流体力学课件第四章流动阻力和水头损失

第四章流动阻力和水头损失水头损失产生的原因：一是流体具有粘滞性，二是流动边界的影响。沿程阻力和沿程水头损失在边界沿程无变化（边壁形状、尺寸、过流方向均无变化）的均匀流段上，产生的流动阻力称为沿程阻力或摩擦阻力。由于沿程阻力做功而引起的水头损失称为沿程水头损失。均匀流中只有沿程水头损失。fh§4-1流动阻力和水头损失的分类在边界沿程急剧变化，流速分布发生变化的局部区段上，集中产生的流动阻力称为局部阻力。由于局部阻力引起的水头损失称为局部水头损失。发生在管道入口、异径管、弯管、三通、阀门等管件处的水头损失，都是局部水头损失。jh局部阻力和局部水头损失总水头损失jfwhhhgvdlhf22gvhj22§4-2粘性流体的两种流态cv'cv小v大v小v大v两种流态上临界流速——由层流转化为紊流时的流速称为上临界流速。下临界流速——由紊流转化为层流时的流速称为下临界流速。cv'cvv'cvcvv层流紊流a-b-c-e-f层流紊流f-e-d-b-a把下临界流速cv做为流态转变的临界流速mfkvhvmkhflglglg层流0.1mkvhf紊流0.2~75.1m0.2~75.1kvhfvlRe＝粘滞力惯性力vdRe特征程度L以圆管直径d代替2300ecR2300ecR2300ecR层流紊流雷诺数圆管4dRvRRe575ecR明渠流vRRe575ecR575ecR层流紊流非圆管雷诺数AR湿周——过水断面上流体与固壁接触部分的周界；水力半径——过水断面面积与湿周的比值。§4-3沿程水头损失与剪应力的关系111ApP222ApP)(coscos21zzgAgAlGlTw0cos21TPGP均匀流动方程式gRlgAlhwwfgAlgpzgpzw)()(2211gRJlhgRfw0rrwwrr0gRJw''JgR圆管过流断面上剪应力分布2'rR20rR8vwgvdlhf22gvdlhJf212Jrgw2定义壁剪切速度（摩擦速度）wv*8*vv壁剪切速度则§4-4圆管中的层流ruddyuddruyuddddJrg2层流的流动特征ruJrgdd2ruJrgdd2rrJgud2dCrJgu24204rJgC20max4rgJu)(4220rrgJu圆管层流过水断面的流速分布当r=0时当r=r0时，u=02maxuvAudAAQvA)(4220rrgJu33.10.2rrrrgJrvrd2)(412020200圆管层流断面平均流速208rgJv20max4rgJu而220328gdvgrvlhJfgvdldvgdvlhf23223222沿程水头损失的计算gvdldvhf2642gvdlvdhf2642208rgJv圆管层流断面平均流速公式gvdlhf22gvdlvdhf2642gvdlvdhf2642gvdlRhef2642vdReeR64圆管层流通用公式§4-5紊流运动紊流的特征与时均化TxxttuTu0d)(1'xuuuxxTttpTp0d)(1'ppp瞬时流速、时均流速、脉动流速瞬时压强、时均压强、脉动压强断面平均流速AxAuAvd1紊流的剪应力yudd层流22''2ddyuluuyxyudd1紊流粘性剪应力紊流附加剪应力21混和长度yl——待定的无量纲常数222ddyuywyyuwd1dcyvuln1*普朗特——卡门对数分布律例：05.1~02.11.1~05.133.10.2层流紊流紊流的粘性底层5.5lg75.5**yvvu*'6.11v粘性底层流速分布粘性底层厚度yvvu**yuwddwv*yvvu**Re水力光滑管（区）sk'sk'水力粗糙管（区）水力过渡管（区）小Re大sk'定性判别标准紊流的分类2300ReⅠ区，层流区(ab线)Re644000Re2300Ⅱ区，层流转变为紊流的过渡区(bc线)(Re)f§4-6紊流的沿程水头损失尼古拉兹实验gvdlhf22)(Re,dkfs)(dkfs4000Re)(Re,dkfs(Re)fⅢ区，水力光滑区(cd线)Ⅳ区，过渡区(cd线与ef线之间)Ⅴ区，水力粗糙区(ef线之后)紊流尼古拉兹实验水力光滑区水力粗糙区水力过渡区)(dkfs)(Re,dkfs(Re)fsk'5Re0*70Re5*70Re*定量判别标准skv**Re粗糙雷诺数紊流的分类'6sksskk3.217.0'粘性底层流速分布呈线性Cyvuln1*紊流过水断面上的流速分布yvvu**紊流核心流速分布呈对数5.5lg75.5**yvvu48.8lg75.5*skyvu紊流光滑管紊流粗糙管nryuu)(0max圆管紊流的尼古拉兹公式紊流流速分布指数形式紊流过水断面上的流速分布沿程摩阻系数的半经验公式51.2Relg21光滑区沿程摩阻系数粗糙区沿程摩阻系数skd7.3lg21工业管道和柯列勃洛克公式)Re51.27.3lg(21dkssk当量粗糙适于所有紊流区柯列勃洛克公式把与直径相同、紊流粗糙区值相同的人工粗糙管的粗糙突起高度，定义为该管材工业管道的当量粗糙skd7.3lg21工业管道和柯列勃洛克公式穆迪图25.011.0dks25.0Re3164.0布拉修斯公式沿程摩阻系数的经验公式)10(Re5光滑区希弗林松公式粗糙区gC828Cggvdlhf22lhdgvf22RJCRJgv8RClvhf22谢才公式谢才公式RJCvRJACAvQ6/11RnC曼宁公式lhRCRJCvfRClvhf22gvdlhf22管流明渠流是无量刚的数，适于所有流区是有量刚的数，单位m0.5/s，只适于在阻力平方区（水力粗糙区）通用公式谢才公式两个计算沿程水头损失公式的区别：C谢才系数沿程阻力系数通用公式§4-7局部水头损失局部水头损失产生原因：（1）存在主流和固体壁面脱离的漩涡区（2）断面流速重新分布突然扩大管的局部水头损失gvgvgpzgpzhj22)()(222211221121222222111122whgvgpzgvgpzjhgvgpzgvgpz222222221111)()(sin121212122211vvQAAplgAApAp动量方程)()(sin121212122211vvQAAplgAApAp)(12122121222vvQAplzzlgAAp)()()(121222211vvgvgpzgpzgvgvvvgvhj22)(222211122122gAgvvhj2)(221gvgvgpzgpzhj22)()(2222112211gvgvAAhj22)1(22222212gvgvAAhj22)1(211212212211)1(AA2122)1(AAgvvhj2)(2212211AvAv局部水头损失gvhj220.10自由出流局部阻力系数0/21AA淹没出流1/12AA)1(5.012AA突然缩小管的局部水头损失管道入口损失系数5.0渐扩管的局部水头损失采用渐扩管前断面的流速渐缩管的局部水头损失查图4-26，采用收缩后断面的流速弯管的局部水头损失查表4-4局部阻碍之间的相互干扰§4-8边界层概念与绕流阻力流体作用在绕流物体上表面力的合力：（1）平行于来流方向的分力，称为绕流阻力；（2）垂直于来流方向的分力，称为升力。边界层普朗特认为，像空气和水那样微小粘性的流体，运动的全部摩擦损失都发生在紧靠固体边界的薄层内，这个薄层叫做边界层边界层内粘性流体、边界层外（外流区）无粘性流体，其特征是：（1）边界层为一减速流体薄层，边界层厚度沿流向增加；（2）边界层内也会出现层流及紊流流态，故有层流边界层及紊流边界层.曲面边界层及其分离现象曲面边界层的分离——在DE一段边界层内的流体是处于加速减压状态。E点以下边界层内液流是处于减速增压状态。S点由于动能减小至零而停止前进。在S点以下，若压强继续增加，就无动能可以变为压能，因此主流只有离开曲面，以减缓水流扩散，下游液体随即填补主流所空出的区域，形成旋涡，这种现象称为边界层脱离,只可能发生在有逆压梯度的区域。分离点越靠近于物体的尾部，旋涡区愈小，旋涡阻力也就愈小。压差阻力物体绕流，除了沿物体表面的摩擦阻力耗能，还有尾流旋涡耗能，使得尾流区物体表面的压强低于来流的压强，而迎流面的压强大于来流的压强，这两部分的压强差，造成作用于物体上的压差阻力。卡门涡街绕流阻力流体作用在绕流物体上的力分解为绕流阻力和升力。绕流阻力包括摩擦阻力和压差阻力两部分。pfDDDAUCDD220绕流阻力绕流阻力系数CD主要取决于雷诺数，并和物体的形状、表面的粗糙情况，以及来流的紊动强度有关，由实验决定。第四章流动阻力和水头损失本章以理论研究结合经典实验结果，阐述了流动阻力和水头损失的规律，初步展现了流动阻力理论的发展进程。gvgvdlhhhjfw22221.按流动边界条件的不同，将流动阻力及由此产生的水头损失进行分类研究。0.1)575(2300vhvRRvdRfeRe0.2~75.1)575(2300vhvRRvdRfeRegRJ3.均匀流动方程式建立了沿程水头损失与切应力的关系。不同流态切应力的产生和变化有本质不同，最终决定层流和紊流水头损失的规律不同。层流紊流2.粘性液体存在两种不同的流态——层流和紊流，临界雷诺数是判别流态的标准。不同流态，水头损失的规律不同：4.圆管层流切应力，流速按抛物线分布，沿程阻力系数，层流的。5.紊流的特征是质点掺混和紊流脉动。紊流的切应力包括粘性切应力和附加切应力两部分。流速按对数律分布。不同阻力区，沿程阻力系数不同。紊流的。drdu)(4220rrgJueR64,,6.尼古拉兹实验全面揭示了沿程阻力系数的变化规律，不同阻力区的影响因素不同：紊流水力光滑区，紊流过渡区，紊流水力粗糙区。)(eR),(dkRse)(dks)(局部障碍形状f7.局部水头损失的主要原因是主流脱离边壁，漩涡区形成。一般情况下，局部阻力系数决定于局部阻碍的形状，即。记住几种情况下的局部阻力系数。RJcvRclvhf22611RnC8．谢才公式与通用公式的适用范围，曼宁公式)(局部障碍形状fRclvhf22611RnC9．边界层现象。边界层脱离,只可能发生在有逆压梯度的区域。流体作用在绕流物体上的力分解为绕流阻力和升力。绕流阻力包括摩擦阻力和压差阻力两部分。AUCDD220