流阻与损失10.ppt

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1、第六节紊流的沿程水头损失一、尼古拉兹实验1933年德国力学家和工程师尼古拉兹进行了管流沿程阻力系数和断面流速分布的实验测定。1．沿程阻力系数λ的影响因素人工粗糙管绝对粗糙度:用糙粒的突起高度ks（砂粒直径）来表示壁面的粗糙相对粗糙度：糙粒突起高度ks与管道直径之比，它能在不同直径的管道中反映壁面粗糙的影响2．沿程阻力系数的测定和阻力分区图实验装置：人工粗糙管实验方法：#以ks/d=1/30～1/1014的人工粗糙管作不同组实验#对每根人工粗糙管(ks/d=c)，改变流量，则v、hf变化算出若干组Re和λ值，将各点绘在双对数坐

2、标纸上，就得到=f(Re,ks/d）曲线，即尼古拉兹曲线图hfB12A尼古拉兹实验曲线存在5个阻力区I.ab线层流区，=f(Re)，=64/Re，Re<2300II.bc线层流向紊流过渡区，=f(Re)，Re=2300~4000，范围窄III.cd线紊流光滑区，=f(Re)，Re>4000，随Re的增大，ks/d大的管道，实验点在Re较低时便离开此线；ks/d小的管道，实验点在Re较大时才离开IV.cd、ef线间紊流过渡区，=f(Re，ks/d)不同相对粗糙管的实验点分别落在不同的曲线上V.ef右侧水平直线族紊流

3、粗糙区(阻力平方区)，=f(ks/d)对于一定的管道（ks/d一定），是常数紊流三区的流动特征紊流分为光滑区、过渡区及粗糙区，各区的变化规律不同，究其原因是存在粘性底层（厚度δ’）的缘故。紊流光滑区δ’>>ks粗糙突起完全被掩盖在粘性底层内，对紊流核心的流动几乎没有影响=f(Re)紊流过渡区δ’≈ks粗糙影响到紊流核心的紊动强度，=f(Re，ks/d)紊流粗糙区δ’

4、层流管流：Re<2300不分区呈抛物面分布，较不均匀粘滞力=f（Re）与ks/d无关紊流管流：Re>2300光滑区a.粘性底层线性分布;b.其他区域呈对数或指数曲线分布。紊流附加切应力=f（Re）与ks/d无关过渡区=f(Re，ks/d）粗糙区=f（ks/d）与Re无关二、紊流流速分布半经验公式尼古拉兹通过实测流速分布，完善了普朗特—卡门对数分布律，使之更具实用意义1．紊流光滑区2．紊流粗糙区3、紊流流速分布的指数式（经验公式）1932年尼古拉兹根据实验结果提出了此式，n为指数，随雷诺数Re而变化。该指数公式完

5、全是经验性的，但因公式形式简单，被广泛应用三、λ的半经验公式1、尼古拉兹光滑管公式2、尼古拉兹粗糙管公式四、工业管道和柯列勃洛克Colebrook公式1、工业管道的当量粗糙高度人工粗糙管和工业管道有很大差异，尼古拉兹半经验公式能否用于实际工业管道?工业管道粗糙特点:粗糙高度随机(有大有小),形状各异,疏密不定,排列随机人工粗糙管特点:粗糙高度ks一定(筛分后的沙粒直径相同),排列整齐,疏密均匀紊流光滑区两者虽然粗糙不同，但都为粘性底层掩盖，对紊流核心无影响。尼古拉兹光滑管公式适用于工业管道紊流粗糙区两者的粗糙突起，都几乎完全

6、突入紊流核心，λ变化规律相同，尼古拉兹粗糙管公式有可能用于工业管道当量粗糙高度把直径相同、紊流粗糙区λ值相等的人工粗糙管的粗糙突起高度ks定义为该管材工业管道的当量粗糙高度。常见工业管道的当量粗糙高度见P104表5-22、柯列勃洛克公式和穆迪图尼古拉兹没有给出紊流过渡区λ的半经验公式。1939年英国学者Colebrook给出适用于工业管道紊流过渡区的计算公式该公式不仅适用于工业管道紊流过渡区，且可用于紊流全部三个阻力区，故称为紊流的综合公式。该公式适用范围广，与工业管道实验结果符合良好，被广泛应用。1944年美国工程师穆迪以

7、柯列勃洛克公式为基础，绘出工业管道沿程阻力系数曲线图（穆迪图）。在图上按ks和Re可直接查出λ值。由于工业管道和尼古拉兹人工粗糙管道粗糙均匀性的不同，穆迪图与尼古拉兹曲线在紊流过渡区存在较大差别。五、紊流沿程阻力系数λ的经验公式1．布拉修斯公式1913年德水力学家布拉修斯总结前人实验资料，提出紊流光滑区经验公式形式简单，计算方便。在Re＜1O5范围内，有较高的精度，得到广泛应用。2．希弗林松公式（紊流粗糙区）3．谢才Chezy公式1769年法国工程师谢才直接根据河渠的实测资料提出的，是水力学最古老的公式之一式中ν—断面平均流

8、速，m/s；R—为水力半径，m；J—水力坡度；C—谢才系数(反映沿程阻力大小)，m0.5/s。式中n是综合反映壁面对水流阻滞作用的粗糙系数，各种不同粗糙面的n见P106表5-31895年爱尔兰工程师曼宁（Manning）给出谢才系数的经验公式适用于紊流粗糙区适用于任何流区4．舍维列夫公式前