流动阻力与水头损失(3)

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1、第5章流动阻力与水头损失本章主要内容：☆层流和紊流的特性及判别方法☆沿程水头损失计算☆局部水头损失计算任务：了解流体运动的两种型态——层流和紊流，掌握均匀流沿程水头损失、非均匀流局部水头损失计算。本章重点：沿程水头损失的计算方法。§5-1水头损失的两种形式问题：理想流体和实际流体的区别？水头损失的物理概念及其分类水头损失：单位重量流体自一断面流至另一断面所损失的机械能。有无粘滞性是理想流体和实际流体的本质区别。粘滞性是流体产生水头损失的决定因素。分类：(1)沿程水头损失;(2)局部水头损失。沿程水头损失(Fric

2、tionalHeadLoss)：水头损失是沿程都有并随沿程长度增加，计为hf。特点：沿流程均匀分布。局部水头损失(LocalResistance)：局部区域内流体质点由于相对运动产生较大能量损失。常用hj表示。产生的原因：旋涡区的产生和速度方向以及大小的变化。常见的发生局部水头损失区域只要局部地区边界的形状或大小改变，流体内部结构就要急剧调整，流速分布进行改组，流线发生弯曲并产生旋涡，在这些局部地区就有局部水头损失。(1)流体具有粘滞性。(2)由于固体边界的影响，流体内部质点之间产生相对运动。流体具有粘滞性是主要

3、的，起决定性作用。流体产生水头损失的两个条件式中：代表该流段中各分段的沿程水头损失的总和；代表该流段中各种局部水头损失的总和。流体的总水头损失hw流体边界几何条件对水头损失的影响一、流体边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影响可用过流断面的水力要素来表征，如过流断面的面积A、湿周及水力半径R等。湿周：流体过流断面与固体边界接触的周界线。水力半径：对圆管：A二、流体边界纵向轮廓对水头损失的影响——因边界纵向轮廓的不同，可有两种不同形式的流体：均匀流与非均匀流。均匀流非均匀流均匀流时无局部水头损失，非均匀渐变流时局

4、部水头损失可忽略不计，非均匀急变流时两种水头损失都有。均匀流沿程水头损失与壁面切应力的关系在管道或明渠均匀流中，任意取出一段总流来分析，作用在该总流段上有下列各力。一、动压力1-1断面2-2断面hf0p2/ρgV2/2gV2/2gp1/ρgz1z2001122GP1P2l二、重力——重力:三、摩擦阻力因为均匀流没有加速度，所以即将代入上式，各项用除之，整理后因断面1-1及2-2的流速水头相等，则能量方程为有因故上式可写成上式就是均匀流沿程水头损失与切应力的关系式。在均匀流中任意取一流束按上述同样方法可求得：∴

5、所以圆管均匀流过流断面上切应力是按直线分布的，圆管中心的切应力为零，沿半径方向逐渐增大，到管壁处为。由实验研究或量纲分析知：由此得对圆管来说∴式中称为沿程阻力系数，表征沿程阻力大小。问题：圆管层流流动过流断面上切应力分布为：A.在过流断面上是常数；C.管壁处是零，向管轴线性增大；D.按抛物线分布。B.管轴处是零，且与半径成正比；能量损失的计算公式能量损失计算公式用水头损失表达时，为：沿程水头损失：局部水头损失：用压强损失表达时为这些公式是长期工程实践的经验总结，其核心问题是各种流动条件下无量纲系数和的计算，除

6、了少数简单情况外，主要是用经验或半经验的方法获得。从应用角度来看，本章主要内容就是和的计算，这也就是本章内容的主线。§5-2粘性流体运动的两种流态一、雷诺试验试验过程(1)阀门打开，色线为直线，说明无横向混杂运动，称为层流(LaminerFlow)；(2)阀门开到一定程度，色线出现波动、断裂，说明出现横向运动，为过渡区；(3)阀门继续开大，色线看不到，完全混杂到水流中，说明流体质点处于无规则紊动状态，称为紊流(TurbulentFlow)；(4)阀门逐渐关闭，流态恢复到层流。层流过渡流紊流实验现象（b）振荡摇

7、摆的波形色线（c）色线破裂扩散（a）平稳而鲜明的细色线层流紊流：上临界流速——紊流层流：下临界流速——V’cV上V大V大V小V下VcV小层流（LaminarFlow）指在流速较小时，液体质点作有条不紊的有序的直线运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不掺混的流动。层流遵循牛顿内摩擦定律，粘性抑制或约束质点作横向运动。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）水头损失与流速的一次方成正比。（3）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。例：毛细血管中血液流动,流速很小的细直管道流

8、动等。过渡流（Transitionalflow）是层流与紊流之间的过渡阶段。紊流（TurbulentFlow）亦称湍流，是指随流速增大，流层逐渐不稳定，质点相互混掺，流体质点运动轨迹极不规则的流动。例：输油管道，天然河道，大气环流、洋流、动脉中血液的流动等等。特点：（1）无序性、随机性、有旋性、混合性。（2）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。（3）在流速较大且雷诺数