工程流体力学 流动阻力和水头损失.ppt

工程流体力学 四、过流断面上的流速分布 黏性底层区 紊流核心区 水力粗糙区 水力光滑区 §5-6 λ的变化规律及影响因素 一.尼古拉兹实验简介 Johann Nikuradse 层流区（I）： 二.实验成果 层、紊流过渡（Ⅱ）： 紊流光滑区（Ⅲ）： 紊流过渡区（Ⅳ）： 紊流粗糙区（Ⅴ）： 三、λ的计算公式 层、紊流过渡区（Ⅱ）： 空白 层流区（I）： 紊流光滑区（Ⅲ）： 紊流过渡区（Ⅳ）： (尼古拉兹光滑管公式) 紊流粗糙区（Ⅴ）： 适合紊流区的公式： 而 Lewis Moody 为便于应用柯列勃洛克公式，莫迪将其制成莫迪图。 §5-7 边界层理论简介及绕流阻力 一.边界层理论的提出 二.边界层的定义 边界层——紧贴固壁不能忽略黏滞性影响的流动区域。 三.边界层分离的概念 边界层的分离——当流体流经边壁转变流段时，发生主流脱离边壁伴随旋涡产生的流动现象。 卡门涡街 当黏性流体绕过圆柱体，发生边界层分离，在圆柱体后面产生一对不稳定的旋转方向相反的对称旋涡，当Re超过40后，对称旋涡不断增长，最后形成几乎稳定的非对称性的、多少有些规则的、旋转方向相反、上下交替脱落的旋涡，这种旋涡具有一定的脱落频率，称为卡门涡街。 卡门涡街 四.绕流阻力 黏性流体绕物体表面流动时，物体表面受到的表面力有切应力和压强。切应力在物体表面的合力称为黏性阻力，压强在物体表面上的合力称为压差阻力。黏性阻力和压差阻力的合力就是物体所受的绕流阻力。 设流体绕经一物体，沿物体表面，将单位面积上的摩擦阻力和法向压力积分，可得以合力矢量。这个合力可分解为两个分量：一个平行于来流方向的作用力——即绕流阻力；另一个是垂直于来流方向的作用力——即升力。 阻力和升力都包括了表面切应力和压应力的影响。因为绕流阻力D由摩擦阻力Df和压差阻力Dp所组成，即 通用计算式 式中： ρ——流体密度； U0——来流速度， 为单位体积流体的动能； A——绕流物体在垂直于来流方向的投影面积； CD——绕流阻力系数。 §5-8 局部水头损失 一、局部水头损失产生的原因 边壁急骤变形发生边界层分离，引起能量损失； 流动方向变化造成的二次流损失； 旋涡区的存在是造成局部水头损失的主要原因。 局部水头损失与沿程水头损失一样，也与流态有关，但目前仅限于紊流研究，且基本为实验研究。 二、圆管突然扩大的局部水头损失 1、由1-2断面建立伯努利方程，可得 2、在s方向列动量方程 式中： 引入实验结果 * 第五章 流动阻力与水头损失 第五章 流动阻力与水头损失 §5-1 概述 §5-2 黏性流体的流动型态 §5-3 均匀流基本方程 §5-4 圆管中的层流运动 §5-5 圆管中的紊流运动 §5-8 局部水头损失 §5-7 边界层理论简介 §5-6 λ的变化规律及影响因素 第五章 流动阻力与水头损失(6学时) 一、本章学习要点: 流动阻力与水头损失的基本概念 黏性流体的流动型态 沿程水头损失与切应力的关系 圆管中的层流运动 圆管中的紊流运动 局部水头损失 §5-1 概述 一、章目解析 从力学观点看，本章研究的是流动阻力。 产生流动阻力的原因： 内因：黏性＋惯性； 外因：外界干扰。 从能量观点看，本章研究的是能量损失(水头损失)。 二、研究内容 内流(如管流、明渠流等)：研究hW的计算(本章重点) 外流(如绕流)：研究CD的计算 三、流动阻力和水头损失的两种形式 hf：沿程水头损失，由沿程阻力引起 hj：局部水头损失，由局部阻力引起 总水头损失： §5-2 黏性流体的流动型态 一、雷诺实验 1883年英国物理学家雷诺按图示试验装置对黏性流体进行实验，提出了流体运动存在两种型态：层流和紊流。 Osborne Reynolds (1842-1916) 紊流形成过程的分析 选定流层 流速分布曲线 τ τ 干扰 F F F F F F F F F F F F 升力 涡 体 紊流形成条件 涡体的产生 雷诺数达到一定的数值 雷诺在观察现象的同时，测量 ，绘制 的关系曲线。 层流： 紊流： 二、流态判别 1.试验发现 2.判别标准 圆管： 非圆管： 定义水力半径 为特征长度。相对于圆管有 故取 [例1] 水流经变截面管道，已知d2/d1=2，则相应的Re2/Re1=? [解] 因 故 §5-3 均匀流基本方程 一、均匀流基本方程 1. 对如图所示恒定均匀有压管流，建立1、2两断面的伯努利方程，得 流体用于克服阻力