第五章 流动阻力及水头损失.ppt

第五章 流动阻力及水头损失 紊流形成的先决条件： 涡体的形成 雷诺数达到一定的数值 计算 的经验公式 1.紊流光滑区： Re*= ＜3.5 尼古拉兹公式： 布拉休斯公式： 2. 阻力平方区： 3. 过渡粗糙区：很复杂，人工粗糙管与自然粗糙管有所区别。 柯列布鲁克公式： 莫迪图 尼古拉兹的实验曲线是用各种不同的人工均匀砂粒粗糙度的圆管进行实验得到的，这 与工业管道内壁的自然不均匀粗糙度有很大差别。因此在进行工业管道的阻力计算时，不 能随便套用上图去查取 值。莫迪（F.Moody）根据光滑管、粗糙管过渡区和粗糙管平方阻力区中计算 的公式绘制了莫迪实用曲线，如图所示。该图按对数坐标绘制，表示 、 之间的函数关系。整个图线分为五个区域，即层流区、临界区（相当于尼古拉兹曲线的过渡区）、光滑管区、过渡区（相当于尼古拉兹曲线的紊流水力粗糙管过渡区）、完全紊流粗糙管区（相当于尼古拉兹曲线的平方阻力区）。利用莫迪曲线图确定沿程阻力系数 值是非常方便的。在实际计算时根据 和 ，从图中查得 值，即能确定流动是在哪一区域内。 图 平板上的混合边界层 由图清楚地看出，若把物体制成流线型，可使边界层的分离点后移，甚至不发生分离，阻力系数大大减小。所以将物体制成流线型的外形（如飞机的机翼、汽轮机叶片的剖面等），是减少物体阻力的主要措施之一。 学习重点 水头损失的概念和分类，理解水力半径、湿周的概念。 理解雷诺实验现象和雷诺数的物理意义；掌握液体流动的两种流态和判断方法。 圆管均匀层流的流速分布和沿程水头损失的计算。 了解紊流特征、紊流的切应力与流速分布。 沿程水力阻力系数在不同流区的变化规律，沿程阻力系数λ与雷诺数和相对粗糙度的关系。 谢才公式 沿程水头损失和局部水头损失各计算公式的应用。 二、曲面边界层分离现象 当不可压缩粘性流体流过平板时，在边界层外边界上沿平板方向的速度是相同的，而且整个流场和边界层内的压强都保持不变。 当粘性流体流经曲面物体时，边界层外边界上沿曲面方向的速度是改变的，所以曲面边界层内的压强也将同样发生变化，对边界层内的流动将产生影响，发生曲面边界层的分离现象。 曲面边界层的分离现象 在实际工程中，物体的边界往往是曲面（流线型或非流线型物体）。当流体绕流非流线型物体时，一般会出现下列现象：物面上的边界层在某个位置开始脱离物面， 并在物面附近出现与主流方向相反的回流，流体力学中称这种现象为边界层分离现象，如图所示。流线型物体在非正常情况下也能发生边界层分离，如图所示。 （a）流线形物体；（b）非流线形物体 图 曲面边界层分离现象示意图 边界层 外部流动 外部流动 尾迹 外部流动 外部流动 尾迹 边界层 以不可压缩流体绕流圆柱体为例： 在圆柱体前驻点A处，流速为零，该处尚未形成边界层，即边界层厚度为零。 在AB段，流体加速减压，沿流动方向形成顺压梯度。在B点流速达到最大，过B点后，流体减速增压，沿流动方向形成逆压梯度。 当流体绕过圆柱体最高点B流到后半部时，压强增加，速度减小，更促使边界层内流体质点的减速，从而使动能消耗更大。 当达到S点时，近壁处流体质点的动能已被消耗完尽，流体质点不能再继续向前运动，于是一部分流体质点在S点停滞下来，过S点以后，压强继续增加，在压强差的作用下，除了壁上的流体质点速度仍等于零外，近壁处的流体质点开始倒退。 接踵而来的流体质点在近壁处都同样被迫停滞和倒退，以致越来越多被阻滞的流体在短时间内在圆柱体表面和主流之间堆积起来，使边界层剧烈增厚，边界层内流体质点的倒流迅速扩展，而边界层外的主流继续向前流动，这样在这个区域内以ST线为界。 如图a所示，在ST线内是倒流，在ST线外是向前的主流，两者流动方向相反，从而形成旋涡。 图a 曲面边界层分离现象 使流体不再贴着圆柱体表面流动，而从表面分离出来，造成边界层分离，S点称为分离点。 形成的旋涡，不断地被主流带走，在圆柱体后面产生一个尾涡区。尾涡区内的旋涡不断地消耗有用的机械能，使该区中的压强降低，即小于圆柱体前和尾涡区外面的压强，从而在圆柱体前后产生了压强差，形成了压差阻力。压差阻力的大小与物体的形状有很大关系，所以又称为形状阻力。 卡门涡街 当粘性流体绕过圆柱体，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。 图