沿程阻力和水头损失ppt课件

第四章流动阻力和水头损失，1，粘滞性和惯性，物理特性，固体边界-固定壁流动阻塞和扰动，流动阻力，损失机器HW，水头损失的物理概念和分类，损失的内部原因，决定因素，损失的外部原因，水头损失：从一个剖面流向另一个剖面，2，4-1水头损失和局部水头损失导致流体在渠道、管道中流动时边界条件不同，流本身的流量特性不同，因此能量损失表示不同。通常，水头损失分为水头损失和局部水头损失两种类型。3，沿路径的水头损失：水头损失沿路径，大小与通过流的管段长度成正比。显示为Hf。长直线，横截面沿流均匀或变化很慢的管道，水道中的水流主要是沿着水头损失发生的。是由液间摩擦引起的。损失的大小与流体的流动状态(层流或湍流)密切相关。4，局部水头损失：由于水流边界条件变化而引起的局部区域能量损失。通用HJ表示法。管道系统具有局部管件，如阀门、弯头和可变截面管道。流体通过这些局部设备时，流速会重新分配，与流体粒子之间和局部设备发生碰撞，产生涡流，阻碍流体流动。这些障碍发生在局部快速变化的流动段上，因此称为局部阻力。流体为了克服局部阻力而损失的能量称为局部损失。5，边界的形状或大小发生变化时，流动内部结构急剧调整，流速分布重构，流速流向弯曲，产生涡流，在这些部分发生局部水头损失。典型局部水头损失面积，6，样式：表示流段中每个段的水头损失的总和。流的总水头损失HW，表示流段中各种局部水头损失的总和。，hf1，hj增量扩展，hf2，较大的流速，每一层液体颗粒形成漩涡，在流动过程中相互混合，这种流动称为湍流。9，水从层流转换到湍流的流速称为上限临界流速，用Vc 表示。从湍流流向层流的流速称为下限临界流速，用Vc表示。实验验证：VC VC。液体流速v VC 时，液体属于湍流；如果液体流速v VC，则液体属于层流。Vc v VC 可以是层流或湍流，流动形式不稳定。例如，本来是层流，但由于噪音、机械振动和固体表面粗糙度的影响，会导致湍流。10，2，确定层流和湍流，(下)临界雷诺数，雷诺数，或，如果水流是湍流，11，圆管：直径d是表示横断面的几何特性的要素长度；对于非圆形横断面，管道和渠道：横断面要素长度以水压半径显示。a:交叉水横断面面积(m2):湿周(m)，横断面中液体与固体接触的边界长度，矩形管道：=2 (h b)，矩形横断面数，=2h b，在水平直管中，流体以恒定流进行过程时，根据能量方程式，水头损失与两个剖面之间的压力水头差异成正比，即变更流量，将HF和v映射到双对数坐标图纸，可分为3，层流和湍流的水头损失规律，13，3部分的曲线：v VC与层流，HF与流速v的1平方成正比，实验点与450的直线分布成正比水头损失与平均流速成正比。V VC 为湍流时，测试点分布在大于450的直线上，HF与流速的1.75-2.0平方成正比。VC v Vc 是层流入湍流的过渡区域，如果速度从小开始逐渐增加，则测试点将下降到AB线，如果流速达到VC ，则流将转换为湍流，测试点将沿BC线移动；如果流速明显下降，测试点会下降到DCA。在过多的地区，实验点分散，取决于特定的实验条件。、14、是管道直径100mm，用于输送水的流量m3/s，水的动态粘度m2/s，是否求管道中水的流动状态？在运输M2/s的石油时，如果在以前的情况下流量保持不变，流会处于什么状态？(1)雷诺数，(m/s)，因此管道中的水处于湍流状态。15，(2)，因此油在管道中处于层流状态。16，4-3均匀流基本方程，随机删除总流段以分析在管道或明渠均匀流中工作的力。在均匀流中，由于流线是平行直线，因此流之间的粘性阻力(剪切应力)是沿水头损失的直接原因，水头损失仅受水头损失的影响。1，基本方程，17，2，重力：3，摩擦阻力是均匀流没有加速度，即，1，移动水压，1-1截面，2-2截面，18，自下而上，角度，计算后，截面1-2截面例如，19，因此常识是管均匀流的水头与壁面的剪切应力，即均匀流的水头损失与剪切应力的关系。此样式反映了表面力和质量力之间的总体平衡，不具体反映流内部的物理特性，因此既适用于层流，也适用于湍流。20，对于管流，公式反映的剖面上的剪应力分布：管壁的最大大小，0；管道中心最小，为0。管常数均匀流，将r0设定为管半径，管中流动表面的剪应力，2，管均匀流剪应力分布，管壁中r=r0，= 0，水压半径r可用管流的半径r，r=r/2， grj/2，实验研究和尺寸分析表明，0=f v2 (a)，f-无量纲系数与液体密度和流速平均值具有相同的关系。=8f，无量纲数，22，示例4-2矩形截面数，底面宽度b=4m，水深h=2m，长度为1000m的水头损失，壁面上的剪切应力。解决方案：23，3，宽矩形明渠水流断面剪应力分布，分析单位宽度明渠对深水深的影响不大，认为侧海岸对水流影响不大，h，断面水深。剪切应力在BD和ef的界面中工作，两侧ab和CD中不发生剪切应力。aecf水体分析，水压半径，水深h的单宽度横断面中的水压半径，代替均匀流基本方程，水横向剪切应力沿垂直方向分布，在壁面上，b=1m，a 平均速度(a)、均匀流的水压坡度J=hf/L、备用(a)表达式、圆管层流水头损失、上游阻力是雷诺数与雷诺数成反比的函数，也独立于管道的材质和管道壁的粗糙度。26，积分常数c，5，宽矩形明渠中的层流运动，剪切应力分布，根据牛顿内摩擦法，y=0，u=0，c=0，因此宽矩形明渠中均匀流的速度分布也是抛物线，在自由曲面上y=h，速度u第一，根据实验结果，运动要素的脉动，瞬时流速有变化，但在足够的时间内，时间的平均值保持不变。(时间平均)恒定流，28，瞬时流速和时间平均流速的差值称为脉动流速，引入时间平均的概念，可以将一些本质上不恒定的湍流视为恒定流。时间的平均流速是脉动流速的时间平均值，湍流的运动可以看作是时间的平均流速和脉动运动的叠加。29，湍流的其他物理量也有变化，处理其脉动的方法也采用时间均化方法处理。脉动流速的平均平方根通常用于表示脉动振幅的大小，脉动流速的平均平方根值与时间平均特性流速v的比率称为湍流强度。瞬时压力、30、2、湍流剪切应力、湍流平均剪切应力由两部分组成：两个相邻流之间的时间平均流速相对运动产生的粘性剪切应力、纯脉动流速产生的附加剪切应力，以及l流之间的混合长度。粒子在脉动流速下从一个流动层跳到另一个一流层并与其他粒子混合的垂直距离。实验数据表明，在固体墙附近，l与固体墙的垂直距离y成正比。也就是说，l=ky，k称为卡门常数，可以通过实验确定。31，3，湍流流速分布，湍流中液体粒子相互混合，相互碰撞，因此液体内粒子间的动量传递使横截面中流速分布均匀。因此，管道中湍流的流速分布比层流稍平。32，当前管道中常用湍流流速分布的表达式：1，流速分布的指数公式，2，流速分布的代数公式，Re105中流速分布的七分之一平方定律。视具体情况而定。33，在粘性底部，固体边界附近的湍流中，脉动流速小，脉动流速产生的附加剪切应力小，但流速梯度很大，因此粘性切向应力占主导地位，其流动基本上是层流。因此，湍流具有非常薄的层流层，靠近坚硬的边界表面。这个层流层称为粘性地板。粘性地板外的流动是湍流。粘性底部薄，但对湍流的流动有很大影响。因此，粘性底层对湍流的抗力规律的研究具有重要意义。34，粘性地板厚度，0为雷诺数，随着流速的增加而减小。Re较大时，液压软壁面，过渡粗糙壁面，35，湍流形成过程分析，升力，涡流，湍流形成条件，涡流的生成，雷诺数达到常量值，36，3-4湍流运动时，人们仍然习惯使用达西公式沿路径表示阻力。37、湍流粗糙区域(阻力平方区域)，转换为层流湍流过渡区域，一、尼古拉斯实验，以不同直径管道内壁附着不同粒度的人工砂，以探索沿路径湍流阻力计算公式，以不同流速进行一系列试验。Lg(100)，lgRe，层流区域，湍流平滑区域，湍流过渡粗糙区域，c，d，38，1，层流区域：lgRe3.36(即re 2300)不同相对粗糙度的测试点位于示坡线ab上。换句话说，层流时间仅与Re相关，与K/d无关。也就是=f (Re)，LG (100 )，lgre，c，d，3.36，39，2，层流转变为湍流的过渡区域：此区域范围为3.36 lgre根据与Re和K/d的关系，湍流区域分为三个流动区域、过渡粗糙区域和粗糙区域。LG (100 )，lgre，c，d，41，(1)水力平滑区域(湍流平滑区域):地物的坡面线CD。此区域中不同相对粗糙度的测试点位于CD线上。也就是说，此区域的仅与Re相关，与K/d无关。也就是=f (re)。如图所示，具有不同K/d值的管道具有不同的平滑区域范围，而K/d值越小，平滑区域的范围越大。计算基准：LG (100 )、lgRe、c、d、42、(2)、水力平滑区和水力粗糙区之间的过渡区(湍流过渡区):此区域是图中CD线和ef之间的流动区，不同相对粗糙度的测试点此时基准计算：随着湍流过渡区域中Re的增加，层流底部厚度变薄，管壁粗糙度逐渐影响流。LG (100 )、lgre、c、d、43、(3)水力粗糙区域(湍流粗糙区域):此区域是从线ef流向右侧的区域。在此区域中，不同相对粗糙度的测试点分别位于不同的水平线上。表示与Re无关，仅与K/d相关。也就是=f (k/d)。K/d值越大的管道，水平线起点的Re值越小。也就是说，进入湍流粗糙区域的速度更快。此时基准计算：湍流粗糙区域中，随着雷诺数的持续增加，层流底部层变得非常薄。此时，大部分粗糙的挤出高动湍流核心直接接触，在墙的粗糙部分后面形成漩涡。雷诺数的持续增加对流不再至关重要。此区域称为阻力平方面积或水力粗糙面积，其中阻力与雷诺数无关，它只是相对粗糙度的函数。44，2，modditu，Nicolas的实验曲线是利用与工业管道内壁自然不均匀粗糙度大不相同的多种人工均匀沙粒进行实验的。因此，在对工业风管执行阻力计算时，不能接受上图以确认值。Moody(F . Moody)根据在平滑管、粗糙管转换区域和粗糙管平方电阻区域中计算的公式，绘制表示与的函数关系的Moody的实际曲线。整个图形线分为五个区域：层流区域、临界区域(尼古拉斯曲线的过渡区域)、软管道区域、过渡区域(尼古拉斯曲线的湍流液压粗糙管道过渡区域)和完全湍流粗糙管道区域(尼古拉斯曲线的平方阻力区域)。使用莫迪图形沿路径确定阻力值很方便。在实际计算中，可以根据和在图中确定值。也就是说，您可以确定流在哪个区域内。45，莫迪，46，3，沿程阻力系数计算的经验公式是基于尼古拉斯实验推导的湍流的半经验半理论公式。(r 105)，3，shevilev公式：shevilev基于旧钢管和旧铸铁管道的水压试验，提出了湍流过渡区域和粗糙区域计算的经验公式。管道流速v1.2m/s时：2，xilinsong粗糙分区公式：管道速度v 1.2m/s时：湍流过渡分区，粗糙分区，1，brathese平滑分区公式：谢系数为尺寸，