工程流体力学-流动阻力和水头损失

工程流体力学,第五章,流动阻力与水头损失,第五章流动阻力与水头损失,5-1概述,5-2黏性流体的流动型态,5-3均匀流基本方程,5-4圆管中的层流运动,5-5圆管中的紊流运动,5-8局部水头损失,5-7边界层理论简介,5-6的变化规律及影响因素,第五章流动阻力与水头损失(6学时),一、本章学习要点:,流动阻力与水头损失的基本概念,黏性流体的流动型态,沿程水头损失与切应力的关系,圆管中的层流运动,圆管中的紊流运动,局部水头损失,5-1概述,一、章目解析,从力学观点看，本章研究的是流动阻力。,产生流动阻力的原因：,内因：黏性惯性；,外因：外界干扰。,从能量观点看，本章研究的是能量损失(水头损失)。,二、研究内容,内流(如管流、明渠流等)：研究hW的计算(本章重点),外流(如绕流)：研究CD的计算,三、流动阻力和水头损失的两种形式,hf：沿程水头损失，由沿程阻力引起,hj：局部水头损失，由局部阻力引起,总水头损失：,5-2黏性流体的流动型态,一、雷诺实验,1883年英国物理学家雷诺按图示试验装置对黏性流体进行实验，提出了流体运动存在两种型态：层流和紊流。,OsborneReynolds(1842-1916),紊流形成过程的分析,紊流形成条件,涡体的产生,雷诺数达到一定的数值,雷诺在观察现象的同时，测量，绘制的关系曲线。,层流：,紊流：,二、流态判别,1.试验发现,2.判别标准,圆管：,非圆管：,定义水力半径为特征长度。相对于圆管有,故取,例1水流经变截面管道，已知d2/d1=2，则相应的Re2/Re1=?,解,因,故,5-3均匀流基本方程,一、均匀流基本方程,1.对如图所示恒定均匀有压管流，建立1、2两断面的伯努利方程，得,流体用于克服阻力所消耗的能量全部由势能提供。,2.在s方向列动量方程，得：,式中：,3.联立可得均匀流基本方程,上式对层流、紊流均适用。,二、过流断面上切应力的分布,任意r处的切应力：,而,，,则,故,（线性分布）,三、沿程水头损失hf的通用公式,由均匀流基本方程计算，需先求出。,因,据定理：,故,式中，为沿程阻力系数。,代入可得沿程水头损失的通用,公式达西威斯巴赫公式：,令,5-4圆管中的层流运动,一、过流断面上的流速分布,据,积分,，代入边界条件后得：,旋转抛物面分布,最大流速：,流量：,二、断面平均流速,三、沿程水头损失,由,和,得：,与hf的通用公式比较，可得圆管层流时沿程阻力系数：,四、动能、动量修正系数,5-5圆管中的紊流运动,一、紊流的特征,主要特征：流体质点相互掺混，作无定向、无规则的运动，运动要素在时间和空间都具有随机性质的脉动，如图所示。,时间平均紊流：恒定紊流与非恒定紊流的含义。,紊流的脉动性使过流断面上的流速分布比层流的更均匀，但能量损失比层流更大。,严格来讲，紊流总是非恒定的。,紊流瞬时运动要素可表示如下：,上述公式表明紊流运动可看做为一个时间平均流动和一个脉动流动的叠加。,二、紊流切应力,紊流切应力包括黏性切应力1和紊流附加切应力2两部分，即,其中：,这里称为混合长度，可用经验公式,或计算。,三、黏性底层,水力光滑、水力粗糙的含义。,黏性底层一般只有十分之几个毫米，但对流动阻力的影响较大。,四、过流断面上的流速分布,黏性底层区,紊流核心区,水力粗糙区,水力光滑区,5-6的变化规律及影响因素,一.尼古拉兹实验简介,JohannNikuradse,层流区（I）：,二.实验成果,层、紊流过渡（）：,紊流光滑区（）：,紊流过渡区（）：,紊流粗糙区（）：,三、的计算公式,层、紊流过渡区（）：空白,层流区（I）：,紊流光滑区（）：,紊流过渡区（）：,(尼古拉兹光滑管公式),紊流粗糙区（）：,适合紊流区的公式：,而,LewisMoody,为便于应用柯列勃洛克公式，莫迪将其制成莫迪图。,5-7边界层理论简介及绕流阻力,一.边界层理论的提出,二.边界层的定义,边界层紧贴固壁不能忽略黏滞性影响的流动区域。,三.边界层分离的概念,边界层的分离当流体流经边壁转变流段时，发生主流脱离边壁伴随旋涡产生的流动现象。,卡门涡街,当黏性流体绕过圆柱体，发生边界层分离，在圆柱体后面产生一对不稳定的旋转方向相反的对称旋涡，当Re超过40后，对称旋涡不断增长，最后形成几乎稳定的非对称性的、多少有些规则的、旋转方向相反、上下交替脱落的旋涡，这种旋涡具有一定的脱落频率，称为卡门涡街。,卡门涡街,四.绕流阻力,黏性流体绕物体表面流动时，物体表面受到的表面力有切应力和压强。切应力在物体表面的合力称为黏性阻力，压强在物体表面上的合力称为压差阻力。黏性阻力和压差阻力的合力就是物体所受的绕流阻力。,设流体绕经一物体，沿物体表面，将单位面积上的摩擦阻力和法向压力积分，可得以合力矢量。这个合力可分解为两个分量：一个平行于来流方向的作用力即绕流阻力；另一个是垂直于来流方向的作用力即升力。,阻力和升力都包括了表面切应力和压应力的影响。因为绕流阻力D由摩擦阻力Df和压差阻力Dp所组成，即,通用计算式,式中：流体密度；U0来流速度，为单位体积流体的动能；A绕流物体在垂直于来流方向的投影面积；CD绕流阻力系数。,5-8局部水头损失,一、局部水头损失产生的原因,边壁急骤变形发生边界层分离，引起能量损失；流动方向变化造成的二次流损失；旋涡区的存在是造成局部水头损失的主要原因。,局部水头损失与沿程水头损失一样，也与流态有关，但目前仅限于紊流研究，且基本为实验研究。,二、圆管突然扩大的局部水头损失,1、由1-2断面建立伯努利方程，可得,2、在s方向列动量方程,式中：,引入实验结果,3、联立两式，并取，得,（包达公式）,三、局部水头损失通用公式,式中：=f(Re,边界情况)，称为局部阻力系数，一般由实验确定。,例1：自水池中引出一根具有不同直径的水管。已知d=50mm，D=200mm，l=100m，H=12m，局部阻力系数进=0.5，阀=5.0，沿程阻力系数=0.03，求管中通过的流量。,例2如图所示，水箱中的水通过垂直管道向大气出流，设水箱水深H，管道直径为d，长度l，沿程阻力系数，进口局部阻力系数，试问在什么条件下，流量Q不随管长l的增加而增加？,例3密度为的流体在水平等径长直管道中作恒定流动。已知（沿程阻力系数）、d（管径）和v（流速），试推导相距l的两过流断面间压强差p=p1-p2的计算式，并由此导出流动相似的模型率（即相似准则）。,【解】在相距的两过流断面间建立恒定总流的伯努利方程,由题意可知，式中,故得两过流断面间的压强差,因模型和原型流动的相似必可用同一物理方程来描述，故有,或,写成比尺关系为,即流动相似的模型率为欧拉准则。,从上面分析可知，对于恒定有压管流，欧拉数,因此，当流动处于层流区、层紊流过渡区、紊流光滑区、紊流过