流體力學(xué)體驗(yàn)阻力-流動(dòng)阻力與計(jì)算課件

工程流體力學(xué)流體流動(dòng)阻力工程流體力學(xué)流體流動(dòng)阻力14.體驗(yàn)阻力流體流動(dòng)阻力（二）4.體驗(yàn)阻力流體流動(dòng)阻力（二）2流動(dòng)形態(tài)與阻力管內(nèi)流動(dòng)與阻力流動(dòng)形態(tài)與阻力管內(nèi)流動(dòng)與阻力3流動(dòng)的兩種型態(tài)在不同的初始和邊界條件下，粘性流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)兩種不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一種是所有流體質(zhì)點(diǎn)作定向有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，另一種是作無規(guī)則不定向的混雜運(yùn)動(dòng)。前者稱為層流狀態(tài)，后者稱為湍流狀態(tài)。首先是英國物理學(xué)家雷諾在1883年用實(shí)驗(yàn)證明了兩種流態(tài)的存在，確定了流態(tài)的判別方法。流動(dòng)的兩種型態(tài)在不同的初始和邊界條件下，粘性4小流量中流量大流量過渡狀態(tài)湍流狀態(tài)層流狀態(tài)小流量中流量大流量過渡狀態(tài)湍流狀態(tài)層流狀態(tài)5:下臨界速度:上臨界速度雷諾實(shí)驗(yàn)表明：①當(dāng)流速大于上臨界流速時(shí)為湍流；當(dāng)流速小于下臨界流速時(shí)為層流；當(dāng)流速介于上、下臨界流速之間時(shí)，可能是層流也可能是湍流，這與實(shí)驗(yàn)的起始狀態(tài)、有無擾動(dòng)等因素有關(guān)，不過實(shí)踐證明，是湍流的可能性更多些。②在相同的管徑下用不同的液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所測(cè)得的臨界流速也不同，粘性大的液體臨界流速也大；若用相同的液體在不同管徑下進(jìn)行試驗(yàn)，所測(cè)得的臨界流速也不同，管徑大的臨界流速反而小。:下臨界速度:上臨界速度雷諾實(shí)驗(yàn)表明：6臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù)表示超過此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為湍流，它很不確定，跨越一個(gè)較大的取值范圍。有實(shí)際意義的是下臨界雷諾數(shù)，表示低于此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為層流，有確定的取值。上臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù)表示超過此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為7圓管中的層流運(yùn)動(dòng)速度分布流量最大速度泊肅葉-哈根方程圓管中的層流運(yùn)動(dòng)速度分布流量最大速度泊肅葉-哈根方程8湍流脈動(dòng)現(xiàn)象與時(shí)均速度

流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中，不斷地互相摻混，引起質(zhì)點(diǎn)間的碰撞和摩擦，產(chǎn)生了無數(shù)旋渦，形成了湍流的脈動(dòng)性，這些旋渦是造成速度等參數(shù)脈動(dòng)的原因。湍流是一種不規(guī)則的流動(dòng)狀態(tài)，其流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間和空間作隨機(jī)變化，因而本質(zhì)上是三維非定常流動(dòng)，且流動(dòng)空間分布著無數(shù)大小和形狀各不相同的旋渦。因此，可以簡(jiǎn)單地說，湍流是隨機(jī)的三維非定常有旋流動(dòng)。流動(dòng)參數(shù)的變化稱為脈動(dòng)現(xiàn)象。圓管中的湍流運(yùn)動(dòng)湍流脈動(dòng)現(xiàn)象與時(shí)均速度流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程9

時(shí)間t1內(nèi)，速度的平均值稱為時(shí)均速度，定義為：

湍流中某一點(diǎn)瞬時(shí)速度可用下式表示：時(shí)間t1內(nèi)，速度的平均值稱為時(shí)均速度，定義為10雷諾應(yīng)力

雷諾應(yīng)力τt是由于流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)，在相鄰流層之間發(fā)生動(dòng)量交換，產(chǎn)生的增加能量損失的應(yīng)力。

：湍流粘度系數(shù)μt與μ不同，它不是流體的屬性，它只決定于流體的密度、時(shí)均速度梯度和混合長(zhǎng)度

雷諾應(yīng)力雷諾應(yīng)力τt是由于流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)，11管內(nèi)流速分布4×10-4<Re<1.1×105時(shí)，m=1/61×10-5<Re<3.2×106時(shí)，m=1/7Re>3.2×106時(shí)，m=1/10湍流運(yùn)動(dòng)中，由于流體渦團(tuán)相互摻混，互相碰撞，因而產(chǎn)生了流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量傳遞；動(dòng)量大的流體質(zhì)點(diǎn)將動(dòng)量傳遞給動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)，動(dòng)量小的流體質(zhì)點(diǎn)牽制動(dòng)量大的質(zhì)點(diǎn)，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化。管內(nèi)流速分布4×10-4<Re<1.1×105時(shí)，m=1/612湍流運(yùn)動(dòng)的近壁特征湍流核心湍流核心湍流運(yùn)動(dòng)的近壁特征湍流核心湍流核心13流道壁面的類型

任何流道的固體邊壁上，總存在高低不平的突起粗糙體，將粗糙體突出壁面的特征高度定義為絕對(duì)粗糙度

/d

相對(duì)粗糙

水力光滑面和粗糙面并非完全取決于固體邊界表面本身是光滑還是粗糙，而必須依據(jù)粘性底層和絕對(duì)粗糙度兩者的相對(duì)大小來確定，即使同一固體邊壁，在某一雷諾數(shù)下是光滑面，而在另一雷諾數(shù)下是粗糙面。流道壁面的類型任何流道的固體邊壁上，總存在高低不平的14管內(nèi)流動(dòng)的摩擦阻力管內(nèi)沿程阻力管內(nèi)流動(dòng)的摩擦阻力管內(nèi)沿程阻力15沿程阻力沿程阻力：當(dāng)限制流動(dòng)的固體邊界使流體作均勻流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力只有沿程不變的切應(yīng)力，該阻力稱為沿程阻力。沿程水頭損失：由沿程阻力作功而引起的水頭損失稱為沿程水頭損失。

沿程阻力沿程阻力：16圓管層流中的沿程損失

層流運(yùn)動(dòng)的沿程水頭損失與平均流速的一次方成正比，其沿程阻力系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)。阻力系數(shù)圓管層流中的沿程損失層流運(yùn)動(dòng)的沿程水頭損失17圓管湍流中的沿程損失影響λ的因素

尼古拉茲在管壁上粘結(jié)顆粒均勻的砂粒，做成人工粗糙管。對(duì)不同管徑、不同流量的管流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出如圖所示的尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線。此曲線可分成五個(gè)區(qū)域，不同的區(qū)域內(nèi)用不同的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值。圓管湍流中的沿程損失影響λ的因素尼古拉茲在管壁18１）層流區(qū)——實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在直線ab上２）層流向紊流的過渡區(qū)——實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在bc區(qū)間內(nèi),無具體計(jì)算式3）水力光滑區(qū)——實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在直線cd上4）水力光滑向水力粗糙的過渡區(qū)——實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在cdef區(qū)域內(nèi)懷特公式5)水力粗糙區(qū)——實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在ef區(qū)域后尼古拉茨實(shí)驗(yàn)１）層流區(qū)——實(shí)驗(yàn)點(diǎn)集中在直線ab上２）層流向紊流的過渡區(qū)—19

20莫迪圖莫迪圖21管內(nèi)流動(dòng)的變化與干擾管內(nèi)流動(dòng)局部阻力管內(nèi)流動(dòng)的變化與干擾管內(nèi)流動(dòng)局部阻力22局部阻力流道的局部突變→流動(dòng)分離形成剪切層→剪切層流動(dòng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生旋渦→平均流動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成脈動(dòng)能量，造成不可逆的能量耗散，稱為局部水頭損失。局部損失的機(jī)理復(fù)雜，除了突擴(kuò)圓管的情況以外，一般難于解析確定。局部阻力流道的局部突變→流動(dòng)分離形成剪切23突然擴(kuò)大突然縮小閘閥三通匯流管道彎頭管道進(jìn)口突然擴(kuò)大突然縮小閘閥三通匯流管道彎頭管道進(jìn)口24從流動(dòng)特征分析,局部阻力分為過流斷面的擴(kuò)大和縮小流動(dòng)方向的改變流量的匯入和分出以及以上幾種形式的組合等從邊壁的變化分析,局部阻力分為急變漸變

局部水頭損失產(chǎn)生于邊界發(fā)生明顯改變的地方，使水流形態(tài)發(fā)生了很大的變化。其特點(diǎn)為能耗大、能耗集中而且主要為旋渦紊動(dòng)損失。

從流動(dòng)特征分析,局部阻力分為過流斷面的擴(kuò)大和縮小從邊壁的變化25突然擴(kuò)大局部阻力如圖，斷面1—1與2—2之間的沿程損失很小，可忽略不計(jì)。根據(jù)伯努利方程：列動(dòng)量方程：突然擴(kuò)大局部阻力如圖，斷面1—1與2—2之間的沿程損失很小，26阻力損失：當(dāng)流體從管道流入斷面很大的容器中或氣體流入大氣時(shí)，，。這是突然擴(kuò)大的特殊情況，稱為出口阻力系數(shù)。阻力損失：當(dāng)流體從管道流入斷面很大的容器中27內(nèi)插出口圓角出口直角出口圓弧出口1.01.01.01.0內(nèi)插出口圓角出口直角出口圓弧出口1.01.01.01.028漸擴(kuò)

管漸擴(kuò)管的形狀由擴(kuò)大面積比和擴(kuò)大角兩個(gè)參數(shù)確定，當(dāng)擴(kuò)張角很小時(shí)，漸擴(kuò)管會(huì)很長(zhǎng)，此時(shí)的損失主要是由摩擦引起。當(dāng)擴(kuò)張角是中等以上大小時(shí)，漸擴(kuò)管內(nèi)流體會(huì)和壁面發(fā)生分離，此時(shí)損失的主要形式是旋渦和碰撞。

當(dāng)擴(kuò)大段較短時(shí)的局部阻力系數(shù)為：

，與擴(kuò)張角度有關(guān)的系數(shù)θA1，V1A2，V2漸擴(kuò)管漸擴(kuò)管的形狀由擴(kuò)大面積比29

與擴(kuò)張角度有關(guān)的系數(shù)，、分別為小直徑管和大直徑管的沿程阻力系數(shù)，用上兩式計(jì)算沿程損失時(shí)速度以大直徑斷面的速度為準(zhǔn)。當(dāng)擴(kuò)張段較長(zhǎng)時(shí)阻力系數(shù)為：α=5~8°，ζ最小與擴(kuò)張角度有關(guān)的系數(shù)，、30突然縮小局部阻力當(dāng)流體由大面積水池流入管道時(shí)，，可得到，這種情況是管道截面突然縮小的極限情形。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)以小截面的速度為準(zhǔn)計(jì)算局部損失時(shí)，其局部阻力系數(shù)的近似表達(dá)式為：突然縮小局部阻力當(dāng)流體由大面積水池流入管道時(shí)，31直角進(jìn)口圓角進(jìn)口內(nèi)插進(jìn)口圓弧進(jìn)口管道入口的形狀對(duì)阻力系數(shù)的影響：

直角進(jìn)口圓角進(jìn)口內(nèi)插進(jìn)口圓弧進(jìn)口管道入口的形狀對(duì)阻力系數(shù)的影32漸縮管的形狀由縮小面積比和收縮角確定。漸縮管流動(dòng)時(shí)損失形式以沿程損失為主，不存在流線脫離壁面的問題。漸

縮管θA1，V1A2，V2漸縮管的形狀由縮小面積比漸33彎管局部阻力引起阻力的原因：

流動(dòng)方向的改變二次流（次流）螺旋運(yùn)動(dòng)流體進(jìn)入彎管后，由于曲率的關(guān)系流體受到離心慣性力的作用，使彎管外側(cè)的壓力高于內(nèi)側(cè)的壓力。AB區(qū)域的流體壓力升高，其速度相應(yīng)的減小。BC為壓力逐漸降低區(qū)。在彎管內(nèi)側(cè)，ab段流動(dòng)是降壓增速的，bc流動(dòng)是升壓減速。這樣在Aa截面與Cc截面之間出現(xiàn)和兩次的升壓減速區(qū)，使流體脫離壁面，在壁面附近形成渦流區(qū)，形成渦流損失。彎管局部阻力引起阻力的原因：螺旋運(yùn)動(dòng)流體進(jìn)入彎34管道越彎曲，渦流損失越大。導(dǎo)流片＝0.2流體在彎管中流動(dòng)的損失由三部分組成:2.由切向應(yīng)力產(chǎn)生的沿程損失1.形成漩渦所產(chǎn)生的損失3.由二次流形成的雙螺旋流動(dòng)所產(chǎn)生的損失0.20.80.1320.206d/R=90o1.20.44管道越彎曲，渦流損失越大。導(dǎo)流片＝0.2流體在彎管中流動(dòng)的損35

彎管流段，流體的流動(dòng)方向發(fā)生改變，而平均流速大小并不變。流動(dòng)方向的改變不僅使彎管的內(nèi)側(cè)和外側(cè)可能出現(xiàn)兩個(gè)旋渦區(qū)，而且還產(chǎn)生了一種稱為二次流（secondaryflow）現(xiàn)象，即彎管中在垂直軸線的過流斷面上，產(chǎn)生一對(duì)如圖所示的渦流，它和主流（primaryflow）迭加在一起，使通過彎管的流體質(zhì)點(diǎn)作螺旋運(yùn)動(dòng)，這也加大了彎管的損失。

二次流在非圓截面的管道中，同樣存在著二次流。二次流的存在使得管內(nèi)的流動(dòng)發(fā)生了變化，流動(dòng)變得更為復(fù)雜，也增大了流動(dòng)的阻力。二次流可分為三類：

第一類，可在層流時(shí)出現(xiàn)，如彎管中的二次流；第二類，由于雷諾應(yīng)力造成的，如非圓直管中的二次流；第三類，因物體在流動(dòng)中往復(fù)振動(dòng)引起的二次流。彎管流段，流體的流動(dòng)方向發(fā)生改變，而平均36問題與思考問題與思考37

水從水箱經(jīng)水平圓管流出，開始為層流。在保持水位不變的條件下，改變水的溫度，當(dāng)水溫由低向高增加時(shí)，出流量與水溫的關(guān)系應(yīng)為(a)流量隨水溫的增高而增加；(b)流量隨水溫增高而減?。?c)開始流量隨水溫增高而顯著增加，當(dāng)水溫增高到某一值后，流量急劇減小，之后流量變化很??；(d)開始流量隨水溫增高而顯著減小，當(dāng)水溫增高到某一值后，流量急劇增加，之后流量變化很小。

圓管內(nèi)流動(dòng)處于層流狀態(tài)時(shí)，流動(dòng)主要受流體的粘性支配，提高水溫(相當(dāng)于減小流體的粘度)流量急劇增加。隨溫度升高，流體粘度減小，相應(yīng)的雷諾數(shù)增大到臨界時(shí)，流動(dòng)由層流過渡到湍流。在湍流情況下，湍流阻力(附加阻力)大于粘性阻力，因此流量在出現(xiàn)湍流時(shí)減小。之后再提高水溫，粘性阻力雖然減小，但因湍流阻力起支配主要，流量增加甚微。

(1839年G

Hagen所做的實(shí)驗(yàn))1020406080tQ水從水箱經(jīng)水平圓管流出，開始為層流。在保持水位不變38

水箱中的水通過垂直管道向大氣出流，設(shè)水水深為h，管道直徑d，長(zhǎng)度l，沿程阻力系數(shù)，局部阻力系數(shù)。解：據(jù)題意可列（1）流量Q不隨管長(zhǎng)而變，即Q試求：（1）在什么條件下流量Q