流体力学第5章 管流损失和阻力计算课件.ppt

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1、第五章管流损失和水力计算主要内容5.2粘性流体的流动状态5.1管内流动的能量损失5.3管道入口段中的流动5.4圆管中粘性流体的层流流动5.5粘性流体的紊流流动5-6沿程损失的实验研究5.7非圆形管道沿程损失的计算5.8局部损失5.9管道水力计算5.10几种常用的技术装置5.11、液体出流5.12压力管路中的水击现象式中沿程损失系数：（达西—魏斯巴赫公式）管道长度管道内径管壁绝对粗糙度单位重力流体的动压头5.1管内流动的能量损失一、沿程能量损失在缓变流整个流程中，由于粘性耗散产生的能量损失，其大小与流动状态密切相关。单位质量流体沿程能量损失：在急变流中，由于流体微团

2、碰撞或漩涡产生的能量损失，其大小与部件的形状和相对大小有关。单位重力流体局部能量损失：局部损失系数不同的管件由实验确定整个管道的能量损失：二、局部能量损失5.2粘性流体的流动状态层流，紊流（湍流）平均流速雷诺实验层流管流湍流管流层流紊流（湍流）临界雷诺数（直圆管）上临界雷诺数？——下临界雷诺数上临界雷诺数与扰动的幅度和频率有关临界速度vc并不是定值层流m=1湍流m=1.75~2.0能量损失与平均流速的关系雷诺试验装置的能量损失判别流态（层流，湍流）！m=1.75~2m=1由实验所得的可知，当v

3、正比。n值与管壁粗糙度有关：对于管壁非常光滑的管道n=1.75；对于管壁粗糙的管道n=2。所以紊流中的压头损失比层流中的要大。从上述讨论可以得出，流型不同，其能量损失与速度之间的关系差别很大，因此，在计算管道内的能量损失时，必须首先判别其流态（层流，紊流），然后根据所确定的流态选择不同的计算方法。5.3管道入口段中的流动边界层：粘性流体流过固体壁面时，在固体壁面与流体主流之间有一个流速变化的区域，在高速流中这个区域是个薄层,称为边界层。边界层中的流动状态也有层流和紊流之分。边界层现象的发现(普朗特)层流边界层层流-湍流边界层圆管入口段流动壁面滞止x=00＜x＜L边界

4、层增长x=L边界层充满管腔x＞L充分发展段管道入口段：边界层相交以前的管段。（入口段内速度分布不断变化，非均匀流）层流入口段长度：L=(60~138)d(Re=1000~2300)湍流入口段长度L=(20~40)d(Re=104~106)5.4圆管中粘性流体的层流流动粘性流体在圆形管道中作层流流动时，由于粘性的作用，在管壁上流体质点的流速等于零，随着流层离开管壁接近管轴时，流速逐渐增加，至圆管的中心流速达到最大值。本节讨论流体在等直径圆管中作定常层流流动时，在其有效截面上切应力和流速的分布规律。等直径圆管中的定常层流流动，取半径为r，长度为dl的流段1-2为分析对象

5、。作用在流段1-2上的力有：截面1-1和2-2上的总压力p1A和p2A；流段1-2的重力；作用在流段侧面上的总摩擦力，方向与流动方向相反。一、圆管层流时的运动微分方程（牛顿力学分析法）的圆柱体的力平衡方程：整理得即粘性流体在圆管中层流流动时，同一截面上的切应力大小与半径成正比。取代入上式，得积分，得二、速度分布规律与流量可见，粘性流体在圆管中作层流流动时，流速分布为旋转抛物面r=0处，速度最大平均流速等于最大流速的一半圆管中流量为哈根-泊肃叶定律表明：圆管中的流量与单位长度管道的压降成正比，与粘性系数成反比。尤其重要的是：流量还与管道直径的四次方成正比。问题：一根直

6、径为10cm的圆管与4根直径为5cm的圆管截面积相等，在其他所有条件都相同的情况下，粗管的流量与4根细管的总流量相同吗？答：不同。粗管的流量是4根细管的总流量的4倍。对于水平放置的圆管，动能修正系数单位体积流体的压强降为沿程阻力损失层流流动的沿程损失系数与平均流速的一次方成正比。沿程损失系数仅与雷诺数有关，与粗糙度无关。例5-1内径20mm的倾斜放置圆管，流过密度815.7kg/m3、粘度0.04Pa.s的流体，已知截面1处压强为9.806×104Pa，截面2处压强为19.612×104Pa，试确定流体的流动方向、流量和雷诺数。解：管内压强势能与位势能之和故流体由截

7、面2流向截面1，假设为层流状态，则流量：验证雷诺数湍流形成过程流速分布曲线ττFFFFFFFFFFFF湍流形成条件扰动临界雷诺数5.5粘性流体的紊流流动当Re数达到一定水平，流体微团的运动逐渐失去了稳定性。紊流流动特征：表征流体流动的速度、压强在随时变化。时均速度：在时间间隔Dt内轴向速度的平均值，用vx表示。瞬时速度：称为脉动速度类似的，在紊流流动中，流体的压强也处于脉动状态。为了研究的方便，通常用流动参数的时均值来描述和研究流体的紊流流动。脉动值的时均值为0流体切应力=粘性切应力+湍流切应力一、湍流中的切向应力流体质点的脉动导致动量交换，从而在流层交界面上产