流体力学-第六章分解

第六章流淌阻力和水头损失重点内容授课内容思索题作业重点内容驾驭流淌阻力和能量损失计算的公式驾驭流体运动两种形态及其判别理解紊流特征理解沿程阻力系数的变更规律，驾驭沿程能量损失的计算理解局部主力产生的缘由，驾驭局部阻力损失的计算思索题水头损失由哪几部分组成？产生水头损失的缘由是什么？什么是层流和紊流？怎样判别水流的流态？试说明无量纲数雷诺数Re的物理意义。层流和紊流过流断面上的流速分布规律如何？造成它们流速分布规律不同的缘由是什么？紊流的特征是什么？紊流中运动要素的脉动是如何处理的？请叙述同样的边界，在不同水流条件下为什么有时是水力光滑的，有时却是水力粗糙的。简洁叙述尼古拉兹试验所得到的沿程水头损失系数λ的变更规律。第六章流淌阻力和水头损失第一节流淌阻力和水头损失的分类其次节粘性流体的两种流态第三节圆管中的层流运动第四节紊流运动第五节紊流的沿程水头损失第六节局部水头损失第七节边界层概念与绕流阻力作业P171-6.12、6.14，P172-6.27、6.28第一节流淌阻力和水头损失的分类

一、沿程水头损失二、局部水头损失三、水头损失叠加原理流淌状况一、沿程水头损失在边壁沿程不变的管段上，流淌阻力沿程也基本不变，称这类阻力为沿程阻力。克服沿程阻力引起的能量损失称为沿程损失。由于沿程损失沿管段均布，即与管段的长度成正比，所以也称为长度损失。沿程损失的阅历公式二、局部水头损失在边界急剧变更的区域，阻力主要地集中在该区域内及其旁边，这种集中分布的阻力称为局部阻力。克服局部阻力的能量损失称为局部损失。例如管道进口、变径管和阀门等处，都会产生局部阻力。引起局部阻力的缘由是由于旋涡区的产生和速度方向和大小的变更。局部损失的阅历公式三、水头损失叠加原理图4-1沿程阻力与沿程水头损失用压强损失表达其次节粘性流体的两种流态从19世纪初期起，通过试验探讨和工程实践，人们留意到流体运动有两种结构不同的流淌状态，能量损失的规律与流态亲密相关。其次节粘性流体的两种流态一、两种流态二、流态的判别准则―临界雷诺数一、两种流态1、雷诺试验2、临界流速3、hf和v的关系1、雷诺试验定义层流：分层有规则的流淌状态称为层流。紊流：流体质点的运动轨迹是极不规则的，各部分流体相互猛烈掺混，这种流淌状态称为紊流。流淌现象层流区过渡区紊流区2、临界流速试验表明：对于特定的流淌装置上临界流速v’k是不固定的，随着流淌的起始条件和试验条件的扰动程度不同，v’k值可以有很大的差异；但是下临界流速vk却是不变的。在实际工程中，扰动普遍存在，上临界流速没有实际意义。以后所指的临界流速即是下临界流速。3、hf和v的关系hf和v的关系层流状态，试验点沿ab线分布，m1=1紊流状态，试验点沿ef分布，m2=1.75~2.0bd或ce段是不稳定的区域二、流态的判别准则―临界雷诺数雷诺等人进一步的买验表明：流淌状态不仅和流速v有关，还和管径d、流体的动力粘滞系数μ和密度ρ有关。以上四个参数可组合成一个无因次数，叫做雷诺数，用Re表示。对应于临界流速的雷诺数称临界雷诺数，用Rec表示。试验表明：尽管当管径或流淌介质不同时，临界流速vc不同，但对于任何管径和任何牛顿流体，判别流态的临界雷诺数却是相同的，其值约为2300。层流受扰动后，当粘性的稳定作用起主导作用时，扰动就受到粘性的阻滞而衰减下来，层流就是稳定的。当扰动占上风，粘性的稳定作用无法使扰动衰减下来，于是流淌便变为紊流。因此，流淌呈现什么流态，取决于扰动的惯性作用和粘性的稳定作用相互斗争的结果。雷诺数之所以能判别流态，正是因为它反映了惯性力和粘性力的对比关系。层流底层与紊流核心层流底层的厚度占随着Re数的不断加大而越来越薄，它的存在对管壁粗糙的扰动作用和导热性能有重大影响。第三节圆管中的层流运动本节主要讲解并描述圆管中层流运动的规律以及从理论上导出沿程阻力系数的计算公式。一、匀整流基本方程二、圆管的层流运动1、匀整流的性质过流断面的大小、形态沿程不变；流线相互平行；过流断面流速分布沿程不变；匀整流只有沿程阻力损失，没有局部阻力损失。2匀整流的沿程水头损失3匀整流受力方程式4匀整流基本方程二、圆管的层流运动1圆管层流的运动状况2圆管层流的流速分布3圆管层流的沿程阻力系数1圆管层流的运动状况2圆管层流的流速分布所以r=0时，边界条件：当r=r0时，u=0，则则圆管断面平均流速v为：动能修正系数α和动量修正系数β3圆管层流的沿程阻力系数第四节紊流运动1圆管紊流的运动状况2紊流运动的特征3紊流阻力1圆管紊流的运动状况2紊流运动的特征紊流的脉动:紊流中，液体质点随机性的相互掺混，质点间不断的发生动量交换，导致各空间点的速度、压强等运动要素随时间作不规则的变更的现象。时均恒定流淌假如紊流流淌中各物理量的时均值不随时间而变，仅仅是空间点的函数，即称时均流淌是恒定流淌。3紊流阻力在紊流中，一方面因时均流速不同，各流层间的相对运动，照旧存在着粘性切应力，另一方面还存在着由脉动引起的动量交换产生的惯性切应力。因此，紊流阻力包括粘性切应力和惯性切应力。第五节紊流的沿程水头损失1、沿程阻力系数及其影响因素的分析2、尼古拉兹粗糙3、尼古拉兹试验4、阻力分区5、层流底层的影响层流：圆管层流的沿程阻力系数与Re成反比，和管壁粗糙度无关。紊流：其能量损失取决于两个方面：1）Re；2）壁面的粗糙。1、沿程阻力系数及其影响因素的分析2、尼古拉兹粗糙把大小基本相同，形态近似球体的砂粒用漆汁匀整而稠密地粘附于管壁上。3、尼古拉兹试验实测不同流量时均v和hf算出λ和Re相对粗糙的变更范围为层流层流区过渡区紊流粗糙区(阻力平方区)紊流过渡区紊流光滑区尼古拉兹试验曲线Re<2000λ=64/ReRe=2000~4000实用意义不大Re>4000λ=f(Re)λ=f(Re、ks/d)λ=f(ks/d)4、阻力分区5、层流底层的影响工业管道紊流阻力系数的计算公式一、光滑区和粗糙区的λ值二、紊流过渡区和柯列勃洛克公式三、莫迪图四、非圆管的沿程损失一、光滑区和粗糙区的λ值当量糙粒高度：和工业管道粗糙区λ值相等的同直径尼古拉兹粗糙管的糙粒高度。工业管道当量糙粒高度二、紊流过渡区和柯列勃洛克公式柯列勃洛克公式又被称为紊流综合公式，适用于整个紊流的三个阻力区。莫迪据此绘成阻力系数图-----莫迪图。三、莫迪图粗糙区过渡区层流区临界区光滑区四、非圆管的沿程损失以上探讨的都是圆管，圆管是最常用的断面形式。但工程上也常用到非圆管的状况。例如通风系统中的风道，有很多就是矩形的。假如设法把非圆管折合成圆管来计算，那么依据圆管制定的上述公式和图表，也就适用于非圆管了。影响沿程损失的两个主要因素在紊流中，由于断面上的流速变更主要集中在邻近管壁的流层内，机械能转化为热能的沿程损失主要集中在这里。因此，流体所接触的壁面大小，也即湿周X的大小，是影响能量损失的主要外因条件。影响沿程损失的两个主要因素若两种不同的断面形式具有相同的湿周X，平均的流速相同。则过流断面面积A越大，通过流体的数量就越多，因而单位重量流体的能量损失就越小。水力半径R水力半径R的定义为过流断面面积A和湿周x之比。假如非圆管的水力半径等于某圆管的水力半径，当其他条件相同时，这两个管道的沿程损失是相等的。矩形管明渠圆管当量直径de水力半径相等的圆管直径称为非圆管道的当量直径。

de=4R圆管矩形管明渠第六节局部水头损失各种工业管道都要安装一些阀门、弯头、三通……等配件，用以限制和调整管内的流淌。流体经过这类配件时，由于边壁或流量的变更，匀整流在这一局部地区遭到破坏，引起了流速的大小、方向或分布的变更。由此产生的能量损失，称为局部损失。几种典型的局部阻碍几种典型的局部阻碍把各种局部阻碍的能量损失和局部阻碍旁边的流淌状况比照比较，可以看出，无论是变更流速的大小，还是变更它的方向，较大的局部损失总是和旋涡区的存在相联系。旋涡区内不断产生着旋涡，其能量来自主流，因而不断消耗主流的能量；旋涡区愈大，能量损失也愈大。一、突然扩大管1、能量方程2、动量方程外力：AB面上的压力、2-2面上的压力、重力的分力代入动量方程：整理得到：所以突扩管的局部水头损失

相应有：突扩的特例：二、突然缩小管突缩的特例第七节边界层概念与绕流阻力一、附面层的形成及其性质二、管流附面层三、曲面附面层的分别现象与卡门涡街当物体绕弯曲表面流淌时，边界层内会伴随产生压差，边界层因此可能会从某一位置起先脱离物体表面，在物面旁边出现回流现象，这种现象称为边界层分别现象或脱体现象。

边界层分别的必要条件是：逆压、流体具有粘性这两个因素缺一不行。以左图机翼绕流为例。Ａ点是驻点，Ｃ点处机翼最厚。从Ａ到C是顺压区，压力渐渐降低，