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1、47 非圆管的沿程损失 p115,介绍几个专业术语：,湿周x总流过流断面的边界与固体表面接触部分的长度,水力半径R指液体过断面面积与湿周之比，,水力直径(当量直径)倍的水力半径定义为水力直径,有了当量直径，只需要用 ，即可用下列公式求非圆管的沿程水头损失：,例4-10：断面面积为A0.48m2的正方形管道，宽为 高的三倍的矩形管道和圆形管道。求 （1）分别求它们的湿周和水力半径； （2）正方形和矩形管道的当量直径。,水力半径,解,（1）求湿周和水力半径,1）正方形管道,边长,湿周,2）矩形管道,边长,湿周,水力半径,水力半径,3）圆形管道：,管道直径,湿周,或,（2）正方形管道和矩形管道的当量
2、直径,1）正方形管道：,2）矩形管道:,de=2ab/(a+b)=20.4m1.2m/(0.4m+1.2m)=0.6m,de= a =0.692 m,请思考：通过此例题得出什么结论？,结论：过流面积相等，圆形管道的水头损失最小。,请同学回答为什么？,4-8 局部水头损失,有压管道恒定流 遇到管道边界的 局部突变流动 分离形成剪切层 剪切层流动不 稳定，引起流动 结构的重新调整， 并产生旋涡平 均流动能量转化 成脉动能量，造 成不可逆的能量 耗散。,1损失产生的部位：非均匀流段（如固体边壁发生突变、流体流向发生改变等）。 局部能量损失大致可以分为三类： （1）由于管道断面面积的大小发生变化引起的
3、局部能量损失。例如管道断面突然扩大、突然缩小、逐渐扩大和缩小等； （2）由于管道的方向发生变化，引起的局部能量损失，例如各种圆滑弯头、直角弯头、折管、三通管道等； （3）由于流动的速度大小和方向均发生变化而引起的局部能量损失。例如各种阀门（平板阀、球形阀、锥阀、滑阀等）。,一、局部损失分析,2、损失产生的原因 流体中有旋涡产生。,（1）当固体边壁发生突变时，流体由于存在惯性，不能随边壁发生突变，故在主流与边壁之间形成大量的旋涡，加剧紊流的脉动，这是引起损失的主要原因。 另外旋涡区的涡体不断被带向下游，又加剧了下游一定范围内的能量损失，而旋涡区不 断产生新的涡体，其能量来自主流，从而又不断消耗主
4、流的能量。 （ 2）沿流向的减速增压区：如渐扩管。A增大。V减小，p增大，流体质点在逆压下运动。在管壁处u趋近0，然后反向流动，du/dy=0处，主流脱离壁面，形成涡旋，随Re增加，涡旋区前移，范围扩大。在渐缩管收缩过急，也形成涡旋区；,（3）二次流也是损失产生的原因 二次流在管道弯曲段所产生的与主流方向正交的流动。二次流使局部损失进一步加剧。 由于受离心力作用，E点压力增加；H点压力减少。 E处： p ； H处：p 两侧壁G 、F压力不变,3、局部损失的构成 1）突变处的局部损失； 2）下游一定影响范围内的局部损失。 影响长度局部阻碍在下游一定范围内的影响距离。,4影响局部损失的因素 （1）
5、局部断面发生突变是其主要原因； 2）Re：由于局部处发生层流的可能性几乎为零，大部的流动处于阻力平方区，故Re的影响极小。 3）K/d：管壁的相对粗糙度与管壁的断面突变相比极小，几乎不起作用，只有流段较长时，K/d才有一定的影响。,与沿程因摩擦造成的分布损失不同，这部分损失可以看成是集中损失在管道边界的突变处，每单位重量流体承担的这部分能量损失称为局部水头损失。,根据能量方程,局部水头损失,认为因边界突变造成的能量损失全部产生在1-1，2-2两断面之间，不考虑沿程损失。,二 断面突然扩大的局部阻力系数,局部水头损失系数,突扩圆管,局部水头损失折合成速度水头的比例系数,当上下游断面平均流速不同时
6、，应明确它对应的是哪个速度水头？,其它情况的局部损失系数在查表或使用经验公式确定时也应该注意这一点。通常情况下对应下游的速度水头。,（1）列写伯努利方程,（忽略沿程损失）,（2）列写动量方程,（摩擦力忽略不计）,实验证明：涡流区环形面积上pp1，,上式同除gA2，得,则 hj, 1, 2突扩的局部阻力系数,例题1：一直立的突然扩大水管，已知：d1=150mm,d2=300mm,h=1.5m,v2=3m/s.试确定水银压差计中水银液面哪一侧较高？差值为多少？,则,而,与长度 l 成正比，则,【例2】已知1,2,3及管内流速v ,求阀门的局部阻力系数。,三几种典型的局部损失计算 1.突然缩小：,三
7、几种典型的局部损失计算,三几种典型的局部损失计算,四、各种局部阻力之间的相互干扰,书上表格中所给出的局部损失系数一般是指在局部阻碍前后 都有足够长的管段，使流入和流出局部阻碍的流动具有或恢复均 匀流正常流速分布与脉动强度的条件下所测得的。 局部损失也包括阻碍范围内的损失及影响长度内的附加损失。当两局部阻碍较近时，会产生相互干扰，而相互干扰的结果则有可能使损失增大，也有可能使其减小。故对一般的局部损失应加以修正。 但目前尚无解决办法，在实际工程中为安全起见，通常按互不影响来单独计算之，然后再相加。有时在两个局部阻碍间加(1-3)d短管，一般可以减少相互间的干扰。,4-9 减小阻力的措施,减小阻力
8、可节省能源，故减阻在节能上的意义不可忽视。,1)改进流体外部边界，改善边壁对流动的影响。 如：1、 减小管壁粗糙度； 2、 用柔性边壁代替刚性边壁；或在管中加弹性软管 ; 3、 一次扩大改为二次扩大；先扩后弯； 4 、 弯管（弯管直径d大、弯转半径R较小时）上加导流叶片 ；一般R=1-4d. 5、直角改缓为斜角等。减小三通夹角； 6、 合理衔接.,2)在流体内部投放少量添加剂，使其影响流体的内部结构，以达到减阻的目的。 此法是近二十年才迅速发展起来、尚未用于工 业技术中，但从其实验结果及少数生产使用看，其减阻效果突出。 这是流体力学一项富有生命力的研究课题。,小结,1 产生局部水头损失的主要原
9、因是边界突然变化，使主流脱离边壁，形成涡旋区，一般情况下，紊流流态下的局部阻力系数只决定于局部阻碍的形状，即 =f(局部阻碍的形状）。 2 突然扩大水头损失： 3 减阻措施。,1、过水断面一定是平面。（ ） 2、圆形管的半径就是其水力半径。（ ） 3、水平放置的等直径管道，沿恒定水流方向，前一断面的压强水头一定大于后一段面的压强水头。 4、在非圆管道的沿程阻力计算中，当量直径法适用于一切情况。 （ ）,5、流速分布越不均匀，动能修正系数的值越小。（ ） 6、阻力平方区的值随流量的增加而增加。（ ） 7、在水流过水断面面积相等的前提下，湿周愈大，水力半径愈小。（ ） 8、水力光滑管就是绝对光滑的管道。（ ）,9、当流速分布比较均匀时，则动能修正系数的值接近于零。（ ） 10、实际流体中总水头线是沿程下降的，而测压管水头线在一定条件下会沿程上升。（ ）,
