第5章 流体阻力和水头损失.ppt

雷诺实验示意图 截止阀 闸阀 隔膜阀 阀帽 压缩头 压缩杆 隔膜 开 节流 关 蝶阀 球阀 1.边界层的基本概念 B:在AB，流体速度从表面0迅速增加到U∞，在BC，速度接近U ∞ 。 把各断面B点连起来得S-S，S-S内为边界层，速度梯度很大，粘性力与惯性力数量级相同，有旋流动；S-S外为边界层外部，流速均匀，粘性力可忽略，无旋流动，可以看做理想流体。 边界层厚度δ：S-S到固体边壁的垂直距离。 前驻点：流体与固体边壁最先接触的点，前驻点处δ=0。 沿流动方向边界层逐渐加厚，δ(x)，规定外边界处的流速为外部势流速度的99%。 边界层内存在层流和紊流两种流动状态。 前部层流边界层， δ较小，流速梯度dux/dy很大，τ=μdux/dy的作用也很大。 边界层流动雷诺数： 或 随着流动距离的增长，当雷诺数达到一定数值时，经过一个过渡区后，流态转变为紊流，成为紊流边界层。 黏性底层：在紊流边界层里，最靠近平板的地方，du/dy仍很大，黏滞切应力仍然起主要作用，使得流动形态仍为层流。 转捩点：边界层内雷诺数达到临界数值，流动形态转变为紊流的点。 相应的临界雷诺数： 2.边界层分离 流动受壁面挤压，速度沿程增加，压强沿程减小；E点后，区域扩大，速度沿程减小，压强沿程增大，流动受逆压梯度作用，在S点速度梯度为零，其后出现回流，形成漩涡。这就是曲面边界层的分离。 观看录像 边界层特点：? 边界层厚度为一有限值（当ux→0.99U∞时） 边界层厚度沿程增加（δ=δ(x)） 边界层外：按理想流体或有势流动计算。 边界层分层流边界层和紊流边界层。 边界层内流体流动与粘性底层流体流动都属于层流。对吗? 影响边界层内流态的主要因素有哪些？ 粘性、流速、距离 5.8 局部水头损失 局部水头损失：流体在流经各种局部障碍（突然扩大、缩小、弯道、阀门等）时，流动遭受破坏、引起流速分布的急剧变化，甚至会引起边界层分离、产生漩涡，从而形成形状阻力和摩擦阻力，由此产生局部水头损失。 由于局部阻碍的强烈扰动作用，使流动在较小的雷诺数时就达到充分紊动。 观看录像 1.局部水头损失发生原因 （1）边壁急骤变形发生边界层分离，引起能量损失 （2）流动方向变化造成二次流损失 一体平承法兰 活套平承法兰 带法兰异径三通 异径三通 大小头 45弯头 90弯头 管箍 双扩口管 直管 正三通 内螺纹三通 2.圆管突然扩大的局部水头损失 在断面A-B和2-2之间建立伯努利方程 因1-1和2-2之间断面距离较短，沿程损失可以忽略不计 （5-45） 应用动量方程消去压强p，使hm成为流速的函数。 取控制面AB22A，在控制体内流动方向所受的外力： （1）1-1断面上的总压力p1A1； （2）2-2断面上的总压力p2A2； （3）AB面上环形管壁对流体的作用力P等于漩涡区的流体作用在环形面积上的压力，P=p1（A2-A1）； （4）在断面A-B至2-2间流体重量在流动方向的分力： （5）断面A-B至断面2-2间流体与管壁间的切应力与其它力相比，可以忽略不计。于是，根据动量方程式，得 以Q=υ2A2代入，并以γA2除全式，整理得 （5-46） 将式（5-46）代入式（5-45），得 在紊流状态下，可认为α1 、α2 、β1 、β2都近似等于1，代入上式得 （5-47） 利用连续性方程υ1A1=υ2A2，得 或 （5-48） 突然扩大的局部阻力系数 当液体在管道淹没状态下流入大容器，或气体流入大气时，A1/A2≈0，ζ1=1，称为出口阻力系数。 式（5-48）表明局部水头损失可表示为流速水头的倍数，因此一般可用下式表示 （5-49） 3.各种管路配件及明渠的局部阻力系数 （1）突然缩小管 流道突然缩小时，如图所示，流体在顺压强梯度下流动，不致发生边界层脱体现象。因此，在收缩部分不发生明显的阻力损失。但流体有惯性，流道将继续收缩至A -- A面，然后流道重又扩大。这时，流体转而在逆压强梯度下流动，也就产生边界层分离和旋涡。可见，突然缩小时造成的阻力主要还在于突然扩大造成的回流。 突缩管局部水头损失系数决定于收缩面积比，其值按经验公式计算 （5-50） （2）渐扩管，当锥角θ=2o~5o时 （5-51） （3）弯管 （5-52） d—弯管直径，R—管轴曲率半径，θ弯管中心角（o） （4）折管 （5-53） θ折角（o） （5）管路进口 （6）管路配件 【例5-4】水从一水箱经过两段水管流入另一水箱，d1=15cm，l1=30m，λ1=0.03，H1=5m，d2=25cm，l2=50m， λ2=0.025，H2=3m。考虑沿程损失与局部损失，求流量Q？ 1 2 解 对1-1和2-2断面建立伯努利方程 其中 由连续方程 查图5-23，ζ进口=0.50， ζ出口=1