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1、 第 6 章 流动阻力与水头损失教学要点教学要点一、一、 教学目的与任务教学目的与任务1、 本章教学目的本章教学目的 （1）使学生掌握流体流动的两种状态与雷诺数之间的关系；（2） 使学生切实掌握计算阻力损失的知识，为管路计算打基础。 2、 本章教学任务本章教学任务（1）了解雷诺实验过程及层流、紊流的流态特点，熟练掌握流态判别标准；（2）掌握圆管层流基本规律，了解紊流的机理和脉动、时均化以及混合长度理论；(3）了解尼古拉兹实验和莫迪图的使用，掌握阻力系数的确定方法；（4）理解流动阻力的两种形式，掌握管路沿程损失和局部损失的计算。二、二、 重点、难点重点、难点重点重点：雷诺数及流态判别，圆管层流运
2、动规律，沿程阻力系数的确定，沿程损失和局部损失计算。难点：难点：紊流流速分布和紊流阻力分析。三、三、 教学方法教学方法用对比的方法讲清什么是均匀流动，什么是不均匀流动。讲清什么是沿程损失、什么 是局部损失，以及绝对粗糙度、相对粗糙度等概念，进而通过实验法讲清楚上下临界 速度、流动状态与雷诺数之间的关系、流速与沿程损失的关系，讲清楚在什么样的前 提条件下得出什么样的结论，进而解决什么样的问题。第 11 次 课年 月 日 章 题目第 6 章流动阻力与水头损失方式课堂模块流体流动阻力方法重点内容学习法单元基本概念、均匀流动、流动状态、层流手段板书+多媒体基本要求使学生了解流体运动与流动阻力的两种型式
3、，了解雷诺实验过程及层流、紊流的流态特点，熟练掌握流态判别标准；掌握雷诺数与组力损失之间的关系，掌握层流运动规律。重点两种流动状态与雷诺数的关系、圆管层流运 动规律，难点流动状态的判别内容拓展利用长管仪设计测量流体粘性的实验素质综合训练参考教材1、张也影. 流体力学. 北京：高等教育出版社，1999 2、徐文娟. 工程流体力学 3、禹华谦. 工程流体力学(水利学). 成都：西南交通大学出版社，1999 4、莫乃榕， 工程流体力学 ，华中科技大学出版社，20005、程 军、赵毅山. 流体力学学习方法及解题指导. 上海：同济大学出 版社，2004 作业习题习题： ：61、 、63 思考思考题题：
4、：61、 、62、 、63、 、64、 、65本次课内容导入本次课内容导入 形成流动阻力的主要因素：1、粘性大小；2、流体的流动状态；3、流体与固体壁面 的接触情况。 实验资料和经验公式。6-16-1 流动阻力与水头损失的分类流动阻力与水头损失的分类一、一、水头损失在工程上的意义水头损失在工程上的意义图 4-1 水头损失的数值大小直接关系到动力设备容量的确定，因而关系到工程的可靠和经济性。如图 4-1，水泵供水示意图。据供水要求，水泵将水池中水从断面提升到断面。静扬高：断面和的高程差。扬程：静扬高加水头损失。即： whHH0当水泵提供的为定值时，若增大则减小，因而不能满足生产需要：wh则需一定
5、，则需增大，即增大动力设备容量，可见动力设备的容量，与管路系统的能量损失有关，所以只有正确计算水头损失，才能合理的选用动力设备。二、二、水头损失的两种形式水头损失的两种形式液体的粘滞性是液体能量损失的根本原因，据边界形状和大小是否沿程变化和主流是否脱离固体边界壁或形成漩涡，把水头损失分为沿程水头损失和fh局部水头损失两大类。mh当固体边界的形状和大小沿程不变，液流在长直流段中的水头损失称为沿程水头损失。在产生沿程损失的流段中，流线彼此平行，主流不脱离边壁，)(fh也无漩涡发生，一般，在均匀流和渐变流情况下产生的水头损失只有沿程损失。当固体边界的形状、大小或两者之一沿流程急剧变化所产生的水头损失
6、称为局部水头损失（） 。mh在局部损失发生的局部范围内，主流与边界往往分离并发生漩涡，如水流在管道突然收缩或流经阀门和突然扩大处。三、水头损失叠加原理三、水头损失叠加原理水流在全过程中，如有若干段直流段及边界有若干处突然改变，而各个局部损失又 互不影响时，水流流经整个流程的水头损失是各沿程损失和各whfh个局部损失的代数和，即：mhmfwhhh沿程水头损失和局部水头损失从本质上讲都是液体质点之间相互摩擦和碰撞，或者说，都是液流阻力做功消耗的机械能。产生沿程损失的阻力是内摩擦力，称这种阻力为沿程阻力。在产生局部损失的地方，由于主流与边界分离和漩涡的存在，质点间的摩擦和 撞加剧，因而引起的能量损失
7、比同样长度而没有漩涡时的损失要大得多，称这种阻力为局部阻力。6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态一、一、 雷诺实验雷诺实验 动画演示。 实验表明：在不同条件下，流体有层流和紊流两种运动状态，并且形成不同的水头损失。实验时如记录流速，当 v时，层流紊流，反向进行实验，当 v时，紊流 crvcrv层流。远小于 。上临界速度， 下临界速度。crv crv crvcrv水在毛细管和岩石缝隙中的流动，重油在管道中的流动， 多处于层流运动状态，而实际工程中，水在管道（或水渠）中 的流动，空气在管道中的流动，大多是紊流运动。二、流动状态与水头损失的关系二、流动状态与水头损失的关系水头损失与流速的关系
8、可表示为 vmkhflglglg即 m fkvh 实验表明：当时，流动处于紊流状态, ,，曲线 CD。图m fkvh v crv2m2kvhf为水头损失与流速的关系。 三、流动状态判别准则三、流动状态判别准则雷诺数雷诺数雷诺数雷诺根据大量实验归纳出的一个无因次综合量，即Re=Revd vd对应临界速度有对应临界速度有 = 上临界雷诺数上临界雷诺数creR dvcr= 下临界雷诺数下临界雷诺数crRe dvcr实验结果表明，对几何形状相似的一切流体其下临界雷诺数基本上相等，即实验结果表明，对几何形状相似的一切流体其下临界雷诺数基本上相等，即=2320；上临界雷诺数可达；上临界雷诺数可达 1200
9、0 或更大，并且随实验环境、流动起始状态的不同而或更大，并且随实验环境、流动起始状态的不同而crRe有所不同。当有所不同。当 Re时流动为紊流；当时流动为紊流；当2000 为紊流为紊流 当流体的过水断面为非圆形时，用当流体的过水断面为非圆形时，用 dRR，则，则=500crRe Rvcr水利、矿山等工程中常见的明渠流更不稳定，其下临界雷诺数更低，水利、矿山等工程中常见的明渠流更不稳定，其下临界雷诺数更低，工程计算时一般工程计算时一般取取为为 =300 crRecrRe当流体绕过固体物而流动时，其常用的雷诺数表达式为当流体绕过固体物而流动时，其常用的雷诺数表达式为vlRe式中式中 流体的绕流速度
10、；流体的绕流速度；v流体的运动粘性系数；流体的运动粘性系数；固体物的特征长度。固体物的特征长度。l大量实验得出流体绕球形物体流动时下临界雷诺数为大量实验得出流体绕球形物体流动时下临界雷诺数为=crRe1vd这一数据对于这一数据对于选矿、水力输送等工程计算选矿、水力输送等工程计算，具有重大的意义。，具有重大的意义。思考题：思考题：1、在直径相同的管中流过相同的流体，当流速相等时，它们的雷诺数是否相等？、在直径相同的管中流过相同的流体，当流速相等时，它们的雷诺数是否相等？当流过不同的流体时，它们的临界雷诺数相等吗？当流过不同的流体时，它们的临界雷诺数相等吗？2、同一种流体分别在直径为、同一种流体分
11、别在直径为的圆管和水力直径为的圆管和水力直径为的矩形管中做有压流动，的矩形管中做有压流动，did当当=，且速度相等时，它们的流态是否相同？，且速度相等时，它们的流态是否相同？did例 52 在大气压力下，在大气压力下，15 C 水的运动粘性系数水的运动粘性系数=1.44210m /s。如果水在内径为。如果水在内径为62mm 的圆管中流动，从紊流逐渐降低流速，问降到多大速度时才能变为层流？的圆管中流动，从紊流逐渐降低流速，问降到多大速度时才能变为层流？d50 工程中某些很细的圆管流动，或者低速、高粘流体的圆管流动，如阻尼管、润滑油管、 原油输油管道内的流动多属层流道内的流动多属层流。层流运动规律
12、也是流体粘度测量和研究紊流运动的基础。层流运动规律也是流体粘度测量和研究紊流运动的基础。 因此，本节主 要研究流体在圆管中层流的运动规律。 一、一、 均匀流动中内摩擦力的分布规律均匀流动中内摩擦力的分布规律 设过水断面的半径为，则相应的水力半径=，由得0rR2/0rRi/0ir 200在其中取出半径为的圆柱形流段，设其表面上的切向应力为，则,与上式相比rir 2可得 00rr6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动一、圆管层流运动中流体内摩擦切应力的分布规律圆管层流运动中流体内摩擦切应力的分布规律。它表明：其中的内摩擦切应力是沿着 半径按直线规律分布的。当=0 时，=0；当=时，=为最大值。r
13、rr0r0 二、二、 圆管层流中的速度分布规律圆管层流中的速度分布规律在半径为处，由层流牛顿内摩擦定律 rir2ir dydu 2有 rdridu 2积分并考虑=时，的边界条件，可得 r0r0u)(422 0rriu斯托克斯公式斯托克斯公式，它表明：圆管层流过水断面上流速分布图形是一个旋转抛物面， 最大流速在圆管中心，即=0 处，其大小为r2 02 0max164diriu 三、圆管层流中的平均速度和流量三、圆管层流中的平均速度和流量1、平均速度为对于圆形管道 AudAAQvA2 002 022 02 02 022 0 0 328)(22)(4 AQdirirdrrrri rrdrrrivrA
14、 比较可得 max21uv 上式说明：圆管层流中平均速度等于管轴处流速的一半圆管层流中平均速度等于管轴处流速的一半。如用毕托管测出管轴的点速度即如用毕托管测出管轴的点速度即 可以可以算出圆管层流中的平均速度算出圆管层流中的平均速度和流量和流量。vQ流量为4 04 0022 0012882)(4200dirirdrrrirdruudAdQQ ArrA 哈根哈根泊肃叶定律泊肃叶定律。由于、 、等量是已知或可测量出的，因此，可求Qi0d 出流体的动力粘性系数。许多测量流体粘性系数的实验就是根据这一原理进行的许多测量流体粘性系数的实验就是根据这一原理进行的。 安排学生利用安排学生利用长长管管仪设计测仪
15、设计测量流体粘性的量流体粘性的实验实验素素质综质综合合训练训练 四、圆管层流中的沿程损失四、圆管层流中的沿程损失gv dl gv dl vv gdlv dlvhf22Re64 22323220202 02 0 圆管层流沿程损失计算公式圆管层流沿程损失计算公式，称为达西公式达西公式。式中，称为沿程阻力系数，该式 表明只与雷诺数有关，与其它因素无关。拓展：流体以层流状态在长度为 的管中运动时，所消耗的功率为lgv dlQQhNf220从上式可知，一定时，适当地降低或适当增大d都可降低功率损耗。不过应保证Q ReRecr时，管中紊流流体质点是杂乱无章地运动的，不但u 瞬息变化，而且，一点上流体p等参数都存在类似的变化，这种瞬息变化的现象称
