工程流体力学 教学课件 作者 闻建龙 第六章 流动阻力与水头损失.ppt

* :Jean-Charles de Borda定理 对应上游速度水头 对应下游速度水头 特例： * 三、其他管件 1. 逐渐扩大 最佳 2. 突然缩小 * 3. 逐渐缩小 四、局部阻力系数选择，计算时注意： 1. 沿程损失指的是静压差，局部损失包括两部分。 2. 当二个局部装置相距很近时，局部阻力系数不能简单相加，而应重新实验。如Z型折管。 * 2个弯管叠加： 最大阻力系数： 最小阻力系数： 3. 手册中的局部阻力系数均在阻力平方区获得的。实际局部阻力系数跟Re有关。 Jiangsu University 江苏大学 * 第六章 流动阻力与水头损失 实际流体具有粘性，流体在运动过程中因克服粘性阻力而消耗的机械能称为水头损失。 1．沿程损失 它是流体克服粘性阻力而产生的能量损失，流程越长，所损失的能量越多，沿程损失因此而得名。 * 2．局部损失 流体运动中，如果遇到因边界发生急剧变化的局部障碍（如突然扩大、阀门等），会引起流线弯曲、流体脱离边界、旋涡等，而产生水头损失，由于这种损失发生在局部范围内，故称为局部损失。 ：局部阻力系数。 如果管道由若干管段组成，并有多处局部损失，则管道总的水头损失等于各段的沿程损失和各处局部损失之和。 * 第一节 流体运动的两种流态 在19世纪初，许多研究者发现圆管流动中的水头损失与速度大小有关，当速度比较小的时候，水头损失与速度一次方成正比，而速度比较大时，水头损失与速度的二次方或接近二次方成正比。1883年英国科学家Reynolds进行了流动阻力实验。实验发现水头损失与速度的关系之所以不同，是因为流动存在两种不同的流态：层流和湍流。 一、实验装置 雷诺实验装置由稳压水箱、实验管段、测压管以及有色液体注入管组成。水箱内装有溢流挡板，使水位保持恒定，实验管段后端装有调节流量的阀门。两测压管的高差=此管段的沿程损失。 * 当水箱中水稳定后，即在定常流条件下，打开阀门，使流速由小变大，流速较小时，可以清楚地观察到管中的有色液体为一条直线，这说明水流以一种规律相同、互不混杂的形式作分层流动，称为层流。 继续开大阀门，流速逐渐增大，这时可以观察到有色液体线发生波动、弯曲，随着流速的增加，波动愈来愈烈，有色液体线断裂，变成许许多多大大小小的旋涡，此时有色液体和周围水体掺混，这种流态称为湍流。介于层流与湍流之间的流态称为过渡状态。通常将过渡状态归入湍流中。 当流态变为湍流后，如果逐渐关小阀门，可以看到有色液体线慢慢变得清晰，当流速降为某个值时，有色液体线又成一条直线，这说明流态从湍流又恢复为层流。 * 二、流态判别 层流 湍流 过渡区（归入湍流中） 雷诺通过大量的实验发现，不论管径d，运动粘度ν如何变化,无量纲量： 是个定值，称为临界雷诺数。分为下临界雷诺数和上临界雷诺数。 * 雷诺本人得到的下临界雷诺数为2300，上临界雷诺数为14000。很多学者也进行了这一实验，所得到的下临界雷数基本上等于2300，但各人所得到的上临界雷诺数的值相差很大，最高可达105。 在实际情况下，过渡区极不稳定，遇到外界扰动时，很容易变成湍流，所以通常将它归入湍流，于是将下临界雷诺数作为判别标准。对于圆管： 其他形状的管路： 2070 1930 1100 * 三、管中层、湍流的水头损失规律 对于管道中的某一平均流速，测出管段的沿程损失，并将测量数据标示在对数坐标纸上。得到 曲线。 当流速由小变大时，实验点落在ABCD上，当流速由大变小时，实验点落在DEA上。 * 第二节 圆管中的层流 流动恒定，根据牛顿第二定律， 轴向受力平衡： 一、切应力的分布 1 2 τ τ 在壁面处取得最大切应力： * 二、速度分布 由牛顿内摩擦定律 * 流量 平均流速 * 层流中动能修正系数 沿程损失 对照达西公式： 所以，层流沿程阻力系数为 * 起始段长度l:从进口速度接近均匀到管中心流速到达最大值的距离。 三、圆管的起始段 * 第三节 圆管中的湍流 一、层流向湍流的转变 前面讲过，当流动雷诺数高于某一临界值时，粘性流动就有可能从层流过渡到湍流状态。雷诺数越高，流动越容易变为湍流。但是发生过渡的雷诺数并不总是一定的，它还取决于流体所受扰动的大小。这些扰动可以是来流速度的不均匀、物体表面的粗糙、流体中掺混杂质的多少、或是来流温度的不均匀等。 在雷诺数较低时，这些扰动受到粘性阻尼作用而衰减，所以能保持层流状态。在雷诺数高到一定程度时，流体惯性力远超过粘性力，惯性力使扰动放大，当超过了粘性力的阻尼作用，扰动得到发展，最终出现湍流。 人们通过小心控制实验条件，避免各种扰动因素，可大大推迟发生过渡的雷诺数。 二、时均流动与脉动 湍流是每个流