流动阻力和水头损失2

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1、第六章流动阻力和水头损失§6.1流动阻力和水头损失的分类§6.2粘性流体的两种流态§6.3沿程水头损失与剪应力的关系§6.4圆管中的层流运动§6.5紊流运动§6.6紊流的沿程水头损失§6.7局部水头损失§6.8边界层概念与绕流阻力§6.1流动阻力和水头损失的分类实际流体具有粘性。在通道内流动时。流体内部流层之间存在相对运动和流动阻力。流动阻力做功。使流体的一部分机械能不可逆地转化为热能而损失。总流单位重量流体的平均机械能损失称为水头损失。6．1．1水头损失的分类在边壁沿程无变化(边壁形状、尺寸、过流方向均无变化)的均匀流流段上．产生的流动阻力称为沿程阻力或摩擦阻力。由于沿程阻力做功

2、而引起的水头损失称为沿程水头损失。沿程水头损失均匀分布在整个流段上，与流段的长度成比例。沿程水头损失以hf表示。能量损失的内因：流体存在粘滞性。能量损失的外因：流动要克服边界阻力做功。在边壁沿程急剧变化，流速分布发生变化的局部区段上，集中产生的流动阻力称为局部阻力。由局部阻力引起的水头损失，称为局部水头损失。是局部水头损失以hj表示。局部水头损失发生在管道入口、异径管、弯管、三通、阀门等各种管件处。整个管道的水头损失。等于各管段的沿程水头损失和所有局部水头损失的总和。气体管流的机械能损失用压强损失计算压强损失同水头损失的关系6.1.2水头损失计算公式19世纪中叶法国工程师达西和德国

3、水力学家魏斯巴赫在归纳总结前人实验的基础上．提出圆管沿程水头损失计算公式（达西—魏斯巴赫公式）。l——管长；d——管径；v——断面平均流速；λ——沿程摩阻系数(沿程阻力系数)；g——重力加速度；式中的沿程摩阻系数λ并不是一个确定的常数，一般由实验确定。由此，可以认为达西公式实际上是把沿程水头损失的计算，转化为研究确定摩阻系数λ。在实验的基础上，局部水头损失按下式计算式中——局部水头损失系数（局部阻力系数），由试验确定；v——对应的断面平均流速。§6.2粘性流体的两种流态在流速很小时，水头损失和流速的一次方成比例；在流速较大时．水头损失几乎和流速的平方成比例。直到1880—1883年

4、，英国物理学家雷诺(Reynolds，O。1842~1912)经过实验研究发现，水头损失规律之所以不同，是因为粘性流体存在着两种不同的流态。6.2.1两种流态试验装置和试验现象雷诺试验装置颜色水hfl颜色水hfl打开下游阀门，保持水箱水位稳定颜色水hfl再打开颜色水开关，则红色水流入管道层流：红色水液层有条不紊地运动，红色水和管道中液体水相互不混掺颜色水hfl下游阀门再打开一点，管道中流速增大红色水开始颤动并弯曲，出现波形轮廓红颜色水射出后，完全破裂，形成漩涡，扩散至全管，使管中水流变成红色水。这一现象表明：液体质点运动中会形成涡体，各涡体相互混掺。颜色水hfl下游阀门再打开一点，

5、管中流速继续增大将以上实验按相反的顺序进行。先开大阀门B，使玻璃管内为紊流，然后逐渐关小阀门B，则按相反的顺序重演前面实验中发生的现象。只是由紊流转变为层流的流速小于由层流转变为紊流的流速。流态转变的流速和分别称为上临界流速和下临界流速。实验发现，上临界流速是不稳定的，受起始扰动的影响很大。在水箱水位恒定、管道入口平顺、管壁光滑、阀门开启轻缓的条件下，可比大许多。下临界流速是稳定的，不受起始扰动的影响，对任何起始紊流，当流速，只要管道足够长，流动终将发展为层流。实际流动中，扰动难以避免，实用上把下临界流速做为流态转变的临界流速。层流紊流6.2.2雷诺数临界流速vc是层流与紊流的转变

6、流速，雷诺实验发现，临界流速vc与流体的粘度μ成正比，与流体的密度ρ和管径d成反比，即写成等式式中为比例常数，是不随管径大小和流体物性(ρ、μ)变化的无量纲数称为下临界雷诺数，实用上称为临界雷诺数。雷诺及后来的实验都得出，临界雷诺数稳定在2000左右，其中以希勒的实验值＝2300得到公认。1、圆管雷诺数雷诺数则，流动是层流；则，流动是层流；则，流动是临界流。2、非圆管通道的雷诺数对于明渠水流和非圆断面管流。同样可以用雷诺数判别流态。这里要引用一个综合反映断面大小和几何形状对流动影响的特征长度，代替圆管雷诺数中的直径d。这个特征长度是水力半径式中R——水力半径；A——过流断面面积；—

7、—过流断面上流体与固体壁面接触的周界，称为湿周。对于直径为d的圆管以水力半径R为特征长度，相应的临界雷诺数3、雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义，是以宏观特征量表征的、质点所受惯性作用和粘性作用之比。当ReRec时，流动受惯性作用控制，流动转变为紊流。正因为雷诺数表征了流态决定性因素的对比。具有普遍意义。所有牛顿流体(如水、汽油、所