流体力学 Char05 流动阻力与水头损失20110505

温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.1/1242020/2/10工程流体力学第五章流动阻力与水头损失温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.2/1242020/2/10第五章流动阻力与水头损失§5-1概述§5-2粘性流体的流动型态§5-3均匀流基本方程§5-4圆管中的紊流运动§5-5边界层理论§5-7局部水头损失温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.3/1242020/2/10第五章流动阻力与水头损失(4学时)一、本章学习要点:•流动阻力与水头损失的基本概念•粘性流体的流动型态•沿程水头损失•圆管中的层流运动•圆管中的紊流运动•局部水头损失温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.4/1242020/2/10二、本章重点掌握:•沿程水头损失的计算•局部水头损失的计算第五章流动阻力与水头损失(4学时)温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.5/1242020/2/10§5-1概述一、章目解析•从力学观点看，本章研究的是水流阻力.产生水流阻力的原因：•内因：粘性＋惯性；•外因：外界干扰.•从能量观点看，本章研究的是能量损失(水头损失).温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.6/1242020/2/10二、研究内容•内流(如管流、明渠流等)：研究hw的计算(本章重点)•外流(如绕流)：研究CD的计算§5-1概述温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.7/1242020/2/10三、水头损失的两种形式•hf：沿程水头损失，由摩擦引起•hj：局部水头损失，由局部干扰引起总水头损失：jfwhhh§5-1概述温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.8/1242020/2/10水头损失在工程上的意义水头损失的数值大小直接关系到动力设备容量的确定，因而关系到工程的可靠和经济性。如右图，水泵供水示意图。据供水要求，水泵将水池中水从断面１－１提升到断面２－２。静扬程Ｈg：断面１和２的高程差Ｈg。扬程Ｈ：静扬程加水头损失hw。即：gwHHh当水泵提供的Ｈg为定值时，若水头损失hw增大，则Ｈg减小，因而不能满足生产需要；若需Ｈg一定，则需增大Ｈ，即增大动力设备容量，可见动力设备的容量，与管路系统的能量损失有关，所以只有正确计算水头损失，才能合理的选用动力设备。g§5-1概述温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.9/1242020/2/10液流的横向和纵向边界对水头损失有影响§5-1概述温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.10/1242020/2/10这种影响可以通过水力半径来反映水力半径R湿周X面积A矩形断面圆形断面42dAbhAdhb24dRhbbhR2§5-1概述温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.11/1242020/2/10水头损失的两种形式液体的粘滞性是液体能量损失的根本原因，据边界形状和大小是否沿程变化和主流是否脱离固体边界壁或形成漩涡，把水头损失分为沿程水头损失和局部水头损失两大类。当固体边界的形状和大小沿程不变，液流在长直流段中的水头损失称为沿程水头损失。在产生沿程损失的流段中，流线彼此平行，主流不脱离边壁，也无漩涡发生。一般，在均匀流和渐变流情况下产生的水头损失只有沿程损失。)(fh22flhdg242flhRg非圆管水流：圆管水流：λ：沿程损失因数；R：水力半径温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.12/1242020/2/10水流在全过程中，如有若干段直流段及边界有若干处突然改变，而各个局部损失又不影响时，水流流经整个流程的水头损失是各沿程损失和各个局部损失的代和，即：（水流损失叠加原理）jfwhhh当固体边界的形状、大小或两者之一沿流程急剧变化所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，主流与边界往往分离并发生漩涡，如水流在管道突然收缩或流经阀门和突然扩大处。jh22jhgζ：局部损失因数水头损失的两种形式温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.13/1242020/2/10沿程水头损失和局部水头损失从本质上讲都是液体质点之间相互摩擦和碰撞，或者说，都是液流阻力做功消耗的机械能。产生沿程损失的阻力是内摩擦力，称这种阻力为沿程阻力。在产生局部损失的地方，由于主流与边界分离和漩涡的存在，质点间的摩擦和撞加剧，因而引起的能量损失比同样长度而没有漩涡时的损失要大得多，称这种阻力为局部阻力。思考：能量损失产生的原因？能量损失的内因：液流内部存在粘滞性能量损失的外因：流动要克服边界阻力做功水头损失的两种形式温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.14/1242020/2/10二.恒定均匀流的沿程水头损失0sin21gAllApAplzz21sin)]()[(2)]()[(22112211gpzgpzrlggpzgpzlgA切应力在边壁最大00rr1p2pGlfhgVgpzgVgpz222222221111能量方程:)()(2211gpzgpzhfJrhrlf22000水力坡度:lhJfszpgpgz基准面总水头线whgV2211gV2222002rlhf量纲分析:208V沿程阻力的计算gVRlhf242)(Re,df其他断面gVdlhf22温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.16/1242020/2/10减小沿程水头损失的措施减小管长选择合理的经济流速，适当增大管径减小管壁的绝对粗糙度提高液体温度，以减小动力粘滞系数使用圆管温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.17/1242020/2/10减小局部水头损失的措施减小局部组件个数改善局部组件形状进口采用圆弧光滑过渡改边界突变为渐变采用较大的转弯半径温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.18/1242020/2/10§5-2粘性流体的流动型态一、雷诺实验简介•1883年英国物理学家雷诺对粘性流体进行实验，提出了流体运动存在两种型态：层流和紊流.温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.19/1242020/2/10OsborneReynolds(1842-1916)UnitedKingdom雷诺（O.Reynolds，1842-1912）1883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态──层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数──雷诺数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流动阻力的研究奠定了基础。§5-2粘性流体的流动型态温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.20/1242020/2/101883年英国物理学家雷诺（ReynoldsO.）通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态。1.层流层流（laminarflow），亦称片流：是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。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。§5-2粘性流体的流动型态温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.21/1242020/2/10层流：液体质点作有条不紊的线状运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不混掺。§5-2粘性流体的流动型态温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.22/1242020/2/102.紊流紊流（turbulentflow），亦称湍流：是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。（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。§5-2粘性流体的流动型态紊流：液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺。温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.24/1242020/2/10实验表明：流态发生转变的临界速度与流体的运动粘度成正比，与管道直径成反比，其比例系数称为临界雷诺数。ccvRed上式表明：流体的粘度越大，或管径越小，流态就容易保持层流。由上式，临界雷诺数的表达式为：ccdRev雷诺数Re是一个量纲为一的特征参数，可以用来描述流态。雷诺数表征流动的惯性力与粘性力的比值。雷诺数越大，惯性力对流动的影响就越大，粘性力对流动的影响就越小。§5-2粘性流体的流动型态温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.25/1242020/2/10Bloodflowisnormallylaminarandsilent.Turbulentflowcausesnoise.NoflowTurbulentflowLaminarflowsphygmomanometer§5-2粘性流体的流动型态温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.26/1242020/2/10•nfVh在观察现象的同时，测量，绘制的关系曲线.Vhf,Vhflg~lg•层流：0.1Vhf•紊流：0.2~75.1Vhf§5-2粘性流体的流动型态温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.27/1242020/2/10二.沿程损失与流速的关系VmkhflglglgmfkVh层流(AC段)hf与V的1次方成正比；紊流(D点后)hf与V的2次方成正比。ABCDEVlgfhlgkV'kV§5-2粘性流体的流动型态在观察现象的同时，测量，绘制的关系曲线.Vhf,Vhflg~lg•层流：0.1Vhf•紊流：0.2~75.1Vhf温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.28/1242020/2/10三、流态判别1.试验发现)(40000~12000Re)(2300Re不稳定较稳定dVdVcccc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。§5-2粘性流体的流动型态温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.29/1242020/2/102.判别标准•圆管：)(2300)(2300Re紊流层流Vd取2300RedVcc§5-2粘性流体的流动型态温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.30/1242020/2/10•非圆管：442dddR定义水力半径为特征长度.相对于圆管有AR式中：R——水力半径，R=A/x；A——过水断面面积；x——湿周，即断面中固体边界与流体相接触部分的周长。§5-2粘性流体的流动型态温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.31/1242020/2/10)(575)(575Re紊流层流Vd故取575423004RedVRVccc§5-2粘性流体的流动型态【例5.1】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。温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.33/1242020/2/10【例5.2】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。A.对B.错【例5.3】怎样判别粘性流体的两种流态——层流和紊流？【例5.4】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？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，对于明渠流为575，应用起来非常方便。例题讲解温州大学本科生课程――《工程流体力学》No.34/1242020/2/10【例5.