工程流体力学课件.ppt

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1、EngineeringFluidMechanics工程流体力学中南大学第1章流体及其主要物理性质第2章流体静力学第3章流体动力学基础第4章流动阻力和水头损失第5章孔口、管嘴出流及有压管流第6章明渠均匀流第7章明渠水流的两种流态及其转换目录第四章流动阻力和水头损失第一节流动阻力和水头损失的分类第二节粘性流体运动的两种流态第三节均匀流的沿程水头损失第四节圆管中的层流运动第五节紊流运动第六节紊流的沿程水头损失第七节局部水头损失教学内容、重点及难点基本内容采用以水为代表的液体，研究水头损失的成因与分类，探讨水头损失与液流型态的关系，分析水头损失的变化规律及其计算方法。

2、重、难点1.流动的分类：层流和紊流的理解。2.经验公式的理解和应用。了解流动的两种流态（层流与紊流）及其判别，知道紊流的脉动特性与时间平均的概念；知道圆管层流和紊流的断面流速分布；牢固掌握确定圆管流动沿程水头损失系数和水头损失的途径和方法；理解边界层概念，了解边界层分离现象和物体的绕流阻力。造成能量损失的原因：流动阻力内因—流体的粘滞性和惯性外因—流体与固体壁面的接触情况流体的运动状态能量损失的表示方法液体：—单位重量流体的能量损失气体：—单位体积流体的能量损失第一节流动阻力和水头损失的分类一、损失分类及计算沿程损失：在均匀流中，流体所承受的阻力只有不变的摩擦

3、阻力，称为沿程阻力。发生在均匀流段上，由沿程阻力产生的水头损失。以hf表示或在非均匀流动中，各流段所形成的阻力是各种各样的，但都集中在很短的流段内，这种阻力称为局部阻力。发生在非均匀流段上，由局部阻力产生的水头损失。以hj表示或总损失：局部损失：二、水力半径及其对水头损失的影响b/22bbbr1r2A2A1过流断面面积A越大，水头损失hw越小。湿周χ：在过流断面上流体与固体边壁的接触周长。过流断面面积A相同时，湿周χ越大，水头损失hw越大。流动阻力F：水力半径R：水力半径R越大，水头损失hw越小。单位：mr圆形aa方形bh矩形bh矩形明渠水力直径dR：单位：m

4、一、雷诺实验层流紊流过渡阶段速度由小到大，层流向紊流过渡——上临界速度v'k速度由大到小，紊流向层流过渡——下临界速度vk稳定直线，质点不相混杂线条摆动弯曲，旋转，破裂线条完全散开，质点混杂，作无规则运动第二节粘性流体运动的两种流态二、流动状态与水头损失的关系紊流运动；DE线层流运动；AB直线流态不稳；紊流运动；E点之后通过量纲分析和相似原理发现，上面的物理量可以组合成一个无量纲数，并且可以用来判别流态。称为雷诺数。临界速度不能作为判别流态的标准！三、流态的判别——雷诺数1883年，雷诺试验也表明：圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数d是圆管直径，v是平均流速

5、，是流体的运动粘性系数。实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。即惯性扰动和粘性稳定之间对比和抗衡的结果。粘性稳定扰动因素dv利于稳定对比抗衡紊流层流紊流层流上临界雷诺数下临界雷诺数ReRe圆管中恒定流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。有实际意义的是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值，圆管定常流动取为12000-40000对圆管：d—圆管直径对非圆管断面：R—水

6、力半径对明渠流：R—水力半径对绕流现象：L—固体物的特征长度对流体绕过球形物体：d—球形物直径【例】水和油的运动粘度分别为若它们以的流速在直径为的圆管中流动，试确定其流动状态？【解】对1－1，2－2列写伯努利方程水的流动雷诺数紊流流态油的流动雷诺数层流流态【例】温度运动粘度的水，在直径的管中流动，测得流速，问水流处于什么状态？如要改变其运动，可以采取那些办法？【解】水的流动雷诺数1）改变流速如要改变其流态层流流态2）提高水温改变粘度Anαl对流体中一有限体进行受力分析Gp1Ap2Aτ0z1z2流股本身的重量端面压力流股表面受到的摩擦力流股湿周上的平均切应力一、

7、均匀流基本方程第三节均匀流的沿程水头损失AnαlGp1Ap2Aτ0z1z2列写动量方程列写伯努利方程得或——均匀流基本方程ττ0rr0均匀流剪应力分布图由τ0=ρgRJ及R=r/2（园管）得沿程水头损失的计算公式达西公式：（园管公式）（通用公式）将均匀流基本方程代入达西公式，得由均匀流基本方程τ0＝ρgRJ，得园管内任一点处对于层流，τ又满足牛顿内摩擦阻力定律则ydrrr0第四节圆管中的层流运动一、园管层流速度分布积分，并代入边界条件：r＝r0时，u＝0，得当r＝0时，抛物线分布umaxrdr0u平均流速和流量二、达西公式和沿程阻力系数由平均流速公式得（只适于

8、层流）其中——沿程阻力系数（无量纲量）