流体力学水力学流动阻力和水头损失ppt课件.ppt

第四章流动形态及其水头损失 1 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 2 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 3 摩擦阻力 4 滞止离解压差阻力 5 惯性离解压差阻力 6 惯性离解压差阻力 7 8 4 2实际液体流动的两种形态4 2 1雷诺试验 9 10 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 11 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 12 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 13 作用于该总流流段上的外力有 动水压力 P1 p1AP2 p2A 重力 G V AL 在流动方向上的投影Gx ALsin 摩擦阻力 T 0 A 0 L 14 写出管轴方向的平衡方程 15 4 3 2均匀流过水断面上切应力的分布 16 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 17 18 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 19 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 20 2 求沿程水头损失 2300层流 21 4 5液体的紊流运动4 5 1紊流的形成条件 涡体的形成 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 22 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 23 24 运动要素的时均化处理 25 脉动值说明 脉动值不能当作微量处理 有时可达到时均值的三分之一 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 脉动是涡体互相掺混 交换的结果 不是流体分子的运动 26 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 27 28 29 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 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 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 30 31 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 32 33 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 34 35 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 36 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 37 38 39 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 层流区 Re 2300 f Re 64 Re hf 1 0 流态过渡区 2300 Re 4000 紊流光滑区 f Re hf 1 75 紊流过渡区 f Re ks d hf 1 75 2 0 紊流粗糙区 f ks d hf 2 0 40 41 舍维列夫公式 旧钢管和铸铁管 42 谢才公式 明渠 谢才系数 43 例4 3 解 44 例4 4 解 45 4 7流动的局部水头损失局部水头损失 发生在固体边界的形状或大小急剧改变的前后局部范围内 非均匀流 局部损失主要用于维持漩涡运动 与边界形状有密切关系 46 47 48 49 50 51 52 53 对1 1 2 2断面列伯努力方程 54 例4 8 55 解 56 57 3 58 有一段直径d 100mm的管路 长10m 其中有