流动阻力和水头损失ppt课件

1、水力坡度水力坡度shsHJwdddd称为水力坡度称为水力坡度水头线的斜率冠以负号水头线的斜率冠以负号测压管坡度测压管坡度 dsdHJPP称为测压管坡度称为测压管坡度 位置水头线普通为总流断面中心线。位置水头线普通为总流断面中心线。 测压管水头线能够在位置水头线以下，表示当地压强是负值测压管水头线能够在位置水头线以下，表示当地压强是负值。恒定总流能量方程的几何表示恒定总流能量方程的几何表示水头线水头线总水头线为一条逐渐下降的直线或曲线总水头线为一条逐渐下降的直线或曲线 留意：留意：LLL 流动阻力和损失的两种类型流动阻力和损失的两种类型 雷诺实验雷诺实验层流和紊流层流和紊流 均匀流根本方程均匀流

2、根本方程 圆管中的层流运动圆管中的层流运动 紊流运动紊流运动 沿程阻力系数的变化规律沿程阻力系数的变化规律 部分阻力及损失的计算部分阻力及损失的计算第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失4-1 4-1 流动阻力和水头损失分类流动阻力和水头损失分类沿程水头损失沿程水头损失在均匀流段包括渐变流中产生在均匀流段包括渐变流中产生的流动阻力为沿程阻力或摩擦阻力，由此引起的的流动阻力为沿程阻力或摩擦阻力，由此引起的水头损失，与流程的长度成正比，用水头损失，与流程的长度成正比，用hfhf表示；表示；部分水头损失部分水头损失在非均匀流段流动边境急剧变化在非均匀流段流动边境急剧变化- -急变流中产生

3、的流动阻力为部分阻力，由此引起的急变流中产生的流动阻力为部分阻力，由此引起的水头损失，取决于管配件的方式，用水头损失，取决于管配件的方式，用hjhj表示；表示；一、水头损失一、水头损失总水头损失总水头损失=沿程水头损失沿程水头损失+部分水头损失部分水头损失1.1.沿程阻力沿程阻力沿程损失沿程损失( (长度损失、摩擦损失长度损失、摩擦损失) )gvdlhf22达西达西- -魏斯巴赫公式魏斯巴赫公式沿程阻力系数沿程阻力系数2.2.部分阻力部分阻力部分损失部分损失gvhj22部分阻力系数部分阻力系数二、流动阻力二、流动阻力 hw hw流体粘性引起流体粘性引起3.总能量损失 jfwhhh4.用水头线表

4、示 jfwhhhgvdlhf22gvhj22*阐明几点阐明几点4-2雷雷 诺诺 试试 验验提示了沿程水头损失与流速的关系。当提示了沿程水头损失与流速的关系。当vvcvvcvvc时，时， hf hfv1.75v1.752.0 2.0 。发现了流体流动中存在两种性质不同的形状，即发现了流体流动中存在两种性质不同的形状，即层流和紊流。层流和紊流。层流层流流体呈层状流动，各层质点互不掺混；流体呈层状流动，各层质点互不掺混；紊流紊流流体质点的运动轨迹极不规那么，各层流体质点的运动轨迹极不规那么，各层质点相互掺混，且产生随机脉动。质点相互掺混，且产生随机脉动。粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态1.1.雷

5、诺实验雷诺实验18831883年年a a层流层流b b临界形状临界形状c c紊流紊流下临界流速下临界流速vcvc临界流速临界流速上临界流速上临界流速vcvcccvv 2.2.分析雷诺实验分析雷诺实验vmkhflglglgmfkvh 层流层流紊流紊流0 . 10 . 11vvkhf0 . 275. 10 . 275. 12vvkhfab段段层流层流ef段段紊流紊流be段段临界形状临界形状 4512563156020 . 11m0 . 275. 12m0 . 23m结论：流态不同，沿程损失规律不同结论：流态不同，沿程损失规律不同层流层流紊流紊流过渡区过渡区上临界速度上临界速度下临界速度下临界速度3

6、.3.雷诺数雷诺数dvcdvccRedvdvcccReRec临界雷诺数临界雷诺数2300左右左右Re=vd/雷诺数无量纲雷诺数无量纲ReRec紊流包括层流向紊流的临界区紊流包括层流向紊流的临界区20004000结论：用雷诺数判别流态结论：用雷诺数判别流态问题：雷诺实验提示了 与 的关系。雷诺实验发现了流体流动中存在两种性质不同的形状，即 和 。vc和vc分别表示什么，比较它们的大小。当vvc时， hfv 。 雷诺数Re计算表达式为 。通常其数值在 附近。0 . 10 . 11vvkhf0 . 275. 10 . 275. 12vvkhf非圆管流动流态的判别：非圆管流动流态的判别：l对于非圆形断

7、面管道和明渠水流，那么采用特征长度对于非圆形断面管道和明渠水流，那么采用特征长度R R水力半径表示。水力半径表示。l l过流断面上流体与固体接触的周界，简称湿周。过流断面上流体与固体接触的周界，简称湿周。l相应的临界雷诺数为相应的临界雷诺数为 AR 57542300RevRc4.用量纲分析阐明雷诺数的物理意义 Lv dnduAam粘性力惯性力 LvLLvL223Re惯性力与粘性力作用之比判别流态P52例题例题 问题：雷诺实验提示了流体存在着 和 两种不同流态。其判别可用 ，它反映了 力与 力的对比关系，其表达式为 。4-3沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系均匀流根本方程均匀流

8、根本方程l各力之间的平衡式各力之间的平衡式: :l两断面的能量方程两断面的能量方程: :l均匀流根本方程式均匀流根本方程式l 分析其意义，分析其意义，R R意义意义l切应力分布切应力分布: :0cos021lgAlApAp RJ0fhgvgpzgvgpz222222211100rr1.切应力分布切应力分布2.层流、紊流均适用层流、紊流均适用4-4 圆管中的层流运动1.1.流动特性流动特性l 流体呈层状流动，各层质点互不掺混流体呈层状流动，各层质点互不掺混层流中的切应力为粘性切应力层流中的切应力为粘性切应力其中其中 y=r0-r y=r0-rdydudrdu2.2.断面流速分布断面流速分布drd

9、u牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律又又Jrg2rdrgJdu2积分积分a a2204rrgJu旋转抛物面旋转抛物面20max4rgJurrurdrgJdu020流速最大值流速最大值b b平均速度平均速度AudAAQvc c层流动能修正系数层流动能修正系数233AvdAuA层流动量修正系数层流动量修正系数33. 122AvdAuA20002rrdrur208Jrgmax21u丈量圆管层流平均速度的方法。丈量圆管层流平均速度的方法。圆管层流运动过流断面上切应力是圆管层流运动过流断面上切应力是 分布，速度为分布，速度为 分布，其表达式分布，其表达式 ，断面平均速度是最大速度的，断面平均速度是最大速度的

10、。圆管层流中沿程阻力系数。圆管层流中沿程阻力系数与与雷诺数雷诺数ReRe的关系式的关系式 。3.3.沿程损失系数沿程损失系数208grvlJlhf又又gvdlhf22比较比较ReRe64f留意：留意：v，但，但hfv， hf与与 v的一次的一次方成正比，与雷诺实验一致。方成正比，与雷诺实验一致。232gdvl0 . 1v208grvlJlhf232gdvlgvdlhf22ReRe64f gvdlhf22P55 公式公式(4-124-13Qldhf1284RecRelcxcxdRe058. 0 工程中的运用工程中的运用量测流体粘度：量测流体粘度：运用上述公式要留意两个方面：运用上述公式要留意两个

11、方面： 为起始长度为起始长度4.p554.p55例例4-24-2：运用细管式粘度计测油的粘度，细管：运用细管式粘度计测油的粘度，细管d=6mmd=6mm，l=2ml=2m，Q=77cm3/sQ=77cm3/s，水银压差计读值，水银压差计读值h=30cmh=30cm，水银密度，水银密度m=00kg/m3m=00kg/m3，油的密度，油的密度=900kg/m3=900kg/m3，求油的运动粘度，求油的运动粘度.解：解：fhsmdQv/73. 242设为层流设为层流gvdlhf2Re642mhm23. 4解得运动粘度解得运动粘度smlvgdhf/1054. 8642262校核流态校核流态230019

12、18Revd计算成立计算成立4-5 紊 流 运 动1.1.紊流的特性紊流的特性涡体的产生涡体的产生 各流层间的质点运动极不规那么，相互掺混，各流层间的质点运动极不规那么，相互掺混，其运动要素在空间、时间上均呈现随机的脉动景象。其运动要素在空间、时间上均呈现随机的脉动景象。 2.2.紊流运动的时均化和脉动性紊流运动的时均化和脉动性1 1瞬时速度瞬时速度u u2 2时均速度时均速度3 3脉动速度脉动速度u u4 4断面平均速度断面平均速度v vuTttudtTu001uuu0100TttdtuTudAuAvA1即把紊流运动看成为是时均流动和脉动流动的叠加即把紊流运动看成为是时均流动和脉动流动的叠加

13、 紊流的切应力紊流的切应力l紊流运动分解为两种流动的叠加：紊流运动分解为两种流动的叠加：l时均运动时均运动l脉动运动脉动运动la、时均运动流层间产生的粘性切应力：、时均运动流层间产生的粘性切应力：ydudx1b.b.脉动流动引起的切应力脉动流动引起的切应力附加切应力、惯性切应力、雷诺切应力附加切应力、惯性切应力、雷诺切应力22yxuuc.c.切应力切应力21接近壁面且接近壁面且Re数较小时，占主导位置数较小时，占主导位置分开壁面且分开壁面且Re数很大时，数很大时，1124.4.混合长度实际混合长度实际 的计算的计算2普朗特混合长度实际的要点假设普朗特混合长度实际的要点假设1 1流体质点因脉动横

14、向位移流体质点因脉动横向位移l1l1到达新的空间点，到达新的空间点，才同周围点发生动量交换，失去原有特征，才同周围点发生动量交换，失去原有特征，l1l1称混称混合长度合长度 dyudlyulyuxxx11 dyudlyulyuuxxxx112 2dyudlcuxx11dyudlcuxy1222221212dyudldyudlccxx21212lccl亦称为混合长度亦称为混合长度dyduldydudydul22212Relu雷诺数越大，紊流越猛烈，雷诺数越大，紊流越猛烈，2横向脉动速度横向脉动速度xu与纵向脉动速度为同一量级，并与与纵向脉动速度为同一量级，并与du/dydu/dy存在一定比例关系

15、存在一定比例关系 l3混合长度混合长度只与质点到壁面的间隔有关，只与质点到壁面的间隔有关，。kyl 5.5.紊流的速度分布规律紊流的速度分布规律紊流紊流2202dydul壁面附近切应力kyl k是实验确定的常数，称卡门常数是实验确定的常数，称卡门常数k0.401kydydu积分得积分得cykuln10普朗特普朗特- -卡门对数分布规律卡门对数分布规律6.6.紊流流动构造图紊流流动构造图粘性底层粘性底层在固体边壁处存在一层极薄在固体边壁处存在一层极薄的，紊动附加切应力很小忽略不计，粘性的，紊动附加切应力很小忽略不计，粘性切应力占主导位置的极薄流体层。也称层切应力占主导位置的极薄流体层。也称层流底

16、层。其厚度与雷诺数成反比。流底层。其厚度与雷诺数成反比。Re8 .328 .32dv粘性底层虽然很薄，但却对紊流流速分布和流动阻力具有艰苦影响粘性底层虽然很薄，但却对紊流流速分布和流动阻力具有艰苦影响 11层流底层；层流底层；22过渡区；过渡区；33紊流中心紊流中心4-6 沿程阻力系数的变化规律沿程阻力系数的变化规律dkf Re,k绝对粗糙度绝对粗糙度k/d相对粗糙度相对粗糙度1.1.尼古拉兹实验尼古拉兹实验1933-19341933-19341 1实验曲线实验曲线人工粗糙尼古拉兹粗糙人工粗糙尼古拉兹粗糙RefRe64RefRefdkfsRe,dkfs尼古拉兹实验尼古拉兹实验层流区层流区 2.

17、层流向紊流的过渡区层流向紊流的过渡区 范围很小，实意图义不大；范围很小，实意图义不大；4.紊流过渡区紊流过渡区 5.紊流粗糙区阻力平方区紊流粗糙区阻力平方区 3.3.紊流光滑区紊流光滑区 2 2变化规律变化规律层流底层的变化层流底层的变化紊流光滑区紊流光滑区紊流过渡区紊流过渡区紊流粗糙区紊流粗糙区4 . 0sk64 . 0sk6sk2.2.紊流沿程损失系数半阅历公式紊流沿程损失系数半阅历公式1 1紊流光滑区紊流光滑区尼古拉兹光滑区公式尼古拉兹光滑区公式51. 2Relg21Ref采用此式求解较困难采用此式求解较困难2 2紊流粗糙区紊流粗糙区尼古拉兹粗糙区公式尼古拉兹粗糙区公式kd7 . 3lg

18、21dkf3 3紊流过渡区紊流过渡区a.a.工业管道工业管道当量粗糙度当量粗糙度keke和工业管道粗糙区值相等的同直和工业管道粗糙区值相等的同直径的尼古拉兹粗糙管的粗糙度径的尼古拉兹粗糙管的粗糙度常用工业管道的常用工业管道的ke管道资料管道资料ke(mm)管道资料管道资料ke(mm)新氯乙烯管新氯乙烯管00.002镀锌钢管镀锌钢管0.15铅管、铜管、铅管、铜管、玻璃管玻璃管0.01新铸铁管新铸铁管0.150.5钢管钢管0.046钢板制风管钢板制风管0.15涂沥青铸铁管涂沥青铸铁管 0.12混凝土管混凝土管0.33.0b.b.柯列勃洛克公式柯列勃洛克公式Re51. 27 . 3lg21dkdkf

19、 Re,此式为尼古拉兹光滑区和粗糙区公式的叠加此式为尼古拉兹光滑区和粗糙区公式的叠加c.c.莫迪图按柯氏公式计算莫迪图按柯氏公式计算 经验公式经验公式1.水力光滑区：布拉修斯公式水力光滑区：布拉修斯公式e1.2m/s,v1.2m/s3 . 03.0867. 010179. 0vd3.00210.0d适用于旧钢管和旧铸铁适用于旧钢管和旧铸铁管管4.4.谢才公式谢才公式-流速与水力坡度、水力半径关系流速与水力坡度、水力半径关系 谢才系数；谢才系数；水力半径；水力半径；水力坡度。水力坡度。1 1曼宁公式：曼宁公式：粗糙系数。粗糙系数。RJCv 611RnC 适用范围：适用范围：mRn5 . 0,02

20、0. 0yRnC110. 075. 013. 05 . 2nRnymR1ny5 . 1mR1ny3 . 104.0011.0,0.31.0nmRm2补充巴浦洛夫斯基公式：补充巴浦洛夫斯基公式： 或或 当当 当当 适用范围：适用范围：gvdlhef22Rde4补充知识：非圆管断面的管道沿程损失：补充知识：非圆管断面的管道沿程损失： 其中，其中，非圆管中的流动非圆管中的流动水力半径水力半径R RAR 湿周湿周圆管的水力半径圆管的水力半径AR 2d边长分别为边长分别为a和和b的矩形断面水力半径的矩形断面水力半径AR 442dddbaab2假设为明渠流假设为明渠流AR baab2圆环外径圆环外径r1、

21、内径、内径r2求：水力半径求：水力半径21212221212rrrrrrR补充例题补充例题1：给水管长：给水管长30m，直径，直径d=75mm，资料为新，资料为新铸铁管，流量铸铁管，流量Q=7.25L/s，水温，水温t=10，求该管段的沿程水，求该管段的沿程水头损失。头损失。解：解：242101 .444mdAsmAQv/64. 1水温水温t=10时，水的运动粘度时，水的运动粘度=1.3110-6m2/s94100Revd当量粗糙度当量粗糙度ke=0.25mm，ke/d=0.003由由Re、ke/d查莫迪图，得查莫迪图，得=0.028或由公式或由公式 ，得，得=0.02825. 0Re6811. 0dkmgvdlhf54. 122例：温度为例：温度为20的水在的水在0cm的焊接钢管中的焊接钢管中流动，知水力坡度流动，知水力坡度.006，求，求例：用清洁的新熟铁管保送例：用清洁的新熟铁管保送.25m3/s,的的油油,=0.093cm2/s,知知L=3000m,hf=23m,求管径求管径d.例例4: 有两根管道有两根管道,L相等相等,d相等相等,ks相等相等,但一根保送但一根保送粘度小的水，另一根保送粘度大的油粘度小的水，另一根保送粘度大的油.1.如如v相等相等,问两者的问两者的hf能否相当能否相当?2.如