流體力學(xué)第五章-流動(dòng)阻力與水頭損失電子版本

第5章流動(dòng)阻力(zǔlì)與水頭損失第一頁(yè)，共42頁(yè)。第5章流動(dòng)阻力(zǔlì)與水頭損失★本章重點(diǎn)掌握黏性流體(liútǐ)的流動(dòng)型態(tài)（層流、紊流）及其判別沿程水頭損失計(jì)算局部水頭損失計(jì)算第二頁(yè)，共42頁(yè)?！?.1概述(ɡàishù)一、章目解析從力學(xué)觀點(diǎn)(guāndiǎn)看，本章研究的是流動(dòng)阻力。產(chǎn)生流動(dòng)阻力的原因：內(nèi)因——粘性+慣性外因——外界干擾從能量觀看，本章研究的是能量損失（水頭損失）。第三頁(yè)，共42頁(yè)?！?.1概述(ɡàishù)二、研究?jī)?nèi)容內(nèi)流（如管流、明渠流等）：研究的計(jì)算（本章重點(diǎn)）；外流（如繞流等）：研究CD的計(jì)算。三、水頭損失(sǔnshī)的兩種形式hf：沿程水頭損失(sǔnshī)(由摩擦引起)；hm：局部水頭損失(sǔnshī)（由局部干擾引起）?？偹^(shuǐtóu)損失：第四頁(yè)，共42頁(yè)?！?.2黏性流體(liútǐ)的流動(dòng)型態(tài)一、雷諾實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介1883年英國(guó)(yīnɡɡuó)物理學(xué)家雷諾按圖示試驗(yàn)裝置對(duì)粘性流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提出了流體運(yùn)動(dòng)存在兩種型態(tài)：層流和紊流。OsborneReynolds(1842-1916)第五頁(yè)，共42頁(yè)?！?.2黏性流體(liútǐ)的流動(dòng)型態(tài)第六頁(yè)，共42頁(yè)?！?.2黏性流體(liútǐ)的流動(dòng)型態(tài)雷諾在觀察現(xiàn)象的同時(shí)，測(cè)量，繪制的關(guān)系(guānxì)曲線如下：層流(cénɡliú)：紊流：AEBCD層流過渡區(qū)紊流第七頁(yè)，共42頁(yè)?！?.2黏性流體(liútǐ)的流動(dòng)型態(tài)二、判別(pànbié)標(biāo)準(zhǔn)1.試驗(yàn)(shìyàn)發(fā)現(xiàn)第八頁(yè)，共42頁(yè)?！?.2黏性流體(liútǐ)的流動(dòng)型態(tài)2.判別(pànbié)標(biāo)準(zhǔn)圓管：取非圓管：定義水力(shuǐlì)半徑為特征長(zhǎng)度.相對(duì)于圓管有第九頁(yè)，共42頁(yè)?！?.2黏性流體(liútǐ)的流動(dòng)型態(tài)故取例題(lìtí)1第十頁(yè)，共42頁(yè)?！?.3恒定均勻(jūnyún)流基本方程第十一頁(yè)，共42頁(yè)?！?.3恒定均勻(jūnyún)流基本方程一、恒定均勻流基本方程(fāngchéng)推導(dǎo)對(duì)如圖所示定常均勻有壓管流，由1→2建立伯努利方程，得：流體用于克服阻力(zǔlì)所消耗的能量全部由勢(shì)能提供。（1）第十二頁(yè)，共42頁(yè)?！?.3恒定均勻流基本(jīběn)方程2.在s方向(fāngxiàng)列動(dòng)量方程，得：式中：（2）第十三頁(yè)，共42頁(yè)?！?.3恒定均勻流基本(jīběn)方程3.聯(lián)立（1）、（2），可得定常均勻(jūnyún)流基本方程上式對(duì)層流(cénɡliú)、紊流均適用。（3）第十四頁(yè)，共42頁(yè)。§5.3恒定均勻流基本(jīběn)方程二、過流斷面(duànmiàn)上切應(yīng)力τ的分布仿上述推導(dǎo)(tuīdǎo)，可得任意r處的切應(yīng)力：考慮到，有故（線性分布）第十五頁(yè)，共42頁(yè)?！?.3恒定均勻(jūnyún)流基本方程三、沿程水頭損失hf的通用(tōngyòng)公式由均勻流基本(jīběn)方程計(jì)算，需先求出。因據(jù)π定理：故第十六頁(yè)，共42頁(yè)?！?.3恒定均勻流基本(jīběn)方程令，并考慮(kǎolǜ)到，式中，為沿程阻力系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)(shíyàn)確定。代入可得沿程水頭損失的通用公式——達(dá)西公式：第十七頁(yè)，共42頁(yè)?！?.4圓管中的層流(cénɡliú)運(yùn)動(dòng)一、過流斷面上的流速(liúsù)分布據(jù)第十八頁(yè)，共42頁(yè)?！?.4圓管中的層流(cénɡliú)運(yùn)動(dòng)積分(jīfēn)得：——旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)拋物面分布第十九頁(yè)，共42頁(yè)?！?.4圓管中的層流(cénɡliú)運(yùn)動(dòng)最大流速(liúsù)：流量(liúliàng)：第二十頁(yè)，共42頁(yè)?！?.4圓管中的層流(cénɡliú)運(yùn)動(dòng)二、斷面平均(píngjūn)流速第二十一頁(yè)，共42頁(yè)?！?.4圓管中的層流(cénɡliú)運(yùn)動(dòng)三、沿程水頭(shuǐtóu)損失由和得：第二十二頁(yè)，共42頁(yè)?！?.4圓管中的層流(cénɡliú)運(yùn)動(dòng)與hf的通用公式比較(bǐjiào)，可得圓管層流時(shí)沿程阻力系數(shù)：四、動(dòng)能、動(dòng)量修正(xiūzhèng)系數(shù)第二十三頁(yè)，共42頁(yè)?！?.5圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)(yùndòng)一、紊流的特征(tèzhēng)主要特征：流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，作無(wú)定向、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素在時(shí)間和空間都是具有隨機(jī)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。?嚴(yán)格來(lái)講，紊流總是非恒定的。?時(shí)間平均紊流：恒定紊流與非恒定紊流的含義。?紊流的脈動(dòng)性使過流斷面上的流速分布比層流的更均勻(jūnyún)，但能量損失比層流更大。第二十四頁(yè)，共42頁(yè)?！?.5圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)(yùndòng)二、紊流切應(yīng)力(yìnglì)紊流切應(yīng)力(yìnglì)τ包括τ1和紊流附加切應(yīng)力(yìnglì)τ2兩部分，即其中：這里稱為混合長(zhǎng)度，可用經(jīng)驗(yàn)公式或計(jì)算。第二十五頁(yè)，共42頁(yè)?！?.5圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)(yùndòng)三、粘性(zhānxìnɡ)底層?水力光滑、水力粗糙(cūcāo)的含義。?粘性底層一般只有十分之幾個(gè)毫米，但對(duì)流動(dòng)阻力的影響較大。第二十六頁(yè)，共42頁(yè)?！?.5圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)(yùndòng)四、過流斷面上的流速(liúsù)分布粘性(zhānxìnɡ)底層區(qū)式中：——剪切流速

紊流核心區(qū)第二十七頁(yè)，共42頁(yè)?！?.5圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)(yùndòng)五、沿程阻力(zǔlì)系數(shù)λ的變化規(guī)律及影響因素1.尼古拉茲實(shí)驗(yàn)(shíyàn)簡(jiǎn)介JohannNikuradse第二十八頁(yè)，共42頁(yè)?！?.5圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)(yùndòng)第二十九頁(yè)，共42頁(yè)?！?.5圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)(yùndòng)層流(cénɡliú)區(qū)（I）：2.實(shí)驗(yàn)(shíyàn)成果層、紊流過渡（Ⅱ）：紊流過渡區(qū)（Ⅳ）：紊流粗糙區(qū)（Ⅴ）：紊流光滑區(qū)（Ⅲ）：第三十頁(yè)，共42頁(yè)?！?.5圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)(yùndòng)六、λ的計(jì)算公式層、紊流過渡(guòdù)區(qū)（Ⅱ）：空白層流(cénɡliú)區(qū)（I）：紊流光滑區(qū)（Ⅲ）：紊流過渡區(qū)（Ⅳ）：第三十一頁(yè)，共42頁(yè)?！?.5圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)(yùndòng)紊流粗糙(cūcāo)區(qū)（Ⅴ）：適合(shìhé)紊流區(qū)的公式：第三十二頁(yè)，共42頁(yè)?！?.5圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)(yùndòng)★為便于(biànyú)應(yīng)用，莫迪將其制成莫迪圖。LewisMoody第三十三頁(yè)，共42頁(yè)。§5.6局部水頭(shuǐtóu)損失一、局部水頭(shuǐtóu)損失產(chǎn)生的原因旋渦區(qū)的存在是造成局部水頭損失(sǔnshī)的主要原因。

局部水頭損失與沿程水頭損失一樣，也與流態(tài)有關(guān)，但目前僅限于紊流研究，且基本為實(shí)驗(yàn)研究。第三十四頁(yè)，共42頁(yè)?！?.6局部(júbù)水頭損失二、圓管突然擴(kuò)大的液流局部水頭(shuǐtóu)損失1.從1→2建立(jiànlì)伯努利方程，可得（1）第三十五頁(yè)，共42頁(yè)?！?.6局部水頭(shuǐtóu)損失2.在s方向(fāngxiàng)列動(dòng)量方程式中：引入實(shí)驗(yàn)(shíyàn)結(jié)果（2）第三十六頁(yè)，共42頁(yè)?！?.6局部(júbù)水頭損失3.聯(lián)立（1）、（2），并取，得（包達(dá)公式(gōngshì)）第三十七頁(yè)，共42頁(yè)?！?.6局部水頭(shuǐtóu)損失三、局部水頭損失(sǔnshī)通用公式式中：ξ=f(Re,邊界情況)，稱為局部阻力系數(shù)，一般(yībān)由實(shí)驗(yàn)確定。例題2第三十八頁(yè)，共42頁(yè)。例題(lìtí)1[例1]水流經(jīng)變截面(jiémiàn)管道，已知d2/d1=2，則相應(yīng)的Re2/Re1=?[解]因故第三十九頁(yè)，共42頁(yè)。例題(lìtí)2[例2]如圖所示管流，已知：d、l、H、λ、ξ進(jìn)、ξ閥門(fámén)。求：管道通過能力Q。[解]從1→2建立(jiànlì)伯努利方程第四十頁(yè)，共42頁(yè)。例題(lìtí)2得流速(liúsù)據(jù)連續(xù)性方程得流量第四十一頁(yè)，共42頁(yè)。普朗特簡(jiǎn)介(jiǎnjiè)普朗特（1875～1953），德國(guó)物理學(xué)家，近代力學(xué)奠基人之一。1875年2月4日生于弗賴辛，1953年8月15日卒于格丁根。他在大學(xué)時(shí)學(xué)機(jī)械工程，后在慕尼黑工業(yè)大學(xué)攻彈性力學(xué)，1900年獲得博士學(xué)位。1901年在機(jī)械廠工作，發(fā)現(xiàn)了氣流分離問題。后在漢諾威大學(xué)任教授時(shí)，用自制水槽觀察繞曲面的流動(dòng)，3年后提出邊界層理論，建立繞物體流動(dòng)的小粘性邊界層方程，以解決計(jì)算摩擦阻力、求解分離區(qū)和熱交換等問題。奠定(diàndìng)了現(xiàn)代流體力學(xué)的基礎(chǔ)。普朗特在流體力學(xué)方面的其他貢獻(xiàn)有：①風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)。他認(rèn)為研究空氣動(dòng)力學(xué)必須作模型實(shí)驗(yàn)。1906年建造了德國(guó)第一個(gè)風(fēng)洞（見空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)），1917年又建成格丁根式風(fēng)洞。②機(jī)翼理論。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，他于1913～1918年提出了舉力線理論和最小誘導(dǎo)阻力理論

，后又提出舉力面理論等。③湍流理論。提出層流穩(wěn)定性和湍流混合長(zhǎng)度理論。此外還有亞聲速相似律和可壓縮繞角膨脹流動(dòng)，后被稱為普朗特-邁耶爾流動(dòng)。他在氣象學(xué)方面也有創(chuàng)造性論著。