流体力学水力学流动阻力和水头损失.ppt

'第四章流动形态及其水头损失 §4.1流动阻力和水头损失的分类流动阻力摩擦阻力：流体有粘滞性和横向流速梯度，产生摩擦阻力。压差阻力：局部地区固体边界的形状或大小有急剧改变，或有局部障碍，液流内部结构产生离解和漩涡，流线弯曲，流速分布改变，增加了液流的相对运动，产生压差阻力。 水头损失沿程水头损失hf：均匀流中，水流产生的阻力为摩擦阻力，能量损失为沿程水头损失hf。局部水头损失hj：非均匀流中，水流产生的阻力为摩擦阻力和压差阻力，其产生的能量损失为局部水头损失hj。总水头损失：hw=∑hf+∑hj 摩擦阻力 滞止离解压差阻力 惯性离解压差阻力 惯性离解压差阻力 §4.2实际液体流动的两种形态4.2.1雷诺试验 4.2.2流态的判别---雷诺数雷诺数：非圆形过水断面下临界雷诺数：管流上临界雷诺数：管流下临界雷诺数：Rec=2000非圆形过水断面雷诺数：bh 例4—1有一圆形输水管，直径d为2.0cm，管中水流的断面平均流速为1m/s，水温t=15℃，试判别管中水流的型态。当通过石油时，若其他条件相同，问流态是层流还是紊流？（t=15℃时，石油=0.6cm2/s,水=0.0114cm2/s）解： §4.3均匀流沿程水头损失与切应力的关系4.3.1沿程水头损失与切应力的关系在管道恒定均匀流中，取总流流段1-1到2-2，各作用力处于平衡状态：∑F=0。OOz2z11122P1P200G 作用于该总流流段上的外力有：①动水压力：P1=p1AP2=p2A②重力：G=V=AL，在流动方向上的投影Gx=ALsin③摩擦阻力：T=0×A"=0×LOOz2z11122P1P200Gx 写出管轴方向的平衡方程：OOz2z11122P1P200Gx 4.3.2均匀流过水断面上切应力的分布00r0r 00r0ryu§4.4圆管中的层流运动4.4.1圆管均匀层流的断面流速分布 4.4.2圆管均匀层流的沿程水头损失达西公式通用公式-----层流紊流均适用 利用管径d=75mm的管道输送重油，如图所示，已知重油的重度油=8.83KN/m3，运动粘性系数油=0.9cm2/s，管轴上装有毕托管，水银面高差hp=20mm，求重油每小时流量及每米长的沿程水头损失。解：1、求流量：例4-2假设重油的流动为层流： 2、求沿程水头损失<2300层流 §4.5液体的紊流运动4.5.1紊流的形成条件①涡体的形成；②形成后的涡体，脱离原来的流层或流束，掺入邻近的流层或流束。层流与紊流的根本区别在于：层流中各流层的流体质点，互不掺混，有比较规则的“瞬时流线”存在；紊流中有大小不等的涡体震荡于各流层之间，互相掺混。 4.5.2紊流脉动现象与时均化概念运动要素的脉动现象：紊流中存在大量涡体，涡体沿各方向进行混掺、碰撞，使紊流中任何一个空间点上的运动要素（流速、压强等）随时间不断在变化---紊流运动要素脉动。 运动要素的时均化处理： 脉动值说明：①脉动值不能当作微量处理，有时可达到时均值的三分之一。②脉动总是三维的，虽然主流是一维或二维的，但均产生三个方向的脉动速度。③脉动是涡体互相掺混、交换的结果，不是流体分子的运动。 注意：紊流恒定流----指时间平均的运动要素不随时间而变化的流动。紊流非恒定流-----指时间平均的运动要素随时间而变化的流动。恒定流、非恒定流、流线、流束、总流等--------对紊流运动要素时均值而言。 4.5.3紊流中摩擦切应力计算紊流中切应力=内摩擦切应力+附加切应力①内摩擦切应力------相邻两层时均速度相对运动所产生的粘滞切应力。②附加切应力-----脉动所产生。紊流附加切应力：（普朗特动量传递理论）紊流各流层间存在相对运动，当流层间发生质点混和时，因流速的不同（动量不同），导致质点横向运动到新流层时，因动量的改变产生对新流层的附加切应力----紊流附加摩擦切应力（雷诺应力）。 4.5.4紊流中的层流底层与紊流核心4.5.4.1层流底层（粘性底层）：紧靠固体边界的地方，由于管壁及流体粘性的影响，流体质点流速小，流态属于层流的流体层。层流底层厚度-----一般只有十分之几毫米，最大只有几毫米。紊流核心：粘性底层以外为紊流区，包括紊动充分发展的紊流流核区和紊流处于发展状态的过渡层（厚度仅百分之几厘米）。 4.5.4.2流道壁面的类型绝对粗糙度ks（）：将固体壁面上，粗糙体突出壁面的高度的平均值。水力光滑管：当层流底层的厚度0大于绝对粗糙度ks，流体在平直的层流底层的外缘上滑动，象在光滑壁面上流动一向，边壁对水流的阻力，主要是层流底层的粘滞力，这种管道称为水力光滑管。 水力粗糙管：当层流底层的厚度0小于绝对粗糙度ks时，紊流流核绕过突出高度时，将形成小漩涡，边壁对水流的阻力主要是由这些小漩涡造成的，边壁粗糙度起主要的作用，这种粗糙壁面的管道，称为水力粗糙管。过渡粗糙管：介于以上两者之间的情况，层流底层的厚度不足以完全掩盖住边壁粗糙度的影响，但绝对粗糙度还没有起决定性的作用，这种粗糙壁面的管道称为过渡粗糙管。 4.5.5紊流的流速分布普朗特-卡门对数流速分布公式：水力光滑管区：水力粗糙管区： §4.6圆管中沿程阻力系数的变化规律尼古拉兹实验（实验图）---人工粗糙①层流区：Re<2300，=f(Re)，=64/Re，hf∝1.0②流态过渡区：2300