第四章流体阻力和水头损失.ppt

1、本章将讨论具有粘性的实际流体运动，分析形成阻力的原因和分类，以及流态的变化，从而从理论上建立实际流体运动的微分方程,前言,第一节 管路中流动阻力产生的原因及分类,流阻产生的原因是多方面的。 主要原因是由于管壁界面的限制，使液流与管壁接触，发生质点与管壁间的摩擦（沿程阻力损失）和撞击（局部阻力损失），消耗能量，形成阻力。 液流的粘性，是造成流阻的根本原因。,接下来先介绍几个概念,几个概念,过流断面 湿周X：与长度一起作为影响流阻的重要参数 水力半径：R=A/X 当量直径：d=4R,注意：圆管的水力半径不是圆管半径,形成流阻的主要原因,刚才那几个概念，都属于外部条件，只能部分地影响流阻的大小。 形

2、成流阻的根本原因，还是在于液体内部的运动特性： 管道中部速度较快， 靠近管壁处流速较慢 断面改变或方向改变时会形成微旋涡。此时质点间除了摩擦外，还有相互撞击。,流阻分类,沿程阻力损失 局部阻力损失,第二节 两种流态及转化标准,雷诺实验,层流、紊流和雷诺数,层流：液体中质点沿管道作直线运动而没有横向运动，既液体作分层流动，各层间的流体互不混杂。 紊流: 液体中质点除沿管道轴线运动外，还有横向运动，呈现紊乱混杂状态。,雷诺系数 ：,临界雷诺数,对于任意一种管内液流或气流，任何流态，都可以确定出一个临界雷诺数。 实验证明，不同流体通过不同管径的管道，临界雷诺数大致相同。 习惯上取2000，即Re20

3、00认定为紊流。,！层流-紊流，是量变到质变的过程,例4-2,水管径d=100mm，流速v=0.5m/s，水的运动粘度 ， 问管内水的流态。如果管中是油，流速不变，运动粘度 求管内油的流态。 解：水的雷诺数 油的雷诺数：,水在管中呈紊流状态,油在管中呈层流状态,第三节 圆管层流分析,管路内层流通常发生在粘度较高或速度较低的情况下。 机械润滑系统 输油管道 斯托克斯公式：,几个参数计算公式,最大流速 流量,哈根-泊谡叶定理，层流时管中的流量与管直径的四次方成正比,接前页,平均流速 切应力,管道有效断面上，切应力分布随r成直线关系。,圆管层流水头损失,水平直管稳定层流，沿程阻力损失推导：,沿程阻力

4、系数，层流时取决于雷诺数Re、长径比和速度头。 若管道非水平放置，,例题,油在管径d100mm、长度L16km的管道中流动。若管道水平放置，油的密度 915kgm3， 1.86104 m2s，求每小时通过50t油的阻力损失。 解：,断面平均速度：,流动雷诺数：,层流,沿程阻力系数:,阻力损失,可见，在长距离油料输送中，沿程阻力损失是很可观的，会耗费大量的能量。,油在管径d100mm、长度L16km的管道中流动。若管道水平放置，油的密度 915kgm3， 1.86104 m2s，求每小时通过50t油的阻力损失。,第四节 圆管中的紊流,实际工程中，除了很少一部分液体以层流状态运动之外，绝大多数液体

5、都是以紊流状态运动。 由于紊流的复杂性，目前只能在实验的基础上，分析研究紊流的运动情况，在带有某些假设的条件下，得出一些半经验的结论。,一、紊流的脉动现象,紊流中，某质点的速度是随时间而毫无规则地变化。因此，任意点的压强也相应地变化，形成非稳定流。这是紊流运动的实质。 但如果瞬时流速始终在某一速度上下波动，这个速度可以称为时间平均流速（时均流速）。此时，可以近似认为紊流属于稳定流，将稳定流的基本规律应用到紊流中,二、紊流的内部结构及水力光滑管、水力粗糙管,不是整个过流断面上都是紊流状态。 边界层流层的厚度：,a）边界层流层；b）过渡层； c）紊流核心,紊流沿层阻力系数,表面粗糙度与边界层厚度之

6、间的关系,当 时，水力光滑管。沿程阻力损失与雷诺数有关，与壁面粗糙度无关。 当 时，水力粗糙管。 ，沿程阻力损失与雷诺数无关，与相对粗糙度有关 介于两者之间，称为混合摩擦管。,紊流切应力及速度分布规律,紊流状态时，层流边界层只有内摩擦切应力的作用； 紊流核心中，主导作用是惯性切应力； 过渡层中，两种力都起作用,公式4-18可略。很少使用该公式。记住速度分布曲线大致形状即可,紊流过流断面流速分布,特点： 在层流边界层和过渡区内，速度仍是按抛物线分布，且速度梯度很大； 在紊流核心区，由于质点相互剧烈混杂的结果，各个质点的速度被均匀化了， 因此速度梯度较小，速度大 致按对数曲线分布。因此， 紊流时均

7、速度与断面上的 平均速度v甚为接近。,第五节 沿程阻力系数实验分析,由于紊流的复杂性，从解析法无法完整地揭示其运动规律，只能通过实验的方法，提出一些误差较小的经验公式，效果比较不错。,一、达西公式,即管路沿程阻力损失的计算通式：,不同流态下，具有不同的值,见p96，表4-1和4-2,7.7 圆管紊流的沿程损失系数,尼古拉兹实验（1933-1934）-莫迪图,区（bc线，lgRe=3.33.6，Re=23204000） 过渡区=f（Re）,区（cd、ef之间的曲线族） 紊流过渡区=f（Re，k/d）,区（ef右侧水平的直线族） 紊流粗糙区（阻力平方区）=f（k/d）,区（ab线，lgRe3.3，Re2320） 层流=f（Re）,区（cd线，lgRe3.6，Re4000） 紊流光滑区=f（Re） k/d大的管子在Re较低时离开此线,计算意义不大,常用的经验公式系数,层流 伯拉休斯公式系数 伊萨耶夫公式系数 尼古拉兹公式系数,非圆管的转换,以上计算水力摩阻的公式，也可以计算非圆截面管路。按照水力半径相等来转化，即将非圆截面的水力半径折算为当量直径。,第六节 局部阻力损失的计算,计算公式,局部阻力的相当长度,即等效长度。将局部阻力损失，折算为某个长度的沿程阻力损失。可以通过查表，简化一些计算。,例题,图示直径为d500mm的引水管从上游水库引水至下游水库，管道