流体力学放映6章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第 六 章,流动阻力,和水头损失,1/30/2026,1,学习重点,掌握两种流体运动型态，及沿程损失、局部,损失的计算方法，此部分应做到深刻理,解，熟练运用；,了解沿程损失及局部损失的成因。,理解圆管层流运动的规律,1/30/2026,2,61,流动阻力和水头损失,一、水头损失分类,1,、流动阻力,由于流体存在粘性（,内 因,）及由固体边壁,发生变化（,外因,）所产生的阻碍流体运动的,力。,1/30/2026,3,（,1,）沿程阻力,（,2,）局部阻力,由流体粘性所产生的阻碍流体运动的力。,由固体边壁发生改变所产生的阻碍,流体运动的力。,2,、分类：,1/30/2026,4,3,、能量损失的分类：,（,2,）,局部损失,h,j,（,1,）沿程损失,h,f,流体克服,沿程,阻力所损失掉的能量。,流体克服,局部,阻力所损失掉的能量。,能量损失,流体克服流动阻力所损失掉的能量。,h,w,=,h,f,+,h,j,总能量损失：,1/30/2026,5,二、水头损失计算,1,、沿程损失的普遍表达式,达西公式,适用于圆形管路,适用于非圆形管路,适用于,层流,与紊流,1/30/2026,6,R,水力半径,h,b,R,水力半径,;,湿周,为过流断面与固体边壁相接触的周界。,x=b+2h,R=,A,x,1/30/2026,7,2,、局部损失计算式：,g,v,h,j,2,2,z,=,据实验测得。可查相关表格。,1/30/2026,8,62,粘性流体的两种流动型态,1,层流,2,紊流,一、两种流动型态,流体质点作规则运动，相互不干扰，流,体质点的运动轨迹与流向平行。,流体质点在流动过程中发生相互混掺，,流体质点的轨迹与其流向不平行。,1/30/2026,9,1,、雷诺实验,1,、实验装置,：,Q,h,f,1/30/2026,10,1/30/2026,11,2,、实验方法：,使水流的速度分别,由大到小,由小到大,改变。,观测现象，并测出相应的数值（,v,、,h,f,）。,1/30/2026,12,3,、,实验结果与分析：,（,1,）实验现象：,1,流速,v,由小大：,当,v,v,c,时，玻璃管中的红线消失；,2,流速,v,由大小：,当,v,v,c,时，玻璃管中的红线又重新出现。,v,c,上临界流速,；,v,c,下临界流速,。,1/30/2026,13,（,2,）流态的划分：,v,c,v,v,c,v,v,c,层流；,紊流；,可为层流也可为紊流，保持原有流态。,1/30/2026,14,（,3,）流速,v,与沿程损失,h,f,的关系,在雷诺实验中，测得多组,h,f,与,v,的值，得到,v,h,f,的对应关系，在对数纸上点绘出,v,h,f,关系曲线，如图所示。,lg,v,c,lg,v,lg,h,f,lg,v,c,A,B,D,C,E,45,0,k,2,=1.752.0,k,1,=1.0,1/30/2026,15,1,当流速由小到大时,曲线沿,AEBCD,移动；,2,当流速由大到小时,曲线沿,DCEA,移动。,lg,v,c,lg,v,lg,h,f,lg,v,c,A,B,D,C,E,45,0,1/30/2026,16,二、流态的判别标准,临界雷诺数,R,ec,下临界雷诺数,=,2000,2300,=,500,575,1,、圆管：,2,、非圆管：,1/30/2026,17,63,沿程水头损失与切应力的关系,本节只对简单均匀流作分析，找出,h,f,与,的关系。,以圆管为例,一、均匀流基本方程,1,、沿程损失：,因为流体的流动是恒定、均匀流，,所以有：,1/30/2026,18,故有：,2,、均匀流基本方程,如果流体的流动为均匀流，则流体的受力应平衡。,1,1,2,2,Z,1,Z,2,1/30/2026,19,（,1,）分析受力，如图：,p,1,p,2,v,G,1,2,2,l,1,重力：,G,=,gLA,(,),惯性力：,0,1,质量力：,1/30/2026,20,2,表面力：,F,s,=,0,2r,0,L,(,-,),p,2,A,2,(,-,),p,1,A,1,(,+,),侧面所受切力：,两断面所受压力：,p,1,p,2,v,G,1,2,2,l,1,1/30/2026,21,（,2,）基本方程：,适用于层流与紊流，只要是均匀流即可。,1/30/2026,22,二、,圆管过流断面上切应力分布规律：,表明有压圆管,均匀流过流断面,上切应力呈直线,分布。,1,、公式：,1/30/2026,23,v,*,动力速度、,阻力速度、剪切速度。,三、阻力速度,1,、,阻力速度：,由此可得,1/30/2026,24,一、流动特征,64,圆管中的层流运动,dr,du,m,t,-,=,（,1,）,（,2,）,u,max,w,1/30/2026,25,二、流速分布、流量、平均流速,),(,4,2,2,0,r,r,J,u,-,=,m,g,2,Jr,g,t,=,dr,du,m,t,-,=,积分,由,1,、流速分布,1/30/2026,26,（,2,）管轴中心处流速最大，为：,注：,（,1,）圆形管路的流速分布呈二次抛物面形状；,（,3,）管壁处流速最小，为：,u,min,=0,1/30/2026,27,2,、流量：,2,max,u,A,Q,v,=,=,3,、断面平均流速：,1/30/2026,28,三、圆管层流沿程损失计算,1/30/2026,29,1,、在雷诺实验中，已知如果流体的流态为,层流,，,则有：,h,f,=k v,。,而由以上理论也证明,h,f,与,v,的一次方成正比。,2,、在圆管,层流,中，,只与,R,e,有关。,即,：,=f(R,e,),且：,1/30/2026,30,本节将着重介绍与,湍流流动阻力,、,能量损失,有关的湍流理论，即一般理论。湍流运动较为复杂，到目前尚处于半经验阶段，此处只介绍与流动阻力损失有关的理论。,65,紊流理论,1/30/2026,31,一、粘性底层、光滑壁面、粗糙壁面,1,、粘性底层,在湍流流动中，紧靠固体边壁的一层极薄的流层。,特点：,1,流动近似层流；,2,时均流速为线性分布；,3,紊流附加切应力可忽略。,1/30/2026,32,2,、光滑壁面,（,1,）绝对粗糙度,粗糙凸出固体壁面的平均高度。,（,2,）相对粗糙度,绝对粗糙度与过流断面上某一特性,几何尺寸的比值。,（,3,）光滑度,相对粗糙度的倒数。,1/30/2026,33,（,4,）光滑壁面（水力光滑管、湍流光滑管）,粘性底层厚度大于粗糙凸出的高度，,壁面粗糙对流动阻力、能量损失不起,作用，似光滑壁面。,3,、粗糙壁面,粘性底层不足以掩盖粗糙厚度粗,糙对湍流流动有影响。,1/30/2026,34,湍流核心,粘性底层,过渡层,0,粗糙壁面,光滑壁面,1/30/2026,35,66,紊流沿程损失计算,任务：,确定紊流流动中,的值。,可由实验、综合得出经验公式。,一、尼古拉兹实验,1,、实验方法：,（,1,）选择一组不同相对粗糙度的人工粗糙管。,=f(R,e,，/d),1/30/2026,36,（,2,）实验装置：,h,f,l,1/30/2026,37,（,3,）具体实验内容：,对不同相对糙度的管路，分别测得一系列,Q,，,h,f,，,t,，,L,，,d,。,1,计算：,1/30/2026,38,2,做,R,e,曲线（如图）,l,g,(100,),1/30/2026,39,l,g,(100,),r,0,/,k,s,大,小,2,、实验分析,（据,的变化特征分为五个区）：,（,1,）层流区（,区,）：,R,e,2000，=,f,(,R,e,),（,2,）,层流湍流过渡区（,区,）,2000,R,e,2000，=,f,(,R,e,),（,4,）,湍流光滑管湍流粗糙管过度区（,区）：,=,f,(,R,e,，,k,s,/,d,),（,5,）,湍流粗糙管区、阻力平方区（,区,）：,=,f,(,k,s,/,d,),l,g,(100,),r,0,/,k,s,大,小,1/30/2026,41,3,、,计算,（,1,）相关公式,（,2,）图表,莫迪图,617,半经验,半,理论公式,（,633,）光滑管区,（,634,）粗糙管区,1/30/2026,42,二、,速度分布,1,、紊流光滑管区,3,、紊流光滑管紊流粗糙管过度区,2,、紊流粗糙管区、阻力平方区,式,630,上两式综合,式,631,1/30/2026,43,三、沿程阻力系数经验公式,1,、经验公式,布拉修斯公式：,希弗林松公式：,式,639,式,640,1/30/2026,44,2,、谢才公式,通常用于明渠均匀流。,所以有,：,1/30/2026,45,（,1,）曼宁公式：,（,2,）,巴甫洛夫公式：,适用于阻力平方区,3,、谢才系数,1/30/2026,46,67,局部损失,局部损失与沿程损失一样，不同的流态所,遵循的规律也不同。,层流区：,h,j,v,湍流区：,h,j,v,2,目前能用理论公式推导出的只有突然扩大的局部损失计算，其它计算均由实验而得。因大多数的流动为紊流，故在此只研究紊流时的局部损失计算。,1/30/2026,47,一、局部损失分析,突扩,1,、损失产生的部位：,三通,非均匀流段（如固体边壁发生突变、流,体流向发生改变等）。,1/30/2026,48,2,、损失产生的原因：,流体中有,旋涡,产生。,（,1,）当固体边壁发生突变时，流体由于存在惯性，不,能随边壁发生突变，故在主流与边壁之间形成大,量的旋涡，加剧湍流的脉动，这是引起损失的主,要原因。另外旋涡区的涡体不断被带向下游，又,加剧了下游一定范围内的能量损失，而旋涡区不,断产生新的涡体，其能量来自主流，从而又不断,消耗主流的能量。,1/30/2026,49,在管道弯曲段所产生的与主流方向正交的流动。,二次流,（,2,）二次流也是损失产生的原因。,二次流使,局部损失,进一步加,剧。,H,E,G,F,E,H,由于受离心力作用，,E,点压强增加；,H,点压强减少。,E,处：,p,；,H,处：,p,。,两侧壁,G,、,F,压强不变。,1/30/2026,50,（,1,）突变处的局部损失；,（,2,）下游一定影响范围内的局部损失。,局部阻碍在下游一定范围内的,影响距离,。,影响长度,3,、局部损失的构成：,1/30/2026,51,g,v,h,j,2,2,z,=,二、局部损失计算公式,=,f,(,R,e,/,d,，,断面改变,),，,可由实验得到或 查相关表格。,1/30/2026,52,三、几种典型的局部损失计算,1,、突扩管路局部损失计算,:,g,v,g,v,A,A,h,j,2,2,),1,(,2,1,1,2,1,2,2,1,z,=,-,=,g,v,g,v,A,A,h,j,2,2,),1,(,2,2,2,2,2,2,1,2,z,=,-,=,或,：,可依据,动量方,程、能量方程、,连续性方程,推,导之。,1,1,2,2,1/30/2026,53,公式推导的几个假设条件：,（,1,）,1,=,2,=,1,=,2,=1.0,（,2,）,沿程损失忽略不计，即,:,h,f,=0,（,3,）,可近似地认为过流断面为渐变流过流断面。,（,4,）环行断面上的动压分布符合静压分布。,p=,p,C,A,1/30/2026,54,如表,6-5,2,、其它可参照局部系数表格,四、各种局部阻力之间的相互干扰,书上表格中所给出的局部损失系数一般是指在局部阻碍前后都有足够长的管段，使流入和流出局部阻碍的流动具有恢复均匀流正常流速分布与脉动强度的条件下所测得的。局部损失也包括阻碍范围内的损失及影响长度内的附加损失。当两局部阻碍较近时，会产生相互干扰，而相互干扰的结果则有可能使损失增大，也有可能使其减小。故对一般的局部损失应加以修正。但目前尚无甚解决办法，在实际工程中为安全起见，通常按互不影响来单独计算之，然而再相加。,1/30/2026,55,四、水头线及其绘制,1,、水头线,表示总流沿程能量变化的几何图示。,2,、水头线的绘制,步骤：,1,先定基准线和总流的中心线（管轴线）；,2,绘总水头线，为此先求出起始断面的总水头,值，以确定总水头线的起点；,1/30/2026,56,4,从起始断面的总水头依次减去各项损失，得各断,面的总水头，并连成总水头线。,3,计算各项局部水头损失和各段的沿程水头损失；,假设沿程损失沿管线均匀发生，表现为沿管长倾,斜下 降的直线。局部损失假设在局部障碍处集中作,用，表现为铅直下降的直线。,5,由总水头线向下减去各管段的流速水头，即得测压,管水头线。,等直径管段中，测压管水头线应与总水头线平行。,1/30/2026,57,0,0,v,1,v,2,v,3,v,2,h,j2,h,f1,h,j1,h,f2,h,j3,h,f3,h,j4,h,f4,1/30/2026,58,