速 上臨界流速 由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯牧魉?； 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 是不穩(wěn)定的，受起始擾動(dòng)的影響很大。 下臨界流速 由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯牧魉?； 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 是穩(wěn)定的，不受起始擾動(dòng)的影響。 實(shí)

5、際流動(dòng)中擾動(dòng)難以避免，故把下臨界流速 作為流態(tài)轉(zhuǎn)變 的臨界流速，即 。6.2 黏性流體的兩種流態(tài) 雷諾實(shí)驗(yàn)沿程水頭損失與流速 雷諾實(shí)驗(yàn)表明： 流態(tài)不同時(shí)，沿程阻力的變化規(guī)律不同， 沿程水頭損失的規(guī)律不同。 層流沿程水頭損失與流速的1次方成正比； 紊流沿程水頭損失與流速的1.752.00次方成正比。6.2 黏性流體的兩種流態(tài) 雷諾數(shù)一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，可用作判斷流體的流態(tài)臨界雷諾數(shù)穩(wěn)定在2000左右，公認(rèn)Rec=2300 圓管流雷諾數(shù)： 非圓通道雷諾數(shù)：6.2 黏性流體的兩種流態(tài) 雷諾數(shù)的物理意義： 以宏觀特征量表征的、質(zhì)點(diǎn)所受慣性力與黏性力之比。 當(dāng)ReRec時(shí)，流動(dòng)受慣性作用控制，流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌?/p>

6、6.3 沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系 均勻流動(dòng)方程式圓管均勻流沿?fù)p與剪應(yīng)力的關(guān)系 方程的推導(dǎo)： 圓管恒定均勻流中取控制體，分析其受力(沿管軸方向)； 列兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝娴牟匠獭?均勻流動(dòng)方程式 或壁面剪應(yīng)力 ；水力坡度， (無(wú)局部水頭損失)。6.3 沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系 均勻流動(dòng)方程式圓管均勻流沿?fù)p與剪應(yīng)力的關(guān)系 均勻流動(dòng)方程式 或壁面剪應(yīng)力 ；水力坡度， (無(wú)局部水頭損失)。 對(duì)于明渠均勻流，可推導(dǎo)得到相同的結(jié)果，只是，此時(shí) 應(yīng)為平均剪應(yīng)力（渠底剪應(yīng)力大）。 均勻流動(dòng)方程式對(duì)層流和紊流都適用。6.3 沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系 圓管過(guò)流斷面上剪應(yīng)力分布即，圓管均勻流過(guò)流斷面上，剪應(yīng)力呈

7、直線分布， 管軸處剪應(yīng)力為零，管壁處剪應(yīng)力達(dá)最大值。 方程的推導(dǎo)： 圓管恒定均勻流中，取軸線與管軸重合、半徑為r的流束； 按均勻流動(dòng)方程式的相同推導(dǎo)步驟推導(dǎo)即可， 。 圓管均勻流過(guò)流斷面上剪應(yīng)力分布6.3 沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系 壁剪切速度即，沿程摩阻系數(shù)與壁面剪應(yīng)力的關(guān)系式。6.4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng) 圓管層流流動(dòng)特性： 各流層質(zhì)點(diǎn)互不摻混，沿平行管軸線方向運(yùn)動(dòng)； 與管壁接觸的流層速度為零，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)。 層流流動(dòng)特征 各流層間剪應(yīng)力服從牛頓內(nèi)摩擦定律（P136）6.4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng) 公式推導(dǎo)： 流速分布即，圓管層流過(guò)流斷面上流速呈拋物線

8、分布。管軸處（r=0）有最大流速， ；過(guò)流斷面流量， ；過(guò)流斷面平均流速， 。6.4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng) 公式推導(dǎo)： 沿程水頭損失的計(jì)算即，圓管層流沿程阻力系數(shù)只是雷諾數(shù)的函數(shù)， 與管壁粗糙無(wú)關(guān)。6.5 紊流運(yùn)動(dòng) 紊流的特征 不規(guī)則性 質(zhì)點(diǎn)摻混： 流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲折無(wú)序，各層質(zhì)點(diǎn)相互摻混； 紊流漲落： 流場(chǎng)中各點(diǎn)的速度、壓強(qiáng)等量隨時(shí)間無(wú)規(guī)則地變化。 有 渦 性（P139 圖6-7） 紊流是由不同尺度的大小渦旋組成的不規(guī)則流動(dòng)。6.5 紊流運(yùn)動(dòng) 紊流運(yùn)動(dòng)的時(shí)均化 時(shí)均化的必要性： 由于紊流漲落，流場(chǎng)中各點(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)無(wú)規(guī)則變化， 即瞬時(shí)值帶有偶然性，就此不能得出規(guī)律性的結(jié)論。 時(shí)均化的目的： 通

9、過(guò)流動(dòng)參數(shù)的時(shí)均化，求得時(shí)間平均的規(guī)律性。 時(shí)均化的應(yīng)用： 瞬時(shí)速度=時(shí)均速度+漲落速度，即 ； 瞬時(shí)壓強(qiáng)=時(shí)均壓強(qiáng)+漲落壓強(qiáng)，即 。6.5 紊流運(yùn)動(dòng) 紊流的剪應(yīng)力 按時(shí)均化方法，紊流可分解成時(shí)均流動(dòng)和漲落流動(dòng)的疊加。 紊流的剪應(yīng)力 黏性剪應(yīng)力由時(shí)均流層相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，符合牛頓內(nèi)摩擦定律。 附加剪應(yīng)力因紊流漲落，上下層質(zhì)點(diǎn)相互摻混，動(dòng)量交換引起。 即，紊流剪應(yīng)力6.5 紊流運(yùn)動(dòng) 壁面附近紊流速度分布對(duì)數(shù)分布律式中， 壁面附近紊流速度； 壁剪切速度，為常數(shù)； 待定的無(wú)量綱常數(shù)； 流體質(zhì)點(diǎn)的位置坐標(biāo)； 待定的積分常數(shù)。6.5 紊流運(yùn)動(dòng) 黏性底層 管道內(nèi)緊靠管壁存在黏性剪應(yīng)力起控制作用的薄層。 黏性底

10、層厚度通常不到1mm，且隨雷諾數(shù)增大而減小。 在黏性底層中，速度按線性分布，在壁面上速度為零。6.6 紊流的沿程水頭損失 圓管沿程水頭損失計(jì)算 對(duì)于層流： 對(duì)于紊流： 不能?chē)?yán)格地從理論上推導(dǎo)出 的計(jì)算公式。 工程上采用以下兩種方式確定 值： 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，整理成半經(jīng)驗(yàn)公式。 直接根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合成經(jīng)驗(yàn)公式。6.6 紊流的沿程水頭損失 尼古拉茲實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)背景的影響因素 雷諾數(shù)Re= vd/ 壁面粗糙：粗糙凸起的高度、形狀，以及疏密和排列等 絕對(duì)粗糙 ks 相對(duì)粗糙 ks/d 或 ks/r0 6.6 紊流的沿程水頭損失 尼古拉茲實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)裝置 類(lèi)似于雷諾實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置（

11、拆除注顏色水的針管）； 采用人工粗糙管（均勻砂粒貼在管壁表面）進(jìn)行試驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理： 對(duì)每根管道（對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的ks/d）實(shí)測(cè)不同流量的斷 面平均流速v和沿程水頭損失hf； 分別按公式計(jì)算出Re和 值，取對(duì)數(shù)點(diǎn)繪在坐標(biāo)紙上， 得到尼古拉茲曲線圖， 。6.6 紊流的沿程水頭損失 尼古拉茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果6.6 紊流的沿程水頭損失 尼古拉茲實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ab線（Re4000） 紊流光滑區(qū)， ； cd、ef之間曲線族紊流過(guò)渡區(qū)， ； ef右側(cè)水平直線族紊流粗糙區(qū)， ；6.6 紊流的沿程水頭損失 尼古拉茲實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（P146 圖6-15） 紊流分為光滑區(qū)、過(guò)渡區(qū)及粗糙區(qū)三個(gè)阻力區(qū)， 各

12、區(qū)的變化規(guī)律不同，原因在于存在黏性底層。 光滑區(qū) 粗糙突起完全被掩蓋在黏性底層內(nèi)； 過(guò)渡區(qū) 黏性底層厚度接近粗糙突起高度； 粗糙區(qū) 黏性底層厚度遠(yuǎn)小于粗糙突起高度。6.6 紊流的沿程水頭損失 的半經(jīng)驗(yàn)公式 紊流光滑區(qū) (6-33) 紊流粗糙區(qū) (6-34) 紊流過(guò)渡區(qū) (6-38)6.6 紊流的沿程水頭損失 的經(jīng)驗(yàn)公式 紊流光滑區(qū) (6-39) 紊流粗糙區(qū) (6-40)6.6 紊流的沿程水頭損失 的計(jì)算公式謝才公式其中，謝才系數(shù)C 謝才系數(shù)C曼寧公式n粗糙系數(shù)R水力半徑謝才公式本身可用于各阻力區(qū)，但用曼寧公式計(jì)算C值時(shí)，謝才公式只適用于紊流粗糙區(qū)。6.6 紊流的沿程水頭損失 值的確定查圖法 穆迪圖： 工業(yè)管道摩阻系數(shù)曲線圖（P151 圖6-17） 在圖上按ks/d和Re可直接查出 值。 P155 例6-5 非圓管的沿程損失：6.7 局部水頭損失 局部水頭損失產(chǎn)生的原因 同旋渦區(qū)的形成有關(guān) 旋渦區(qū)內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)旋渦運(yùn)動(dòng)集中耗能； 旋渦運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)不斷被主流帶向下游，加劇下游一 定范圍內(nèi)主流的紊動(dòng)強(qiáng)度