流动阻力及能量损失#知识参考

1、思考题及答案一、选择1二、例题4三、问答9一、选择问题：水在垂直管内由上向下流动，相距l的两断面间，测压管水头差h，两断面间沿程水头损失hf，则： A.hf=h; B.hf=h+l； C.hf=l-h； D.hf=l。 问题：圆管层流流动过流断面上切应力分布为： A.在过流断面上是常数； B.管轴处是零，且与半径成正比； C.管壁处是零，向管轴线性增大； D. 按抛物线分布。 问题：在圆管流中，层流的断面流速分布符合： A.均匀规律； B.直线变化规律； C.抛物线规律； D. 对数曲线规律。 问题：圆管层流，实测管轴线上流速为4ms，则断面平均流速为： A. 4ms； B. 3.2ms； C

2、. 2ms； D. 1ms。问题：在圆管流中，紊流的断面流速分布符合： A.均匀规律； B.直线变化规律； C.抛物线规律； D.对数曲线规律。 问题1：水从水箱经水平圆管流出，开始为层流。在保持水位不变的条件下，改变水的温度，当水温由低向高增加时，出流与水温的关系为：A.流量随水温的增加而增加；B.流量随水温的增加而减小；C.开始流量随水温的增加而显著增加，当水温增加到某一值后，流量急剧减小；D.开始流量随水温的增加而显著减小，当水温增加到某一值后，流量急剧增加，之后流量变化很小。问题1：工业管道的沿程阻力系数，在紊流过渡区随雷诺数的增加而：A.增加； B.减小； C.不变。问题2：有两根管

3、道，一根输油管，一根输水管，当直径d,长度l,边界粗糙度均相等时，运动粘度n油n水，若两管的雷诺数相等，则沿程水头损失： A.hf油=hf水； B.hf油hf水；C.hf油hf水； D.关系不定。问题1：理想流体的绕流 分离现象。A.不可能产生； B.会产生；C.随绕流物体表面变化会产生；D.根据来流状况判别是否会产生。问题2：对于层流边界层， 和 都将加速边界层分离： A.减小逆压梯度，减小运动粘度；B.增加逆压梯度，减小运动粘度；C.减小逆压梯度，增加运动粘度；D.增加逆压梯度，增加运动粘度。判断：有两个圆形管道，管径不同，输送的液体也不同，则流态判别数（雷诺数）不相同。 你的回答： 对

4、错 判断：紊流附加切应力与粘性切应力均与流体的密度和脉动强度有关。 你的回答： 对 错 判断：涡流粘度和动力粘度都与流体的粘滞性有关。 你的回答： 对 错 判断：紊流核心的切应力以附加切应力为主，粘性切应力可以忽略。 你的回答： 对 错 判断：在一直管中流动的流体，其水头损失包括沿程水头损失与局部水头损失。你的回答： 对 错判断：有两根管道，一根输油管，一根输水管，当直径、长度、边界粗糙度均相等时，则沿程水头损失必然相等。 你的回答： 对 错 选择：半圆形明渠，半径r0=4m，水力半径为： 你的回答： 4m 3m 2m 1m 判断：谢才系数C是一个无量纲的纯数。 你的回答： 对 错 判断：谢才

5、公式只能用于水流的粗糙区。 你的回答： 对 错 判断：边界层内流体流动与粘性底层流体流动都属于层流。 你的回答： 对 错 判断：排到江河的污水散布是紊流扩散。 你的回答： 对 错 二、例题例：某段自来水管，d=100mm，v=1.0m/s。水温10，（1）试判断管中水流流态？（2）若要保持层流，最大流速是多少？ 解:（1）水温为10时，水的运动粘度，由下式计算得： 则： 即：圆管中水流处在紊流状态。 （2） 要保持层流，最大流速是0.03m/s。 例1 =0.85g/cm3的油在管径100mm,v=0.18cm2/s的管中以v=6.35cm/s的速度作层流运动，求 （1）管中心处的最大流速；（

6、2）在离管中心r=20mm处的流速； （3）沿程阻力系数 ；（4）管壁切应力0及每km管长的水头损失。 解 :（1）求管中心最大流速，由式（6-12）得 （2）离管中心r=20mm处的流速，由式（6-10）得 （3）沿程阻力系数 先求出Re （层流） 则 （4）切应力及每千米管长的水头损失 例2 应用细管式粘度计测定油的粘度，已知细管直径d=6mm，测量段长l=2m ，如图6-5。实测油的流量Q=77cm3/s，水银压差计的读值hp=30cm，油的密度=900kg/m3。 试求油的运动粘度和动力粘度。 解: 列细管测量段前、后断面能量方程（4-15） 设为层流 图6-5 校核状态 ，为层流。

7、例1： 某水管长l=500m，直径d=200mm，管壁粗糙突起高度=0.1mm，如输送流量Q=10 l/s，水温t=10 ，计算沿程水头损失为多少？ 解： t=10 =0.01310cm2/s 故管中水流为紊流。 由式（6-33）计算： 先假设=0.021，则 所以=0.021满足要求 （也可以查莫迪图，当Re=48595按光滑管查，得：=0.0208 ） 例2 有一新的给水管道，管径d=400mm，管长l=100m，糙率n=0.011，沿程水头损失hf=0.4m，水流属于紊流粗糙区，问通过的流量为多少？ 解 管道过水断面面积 水力半径 利用曼宁公式（6-31）计算C值，则 所以流量 例3 一

8、混凝土衬砌的圆形断面隧洞，管径d=2000mm，管长l=100m，通过流量Q=31.4m3/s，糙率n=0.014，试求该隧洞的洞程水头损失hf。 解 隧洞中流动一般均为紊流粗糙区，故可应用谢才公式。 所以 其中： 将以上各值代入hf式中得 例 如图6-16所示流速由v1变为v2的突然扩大管中，如果中间加一中等粗细管段使形成两次突然扩大，略去局部阻力的相互干扰，即用叠加方法。试求（1）中间管中流速为何值时，总的局部水头损失最小；（2）计算总的局部水头损失，并与一次扩大时相比较。 解（1）两次突然扩大时的局部水头损失为 图6-16 中间管中流速为v，使其总的局部水头损失最小时 即 得 （2）总的

9、局部损失为 因为一次突然扩大时的局部水头损失 ，所以两次突然扩大时总的局部水头损失为一次突然扩大时的二分之一。 三、问答问题：怎样判别粘性流体的两种流态层流和紊流？ 答案： 用下临界雷诺数Rec来判别。当雷诺数ReRec时,流动为紊流。当为圆管流时,2300，当为明渠流时。(R为水力半径) 问题：为何不能直接用临界流速作为判别流态（层流和紊流）的标准？ 答案：因为临界流速跟流体的粘度、流体的密度和管径（当为圆管流时）或水力半径（当为明渠流时）有关。而临界雷诺数则是个比例常数，对于圆管流为2300（2000），对于明渠流为575（500），应用起来非常方便。 1.问题：雷诺数与哪些因数有关？其物

10、理意义是什么？当管道流量一定时，随管径的加大，雷诺数是增大还是减小？ 答案： 雷诺数与流体的粘度、流速及水流的边界形状有关。Re=惯性力/粘滞力, 随d增大，Re减小。 2.为什么用下临界雷诺数，而不用上临界雷诺数作为层流与紊流的判别准则？ 答：上临界雷诺数不稳定，而下临界雷诺数较稳定，只与水流的过水断面形状有关。 3.当管流的直径由小变大时，其下临界雷诺数如何变化？ 答：不变，临界雷诺数只取决于水流边界形状，即水流的过水断面形状。 填空：圆管层流，实测管轴线上流速为4m/s，则断面平均流速为2m/s。 1.圆管层流的切应力、流速如何分布？ 答：直线分布，管轴处为0，圆管壁面上达最大值；旋转抛

11、物面分布，管轴处为最大，圆管壁面处为0。 2.如何计算圆管层流的沿程阻力系数？该式对于圆管的进口段是否适用？为什么？ 答：否；非旋转抛物线分布 3.为什么圆管进口段靠近管壁的流速逐渐减小，而中心点的流速是逐渐增大的？ 答：连续性的条件的要求：流量前后相等（流量的定义） 问题：紊流的瞬时流速、时均流速、脉动流速、断面平均流速有何联系和区别？ 答案： 瞬时流速 ，为某一空间点的实际流速，在紊流流态下随时间脉动； 时均流速，为某一空间点的瞬时速度在时段T内的时间平均值； 脉动速度 与时均速度的叠加等于瞬时速度； 断面平均速度v，为过流断面上各点的流速（紊流是时均速度）的断面平均值。 1.紊流研究中为

12、什么要引入时均概念？紊流时，恒定流与非恒定流如何定义？ 把紊流运动要素时均化后，紊流运动就简化为没有脉动的时均流动，可对时均流动和脉动分别加以研究。紊流中只要时均化的要素不随时间变化而变化的流动，就称为恒定流。 2.瞬时流速、脉动流速、时均流速和断面平均流速的定义及其相关关系怎样？ 参考答案： 瞬时流速u，为流体通过某空间点的实际流速，在紊流状态下随时间脉动；时均流速，为某一空间点的瞬时流速在时段T内的时间平均值；脉动流速，为瞬时流速和时均流速的差值，；断面平均流速v，为过水断面上各点的流速（紊流是时均流速）的断面平均值， 。 3.紊流时的切应力有哪两种形式？它们各与哪些因素有关？各主要作用在

13、哪些部位？ 参考答案： 粘性切应力主要与流体粘度和液层间的速度梯度有关。主要作用在近壁处。 附加切应力主要与流体的脉动程度和流体的密度有关，主要作用在紊流核心处脉动程度较大地方。 4.紊流中为什么存在粘性底层？其厚度与哪些因素有关？其厚度对紊流分析有何意义？ 参考答案： 在近壁处，因液体质点受到壁面的限制，不能产生横向运动，没有混掺现象，流速梯度du/dy很大，粘滞切应力=du/dy仍然起主要作用。 粘性底层厚度与雷诺数、质点混掺能力有关。 随Re的增大，厚度减小。粘性底层很薄，但对能量损失有极大的影响。 5.紊流时断面上流层的分区和流态分区有何区别？ 粘性底层，紊流核心：粘性、流速分布与梯度

14、; 层流、紊流：雷诺数 6.圆管紊流的流速如何分布？ 粘性底层：线性分布; 紊流核心处：对数规律分布或指数规律分布。 1.管径突变的管道，当其它条件相同时，若改变流向，在突变处所产生的局部水头损失是否相等？为什么？ 不等；固体边界不同，如突扩与突缩 2.局部阻力系数与哪些因素有关？选用时应注意什么？ 固体边界的突变情况、流速；局部阻力系数应与所选取的流速相对应。 3.如何减小局部水头损失？ 让固体边界接近于流线型。 想一想：紊流时的切应力有哪两种形式？它们各与哪些因素有关？各主要作用在哪些部位？答：粘性切应力主要与流体粘度和液层间的速度梯度有关，主要作用在近壁处。附加切应力主要与流体的脉动程度和流体的密度有关，主要作用在紊流核心处脉动程度较大地方。 考考你:普兰特混合长度理论借用了气体中分子自由程的概念。 想一想：若原圆管壁面处于水力光滑壁面的水力状态，随着圆管中流速的逐渐增加，其水力状态将如何变化？ 水力光滑壁面 水力过渡壁面 水力粗糙壁面 想一想：造成局部水头损失的主要原因是什么？ 主流脱离边壁，漩涡区的形成。想一想：什么是边界层？提出边界层概念对水力学研究有何意义？ 边界层是指贴近平板很薄的流层内，速度梯度很大，粘性的影响不能忽略的薄流层。它的提出为解决粘性流体绕流问题开辟了新途径，并使流体绕流运动中一些复杂现象得到解释。 想一想：边界层内是否一定是层流