层流、紊流及其能量损失3

1、目录目录流动的局部损失边界层流动与绕流阻力目录目录流动的局部损失第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失一、常见局部阻一、常见局部阻力力目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失突扩流动突扩流动突缩流动突缩流动直角弯道与钝角弯道流动直角弯道与钝角弯道流动分叉流动分叉流动目录目录二、局部损失产生的原因和特点二、局部损失产生的原因和特点第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失取决于流道边壁突变产生的取决于流道边壁突变产生的急变流内流动结构的特征；急变流内流动结构的特征；发生在一定距离内，但可发生在一定距离内，但可将其视为是在局部流道变将其视为是在局部

2、流道变化的较小范围内完成。化的较小范围内完成。时均流动的能量转化成脉时均流动的能量转化成脉动能的过程有不可逆性；动能的过程有不可逆性；除圆管的突扩损失外，目前尚难以通过机理分析来定除圆管的突扩损失外，目前尚难以通过机理分析来定量地确定局部损失的规律。量地确定局部损失的规律。根本原因在于流体的粘性和流道的局部突变！根本原因在于流体的粘性和流道的局部突变！强剪切层强剪切层+流动分离流动分离目录目录三、局部损失与局部损失系数三、局部损失与局部损失系数第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失gVhj22V特征断面的平均流速特征断面的平均流速局部损失系数，根据实验测定局部损失系数，根据实验

3、测定局部损失的大小与流态有关；局部损失的大小与流态有关；局部损失系数局部损失系数与流道边壁的几何特征有关；也与流道边壁的几何特征有关；也取决于雷诺数取决于雷诺数Re的大小；的大小；从实用观点来看，流动受到局部干扰后会较早地从实用观点来看，流动受到局部干扰后会较早地进入阻力平方区。在实际计算时，可以认为在进入阻力平方区。在实际计算时，可以认为在Re1104的条件下的条件下与雷诺数与雷诺数Re无关。无关。目录目录6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 gvgvAAhgvgvAAhff22122122222212211212212122221111AAAA局部阻力系数局部阻力系数 1 1圆管突

4、然扩大圆管突然扩大包达定理包达定理gvvhf2)(221四、几种常用的局部损失系数四、几种常用的局部损失系数注意：注意：计算时选用的阻力系数应与流速头相对应！计算时选用的阻力系数应与流速头相对应！11特例！特例！ 目录目录6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 2 2逐渐扩大逐渐扩大 gvvkhf2)(221吉布松实验k为经验系数 当扩张角 时，阻力最小。 为最佳扩张角。75目录目录6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 扩压管应用例扩压管应用例离心水泵离心水泵轴流式风机轴流式风机离心风机离心风机目录目录6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 3 3突然缩小突然缩小 cA 流

5、线进入小管时，形成一流线进入小管时，形成一个过流断面最小的收缩断面，个过流断面最小的收缩断面，其面积为其面积为 。断面收缩系数 1ccCAAA2/A10.010.10.20.30.40.50.60.70.80.91C Cc0.6180.6240.6320.6430.6590.6180.7120.7550.8310.8921.000.4900.4690.4310.3780.3430.2980.2570.2120.1610.0700突然缩小的局部阻力系数突然缩小的局部阻力系数 与与C Cc c的关系的关系gvhAAj215 . 022125 . 01特例！特例！ 目录目录5-55-5管管路路中中的

6、的局局部部阻阻力力 4 4逐渐缩小逐渐缩小 数逐渐缩小的局部阻力系 这种管道不会出现流线脱离壁面的问题，因此其阻力的这种管道不会出现流线脱离壁面的问题，因此其阻力的主要成分是沿程摩擦，一般消防管出口、水力采煤器的出口主要成分是沿程摩擦，一般消防管出口、水力采煤器的出口等均采用等均采用 的收缩角，其阻力系数常取为的收缩角，其阻力系数常取为0.040.04。 2010目录目录6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 5 5管道的进出口管道的进出口gvhf210AA21121，突然扩大5 . 00AA12，突然缩小1 . 005. 001. 0 管道与大容器相连接时的管道进出口管道与大容器相连接

7、时的管道进出口 目录目录6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 6 6弯管与折管弯管与折管 90)(847. 1131. 05 . 3Rr0.10.20.30.40.50.60.70.80910.1320.1380.1580.2060.2940.440.6610.9771.4081.978Rr2sin407. 22sin946. 04220406080901001101201301600.0460.1390.3640.7410.9851.261.561.8612.152.43190弯管的局部阻力折管的局部阻力目录目录7 7三通接头三通接头 6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 9

8、0三通 0.11.31.3345三通 0.150.050.53目录目录6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 8 8闸板阀与截止阀闸板阀与截止阀 开度%102030405060708090全开闸板阀60156.53.21.81.10.600.300.180.1截止阀8524127.55.74.84.44.14.03.9目录目录五、局部损失的叠加五、局部损失的叠加第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失gvdLgvdllgvdldlgvdlheef22)(2)(2)(2222当量管长el总阻力长度Lgvgvgvdlhef22)(2)(222当量局部阻力系数e总阻力系数局部阻力

9、系数是在不受其他阻力干扰的孤立条件下测定的；局部阻力系数是在不受其他阻力干扰的孤立条件下测定的；若几个局部区域互相靠近，则与孤立的测定值可能不同。若几个局部区域互相靠近，则与孤立的测定值可能不同。 水头损失的叠加原则水头损失的叠加原则 实际情况中，在计算一条管道上的总水实际情况中，在计算一条管道上的总水头（压强、能量）损失时，只能将管道上的所有沿程损失与局头（压强、能量）损失时，只能将管道上的所有沿程损失与局部损失按算术加法求和计算。部损失按算术加法求和计算。gvdlhgvgvdlhff2)(22222或目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失例题：例题： 如图所示直径如

10、图所示直径d=500mm的引水管从上游水库的引水管从上游水库引水至下游水库，管道倾斜段的倾角引水至下游水库，管道倾斜段的倾角=30，弯头弯头a和和b均为折管，引水流量均为折管，引水流量Q=0.4m3/s，上游水库水深上游水库水深h1=3.0m，过流断面宽度过流断面宽度B1=5.0m，下游水库水深下游水库水深h2=2.0m，过流断面宽度过流断面宽度B2=3.0m。求引水管进口、求引水管进口、出口、弯头出口、弯头a和和b处损失的水头。处损失的水头。目录目录解解 引水管截面面积 222196. 05 . 044mdA 断面平均流速 smAQV/04.2196.04 .0 （1）引水管进口 选取断面

11、1-1 位于上游水库内，断面 3-3 位于引水管进口。则断面1-1 与 3-3 间为突然缩小式流道。A1=B1h1，A3=A。假定进口局部损失可以按圆断面突然缩小情况来近似，由表 5-4（序号 3）知 gVhj223131 133115 . 0AA 因此 493. 035196. 015 . 015 . 01131hBA mhj10. 08 . 9204. 2493. 0231 第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失目录目录 （2）引水管出口选取断面 1-1 位于下游水库内，断面 4-4 位于引水管进口。则断面 4-4 与 2-2 间为突然扩大式流道。A4=A，A2=B2h2。

12、由表 5-4（序号6）知 gVhj222424 2242415 . 0AA 因此 936. 023196. 011222224hBA mhj20. 08 . 9204. 2936. 0224 （3）弯头 a 和 b 由表 5-4（序号 7）知，a=30，=0.2。因此 mgVhhjbja04. 08 . 9204. 22 . 0222第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失边界层流动与绕流阻力大雷诺数流动的惯性作用远大于粘性作用，类似于大雷诺数流动的惯性作用远大于粘性作用，类似于理想流体的流动，绕流阻力应该相当，但实际

13、上二理想流体的流动，绕流阻力应该相当，但实际上二者相差甚远。为什么？者相差甚远。为什么？问题的提出普朗特的边界层理论普朗特的边界层理论目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失绕流流动一：尾部绕流流动一：尾部为钝体为钝体绕流流动二：尾部绕流流动二：尾部为球体为球体绕流流动二：流线绕流流动二：流线体逆流和顺流体逆流和顺流目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失边界层概念无滑移条件无滑移条件沿固体壁面存在较大的法向梯度沿固体壁面存在较大的法向梯度边界内的粘性不能忽略边界内的粘性不能忽略)(x边界内的名义厚度边界内的名义厚度Uu99. 0边界内雷诺数边界内雷

14、诺数vxURe转捩数转捩数65*103103至eR壁面流动有如下特点壁面流动有如下特点目录目录边界层分离第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失（a）（）（b）：）：顺压梯度和较小的逆压梯度顺压梯度和较小的逆压梯度（c）（）（d）：）：顺压梯度顺压梯度+较大的逆压梯度较大的逆压梯度=分离分离是产生绕流阻力的主要原因是产生绕流阻力的主要原因流线体流线体钝形体钝形体00 xpxp和目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失0, 000yyyu分离点分离点分离点位置与形状有关分离点位置与形状有关产生回流形成尾流区产生回流形成尾流区分离的不利处是增大流动阻力分离的不利

15、处是增大流动阻力尾流或尾迹尾流或尾迹分离点分离点卡门涡街的形态主要卡门涡街的形态主要取决于雷诺数的大小取决于雷诺数的大小目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失4 4、大雷诺数、大雷诺数 2 2、小雷诺数绕流、小雷诺数绕流1 1、准理想流体、准理想流体 3 3、中雷诺数、中雷诺数边界层分离例子目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失边界层分离例子1 1、输电线在风中呼啸，斜拉杆振动、输电线在风中呼啸，斜拉杆振动2 2、锅炉内烟气流过管束、锅炉内烟气流过管束目录目录风振形式：风振形式：颤振和涡振（自激振动）颤振和涡振（自激振动）+抖振（强迫振动）抖振（

16、强迫振动）迎风面正压迎风面正压 背风面负压背风面负压侧弯与扭转侧弯与扭转 强烈耦合强烈耦合不规则断面钝头不规则断面钝头卡门涡街导致涡振卡门涡街导致涡振涡振频率与涡振频率与固有频率耦合固有频率耦合 塔科马峡谷大桥：主跨塔科马峡谷大桥：主跨853米，米， 遇难时遇难时8级风级风20m/s，桥面倾斜桥面倾斜45度，后折断度，后折断第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失边界层分离例子目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失边界层分离边界层分离1 1、流线体无攻角绕流、流线体无攻角绕流 2 2、平板绕流、平板绕流3 3、流线体无攻角绕流、流线体无攻角绕流边界层分离例

17、子目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失左边：光滑球左边：光滑球 右边：窝纹球右边：窝纹球边界层分离例子目录目录绕流阻力（摩擦阻力+形状阻力）和升力钝形体绕流阻力含：摩擦阻力与压差阻力或形体阻力钝形体绕流阻力含：摩擦阻力与压差阻力或形体阻力第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失22UACDD是形体阻力系数DCDC绕流阻力的计算目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失a）小雷诺数的圆球绕流小雷诺数的圆球绕流斯托克斯公式斯托克斯公式1,24eeDRRCdUdUD33b）小雷诺数的圆柱绕流小雷诺数的圆柱绕流兰姆公式兰姆公式1,)ln2(8

18、eeeDRRRC目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失D D 圆球圆球1.8D1.8D 半圆球半圆球0.65D0.65D 圆板盘圆板盘1.034D1.034D 圆锥体圆锥体2.59D2.59D10.4D10.4D流线体流线体: :长度长度/ /直径直径=4=4来流方向来流方向不同形状和大小的物体居然具有同样的阻力！不同形状和大小的物体居然具有同样的阻力！形状阻力形状阻力目录目录第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失带小凸起和沟纹的新式游泳衣带小凸起和沟纹的新式游泳衣（曾在雅典奥运会上亮相）（曾在雅典奥运会上亮相）摩擦阻力摩擦阻力一定的非光滑表面比光滑表面更能减少运动阻力！一定的非光滑表面比光滑表面更能减少运动阻力！目录目录AB粗糙粗糙光滑光滑流速流速v v阻力阻力f f第第六六章章 层层流流紊紊流流及及其其能能量量损损失失a）如何解释如何解释粗糙球与光滑粗糙