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第4章-流动阻力与水头损失讲述
流体力学
湖南城市学院土木院
第4章 流动阻力与水头损失
4-1. 流动阻力和水头损失的分类
4-2. 均匀流沿程水头损失与切应力的关系
4-3.粘性流体运动的两种流态
4-4. 圆管层流
4-5. 湍流运动的特点
4- . 边界层理论简介
4-6. 湍(紊)流的沿程水头损失
4-7.局部水头损失
4-1. 水头损失的两种形式
沿程水头损失
局部水头损失
水头损失的计算
均匀流的沿程水头损失与壁面切应力的关系
4-1. 水头损失的两种形式
水头损失的概念:
单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能。
沿程水头损失
局部水头损失
水头损失的分类:
4-1. 水头损失的两种形式
一、沿程水头(阻力) 损失 hf
1、 定义: 水头损失沿程均有并随沿程长度增加。主要由于液体与管壁以及液体本身的内部摩擦,使得液体能量沿程降低。
2、特点:
(1) 沿程粘性阻力均匀地分布在整个均匀流流段上;
(2) 沿程损失与管段的长度成正比。
4-1. 水头损失的两种形式
二、局部水头(阻力)损失 hj
由于流动边界形状突然变化,引起流线弯曲以及边界层分离而引起的水头损失。
4-1. 水头损失的两种形式
常见的发生局部水头损失区域
只要局部地区边界的形状或大小改变,液流内部结构就要急剧调整,流速分布进行改组,流线发生弯曲并产生旋涡,在这些局部地区就有局部水头损失。
4-1. 水头损失的两种形式
液流产生水头损失的两个条件
(1) 液体具有粘滞性。
(2) 由于固体边界的影响,液流内部质点之间
产生相对运动。
液体具有粘滞性是主要的,起决定性作用。
4-1. 水头损失的两种形式
三、水头损失的计算公式
4-1. 水头损失的两种形式
1、沿程水头损失
圆形管道:
非圆管道:
λ——沿程损失因数
R——水力半径
A---过流断面的面积
χ---湿周
2、局部水头损失
hj= ζ v2/(2g)
ζ——局部损失因数
4-1. 水头损失的两种形式
3、总能量损失 hw
4-1. 水头损失的两种形式
圆管恒定均匀流为例
4-2. 均匀流沿程水头损失与切应力的关系
流体段的受力为:
(1)动压力: P1= p1A,P2=p2A ;
(2)重力: G= ρ g A l ;
(3)摩擦力: Fμ = τ0χ l
ΣF= 0 : P1-P2 + G cosα- Fμ=0
p1A-p2A + ρgA l cos α - τ0χ l = 0
或
流体段的平衡方程
均匀流基本方程为
除以ρgA,并考虑lcosα=z1-z2,并考虑能量方程
p1/ρg-p2 /ρg+ (z1-z2)= τ0χ l /(ρgA)= τ0 l /(ρgR)=hf
4-2. 均匀流沿程水头损失与切应力的关系
各流层间均有内摩擦切应力,同理
可求得
由均匀流基本方程以及沿程水头损失的达西公式
可得壁面切应力与沿程损失因素的关系
定义摩阻流速v*
达西公式(4-2)
(4-9)
层流
湍(紊)流
4-3. 粘性流体运动的两种流态
4-3. 粘性流体运动的两种流态
一、雷诺试验
层流:各层质点互不掺混
紊流:流体质点的轨迹曲折、混乱,各流层的流体质点相互掺杂
过渡流:层流与紊流之间的流动
4-3. 粘性流体运动的两种流态
二、沿程水头损失与流速的关系
层流
湍流
ab段
层流
ef段
紊流
be段
临界状态
结论:流态不同,沿程损失规律不同
临界速度:流态转变时的速度。
下临界速度:由湍(紊)流转变为层流时的速度vc
上临界速度:由层流转变为湍流时的速度vc′
实验证明, vc远小于vc′
通过正反两种实验情况,雷诺得出如下结果:
当v vc′时,流体作紊流运动;
当v vc时,流体作层流运动;
当vc v vc′时,流态不稳,可能是层流也可能是紊流。
4-3. 粘性流体运动的两种流态
三、雷诺数与其临界值
雷诺从一系列试验中发现:
1、 不同种类液体在相同直径的管中进行实验,所测得的临界速度是各不相同的;
2、 同种液体在不同直径的管中实验,所得的临界速度也不同。
故判定临界速度是液体的物理性质( ?,? )和管径( d )的函数。
4-3. 粘性流体运动的两种流态
液体形态的判别
雷诺数:
临界雷诺数:液流型态开始转变时的雷诺数。
对圆管:
对明渠及天然河道
4-3. 粘性流体运动的两种流态
对于非圆管,如矩形、三角形、环形管等,管道的特征尺寸是管道的当量直径(或称水力直径)
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