第五章-流動阻力和能量損失-課件

§5-1流動阻力及水頭損失的兩種型式§5-2流體流動的兩種型態(tài)§5-3均勻流動的沿程損失方程式§5-4圓管中的層流運動和沿程損失§5-5圓管中的湍流運動§5-6湍流的沿程損失§5-7局部損失計算§5-8繞流阻力

第五章流動阻力和能量損失

1PPT課件§5-1流動阻力及水頭損失型式一、沿程阻力和沿程損失1.沿程阻力:在邊界的幾何形狀和尺寸沿程不變或緩變的情況下，流體的內(nèi)部以及流體與固體邊界之間存在沿程不變的內(nèi)摩擦力。2.沿程損失：由于沿程阻力作功引起的水頭損失，用表示。

二、局部阻力和局部損失

1.局部阻力:流體流經(jīng)固體邊界急劇改變的區(qū)域時，流速大小、方向迅速改變，流動急劇調(diào)整產(chǎn)生的流動阻力。2.局部損失:流體克服這種局部阻力而產(chǎn)生的水頭損失，用表示。2PPT課件三、總水頭損失3PPT課件§5-2流體流動的兩種型態(tài)

一、雷諾實驗

1883年英國物理學(xué)家雷諾按圖示試驗裝置對粘性流體進行實驗，提出了流體運動存在兩種型態(tài)：層流和湍流。4PPT課件1.層流：管中水流呈層狀流動，各層的流體質(zhì)點互不摻混的流動狀態(tài)。2.湍流：管內(nèi)流體質(zhì)點發(fā)生了雜亂無章的混摻運動的流動狀態(tài)成為湍流。雷諾5PPT課件二、臨界流速層流

湍流

1.臨界流速:當(dāng)玻璃管中的流速達到某一數(shù)值時，流動狀態(tài)就要發(fā)生變化時玻璃管中的平均流速。2.上臨界流速：由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯呐R界流速。3.下臨界流速：由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯呐R界流速。6PPT課件三、流動狀態(tài)與水頭損失的關(guān)系（1）ab段：當(dāng)時，流動狀態(tài)為層流，直線的斜率，說明與成正比（2）ef段：當(dāng)時，流動狀態(tài)為湍流，直線的斜率（3）be段：當(dāng)時，為層流和湍流的過渡區(qū)，流動狀態(tài)是不穩(wěn)定的，取決于流動狀態(tài)的初始狀態(tài)?；?PPT課件四、流動狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)雷諾數(shù):

下臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù)流動狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)：層流湍流8PPT課件五、水力要素1．濕周：過流截面與固體邊界相接觸的線段長度，用表示（實線）。濕周的大小在一定程度上反映了流動阻力的大小，在過流截面面積相同的條件下，濕周越長，流動阻力越大。2．水力半徑：過流截面面積與對應(yīng)濕周的比值，用表示。圓管9PPT課件

3．當(dāng)量直徑:當(dāng)非圓管流與某一圓管流的過流能力相當(dāng)時，即兩者的水力半徑相同時，圓管的直徑為非圓管流的當(dāng)量直徑，用表示。對于非圓管流動，其下臨界雷諾數(shù)為若采用水力半徑來定義雷諾數(shù)，則10PPT課件§5-3均勻流動的沿程損失方程式

均勻流基本方程11PPT課件總流在流動方向上處于平衡狀態(tài)，列流動方向平衡方程如下

或均勻流基本方程12PPT課件§5-4圓管中的層流運動和沿程損失一、過流截面上的切應(yīng)力和流速分布13PPT課件1.切應(yīng)力分布斜直線分布3.流量4.平均速度2.流速分布拋物線分布14PPT課件二、沿程損失計算令

上式稱為圓管中層流運動的沿程損失計算公式，又稱為達西公式。15PPT課件§5-5圓管中的湍流運動一、湍流的成因16PPT課件1.渦體的形成(a)渦體產(chǎn)生傾向；(b)流速及壓強的重新調(diào)整；(c)波動的加??；(d)渦體的形成。2.湍流的形成

渦體形成后，在渦體附近的流速分布將有所改變，流速快的流層的運動方向與渦體旋轉(zhuǎn)的方向一致；流速慢的流層的運動方向與渦體旋轉(zhuǎn)方向相反。這樣，就會使流速快的流層速度更加增大，壓強減??；流速慢的流層速度將更加減小，壓強增大。這將導(dǎo)致渦體兩邊產(chǎn)生壓差，形成橫向升力（或降力），這種升力（或降力）就有可能推動渦體脫離原流層，作橫向運動，進入新流層，從而產(chǎn)生湍流。17PPT課件二、湍流的脈動現(xiàn)象和時均化1.脈動現(xiàn)象:流場中某空間點的瞬時流速雖然隨時間不斷變化，但始終圍繞著某一速度平均值上下不斷變動的現(xiàn)象稱為脈動現(xiàn)象。18PPT課件時均速度

瞬時速度

為書寫方便起見，常將時均值符號上的“一”省略

在研究和計算紊流流動問題時，所指的流動參數(shù)都是時均參數(shù)

我們把時均參數(shù)不隨時間而變化的流動，稱為準(zhǔn)定常紊流

時均值只能描述流體總體的運動，不能反映脈動的影響19PPT課件三、湍流結(jié)構(gòu)近壁層流層厚度:管道直徑

沿程損失系數(shù)

1．湍流結(jié)構(gòu)分析

流核區(qū)層流向湍流的過渡區(qū)粘性底層區(qū)厚度d

20PPT課件2．“光滑管”和“粗糙管”絕對粗糙度:管壁凸出部分的平均高度，用表示。（1）光滑管：

（2）粗糙管

（3）過渡粗糙管

21PPT課件四、湍流切應(yīng)力分布和流速分布

摩擦切應(yīng)力

附加切應(yīng)力

普朗特混合長度：稱為卡門常數(shù)

1.切應(yīng)力分布22PPT課件2.流速分布管壁切應(yīng)力

流速分布（1）近壁層流層：摩阻流速（2）湍流層：切應(yīng)力均勻流動斷面切應(yīng)力:流速分布表達式:光滑管

粗糙管

23PPT課件§5-6湍流的沿程損失

一、湍流沿程損失計算

2.沿程損失系數(shù)的確定

（1）實驗和理論的方法（2）根據(jù)實驗實測資料，得到經(jīng)驗公式1.計算公式24PPT課件二、尼古拉茲實驗

尼古拉茲用黃沙篩選后由細到粗分為六種，分別粘貼在光滑管上

用三種不同管徑的圓管（25mm、50mm、l00mm）用六種不同的值（15、30.6、60、126、252、507）

方法：

①人為造出六種不同的相對粗糙度的管；

②對不同的管徑通過改變流量來改變雷諾數(shù)；

③測出沿程阻力損失，由求阻力系數(shù)

25PPT課件26PPT課件（1）層流區(qū)（ab線）（2）流態(tài)過渡區(qū)（bc線）（3）湍流光滑區(qū)（cd線）

（4）湍流過渡區(qū)(cd線與ef線所包圍的區(qū)域)（5）湍流粗糙區(qū)(ef線右邊區(qū)域)

27PPT課件三、莫迪圖（工業(yè)管道）

28PPT課件湍流沿程損失系數(shù)的綜合計算公式（科里布魯克公式）

工業(yè)管道的流區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)（1）光滑區(qū)

（2）湍流過渡區(qū)

（3）粗糙區(qū)

莫迪29PPT課件§5-7局部損失計算一、邊界層理論

1.邊界層：貼近平板存在較大切應(yīng)力、粘性影響不能忽略的這一層液體。

邊界層的厚度順流增大，即δ是x的函數(shù)。30PPT課件3.轉(zhuǎn)捩點，臨界雷諾數(shù)

轉(zhuǎn)捩點：在x=xcr處邊界層由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯倪^渡點。

臨界雷諾數(shù)：

平板邊界層31PPT課件二、邊界層的分離1.邊界層分離：物面上的邊界層在某個位置開始脫離物面，并在物面附近出現(xiàn)與主流方向相反的回流現(xiàn)象。①從D到E流動加速，順壓梯度區(qū)；流體壓能向動能轉(zhuǎn)變，不發(fā)生邊界層分離②從E到F流動減速,逆壓梯度區(qū)；E到F段動能只存在損耗，速度減小很快③在S點處出現(xiàn)粘滯，由于壓力的升高產(chǎn)生回流導(dǎo)致邊界層分離，并形成尾渦。32PPT課件結(jié)論：

粘性流體在壓力降低區(qū)內(nèi)流動（加速流動），決不會出現(xiàn)邊界層的分離，只有在壓力升高區(qū)內(nèi)流動（減速流動），才有可能出現(xiàn)分離，形成漩渦。尤其是在主流減速足夠大的情況下，邊界層的分離就一定會發(fā)生。

33PPT課件2.分離實例從靜止開始邊界層發(fā)展情況擴張管（上壁有抽吸）34PPT課件35PPT課件36PPT課件卡門渦街

圓柱繞流問題：隨著雷諾數(shù)的增大邊界層首先出現(xiàn)分離，分離點并不斷的前移，當(dāng)雷諾數(shù)大到一定程度時，會形成兩列幾乎穩(wěn)定的、非對稱性的、交替脫落的、旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦，并隨主流向下游運動，這就是卡門渦街卡門對渦街進行運動分析得出了阻力、渦釋放頻率以及斯特羅哈數(shù)的經(jīng)驗公式卡門渦街會產(chǎn)生共振，危害很大；也可應(yīng)用于流量測量。37PPT課件

根據(jù)卡門渦街的上述性質(zhì)，可以制成卡門渦街流量計測定卡門渦街脫落頻率的方法有熱敏電阻絲法、超音波束法等

圓柱體的卡門渦街的脫落頻率與流體流動的速度和圓柱體直徑有關(guān)，由泰勒(F·Taylor)和瑞利(L·Rayleigh)提出下列經(jīng)驗公式

上式適用于范圍內(nèi)的流動，式中無量綱數(shù)稱為斯特勞哈(V．Strouhal)數(shù)，即

根據(jù)羅斯柯（A．Roshko）1954年的實驗結(jié)果，當(dāng)大于1000時，斯特勞哈數(shù)近似地等于常數(shù)，即=0.21。38PPT課件三、圓管管徑擴大處的局部損失

邊界層分離的同時，主流與靜止流體之間會產(chǎn)生環(huán)狀回流區(qū)，回流區(qū)與主流的分界面形成一個強剪切層，該層內(nèi)的流體會產(chǎn)生漩渦，使分界面上發(fā)生質(zhì)量、動量和能量的交換，流體總的能量通過分界面?zhèn)鬟f到回流區(qū)后被消耗，剪切層內(nèi)形成的部分漩渦會進入主流并運動到下游逐漸衰滅。

39PPT課件過流截面1-1與2-2，列伯諾里方程

1-1與2-2流動方向的動量方程

40PPT課件分析流動方向上的合外力

（1）作用在1-1截面上的壓力

（2）作用在2-2截面上的壓力（3）作用在環(huán)形漩渦區(qū)的壓力

（4）1-1與2-2之間流體重力沿流速方向的分力

41PPT課件局部損失公式（波達公式）局部損失系數(shù)

一般計算公式42PPT課件普朗特簡介普朗特（1875～1953），德國物理學(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)時學(xué)機械工程，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，用自制水槽觀察繞曲面的流動，3年后提出邊界層理論，建立繞物體流動的小粘性邊界層方程，以解決計算摩擦阻力、求解分離區(qū)和熱交換等問題。奠定了現(xiàn)代流體力學(xué)的基礎(chǔ)。普朗特在流體力學(xué)方面的其他貢獻有：①風(fēng)洞實驗技術(shù)。他認為研究空氣動力學(xué)必須作模型實驗。1906年建造了德國第一個風(fēng)洞（見空氣動力學(xué)實驗），1917年又建成格丁根式風(fēng)洞。②機翼理論。在實驗基礎(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)定性和湍流混合長度理論。此外還有亞聲速相似律和可壓縮繞角膨脹流動，后被稱為普朗特-邁耶爾流動。他在氣象學(xué)方面也有創(chuàng)造性論著。

普朗特在固體力學(xué)方面也有不少貢獻。他的博士論文探討了狹長矩形截面梁的側(cè)向穩(wěn)定性。1903年提出了柱體扭轉(zhuǎn)問題的薄膜比擬法

。他繼承并推廣了A.J.C.B.de圣維南所開創(chuàng)的塑性流動的研究

。T.von卡門在他指導(dǎo)下完成的博士論文是關(guān)于柱體塑性區(qū)的屈曲問題。普朗特還解決了半無限體受狹條均勻壓力時的塑性流動分析。著有《普朗特全集》、《流體力學(xué)概論》，此外還與O.G.蒂瓊合寫《應(yīng)用水動力學(xué)和空氣動力學(xué)》（1931）等。43PPT課件§5-8繞流阻力一、繞流阻力的概念1.繞流阻力：繞流物體受到平行于來流方向上的阻力。2.升力：繞流物體受到垂直于來流方向上的阻力。3.繞流阻力的組成（1）摩擦阻力：由于流體的粘性所引起。（2）壓差阻力：對于非流線型物體，由于邊界層的分離，在物體的尾部形成漩渦區(qū)的壓強比物體前部的壓強低，在流動方向上產(chǎn)生壓強差，形成作