水力學系統(tǒng)講義第四章-流動阻力和水頭損失

第四章流動形態(tài)態(tài)及其水水頭損失失§4.1流動阻力力和水頭頭損失的的分類流動阻力力摩擦阻力力：流體有粘粘滯性和和橫向流流速梯度度，產生生摩擦阻阻力。壓差阻力力：局部地區(qū)區(qū)固體邊邊界的形形狀或大大小有急急劇改變變，或有有局部障障礙，液液流內部部結構產產生離解解和漩渦渦，流線線彎曲，，流速分分布改變變，增加加了液流流的相對對運動，，產生壓壓差阻力力。水頭損失失沿程水頭頭損失hf：均勻流中中，水流流產生的的阻力為為摩擦阻阻力，能能量損失失為沿程水頭頭損失hf。局部水頭頭損失hj：非均勻流流中，水水流產生生的阻力力為摩擦擦阻力和和壓差阻阻力，其其產生的的能量損損失為局部水頭頭損失hj。總水頭損損失：hw=∑hf+∑hj摩擦阻力力滯止離解解壓差阻力力慣性離解解壓差阻力力慣性離解解壓差阻力力§4.2實際液體體流動的的兩種形形態(tài)4.2.1雷諾試驗驗4.2.2流態(tài)的判判別---雷諾數雷諾數：：非圓形過過水斷面面下臨界界雷諾數數：管流上臨臨界雷諾諾數：管流下臨臨界雷諾諾數：Rec=2000非圓形過過水斷面面雷諾數數：bh例4—1有一圓形形輸水管管，直徑徑d為2.0cm，管中水流的斷斷面平均均流速為為1m/s，水溫t=15℃，試判別管管中水流流的型態(tài)態(tài)。當通通過石油油時，若其其他條件件相同，，問流態(tài)態(tài)是層流流還是紊紊流？（t=15℃時，石油=0.6cm2/s,水=0.0114cm2/s）解：§4.3均勻流沿沿程水頭頭損失與與切應力力的關系系4.3.1沿程水頭頭損失與與切應力力的關系系在管道恒恒定均勻勻流中，，取總流流流段1-1到2-2，各作用力力處于平平衡狀態(tài)態(tài)：∑F=0。OOz2z11122P1P200G作用于該該總流流流段上的的外力有有：①動水壓壓力：P1=p1AP2=p2A②重力：G=V=AL，在流動方方向上的的投影Gx=ALsin③摩擦阻力力：T=0×A'=0×LOOz2z11122P1P200Gx寫出管軸軸方向的的平衡方方程：OOz2z11122P1P200Gx4.3.2均勻流過過水斷面面上切應應力的分分布00r0r00r0ryu§4.4圓管中的的層流運運動4.4.1圓管均勻勻層流的的斷面流流速分布布4.4.2圓管均勻勻層流的的沿程水水頭損失失達西公式式通用公式式-----層流紊流流均適用用利用管徑徑d=75mm的管道輸輸送重油油，如圖圖所示，，已知知重油的的重度油=8.83KN/m3，運動粘性性系數油=0.9cm2/s，管軸上裝裝有畢托托管，水水銀面高高差hp=20mm，求重油每每小時流流量及每每米長的的沿程水水頭損失失。解：1、求流量量：例4-2假設重油油的流動動為層流流：2、求沿程程水頭損損失<2300層流§4.5液體的紊紊流運動動4.5.1紊流的形形成條件件①渦體的的形成；；②形成后后的渦體體，脫離離原來的的流層或或流束，，摻入鄰鄰近的流流層或流流束。層流與紊紊流的根根本區(qū)別別在于：：層流中各流層的的流體質質點，互互不摻混混，有比比較規(guī)則則的“瞬瞬時流線線”存在在；紊流中有大小不不等的渦渦體震蕩蕩于各流流層之間間，互相相摻混。。4.5.2紊流脈動動現象與與時均化化概念運動要素素的脈動現象象：紊流中存存在大量量渦體，，渦體沿沿各方向向進行混混摻、碰碰撞，使使紊流中中任何一一個空間間點上的的運動要素素（流速速、壓強強等）隨隨時間不不斷在變變化---紊流運動動要素脈脈動。運動要素素的時均均化處理理：脈動值說說明：①脈動值不不能當作作微量處處理，有有時可達達到時均均值的三三分之一一。②脈動總是是三維的的，雖然然主流是是一維或或二維的的，但均均產生三三個方向向的脈動動速度。。③脈動是渦渦體互相相摻混、、交換的的結果，，不是流流體分子子的運動動。注意：紊流恒定定流----指時間平平均的運運動要素素不隨時時間而變變化的流流動。紊流非恒恒定流-----指時間平平均的運運動要素素隨時間間而變化化的流動動。恒定流、、非恒定定流、流流線、流流束、總總流等--------對紊流運運動要素素時均值值而言。。4.5.3紊流中摩摩擦切應應力計算算紊流中切切應力=內摩擦切切應力+附加切應應力①內摩擦擦切應力力------相鄰兩層層時均速速度相對對運動所所產生的的粘滯切切應力。。②附加切切應力-----脈動所產產生。紊流附加加切應力力：（普朗特特動量傳傳遞理論論）紊流各流流層間存存在相對對運動，，當流層層間發(fā)生生質點混混和時，，因流速速的不同同（動量量不同）），導致致質點橫橫向運動動到新流流層時，，因動量量的改變變產生對對新流層層的附加加切應力力----紊流附加加摩擦切切應力（雷諾應應力）。。4.5.4紊流中的的層流底底層與紊紊流核心心4.5.4.1層流底層層（粘性性底層））：緊靠固體體邊界的的地方，，由于管管壁及流流體粘性性的影響響，流體體質點流流速小，，流態(tài)屬屬于層流流的流體體層。層流底層層厚度-----一般只有有十分之之幾毫米米，最大大只有幾幾毫米。。紊流核心心：粘性底層層以外為為紊流區(qū)區(qū)，包括括紊動充充分發(fā)展展的紊流流流核區(qū)區(qū)和紊流流處于發(fā)發(fā)展狀態(tài)態(tài)的過渡渡層（厚厚度僅百百分之幾幾厘米））。4.5.4.2流道壁面面的類型型絕對粗糙糙度ks（）：將固體壁壁面上，，粗糙體體突出壁壁面的高高度的平平均值。水力光滑滑管：當層流底底層的厚厚度0大于絕對粗糙糙度ks，流體在平平直的層層流底層層的外緣緣上滑動動，象在在光滑壁壁面上流流動一向向，邊壁壁對水流流的阻力力，主要要是層流流底層的的粘滯力力，這種種管道稱稱為水力光滑滑管。水力粗糙糙管：當層流底底層的厚厚度0小于絕對粗糙糙度ks時，紊流流流核繞繞過突出出高度時時，將形形成小漩漩渦，邊邊壁對水水流的阻阻力主要要是由這這些小漩漩渦造成成的，邊壁粗糙糙度起主主要的作作用，這種粗糙糙壁面的的管道，，稱為水力粗糙糙管。過渡粗糙糙管：介于以上上兩者之之間的情情況，層層流底層層的厚度度不足以以完全掩掩蓋住邊邊壁粗糙糙度的影影響，但但絕對粗粗糙度還還沒有起起決定性性的作用用，這種種粗糙壁壁面的管管道稱為為過渡粗糙糙管。4.5.5紊流的流流速分布布普朗特-卡門對數數流速分分布公式式：水力光滑滑管區(qū)：：水力粗糙糙管區(qū)：：§4.6圓管中沿沿程阻力力系數的的變化規(guī)規(guī)律尼古拉茲茲實驗（（實驗圖圖）---人工粗糙糙①層流區(qū)：：Re<2300，=f(Re)，=64/Re，hf∝1.0②流態(tài)過渡渡區(qū)：2300<Re<4000③紊流光滑區(qū)區(qū)：=f(Re)，hf∝1.75④紊流過渡區(qū)區(qū)：=f(Re，ks/d)，hf∝1.75~2.0⑤紊流粗糙區(qū)區(qū)：=f(ks/d)，hf∝2.0舍維列夫公公式（舊鋼鋼管和鑄鐵鐵管）：謝才公式（（明渠）：謝才系數例4－3解：例4－4解：§4.7流動的局部部水頭損失失局部水頭損損失----發(fā)生在固體體邊界的形形狀或大小小急劇改變變的前后局局部范圍內內（非均勻流流）。局部損失主主要用于維維持漩渦運運動，與邊邊界形狀有有密切關系系