3 流体力学_流动阻力计算

授课:陈礼余华明使用教材:《制冷流体机械》流体性质及静力学基本知识第一节沿程损失与局部损失在均匀流动中，流体只受到沿程不变的切应力，称为沿程阻力。与长度成正比，与管径成反比。由于流体局部的非均匀流动产生的阻力损失，称为局部阻力损失。串联管路水头线，测压管水头线gvdlhf22gvKhj22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。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。第二节两种流态与圆管内的流动一、层流与紊流1、层流（laminarflow）的定义亦称片流，是指流体质点不互相混杂，流体质点作有条不紊的有序的直线运动。特点：（1）有序性。水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。（2）粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。（3）能量损失与流速的一次方成正比。（4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。一、层流与紊流2、紊流（turbulentflow)亦称湍流，是指随流速增大，流层逐渐不稳定，质点相互混掺，流体质点沿很不规则的路径运动。特点：1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动。2）紊流受粘性和紊动的共同作用。3）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。（4）在流速较大且雷诺数较大时发生紊流就是压力表指针不断摆动的原因。想一想：城市污水管网中的出水口（淹没出流）附近的流体流动属于层流还是紊流？二、雷诺实验二、雷诺实验实验曲线分为三部分：（1）ab段：当υυc时，流动为稳定的层流。（2）ef段：当υυ''时，流动只能是紊流。（3）bc段：当υcυυ''时，流动可能是层流（bc段），也可能是紊流（bde段），取决于水流的原来状态。二、雷诺实验实验结果的数学表达式层流：m1=1.0,hf=k1v,即沿程水头损失与流线的一次方成正比。紊流：m2=1.75~2.0,hf=k2v1.75~2.0，即沿程水头损失hf与流速的1.75~2.0次方成正比三、层流、紊流的判别标准——临界雷诺数上临界雷诺数：层流→紊流时的临界雷诺数，它易受外界干扰，数值不稳定。下临界雷诺数：紊流→层流时的临界雷诺数，是流态的判别标准，它只取决于水流边界的形状，即水流的过水断面形状。问题1：变直径管流中，细断面直径d1，粗断面直径d2=2d1，则粗细断面雷诺数关系是当Re2300是流动必为层流，Re2300时将发生湍流。三、层流、紊流的判别标准——临界雷诺数判断：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。想一想：1.怎样判别粘性流体的两种流态——层流和紊流？2.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？例题1第三节圆管的沿程损失的计算一、影响因素层流紊流二、尼古拉兹实验曲线观看图片第1区——层流区，λ=f(Re)，λ=64/Re。第2区——层流转变为紊流的过渡区，λ=f(Re)。第3区——水力光滑管区，紊流状态，Re4000,λ=f(Re)。第4区——由“光滑管区”转向“粗糙管区”的紊流过渡区，λ=f(Re,Δ/d)。第5区——水力粗糙管区或阻力平方区，λ=f(Δ/d)。水流处于发展完全的紊流状态，水流阻力与流速的平方成正比，故又称阻力平方区。圆管紊流的流动分区：光滑区、粗糙区、过渡区。三、管道紊流沿程阻力计算1、当量糙粒高度的概念当量粗糙高度，是指和工业管道粗糙管区l值相等的同直径人工粗糙管的粗糙高度。工业管道的“当量粗糙高度”反映了糙粒各种因素对沿程损失的综合影响。2、莫迪图的概念3、各种经验公式圆管流体流动流态特点四、非圆管道流动沿程损失计算1、水力半径液流与固壁接触的周长，称为湿周。过流断面面积与湿周之比称为水力半径。问题：半圆形明渠，半径r0=4m，水力半径为：四、局部损失计算工程管路系统中的局部损失主要发生在管的出入口、管截面变化部位、弯头和三通、各种阀门等部件中。引起局部能量损失的原因主要是：（1）截面变化引起速度重新分布；（2）流体微团相互碰撞和增加摩擦；（3）流动分离形成涡旋等。大多数部件内流场都十分复杂，难以对局部损失作解析分析，因此一般均由实验测定。1.局部水头损失hj的一般表达式式中：ξ——局部水头损失系数想一想：造成局部水头损失的主要原因是什么？四、局部损失计算2.突然扩大管道的ζs的确定四、局部损失计算3、管道突然缩小的损失系数ζs四、局部损失计算4、管道进口的损失系数ζs四、局部损失计算5、管道出口的损失系数ζs管道突然扩大到水池或容器为1考考你：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？2.局部阻力系数与哪些因素有关？选用时应注意什么？3.如何减小局部水头损失？四、局部损失计算6、弯管的损失系数ζs对同样长度的等截面管，弯管的损失明显大于直管，这是由于在管内产生二次流,增加粘性摩擦及在管内侧出现分离区的缘故。四、局部损失计算6、弯管的损失系数ζs对同样长度的等截面管，弯管的损失明显大于直管，这是由于在管内产生二次流,增加粘性摩擦及在管内侧出现分离区的缘故。四、局部损失计算7、阀门的损失系数ζs阀门是控制管内流量的主要部件，按结构分类主要有球阀、闸阀和蝶阀。阀门的局部损失系数与其开启度直接有关，例如闸阀，开启度为零时（关闭状态）K→∞，开启度为100%（全开状态）时，K=0.1。当开启度为100%时，三种阀门的局部损失系数比较为：闸阀蝶阀球阀。8、过滤网9、三通例三