第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失

第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.1概述水头损失的成因与分类：液流阻力与水头损失的关系：水流损失的计算：第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.2水头损失的分类jfwhhh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。fh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。jh第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.3液体运动的两种流态——层流和紊流雷诺实验：第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.3液体运动的两种流态——层流和紊流沿程水头损失和平均流速的关系：fhv)2()2(2222221111gvgpzgvgpzhhfw)()(2211gpzgpzhw4//2dtVAQv第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.3液体运动的两种流态——层流和紊流沿程水头损失和平均流速的关系：fhvvkhflglglgmfkvh1~,45,1vhmf0.2~75.1~,45,0.2~75.1vhmf层流：紊流：第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.3液体运动的两种流态——层流和紊流流态的判别——雷诺（Reynolds）数：2300Redvcc?12000Re''dvccvdRe第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.3液体运动的两种流态——层流和紊流雷诺（Reynolds）数的物理意义：水流的惯性力与黏滞力之比dtdvVmadyduATULLUULTma22223ULTULLULUL2特征流速特征长度运动黏滞系数第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.3液体运动的两种流态——层流和紊流非圆管流的雷诺（Reynolds）数：ARvRRe第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.3液体运动的两种流态——层流和紊流水力要素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。RAR44/2dddAR圆管第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.3液体运动的两种流态——层流和紊流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。eqdARdeq44对于非圆管流动，其下临界雷诺数为eqcecdvR若采用水力半径来定义雷诺数，则500RvRcec第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.4均匀流基本方程切应力与沿程损失的关系第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.4均匀流基本方程切应力与沿程损失的关系0sin'''2'1llgAApAplzz21sin'''2211)()(gRgAlgpzgpzwhgvgpzgvgpz222222221111fhgpzgpz)()(2211JgR'第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.4均匀流基本方程摩阻流速0*ugRJgRJu0*第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.4均匀流基本方程切应力的分布)1(00ry)1(0hy第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动圆管均匀层流——流速分布drduJrgJgR2'Jrgdrdu2rdrgJdu2CrgJu24)(4220rrgJu第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动圆管均匀层流——流量rdrrrgJudAdQ2)(42204022001282)(4dgJrdrrrgJudAQr哈根－泊肃叶定律：第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动圆管均匀层流——断面平均流速max20204021818urgJrgJrAQv第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动圆管均匀层流——沿程损失hf及沿程水头损失系数220328dgJrgJvvgdJ232vgdlhf232理论验证了雷诺实验结果第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动圆管均匀层流——沿程损失hf及沿程水头损失系数vgdlhf232gvdlvdvgdlhf2643222Re64gvdlhf22第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动圆管均匀层流——动能校正系数和动量校正系数234第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动二元明渠均匀层流——流速分布dyduJgR'yHR'JyHgdydu)(dyyHgJdu)(第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动二元明渠均匀层流——流速分布dyyHgJdu)(dyyHgJu)(CyHygJu)2(2)2(2yHygJu2max2HgJu第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动二元明渠均匀层流——流量和断面平均流速30203)2(HgJdyyHygJudydqqHH单宽流量max2323uHgJv第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动二元明渠均匀层流——沿程水头损失23HgJvgvRlgvRlvRvgRlvgHlhf24Re242424332222Re24gvRlhf242第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动沿程水头损失的一般公式gvRlhf242gvdlhf22达西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach)公式第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动摩阻流速0*ugRJgRJu0*gvRlhf242vu8*第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.5层流运动例4.1第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流运动紊流的脉动现象和时均概念紊流的特点(1)有涡性(2)不规则性(3)扩散性(4)三元性(5)耗能性(6)连续性第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流运动紊流的脉动现象和时均概念激光流速仪'uuuTudtTu010TTt第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流运动紊流的脉动现象和时均概念0)(1100''uudtuuTdtuTuTT时均恒定时均非恒定第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流运动紊流切应力Ret普朗特混合长理论紊流的动量传递理论和掺长第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流运动紊流切应力tAumy'质量'''xyxtuAumu动量冲量tAuutTyx''''Reyxuu''Reyxuu0''tAutAuyx''Reyxuu第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流运动紊流切应力dyudlyudyudlyuyulyuuxxxxxxx111)()()()(dyudlcuxx11'dyudlcuxy12'假设动量交换经过一定距离后一次完成假设脉动流速与时均流速差成比例.22111Re)(dyudlccx第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流运动紊流切应力22Re)(dyduldydutyl01ryyl第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流运动紊流的黏性底层第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流运动紊流的水力光滑与水力粗糙绝对粗糙度Rd,相对粗糙度水力光滑面水力过渡粗糙面水力粗糙面010010第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流的流速分布对数流速分布22Re)(dydul22)(dydularyrr13.4)1(0000公式01ryyl202200))(1()1(dyduryyry2222)(dyduyuydyudu对数流速分布第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流的流速分布Cyuulnydyuduyuyududu)(1)ln1(1Cyuuu)lg3.2(1Cyuuu对数流速分布第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流的流速分布5.5lg75.5yuuu光滑管粗糙管5.8lg75.5yuu指数流速分布第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流的流速分布nryuu10max)(例4.2,例4.3黏性底层的厚度第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流的流速分布)(4:)16.4(220rrgJuyrgJrrrrgJrrgJu0002202))((4)(40yudydu0yuyuuu黏性底层的厚度第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流的流速分布yuuu5.5lg75.5yuuu黏性底层的厚度第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流的流速分布yuuu5.5lg75.5yuuu理论厚度6.11yuRe8.326.110du黏性底层的厚度第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.7紊流的流速分布5yu70yu705yu黏性底层过渡层紊流核心第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.9尼古拉兹试验第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.9尼古拉兹试验第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.10谢才公式RJCv611RnC第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.11局部水头损失)2()2(2222221111gvgpzgvgpzhj第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.11局部水头损失)(12vvQFsS方向的压力：A1上的压力，p1A1；A2上的压力，p2A2；A2－A1，p1（A2－A1）重力，摩擦阻力不计)(212zzgA第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.11局部水头损失S方向的压力：A1上的压力，p1A1；A2上的压力，p2A2；A2－A1，p1（A2－A1）重力，摩擦阻力不计)(212zzgA)()()(2222211vvgvgpzgpz第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.11局部水头损失gvgvgvvvhj22)(222211122121gvvhj2)(221第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.11局部水头损失gvgvAAhj22)1(21121221gvgvAAhj22)1(22222212gvhj22第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.11局部水头损失)()()(2222211vvgvgpzgpz第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失4.11局部水头损失jfwhhh)21(例4.5（两个）