第四章流動阻力和能量損失詳解演示文稿

第四章流動阻力和能量損失詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有43頁\編輯于星期五優(yōu)選第四章流動阻力和能量損失現(xiàn)在是2頁\一共有43頁\編輯于星期五ⅠⅡⅢ

沿程阻力及損失

在邊壁沿程不變的管段，流動阻力規(guī)律也基本不變，這類阻力為沿程阻力?？朔爻套枇σ鸬哪芰繐p失稱為沿程損失，hf

局部阻力及損失

在邊界急劇變化的區(qū)域，阻力主要集中在該區(qū)域內(nèi)及其附近，這種集中分布的阻力稱為局部阻力。局部損失用hj表示?？偰芰繐p失§4.1

流動阻力和能量損失現(xiàn)在是3頁\一共有43頁\編輯于星期五hjahf1hjbhf2hjchf3hjdhf4hw§4.1

流動阻力和能量損失現(xiàn)在是4頁\一共有43頁\編輯于星期五雷諾實驗:1876～1883年是流體力學的重要實驗之一實驗目的:研究沿程損失規(guī)律

觀察流動狀態(tài)尋找影響流動狀態(tài)的因素尋找不同流動狀態(tài)下沿程損失規(guī)律O.Reynolds

(1842-1912)§4.1

流動阻力和能量損失

雷諾實驗和兩種狀態(tài)現(xiàn)在是5頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.2

流體的流動狀態(tài)實驗裝置:現(xiàn)在是6頁\一共有43頁\編輯于星期五實驗現(xiàn)象:

小流量§4.2

流體的流動狀態(tài)現(xiàn)在是7頁\一共有43頁\編輯于星期五

中流量§4.2

流體的流動狀態(tài)現(xiàn)在是8頁\一共有43頁\編輯于星期五

大流量§4.2

流體的流動狀態(tài)現(xiàn)在是9頁\一共有43頁\編輯于星期五過渡狀態(tài)紊流層流層流運動：流體的流速較小時，顏色水成一直線，說明流體質點互不干擾，各自沿自己的運動軌跡運動，且平行于流管軸線。這種有分層有規(guī)則的流動狀態(tài)稱為層流運動。紊流運動：流體的流速較大時，顏色水與清水混雜，說明流體質點互相干擾，互相碰撞。這種雜亂無章的流動狀態(tài)叫做紊流運動。過渡狀態(tài)：流體質點的運動處于不穩(wěn)定狀態(tài)。著色流束開始振蕩?！?.2

流體的流動狀態(tài)現(xiàn)在是10頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.2

流體的流動狀態(tài)臨界流速：流體運動狀態(tài)改變點的流速稱為臨界流速。層流紊流的臨界速度

——上臨界流速紊流層流的臨界速度

——下臨界流速——上臨界速度——下臨界速度由實驗得知：現(xiàn)在是11頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.2

流體的流動狀態(tài)

沿程水頭損失與流速的關系OABCDElghflgvvcrvcr，層流：OA段，m=1，紊流：CDE段，m=1.75-2.0，結論：沿程損失與流動狀態(tài)有關，故計算各種流體通道的沿程損失，必須首先判別流體的流動狀態(tài)?，F(xiàn)在是12頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.2

流體的流動狀態(tài)

流態(tài)的判別準則——臨界雷諾數(shù)引出一個比例系數(shù)即雷諾數(shù)層流：不穩(wěn)定流：紊流：——下臨界雷諾數(shù)——上臨界雷諾數(shù)同理：無數(shù)實驗證明，不管流速多少、管內(nèi)徑多大、也不管流體的運動粘度如何，只要雷諾數(shù)相等，它們的流動狀態(tài)就相似。所以雷諾數(shù)是判別流體流動狀態(tài)的準則數(shù)?，F(xiàn)在是13頁\一共有43頁\編輯于星期五紊流：層流：工程上常用的圓管臨界雷諾數(shù)：§4.2

流體的流動狀態(tài)圓管非圓管現(xiàn)在是14頁\一共有43頁\編輯于星期五

思考題

對于某種液體，以一定的流速在管道中流動，雷諾數(shù)將隨著管徑的增大而增大。（）√×對于某種液體，以一定的流速在管道中流動，臨界雷諾數(shù)將隨著管徑的增大而增大。（）現(xiàn)在是15頁\一共有43頁\編輯于星期五例4-1：有一管徑d=25mm的室內(nèi)上水管，管中流速v=1.0m/s，水溫t=10℃。（1）試判別管中水的流態(tài)；（2）管內(nèi)保持層流狀態(tài)的最大流速為多少？解：（1）10℃時水的運動粘滯系數(shù)ν=1.31×10-6m2/s，因而管中雷諾數(shù)為：故管中水流為紊流。（2）保持層流的最大流速就是臨界流速vcr：所以現(xiàn)在是16頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.2

流體的流動狀態(tài)

流態(tài)分析對于層流：各流層間互不摻雜，只存在黏性引起的各層流間的滑動摩擦阻力；對于紊流：除了黏性阻力，還存在著由于質點摻混、互相碰撞所造成的慣性阻力。二者區(qū)別在于質點之間是否互相摻雜?，F(xiàn)在是17頁\一共有43頁\編輯于星期五渦體的產(chǎn)生過程分析選定流層流速分布曲線ττ干擾FFFFFFFFFFFF升力渦體紊流形成條件渦體的產(chǎn)生雷諾數(shù)達到一定的數(shù)值§4.2

流體的流動狀態(tài)現(xiàn)在是18頁\一共有43頁\編輯于星期五例4-1：用直徑為100mm的管路輸送密度為850kg/m3的柴油，溫度20℃時，其運動粘度為6.7×10-6m2/s。欲保持層流，則平均流速不能超過多少？最大輸送量（質量流量）為多少？解：根據(jù)題意，雷諾數(shù)應小于2000，有：得速度應滿足：速度為保持層流的最大速度時，輸送量最大，為：現(xiàn)在是19頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.3

均勻流基本方程目的：通過研究均勻流的阻力規(guī)律，找出沿程損失與沿程阻力之間的關系。對于均勻流：無局部阻力，只存在沿程阻力。有壓管流（penstock）：管道中流體在壓力差作用下的流動稱為有壓管流。p1p2切應力現(xiàn)在是20頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.3

均勻流基本方程1-1和2-2兩斷面列伯努利方程：由均勻流的性質得：代入，得：0現(xiàn)在是21頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.3

均勻流基本方程流段在流向上的受力分析：重力：端面壓力：管壁切向力：軸線方向受力平衡：0單位面積上的切應力斷面的濕周,側面面積代入，兩邊同時除以ρgA得：現(xiàn)在是22頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.3

均勻流基本方程設J為單位長度的沿程損失，稱為水力坡度。則：得到：對于圓截面有壓管：設有壓管的半徑為r0，則水力半徑現(xiàn)在是23頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.3

均勻流基本方程或rr0均勻流過流斷面切應力分布現(xiàn)在是24頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.4

圓管中層流運動及沿程損失

圓管層流的速度分布及平均流速每一圓筒層表面的切應力：另依均勻流沿程水頭損失與切應力的關系式有：所以有代入有等號兩邊同時積分：現(xiàn)在是25頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.4

圓管中層流運動及沿程損失積分得當r=r0時，u=0，代入上式:則拋物型流速分布圓管中層流斷面流速分布：最大流速現(xiàn)在是26頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.4

圓管中層流運動及沿程損失u=0v=0.5umaxumaxr0rττ0平均流速得平均流速其中現(xiàn)在是27頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.4

圓管中層流運動及沿程損失

圓管層流的沿程阻力由于所以令則沿程阻力損失整理：—流段的沿程水頭損失，m—沿程阻力系數(shù)現(xiàn)在是28頁\一共有43頁\編輯于星期五對于氣體管道工程，相應的沿程壓頭損失：§4.4

圓管中層流運動及沿程損失液體：氣體:沿程水頭損失，沿程壓力損失，沿程損失表示：—流段的沿程壓頭損失，Pa現(xiàn)在是29頁\一共有43頁\編輯于星期五例4-2：設圓管的直徑d=2cm，流速v=12cm/s，水溫t=10℃。試求管長l=20m上的沿程水頭損失。解：先判別流態(tài)，查表（P5表1-2）得t=10℃

時水的運動粘滯系數(shù)：，為層流。沿程損失為：

沿程阻力系數(shù)λ為：現(xiàn)在是30頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.5

圓管中紊流運動及沿程損失

紊流流動的內(nèi)部結構Av=（0.75-0.9）umaxumaxr0ryu（1）粘性底層區(qū)（2）紊流核心區(qū)（3）過渡區(qū)—層流邊層的厚度可見，δ隨雷諾數(shù)的增加而減小?，F(xiàn)在是31頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.5

圓管中紊流運動及沿程損失

紊流流動的脈動現(xiàn)象與時均化概念脈動速度瞬時速度平均速度流體質點不斷地互相混雜和碰撞，必然引起流場中各物理量隨時間的波動，這種現(xiàn)象稱為脈動現(xiàn)象。紊流中各點的壓強：脈動現(xiàn)象

時均化或：現(xiàn)在是32頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.5

圓管中紊流運動及沿程損失

紊流的沿程阻力損失根據(jù)均勻流基本方程式，沿程水頭損失為：紊流中的切應力，包括粘性切應力和慣性切應力兩部分。慣性切應力：則切應力：粘性切應力：紊流中的切向應力有兩部分組成：由相鄰兩流層間時間平均流速相對運動所產(chǎn)生的粘滯切應力純粹由脈動流速所產(chǎn)生的附加切應力現(xiàn)在是33頁\一共有43頁\編輯于星期五上式應用于圓管紊流，理論上可證明斷面上流速分布規(guī)律。式中：-卡門通用常數(shù)，實驗方法確定C

–積分常數(shù)，實驗方法確定§4.5

圓管中紊流運動及沿程損失

紊流的沿程阻力損失紊流核心區(qū)速度分布：粘性底層區(qū)速度分布：y–流體質點至管壁的距離

–管壁處切應力現(xiàn)在是34頁\一共有43頁\編輯于星期五對于氣體管道工程，相應的沿程壓頭損失計算式為：圓管壓力流的水力半徑為，所以圓管壓力流紊流的沿程水頭損失為：§4.5

圓管中紊流運動及沿程損失實驗研究發(fā)現(xiàn)：紊流中切應力τ與斷面平均流速v、實力半徑R、流體密度ρ、流體動力粘度μ以及管壁絕對粗糙度Δ有關由均勻流基本方程：管壁內(nèi)部凸起的平均高度現(xiàn)在是35頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.6

沿程阻力系數(shù)的實驗研究

沿程阻力系數(shù)及其影響因素的分析層流:紊流:（1）根據(jù)紊流沿程損失的實驗資料，給出沿程阻力系數(shù)的純經(jīng)驗公式；（2）用理論和實驗結合的方法，以紊流半經(jīng)驗公式為基礎，整理成半經(jīng)驗公式。沿程損失研究途徑現(xiàn)在是36頁\一共有43頁\編輯于星期五因素分析§4.6

沿程阻力系數(shù)的實驗研究

沿程阻力系數(shù)及其影響因素的分析能量損失取決于反映流體內(nèi)部矛盾的慣性力和粘性力的對比關系

決定于流體的邊界條件

Re

ld△現(xiàn)在是37頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.6

沿程阻力系數(shù)的實驗研究粗糙度、水力光滑管和水力粗糙管現(xiàn)在是38頁\一共有43頁\編輯于星期五尼古拉茲實驗（1932-1933）目的：原理和裝置：hf用不同粗糙度的人工粗糙管，測出不同雷諾數(shù)下的，然后由算出.Re管壁§4.6

沿程阻力系數(shù)的實驗研究

尼古拉茲實驗曲線現(xiàn)在是39頁\一共有43頁\編輯于星期五Lg（100λ）lgRe五個區(qū)：IIIIIIIVVabcdefI.層流區(qū)(ab):Re＜2320,

與粗糙度無關，且II.過渡區(qū)(bc)：僅與雷諾數(shù)有關，與粗糙度無關，2320＜

Re＜4000III.紊流光滑區(qū)(cd):4000＜

Re＜26.98僅與Re有關,與無關IV.紊流過渡區(qū)(cd-ef):V.紊流粗糙管區(qū)(ef右側):現(xiàn)在是40頁\一共有43頁\編輯于星期五§4.6

沿程阻力系數(shù)的實驗研究

尼古拉茲實驗曲線(續(xù))尼古拉茲實驗曲線的五個區(qū)域層流區(qū)管壁的相對粗糙度對沿程損失系數(shù)沒有影