第五章-流動(dòng)阻力和能量損失-課件

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

第五章流動(dòng)阻力和能量損失

1PPT課件§5-1流動(dòng)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(shí)，流速大小、方向迅速改變，流動(dòng)急劇調(diào)整產(chǎn)生的流動(dòng)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(dòng)的兩種型態(tài)

一、雷諾實(shí)驗(yàn)

1883年英國物理學(xué)家雷諾按圖示試驗(yàn)裝置對粘性流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提出了流體運(yùn)動(dòng)存在兩種型態(tài)：層流和湍流。4PPT課件1.層流：管中水流呈層狀流動(dòng)，各層的流體質(zhì)點(diǎn)互不摻混的流動(dòng)狀態(tài)。2.湍流：管內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了雜亂無章的混摻運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)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(dá)到某一數(shù)值時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)就要發(fā)生變化時(shí)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(dòng)狀態(tài)與水頭損失的關(guān)系（1）ab段：當(dāng)時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為層流，直線的斜率，說明與成正比（2）ef段：當(dāng)時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為湍流，直線的斜率（3）be段：當(dāng)時(shí)，為層流和湍流的過渡區(qū)，流動(dòng)狀態(tài)是不穩(wěn)定的，取決于流動(dòng)狀態(tài)的初始狀態(tài)?；?PPT課件四、流動(dòng)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(dòng)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(shí)線）。濕周的大小在一定程度上反映了流動(dòng)阻力的大小，在過流截面面積相同的條件下，濕周越長，流動(dòng)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(shí)，即兩者的水力半徑相同時(shí)，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(dòng)，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(dòng)的沿程損失方程式

均勻流基本方程11PPT課件總流在流動(dòng)方向上處于平衡狀態(tài)，列流動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)算令

上式稱為圓管中層流運(yùn)動(dòng)的沿程損失計(jì)算公式，又稱為達(dá)西公式。15PPT課件§5-5圓管中的湍流運(yùn)動(dòng)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(qiáng)的重新調(diào)整；(c)波動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向與渦體旋轉(zhuǎn)的方向一致；流速慢的流層的運(yùn)動(dòng)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(qiáng)減小；流速慢的流層速度將更加減小，壓強(qiáng)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(dòng)渦體脫離原流層，作橫向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入新流層，從而產(chǎn)生湍流。17PPT課件二、湍流的脈動(dòng)現(xiàn)象和時(shí)均化1.脈動(dòng)現(xiàn)象:流場中某空間點(diǎn)的瞬時(shí)流速雖然隨時(shí)間不斷變化，但始終圍繞著某一速度平均值上下不斷變動(dòng)的現(xiàn)象稱為脈動(dòng)現(xiàn)象。18PPT課件時(shí)均速度

瞬時(shí)速度

為書寫方便起見，常將時(shí)均值符號上的“一”省略

在研究和計(jì)算紊流流動(dòng)問題時(shí)，所指的流動(dòng)參數(shù)都是時(shí)均參數(shù)

我們把時(shí)均參數(shù)不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)，稱為準(zhǔn)定常紊流

時(shí)均值只能描述流體總體的運(yùn)動(dòng)，不能反映脈動(dòng)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(dòng)斷面切應(yīng)力:流速分布表達(dá)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(jì)算

2.沿程損失系數(shù)的確定

（1）實(shí)驗(yàn)和理論的方法（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測資料，得到經(jīng)驗(yàn)公式1.計(jì)算公式24PPT課件二、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)

尼古拉茲用黃沙篩選后由細(xì)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(jì)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(jì)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(diǎn)，臨界雷諾數(shù)

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

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(gè)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(dòng)加速，順壓梯度區(qū)；流體壓能向動(dòng)能轉(zhuǎn)變，不發(fā)生邊界層分離②從E到F流動(dòng)減速,逆壓梯度區(qū)；E到F段動(dòng)能只存在損耗，速度減小很快③在S點(diǎn)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(dòng)（加速流動(dòng)），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(dòng)（減速流動(dòng)），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(shí)例從靜止開始邊界層發(fā)展情況擴(kuò)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(diǎn)并不斷的前移，當(dāng)雷諾數(shù)大到一定程度時(shí)，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(yùn)動(dòng)，這就是卡門渦街卡門對渦街進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析得出了阻力、渦釋放頻率以及斯特羅哈數(shù)的經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(dòng)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(yàn)公式

上式適用于范圍內(nèi)的流動(dòng)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)大于1000時(shí)，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(kuò)大處的局部損失

邊界層分離的同時(shí)，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(gè)強(qiáng)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(dòng)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(jìn)入主流并運(yùn)動(dòng)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(dòng)方向的動(dòng)量方程

40PPT課件分析流動(dòng)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(dá)公式）局部損失系數(shù)

一般計(jì)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(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。

普朗特在固體力學(xué)方面也有不少貢獻(xiàn)。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(dòng)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(shí)的塑性流動(dòng)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(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)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(qiáng)比物體前部的壓強(qiáng)低，在流動(dòng)方向上產(chǎn)生壓強(qiáng)差，形成作