流體力學(xué)多媒體課件T5

流體運動阻力與損失

流動阻力的兩種類型

粘性流體的兩種流態(tài)

圓管中的層流運動

紊流運動

圓管紊流的沿程損失

非圓管中的流動

局部阻力及損失的計算

繞流運動流動阻力的兩種類型hw（pw）——流體粘性引起1.沿程阻力——沿程損失(長度損失、摩擦損失)達西-魏斯巴赫公式λ——沿程阻力系數(shù)2.局部阻力——局部損失ζ——局部阻力系數(shù)3.總能量損失4.用水頭線表示粘性流體的兩種流態(tài)1.雷諾實驗（1883年）（a）層流（b）臨界狀態(tài)（c）紊流下臨界流速vc——臨界流速上臨界流速vc’請看雷諾實驗動畫演示2.分析雷諾實驗層流紊流ab段層流ef段紊流be段臨界狀態(tài)結(jié)論：流態(tài)不同，沿程損失規(guī)律不同3.雷諾數(shù)Rec——臨界雷諾數(shù)（2000左右）Re=vd/υ——雷諾數(shù)（無量綱）Re<Rec層流Re>Rec紊流（包括層流向紊流的臨界區(qū)2000~4000）結(jié)論：用雷諾數(shù)判斷流態(tài)4.用量綱分析說明雷諾數(shù)的物理意義慣性力與粘性力作用之比——判斷流態(tài)圓管中的層流運動1.沿程損失與切應(yīng)力的關(guān)系列1-1和2-2斷面的能量方程流動為均勻流，慣性力為零，列平衡方程J——單位長度的沿程損失（水力坡度）同理2.斷面流速速分布牛頓內(nèi)摩摩擦定律律又積分（a）——旋轉(zhuǎn)拋物物面（b）平均速度度（c）層流動能能修正系系數(shù)層流動量量修正系系數(shù)——測量圓管管層流平平均速度度的方法法3.沿程損失失系數(shù)又比較注意：v↑→λ↓，但hf∝v↑4.例：應(yīng)用用細管式式粘度計計測油的的粘度，，細管d=6mm，l=2m，Q=77cm3/s，水銀壓差差計讀值值h=30cm，水銀密度度ρm=13600kg/m3，油的密度ρ=900kg/m3，求油的運動粘粘度υ解：設(shè)為層流解得運動粘度度校核流態(tài)計算成立紊流運動動1.紊流的微觀分分析渦體的產(chǎn)生2.紊流運動的時時均化脈動性（1）瞬時速度u（2）時均速度（3）脈動速度u’（4）斷面平均速速度v3.紊流的切應(yīng)力力（1）紊流運動的的分解（2）紊流的切應(yīng)應(yīng)力a.時均流動——（粘性切應(yīng)力力）符合牛頓內(nèi)摩摩擦定律xyb.脈動流動——（附加切應(yīng)力力、慣性切應(yīng)應(yīng)力、雷諾切切應(yīng)力）c.切應(yīng)力Re數(shù)較小時，占占主導(dǎo)地位位Re數(shù)很大時，4.混合長度理論論——的計算普朗特混合長長度理論的要要點（假設(shè)））（1）流體質(zhì)點因脈脈動橫向位移移l1到達新的空間間點，才同周周圍點發(fā)生動動量交換，失失去原有特征征，l1稱混合長度（2）亦稱為混合長長度雷諾數(shù)越大，，紊流越劇烈烈，τ~τ25.紊流的速度分分布規(guī)律紊流（β是實驗確定的的常數(shù)，稱卡卡門常數(shù)β≈0.4）積分得——普朗特-卡門對數(shù)分布規(guī)律6.紊流流動結(jié)構(gòu)構(gòu)圖圓管紊流的沿沿程損失k——絕對粗糙度k/d——相對粗糙度1.尼古拉茲實驗驗（1933-1934）（1）實驗曲線人工粗糙（尼尼古拉茲粗糙糙）Ⅰ區(qū)（ab線，lgRe<3.3，Re<2000）層流λ=f（Re）Ⅱ區(qū)（bc線，lgRe=3.3~3.6，Re=2000~4000）過渡區(qū)λ=f（Re）Ⅲ區(qū)（cd線，lgRe>3.6，Re>4000）紊流光滑區(qū)λ=f（Re）k/d大的管子在Re較低時離開此此線Ⅳ區(qū)（cd、ef之間的曲線族族）紊流過渡區(qū)λ=f（Re，k/d）Ⅴ區(qū)（ef右側(cè)水平的直直線族）紊流粗糙區(qū)（（阻力平方區(qū)區(qū)）λ=f（k/d）（2）λ變化規(guī)律——層流底層的變變化2.紊流沿程損失失系數(shù)（1）紊流光滑區(qū)區(qū)尼古拉茲光滑滑區(qū)公式經(jīng)驗公式：布布拉修斯公式式（2）紊流粗糙區(qū)區(qū)尼古拉茲粗糙糙區(qū)公式經(jīng)驗公式：希希弗林松公式式（3）紊流過渡區(qū)區(qū)a.工業(yè)管道當(dāng)量粗糙度ke——和工業(yè)管道粗粗糙區(qū)值相等等的同直徑的的尼古拉茲粗粗糙管的粗糙糙度常用工業(yè)管道道的ke管道材料ke(mm)管道材料ke(mm)新氯乙烯管0~0.002鍍鋅鋼管0.15鉛管、銅管、玻璃管0.01新鑄鐵管0.15~0.5鋼管0.046鋼板制風(fēng)管0.15涂瀝青鑄鐵管0.12混凝土管0.3~3.0b.莫迪圖c.柯列勃洛克公公式經(jīng)驗公式：希希弗林松公式式3.例：給水管長長30m，直徑d=75mm，材料為新鑄鐵鐵管，流量Q=7.25L/s，水溫t=10℃，求該管段的沿沿程水頭損失失解：水溫t=10℃時，水的運動動粘度υ=1.31××10-6m2/s當(dāng)量粗糙度ke=0.25mm，ke/d=0.003由Re、ke/d查莫迪圖，得得λ=0.028或由公式，，得得λ=0.028非圓管中的流流動1.水力半徑Rχ——濕周圓管的水力力半徑邊長分別為為a和b的矩形斷面面水力半徑徑2.當(dāng)量直徑de圓管的當(dāng)量量直徑de=4R=d矩形斷面的的當(dāng)量直徑徑適用范圍：：（1）紊流；（2）斷面與圓圓管不可差差異太大3.例：圓環(huán)外徑r1、內(nèi)徑r2（1）水力半徑徑（2）當(dāng)量直徑徑局部阻力及及損失的計計算1.局部阻力產(chǎn)產(chǎn)生的原因因阻力流線演演示2.幾種常見的的局部損失失系數(shù)（1）突然擴大大列1-1和2-2斷面的能量量方程列動量方程程由連續(xù)性方方程或注意：ζ1→v1；ζ2→v2特例：ζ=1——管道的出口口損失系數(shù)數(shù)（2）突然縮小小特例：ζ=0.5———管道的入口口損失系數(shù)數(shù)ζ→v2（3）漸擴管當(dāng)α≤20°，，k=sinαζ——公式、圖表表α=5°~8°，ζ最?。?）漸縮管α——收縮角n=A2/A1——收縮面積比比ζ→v1（5）彎管二次流→螺螺旋運動影響長度——50倍管徑減小彎管轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角θ、增大R/d或設(shè)置導(dǎo)流流葉片，減小小二次流（6）三通ζ——圖表水力計算時時，只考慮慮支管（阻阻力大）3.局部阻礙之之間的相互互干擾兩個局部阻阻礙之間間間距大于3倍管徑，，，且安全全4.減阻措施a.物理b.化學(xué)：添加加少量的減減阻劑繞流運運動繞流、流場場分布、物物體受力1.邊界層的概概念（1904年普朗特提提出）兩類不同性性質(zhì)的流動動：（1）物體邊界界附近薄層層由于粘性性力作用，，有很大的的速度梯度度du/dy——邊界層（附附面層）；；（2）邊界層以以外的流動動，粘性力力作用不計計——理想流體無無旋流動（（勢流）2.平板上的邊邊界層δ——邊界層厚度度（99%u0處）邊界層的特特點：a.很?。╩m級）；b.隨著沿平板板流動的深深入，邊界界層厚度增增加；c.流態(tài)轉(zhuǎn)變的的臨界雷諾諾數(shù)d.或3.內(nèi)流的邊界界層δ=r0管道進口段段——進口至δ=r0處，50~100倍d→進口的局部部損失邊界層分離離，形成旋旋渦4.曲面邊界層層及邊界層層分離現(xiàn)象象分析端點Ａ：u=0（駐點、滯止止點）壓強最大B→C：增速減壓促進流動C→S：減速增壓S：分離點u=0（駐點、滯止止點）S→E：尾流區(qū)圓柱后部發(fā)發(fā)生的流動動分離形成成一對旋渦渦——“貓眼”這是從靜止止開始的運運動初期邊邊界層的發(fā)發(fā)展速度增大，，分離點前前移壓差阻力（（形狀阻力力）：迎面面駐點壓強強與尾流區(qū)區(qū)壓強之差差，它取決決于分離點點的位置和和尾流區(qū)的的大小減小繞流阻阻力減小壓差阻阻力流線型物體體5.繞流阻力摩擦阻力、、壓差阻力力薄平板——摩擦阻力有尖銳邊緣緣（薄圓盤盤）——壓差阻力曲面物體（（圓球）——既有摩擦阻阻力又有壓壓差阻力（1）公式A——特征面積對摩擦阻力力，A是接觸平面面；對壓差差阻力，A是垂直于來來流方向的的投影面積積（2）繞流阻力力系數(shù)Cda.薄平板Cd~Cdf層流流：：紊流流：：混合合邊邊界界層層：：b.曲面面物物體體阻力力系系數(shù)數(shù)隨隨Re數(shù)而而變變化化，，分分6個區(qū)區(qū)域域Re<1蠕動，無分離，摩擦阻力D∝v11≤Re≤500Re>60——卡門渦街，摩擦阻力、壓差阻力，D∝v1.5阻力力系系數(shù)數(shù)隨隨Re數(shù)而而變變化化，，分分6個區(qū)區(qū)域域500≤Re≤2×105分離嚴(yán)重，壓差阻力，D∝v22×105≤Re≤5×105分離區(qū)縮小，Cd跌落Re≥5×105分離點又向前移，Cd回升Re>3×106Cd與Re無關(guān)圓球球曲線線基基本本與與圓圓柱柱體體一一致致Re<1斯托托克克斯斯公公式式與比比較較與圓圓管管層層流流λ=64/Re相似似，，故故機機理理一一樣樣，，如如塵塵埃埃、、霧霧滴滴或查查圖圖c.有尖尖銳銳邊邊緣緣的的物物體體：：薄薄圓圓盤盤Cd~CdfRe>103，只有有壓壓差差阻阻力力，，分分離離點點固固定定在在圓圓盤盤邊邊線線上上，，Cd為一一常常數(shù)數(shù)d.例：：一盒盒形形拖拖車車，，寬寬b=2.5m，高高h=3m，長長a=10.5m，該拖拖車車在在空空氣氣（（ρ=1.24kg/m3，υ=0.14cm2/s）中以以v0=27m/s速度度行行駛駛，，求求拖拖車車兩兩邊邊和和頂頂部部的的摩摩擦擦阻阻力力；；若若拖拖車車的的阻阻力力系系數(shù)數(shù)CD=0.45，求作作用用在在拖拖車車上上的的壓壓差差阻阻力力解：：拖拖車車尾尾端端處處Re當(dāng)Re=2×107且v0較大大，，可可認(rèn)認(rèn)為為從從前前緣緣起起，，邊邊界界層層全全部部是是紊紊流流摩擦擦阻阻力力總阻阻力力壓差差阻阻力力6.卡門門渦渦街街Re>60，旋渦渦交交替替脫脫落落，，形形成成渦渦街街渦街街振振動動頻頻率率：：斯特特洛洛哈哈爾爾（（1878）經(jīng)經(jīng)驗驗公公式式Sr———斯特特洛洛哈哈爾爾系系數(shù)數(shù)危害害：：共共振振導(dǎo)導(dǎo)致致聲聲響響效效應(yīng)應(yīng)；；對對建建筑筑物物的的破破壞壞7.懸浮浮速速度度氣力力輸輸送送、、除除塵塵、、燃燃燒燒FDGu0重力力繞流流阻阻力力浮力力———懸浮浮速速度度不是是物物體體運運動動速速度度?。0<u沉降降物物體體沉沉降降速速度度v=u-u0u0=u懸浮浮u0>u上升升物物體體上上升升速速度度v=u0-uRe<1Re=10~103Re=103~2×105例