工程流体力第六章 流动阻力与水头损失.ppt

Jiangsu University 江苏大学 * 第六章 流动阻力与水头损失 实际流体具有粘性，流体在运动过程中因克服粘性阻力而消耗的机械能称为水头损失。 1．沿程损失 它是流体克服粘性阻力而产生的能量损失，流程越长，所损失的能量越多，沿程损失因此而得名。 * 2．局部损失 流体运动中，如果遇到因边界发生急剧变化的局部障碍（如突然扩大、阀门等），会引起流线弯曲、流体脱离边界、旋涡等，而产生水头损失，由于这种损失发生在局部范围内，故称为局部损失。 ：局部阻力系数。 如果管道由若干管段组成，并有多处局部损失，则管道总的水头损失等于各段的沿程损失和各处局部损失之和。 * 第一节 流体运动的两种流态 在19世纪初，许多研究者发现圆管流动中的水头损失与速度大小有关，当速度比较小的时候，水头损失与速度一次方成正比，而速度比较大时，水头损失与速度的二次方或接近二次方成正比。1883年英国科学家Reynolds进行了流动阻力实验。实验发现水头损失与速度的关系之所以不同，是因为流动存在两种不同的流态：层流和湍流。 一、实验装置 雷诺实验装置由稳压水箱、实验管段、测压管以及有色液体注入管组成。水箱内装有溢流挡板，使水位保持恒定，实验管段后端装有调节流量的阀门。两测压管的高差=此管段的沿程损失。 * 当水箱中水稳定后，即在定常流条件下，打开阀门，使流速由小变大，流速较小时，可以清楚地观察到管中的有色液体为一条直线，这说明水流以一种规律相同、互不混杂的形式作分层流动，称为层流。 继续开大阀门，流速逐渐增大，这时可以观察到有色液体线发生波动、弯曲，随着流速的增加，波动愈来愈烈，有色液体线断裂，变成许许多多大大小小的旋涡，此时有色液体和周围水体掺混，这种流态称为湍流。介于层流与湍流之间的流态称为过渡状态。通常将过渡状态归入湍流中。 当流态变为湍流后，如果逐渐关小阀门，可以看到有色液体线慢慢变得清晰，当流速降为某个值时，有色液体线又成一条直线，这说明流态从湍流又恢复为层流。 * 二、流态判别 层流 湍流 过渡区（归入湍流中） 雷诺通过大量的实验发现，不论管径d，运动粘度ν如何变化,无量纲量： 是个定值，称为临界雷诺数。分为下临界雷诺数和上临界雷诺数。 * 雷诺本人得到的下临界雷诺数为2300，上临界雷诺数为14000。很多学者也进行了这一实验，所得到的下临界雷数基本上等于2300，但各人所得到的上临界雷诺数的值相差很大，最高可达105。 在实际情况下，过渡区极不稳定，遇到外界扰动时，很容易变成湍流，所以通常将它归入湍流，于是将下临界雷诺数作为判别标准。对于圆管： 其他形状的管路： 2070 1930 1100 * 三、管中层、湍流的水头损失规律 对于管道中的某一平均流速，测出管段的沿程损失，并将测量数据标示在对数坐标纸上。得到 曲线。 当流速由小变大时，实验点落在ABCD上，当流速由大变小时，实验点落在DEA上。 * 第二节 圆管中的层流 流动恒定，根据牛顿第二定律， 轴向受力平衡： 一、切应力的分布 1 2 τ τ 在壁面处取得最大切应力： * 二、速度分布 由牛顿内摩擦定律 * 流量 平均流速 * 层流中动能修正系数 沿程损失 对照达西公式： 所以，层流沿程阻力系数为 * 起始段长度l:从进口速度接近均匀到管中心流速到达最大值的距离。 三、圆管的起始段 * 第三节 圆管中的湍流 一、层流向湍流的转变 前面讲过，当流动雷诺数高于某一临界值时，粘性流动就有可能从层流过渡到湍流状态。雷诺数越高，流动越容易变为湍流。但是发生过渡的雷诺数并不总是一定的，它还取决于流体所受扰动的大小。这些扰动可以是来流速度的不均匀、物体表面的粗糙、流体中掺混杂质的多少、或是来流温度的不均匀等。 在雷诺数较低时，这些扰动受到粘性阻尼作用而衰减，所以能保持层流状态。在雷诺数高到一定程度时，流体惯性力远超过粘性力，惯性力使扰动放大，当超过了粘性力的阻尼作用，扰动得到发展，最终出现湍流。 人们通过小心控制实验条件，避免各种扰动因素，可大大推迟发生过渡的雷诺数。 二、时均流动与脉动 湍流是每个流体质点在宏观空间尺度上和在时间上作随机运动的流动 。 平均的方法有许多种，最常用的是对时间取平均的方法，叫做时均法。 * T t v 时均速度 瞬时速度＝时均速度＋脉动速度 脉动值的时段平均值 同理： * 1. 瞬时速度v，瞬时压强p 表示在某一时刻湍流流场中某一点的速度、压强的真实值。 2. 时均速度 ，时均压强 表示在一定时段内，湍流流场中某空间点上速度、压强的时间平均值，但要注意，在过流断面上不同点有不同的时间平均值。 3. 脉动速度 ，脉动压强 表示在某一