流动阻力和水头损失课件

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1、流动阻力和水头损失课件水力坡度水力坡度称为水力坡度称为水力坡度水头线的斜率冠以负号水头线的斜率冠以负号测压管坡度测压管坡度 称为测压管坡度称为测压管坡度 位置水头线位置水头线一般为总流断面中心线。一般为总流断面中心线。 测压管水头线测压管水头线可能在位置水头线以下，表示当地压可能在位置水头线以下，表示当地压强是负值。强是负值。恒定总流能量方程的几何表示恒定总流能量方程的几何表示水头线水头线总水头线总水头线为一条逐渐下降的直线或曲线为一条逐渐下降的直线或曲线 注意：注意：LLL流动阻力和水头损失课件 流动阻力和损失的两种类型流动阻力和损失的两种类型 雷诺试验雷诺试验层流和紊流层流和紊流 均匀流基

2、本方程均匀流基本方程 圆管中的层流运动圆管中的层流运动 紊流运动紊流运动 沿程阻力系数的变化规律沿程阻力系数的变化规律 局部阻力及损失的计算局部阻力及损失的计算第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失课件4-1 4-1 流动阻力和水头损失分类流动阻力和水头损失分类沿程水头损失沿程水头损失在在均匀流均匀流段（包括段（包括渐变流渐变流）中产生）中产生的流动阻力为沿程阻力（或摩擦阻力），由此引起的的流动阻力为沿程阻力（或摩擦阻力），由此引起的水头损失，与流程的长度成正比，用水头损失，与流程的长度成正比，用h hf f表示；表示；局部水头损失局部水头损失在在非均匀流非均匀流

3、段（流动边界急剧变化段（流动边界急剧变化- -急变流急变流）中产生的流动阻力为局部阻力，由此引起的）中产生的流动阻力为局部阻力，由此引起的水头损失，取决于管配件的形式，用水头损失，取决于管配件的形式，用h hj j表示；表示；一、水头损失一、水头损失总水头损失总水头损失=沿程水头损失沿程水头损失+局部水头损失局部水头损失流动阻力和水头损失课件1.1.沿程阻力沿程阻力沿程损失沿程损失( (长度损失、摩擦损失长度损失、摩擦损失) )达西达西- -魏斯巴赫公式魏斯巴赫公式沿程阻力系数沿程阻力系数2.2.局部阻力局部阻力局部损失局部损失局部阻力系数局部阻力系数二、流动阻力二、流动阻力 hwhw流体粘性

4、引起流体粘性引起流动阻力和水头损失课件3.总能量损失4.用水头线表示*说明几点说明几点流动阻力和水头损失课件粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态1.1.雷诺实验（雷诺实验（1883年）年）（a a）层流）层流（b b）临界状态）临界状态（c c）紊流）紊流下临界流速下临界流速vc临界流速临界流速上临界流速上临界流速vc4-2雷雷 诺诺 试试 验验流动阻力和水头损失课件2.2.分析雷诺实验分析雷诺实验层流层流紊流紊流ab段段层流层流ef段段紊流紊流be段段临界状态临界状态结论：流态不同，结论：流态不同，沿程损失沿程损失规律不同规律不同层流层流紊流紊流过渡区过渡区上临界速度上临界速度下临界速度下临

5、界速度流动阻力和水头损失课件雷诺实验揭示了雷诺实验揭示了沿程水头损失与流速的关系。沿程水头损失与流速的关系。当当vvvv vc c时，时， h hf fv v1.751.752.02.0 。发现了流体流动中存在两种性质不同的形态，即发现了流体流动中存在两种性质不同的形态，即层流和紊流：层流和紊流：l层流层流流体呈层状流动，各层质点互不掺混；流体呈层状流动，各层质点互不掺混；l紊流紊流流体质点的运动轨迹极不规则，各层流体质点的运动轨迹极不规则，各层质点相互掺混，且产生随机脉动。质点相互掺混，且产生随机脉动。流动阻力和水头损失课件3.3.雷诺数雷诺数Rec临界雷诺数（临界雷诺数（2300左右）左右

6、）Re=vd/雷诺数（雷诺数（无量纲无量纲）ReRec紊流（包括层流向紊流的临界区紊流（包括层流向紊流的临界区20004000）结论：用雷诺数判断流态结论：用雷诺数判断流态计算公式：计算公式：p53例题例题流动阻力和水头损失课件问题：雷诺实验雷诺实验揭示了揭示了（ ）与（）与（ ）的关系。）的关系。雷诺实验雷诺实验发现了流体流动中存在两种性质不同的形态，发现了流体流动中存在两种性质不同的形态，即即（ ）和（）和（ ） 。vc和和vc分别分别表示什么表示什么，比较它们的，比较它们的大小。大小。当当vvvv vc c时，时， h hf fv v（）（） 。 雷雷诺诺数数Re计计算算表表达达式式为为

7、（ ）。通通常常其其数数值值在在（ ）附附近。近。流动阻力和水头损失课件非圆管流动流态的判别：非圆管流动流态的判别：l对于对于非圆形断面管道和明渠水流非圆形断面管道和明渠水流，则采用特征长度，则采用特征长度R R（水力半径水力半径）表示。）表示。l l过流断面上流体与固体接触的周界，简称湿周。过流断面上流体与固体接触的周界，简称湿周。l相应的相应的临界雷诺数临界雷诺数为为 流动阻力和水头损失课件4.用量纲分析说明雷诺数的物理意义惯性力与粘性力作用之比判断流态 问问题题：雷雷诺诺实实验验揭揭示示了了流流体体存存在在着着（ ）和和（ ）两两种种不不同同流流态态。其其判判别别可可用用（ ），它它反反

8、映映了了（ ）力力与与（ ）力的对比关系，其表达式为（力的对比关系，其表达式为（ ）。）。流动阻力和水头损失课件4-3沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系（均匀流基本方程）（均匀流基本方程）l各力之间的平衡式各力之间的平衡式: :l两断面的能量方程两断面的能量方程: :l均匀流基本方程式均匀流基本方程式 分析其意义，分析其意义，R R意义意义l切应力分布切应力分布: : 1.切应力分布切应力分布2.层流、紊流均适用层流、紊流均适用流动阻力和水头损失课件4-4 圆管中的层流运动1.1.流动特性流动特性l 流体呈层状流动，各层质点互不掺混流体呈层状流动，各层质点互不掺混层流中的切应

9、力为粘性切应力层流中的切应力为粘性切应力其中其中 y=r0-r流动阻力和水头损失课件2.2.断面流速分布断面流速分布牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律又又积分积分流动阻力和水头损失课件（b b）平均速度）平均速度（c c）层流动能修正系数）层流动能修正系数层流动量修正系数层流动量修正系数测量圆管层流平均速度的方法。测量圆管层流平均速度的方法。（a a）旋转抛物面旋转抛物面流速最大值流速最大值流动阻力和水头损失课件3.3.沿程损失系数沿程损失系数又又比较比较注意：注意：v，但，但hfv， hf与与 v的一次方的一次方成正比，与雷诺实验一致。成正比，与雷诺实验一致。P55 公式公式(4-12）（）（4-

10、13）圆管层流运动过流断面上速度为（圆管层流运动过流断面上速度为（ ）分布，其表达式）分布，其表达式 ，断面平，断面平均速度是最大速度的（均速度是最大速度的（ ）。圆管层流）。圆管层流中沿程阻力系数中沿程阻力系数与雷诺数与雷诺数ReRe的关系式的关系式（ ）。）。流动阻力和水头损失课件 工程中的应用工程中的应用测量流体粘度：测量流体粘度：应用上述公式要注意两个方面：应用上述公式要注意两个方面： 为起始长度为起始长度流动阻力和水头损失课件p55p55例例4-2：应应用用细细管管式式粘粘度度计计测测油油的的粘粘度度，细细管管d=6mm，l=2m，Q=77cm3/s，水水银银压压差差计计读读值值h=

11、30cm，水水银银密密度度m=13600kg/m3，油的密度，油的密度=900kg/m3，求油的运动粘度，求油的运动粘度.解解：设为层流设为层流流动阻力和水头损失课件解得运动粘度解得运动粘度校核流态校核流态计算成立计算成立流动阻力和水头损失课件4-5 紊 流 运 动1.1.紊流的特性紊流的特性涡体的产生涡体的产生 各流层间的质点运动极不规则，相互掺混，其各流层间的质点运动极不规则，相互掺混，其运动要素在空间、时间上均呈现随机的脉动现象。运动要素在空间、时间上均呈现随机的脉动现象。 流动阻力和水头损失课件2.2.紊流运动的时均化和脉动性紊流运动的时均化和脉动性（1 1）瞬时速度）瞬时速度u（2

12、2）时均速度）时均速度（3 3）脉动速度）脉动速度u（4 4）断面平均速度）断面平均速度v即把紊流运动看成为是时均流动和脉动流动的叠加即把紊流运动看成为是时均流动和脉动流动的叠加 流动阻力和水头损失课件紊流的切应力紊流的切应力l紊流运动分解为两种流动的叠加：紊流运动分解为两种流动的叠加：l时均运动时均运动l脉动运动脉动运动la、时均运动流层间产生的粘性切应力：、时均运动流层间产生的粘性切应力：流动阻力和水头损失课件b.b.脉动流动引起的切应力脉动流动引起的切应力（附加切应力、惯性切应力、雷诺切应力）（附加切应力、惯性切应力、雷诺切应力）c.c.切应力切应力靠近壁面且靠近壁面且Re数较小时，占主

13、导地位数较小时，占主导地位离开壁面且离开壁面且Re数很大时，数很大时，流动阻力和水头损失课件4.4.混合长度理论混合长度理论 的计算的计算普朗特混合长度理论的要点（假设）普朗特混合长度理论的要点（假设）（1 1）流体质点因脉动横向位移流体质点因脉动横向位移l1到达新的空间点，到达新的空间点，才同周围点发生动量交换，失去原有特征，才同周围点发生动量交换，失去原有特征，l1称混合称混合长度长度流动阻力和水头损失课件（2 2）亦称为混合长度亦称为混合长度雷诺数越大，紊流越剧烈，雷诺数越大，紊流越剧烈，2横向脉动速度横向脉动速度与纵向脉动速度为同一量级，并与与纵向脉动速度为同一量级，并与du/dydu

14、/dy存在一定比例关系存在一定比例关系 （3）混合长度）混合长度只与质点到壁面的距离有关只与质点到壁面的距离有关，。流动阻力和水头损失课件5.5.紊流的速度分布规律紊流的速度分布规律紊流紊流（k是实验确定的常数，称卡门常数是实验确定的常数，称卡门常数k0.4）积分得积分得普朗特普朗特- -卡门卡门对数对数分布规律分布规律流动阻力和水头损失课件6.6.紊流流动结构图紊流流动结构图粘性底层粘性底层在固体边壁处存在一层极薄在固体边壁处存在一层极薄的，紊动附加切应力很小忽略不计，粘性的，紊动附加切应力很小忽略不计，粘性切应力占主导地位的极薄流体层。也称层切应力占主导地位的极薄流体层。也称层流底层。其厚

15、度与雷诺数成反比。流底层。其厚度与雷诺数成反比。粘性底层虽然很薄，但却对紊流流速分布和流动阻力具有重大影响粘性底层虽然很薄，但却对紊流流速分布和流动阻力具有重大影响 11层流底层；层流底层；22过渡区；过渡区；33紊流核心紊流核心流动阻力和水头损失课件4-6 沿程阻力系数的变化规律沿程阻力系数的变化规律k绝对粗糙度绝对粗糙度k/d相对粗糙度相对粗糙度1.1.尼古拉兹实验尼古拉兹实验（1933-1934）（1 1）实验曲线）实验曲线人工粗糙（尼古拉兹粗糙）人工粗糙（尼古拉兹粗糙）流动阻力和水头损失课件尼古拉兹实验尼古拉兹实验1.1.层流区层流区 2.层流向紊流的过渡区层流向紊流的过渡区 范围很小

16、，实用意义不大范围很小，实用意义不大；4.紊流过渡区紊流过渡区 5.紊流粗糙区（阻力平方区）紊流粗糙区（阻力平方区） 3.3.紊流光滑区紊流光滑区 流动阻力和水头损失课件（2 2）变化规律变化规律层流底层的变化层流底层的变化紊流光滑区紊流光滑区紊流过渡区紊流过渡区紊流粗糙区紊流粗糙区流动阻力和水头损失课件2.2.紊流沿程损失系数紊流沿程损失系数（半经验公式）（半经验公式）（1 1）紊流光滑区）紊流光滑区尼古拉兹光滑区公式尼古拉兹光滑区公式采用此式求解较困难采用此式求解较困难流动阻力和水头损失课件（2 2）紊流粗糙区）紊流粗糙区尼古拉兹粗糙区公式尼古拉兹粗糙区公式流动阻力和水头损失课件（3 3）

17、紊流过渡区）紊流过渡区a.a.工业管道工业管道当量粗糙度当量粗糙度ke和工业管道粗糙区值相等的同直和工业管道粗糙区值相等的同直径的尼古拉兹粗糙管的粗糙度径的尼古拉兹粗糙管的粗糙度常用工业管道的常用工业管道的ke管道材料管道材料ke(mm)管道材料管道材料ke(mm)新氯乙烯管新氯乙烯管00.002镀锌钢管镀锌钢管0.15铅管、铜管、铅管、铜管、玻璃管玻璃管0.01新铸铁管新铸铁管0.150.5钢管钢管0.046钢板制风管钢板制风管0.15涂沥青铸铁管涂沥青铸铁管 0.12混凝土管混凝土管0.33.0流动阻力和水头损失课件b.b.柯列勃洛克公式柯列勃洛克公式此式为尼古拉兹光滑区和粗糙区公式的叠加

18、此式为尼古拉兹光滑区和粗糙区公式的叠加流动阻力和水头损失课件c.c.莫迪图按柯氏公式计算莫迪图按柯氏公式计算流动阻力和水头损失课件 经验公式经验公式1.水力光滑区：布拉修斯公式水力光滑区：布拉修斯公式（e1.2m/s适用于旧钢管和旧铸铁管适用于旧钢管和旧铸铁管流动阻力和水头损失课件4.4.谢才公式谢才公式-流速与水力坡度、水力半径关系流速与水力坡度、水力半径关系 谢才系数；谢才系数；水力半径；水力半径；水力坡度。水力坡度。（1 1）曼宁公式：）曼宁公式：粗糙系数。粗糙系数。适用范围：适用范围：流动阻力和水头损失课件（2）补充）补充巴浦洛夫斯基公式：巴浦洛夫斯基公式： 或或 当当 当当 适用范围

19、：适用范围：流动阻力和水头损失课件补充知识补充知识：非圆管断面的管道沿程损失：非圆管断面的管道沿程损失： 其中，其中，非圆管中的流动非圆管中的流动流动阻力和水头损失课件水力半径水力半径R湿周湿周圆管的水力半径圆管的水力半径边长分别为边长分别为a和和b的矩形断面水力半径的矩形断面水力半径若为明渠流若为明渠流流动阻力和水头损失课件圆环外径圆环外径r1、内径、内径r2求：水力半径求：水力半径流动阻力和水头损失课件（补充）（补充）例题例题1：给水管长：给水管长30m，直径，直径d=75mm，材料为新，材料为新铸铁管，流量铸铁管，流量Q=7.25L/s，水温，水温t=10，求该管段的沿程水，求该管段的沿

20、程水头损失。头损失。解：解：水温水温t=10时，水的运动粘度时，水的运动粘度=1.3110-6m2/s流动阻力和水头损失课件当量粗糙度当量粗糙度ke=0.25mm，ke/d=0.003由由Re、ke/d查莫迪图，得查莫迪图，得=0.028或由公式或由公式 ，得，得=0.028流动阻力和水头损失课件例例：温度为：温度为20的水在的水在0cm0cm的焊接钢管中流的焊接钢管中流动，已知水力坡度动，已知水力坡度.006.006，求，求例例：用清洁的新熟铁管输送：用清洁的新熟铁管输送.25m25m3 3/s,/s,的油的油, ,=0.093cm=0.093cm2 2/s,/s,已知已知L=3000m,h

21、L=3000m,hf f=23m,=23m,求管径求管径d.d.例例4: 有两根管道有两根管道,L相等相等,d相等相等,ks相等相等,但一根输但一根输送粘度小的水，另一根输送粘度大的油送粘度小的水，另一根输送粘度大的油.1.如如v相等相等,问两者的问两者的hf是否相当是否相当?2.如两者的如两者的Re相等相等,问两者的问两者的hf是否相当是否相当?流动阻力和水头损失课件局部阻力及损失的计算1.1.局部阻力产生的原因局部阻力产生的原因流动阻力和水头损失课件阻力流线演示流动阻力和水头损失课件2.2.几种常见的局部损失系数几种常见的局部损失系数（1 1）突然扩大）突然扩大列列1-1和和2-2断面的能

22、量方程断面的能量方程列动量方程列动量方程流动阻力和水头损失课件由连续性方程由连续性方程或或注意：注意：1v1；2v2特例：特例：=1管道的出口损失系数管道的出口损失系数流动阻力和水头损失课件（2 2）突然缩小）突然缩小特例：特例：=0.5管道的入口损失系数管道的入口损失系数v2（3 3）渐扩管）渐扩管流动阻力和水头损失课件当当20，k=sin公式、图表公式、图表=58，最小最小（4 4）渐缩管）渐缩管收缩角收缩角n=A2/A1收缩面积比收缩面积比v1流动阻力和水头损失课件（5 5）弯管）弯管二次流二次流螺旋运动螺旋运动影响长度影响长度50倍管径倍管径减小弯管转角减小弯管转角、增大、增大R/d或设置导流或设置导流叶片，减小二次流叶片，减小二次流流动阻力和水头损失课件（6 6）三通）三通图表图表水力计算时，只考虑支管（阻力大）水力计算时，只考虑支管（阻力大）流动阻力和水头损失课件3.3.局部阻碍之间的相互干扰局部阻碍之间的相互干扰两个局部阻碍之间间距大于两个局部阻碍之间间距大于3倍管径，倍管径， ，且安全且安全4.4.减阻措施减阻措施a.a.物理物理b.b.化学：添加少量的减阻剂化学：添加少量的减阻剂流动阻力和水头损失课件