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4 粘性流体运动及其阻力计算 三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续) 2.圆管中紊流的速度分布(续) (3)粗糙直管 速度分布: 最大速度: 平均速度: 紊流 u 层流 u 4.4 圆管中的紊流 三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续) 3.圆管中紊流的沿程损失 (1)光滑直管 (2)粗糙直管 实验修正后 4.4 圆管中的紊流 实验目的: 沿程损失: 层流: 紊流: 在实验的基础上提出某些假设,通过实验获得计算紊流沿程损失系数λ的半经验公式或经验公式。 代表性实验: 尼古拉兹实验 莫迪实验 4.5 圆管流动沿程阻力系数的确定 一、尼古拉兹实验 实验对象: 不同直径 圆管 不同流量 不同相对粗糙度 实验条件: 实验示意图: 4.5 圆管流动沿程阻力系数的确定 一、尼古拉兹实验(续) 尼古拉兹实验曲线 4.5 圆管流动沿程阻力系数的确定 一、尼古拉兹实验(续) 尼古拉兹实验曲线的五个区域 层流区 管壁的相对粗糙度对沿程损失系数没有影响。 2. 过渡区 不稳定区域,可能是层流,也可能是紊流。 4.5 圆管流动沿程阻力系数的确定 一、尼古拉兹实验(续) 尼古拉兹实验曲线的五个区域(续) 紊流光滑管区 沿程损失系数?与相对粗糙度无关,而只与雷诺数有关。 勃拉休斯公式: 尼古拉兹公式: 卡门-普朗特公式: 4.5 圆管流动沿程阻力系数的确定 一、尼古拉兹实验(续) 尼古拉兹实验曲线的五个区域(续) 紊流粗糙管过渡区 沿程损失系数?与相对粗糙度和雷诺数有关。 洛巴耶夫公式: 阔尔布鲁克公式: 兰格公式: 4.5 圆管流动沿程阻力系数的确定 一、尼古拉兹实验(续) 尼古拉兹实验曲线的五个区域(续) 紊流粗糙管平方阻力区 沿程损失系数?只与相对粗糙度有关。 尼古拉兹公式: 此区域内流动的能量损失与流速的平方成正比,故称此区域为平方阻力区。 4.5 圆管流动沿程阻力系数的确定 二、莫迪实验 实验对象: 不同直径 工业管道 不同流量 不同相对粗糙度 实验条件: 4.5 圆管流动沿程阻力系数的确定 二、莫迪实验(续) 莫迪实验曲线 4.5 圆管流动沿程阻力系数的确定 二、莫迪实验(续) 莫迪实验曲线的五个区域 1. 层流区 ——层流区 2. 临界区 3. 光滑管区 5. 完全紊流粗糙管区 4. 过渡区 ——紊流光滑管区 ——过渡区 ——紊流粗糙管过渡区 ——紊流粗糙管平方阻力区 4.5 圆管流动沿程阻力系数的确定 * 运用能量方程式确定流动过程中流体所具有的能量变化, 需要解决能量损失项 的计算。 不可压缩流体在流动过程中,流体之间因相对运动切应力作功,以及流体与固壁之间摩擦力作功,都是靠损失流体自身所具有的机械能来补偿的。为了得到能量损失的规律,必须同时分析各种阻力的特性,研究壁面特征的影响,以及产生各种阻力的机理。 本章主要讨论粘性流体的运动状态、管中流动的特点及其流动阻力的计算。 引言 4.1 流体运动与流动阻力的两种形式 一、流动阻力的影响因素 过流断面上影响流动阻力的因素有两个:一是过流断面的面积A,二是过流断面与固体边界接触的周界长X,简称湿周。 当流量相同的流体流过面积相等而湿周不等的两种过流断面时,湿周长的过流断面给予的阻力大;当流量相同炖的流体流过湿周相等而面积不等的两种过流断面时,面积小的过流断面给予的阻力大。 结论:流动阻力与湿周大小成正比,与过流断面面积成反比。 水力半径R: 4.1 流体运动与流动阻力的两种形式 二、流体运动与流动阻力的两种形式 1.均匀流动和沿程损失 流体运动时的流动为直线,且相互平行的流动为均匀流动,否则为非均匀流动。均匀流动中,流体所受到的阻力只有由于流体的粘性形成阻碍流体运动不变的摩擦阻力,单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失。 其中 称为沿程阻力系数,它与雷诺数和管道表面的粗糙度有关,是一个无量纲数,由实验确定。 4.1 流体运动与流动阻力的两种形式 二、流体运动与流动阻力的两种形式 2.非均匀流动和局部损失 过流断面流动方向改变,速度重新分布,质点间进行动量交换而产生的阻力称为局部阻力。流体克服局部阻力所消耗的机械能称为局部损失。单位重量流体的局部损失称为局部水头损失为 其中: 为局部阻力系数,是一个由实验确定的无量纲数。 工程上的管路系统既有直管段又有阀门弯头等局部管件。在应用总流伯努利方程进行管路水力计算时,所取两断面之间的能量损失既有沿程损失又有局部损失。应分段计算再叠加,即 4.1 流体运动与流动阻力的两种形式 二、流体运动与流动阻力的两种形式 一、雷诺实验 实验装置 颜料 水箱 玻璃管 细管 阀门 4.2 流体运动的两种状态 一、雷诺实验(续) 实验现象 过渡状态 紊流 层流
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