流动阻力和水头损失祥解PPT学习教案

1、会计学1流动阻力流动阻力(zl)和水头损失祥解和水头损失祥解第一页，共111页。掌握掌握(zhngw(zhngw)第1页/共111页第二页，共111页。ni 求（1）圆管、（2）套管、（3）矩形渠道的水力半径：/RA244dAdRdd第2页/共111页第三页，共111页。ni 求（1）圆管、（2）套管、（3）矩形渠道的水力半径(bnjng)：/RADd22()4()4DdADdRDd第3页/共111页第四页，共111页。ni 求（1）圆管、（2）套管、（3）矩形渠道的水力半径：/RA2()abRabab第4页/共111页第五页，共111页。aa2a0.5a1.5a0.5a24Aaa25Aaa2

2、0.754Aaa4aR 5aR 316aR 第5页/共111页第六页，共111页。(z l)aa2a0.5a1.5a0.5a4aR 5aR 316aR 第6页/共111页第七页，共111页。7.对于管径的无量纲比值。8.一般而言，管路越粗糙，水流(shuli)阻力越大。第7页/共111页第八页，共111页。zhn)几乎以碰撞为主。nn流体在流动中永远存在质点的摩擦和撞击现象，流体质点由于相互摩擦所表现出的粘性，以及质点撞击引起速度变化所表现出的惯性，才是流动阻力产生的根本原因。第8页/共111页第九页，共111页。wfjhhh第9页/共111页第十页，共111页。掌握掌握(zhngw(zhng

3、w)n因此(ync)，要讨论水流流动时的速度分布及阻力损失规律，必须首先对水流流态有所认识并加以判别雷诺（Reynolds）实验。第10页/共111页第十一页，共111页。实验结论实验结论 1：当流速较小时，各流层流体质点互相平行前进，质点间互不干扰，没当流速较小时，各流层流体质点互相平行前进，质点间互不干扰，没有横向位置的交换。流动状态主要表现有横向位置的交换。流动状态主要表现(bioxin)为质点摩擦为质点摩擦层流流态。层流流态。第11页/共111页第十二页，共111页。实验实验(shyn)结论结论 2：当流速较大时，流体质点在运动中有横向位置的交换，各流当流速较大时，流体质点在运动中有横

4、向位置的交换，各流层之间质点相互混掺、互相碰撞、杂乱无章的向前运动层之间质点相互混掺、互相碰撞、杂乱无章的向前运动紊流流紊流流态。态。第12页/共111页第十三页，共111页。实验结论实验结论 3：层流到紊流的中间层流到紊流的中间(zhngjin)过渡状态称为临界状态。过渡状态称为临界状态。第13页/共111页第十四页，共111页。流逐渐减小流速，使水流(shuli)从紊流过渡至层流，其临界状态下的流速即为vc（下临界流速）。上临界流速与下临界流速并不相等，有： vcRec必要条件必要条件第70页/共111页第七十一页，共111页。持续保持层流。一旦遇到外部扰动，涡体形成，流态即转化为紊流。此

5、时的临界值为Rec。因此： Rec Rec 。而且，受外界干扰的影响，Rec数值不稳定。n对于流速减小，紊流层流的逆过程。紊流本身存在涡体。随着Re的减小，当ReRec时，粘性力占主导作用。无论(wln)涡体是否还存在，流层之间的混掺作用消失，流态转化为层流。因此：Rec不受外界干扰的影响，数值相比较稳定。第71页/共111页第七十二页，共111页。(zhdin)杂乱无章、无规可循，导致其质点(zhdin)的速度、压强等运动要素随时间而变化。3.脉动现象质点(zhdin)运动参数在某一平均位置上下波动的现象。第72页/共111页第七十三页，共111页。准稳定紊流准稳定紊流时均速度不随时间变化。

6、即：时均速度不随时间变化。即： 。对于对于(duy)准稳定紊流，有：准稳定紊流，有： 。这是由于：。这是由于：为时速度和脉动速度之和：( )( )u tuu t01( )Tuu t dtT( )u tu( )u tt000111( )()TTTuu t dtuu dtuu dtTTT010Tuu dtT第73页/共111页第七十四页，共111页。失）。它有两项，平均粘性耗散项；脉动耗散项。5.紊流流动的有旋性。紊流流场中的输运是通过漩涡(xun w)来传递的。从理论上讲，没有旋涡就不能维持紊流。第74页/共111页第七十五页，共111页。第75页/共111页第七十六页，共111页。2.紊流运动

7、方程：3.思路：将瞬时(shn sh)流动速度代入NS方程，取时均并整理可得紊流时均流动运动方程雷诺方程。0yxzuuuxyz0yxzuuuxyz0()()()0()()()0yxzyyxxzzyyxxzzuuuxyzuuuuuuxyzuuuuuuxyz第76页/共111页第七十七页，共111页。2222221()()()xxxxxyxxxxxxxzxyzuuudupXxxyzdtu uuuuuu uu uuuutxyzxyz 2222221()()()yyyyyyyyxyyyyzxyzuuudupYyxyzdtuuuuu uu uu uuuutxyzxyz 2222221()()()zzzz

8、yzxzzzzzzzxyzuuudupZzxyzdtu uu uuuuuu uuuutxyzxyz 第77页/共111页第七十八页，共111页。n通过分析雷诺方程可见：方程共有4个方程、10个未知量：n方程不封闭、难于求解。n通常工程中应用的解决方法：（1）半经验理论；（2）建立湍流模型求解（一方程模型、双方程模型）222,xyzxyyzzxuuuu uu uu u iju u222,xyzxyzxyyzzxuuupuuuu uu uu u 第78页/共111页第七十九页，共111页。（一）（一） 紊流结构分析紊流结构分析层流底层（粘性底层）：流动紊流状态时，在管壁层流底层（粘性底层）：流动紊

9、流状态时，在管壁(un b)附近仍有一层流底层。在层附近仍有一层流底层。在层流底层，粘性力占主导作用，流态基本为层流。流底层，粘性力占主导作用，流态基本为层流。层流向紊流的过渡区层流向紊流的过渡区紊流核心区紊流核心区层流底层区层流底层区紊流核心区紊流核心区过渡区过渡区第79页/共111页第八十页，共111页。流速越低，Re数越小层流底层的厚度越厚虽然，层流底层的厚度仅有几个mm的量级，但却可能严重影响水流(shuli)的流动阻力。30Reld第80页/共111页第八十一页，共111页。第81页/共111页第八十二页，共111页。l l紊流核心区紊流核心区层流底层区层流底层区第82页/共111页

10、第八十三页，共111页。l l层流底层区层流底层区紊流核心区紊流核心区第83页/共111页第八十四页，共111页。力粗糙。2.几何粗糙度是绝对的，水力粗糙是相对的。常用管路的几何粗糙度可查表4-6（Page：124）。3.混合摩擦介于水力光滑和水力粗糙之间。第84页/共111页第八十五页，共111页。012xyduu udy 粘性切应力是由流体分子运动造粘性切应力是由流体分子运动造成的，由牛顿内摩擦定律确定；成的，由牛顿内摩擦定律确定；附加切应力（雷诺应力）是由于附加切应力（雷诺应力）是由于(yuy)流体质点混杂，产生动量流体质点混杂，产生动量交换和能量消耗而产生的，基于交换和能量消耗而产生的

11、，基于混合长理论给出计算公式。混合长理论给出计算公式。dudyxyu u 第85页/共111页第八十六页，共111页。展紊流的速度分布：7.紊流核心区对数分布8.指数分布经验公式六、紊流速度六、紊流速度(sd)(sd)分布分布*xuyuy*1lnxuyCuKy*5 ln3.05xuyuy*2.5ln8.5xuyunmyuur第86页/共111页第八十七页，共111页。Re2000Re2000Re=10Re=104 4态下速度满足对数分布，如图。而且，随着雷诺数的增加，速度分布均匀化的程度越高。Re=10Re=106 6第87页/共111页第八十八页，共111页。22fL vhdg2Re,fd第

12、88页/共111页第八十九页，共111页。2Re,fd2222fh dgpdgL vL vRe,vd第89页/共111页第九十页，共111页。ddd莫迪图光滑管区过渡(gud)区紊流区混合摩擦区水力粗糙区层流(cn li)区abcdfg第90页/共111页第九十一页，共111页。尼古拉兹图光滑管区过渡(gud)区紊流区混合摩擦区水力粗糙区层流(cn li)区第91页/共111页第九十二页，共111页。化规律不明显，无可用公式。6.cd段：接近直线，斜率为(1/4)，即与 Re0.25 成反比。与相对粗糙度无关，称为水力光滑区。当时，有：64ReRef掌握掌握(zhngw)(zhngw)8 75

13、9.73000Re0.250.3164Re伯拉休斯公式伯拉休斯公式第92页/共111页第九十三页，共111页。nfg 右方：水力粗糙区。因 与Re 无关，而只和/d 有关，判断公式(gngsh)：当时，有：8 759.7665765lgRe2d665765lgRe1.1116.81.8lgRe3.7d伊萨耶夫公式伊萨耶夫公式213.72lgd尼古拉兹公式尼古拉兹公式第93页/共111页第九十四页，共111页。流态流态判别标准判别标准经验公式经验公式影响因素影响因素水头损失水头损失层流层流Re2000与与Re有关有关与与/d无关无关过渡区过渡区20003000与与Re有关有关与与/d无关无关混合

14、混合摩擦摩擦与与Re、/d均有关均有关水力水力粗糙粗糙与与/d 有关有关与与Re无关无关RefRefRe,fdfd1fhv1.75fhv1.75 2fhv2fhv第94页/共111页第九十五页，共111页。问题问题2 2：两根管道，一根输油，一根输水，当直径，长度，边界粗糙度均相等两根管道，一根输油，一根输水，当直径，长度，边界粗糙度均相等(xingdng)(xingdng)，运动粘度油，运动粘度油水时，若两管的雷诺数相等水时，若两管的雷诺数相等(xingdng)(xingdng)，问，问沿程水头损失的关系如何？沿程水头损失的关系如何？ 答：答： hf油油hf水水 。满足雷诺数相等，则有速度。

15、满足雷诺数相等，则有速度(sd)油油水，沿程损失油水，沿程损失油水。水。问题问题1 1：有两根管道输送流量相同，一根输油，一根输水，当直径、长度、边界有两根管道输送流量相同，一根输油，一根输水，当直径、长度、边界(binji)(binji)粗糙粗糙度均相等时，沿程水头损失必然相等。度均相等时，沿程水头损失必然相等。 判断一下！判断一下！答：错。只有当管流处于水力粗糙区时满足相等，沿程损失仅与答：错。只有当管流处于水力粗糙区时满足相等，沿程损失仅与/d 有关，有关，与与Re无关。无关。第95页/共111页第九十六页，共111页。三、计算沿程水力摩阻三、计算沿程水力摩阻hfhf的步骤的步骤(bzh

16、u)(bzhu)已知：已知：QQ、d d、L L、，计算，计算hf hf 。ReRe计算：计算：判别流态，确定判别流态，确定计算公式：层流、紊流计算公式：层流、紊流水力光滑、混合摩擦、水水力光滑、混合摩擦、水力粗糙力粗糙根据达西公式计算根据达西公式计算 ：Revdvd22fL vhdg第96页/共111页第九十七页，共111页。44AddR当当为当量直径：22flvhdg当2Re,Revdfdd当当以及代入求得第97页/共111页第九十八页，共111页。已知已知: d200mm , l3000m 的旧无缝钢管的旧无缝钢管, 900 kg/m3, Qm90T/h, 运动粘性系运动粘性系数数(xs

17、h)在冬天为在冬天为1.092 10-4 m2/s , 夏天为夏天为0.355 10-4 m2/s 。求：冬天和夏天的沿程损失求：冬天和夏天的沿程损失hf 。解：解：3240.02778/,0.885/mQQQmsvmsd141221110.8850.2Re161920001.092 106423.62Re2fvdl vl vhmdgdg冬天：层流油柱第98页/共111页第九十九页，共111页。查表：粗糙度查表：粗糙度=0.2mm, /d=0.001或者可查莫迪图得或者可查莫迪图得2=0.0385。因此：因此：2420.8850.2Re498030000.355 10vd夏天：紊流22220.

18、03823.022fl vl vhmdgdg油柱20.2520.31640.038Re28 78 759.759.772528, 3000 Re,属于水力光滑区第99页/共111页第一百页，共111页。22jvhg22jlvhdg当掌握掌握(zhngw(zhngw)ld当dl当第100页/共111页第一百零一页，共111页。000.02200.0220Re0Re第101页/共111页第一百零二页，共111页。221212122jppvvhzzg11212212221()p Ap AAp AppAQ vvhj1 1v12 2p2 /A1p1 /v2A2第102页/共111页第一百零三页，共111

19、页。联立解得：局部水头(shutu)损失的计算公式：2222211212022jvvvvvvvhggg22221211112222222211222122jvvAvvhgAggAvvAgg包达公式包达公式22112212vvvppQvvA gg第103页/共111页第一百零四页，共111页。nn弯头：n透明(tumng)过滤器：n闸门：010.90031.3041.7050.4第104页/共111页第一百零五页，共111页。22222122010304052130.022220.0222jvvvdhgDgg22112222fl vl vhDgdgwjfhhh2211221221Adv Av AvvvAD22500302wvhg1321.7021.4976/2.34/0.01176/whmvm svm sQms第105页/共111页第一百零六页，共111页。n。系统流量n。n求：过滤器局部损失系数n全管路水头损失n泵的扬程(yngchng)以及有效功率ABCDFG过滤器过滤器出口出口E泵泵h1m4m5210/ms31000/kg m0.5