流动阻力和能量损失.ppt

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1、第5章流动阻力和水头损失§5-1沿程损失和局部损失§5-2层流、湍流与雷诺数§5-3圆管中的层流运动§5-4湍流运动的特征和湍流阻力§5-5边界层理论简介§5-6尼古拉兹实验与沿程阻力系数变化规律§5-7管道流动的局部损失本章主要研究恒定流动时，流动阻力和水头损失的规律。不可压缩流体在流动过程中，流体之间因相对运动切应力的做功，以及流体与固体边壁之间摩擦力的做功，都是靠损失流体自身所具有的机械能来补偿的。这部分能量均不可逆地转化为热能。为了得到能量损失的规律，必须同时分析各种阻力的特性，研究壁面特征的影响，以及产生各种阻力的机理。能量损失一般有两种表示方法：液体：水头损失

2、hl(mH2O)气体：压强损失pl=γhl(pa)第五章流动阻力和水头损失一、流动阻力和能量损失的分类沿程损失hf：主要由于沿程摩擦阻力所引起的，也称长度损失。在较长的直管道和明渠中是以hf为主的流动。局部损失hj：固体边界形状突然改变，水流内部结构遭受破坏，产生漩涡，以及水流速度方向和大小的变化等。例如弯头，闸门，突然扩大等。第五章流动阻力和水头损失§5-1沿程损失和局部损失水头损失沿程水头损失——Darcy公式局部水头损失二、基本公式用压强损失表达一、雷诺实验1883年英国物理学家雷诺（ReynoldsO.）通过试验观察到液体中存在层流和湍流两种流态。能量损失的规律与

3、流态密切相关。雷诺实验装置如图所示，主要由恒水位水箱A和玻璃管B等组成。玻璃管入口部分用光滑喇叭口连接，管中流量用阀门C调节，小容器D内盛有与水的密度相近的有色液体，经细管E流入玻璃管B，用以演示水流状态。第五章流动阻力和水头损失§5-2层流、湍流与雷诺数二、沿程水头损失与流速的关系层流：m1=1.0,hf=k1v,湍流：m2=1.75—2.0hf=k2v1.75—2.0实验结果的表达式：三、流态的判别标准——临界雷诺数1、临界雷诺数Rec圆管流雷诺数表征流动的惯性力与粘滞力的比值。上临界雷诺数：层流→湍流，它易受外界干扰，数值不稳定。下临界雷诺数：湍流→层流，是流态的判

4、别标准。层流湍流非圆管流：将非圆管折合成圆管进行计算。水力半径R能反映过流断面大小、形状对沿程损失的综合影响。A——过流断面面积；χ——湿周，即断面中固体边界与流体相接触部分的周长。湿周的大小是影响能量损失的主要外因条件。水力半径当量直径注意：应用当量直径计算非圆管的能量损失，并不适用于所有情况。1）矩形、方形、三角形断面，偏差小；长缝型和星形断面差别较大。2）在层流中应用当量直径进行计算时，将会造成较大误差。例题5-1：某段自来水管，d=25mm，v=1.0m/s。水温10℃，（1）试判断管中水流流态？（2）若要保持层流，最大流速是多少？解:（1）水温为10℃时，水的运

5、动粘度ν=1.31×10-6m2/s即：圆管中水流处在湍流状态。要保持层流，最大流速是0.105m/s。(2)1.层流（laminarflow），亦称片流：是指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。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）能量损失与流速的一次方成正比。（4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。2.湍流（turbulentflow）亦称紊流：流体局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生脉动。特点：（1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。（2）湍流受粘性和紊动的共同作用。（3）水头损失与流速

6、的1.75—2次方成正比。（4）在流速较大且雷诺数较大时发生。一、恒定均匀流动方程式1-1、2-2断面能量方程：1、恒定均匀流的沿程水头损失第五章流动阻力和水头损失§5-3圆管中的层流运动在均匀流中，v1=v2，hw=hf2.均匀流基本方程式适用范围：适用于有压或无压圆管内的恒定均匀层流或均匀湍流。考虑所取流段在流向上的受力平衡条件：均匀流基本方程式3、圆管均匀流切应力分布物理意义：圆管均匀流的过水断面上，切应力呈直线分布，管壁处切应力为最大值τ0，管轴处切应力为零。1、流速分布积分得1）圆管层流的流速分布旋转抛物面分布2）最大流速在管轴上（r=0）3）断面平均流速二、圆

7、管中层流运动规律2、沿程阻力系数1）圆管层流中，沿程水头损失与断面平均流速的一次方成正比。2）沿程阻力系数与管壁粗糙度无关。3、关于圆管层流的动能修正系数α和动量修正系数βα=2，β=1.33注：工程问题中管内层流运动主要存在于某些小管径、小流量的户内管路或粘性较大的机械润滑系统和输油管路中。层流运动规律也是流体粘度量测和研究湍流运动的基础。例5-2：在管径d=1cm，管长L=5m的圆管中，冷冻机润滑油作层流运动，测得流量Q=80cm3/s，水头损失hf=30moil，试求油的运动粘滞系数ν？解：润滑油的平均流速：沿程阻力系数