土木-流动阻力和能量损失.ppt

例1 教材P75，例4.1 例题2 教材P80 例4.2 进一步分析时均流速与脉动速度 取△A，时间T内流经△A的流量 ∴ Fluid Mechanics 流体力学 第 4 章 流动阻力和能量损失 根据流体接触的边壁沿程是否变化，把能量损失分为两类： 沿程损失 hf 和局部损失 hm。 4.1 沿程损失和能量损失 1 两种流动阻力与损失 在边界急剧变化的区域，阻力主要地集中在该区域内及其附近，这种集中分布的阻力称为局部阻力。克服局部阻力的能量损失称为局部损失。引起局部阻力的原因是由于旋涡区的产生和速度方向和大小的变化。 在边壁沿程不变的管段上，流动阻力沿程也基本不变， 称这类阻力为沿程阻力。克服沿程阻力引起的能量损失称 为沿程损失。沿程损失沿管段均布，与管段的长度成正比。 4.1 沿程损失和能量损失 达西公式 沿程阻力系数 沿程阻力系数ζ 由实验确定。 整个管路的能量损失等于各管段的沿程损失和各局部损 失的总和。即 4.1 沿程损失和能量损失 粘性流体的两种流态 4.2 层流、紊流与雷诺数 ① 两种流态 1883年英国物理学家雷诺在如下装置上进行了实验。 * * 4.2 层流、紊流与雷诺数 ② 流态的判别准则—— 临界雷诺数 对于任何管径和任何牛顿流体，临界雷诺数均为： 圆管流态的判别条件是： 层流： 紊流： 对非圆管，引入水力半径 ，有 4.2 层流、紊流与雷诺数 均匀流方程 4.3 圆管中的层流 列断面1-1和 2-2能量方程： 列力平衡方程： 均匀流动方程式 同理： 所以： 上式表明圆管均匀流中，切应力与半径成正比，在断 面上按直线规律分布，轴线上为零，在管壁上达最大值。 4.3 圆管中的层流 ssss 其中J为水力坡度，定义单位长度的沿程损失，表达式为： 1 圆管中的层流 ① 流速分布规律 圆管中的层流运动，可以看成无数无限薄的圆筒层，一 个套着一个地相对滑动，各流层间互不掺混。各流层间的切 应力大小满足牛顿内摩擦定律和均匀流基本方程。 4.3 圆管中的层流 即断面流速分布是以管中心线为轴的旋转抛物面。管轴上 r = 0时，达最大流速： 4.3 圆管中的层流 ② 平均流速 即平均流速等于最大流速的一半。 4.3 圆管中的层流 ③ 沿程损失与沿程阻力系数 圆管层流的沿程阻力系数： ④ 动能修正系数α 和动量修正系数α0 层流时，分布不均匀，两个系数值较大，不能近似为1 。 4.3 圆管中的层流 紊流运动 4.4 圆管中的紊流 ① 紊流运动的特征 所谓脉动现象，就是诸如速度、压强等空间点上的物理量随时间的变化作无规则的即随机的变动。可以用时均值来表示各运动要素。 紊流流动是极不规则 的流动，这种不规则性主 要体现在紊流的脉动现象。 紊流特征：1.　各层质点相互掺混 　　　　　２.　运动要素要脉动 　　将运动要素瞬时值看成时间平均值与脉动值叠加的方法叫运动要素时均化处理。以后就以时均值替代瞬时值研究。 瞬时值 4.4 圆管中的紊流 4.4 圆管中的紊流 时均值 瞬时值 紊流脉动的强弱程度是用紊流度ε,来表示的。 4.4 圆管中的紊流 ② 紊流切应力 在紊流中，一方面因时均流速不同，各流层间的相对 运动，仍然存在着粘性切应力，另一方面还存在着由脉动 引起的动量交换产生的惯性切应力。因此，紊流阻力包括 粘性切应力和惯性切应力。 其中 是流速横向脉动产生的紊流惯性切应力。 是雷诺于1895年首先提出的，故又名雷诺应力。 4.4 圆管中的紊流 ③ 普朗特混合长度理论 普朗特混合长度理论假设：流体质点从原流层横向位 移经过某一长度到达新的流层，才同周围流体指点掺混， 并具有新位置的动量。 4.4 圆管中的紊流 假设纵向脉动流速绝对值的时均值与时均流速差成比例，即： 根据连续性原理，纵向脉动必将影响横向脉动，即： 认为 与 成比例关系，符号相反，则 4.4 圆管中的紊流 上式即由普朗特的混合长度理论得到的以时均流速表示 的紊流惯性切应力表达式，式中 l 称为混合长度。 雷诺数越大，紊动越剧烈，τ1的影响就越小，当雷诺数很大 时，τ1就可以忽略了，于是： 混合长度要根据具体问题作出新的假定结合实验结果才能确定。 4.4 圆管中的紊流 3 圆管中的紊流 实验表明，流体在管中作紊流运动时，由于管壁的摩 擦及分子附着力的作用，紧靠管壁存在着极薄一层流体， 保持着层流运动，这一薄层称为粘性底层或层流底层。距 壁面稍远，壁面对流体质点的影响减弱，质点的混杂能力 增