第4章-流動阻力和水頭損失

04二月2023

過程裝備與控制工程機(jī)械工程系工程流體與粉體力學(xué)基礎(chǔ)第4章管內(nèi)流體流動阻力和水頭損失

本章將討論具有粘性的實(shí)際流體運(yùn)動，分析形成阻力的原因和分類，以及流態(tài)的變化，從而從理論上建立實(shí)際流體運(yùn)動的微分方程04二月2023

流體力學(xué)

【教學(xué)重點(diǎn)】1．實(shí)際流體的兩種流動型態(tài)的判別

；2．實(shí)際流體的運(yùn)動微分方程；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04二月2023

流體力學(xué)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(diǎn)間產(chǎn)生相對運(yùn)動。（外因）

流速分布切應(yīng)力分布uτy04二月2023

流體力學(xué)

液體經(jīng)過時的局部損失包括五段：進(jìn)口、突然放大、突然縮小、彎管和閘門。進(jìn)口突然放大突然縮小彎管閘門04二月2023

流體力學(xué)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。hf1hf2hf3hf404二月2023

流體力學(xué)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(jìn)口突然放大突然縮小彎管閘門04二月2023

流體力學(xué)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04二月2023

流體力學(xué)

大量的實(shí)踐表明，沿程損失的規(guī)律與流體運(yùn)動狀態(tài)密切相關(guān)，雷諾（Reynolds）通過大量實(shí)驗(yàn)研究后，發(fā)現(xiàn)實(shí)際流體運(yùn)動存在著兩種不同的狀態(tài)，即層流（laminarflow）和紊（湍）流（Turbulentflow）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(yùn)動的這兩種流態(tài)的。第二節(jié)雷諾實(shí)驗(yàn)層流與紊流OsborneReynolds(1842-1916)04二月2023

流體力學(xué)一、層流與紊流(LaminarandTurbulentflow)各液層之間毫不相混，這種分層有規(guī)律的流動－層流層流（片流）：毛細(xì)血管中的血液流動和流速很小的細(xì)直管道中的流動04二月2023

流體力學(xué)運(yùn)動軌跡極不規(guī)則，各部分流體劇烈摻混－紊（湍）流輸油管道、天然河道、大氣環(huán)流、洋流、動脈中血液的流動04二月2023

流體力學(xué)

OABDE：流速由小到大。EDCAO：流速由大到小。二、與V之間的關(guān)系層流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)lgk104二月2023

流體力學(xué)

（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)。04二月2023

流體力學(xué)

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)(Reynoldsnumber)04二月2023

流體力學(xué)

【例4-1】

已知：，，

求：（1）判別流態(tài);

（2）求臨界速度解：（1）（紊流）

（2）＝＞例4-2水管徑d=100mm，流速v=0.5m/s，水的運(yùn)動粘度，問管內(nèi)水的流態(tài)。如果管中是油，流速不變，運(yùn)動粘度求管內(nèi)油的流態(tài)。解：水的雷諾數(shù)油的雷諾數(shù)：水在管中呈紊流狀態(tài)油在管中呈層流狀態(tài)04二月2023

流體力學(xué)

四、紊流的成因04二月2023

流體力學(xué)

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?

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流體力學(xué)

雷諾數(shù)反映了慣性力和粘滯力的對比關(guān)系。04二月2023

流體力學(xué)

軸向力的平衡：

第三（四）節(jié)圓管中的層流運(yùn)動一、均勻流動方程式尼古拉茲試驗(yàn)曲線圖3.18

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流體力學(xué)

—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。04二月2023

流體力學(xué)

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04二月2023

流體力學(xué)

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)04二月2023

流體力學(xué)

5、動能修正系數(shù)及動量修正系數(shù)

6、動量修正系數(shù)04二月2023

流體力學(xué)

【例4-2

】已知：

求：

解：

，cm/s，流態(tài)為層流，故有，04二月2023

流體力學(xué)

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(yùn)動的隨機(jī)性。紊流的宏觀表現(xiàn)是各流層的流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，流動極不規(guī)則，雜亂無章，即使在同一空間點(diǎn)上，流體質(zhì)點(diǎn)的速度、壓強(qiáng)等物理量隨時間呈一種不規(guī)則的隨機(jī)變化特征，這種現(xiàn)象稱為脈動或漲落（fluctuation)現(xiàn)象。第五節(jié)圓管中的紊(湍)流

一、紊流運(yùn)動的特征瞬時值、時均值、脈動值04二月2023

流體力學(xué)

由于脈動的隨機(jī)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。04二月2023

流體力學(xué)

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：

如果紊流流動中各物理量的時均值不隨時間而變，僅僅是空間點(diǎn)的函數(shù)，可認(rèn)為時均流動是恒定流動。紊流的瞬時運(yùn)動總是非恒定的，而平均運(yùn)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。04二月2023

流體力學(xué)

因時均流速的不同，各流層間的相對運(yùn)動，仍然存在著粘性切應(yīng)力。1、粘性切應(yīng)力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04二月2023

流體力學(xué)

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(diǎn)脈動引起慣性切應(yīng)力，這與分子微觀運(yùn)動引起粘性切應(yīng)力十分相似。因此，Prandtl（1925）將流體質(zhì)點(diǎn)的脈動與分子運(yùn)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(tuán)在該距離內(nèi)不會和其它微團(tuán)相碰撞。因此，該流體微團(tuán)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（MixingLength）理論04二月2023

流體力學(xué)

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：

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流體力學(xué)

四、紊流的流速分布三、紊流結(jié)構(gòu)04二月2023

流體力學(xué)

紊流04二月2023

流體力學(xué)

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(shí)驗(yàn)不要走神，注意聽講吆！04二月2023

流體力學(xué)

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。04二月2023

流體力學(xué)

2、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)結(jié)果：04二月2023

流體力學(xué)

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)04二月2023

流體力學(xué)

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)λ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λ的計算04二月2023

流體力學(xué)

過渡區(qū)λ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(shí)驗(yàn)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04二月2023

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莫迪圖（以柯氏公式為基礎(chǔ)）04二月2023

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層流區(qū)紊流光滑區(qū)

布拉休斯經(jīng)驗(yàn)公式：

紊流過渡區(qū)

經(jīng)驗(yàn)公式

紊流粗糙區(qū)

阿里特蘇里經(jīng)驗(yàn)公式：（Re<105)

的經(jīng)驗(yàn)公式04二月2023

流體力學(xué)

【例4-3】已知:，，，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(shí)驗(yàn)圖，得：

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（2）

（3）

，

查Moody圖，得：04二月2023

水力學(xué)

給排水工程計算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(shí)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。04二月2023

水力學(xué)給排水第七節(jié)局部損失一、局部損失一般分析進(jìn)口突然放大突然縮小彎管閘門04二月2023

流體力學(xué)

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流體力學(xué)

二、突擴(kuò)圓管的局部損失分析斷面1—1與2—2之間的沿程損失很小，可忽略不計。根據(jù)伯努利方程⊕

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流體力學(xué)

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04二月2023

流體力學(xué)

這就是突擴(kuò)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！04二月2023

流體力學(xué)

三、突縮管的局部損失特例！當(dāng)液體由大容器流入管道時,04二月2023

流體力學(xué)

如何計算非圓形管道的沿程損失呢？

思路有兩個：一是直接對各種形狀非圓管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以期對各種具體形狀的非圓管得到可用的λ曲線或經(jīng)驗(yàn)公式。另一個思路是能否借用已有的圓管的結(jié)果，將非圓管類的計算問題折合成對圓管的計算。顯然，后一種思路具有可行性，而且簡便。關(guān)鍵是如何將非圓管計算問題折合成圓管的計算問題。這種“折合”方法事實(shí)上是由水力半徑出發(fā)，通過建立當(dāng)量直徑的概念來實(shí)現(xiàn)的。補(bǔ)充：非圓管的沿程損失04二月2023

流體力學(xué)