流体力学第三章流动阻力与能量损失

1、第三章是流动阻力和能量损失。本章的知识预测：沿途的阻力，沿途的能量损失；局部阻力，局部能量损失。流型：层流和湍流。层流损失及其阻力系数的计算；湍流损失及其阻力系数的测定。低局部损失计算。减少阻力的措施。第1节：流动阻力和能量损失的两种形式，1。流动阻力和能量损失的分类根据流动的边界条件，能量损失分为：沿程能量损失和局部能量损失(1)沿程阻力和沿程能量损失沿程阻力当固体侧壁约束流体流动沿程恒定且流动为均匀流动时，流动层之间或颗粒之间只有恒定的剪应力，称为沿程阻力。沿途的能量损失沿途阻力做功造成的能量损失称为沿途能量损失。特点：沿管道长度均匀分布，即沿管道的水头损失为HF l。沿途水头损失，(ii

2、)局部阻力和局部能量损失局部阻力当流体流经突然变化的固体边界时，固体边界的突然变化引起流动截面上流速分布(涡流)的急剧变化，因此在短范围内的集中阻力称为局部阻力。局部能量损失局部阻力功引起的能量损失称为局部能量损失。局部水头损失，用hj表示。参见图3-1。局部水头损失沿整个管道的水头损失等于沿每个管段的水头损失之和。也就是说，整个管道的局部水头损失等于每个管件的局部水头损失之和。也就是说，整个管道的能量损失等于各管段的沿程损失和局部损失之和。也就是2。能量损失计算公式-长期工程经验总结液体：沿程水头损失(达西公式):-沿程阻力系数；l管道长度；D管道直径。V平均速度的局部水头损失：气体：沿途压

3、力损失：局部压力损失：核心问题：总和的计算。第二部分中的两种流动状态和雷诺数。参见雷诺测试视频。雷诺兹发明了两种流动状态，并且沿途的损失与流动状态密切相关。层流各流动层中的流体颗粒不相互混合的一种流动模式。湍流每种流体颗粒的瞬时速度随时间变化，并且每个流动层中的颗粒相互混合的流动模式。层流和紊流之间的过渡，层流紊流有过渡区(不稳定区)，而较低的临界速度vk在实践中被作为流态过渡速度。不稳定区，湍流区，层流区2。水头损失与流型的关系，层流区：紊流区：不稳定区：不稳定关系。三。判断流型的标准：雷诺数：Reynolds等人的进一步实验表明，流型不仅与流速V有关，还与管径D、流体的动力粘度和密度有关。

4、上述四个参数组合成一个无量纲数，称为雷诺数，用雷诺数表示。加压圆管的流型准则：Re2000，层流Re 2000，紊流适用于任何管径和任何牛顿流体。自由表面流和非圆形压力管道的流型准则：当圆形管道的直径D被水力半径R代替时，Rek=500；当量直径de，Rek=2000。在第三节均匀流的基本方程中，讨论了均匀流条件下沿程损失与沿程阻力之间的关系。均匀流动：流动截面的形状和大小沿程不变，流动截面的流速和速度分布也沿程不变。均匀流动特性：(1)没有惯性力，流线相互平行。在截面上，能量损失只是沿程损失，且每个单元长度上的沿程损失相等。均匀流的能量方程，如图3-5的分析所示，可以归结为：上述公式表明水流

5、克服阻力所消耗的能量都是由势能提供的。均匀流基本方程：建立沿途损失与剪应力之间的关系。继续然后，对于圆管，有：在管轴上，r=0，剪应力=0；在管壁处，r=r0，剪应力最大，=0。在第四节中，计算了圆管层流的阻力，并由和得到了函数J=f(u ),进而得到了J=f(v)的表达式。结果是将上述公式改为：与达西公式相比，可以看出，上述公式表明圆管层流阻力系数只与雷诺数有关，而与管壁粗糙度无关。第五节：圆管湍流运动，讨论圆管湍流运动的基本特征和沿程损失规律。1.湍流脉动和时间平均(1)脉动现象，如图3-7所示。相互混合，相互碰撞。在湍流中，流体颗粒的瞬时速度和压力总是围绕某一平均值上下波动脉动现象。(i

6、i)时间平均，围绕它上下波动的湍流运动元素的平均值称为时间平均。时间平均速度的定义：瞬时速度；2.湍流阻力由两部分组成：由于不同的时间平均速度，不同流体层之间存在相对运动，因此流体层之间会产生由粘度引起的摩擦阻力。粘性剪切应力1根据牛顿内摩擦定律计算。由于脉动现象，湍流附加剪应力2是由流动层间隙点的动量交换形成的。它的大小是由普朗特的混合长度理论计算出来的。见公式(3-21)。当Re较小时，1是主要因素；当Re足够大时，2占优势。湍流的速度分布，Re， .层流边界层的厚度对湍流损失有很大影响。参见图3-9。当 时，液压动力平稳。粗糙度对能量损失没有影响。当 时，出现水力粗糙度。影响能量损失，但

7、Re不影响。如图3-8所示。第六节紊流阻力系数和紊流水头损失的计算层流：紊流的通常由以下两种方法确定：根据紊流的半经验理论，编制半经验公式；根据实验数据，直接合成阻力系数的纯经验公式。大量实验表明，湍流主要取决于雷诺数和管道的相对粗糙度/d。1。尼古拉的实验是在六种人工粗管直径上进行的，这六种粗管直径是通过在管壁上粘上颗粒大小均匀的沙粒而形成的。尼古拉实验揭示的阻力系数的变化规律如下：。层流区域，Re4000(lgRe3.6)，=F3 (re) 。湍流过渡区，=F4 (re，/d) 。湍流粗糙面积(阻力平方面积)，=F5 (/d) 2。模型图(1)工业管道的实际粗糙度与尼古拉兹的人工均匀粗糙度

8、大不相同。因此，引入了“等效粗糙度”。等效粗糙度在紊流粗糙区域，与实际管道的值相同直径的Nicolatz人工粗糙管道的粗糙度。一些常用工业管道的当量粗糙度值见表3-1。(二)Moditu Kleblok发现Nikolaz过渡带的实验数据不适用于工业管道，因此提出Kleblok公式：上述公式适用于工业管道紊流流态的三个阻力区。 Mody图：1944年，Mody根据公式(3-25)绘制了工业管道阻力系数的变化曲线，即Mody图。在图上，(r，/d) ，modi图、3。紊流阻力系数的计算公式，紊流也可以由下列公式确定：1。湍流平滑区；1.巴西公式适用于Re105。尼古拉光滑管公式适用于e106。该计

9、算公式适用于硬聚乙烯给水管道、塑料管、玻璃管和一些流速3m/s的非碳钢金属管、湍流过渡带，(modi公式和Coriolis公式的近似公式。阿里特苏里公式主要用于热水供热管道；雪佛兰公式适用于供水管道中的旧钢管和旧铸铁管：适用于1.2m/s(紊流过渡区)。(3)紊流粗糙管面积，(1)当适用于旧钢管和旧铸铁管的切弗勒夫公式为v1.2m/s时，(2)希夫林森公式，第7节：通过水力阻力的概念，沿非圆形管流的损失1.水力半径管道对hf: R的影响因素基本上反映了流动截面的大小和形状对沿途损失的综合影响的物理量。圆管水力半径：边长为A、B的矩形管水力半径；边长为A的方管水力半径，换算；2.等效直径。当非圆

10、管的水力半径等于圆管的水力半径时，圆管的直径称为非圆管的当量直径。即矩形管当量直径：方管当量直径：非圆管沿程损失计算公式：非圆管雷诺数。必须指出，用当量直径计算非圆管道的能量损失并不适合所有情况。这表现在两个方面：(1)实验证明，对于矩形、正方形和三角形截面，利用当量直径原理，得到的实验数据和结果与圆管非常接近，但长狭缝截面与星形截面有很大差异。用当量直径计算非圆管道的能量损失只能适用于湍流模式，而不适用于层流。第8节：局部损失和减阻措施的计算。首先，局部损失的原因主要讨论湍流的局部损失。原因有两个：(1)涡流区。参见图3-12。速度分布的快速重组和流体颗粒的剧烈变形增加了粘性阻力和惯性阻力。

11、主要因素：2。局部能量损失的计算；1.阻力系数法各种局部水头损失的通用计算公式：输气管道：1。推导了圆管突然膨胀引起的局部损失；3.常用管件的局部阻力系数值见表3-2。发现的值必须与表中所示的横截面平均流速一致。如果没有标明，应采用局部管件后的流速。(ii)等效长度法，为了便于管道计算，流过管道或阀门的流体的局部阻力通常被转换成流过具有相同直径和长度le的直管的相同流体的阻力，这称为管道或阀门的等效长度。此时，由局部阻力引起的能量损失的计算公式可以通过模拟直管阻力的计算公式，即D-内径来编写。le-管道直径或阀门的等效长度。乐=广告。A转换系数或等效长度系数。通过查阅相关参考资料获得。(3)局

12、部电阻间的干扰。以上给出的值是在局部阻力前后有足够直管段的条件下得到的。如果局部障碍物之间的距离非常近，在速度分布和湍流脉动达到正常均匀流之前，从前一个局部障碍物流出的流将流入下一个局部障碍物。由于这种相互干扰，局部损失可能大大增加或减少，其变化范围约为所有正常局部损失之和的0.53倍。如果局部障碍物之间的直管长度大于3d，则总局部损失将小于正常情况下由于干扰而计算的局部损失的叠加。(4)减小阻力的措施：(1)减小沿途阻力的方法(1)减小管道长度L. 适当增大管道直径d。3.降低管壁的粗糙度。喷涂工艺，塑料管，玻璃钢管，铝塑管等。3.用柔性侧壁代替刚性侧壁。在流体中加入少量添加剂以减少阻力。添加剂有三种：高分子聚合物、金属皂和悬浮物。减少当地阻力的方法：1。在装置系统允许的情况下，尽量少设置弯管和阀门等局部管件，以降低整个系统的值。在装置系统必须采用局部阻力的情况下，可以从改善侧壁形状入手，避免涡流区的产生，或者减小涡流区的大小和强度，实现减阻。(1)管道入口：如图3-15所示。渐扩管和突扩管：如图3-16所示。(3)弯曲：见表3-3。弯曲半径r最好在(1 4) d的范围内。安装导向叶片。(4)三通：(5)配件之间的合理连接局部障碍物之间的距离应大于靠近墙壁的非常薄的层，其中速度梯度非常大。这个薄层叫做边界层。3.边界层分离4.绕流升