《流体力学最新课件第六章流动阻力和水头损失(新)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体力学最新课件第六章流动阻力和水头损失(新)（177页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章 流动阻力和水头损失,主要讲述流体在通道（管道、渠道）内流动的阻力和水头损失。,产生能量损失的原因：水流有粘滞性。,当水流运动时，会产生粘性阻力，水流克服阻力，就要消耗一部分机械能，转化为热能，造成能量损失。,第六章 流动阻力和水头损失,水头损失：流体在运动过程中因克服粘性阻力而消耗的机械能称为水头损失。 水头损失：沿程水头损失和局部水头损失。 水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。 用单位重量液体的能量损失 hw 表示水流的能量损失 流体的流动：层流和湍流（紊流） 研究简单流动：管流和渠道流,第六章 流动阻力和水头损失,6-1 水头损失的两种形式 6-2 粘性流体的两种流态 雷诺
2、实验 流态的判别 紊流的成因 6-3 圆管中的层流 沿程损失与切应力的关系 沿程损失的通用公式 6-4 层流向紊流的过渡 6-5 紊流的流速分布 紊流切应力 混合长度假说 圆管紊流的断面流速分布 6-6 圆管紊流的沿程损失系数 6-7 沿程损失系数的实验研究 尼古拉兹实验 莫迪图 6-8 局部水头损失 局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数,6-1 水头损失的两种形式 沿程水头损失和局部水头损失,工程上水头损失分为：沿程水头损失和局部水头损失 。,总水头,水头损失,局部损失,沿程损失,沿程阻力：在长直管道或长直明渠中, 流动为均匀流或渐变流, 流动阻力中只包括与流程的长短有关的摩擦阻力-
3、沿程阻力。,局部阻力：在流道发生突变的局部区域, 流动属于变化较剧烈的急变流, 流动结构急剧调整, 流速大小, 方向迅速改变, 往往拌有流动分离和旋涡运动, 流体内部摩擦作用增大, 称这种流动阻力-局部阻力。,6-1 水头损失的两种形式,局部损失,沿程损失,沿程水头损失hf,hf s,在平直的固体边界水道中，单位重量的液体从 一个断面流至另一个断面的机械能损失。 这种水头 损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头损失。,6-1 水头损失的两种形式,局部水头损失hj,用圆柱体绕流说明局部水头损失hj,6-1 水头损失的两种形式,分析通过圆心的一条流线（图中红线所示）,6-1 水头损失的两种形式,通过
4、圆心的一条流线,6-1 水头损失的两种形式,A,C,理想液体,分析沿柱面两侧边壁附近的流动,A,C,B,C,由于液体绕流运动无能量损失，因此，液体从AB 时，A和B点的流速和压强相同。其他流线情况类似。,A,C,B,C,近壁液体从C-B运动时，液体的动能一部分用于克服摩擦阻力，另一部分用于转化为压能。因此，液体没有足够动能完全恢复为压能（理想液体全部恢复）。在柱面某一位置，例如 D 处，流速降低为零，不再继续下行。,D点以后的液体就要改变流向，沿另一条流线运动，这样就使主流脱离了圆柱面，形成分离点。,D,沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域
5、，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。,分离点后形成漩涡区,D,沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。,分离点后形成漩涡区,漩涡区,D,沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。,分离点后形成漩涡区,漩涡区,D,漩涡区,漩涡体形成、运转和分裂,漩涡区中产生了较大的能量损失,D,流速分布急剧变化,漩涡区中产生了较大的能量损失,D,漩涡区中产生了较大的能量损失,漩涡的形成，运转
6、和分裂；流速分布急剧变化，都使液体产生较大的能量损失。 这种能量损失产生在局部范围之内，叫做局部水头损失hj 。,当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失称作局部水头损失。,局部水头损失：,6-1 水头损失的两种形式,突然管道缩小：,6-1 水头损失的两种形式,6-1 水头损失的两种形式,6-1 水头损失的两种形式,产生漩涡的局部范围,局部水头损失,沿程水头损失,hf s,发生边界,平直的固体边界水道中,大小,与漩涡尺度、强度, 边界形 状等因素相关,耗能方式,通过液体粘性将其能量耗散,外在原因,液体运动的摩擦阻
7、力,边界层分离或形状阻力,达西公式： 18031858,圆管水流的沿程损失,沿程损失系数，与流动特性以及管壁的粗糙度有关。,非圆管水流的沿程损失,R是管道的水力半径，其值等于过流断面的面积A与湿周的比值。,6-1 水头损失的两种形式,局部损失:,: 局部损失系数。 局部水头损失是由于流动边界性状突然变化（例如管道截面突然扩大）引起的流线弯曲以及边界层分离而产生的损失。,如果管道由若干管段组成：,6-1 水头损失的两种形式,1,1,s,2,2,3,3,4,4,5,5,i,pi/,v0,hwi,H0,总水头线,测压管水头线,H,第六章 流动阻力和水头损失,6-1 水头损失的两种形式 6-2 粘性流
8、体的两种流态 雷诺实验 流态的判别 紊流的成因 6-3 圆管中的层流 沿程损失与切应力的关系 沿程损失的通用公式 6-4 层流向紊流的过渡 6-5 紊流的流速分布 紊流切应力 混合长度假说 圆管紊流的断面流速分布 6-6 圆管紊流的沿程损失系数 6-7 沿程损失系数的实验研究 尼古拉兹实验 莫迪图 6-8 局部水头损失 局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数,雷诺：O.Osborne Reynolds (18421912) 英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家 1867年-剑桥大学王后学院毕业 1868年-曼彻斯特欧文学院工程学教授 1877年-皇家学会会员 1888年-获皇家勋
9、章 1905年-因健康原因退休,雷诺(O.Reynolds)实验,6-2 粘性流体的两种流态,雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近70篇论文都有很深远的影响。论文内容包括 力学 热力学 电学 航空学 蒸汽机特性等,雷诺(O.Reynolds)实验,6-2 粘性流体的两种流态,在流体力学方面最重要的贡献： 1883年 发现液流两种流态： 层流和紊流，提出以雷诺数判别 流态。 1883年 发现流动相似律 对于几何条件相似的流动，即使其尺寸、速度、流体不同, 只要雷诺数相同, 则流动是动力相似。,雷诺(O.Reynolds)实验,6-2 粘性流体的两种流态,实际液体运动中存在两种不同型态： 层流和紊流 不
10、同型态的液流，水头损失规律不同,雷诺实验揭示出,雷诺(O.Reynolds)实验,6-2 粘性流体的两种流态,雷诺(O.Reynolds)实验,6-2 粘性流体的两种流态,雷诺(O.Reynolds)实验,6-2 粘性流体的两种流态,层流：红色水液层有条不紊地运动， 红色水和管道中液体水相互不混掺（实验）,雷诺(O.Reynolds)实验,6-2 粘性流体的两种流态,雷诺(O.Reynolds)实验,6-2 粘性流体的两种流态,颜色水,hf,l,层流：流速较小时，各流层的液体质点有条不紊运动， 相互之间互不混杂。,雷诺(O.Reynolds)实验,层流: 分层流动 ； 有条不紊； 互不掺混 紊
11、流(湍流): 杂乱无章； 相互掺混 ； 涡旋紊乱,6-2 粘性流体的两种流态,层流与紊流的概念,沿程水头损失与流速关系。 流速较小时， hf v； 流速较大时， hf v2(几乎) 英国物理学家Reynolds试验研究：水头损失之所有不同，是因为粘性流体存在两种流态。,流态的判别-雷诺数,下临界速度Vc: 由紊流转变为层流时管内断面平均流速； 上临界速度Ve: 由层流转变为紊流时的断面平均流速。 一般是固定的，而上临界速度Ve则是不固定的，试水流受外界的干扰情况而定。,6-2 粘性流体的两种流态,下临界速度Vc ；上临界速度Vc,流态的判别-雷诺数,实验结果：,下临界速度Ve ；上临界速度Ve
12、,6-2 粘性流体的两种流态,引入水力学半径概念(R ) , A为过流断面面积,为湿周即断面上因固体边缘与流体相接触的周长。,实验结果：,ab段：,流速很小，属于层流。,ef段：,流速较大，属于紊流。,bce段：,层流和紊流相互转化的过渡区。(不稳定区域),6-2 粘性流体的两种流态,管流：Re 2300（有时用2000）, 流态属紊流 。 不论其管径的大小和流速的快慢、流体性质如何，流态的形态均为层流。,明渠流：Re500, 流态属紊流。,6-2 粘性流体的两种流态,紊流的成因: 层流 紊流 转捩（读lie转折点） 扰动,雷诺数的物理意义: (1)流态转捩的判别准则 (2)惯性力与粘性力之比
13、,惯性力,粘性力,6-2 粘性流体的两种流态,雷诺数较小，反映出流体受粘滞作用控制，对流体的质点运动起着约束作用，因此当雷诺数小到一定程度时，质点呈有秩序的线状运动，互不掺混，也即呈层流形态。 当流动的雷诺数逐渐加大时，说明惯性力增大，粘滞作用则随之减小，当这种作用减弱到一定程度时，层流失去了稳定，又由于各种外界因素，如边界的高低不平，流体质点离开了线状运动，因粘滞性不再能控制这种扰动，而惯性作用则微小扰动不断发展扩大，形成了紊流形态。,6-2 粘性流体的两种流态,例1 水=1.7910-6m2/s, 油=30 10-6m2/s, 若它们以V=0.5m/s的流速在直径为 d=100mm的圆管中
14、流动, 试确定其流动形态。,解:,水的流动雷诺数,流动为紊流状态,油的流动雷诺数,所以流动为层流流态,6-2 粘性流体的两种流态,例2 运动粘度 =1.310-5m2/s 的空气在宽 B=1m, 高H=1.5m的矩形截面通风管道中流动, 求保持层流流态的最大流速 。,解:,保持层流的最大流速即是临界流速,6-2 粘性流体的两种流态,例3 以下是流态为层流时, hf与速度V的实测值:,试用最小二乘法求 logV-loghf 的斜率。,6-2 粘性流体的两种流态,解:,设y=log(1000hf), x=log(10V), 可用直线 y=a+bx 拟合实验值, 实验点数目n=5, 偏差为:,6-2
15、 粘性流体的两种流态,求得,其中,其中n=5,代入有关数值,斜率近似为1, 流态属层流。,6-2 粘性流体的两种流态,第六章 流动阻力和水头损失,6-1 水头损失的两种形式 6-2 粘性流体的两种流态 雷诺实验 流态的判别 紊流的成因 6-3 圆管中的层流 沿程损失与切应力的关系 沿程损失的通用公式 6-4 层流向紊流的过渡 6-5 紊流的流速分布 紊流切应力 混合长度假说 圆管紊流的断面流速分布 6-6 圆管紊流的沿程损失系数 6-7 沿程损失系数的实验研究 尼古拉兹实验 莫迪图 6-8 局部水头损失 局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数,设流动定常, 充分发展, 则,结合达西公式：,6-3 圆管中的层流,背景知识：石油输运管道内的流动，机械润滑系统内的流动等。,平衡方程,R=d/2时,伯努利方程,1.沿程水头损失与切应力的关系,v* 称摩擦速度, 该式对层流与紊流均适用.,定义：,称为：阻力速度（摩阻速度或动力速度） 原因：与速度量纲相同，而又与边界阻力相联系。,6-3
