水力学课件第4章 流动阻力及水头损失

1、第4章流动阻力和水头损失，水力学，问题：理想液体和实际液体之间有什么区别？理想液体和实际液体的本质区别在于是否有粘性。粘度是液体流动造成水头损失的决定性因素。4-1流动阻力和水头损失的分类水头损失：单位重量液体从一个部分流向另一个部分所损失的机械能。分类：(1)沿路水头损失；(2)局部水头损失。道路沿线的水头损失：水头损失存在于道路沿线，并且随着道路长度的增加而增加。局部水头损失：液体颗粒在局部区域的相对运动会产生较大的能量损失。常用hj表示。在出现局部水头损失的常见区域，只要局部区域边界的形状或大小发生变化，液流的内部结构将迅速调整，速度分布将重新组织，流线将弯曲并产生涡流，因此在这些局部区

2、域将出现局部水头损失。液体流动引起水头损失的两种情况：(1)液体的粘度。(2)由于固体边界的影响，液体流动中颗粒之间发生相对运动。液体的粘度是主要的决定性因素。液体流动的总水头损失hw，液体流动边界的几何条件对水头损失的影响，1。液体流动边界水平轮廓的形状和大小对水头损失的影响可用过水断面的水力要素来表征，如过水断面的面积A、湿围和力半径R等。湿循环：液体流经水的横截面和固体边界之间的边界线。水力半径：圆管：2。液体流动边界的纵向轮廓对水头损失的影响由于边界的纵向轮廓不同，液体流动有两种不同的形式：均匀流动和非均匀流动。均匀流，均匀流中无局部水头损失，非均匀渐变流中可忽略局部水头损失，非均匀突

3、变流中两种水头损失均可忽略。不均匀流动，4-2粘性液体流动，1。雷诺试验、线段交流和直流是直线，这意味着直线交流适用于层流，即m=1。直线DE，m=1.75 2适用于紊流。2.判别液体形态的雷诺数：临界雷诺数：液体流动模式开始改变时的雷诺数。对于圆管：对于明渠和天然河流，雷诺数是指雷诺数反映惯性力和粘滞力之间的对比关系。例4-1有一个直径d为100毫米的圆形水管，管内平均流速为1.0米/秒，水温为100摄氏度，所以要尽量区分管内水流的类型。解决方法：当水温为100时，水运动的粘度系数为v=0.0131cm2/s，管内水流的雷诺数为紊流。4-3均匀流中水头损失和剪应力之间的关系。在管道或明渠的均

4、匀流中，随机抽取总流量的一部分进行分析，以下力作用于总流量部分。1.流体动压1-1段2-2段；2.重力重力：3.摩擦阻力，因为均匀流动没有加速度，将被代入上述公式，所有项目将被划分；完工后，由于1-1段和2-2段的流速和水头相等，能量方程成立，因此上述公式可写成沿均匀流的水头损失和剪应力之间的关系。根据上面提到的相同方法，均匀流中的任意流可以如下获得：从实验研究中得知，对于圆管获得了，它被称为沿程阻力系数，代表沿程阻力。根据牛顿内摩擦定律，可以计算圆管和圆管中的4-4层流运动：当r=r0时，可以得到速度分布公式，圆管层流的截面平均速度是这样，或者如果用达西公式来表示圆管层流的水头损失，例4-2

5、圆管的直径为mm，管的长度为m， 流动粘度为cm2/s的油可以输送，流量可以得到溶液判断流动状态为层流，其中(m/s)和(m油柱)，例4-3直径为8毫米，长度为15米，如图6-12所示。 油的运动粘度为m2/s，流速为12cm3/s。计算油箱的扬程(不包括润滑油管道，(m/s)、雷诺数、伯努利方程的层流段1-1和2-2，并认为油箱面积足够大，所以，(m)、然后，1。通过对湍流形成过程的分析，雷诺实验表明层流和湍流的主要区别在于不同流动层之间的液体颗粒在湍流过程中不断地相互混合，而层流没有。4-5湍流运动的基本概念，(a)、(b)、(c)，涡流的形成是混合的根源。涡流的形成不一定形成湍流，但只有

6、当惯性大于粘性时，它才能形成湍流。因此，雷诺数是惯性力与粘滞力的比值。湍流的基本特征是许多不同大小的旋涡相互混合，它们的位置、形状和速度不断变化。第二，运动元素的脉动，(b)、(a)，实验结果表明，虽然瞬时速度发生变化，但其时间平均值在足够长的时间内是恒定的。时间平均速度可以表示为恒定流中的时间平均速度不随时间变化，而非恒定流中的时间平均速度随时间变化。瞬时速度和时间平均速度之差称为脉动速度，即脉动速度的时间平均通常用脉动速度的均方根来表示。3.湍流中的切向应力和普朗特的动量传递理论，当粘性流体层流时，切向应力表现为由内摩擦引起的摩擦切向应力。在粘性流体的湍流中，像层流一样，由于流体的粘性，相

7、邻流动层之间的时间平均速度不同，导致摩擦切向应力。此外，由于流体的横向脉动速度，流体颗粒相互混合、碰撞并引起动量交换，从而产生由摩擦切向应力和附加剪切应力组成的附加剪切应力。因此，湍流中的切向摩擦应力可以由牛顿内摩擦定律得到。2.额外的切向应力可以从种植园主的混合长度理论中导出。假设管内湍流时间平均速度的分布如图所示，在流动层1的某一流体点处有轴向脉动速度和横向脉动程度。横向脉动速度使得流体颗粒从流体层1向另一流体层2移动一小段距离。普朗特的假设相当于气体分子的平均自由程。当流动层1上的流体的时间平均速度为0时，流动层2上的时间平均速度为0。图6-14湍流时间平均速度分布，在时间上，从流动层1

8、通过微小区域d流向流动层2的流体质量是，在到达流动层2之后，流体质量与该层上的流体碰撞，导致动量交换。根据动量定理，动量变化等于作用在流体上的外力的冲量。该外力是作用在表面上的水平附加阻力，因此，作用在平行于X轴的流动层之间的区域上的总剪切力被获得。假设单位面积的附加剪切应力与时间平均速度的增量成正比，即获得湍流的附加剪切应力，普朗特称之为混合长度，并认为与比例常数成正比，比例常数由实验确定，因此湍流的总切向在管道的中心，流体颗粒被强烈混合，附加剪切应力起主要作用，所以等号右边的第一项可以省略。的影响，在有效截面上处处不同。和4。紊流中的层流底层和紊流中的流动区域靠近固体边界。脉动速度很小，脉

9、动速度产生的附加剪应力也很小，但速度梯度很大，粘性剪应力起主导作用，流态基本上属于层流。因此，在湍流中，靠近固体边界层有一个很薄的层流层，层流底层外的液体流动是湍流。层流底层的剪应力按层流计算，其流速按抛物线规律分布，但底层很薄，其流速分布可视为层流因此，如果你有它，你就会有它，如果你有它，如果雷诺数是N=11.6，你就会有(a)一个光滑的区域；(2)湍流中的流动面积及其判别。层流底层的厚度随着Re的减小而增大，管壁粗糙突起的高度被层流底层完全覆盖。此时，管壁的粗糙度对流动没有影响，液体似乎在完全平滑的管道中流动。这种情况下的管道称为“水力光滑”管道，这一区域称为水力光滑区域。也就是说，当管壁

10、的粗糙突出部分伸入紊流区时，如图(b)所示。当流体流过凸部时，凸部后面会产生涡流，增加能量损失，管壁粗糙度会影响湍流。在这种情况下，管道称为“水力粗糙”管道，该区域称为粗糙区域。这里应该注意的是，相同的绝对粗糙度管道的层流底部厚度在流速较低时可能较大，而在流速较高时可能较小，因此相同的管道在不同的流速下可能是光滑的或粗糙的。湍流速度分布在湍流中，因为液体颗粒相互混合并相互碰撞，所以在液体中颗粒之间产生动量传递，导致横截面速度分布的均匀化。摩擦速度，粘性底层，在连接处，所以湍流速度的分布是：1。速度分布的对数公式(普朗特-卡门)(1)平滑区域(2)粗糙区域，2。当Re=105 -4105，n=1

11、/7时，n=1/8，当Re=1.1106，n=1/9，当Re=(2 -3.2)106，n=1/10，4-6时，紊流水头损失nikula是一个计算沿途紊流阻力的公式，不同粒径的人工砂粘贴在不同直径的管道上，Johann Nikuradse，阻力系数沿程变化规律称为流量-流量过渡粗糙区，沿程阻力系数与雷诺数之间的尼库拉关系，(1)层流，(2)水力平滑区：它只与Re有关，但与Re无关，但该区的上限取决于r0 /，hf与V1.75成正比，(Blasius，brasius公式)，(普朗特普兰特公式)，(Nikolaez公式)，(3)水力粗糙区：与re无关，hf与V2成正比。 (4)从水力光滑度到水力粗糙

12、度的过渡区：它与Re和二者有关。适用于3000 Re 106(克布鲁克-怀特公式)和2。沿实际管道的阻力系数为1。为了应用方便，穆迪把它做成莫迪图。2切弗勒夫公式，当v段1.2m/s(第二过渡区)和v段1.2m/s(水力粗糙区)时，三个水头损失经验公式，1谢才公式上述计算道路沿线阻力系数的公式涉及天然管道或天然河流表面经粗糙均化后的等效粗糙度，目前尚无此类数据。1769年，谢才总结了明渠均匀流的实测资料。提出了计算均匀流的经验公式：C为谢才系数，单位谢才公式与达西公式一致。相应的要点如下：1 .计算谢才系数的两个常用公式是：1 .曼宁(1890)方程式2。帕夫洛夫斯基公式(其中N是粗糙度系数，

13、也称为粗糙度)是一个综合系数，代表影响边界表面流动阻力的各种因素。这两个公式是根据阻力平方区湍流的实测数据得到的，因此只能应用于阻力平方区的湍流。例：梯形渠道，混凝土覆盖，底宽10m，水深3m，两岸坡度1: 1，糙率系数0.017，流速39m3/s，阻力平方区水流湍急，计算渠道每公里水头损失。解决方案：宽水面，横截面积，湿润期，水力半径，谢菲尔德系数，沿道路的水头损失，平均横截面速度，4-7局部水头损失，1。局部水头损失的原因，涡流区的存在是局部水头损失的主要原因，局部水头损失也与沿程水头损失等流态有关，但目前仅限于紊流研究和基本实验研究。2.圆管突然膨胀的局部水头损失。1.从1 2开始建立伯努利方程，得