第五章流動阻力和能量損失

第五章流動阻力和能量損失閆小麗2013.5第五章流動阻力和能量損失

雷諾實驗圓管中的層流圓管中的湍流管路中的沿程阻力管路中的局部阻力流體管內(nèi)流動的能量損失能量損失的分類沿程能量損失局部能量損失流段內(nèi)的總能量損失第一節(jié)雷諾實驗流體流動的兩種流動狀態(tài)層流（滯流）當(dāng)流速較小時，各流層間流體質(zhì)點互不摻混，這種流動形態(tài)稱為層流。湍流（紊流）當(dāng)流速較大時，各流層間的流體質(zhì)點相互劇烈摻混，這種運動形態(tài)稱為紊流。

層流→湍流的平均速度上臨界速度湍流→層流的平均速度下臨界速度當(dāng)管徑一定，流體粘度一定時當(dāng)管徑改變，或流體粘度改變上臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)138002320當(dāng)Re>13800，管中流動狀態(tài)為湍流當(dāng)Re<2320，管中流動狀態(tài)為層流判別層流湍流的標(biāo)準(zhǔn)層流湍流形成的原因例題：水溫為T＝15℃，管徑為20mm的輸水管，水流平均流速為8.0cm／s，試確定管中水流形態(tài)；若水溫不變，求水流形態(tài)轉(zhuǎn)化時的臨界流速？若水流平均流速不變，求水流形態(tài)轉(zhuǎn)化時的臨界水溫是多少?解：（1）水溫為T＝15℃，水流為層流

（2）選取臨界雷諾數(shù)為2000，計算臨界流速當(dāng)水溫不變，u>11.4cm/s時，層流→紊流如果不改變流速，增加水溫，水的粘滯系數(shù)減小，水流形態(tài)同樣可以轉(zhuǎn)變。查表得，當(dāng)水溫增大到30℃以上時，，水流形態(tài)將由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?。所?0℃為其水流形態(tài)轉(zhuǎn)化的臨界水溫。管中層流湍流的水頭損失規(guī)律列斷面1和2之間的總流能量方程式：1122改變速度v，即可獲得層流湍流情況下v與對應(yīng)的hf值第二節(jié)圓管中的層流zOyxp1p2vl在圓管中取任意一個圓柱體，r,l,定常流動中處于平衡狀態(tài)。受力狀態(tài)一、速度分布圓管邊界條件管中層流的速度分布規(guī)律二、速度分析與流量rdrR取半徑r處寬度為dr的微小環(huán)形面積，則流量為哈根-泊肅葉定律測量粘度的依據(jù)平均速度三、平均速度和最大速度四、切應(yīng)力分布牛頓內(nèi)摩擦定律在層流的過流斷面上，切應(yīng)力與半徑成正比K字形分布當(dāng)r=R，管壁處的切應(yīng)力管壁上的總摩擦力為五、沿程損失在等徑管路中，由于流體與管壁以及流體本身的內(nèi)部摩擦，使得流體能量沿流動方向逐漸降低。沿程損失壓強損失水頭損失功率損失壓強損失哈根-泊肅葉方程平均速度表示水頭損失——管路兩端壓強差水頭之差功率損失用泵在管路中輸送流體時，需要計算克服沿程阻力所消耗的功率，是泵選型的主要依據(jù)。單位重力流體的能量損失。六、層流起始段

從入口到層流速度呈現(xiàn)拋物線穩(wěn)定的距離忽略起始段的影響P254，A值第三節(jié)圓管中的湍流主要特征流體質(zhì)點相互摻混，作無定向、無規(guī)則運動，運動要素在時間和空間都是具有隨機性質(zhì)的運動。非恒定流流速分布比層流更均勻能量損失比層流更大t/sv速度脈動流體運動速度隨時間瞬息變化壓強脈動等統(tǒng)計時均法某段時間內(nèi)的湍流時均特性時均流動用時均值表示的時均流動脈動運動脈動值表示的湍動粘度渦流粘度粘性底層、水力光滑管和水力粗糙管管壁的摩擦力和分子附著力的作用，管壁上有流體粘附；管壁處流體流速為零靠近管壁處的流體流動受到影響靠近管壁處的一定范圍內(nèi)大都是以層流為主靠近壁面處的層流層稱為粘性底層δ粘性底層的厚度與流體的粘度成正比與流體運動速度成反比與沿程阻力系數(shù)有關(guān)。粘性底層過渡層湍流核心管子的材料、加工方法、使用條件以及使用年限等因素影響，使得管壁會出現(xiàn)各種不同程度的凹凸不平，它們的平均尺寸△稱為絕對粗糙度。當(dāng)δ>△時，管壁的凹凸不平部分完全被粘性底層覆蓋，粗糙度對湍流核心幾乎沒有影響，水力光滑管；當(dāng)δ<△時，管壁的凹凸不平部分暴露在粘性底層之外，湍流核心的運動流體沖擊在凸起部分，不斷產(chǎn)生新的旋渦，加劇湍流程度，增大能量損失，水力粗糙管。切應(yīng)力分布和速度分布粘性切應(yīng)力脈動切應(yīng)力第四節(jié)管路中的沿程阻力將砂粒篩分后用漆涂于管子的內(nèi)壁6種相對粗糙度的管路層流到湍流不同Re下的hf，計算出λ布拉修斯公式2320決定λ的唯一因素各個區(qū)域相對應(yīng)的公式：P278，表5-4莫迪圖第五節(jié)管路中的局部阻力管路的功能——輸送流體為了保證流體輸送中可能遇到的轉(zhuǎn)向、調(diào)節(jié)、加速、升壓、過濾、測量等需要，在管路上必需要裝種種管路附件。彎頭、三通、水表、變徑段、進出口、過濾器、溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等。流體流經(jīng)這些管件受到擾動，產(chǎn)生壓強損失，這類損失稱為局部阻力損失。沿程阻力損失的表達式：局部阻力損失的表達式：——局部阻力系數(shù)將局部阻力損失折合成管中平均速度水頭的若干倍。如果局部裝置安裝在等徑管路中間，局部阻力系數(shù)只有一個。如果局部裝置安裝在兩種直徑的管路（變徑管）中間，則會出現(xiàn)兩個局部阻力系數(shù)。與局部裝置前后速度水頭相配合的阻力系數(shù)ξ一般與主管路的v相配合主管在局部裝置前，用ξ1主管在局部裝置后，用ξ2一、幾種常用的局部阻力系數(shù)1.突然擴大2.逐漸擴大吉布松實驗當(dāng)擴張角為5-7°時，阻力最小。擴張角繼續(xù)增大，阻力顯著上升k3.突然縮小最小的收縮斷面斷面收縮系數(shù)0.010.10.20.30.40.50.60.70.81.00.6180.6240.6320.6590.6810.7120.7550.8310.89210.4900.4690.4310.3870.3430.2980.2570.2120.16104.逐漸縮小這種管道不會出現(xiàn)流線脫離壁面的問題。組里的主要成分是沿程摩擦。常采用10-20°的收縮角。ξ=0.045.管道的進出口管道出口看作是突然擴大管道進口看作是突然縮小管道入口稍加修圓管道入口呈圓滑曲線6.彎管流動慣性，在彎管和折管的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生流線分離形成漩渦。外側(cè)流體沖擊壁面增加液流的混亂。過流斷面上，外側(cè)壓強大于內(nèi)側(cè)壓強，產(chǎn)生回流。Θ=90°彎管90°彎管的局部阻力系數(shù)0.10.20.30.40.50.60.70.80.91ξ0.1320.1380.1580.2060.2940.4400.6610.9771.4081.978折管的局部阻力系數(shù)θ2040608090100110120130160ξ0.0460.1390.3640.7410.9851.2601.5601.8612.1502.431三通接頭90°和45°三通閘板閥與截止閥液壓附件%102030405060708090全ξ160156.53.21.81.10.60.30.180.1ξ28524127.55.74.84.44.14.03.9二、水頭損失的疊加原則ξ是在不受其他阻力干擾的孤立條件下測定的。如果幾個局部阻力互相靠近、彼此干擾，則測定值又有不同。實際安裝情況變化較多，難以預(yù)知。實際計算時按算數(shù)加法求和。局部阻力損失沿程阻力損失局部阻力的當(dāng)量管長管路的總阻力長度局部阻力損失沿程阻力損失當(dāng)量局部阻力系數(shù)管路的總阻力系數(shù)第六節(jié)管路計算管路結(jié)構(gòu)特點等徑、串聯(lián)、并聯(lián)、分支計算特點短管計算水頭損失中沿程和局部損失各占一定比例；長管計算水頭損失中絕大部分為沿程損失，其局部阻力損失相對可以忽略不計；管路特性一、短管計算例題：水泵管路如圖，鑄鐵管直徑150mm，長度為180mm。管路上裝有濾水網(wǎng)（ξ=6）一個，全開截止閥一個，管半徑與曲率半徑之比為0.5的彎頭3個，高程為100m，流量為225m3/h，水溫20℃.試求水泵輸出的功率。h解：首先需要判斷流動狀態(tài)查表：20℃水的粘度鑄鐵管非光滑管湍流過渡區(qū)過渡區(qū)局部阻力系數(shù)：入口：0.5彎頭：0.294x3截止閥：3.9濾水網(wǎng)：6