《流體力學(xué)：第四章 流動(dòng)阻力和水頭損失.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《流體力學(xué)：第四章 流動(dòng)阻力和水頭損失.ppt（35頁珍藏版）》請?jiān)趨R文網(wǎng)上搜索。

1、第四章第四章 流動(dòng)阻力和水頭損失流動(dòng)阻力和水頭損失o4-1、流動(dòng)阻力和水頭損失的分類及計(jì)算、流動(dòng)阻力和水頭損失的分類及計(jì)算 o4-2、粘性流體的流態(tài)（層流與紊流、雷諾試驗(yàn)、粘性流體的流態(tài)（層流與紊流、雷諾試驗(yàn)、雷諾數(shù)）雷諾數(shù)）o4-3、均勻流基本方程、均勻流基本方程 o4-4、圓管中層流運(yùn)動(dòng)、圓管中層流運(yùn)動(dòng) o4-5、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）o4-6、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律（尼古拉茲實(shí)驗(yàn)）、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律（尼古拉茲實(shí)驗(yàn)）o4-7、邊界層概念與繞流阻力、邊界層概念與繞流阻力 o4-8、局部水頭損失、局部水頭損失第四章第四章 大綱的要求大綱的要求o理解粘性流體

2、的兩種流態(tài)及判別準(zhǔn)則；理解粘性流體的兩種流態(tài)及判別準(zhǔn)則；o理解圓管層流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；理解圓管層流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；o理解紊流特性、處理方法和紊流切應(yīng)力；理解紊流特性、處理方法和紊流切應(yīng)力；o了了解解邊邊界界層層概概念念、邊邊界界層層分分離離現(xiàn)現(xiàn)象象和和繞繞流流阻阻力；力；o掌握沿程損失和局部損失的計(jì)算方法。掌握沿程損失和局部損失的計(jì)算方法。o作業(yè)：作業(yè)：1,3,5,7,9,12,15,16,21,23,274-1、流動(dòng)阻力和水頭損失的分類及計(jì)算、流動(dòng)阻力和水頭損失的分類及計(jì)算 一、水頭損失的分類一、水頭損失的分類 4-1、流動(dòng)阻力和水頭損失的分類及計(jì)算、流動(dòng)阻力和水頭損失的分類及計(jì)算 二、水頭損失的計(jì)

3、算公式二、水頭損失的計(jì)算公式沿程水頭損失：沿程水頭損失：局部水頭損失：局部水頭損失：4-2、雷諾試驗(yàn)（層流與紊流、雷諾數(shù)）、雷諾試驗(yàn)（層流與紊流、雷諾數(shù)）一、兩種流態(tài)一、兩種流態(tài) B點(diǎn)為上臨界點(diǎn)（不穩(wěn)定）點(diǎn)為上臨界點(diǎn)（不穩(wěn)定）A點(diǎn)為下臨界點(diǎn)點(diǎn)為下臨界點(diǎn)（穩(wěn)定）（穩(wěn)定）4-2、雷諾試驗(yàn)（層流與紊流、雷諾數(shù)）、雷諾試驗(yàn)（層流與紊流、雷諾數(shù)）（a a）層流）層流（b b）臨界狀態(tài)）臨界狀態(tài)（c c）紊流）紊流下臨界流速下臨界流速vc臨界流速臨界流速上臨界流速上臨界流速vc雷諾實(shí)驗(yàn)（1883年）4-2、雷諾試驗(yàn)（層流與紊流、雷諾數(shù)）、雷諾試驗(yàn)（層流與紊流、雷諾數(shù)）二、流態(tài)的判別準(zhǔn)則二、流態(tài)的判別準(zhǔn)則-

4、臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)流態(tài)不單與速度有關(guān)，還與流動(dòng)空間和流體種類流態(tài)不單與速度有關(guān)，還與流動(dòng)空間和流體種類雷諾以上述三個(gè)因素組合一無量剛數(shù)雷諾以上述三個(gè)因素組合一無量剛數(shù)三、流態(tài)分析（壓杠的穩(wěn)定性問題）三、流態(tài)分析（壓杠的穩(wěn)定性問題）4-3、均勻流基本方程、均勻流基本方程一、均勻（漸變）流動(dòng)方程式（層流、紊流均適合）一、均勻（漸變）流動(dòng)方程式（層流、紊流均適合）水頭損失即為測壓管水頭差水頭損失即為測壓管水頭差4-3、均勻流基本方程、均勻流基本方程一、均勻（漸變）流動(dòng)方程式（一、均勻（漸變）流動(dòng)方程式（層流、紊流均適合層流、紊流均適合）動(dòng)量方程：動(dòng)量方程：切應(yīng)力與沿程水頭損失：切應(yīng)力與沿程水頭損失

5、：其中：其中：為水力坡度為水力坡度4-3、均勻流基本方程、均勻流基本方程二、圓管過流斷面上剪切應(yīng)力分布二、圓管過流斷面上剪切應(yīng)力分布層流紊流均適合層流紊流均適合圓管的速度分布圓管的速度分布4-4、圓管中層流運(yùn)動(dòng)、圓管中層流運(yùn)動(dòng)一、流動(dòng)特征一、流動(dòng)特征二、流速分布二、流速分布三、沿程阻力系數(shù)的計(jì)算三、沿程阻力系數(shù)的計(jì)算4-3、圓管中的層流運(yùn)動(dòng)、圓管中的層流運(yùn)動(dòng) 一、流動(dòng)特征一、流動(dòng)特征二、流速分布二、流速分布三、沿程阻力系數(shù)的計(jì)算三、沿程阻力系數(shù)的計(jì)算4-5、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）*一、紊流運(yùn)動(dòng)的特征一、紊流運(yùn)動(dòng)的特征二、紊流處理方法二、紊流處理方法-時(shí)均化時(shí)均化

6、n隨機(jī)脈動(dòng)（體積法和時(shí)均法）隨機(jī)脈動(dòng)（體積法和時(shí)均法）n運(yùn)算方法：加、減和乘運(yùn)算方法：加、減和乘4-5、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）三、紊流的剪切應(yīng)力三、紊流的剪切應(yīng)力n將流體層間紊流脈動(dòng)的宏觀動(dòng)量交換比擬為流體分子將流體層間紊流脈動(dòng)的宏觀動(dòng)量交換比擬為流體分子微觀的動(dòng)量交換微觀的動(dòng)量交換n動(dòng)量方程（單位面積）動(dòng)量方程（單位面積）剪切應(yīng)力的時(shí)均值剪切應(yīng)力的時(shí)均值由連續(xù)性方程，兩方向的脈動(dòng)速度是異向。由連續(xù)性方程，兩方向的脈動(dòng)速度是異向。4-5、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）n混合長度理論混合長度理論兩個(gè)假設(shè)：兩個(gè)假設(shè)：1、兩層流體的間距為、兩層

7、流體的間距為l （比擬為分子的平均自由程）（比擬為分子的平均自由程）o兩層流體的速度差：兩層流體的速度差：（數(shù)學(xué)）（數(shù)學(xué)）y4-5、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）2、兩方向的脈動(dòng)速度同量級(jí)的并與速度差成正比、兩方向的脈動(dòng)速度同量級(jí)的并與速度差成正比o其中：其中：l稱為混合長度，如按剪切應(yīng)力公式：粘性稱為混合長度，如按剪切應(yīng)力公式：粘性特征與速度分布和空間有關(guān)。特征與速度分布和空間有關(guān)。o剪切應(yīng)力分為層流與紊流之和剪切應(yīng)力分為層流與紊流之和y4-5、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）四、紊流速度分布速度分布四、紊流速度分布速度分布(忽略層流應(yīng)力忽略層流

8、應(yīng)力)對數(shù)分布：對數(shù)分布：假設(shè)壁面附近剪切應(yīng)力假設(shè)壁面附近剪切應(yīng)力混合長度混合長度積分積分其中：阻力速度其中：阻力速度并將對數(shù)分布應(yīng)用到整個(gè)紊流斷面的速度分布并將對數(shù)分布應(yīng)用到整個(gè)紊流斷面的速度分布(與試驗(yàn)符合與試驗(yàn)符合)4-5、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）五、層流五、層流(粘性粘性)底層底層速度分布（拋物面分布）速度分布（拋物面分布）線性分布：線性分布：假設(shè)層流底層剪切應(yīng)力保持不變假設(shè)層流底層剪切應(yīng)力保持不變積分積分或：或：4-5、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）、紊流運(yùn)動(dòng)（特征和紊流阻力）n紊流結(jié)構(gòu)圖紊流結(jié)構(gòu)圖n討論討論:o如不忽略層流應(yīng)力，速度分布的積分變得很復(fù)雜如不

9、忽略層流應(yīng)力，速度分布的積分變得很復(fù)雜o在紊流速度分布計(jì)算過程中，不應(yīng)用應(yīng)力為常數(shù)的假在紊流速度分布計(jì)算過程中，不應(yīng)用應(yīng)力為常數(shù)的假設(shè)，也可得到指數(shù)形式的速度分布，但試驗(yàn)相差甚遠(yuǎn)。設(shè)，也可得到指數(shù)形式的速度分布，但試驗(yàn)相差甚遠(yuǎn)。4-6、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律一、一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)n沿程阻力系數(shù)及其影響因素的分析沿程阻力系數(shù)及其影響因素的分析n沿程阻力系數(shù)的測定和阻力分區(qū)圖沿程阻力系數(shù)的測定和阻力分區(qū)圖尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)（1933-1934）（1）實(shí)驗(yàn)曲線區(qū)（ab線，lgRe3.3，Re3.6，Re4000）紊流光滑區(qū)=f（Re）k/d大的管子在Re較低時(shí)

10、離開此線 尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)（1933-1934）區(qū) 紊流過渡區(qū)=f（Re，k/d）區(qū) 紊流粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)）=f（k/d）尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)（1933-1934）4-6、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律二、二、半經(jīng)驗(yàn)公式半經(jīng)驗(yàn)公式n普朗特半經(jīng)驗(yàn)理論公式普朗特半經(jīng)驗(yàn)理論公式紊流光滑區(qū)紊流光滑區(qū)阻力平方區(qū)阻力平方區(qū)4-6、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律三、工業(yè)管道和柯列勃洛克公式三、工業(yè)管道和柯列勃洛克公式n當(dāng)量粗糙度當(dāng)量粗糙度紊流過渡區(qū)和柯列勃洛克公式紊流過渡區(qū)和柯列勃洛克公式莫迪圖是以柯氏公式為基礎(chǔ)繪制的莫迪圖是以柯氏公式為基礎(chǔ)繪制的4-6、沿程阻

11、力系數(shù)的變化規(guī)律、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律莫迪圖4-6、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律四、四、經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式n紊流光滑區(qū)：布拉修斯公式紊流光滑區(qū)：布拉修斯公式nn阻力平方區(qū)：希弗林松公式阻力平方區(qū)：希弗林松公式n n謝才公式，應(yīng)用于非圓管或非滿管流等流動(dòng)謝才公式，應(yīng)用于非圓管或非滿管流等流動(dòng)謝才系數(shù)選用曼寧公式謝才系數(shù)選用曼寧公式其中：其中：R水力半徑、水力半徑、J水力坡度、水力坡度、n粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)P684-6、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律、沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律五、非圓管的沿程水頭損失五、非圓管的沿程水頭損失n1、水力半徑、水力半徑過流斷面面積和濕周，對于圓管水力半徑為半徑的一

12、過流斷面面積和濕周，對于圓管水力半徑為半徑的一半。非圓管的臨界雷諾數(shù)也可取半。非圓管的臨界雷諾數(shù)也可取2000或或2300。n2、非圓管的沿程損失系數(shù)、非圓管的沿程損失系數(shù)對于正方形正三角形及與圓形較接近的斷面，使用水力半徑，對于正方形正三角形及與圓形較接近的斷面，使用水力半徑，所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與圓管的很接近。對于扁平斷面結(jié)所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與圓管的很接近。對于扁平斷面結(jié)果差異很大，（果差異很大，（b/a8）。）。層流差異很大，原因?qū)恿鲌A管的速度分布為拋物面，而其它層流差異很大，原因?qū)恿鲌A管的速度分布為拋物面，而其它斷面形狀的速度分布就不可能為拋物面了。斷面形狀的速度分布就不可能為拋物面了。例：

13、給水管長例：給水管長30m，直徑，直徑d=75mm，材料為新鑄鐵管，材料為新鑄鐵管，流量流量Q=7.25L/s，水溫，水溫t=10，求該管段的沿程水頭，求該管段的沿程水頭損失損失解解：水溫水溫t=10時(shí)，水的運(yùn)動(dòng)粘度時(shí)，水的運(yùn)動(dòng)粘度=1.3110-6m2/s當(dāng)量粗糙度當(dāng)量粗糙度ke=0.25mm，ke/d=0.003由由Re、ke/d查莫迪圖，得查莫迪圖，得=0.028或由公式或由公式，得，得=0.0264-7、邊界層概念與繞流阻力（了解）、邊界層概念與繞流阻力（了解）一、邊界層概念一、邊界層概念n平板上的邊界層平板上的邊界層n管道進(jìn)口段管道進(jìn)口段的邊界層的邊界層二、曲面邊界層及其分離現(xiàn)象二、

14、曲面邊界層及其分離現(xiàn)象n曲面邊界層的分離曲面邊界層的分離n壓差阻力壓差阻力n卡門渦街卡門渦街4-8、局部水頭損失、局部水頭損失一、局部損失的一般分析一、局部損失的一般分析n流體沿邊界面流體沿邊界面的流動(dòng)特征；的流動(dòng)特征；n局部產(chǎn)生漩渦，速度大小產(chǎn)生變化，速度方向局部產(chǎn)生漩渦，速度大小產(chǎn)生變化，速度方向產(chǎn)生變化。產(chǎn)生變化。4-8、局部水頭損失、局部水頭損失n局局部部損損失失系系數(shù)數(shù)應(yīng)應(yīng)該該與與沿沿程程損損失失系系數(shù)數(shù)相相似似，。在在局局部部處處，流流動(dòng)動(dòng)很很容容易易進(jìn)進(jìn)入入阻阻力力平平方方區(qū)區(qū)，而而相相對對粗粗糙糙度度的的影影響響可可忽忽略。因此，局部損失系數(shù)只與形狀有關(guān)。略。因此，局部損失系數(shù)只與形狀有關(guān)。二、二、突突變管徑的局部損失變管徑的局部損失n1、突然擴(kuò)大（動(dòng)量方程，連續(xù)性方程，能量方程）、突然擴(kuò)大（動(dòng)量方程，連續(xù)性方程，能量方程）下標(biāo)下標(biāo)1為進(jìn)口，下標(biāo)為進(jìn)口，下標(biāo)2為出口為出口 4-8、局部水頭損失、局部水頭損失n2、突然縮小、突然縮小對應(yīng)于出口速度對應(yīng)于出口速度n3、其他局部水頭損失、其他局部水頭損失(參考速度參考速度)漸擴(kuò)管漸擴(kuò)管漸縮管漸縮管彎管彎管三通的局部損失三通的局部損失o水頭線水頭線