流体力学课件CH2(流动阻力与能量损失).ppt

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1、§2流动阻力和能量损失1本章目录2.1沿程损失和局部损失2.2层流与湍流、雷诺数2.3圆管中的层流运动2.4湍流运动的特征和湍流阻力2.5尼古拉兹实验2.6工业管道湍流阻力系数2.7非圆管的沿程损失2.8管道流动的局部损失2.9减少阻力的措施22.1　沿程损失和局部损失归纳——造成流段损失的原因：内因：粘性和速度梯度；外因：流场中边界形状发生剧烈变化，或有局部障碍。若流体是理想流体，即使边界形状发生急剧变化，也只能是机械能的相互转化，不会造成流动损失。总之，流体粘性是造成流动损失的根本原因。3能量损失的表示及分类有二种表示方法：液体：单

2、位重量流体的能量表示——符号hl，因次m气体：单位体积内流体的能量表示——符号pl，因次Pa按流动边界情况，分为沿程损失和局部损失。2.1　沿程损失和局部损失4（1）沿程损失hf据实验得出：沿程水头损失与管段长度、管径、流速、流体粘度、密度以及管壁粗糙度等因素有关。2.1　沿程损失和局部损失5达西公式——沿程阻力系数（一般由实验确定）；——管段长度；——管道直径；——重力加速度度；——水流平均流速。λldgV1858年，法国工程师达西（Darcy）在归纳总结前人实验的基础上提出了圆管沿程损失的计算公式：2.1　沿程损失和局部损失62.1

3、　沿程损失和局部损失7（2）局部损失hj局部水头损失发生在局部区域，与水流状态和水流断面的几何形状相关。ζ——局部阻力系数（通常由实验确定）V——对应断面水流平均流速2.1　沿程损失和局部损失82.2　层流与湍流、雷诺数4.2.1两种流态早在1830年，研究人员发现沿程损失与流速有一定关系：流速较小时，水头损失和流速的一次方成比例；流速较达时，水头损失几乎和流速的平方成比例。过了50多年，英国实验物理学家雷诺研究发现，水头损失规律之不同，是由于粘性流体存在两种不同的流态——层流和湍流。雷诺（O.Reynolds，1842－1912）于1

4、883年发表了一篇经典性论文：《决定水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨》94.2.2层流和湍流雷诺实验装置2.2层流与湍流、雷诺数104.2.2层流和湍流同一流体、同一管道只因为流速不同——形成两种性质不同的流动状态。2.2层流与湍流、雷诺数114.2.2层流和湍流层流：流体质点分层有规则地流动，各层质点宏观上互不掺混的流动状态。湍流：流体质点的运动轨迹极不规则，流体剧烈掺混的流动状态。2.2层流与湍流、雷诺数124.2.2层流和湍流“乱”——说明流体质点除了沿管轴线的速度以外，还有不规则的横向速度，结果把邻层流

5、体质点搅和了。2.2层流与湍流、雷诺数132.2层流与湍流、雷诺数Rek称为雷诺临界数，不随管径大小和流体物理性质而变化。Re<2000层流Re>2000湍流142.2层流与湍流、雷诺数强调：对于Re<2000，无论扰动多么强烈，圆管流依然保持稳定的层流状态。152.2层流与湍流、雷诺数162.2层流与湍流、雷诺数层流：工程中很少遇到。只有在流速很低、直径不大的管流中，例如输送粘性很大的输油管道。湍流：工程中和日常生活中，占绝大多数。172.2层流与湍流、雷诺数例1：有一管径为25mm的室内供水圆管，若管中水的流速为1m/s,水温

6、为10℃，已知10℃时水的运动粘性系数为1.31×10-6m2/s。（1）判别管中水的流态；（2）管内保持层流状态的最大流速。182.2层流与湍流、雷诺数例2：低速送风圆断面管道，直径200mm,风速3m/s，空气温度为30℃，已知30℃时空气的运动粘性系数为16.6×10-6m2/s。（1）判别风道内气体的流态；（2）管内保持层流状态的最大流速。192.2层流与湍流、雷诺数例3：某户内煤气管道，管径为d=15mm，若管中煤气流量为2m3/h,常温下煤气的运动粘性系数为26.3×10-6m2/s，试判别管中水的流态。202.2层流与湍流

7、、雷诺数层流和湍流的根本区别：1、层流各流层之间互不掺混，只存在粘性引起的各流层间的摩擦力；2、湍流时，有大小不等的涡体动荡于各流层间，除了粘性阻力，还存在着由于质点掺混、相互碰撞产生的惯性力；3、湍流阻力比层流阻力大。212.2　层流与湍流、雷诺数流体粘性的稳定作用与扰动造成的失稳：层流受到扰动，若粘性的稳定作用占主导地位，扰动会受到粘性的阻滞而衰减下来，呈现稳定的层流；当扰动占上风时，粘性的稳定作用无法使扰动衰减下来，流层不断掺混，最后发展为湍流。222.2　层流与湍流、雷诺数232.2　层流与湍流、雷诺数242.2　层流与湍流、雷

8、诺数雷诺数的物理意义雷诺数反映了惯性力与粘性力的对比关系。252.3圆管中的层流运动圆管均匀层流的切应力长直管段均匀流，无局部损失只有沿程损失262.3圆管中的层流运动圆管均匀层流的切应力圆管均匀流动方程式