4.4 圆管紊流分析与沿程损失计算 (1).pptx

第四章

流体阻力和水头损失

目录二4.1管路中流动阻力产生的原因及分类4.2两种流态及其判别标准3一3三4.3圆管层流分析与沿程水头损失计算4.5局部水头损失的分析3五四4.4圆管紊流分析与沿程水头损失计算

4.4圆管紊流分析

在实际工程中，只有很少一部分液体以层流状态流动，绝大多数液体都是以紊流状态流动的。由于紊流运动的复杂性，到目前为止，人们还只是在实验的基础上，分析研究紊流的运动情况，在某些假设的条件下，得出一些半理论半经验的结论。

2024/4/18一、紊流的特征与时均化紊流特征质点掺混：流体质点在流动过程中不断相互掺混。运动参数的脉动：流体中涡体不断的产生、发展、衰减和消失，使固定空间点上的速度、压强等总是围绕一个平均值而波动——脉动。圆管紊流分析

2024/4/18紊流运动的时均值以流速为例：在时段T内，脉动速度的时均值为零，即：紊流可以简化为时均流动和脉动的迭加。工程上常把运动参数的时均值作为紊流的运动参数。当运动参数的时均值不随时间变化时，时均流动可以认为是恒定流。对于这种紊流，恒定流三大方程都可以适用。t1时刻，瞬时速度：tuxt1时均流速脉动速度瞬时流速

2024/4/18紊流的形成过程p14p23pp涡体4雷诺数为什么可以判别流态？流动呈现什么状态，取决于扰动的惯性作用和粘性稳定作用的相对强弱。

2024/4/18二、紊流的结构、水力光滑与水力粗糙层流边层厚度（δ）随雷诺数的增大而减小。也即紊流越强烈，雷诺数越大，层流底层越薄，但不会消失。紊流核心管壁层流边层过渡层δ紊流的结构紊流核心过渡层层流边层管壁δ层流边层厚度

紊流的三种类型粗糙壁面的粗糙度有绝对粗糙度和相对粗糙度两种表示方法。绝对粗糙度：指壁面粗糙突出的平均高度，用?表示；相对粗糙度：绝对粗糙度与管内半径r0（或内径D）的比值，用ε表示

2024/4/18水力光滑与水力粗糙绝对粗糙度：?层流边层厚度：?????时称为水力光滑管??时称为水力粗糙管?≈?时水力光滑向水力粗糙过渡混合摩擦管

水力光滑管当雷诺数较小时，近壁处层流边层完全覆盖住管壁粗糙突起，这时粗糙度对紊流不起作用，相当于紊流在光滑的层流表面上流动，这种状态称为水力光滑。处于这种流态的管子叫水力光滑管。（a）水力光滑管

当雷诺数增大时，层流边层变薄，粗糙突起高出层流边层之外时，粗糙突起会加剧紊动，粗糙突起突出越高，阻力越大，这种状态称为水力粗糙。处于这种流态的管子叫水力粗糙管。水力粗糙管（b）

混合摩擦管介于以上两种流动状态之间的情况，即层流边层厚度与壁面粗糙度相差不多时，称混合摩擦管或混合摩擦区。实验证明：这时沿程水头损失不仅与壁面粗糙度有关，也与雷诺数有关。（a）（b）

13思考题：管壁粗糙度大的管子，叫水力粗糙管。对吗？答案：错误。

克服流体与边壁之间的阻力产生的能量损失，用hf表示。产生在均匀的直管段上。对于液体：（m）流速管长管径沿程阻力系数沿程损失的计算：三、紊流沿程水头损失的计算公式大量的实验结果表明，达西公式对于紊流是同样适用的，只是在紊流状态下，沿程阻力系数λ的变化规律不同于层流。因此，只要确定了紊流的沿程阻力系数λ，即可根据达西公式确定沿程水头损失hf。对于气体：（Pa）密度

2024/4/18紊流核心管壁层流边层δ过渡层vumax层流边界层内，流速仍按抛物线分布紊流核心区内，流速按对数规律分布由于质点的相互碰撞，流速趋于均匀，速度梯度减小，最大流速与平均流速的比值一般为：实验测得的紊流过流断面上的流速分布曲线：

圆管沿程水头损失的计算实验表明，沿程阻力系数λ随雷诺数Re和管壁的相对粗糙度ε存在不同的变化规律。沿程阻力系数λ的具体确定方法如下：（1）根据液体性质、流量和管径计算出雷诺数Re，并判别流动状态，若为紊流则需进一步判别流区。（2）选择相应的计算公式或查阅莫迪图，求出沿程阻力系数λ。（3）根据达西公式确定沿程水头损失hf。

石油工业常用的计算沿程阻力系数λ的经验公式

莫迪图

2024/4/18例：水在直径d=0.1m的钢管内流动，钢管的当量粗糙度?=0.2mm，水的运动粘滞系数?=1.31×10-6m2/s，水的流速v=5m/s，试求50m管长的沿程损失。解：故为紊流或查莫迪图，当Re=3.8×105，时，查得：管路的沿程损失：

2024/4/18A:过流断面的面积一、水力半径（R）x：湿周，即过流断面上被液体所湿润的固体周界长度。思路是