第四章1流动阻力和能量损失教材课件

1、第四章管流损失和水力计算4.1 管内流动的能量损失4.2 粘性流体的两种流动状态 4.3 圆管中流体的层流流动4.4 紊流运动的特征和紊流阻力4.5 尼古拉兹实验4.6 工业管道系统紊流阻力系数的计算公式4.7 非圆管的沿程损失4.8 管道流动的局部损失第四章管流损失和水力计算4.1 管内流动的能量损失4.1 管内流动的能量损失 能量损失产生的原因1.内因：液流内部存在粘滞性2.外因：流体要克服边界阻力做功两大类流动能量损失: 1.沿程能量损失 2.局部能量损失 4.1 管内流动的能量损失 能量损失产生的原因1.内因：液4.1 管内流动的能量损失 一、沿程能量损失 发生在缓变流整个流程中的能量

2、损失，由流体的粘滞力造成的损失。单位重力流体的沿程能量损失沿程损失系数管道长度管道内径单位重力流体的动压头（速度水头）。4.1 管内流动的能量损失 一、沿程能量损失 发生在缓 沿程水头损失hf特点： hf 与流程长度l,流速v有关 hf 与边界特征有关4.1 管内流动的能量损失 沿程水头损失hf特点：4.1 管内流动的能量损失 4.1 管内流动的能量损失 二、局部能量损失 发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，即在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。单位重力流体的局部能量损失。单位重力流体的动压头（速度水头）。局部损失系数4.1 管内流动的能量损失 二

3、、局部能量损失 发生在 局部水头损失hj特点： （a）一般发生在边界突变处 （b）大小与流速和边界突变形式有关 4.1 管内流动的能量损失 局部水头损失hj特点：4.1 管内流动的能量损失 4.1 管内流动的能量损失 三、总能量损失 整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的叠加。总能量损失。4.1 管内流动的能量损失 三、总能量损失 整个管道4.2 粘性流体的两种流动状态 一、雷诺实验实验装置颜料水箱玻璃管 细管阀门4.2 粘性流体的两种流动状态 一、雷诺实验实验装置颜料水4.2 粘性流体的两种流动状态 一、雷诺实验(续)实验现象过渡状态紊流层流层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。着色流束为

4、一条明晰细小的直线。紊流：流体质点作复杂的无规则的运动。着色流束与周围流体相混，颜色扩散至整个玻璃管。过渡状态：流体质点的运动处于不稳定状态。着色流束开始振荡。4.2 粘性流体的两种流动状态 一、雷诺实验(续)实验现象4.2 粘性流体的两种流动状态 一、雷诺实验(续)实验现象(续)4.2 粘性流体的两种流动状态 一、雷诺实验(续)实验现象4.2 粘性流体的两种流动状态 二、沿程损失与流动状态实验装置4.2 粘性流体的两种流动状态 二、沿程损失与流动状态实验4.2 粘性流体的两种流动状态 二、沿程损失与流动状态(续)实验结果结论： 沿程损失与流动状态有关，故计算各种流体通道的沿程损失，必须首先判

5、别流体的流动状态。层流： 紊流： lghfO v k lgvD C B A vk E 4.2 粘性流体的两种流动状态 二、沿程损失与流动状态(续4.2 粘性流体的两种流动状态 三、两种流动状态的判定1、实验发现2、临界流速下临界流速上临界流速层 流：不稳定流：紊 流：流动较稳定流动不稳定 lghfO v k lgvD C B A vk E 4.2 粘性流体的两种流动状态 三、两种流动状态的判定1、4.2 粘性流体的两种流动状态 三、两种流动状态的判定（续）3、临界雷诺数层 流：不稳定流：紊 流：下临界雷诺数上临界雷诺数工程上常用的圆管临界雷诺数层 流：紊 流：雷诺数4.2 粘性流体的两种流动状

6、态 三、两种流动状态的判定（续例 水=1.7910-6m2/s, 油=30 10-6m2/s, 若它们以V=0.5m/s的流速在直径为 d=100mm的圆管中流动, 试确定其流动形态解:水的流动雷诺数流动为紊流状态油的流动雷诺数所以流动为层流流态4.2 粘性流体的两种流动状态 例 水=1.7910-6m2/s, 油=30 4.3 圆管中流体的层流流动 以倾斜角为的圆截面直管道的不可压缩粘性流体的定常层流流动为例。 4.3 圆管中流体的层流流动 以倾斜角为的圆截面4.3 圆管中流体的层流流动 三、最大流速、平均流速、圆管流量、压强降 1. 最大流速 管轴处: 2. 平均流速 3. 圆管流速分布

7、4.3 圆管中流体的层流流动 三、最大流速、平均流速、圆管4.3 圆管中流体的层流流动 三、最大流速、平均流速、圆管流量、压强降(续) 4. 沿层损失系数 结论： 层流流动的沿程损失与平均流速的一次方成正比。 4.3 圆管中流体的层流流动 三、最大流速、平均流速、圆管4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 一、紊流流动、时均值、脉动值、时均定常流动 1. 紊流流动 流体质点相互掺混，作无定向、无规则的运动，运动在时间和空间都是具有随机性质的运动,属于非定常流动。 脉动现象:诸如速度、压强等空间点上的物理量岁时间的变化做随机的变动。在相同条件下的重复试验时，多次重复试验的结果的算术平均值趋于一致，具有

8、规律性。 4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 一、紊流流动、时均值、脉一、紊流流动、时均值、脉动值、时均定常流动(续) 2.时均值、脉动值 在时间间隔t 内某一流动参量的平均值称为该流动参量的时均值。瞬时值 某一流动参量的瞬时值与时均值之差，称为该流动参量的脉动值。时均值脉动值4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 一、紊流流动、时均值、脉动值、时均定常流动(续) 2.时均值一、紊流流动、时均值、脉动值、时均定常流动(续) 3.时均定常流动 空间各点的时均值不随时间改变的紊流流动称为时均定常流动，或定常流动、准定常流动。 4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 一、紊流流动、时均值、脉动值、时均定常流动(续

9、) 3.时均定二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度 层流：摩擦切向应力紊流：摩擦切向应力附加切向应力液体质点的脉动导致了质量交换，形成了动量交换和质点混掺，从而在液层交界面上产生了紊流附加切应力 +1.紊流中的切向应力 由动量定律可知： 动量增量等于紊流附加切应力T产生的冲量 4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度 层流：摩擦切向应力紊流二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度(续) 2.普朗特混合长度 abba(1)流体微团在从某流速的流层因脉动vy进入另一流速的流层时，在运动的距离l（普兰特称此为混合长度）内，微团保持其本来的流动特征不变。 普朗特假设:(2)脉

10、动速度与时均流速差成比例 4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度(续) 2.普朗特混合长二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度(续) 2.普朗特混合长度(续) 4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度(续) 2.普朗特混合长因二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度(续) 2.普朗特混合长度(续) v为抛物线分布层流运动v为对数分布紊流运动紊流对数分布层流抛物线分布4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 因二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度(续) 2.普朗特混合三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失1.粘性底层 、圆管中紊流的区划、水力光滑与水力

11、粗糙 粘性底层: 粘性流体在圆管中紊流流动时，紧贴固体壁面有一层很薄的流体，受壁面的限制，脉动运动几乎完全消失，粘滞力起主导作用，基本保持着层流状态，这一薄层称为粘性底层。 圆管中紊流的区划:2.紊流充分发展的中心区1.粘性底层区3.由粘性底层区到紊流充分发展的中心区的过渡区 4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失1.粘性底层 、圆管中紊流三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续)1.粘性底层 、圆管中紊流的区划、水力光滑与水力粗糙(续) 水力光滑与水力粗糙 粘性底层厚度：0 管壁的粗糙凸出的平均高度：k 4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 三、圆管中紊流的速度分布和

12、沿程损失(续)1.粘性底层 、圆管4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 水力粗糙： 0 k 紊流区域完全感受不到管壁粗糙度的影响。 管壁的粗糙凸出部分有一部分暴露在紊流区中，管壁粗糙度紊流流动发生影响。 0、k相差不多时： 粘性底层和壁面粗糙对流体损失都产生影响。 4.4 紊流运动的特征和紊流阻力 水力粗糙： 0 0.15:稍加修圆口:内插进口:三、其他局部水头损失的计算4.8 管道流动的局部损失4、四、局部损失之间的相互干扰 如果各局部障碍间都有一段长度不小于三倍管径(L3D)的联结管,相互干扰的结果是使总的局部损失小于等于按正常条件下计算的各局部损失的叠加。4.8 管道流动的局部损失 实验研究表明：如果局部障碍直接连接，其局部损失可能出现大幅度增加或减少。四、