流体力学_龙天渝_流动阻力、能量损失、孔口、管嘴与有压管流.doc

第四章 流动阻力、能量损失、孔口、管嘴与有压管流一、学习引导1. 流动阻力与水头损失的两种型式：流体通过的边界不同，产生的阻力不同，流动阻力分为沿程阻力与局部阻力。同样，克服这些阻力产生的能量损失也分为沿程水头损失与局部水头损失。1）流动阻力沿程阻力：流体边界几何形状沿程不变，均匀分布在流程上的阻力称沿程阻力局部阻力：流体边界发生突变，集中分布在突变处的阻力，如转弯、阀门、进出口、突扩。2）能量损失沿程水头损失：克服沿程阻力产生的能量损失，hf。局部水头损失：克服局部阻力产生的能量损失hj。2. 流体的两种流动型态层流和紊流1）层流与紊流层流：流体质点有条不紊，互不混掺的流动。紊流：流体质点互相混掺的流动。2）层流与紊流的判别标准层流与紊流的判别标准为临界雷诺数。从层流到紊流时为上临界雷诺数，从紊流到层流时为下临界雷诺数。上临界雷诺数不稳定，通常取下临界雷诺数作为层流与紊流的判别标准圆管流：=2000 Re2000紊流 Re500 紊流 Re500层流圆管流雷诺数：明渠流雷诺数：水力半径的计算： 3. 均匀流基本方程与沿程水头损失1） 均匀流基本方程适用范围：在压管流动，明渠流动。圆管流中： 有： 恒定均匀流中，有压管流的过流断面上切应力成线性分布，中心处最小，为零；边壁上最大，=2）沿程水头损失的计算公式达西公式：圆管流中： 明渠流动：达西公式适用：有压管流、明渠流， 层流 、紊流4. 圆管中的层流运动1）流速分布圆管中的层流运动流速分布为一个旋转抛物面：最大流速位于圆管中心：r=0 ， 平均流速：2）动能修正系数与动量修正数动能修正系数：动量修正数：5. 紊流运动的特征和紊流阻力1）紊流运动的特征紊流运动最大的特点是具有脉动性与时均性。紊流在脉动中产生流体微团之间的质量、动量、能量交换，从而形成紊流扩散、紊流摩阻，紊流热传导。 若 2）紊流阻力紊流在运动过程中，既有紊流层间的相对运动（时均流速）引起的粘性切应力，又有脉动流速引起的脉动附加应力（雷诺应力）即： 粘性切应力。 雷诺应力其中：3）紊流流速分布因紊流的随机性极强，一般很难测出各时刻的脉动流速。紊流产生的惯性应力主要依靠一些半经验理论，目前广泛使用普朗特混合长度理论。圆管紊流中，不同位置处的流体流速分布不同，流层间的应力状态不同。圆管紊流中可分为粘性底层、过渡层、紊流核心区三个部分。粘性底层（层流层）：紧贴固壁作层流运动的流层，其厚度。粘性底层较小，却极大地影响着紊流核心区的流动。粘性底层内流体速度成旋转抛物体分布。过渡层：粘性底层与紊流核心之间的流层，极不稳定。紊流核心：完全作紊流运动，内部流动型态又分为：紊流光滑区： ，也称水力光滑管紊流过渡区： 紊流粗糙区： ，也称水力粗糙管紊流核心区，流速成对数分布，满足下面两种分布公式： （a） （b）4）尼古拉兹实验 尼古拉兹通过人工加糙管道实验，将流动分为五个区域。I区：层流区， Re2000， II区：过渡区，2000Re4000， ，仍只与Re有关。区：紊流过渡区， Re4000；与Re、均有关区：紊流粗糙区， Re4000；与Re无关，这一区域也称阻力平方区，或自模区。6. 工业管道紊流阻力系数的计算公式1）、当量粗糙度：和工业管道相等的同直径d人工粗糙管的粗糙度称为当量粗糙高度。2）、尼古拉兹半经验公式：紊流光滑区： 或 适用于：Re=51043106紊流粗糙区： 或 适用于：Re3）、过渡区：柯列勃洛克根据大量的实验资料，提出的计算公式：该公式实际为尼古拉兹公式的综合，也适用于三个区域。4）、Moody图：1944 Moody在此基础上泛制了工业管道的计算曲线，暖通专业广泛使用Moody 图，给排专业则使用舍维列夫公式。5）布拉修斯公式： 光滑区 适用条件：Re1056）希弗井松公式： 粗糙区7）舍维列夫公式舍维列夫公式：新钢管：（Re2.4106d）新铸铁管：（Re2.7106d）旧铸铁、旧铜管： （过渡区） （粗糙区，10水温）8）谢才公式：；曼宁公式：巴甫洛夫斯基公式： y=2.5近似公式：R1m, y=1.3 适用：0.011n0.047. 局部水头损失1）局部损失局部损失：克服局部阻力消耗的能量，2）局部损失产生的原因：边界层与分离现象：边界突变，引起流线脱离原来的壁面，产生边界分离现象，形成漩涡点压区，并与主流不断进行质量、动量、能量的交换。二次流动：形成两个方向流动（纵向流、过流断面上的流动）叠力形成螺旋流。3）突然扩大的局部水头损失与局部阻力系数：， ， 其它管段的局部阻力数通过插表选取。二、难点分析 工业管道紊流阻力系数的计算1）紊流光滑区布拉修斯公式： 光滑区 适用条件：Re舍维列夫公式： （粗糙区，10水温）希弗井松公式：三、习题详解：1. 有一管径的室内水管，如管中流速，水温。（1）试判断管中水的流态；（2）管内保持层流状态的最大流速为多少？【解】(1)100C时水的运动粘性系数为管中的雷诺数为：(2) 保持层流状态的最大流速就是临界流速由于 所以 2. 一条输水管长l1000m，管径d0.3m，设计流量Q0.055m3/s，水的运动粘性系数为106m2/s，如果要求此管段的沿程水头损失为hf3m，试问应选择相对粗糙度/d为多少的管道。 【解】由已知数据可以计