流体第4章运动阻力

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1、第4章粘性流体运动及其阻力计算实际流体由于粘性的作用，在流动中会呈现不同的运动状态。流体运动阻力的大小的影响因素：流体的粘性、运动状态以及流体与固体壁面的接触情况。流体的运动分四种情况。本章主要内容：1）粘性流体的运动状态；2）管中流动的特点；3）管中流动的流动阻力计算。4.1流体运动与流动阻力的两种型式4.2流体运动的两种状态—层流与紊流4.3圆管中的层流4.4圆管中的紊流4.5圆管流动沿程阻力系数的确定第4章粘性流体运动及其阻力计算4.8管路中的局部损失4.7边界层理论基础4.6非圆形截面的沿程阻力计算第4章粘性流体运动

2、及其阻力计算4.1流体运动与流动阻力的两种型式4.1.1流动阻力的影响因素过流断面上影响流动阻力的因素：1）过流断面的面积；2）过流断面与固体边界相接触的周界长，简称湿周。关系1）当流量相同的流体流过面积相等而湿周不等的两种过流断面时，湿周长的过流断面给予流体的阻力较大，即流动阻力与湿周的大小成正比。2）当流量相同的流体流过湿周相等而面积不等的两种过流断面时，面积小的过流断面给予流体的阻力较大，即流动阻力与过流断面面积的大小成反比。4.1流体运动与流动阻力的两种型式为了综合过流断面面积和湿周对流动阻力的影响，可引入水力半径R

3、的概念，定义R=A/x（4.1）式表明，水力半径与流动阻力成反比，水力半径越大，流动阻力越小，越有利于过流。在常见的充满圆管的流动中，水力半径R=A/x=πr2/2πr=r/2=d/44.1.2流体运动与流动阻力的两种型式流体运动及其阻力与过流断面密切相关：1）如果运动流体连续通过的过流断面是不变的，则它在每一过流断面上所受到的阻力将是不变的。2）如果流体通过的过流断面面积、形状及方位发生变化，则流体在每一过流断面上所受的阻力将是不同的。在工程流体力学中，常根据过流断面的变化情况将流体运动及其所受阻力分为两种型式。4.1.2

4、.1均匀流动和沿程损失流体运动时的流线为直线，且相互平行的流动称为均匀流动，否则称为非均匀流。如图4.1所示的1-2、3-4、5-6等流段内的流体运动为均匀流动。在均匀流动中，流体所受到的阻力只有不变的摩擦阻力，称为沿程阻力。4.1流体运动与流动阻力的两种型式由沿程阻力所做的功而引起的能量损失或水头损失与流程长度成正比，可称为沿程水头损失，简称沿程损失，用hf表示。图4.1流体运动及其阻力型式4.1流体运动与流动阻力的两种型式4.1.2.2非均匀流动和局部损失在图4.1中的2-3、4-5、6-7等流段内，过流断面的大小、形状

5、或方位沿流程发生了急剧的变化，流体运动的速度也产生了急剧的变化，这种流动为非均匀流动。在非均匀流动中，流体所受到的阻力是各式各样的，但都集中在很短的流段内，如管径突然扩大、管径突然收缩、弯管、阀门等，这种阻力称为局部阻力。由局部阻力所引起的水头损失则称为局部水头损失，简称局部损失，用hr表示。综上所述，无论是沿程损失还是局部损失，都是由于流体在运动过程中克服阻力作功而形成的，并各有特点。而总的水头损失是沿程损失和局部损失之和，即hl=Σhf+Σhr（4.2）4.1流体运动与流动阻力的两种型式4.2流体运动的两种状态——层流与

6、紊流4.2.1雷诺实验图4.2雷诺实验4.2.1雷诺实验如图4.2所示，A为供水管，B为水箱，为了保持箱内水位稳定，在箱内水面处装有流板J，让多余的水从泄水管C流出。水箱B中的水流入玻璃管，再经阀门H流入量水箱I中，以便计量。E为小水箱，内盛红色液体，开启小活栓D后红色液体流入玻璃管G，与清水一道流走。进行实验时，先微微开启阀门H，让清水以很低的速度在管G内流动，同时开启活栓D，使红色液体与清水一道流动。此时可见红色液体形成一条明显的红线，与周围清水并不互相混杂，如图4.2(b)所示。这种流动状态称为流体的层流运动。如果继续

7、开启阀门，管中的水流速度逐渐加大，在流速未达到一定数值之前，还可看到流体运动仍为层流状态但继续开启阀门，管中的水流速度达到一定值时，便可看到红色流线开始波动，先是个别地方发生断裂，最后形成与周围清水互相混杂、穿插的紊乱流动，如图4.2(c)所示。这种流动状态称为流体的紊流运动。由此可得初步结论：1）当流速较低时，流体层作彼此平行且不互相混杂的层流运动；2）当流速逐渐增大到一定值时，流体运动便成为互相混杂、穿插的紊流运动。流速越大，紊紊乱程度也愈强烈。由层流状态转变为紊流状态时的速度称为上临界流速，可用vc´表示。4.2.1雷

8、诺实验也可按相反的顺序进行实验，即先将阀门开启得很大，使流体以高速在管中流动，然后慢慢将阀门关小，使流体以低速、更低速在管中流动。现象：1）在高速流动时流体作紊流运动；2）当流速慢慢降低到一定值时，流体便作彼此不互相混杂的层流运动；3）如果速度再降低，层流运动状态也更加稳定。由紊流状态转变