流动阻力和能量损失分析.pptx

流 体 力 学 Hydromechanics 第六章 流动阻力和水头损失 §6-1 流动阻力和水头损失的分类 §6-2 流体的两种流动形态 §6-3 没程水头损失与剪应力的关系 §6-4 圆管的层流运动 §6-5 紊流运动 §6-6 紊流沿程损失 §6-7 局部水头损失 能量损失有两种表示方法 对于液体，常用单位重量液体的能量损失（水头损失）hw来表示，是用液注高度来量度的 能量损失的分类 沿程水头损失hf 当固体边界的形状和尺寸沿程不变时，液流在长直流段中的水头损失 局部水头损失hj 当固体边界的形状、尺寸或两者之一沿流程急剧变化时所产生的水头损失 §6-1 流动阻力和水头损失的分类 沿程水头损失的计算公式 局部水头损失的计算公式 §6-1 流动阻力和水头损失的分类 §6-2 流体的两种流动形态 雷诺实验 沿程损失hf的测量 边界不变时，水头损失只有沿程水头损失 §6-2 流体的两种流动形态 一定流速的等直管道流动的一段流程沿程水头损失 就是这段流程两端的测压管水头之差 临界流速 上临界流速 下临界流速 沿程损失与平均流速的关系 层流：m1=1， hf ~ v1 紊流：m2=1.75~2，hf ~ v1.75~2 §6-2 流体的两种流动形态 §6-2 流体的两种流动形态 雷诺实验的意义 揭示了流体运动的两种流态：层流、紊流（湍流） 这两种流体的运动机理完全不同，则相应的物理性质也不同 分析能量损失时，必须先判断流态 流动型态的判别准则—临界雷诺数 虽然下临界流速比较稳定，但应用不便 流态的不同归根为流体有粘性、速度、尺度的关系 采用无量纲数来反映这一种普遍规律 — 雷诺数 §6-2 流体的两种流动形态 流动型态的判别准则—临界雷诺数 管道雷诺数及其临界雷诺数 明渠雷诺数及其临界雷诺数 §6-2 流体的两种流动形态 §6-2 流体的两种流动形态 充满流体的矩形管道的湿周，是多少？ 雷诺数的意义 §6-2 流体的两种流动形态 雷诺数为流体惯性力和粘滞力之比 沿程损失与剪应力的关系—— 均匀流基本方程 受力分析 两端断面上的动水压力 与固体边界接触面上的切力（阻力） 控制体所受到的重力 控制体内部的切应力为内力 §6-3 沿程水头损失与剪应力的关系 什么是均匀流？ 它的流线特性是什么？ 恒定均匀流 流束的受力平衡方程，即合力为零 §6-3 沿程水头损失与剪应力的关系 沿程损失与剪应力的关系—— 均匀流基本方程 §6-3 沿程水头损失与剪应力的关系 沿程损失与剪应力的关系—— 均匀流基本方程 由伯努利方程得 有压圆管流的水力半径为 —— 均匀流基本方程 （均匀流基本方程对管流和明渠均适用，对层流和紊流均适用） §6-3 沿程水头损失与剪应力的关系 流体内部切应力分布 取任意半径r的流管，重复上述推导过程 §6-3 沿程水头损失与剪应力的关系 摩擦速度（壁剪切速度） §6-3 沿程水头损失与剪应力的关系 每一圆筒层表面的切应力： §6-4 圆管中的层流运动 大多数的流动多为紊流，层流较小 低流速的输油管道 圆管均匀层流流动特征 圆管均匀层流流动特征 流速分布 §6-4 圆管中的层流运动 圆管均匀层流流动特征 由边界条件 §6-4 圆管中的层流运动 圆管均匀层流流动特征 流量 §6-4 圆管中的层流运动 圆管均匀层流流动特征 断面平均流速 §6-4 圆管中的层流运动 圆管均匀层流流动特征 动能校正系数和动量校正系数 §6-4 圆管中的层流运动 圆管均匀层流流动特征 沿程水头损失hf 沿程水头损失系数 对圆管层流 §6-4 圆管中的层流运动 §6-5 紊流运动 层流向湍流的转变—转捩 过程非常复杂，仍然是当前流体力学中重要的研究课题 湍流的微观运动：涡的运动 层流运动中无涡 湍流流动特征 微观：随机的小涡结构运动 宏观：大尺度结构（拟序结构） 什么是涡？ 流体质点围绕某一点做类圆周运动的流动结构图 §6-5 紊流运动 涡的形成过程 湍流运动的特征——脉动 在运动过程中，流体质点具有不断互相混掺的现象 流区内各点的流速、压强等运动要素发生脉动（涨落）现象 由密集、复杂的涡系统互相叠加引起 §6-5 紊流运动 研究湍流运动的基本方法——时均法 §6-5 紊流运动 这个结论适用于速度其他空间方向分量，以及压强等运动要素 脉动强度 紊动强度 在时均意义上，有关流线、流管、均匀流、非均匀流、恒定流和非恒定流等概念对湍流均适用 §6-5 紊流运动 湍流的基本方程——雷诺（应力）方程 时均量适用于连续性方程、N-S方程 瞬时量同样