流体力学 Char05 流动阻力与水头损失2011

1、工程流体力学，第5章，流动阻力和水头损失，第5章流动阻力和水头损失，5-1概述，5-2粘性流体的流动类型，5-3均匀流基本方程，5-4管的湍流运动，5-5边界层理论，5-7局部水头2、本章重点介绍了：运行水头损失计算，局部水头损失计算，第5章流动阻力和水头损失(4小时)，第5-1概述，第1章分析，从机械角度看，本章是水流阻力、水流阻力的原因，内部原因：粘性惯性，外部因素第二，研究内容，内部流(例如管道流、明渠流等):研究硬件计算(本章的重点)，流出(例如绕道流):研究光盘计算，5-1概述，第三，水头损失的两种形式，以及泵供水图，如图所示。根据供水要求，泵将池塘的水从剖面1-1提升到剖面2-2。

2、静态提升Hg:剖面1和2的高程差Hg。升程h:静态升程头损失HW。也就是说，泵提供的Hg在指定值时，头部损失HW增加，Hg减少，无法满足生产需要。如果需要辅助对象(Hg)，则需要增加h。也就是说，增加动力装置容量，可见动力装置的容量与管道系统的能量损失有关，因此必须准确计算水头损失，才能合理选择动力装置。g，5-1概述，影响水头损失的水头方面和纵向边界的流动，5-1概述，水头损失两种形式的液体粘度可分为水头损失和局部水头损失，具体取决于水头损失的形状和大小是否超出固体边界壁或形成旋涡。实体边界的造型和大小固定时，长直流段中流动的水头损失称为水头损失。在沿路径产生损失的流动段中，流动线相互平行，

3、主流不会超出边壁或引起漩涡。通常，对于均匀流和渐变流，沿路径发生的水头损失是唯一的损失。在整个过程中，如果某些DC段和边界的多个部分突然发生变化，并且每个局部损失不受影响，则流经整个过程的水的水头损失是每个伴随损失和个别局部损失的一代。(流损失叠加原理)、固体边界的形式、大小或两者之一沿过程急剧变化而产生的水头损失称为局部水头损失()。在局部损失发生的局部范围内，主流往往从边界分离，漩涡。例如，水在管道中突然收缩，通过阀门，或突然膨胀。:局部损失率，水头损失的两种形式，水头损失和局部水头损失实质上是液体粒子之间的摩擦和碰撞，或者都是在水流阻力作用下消耗的机械能。产生行驶距离损失的阻力是内部摩擦

4、力，这种阻力称为行驶阻力。在局部损失发生的地方，由于主流和边界分离、漩涡的存在，粒子之间的摩擦和冲突加剧，能量损失比没有漩涡的相同长度大得多，这种阻力称为局部阻力。想法：能量损失的原因？能量损失的内部原因：流动内部粘性能量损失的外部原因：要克服流动，必须进行边界阻力，头部损失的两种形式，2 .恒定均匀流的水头损失，横向壁上的最大剪切应力，能量方程：水压坡度：尺寸分析：路径阻力计算，其他截面，沿路径减少水头损失的措施，沿管道长度选择合理的经济流速，管道直径适当增加管道壁的绝对粗糙度减少液体温度增加动态粘性系数减少管，局部水头损失减少本地组件的数量改善本地组件的形状进口圆弧平滑过渡边界变化急剧变化

5、在渐进变化中，更大的旋转半径，5-2粘性流体的流动模式，第一，雷诺实验简介，1883年英国物理学家雷诺，粘性流体实验，层流和湍流，奥斯本雷诺(1842-1912 1883年，英国物理学家雷诺(Reynolds O .)对液体有层流和湍流两种流动进行了实验观察。1 .也称为层流，流体粒子不相互混合，流体称为有序层流。特征：(1)秩序。水流向分层，各层粒子不相互混合，粒子进行规则的直线运动。(2)粘度是遵循牛顿内摩擦定律的主要作用。(3)能量损失与流速的一次平方成正比。(4)流量小，雷诺数Re高时发生。5-2粘性流体的流动类型，层流：液体粒子是规则的直线运动，每个层或每个小光束的粒子不会相互混合。

6、5-2粘性流体的流动类型，2 .湍流，也称为湍流：表示局部速度、压力等动态量在时间和空间中不规则脉动的流体运动。(1)序言、随机性、旋转、混合。流体粒子不再分层流动，出现不规则秩序，流化床间质点相互混合，是无序的随机运动。(2)湍流由粘性和湍流作用。(3)水头损失与流速的1.752平方成正比。(4)流速大、雷诺数大时发生。，流动变化的临界速度与流体动态粘度成正比，与管道直径成反比，其比例系数称为临界雷诺数。常识表明，流体的粘度大或管道直径小，流动模式容易保持层流流动。由上而下，临界雷诺数表示式如下：雷诺数Re是标注1的特征参数，可用于说明流动阵列。雷诺数表征流动惯性力与粘性力的比率。雷诺数越大

7、，惯性力对流动的影响越大，粘性力对流动的影响越小。5-2粘性流体的流动模式，blood flow is normally laminar and silent . turbulent flow causes noise，no flow，turbulent flow，laminar flow，层流：湍流：5-2粘性流体的流动类型，2。沿路径的损失和流速的关系，层流(AC段)HF与v的1次方成正比；湍流(在d点之后)HF与v的二次正方形成正比。5-2粘性流体的流动模式，在观察现象的同时测量，绘制的关系曲线。层流：湍流：3，流判别，1。测试结果，上限临界雷诺数：层流湍流中的临界雷诺数，易受外部干扰的

8、数值不稳定性。下限临界雷诺数：湍流层流中的临界雷诺数是流动模式的基础，仅取决于水的边界形状，即水的横截面形状。，5-2粘性流体的流动类型，2 .基准，管：汇入，5-2粘性流体的流动类型，非管：将水压半径定义为唯一长度。与细管相比，型式：R水压半径，r=a/x；A横截面面积；X湿周，即横截面中固体边界与流体接触部分的周长。5-2粘性流体的流动类型，5-2粘性流体的流动类型，示例5.1水管，d=100mm，v=1.0m/s .水温10c，(1)要确定管道的流动模式吗？(2)为了保持层流，最大流速是多少？解决方案：(1)水温为10 时，水的动态粘度计算为：换句话说，管子的流动处于湍流状态。(2)，要

9、保持层流，则最大流速为0.03m/s。示例5.2如果有两个直径不同、携带液体不同的圆形管道，则流量判别数(雷诺数)不相同。a .示例b .错误，示例5.3如何确定粘性流体的两个流层流和湍流？示例5.4为什么不能直接使用临界流速作为判断流动模式(层流和湍流)的标准？临界流速是因为流体的粘度、流体的密度和管道直径(当管道流动时)或水力半径(当渠道流动时)相关。临界雷诺数是管道流为2300且明渠流为575时易于应用的比例常数。例如，示例5.5，d2/d1=2，如果存在通过可变剖面管道的水流，则相应的Re2/Re1=？解决方案，因为，是，说明，示例5.6管直径d=200 mm，体积流Q=0.025 m

10、3/s，管流状态判断：(1)水，(2)石油。5-3均匀流基本方程，v1=v2，图1-1和2-2部分的能量方程求解管道内的平均速度：(1)在均匀流条件下，两个相交截面之间的水头损失等于两个相交截面之间压力管道水头的差值。也就是说，液体用来克服阻力的能量都是由势能提供的。(2)整条水头线坡度j沿路径不变，整条水头线是倾斜直线。1，均匀流基本方程，5-3均匀流基本方程，圆形管层流运动应用牛顿内部摩擦定律表达式和均匀流内部剪切应力表达式，通过积分计算水流横截面中的流速分布为抛物线分布，为压降梯度，常识是粘性流体在无限长管中均匀流动时，过流截面的速度分布轮廓为旋转抛物线。在管道轴上，r=0，最大流体速度

11、：以上速度分布等于：5-3均匀流基本方程，2，横断面的平均速度：以上说明：横断面平均流速等于轴上流体速度的一半。这也是高级数学的结论，如果旋转抛物线，其体积等于同一个高圆柱体积的一半。可以替代速度的分布，如下所示：导出如下：上图：圆管层流的路径损耗系数与雷诺数的1次幂成反比。流体的层流属于低雷诺数的流动，例如机器中的润滑流动、血管中的血液流动等。工程中常见的流动多维湍流。5-3均匀流基本方程，示例5.7圆管流中层流截面流速分布为：a .均匀定律；b .直线变化规律；c .抛物线定律；d .代数曲线法则。范例5.8管层流，如果在测量的管轴线中流速为4m/s，则剖面的平均流速为：a . 4m/s；

12、b . 3.2m/s；c . 2m/s；D.1m/s .例如，示例5.9 =0.85g/cm3的油在管道直径为100mm，v=0.18cm2/s的管道中以V=6.35cm/s的速度层流运动，(1)在管道中心进行最大值(2)管道中心r=20mm的流速；(3)路径阻力；(4)管壁剪切应力0和每km管长度的水头损失。，解决方案：(1)管道中心最大速度，(2)管道中心r=20mm的速度，(3)沿路径的阻力首先为Re，(层流)，(4)剪切应力和每公里管道长度的水头损失，5-4湍流移动的特性湍流的脉动导致过流横截面上的流速分布比层流更均匀，但能量损失大于层流。严格地说，湍流并不总是恒定的。5-4湍流运动的

13、特性，时间平均值和瞬时值，图4-2湍流速度-时间曲线，5-4湍流运动的特性，2，湍流剪切应力*1和湍流附加剪切应力2。其中，5-4湍流运动的特性、混合长度、可用经验公式或计算、5-4湍流运动的特性、5-5边界层理论、1、边界层(boundary layer)概念、也称为附着面、雷诺数大时粘性小流体，Ux=0.99U的点定义为边界层的外部边界，如图所示。从边界层外部边界到墙面的距离称为边界层的厚度。用(x)表示。边界层一般约10毫米，很薄。5-5边界层理论，流场分析可根据边界层概念分为两个领域。边界层内的流动必须包含流体的粘性影响，才能使用动量方程得到近似解；边界层外部流动被认为是可以用潜在流动

14、解决的理想流体流动。5-5边界层理论，2，层流边界层和湍流边界层，层流边界层：边界层厚度d较大时，边界层内的流速梯度较大，粘性应力的作用也较大，此时边界层内的流动属于层流，这种边界层称为层流边界层湍流边界层(turbulence boundary layer):当雷诺数达到一定值时，边界层中的层流会转换为湍流，经过过渡区域。在湍流边界层内最近的平面中，du/dy仍然很大，粘滞力仍然是主要作用，其流动仍然是层流，因此湍流边界层内存在粘滞性底部。5-5边界层理论，3，边界层分离，边界层分离：压力沿流动方向增加，边界层内的流体离开墙面的现象称为边界层分离。交流段，压力区域；CB段、逆压力区、粘性力和

15、差压力的双重作用、液体倒置。5-5边界层理论，5-5边界层理论，第四，物体的阻力，粘性流体绕物体表面流动时，对物体表面施加的表面力的剪切应力和压力。施加在物体表面的剪切应力的合力称为粘性阻力，施加在物体表面的压力的合力称为差压阻力。粘性阻力和差压阻力的合力就是物体的阻力。5-5边界层理论，对于钝形物体来说，粘性阻力通常占总阻力比率的5%以下，因为工程周围的流动物体有多个钝形物体，物体的阻力主要取决于差压阻力。尾流：隔离由流线和对象边界包围的下游区域。减少尾流的主要方法：使流体模式尽可能流线。5-5边界层理论，5-5边界层理论，高尔夫球表面为什么有很多小凹痕？最古老的高尔夫球现在的高尔夫球上有很多小孔，旨在使高尔夫球飞得更远。统计发现，职业选手打后，只飞过表面有洞的高