04 流动阻力和能量损失

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1、流体力学FluidMechanics第四章流动阻力和能量损失第一节沿程损失和局部损失流动阻力和能量损失h=Σh+Σhlfm沿程局部2能量损失的计算公式流动阻力和能量损失沿程水头损失：沿流动流程上单位重力的流体因与管壁发生摩擦（摩擦阻力），hf以及流体间的内摩擦而损失的能量一般在不同直径的管段上，沿程水头损失是不同的2lv沿程水头损失：h=λ（4－1－1）fd2g2lρv压强损失：pf=λ（4－1－3）d2g局部水头损失局部水头损失：流体在管道的某些局部地方，流动阻力和能量损失由于管径的改变（突扩、突缩、渐扩、渐缩等），以及方向的

2、改变（弯管），或者由于装置了某些配件（阀门、量水表等）而产生的额外的能量损失流体流经这些局部位置时，断面流速分布将发生急剧变化，并且生成大量的旋涡。由于实际流体粘性的作用，旋涡中的部分能量会不断地转变为热能而逸散在流体中，从而使流体总机械能减少。2v局部水头损失：h=ζ（4－1－2）m2g4第二节层流与紊流、雷诺数实验曲线：流动阻力和能量损失1、OA段：v＜v时，流动为稳定的层流k2、DE段：v＞v'时，流动只能是紊流k3、AD段：v＜v＜v‘时，kk流动可能是层流（ABD段）也可能是紊流（ACD段）取决于水流的初始状态m数学表

3、达式：h=Kvf层流流动阻力和能量损失层流（laminarflow），亦称片流：流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。特点：1、有序性：水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。2、粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。3、能量损失与流速的1次方成正比。h=Kvf4、在流速较小且雷诺数Re较小时发生。6紊流紊流（turbulentflow），亦称湍流：流动阻力和能量损失局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。特点：1、无序性、随机性、有旋性、混掺性。流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动

4、，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动。2、紊流受粘性和紊动的共同作用。2lv3、水头损失与流速的1.75~2次方成正比h=λfd2g4、在流速较大且雷诺数较大时发生。临界雷诺数vd流动阻力和能量损失雷诺数：Re=νvdK临界雷诺数：Re=圆管：2000Kν上临界雷诺数：层流→紊流时的临界雷诺数。易受外界干扰，数值不稳定。下临界雷诺数：紊流→层流时的临界雷诺数。只取决于水流边界的形状，即水流的过水断面形状－－流态的判别标准第三节圆管中的层流运动流动阻力和能量损失hf水力坡度J：单位长度的沿程损失J=l沿程水头损失与切应力的关系：

5、r0τ=rJ（4－3－4）02圆管均匀流中，切应力与半径成正比，在断面上按直线规律分布，轴线上为零在管壁上达最大值ττ=rr（4－3－6）00沿程阻力系数的计算圆管中均匀层流的流速分布：旋转抛物面流动阻力和能量损失γJ(22)u=r−r（4－3－8）04µγJ2管轴流速：u=r（4－3－9）max04µγJ2平均流速：v=r0最大流速一半（4－3－10）8µ64沿程水头损失系数：λ=（4－3－13）Re第四节紊流运动特征和紊流阻力流动阻力和能量损失无序性：流体质点相互混掺，运动无序，运动要素具有随机性。扩散性：除分子扩散外，还有

6、质点紊动引起的传质、传热和传递动量等扩散性能。耗能性：除了粘性耗能外，还有更主要的由于紊动产生附加切应力引起的耗能。高雷诺数：紊流强度和高雷诺数有关。11运动参数的时均化流动阻力和能量损失u=u+u'（4－4－2）xxx瞬时脉时均动=+流流流速速速脉动量的特点：1、脉动量的时均值为零。2、各脉动量的均方值不等于零。12普朗特混合长度2流动阻力和能量损失du2⎛du⎞τ=τ+τ=µ+ρl⎜⎟（4－4－7）12⎜⎟dy⎝dy⎠时粘时均附加混均滞紊动合切切雷诺长应应惯性度（4－4－8）力力切应力1τ0普朗特－卡门对数分布规律：u=ln

7、y+Cβρ第五节尼古拉兹实验紊流过渡紊流粗糙区流动阻力和能量损失层流过渡光滑粗糙阻力平方区层流底层粘性底层（viscoussublayer）：圆管紊流运动时，流动阻力和能量损失靠近管壁处存在着一薄层，该层内流速梯度较大，粘性影响不可忽略，紊流附加切应力可以忽略，速度近似呈线性分布，这一薄层就称为粘性底层。圆管壁面水力特性流动阻力和能量损失根据粘性底层厚度δ与管壁的粗糙度△的关系，在不同Re的流动状态下，任一圆管的壁面均可能呈现下列三种水力状态：水力光滑壁面（管）（hydraulicsmoothwall）水力粗糙壁面（管）（hyd

8、raulicroughwall）水力过渡区壁面（管）（transitionregionwall）16粗糙度绝对粗糙度：由颗粒突起高度K表示的壁面粗糙程度流动阻力和能量损失相对粗糙度：绝对粗糙度与直径（半径）的比值当量糙粒高度：和工业管道粗糙区λ值相等的同直径人工