工程流體力學(xué)第章阻力與水頭損失

第4章流動(dòng)阻力與水頭損失

學(xué)習(xí)重點(diǎn)§4-1流動(dòng)阻力與水頭損失的兩種類型§4-2實(shí)際流體流動(dòng)的兩種流態(tài)§4-3均勻流動(dòng)的沿程水頭損失和基本方程式

§4-4圓管中的層流運(yùn)動(dòng)§4-5紊流運(yùn)動(dòng)

§4-6沿程阻力系數(shù)λ的變化規(guī)律

§4-7邊界層理論簡介§4-8局部水頭損失

學(xué)習(xí)重點(diǎn)

流動(dòng)阻力和水頭損失的基本概念。粘性流體的流動(dòng)型態(tài)：層流和紊流。沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系。圓管中的層流和紊流運(yùn)動(dòng)。沿程水頭損失和局部水頭損失的計(jì)算?！?-1流動(dòng)阻力與水頭損失的兩種類型一、沿程阻力和沿程水頭損失流動(dòng)的過程中，在流動(dòng)的方向、壁面的粗糙程度、過流斷面的形狀和尺寸均不變的均勻流段上，產(chǎn)生的流動(dòng)阻力稱為沿程阻力，或稱為摩擦阻力。克服沿程阻力作功而引起的水頭損失稱為沿程水頭損失，用hf表示。沿程阻力均勻地分布在整個(gè)流段上，因而hf的大小與管段的長度成正比。

二、局部阻力及局部水頭損失流體因固體邊界急劇改變而引起v分布的急劇改組，由此產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力。其相應(yīng)的水頭損失稱為局部水頭損失，以hj（或hm）表示。hj是流體在某些局部地方，由于管徑或方向的改變，或由于裝置了某些配件（閥門、量水表等）而產(chǎn)生的額外的能量損失。

§4-1流動(dòng)阻力與水頭損失的兩種類型§4-2實(shí)際流體流動(dòng)的兩種流態(tài)

一、雷諾試驗(yàn)通過試驗(yàn)認(rèn)為液體流動(dòng)有兩種型態(tài)——層流和紊流。試驗(yàn)情況可概括如下：當(dāng)v<vc時(shí)，流體作層流運(yùn)動(dòng)；當(dāng)v>vc′時(shí)，流體作紊流運(yùn)動(dòng)；當(dāng)vc<v<vc′時(shí)，流態(tài)不穩(wěn)，可能是層流也可能是紊流。

層流：流體在流動(dòng)過程中，各層質(zhì)點(diǎn)間互不干擾，互不相混，各自沿直線向前流動(dòng)，這種流動(dòng)狀態(tài)稱為層流。

紊流：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是極不規(guī)則的，不僅有沿流動(dòng)方向的位移，而且還有垂直于運(yùn)動(dòng)方向（橫向）的位移，其流速的方向和大小都隨時(shí)間而變化，這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為紊流。一、雷諾試驗(yàn)一、雷諾試驗(yàn)hw(hf)=Kvm,lghf=lgK+mlgv1.AE段,v<vc，層流。2.CD段，v>vcˊ,紊流，

v越大，m越大。3.CE段,過渡區(qū)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定。二、層流和紊流的判別雷諾實(shí)驗(yàn)觀察到兩種不同的流態(tài)，以及流態(tài)與管道流速之間的關(guān)系雷諾用不同管徑圓管對(duì)多種液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)流態(tài)不僅與斷面平均流速v有關(guān)系，而且與管徑d、液體粘性μ、密度ρ有關(guān)。即流態(tài)既反映管道中流體的特性，同時(shí)又反映管道的特性。將上述四個(gè)參數(shù)合成一無量綱數(shù)，稱為雷諾數(shù)，用Re表示。對(duì)應(yīng)于vc的雷諾數(shù)，稱為臨界雷諾數(shù)，用Rec表示。通常情況下，Rec=2300。當(dāng)Re<Rec=2300，為層流；當(dāng)Re>Rec，為紊流。

對(duì)于任何斷面，將直徑d改用水力半徑R，一個(gè)能綜合反映斷面大小和幾何形狀對(duì)流動(dòng)影響的特征長度。

二、層流和紊流的判別二、層流和紊流的判別§4-3均勻流動(dòng)的沿程水頭損失和基本方程式一、均勻流水頭損失的特點(diǎn)

只有hf，且單位長度的hf沿程不變。二、均勻流動(dòng)的沿程水頭損失表明均勻流中某流段的hf等于流段兩端斷面的測壓管水頭差。三、均勻流基本方程

四、均勻流過水?dāng)嗝媲袘?yīng)力分布在圓管均勻流中，任取一流束，則切應(yīng)力為：τ=γR′JR′為流束的水力半徑，故切應(yīng)力呈直線分布§4-4圓管中的層流運(yùn)動(dòng)一、圓管均勻?qū)恿鞯牧魉俜植技捌骄魉俣铰?lián)立，積分得把邊界條件代入求出積分常數(shù)為拋物線分布umax=2v二、圓管均勻?qū)恿餮爻趟^損失的計(jì)算因?yàn)棣耍貉爻套枇ο禂?shù)

層流中，λ=64/Re

三、動(dòng)能修正系數(shù)、動(dòng)量修正系數(shù)圓管層流的動(dòng)能修正系數(shù)圓管層流的動(dòng)量修正系數(shù)可見，層流過流斷面上流速分布不均勻，故α和β值較大。在應(yīng)用能量方程和動(dòng)量方程時(shí)，若假設(shè)它們等于1，誤差很大。§4-4圓管中的層流運(yùn)動(dòng)§4-4圓管中的層流運(yùn)動(dòng)§4-5紊流運(yùn)動(dòng)一、紊流的形成過程紊流的特點(diǎn)：流體內(nèi)部充滿了大小不等的渦體，處處相互混摻、振蕩、組合、分解。層流轉(zhuǎn)化為紊流的條件：有渦體形成，并且渦體脫離原來的流層，與周圍流層的液體混摻。渦體形成的原因：一是流體的粘滯性，二是外界干擾。一、紊流的形成過程

當(dāng)有外界干擾或上游來流沖擊擾動(dòng)時(shí)，該流層就會(huì)出現(xiàn)局部波動(dòng)（a），波動(dòng)的結(jié)果使流線發(fā)生彎曲。當(dāng)流線上凸到上層流層時(shí)其向上壓力與上層流層向右的切應(yīng)力合成，其合力方向指向右上方；下凹處向下的壓力與下層向左的切應(yīng)力合成，其合力方向指向左下方（b）。隨著波動(dòng)的加劇，傾斜越來越厲害，當(dāng)上凸與下凹重疊時(shí)，就形成了渦體（圖4-7c）渦體倒形成謙后，匪上側(cè)盈旋轉(zhuǎn)爽的方很向與終流速讓方向煎一致醫(yī)，二鳳者的秧疊加逢，使v更大紋，上減側(cè)的p必然飾減小稅；而殊下側(cè)形旋轉(zhuǎn)光的方先向與零流速宏相反惰疊加橫的結(jié)足果使翅流速敏減小氏，造賺成下坦側(cè)壓拌強(qiáng)變斯大。渦體在p上側(cè)<p下側(cè)的環(huán)境壓中，具肯有向上涂移動(dòng)的五趨勢。渦體是徹否向上漲運(yùn)動(dòng)還鋪取決于拒兩個(gè)條奇件：自下狐而上咬的升喬力（戀向上令的壓為力）閥，取決干于液綱體的籍粘滯賠性產(chǎn)棚生的療阻力顏。當(dāng)升力奧大于阻沈力時(shí)，謊渦體穿坦越流層朝形成紊側(cè)流，否則鉆，渦堵體隨濃波逐蛛流，惑只是斥在所濕占誼流層悶上一捏邊旋雙轉(zhuǎn)，抗一邊竭平移數(shù)。一、紊流困的形缺成過爛程二、紊流掀運(yùn)動(dòng)扇要素包的脈現(xiàn)動(dòng)及皇時(shí)均辜化紊流銷運(yùn)動(dòng)料的基爐本特消征：流體庸質(zhì)點(diǎn)扭具有援不斷痰的互業(yè)相混石摻，享使流邪體各唐點(diǎn)的湊流速災(zāi)、壓課強(qiáng)等匆運(yùn)動(dòng)機(jī)要素?cái)卦跁r(shí)襖間上驗(yàn)和空纖間上超都具覆有隨贏機(jī)性鐘質(zhì)的焰脈動(dòng)熱性。由于脈均動(dòng)，動(dòng)青能修正詠系數(shù)和捏動(dòng)量修斥正系數(shù)作紊流時(shí)遷近似為井1。四種速隸度概念孫：三、紊流香切應(yīng)班力、堂普朗繞特混末合長他度理綁論（一藝）紊流浙切應(yīng)嗎力，由兩拳部分痛組成攏：相鄰慕流層瘡間的星相對(duì)鋸運(yùn)動(dòng)曾產(chǎn)生頌的粘梳性切動(dòng)應(yīng)力由于紊史流中質(zhì)哪點(diǎn)存在步脈動(dòng)，燙相鄰流珠層之間養(yǎng)存在質(zhì)碎量的交袋換，而秘質(zhì)量交驕換帶來守了動(dòng)量掉交換，聚從而在括流層分魚界面上徒產(chǎn)生了焦紊流附營加切應(yīng)只力紊流桂切應(yīng)列力假設(shè)：流體質(zhì)覆點(diǎn)在橫紹向脈動(dòng)腰流速作且用下，侄運(yùn)動(dòng)到興相距為l′空間申點(diǎn)上忘，才痛同周砌圍質(zhì)情點(diǎn)發(fā)潤生動(dòng)變量交和換，l′稱為混屋合長度市。令（二株）普朗特析混合長械度理論普蘭憲特半廁經(jīng)驗(yàn)慰公式假定l正比于懶質(zhì)點(diǎn)到諷管壁的版徑向距拉離y，即l=κy，可推導(dǎo)邪所得樓的在轎紊流絞流速享分布具規(guī)律式中κ為可坐由實(shí)貌驗(yàn)確郊定的瓣常數(shù)彎，通姻常稱孫為卡想門常償數(shù)。四、紊流中茂的粘性話底層粘性底倍層：δl紊流區(qū)：包括過企渡層和譯紊流流錯(cuò)核區(qū)。五、流道壁桑面的類笛型水力進(jìn)光滑勇壁面δl>Δ水力粗車糙壁面δl<Δ過渡粗社糙壁面六、圓管攻紊流雁流速當(dāng)分布粘性底跌層：直鳴線分布紊流侵流核獸過流依斷面竭：對(duì)國數(shù)曲衫線分約布1）水力沒光滑鬧管的積流速怕分布2）水力蹈粗糙平管的鉗流速隔分布或七、紊流訪的沿騎程水告頭損縮慧失計(jì)算水天頭損失畫的通式對(duì)于層戲流，λ=f（Re）=竭64三/R鋼e對(duì)于紊拜流，λ=尼f（Re沙,帥△/挖d）對(duì)于實(shí)華際工程陸問題，渣可變換懶為如下慰形式謝才薯公式§4-6棋沿程附阻力籮系數(shù)λ的變化么規(guī)律一、尼古絕拉茲騙實(shí)驗(yàn)根據(jù)種量綱盡分析λ=f（Re,喊△/治d)以lg保Re為膚橫坐標(biāo)夕，lg蚊(10霜0λ）虹為縱坐左標(biāo)，以壞(△/管d)為雁參數(shù)，夫得出實(shí)油驗(yàn)曲線。一、尼古至拉茲谷實(shí)驗(yàn)第Ⅰ區(qū)：層幫流，Re＜230販0，λ=童f（Re）=64哈/Re。第Ⅱ區(qū)：層慘流與讀紊流著之間害的過懇渡區(qū)啞，230行0＜Re＜40羅00。第Ⅲ區(qū):水力光濤滑區(qū)，Re晚>4徒00負(fù)0。第Ⅳ區(qū):水力輔光滑語與水房誠力粗救糙的扁過渡目區(qū)第Ⅴ區(qū):水力粗柴糙區(qū)光滑龜管區(qū)紊流粗架糙管區(qū)二、實(shí)際敗管道輛（工肚業(yè)管搏道）后的實(shí)艇驗(yàn)曲拉線在λ相同翁的情慮況下浙，可糾把實(shí)譽(yù)際管禽道（妹工業(yè)錘管道愛）的宗粗糙適折算糊成人聽工粗德糙，消即當(dāng)爐量粗搜糙度游。工業(yè)克管道λ的計(jì)考算方不法與肚人工笑管道賭的計(jì)糊算方葉法一矩樣。二、實(shí)際管萍道（工植業(yè)管道童）的實(shí)列驗(yàn)曲線柯列勃減洛克根煮據(jù)大量跟工業(yè)管印道試驗(yàn)常資料，察提出工萄業(yè)管道撕過渡區(qū)λ值的礎(chǔ)計(jì)算藏公式厘，稱為襖紊流λ的綜煌合公復(fù)式。二、實(shí)際保管道慕（工王業(yè)管惑道）寨的實(shí)謹(jǐn)驗(yàn)曲焰線三、沿程墨阻力裕系數(shù)λ的計(jì)算狠公式紊流光牽滑區(qū)：尼古鹿拉茲竊公式領(lǐng)：布拉休毀斯公式么：阻力斯平方嘗區(qū)：希弗林秩松公式過渡粗遙糙區(qū)：很復(fù)蕩雜。柯列得布魯銳克公許式：三、沿程阻念力系數(shù)λ的計(jì)買算公奧式舍維沙列夫竊公式：三、沿程阻辯力系數(shù)λ的計(jì)刊算公院式謝才為公式謝才系烘數(shù)用曼元寧和巴咱氏公式拜確定。曼寧公茫式：巴氏公攤式：四、非圓窗管的烏沿程常損失老計(jì)算把R相等舉的圓速管d定義為抱非圓管著的當(dāng)量筒直徑de，圓管流：d=4R非圓莫管：de=4R用de代誤替d，仍可歡用達(dá)西有公式計(jì)批算非圓括管的沿仇程水頭谷損失注：應(yīng)用de計(jì)算非沾圓管的hf是近似勺的方法燦，并不饑適用于衡所有情圣況，（乖1）實(shí)苗驗(yàn)表明振，形狀狼同圓管釋差異很慌大的非造圓管，點(diǎn)如長縫裂形（b/魔a＞8）爽、狹環(huán)煙形（d2＜3d1）應(yīng)用de計(jì)算存通在較大劉誤差。（2窯）由毒于層塌流v分布移不同貓于紊條流，圣流動(dòng)摘阻力給不像泉紊流氏那樣籠集中瞞在管排壁附痛近，金單純扯用濕帖周作尸為影復(fù)響能催量損因失的惹主要朗外部家條件鋒是不惑充分寧的。但因此逗，在災(zāi)層流貧中應(yīng)準(zhǔn)用de計(jì)算，亂將會(huì)造離成較大慮誤差。§4-7邊翻界層理驗(yàn)論簡介一、邊界賀層的醫(yī)基本因概念當(dāng)實(shí)洋際流福體在Re很大的游情況下典以均勻控流速u0平行流價(jià)過靜止奮平板，胃經(jīng)過平讓板表面竭前緣時(shí)端，緊靠紗物體表紛面的一譽(yù)層流體洗由于粘金性作用飲被貼附頃在固體鞋壁面上若，u=0。稍匯靠外粉的一廊層流療體受乳到這突一層府流體點(diǎn)的阻撇滯，u也大大蝦降低，格這種粘濕性作用葬逐層向強(qiáng)外影響酸，使沿秒著平板鞏法線方熔向上u分布兆不均歲勻，指以致峰在平梅板附畏近具鏡有較確大的u梯度。邊界帆層：貼近忍平板桌邊界剃存在蕩較大謙切應(yīng)印力、鐮粘性句影響異不能減忽略隱的這免一薄南層流吼體。一、邊界層湯的基本食概念從平竹板沿良外法形線到予流速ux=0.詢99u0處的距沃離，是弟邊界層翻的厚度勻。邊界莊層的照厚度δ:邊界遍層的宴厚度需沿程辭增大央，即δ是x的函數(shù)痰，可寫危為δ(x)。一、邊界層布的基本卻概念邊界層銳內(nèi)流動(dòng)閉也可分君為層流北與紊流歪，開始躲于層流絮。當(dāng)層則流δ(x)沿程鑒增加幸，流當(dāng)速梯傳度逐擊漸減肅小，包粘性慶切應(yīng)羽力也銳隨之生減小處，經(jīng)校過一弄個(gè)過跳渡段干，便撈轉(zhuǎn)變街為紊搖流邊晴界層訴。在紊流脈邊界層課內(nèi)，還數(shù)存在著嘗一個(gè)粘哥性底層宴，流速遺梯度很呀大，粘驢性切應(yīng)效力起主泳要作用擦，使得溉流動(dòng)型道態(tài)仍為殃層流二、邊界蠻層的罪分離先現(xiàn)象比與繞隔流阻煙力（一）邊界層寇分離實(shí)際皇流體裕中，陰繞流桿一開始就禮在圓喬柱表楚面形錘成了鋼很薄的當(dāng)邊界貫層。DE段邊界層以漸外的拖流體壟是加筐速減懂壓；EF段邊億界層界以外杠的流千體是減速革增壓猶。邊界層內(nèi)章質(zhì)點(diǎn)自蠶上游源蛇源不斷歇而來，績近壁回為流的產(chǎn)無生使邊代界層內(nèi)童質(zhì)點(diǎn)離繪開壁面瘡而產(chǎn)生映分離，授這種現(xiàn)努象稱為邊界網(wǎng)層分兵離。（一福）邊界層益分離邊界層魔開始與監(jiān)固體邊飽界分離養(yǎng)的點(diǎn)叫侍分離點(diǎn)（S點(diǎn)）分離點(diǎn)淺前接近乖固體壁鋪面的微握?qǐng)F(tuán)沿邊扣界外法孔線方向斷速度梯浪度為正鳴。因而擠靠近壁債面流動(dòng)非的質(zhì)點(diǎn)始其動(dòng)能卸越來越扎小，以償至動(dòng)能午消耗殆牽盡，質(zhì)玩點(diǎn)速度遺變?yōu)榱闶病３^S點(diǎn)后孕，逆怕壓梯逃度就誕會(huì)引睛起液綠體發(fā)千生近無壁回愚流在分離內(nèi)點(diǎn)處，機(jī)流速梯政度為零，切應(yīng)階力也賞等于沿零。在分慈離點(diǎn)誤后，烏因?yàn)槟I倒流泰，邊淘界層袋分離渴后，古回流標(biāo)立即繼產(chǎn)生季旋渦頭，并貴被主置流帶愚走，蠟同時(shí)旺邊界滔層顯乘著增肯厚。物體屬繞流穿，除麗了沿纏物體挺表面寺的摩愁擦阻深力耗欄能，關(guān)還有滔尾流顧旋渦啊耗能這，使屈得尾疊流區(qū)匆物體乳表面絞的壓妻強(qiáng)低覆于來陣流的光壓強(qiáng)描，而攔迎流卡面的余壓強(qiáng)荷大于勒來流逃的壓酷強(qiáng)，神這兩擦部分兇的壓悠強(qiáng)差典，造頭成作皺用于或物體輸上的壓差字阻力。工程中板為減小馳繞流阻隱力，特洪設(shè)計(jì)成巡壽流線形帶體。圖匆是以同專一比尺絕繪出的秒流線形駕