流体力学--第五章流动阻力和.ppt

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1、§5-1流动阻力及水头损失的两种型式§5-2流体流动的两种型态§5-3均匀流动的沿程损失方程式§5-4圆管中的层流运动和沿程损失§5-5圆管中的湍流运动§5-6湍流的沿程损失§5-7局部损失计算§5-8绕流阻力第五章流动阻力和能量损失§5-1流动阻力及水头损失型式一、沿程阻力和沿程损失1.沿程阻力:在边界的几何形状和尺寸沿程不变或缓变的情况下，流体的内部以及流体与固体边界之间存在沿程不变的内摩擦力。2.沿程损失：由于沿程阻力作功引起的水头损失，用　表示。二、局部阻力和局部损失1.局部阻力:流体流经固体边界急剧改变的

2、区域时，流速大小、方向迅速改变，流动急剧调整产生的流动阻力。2.局部损失:流体克服这种局部阻力而产生的水头损失，用表示。三、总水头损失§5-2流体流动的两种型态一、雷诺实验1883年英国物理学家雷诺按图示试验装置对粘性流体进行实验，提出了流体运动存在两种型态：层流和紊流。1.层流：管中水流呈层状流动，各层的流体质点互不掺混的流动状态。2.湍流：管内流体质点发生了杂乱无章的混掺运动的流动状态成为湍流。雷诺二、临界流速层流湍流1.临界流速:当玻璃管中的流速达到某一数值时，流动状态就要发生变化时玻璃管中的平均流速。2.上

3、临界流速　：由层流转变为湍流的临界流速。3.下临界流速　：由湍流转变为层流的临界流速。三、流动状态与水头损失的关系（1）ab段：当　　　时，流动状态为层流，直线的斜率　　，说明　与　成正比（2）ef段：当　　　时，流动状态为湍流，直线的斜率（3）be段：当　　　　时，为层流和湍流的过渡区，流动状态是不稳定的，取决于流动状态的初始状态。或四、流动状态的判别标准雷诺数:下临界雷诺数上临界雷诺数流动状态的判别标准：层流湍流五、水力要素1．湿周：过流截面与固体边界相接触的线段长度，用　表示（实线）。湿周的大小在一定程度上反

4、映了流动阻力的大小，在过流截面面积相同的条件下，湿周越长，流动阻力越大。2．水力半径：过流截面面积与对应湿周的比值，用　表示。圆管3．当量直径:当非圆管流与某一圆管流的过流能力相当时，即两者的水力半径相同时，圆管的直径为非圆管流的当量直径，用表示。对于非圆管流动，其下临界雷诺数为若采用水力半径来定义雷诺数，则§5-3均匀流动的沿程损失方程式均匀流基本方程总流在流动方向上处于平衡状态，列流动方向平衡方程如下或均匀流基本方程§5-4圆管中的层流运动和沿程损失一、过流截面上的切应力和流速分布1.切应力分布斜直线分布3.流

5、量4.平均速度2.流速分布抛物线分布二、沿程损失计算令上式称为圆管中层流运动的沿程损失计算公式，又称为达西公式。§5-5圆管中的湍流运动一、湍流的成因1.涡体的形成(a)涡体产生倾向；(b)流速及压强的重新调整；(c)波动的加剧；(d)涡体的形成。2.湍流的形成涡体形成后，在涡体附近的流速分布将有所改变，流速快的流层的运动方向与涡体旋转的方向一致；流速慢的流层的运动方向与涡体旋转方向相反。这样，就会使流速快的流层速度更加增大，压强减小；流速慢的流层速度将更加减小，压强增大。这将导致涡体两边产生压差，形成横向升力（或

6、降力），这种升力（或降力）就有可能推动涡体脱离原流层，作横向运动，进入新流层，从而产生湍流。二、湍流的脉动现象和时均化1.脉动现象:流场中某空间点的瞬时流速虽然随时间不断变化，但始终围绕着某一速度平均值上下不断变动的现象称为脉动现象。时均速度瞬时速度为书写方便起见，常将时均值符号上的“一”省略在研究和计算紊流流动问题时，所指的流动参数都是时均参数我们把时均参数不随时间而变化的流动，称为准定常紊流时均值只能描述流体总体的运动，不能反映脉动的影响三、湍流结构近壁层流层厚度:管道直径沿程损失系数1．紊流结构分析流核区层流

7、向紊流的过渡区粘性底层区厚度δ2．“光滑管”和“粗糙管”绝对粗糙度:管壁凸出部分的平均高度，用表示。（1）光滑管：（2）粗糙管（3）过渡粗糙管四、湍流切应力分布和流速分布摩擦切应力附加切应力普朗特混合长度：称为卡门常数1.切应力分布2.流速分布管壁切应力流速分布（1）近壁层流层：摩阻流速（2）湍流层：切应力均匀流动断面切应力:流速分布表达式:光滑管粗糙管§5-6湍流的沿程损失一、湍流沿程损失计算2.沿程损失系数的确定（1）实验和理论的方法（2）根据实验实测资料，得到经验公式1.计算公式二、尼古拉兹实验尼古拉兹用黄沙

8、筛选后由细到粗分为六种，分别粘贴在光滑管上用三种不同管径的圆管（25mm、50mm、l00mm）用六种不同的值（15、30.6、60、126、252、507）方法：①人为造出六种不同的相对粗糙度的管；②对不同的管径通过改变流量来改变雷诺数；③测出沿程阻力损失，由求阻力系数（1）层流区（ab线）（2）流态过渡区（bc线）（3）湍流光滑区（cd线）（4）湍流过渡