第6章__流动阻力与水头损失__工程流体力学(闻建龙)

王常斌2013王常斌2013第一章第一章绪绪论论第二章第二章流体静力学流体静力学第三章第三章流体运动学基础流体运动学基础第四章第四章流体动力学基础流体动力学基础第五章第五章相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析工程流体力学工程流体力学第六章第六章流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失第七章第七章有压管路、孔嘴计算有压管路、孔嘴计算第八章第八章粘性流体力学基础粘性流体力学基础第九章第九章工程湍流及其应用工程湍流及其应用第十章第十章流体力学实验技术流体力学实验技术第十一章第十一章气体的一元流动气体的一元流动第十二章第十二章缝隙流动缝隙流动实际流体具有粘性，流体在运动过程中克服粘性阻力实际流体具有粘性，流体在运动过程中克服粘性阻力而消耗的机械能称为而消耗的机械能称为水头损失水头损失。。第六章第六章流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失由第四章知，实际流体定常总流的伯努利方程由第四章知，实际流体定常总流的伯努利方程22112212+22whpvpvzzgggg水头损失水头损失通常将水头损失分为两种：通常将水头损失分为两种：fhjh沿程阻力损失（沿程阻力损失（沿程损失沿程损失））——局部阻力损失（局部阻力损失（局部损失局部损失））——fjwhhh沿程水头损失沿程水头损失是流体克服沿程粘性阻力而产生的损失。是流体克服沿程粘性阻力而产生的损失。第六章第六章流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失fh在管道流动中，沿程水头损失由在管道流动中，沿程水头损失由达西公式达西公式计算计算22gflvhdgfphdl12v式中式中————沿程水头损失，沿程水头损失，mm；；————管中平均流速，管中平均流速，m/sm/s；；————管道长度，管道长度，mm；；————沿程阻力系数，与流动状态及管道的粗糙度等有关。沿程阻力系数，与流动状态及管道的粗糙度等有关。fhvl局部水头损失局部水头损失发生在局部急变流动区段的水头损失。发生在局部急变流动区段的水头损失。第六章第六章流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失jh流体流经边界发生急剧变化的局部障碍（如突然扩大、流体流经边界发生急剧变化的局部障碍（如突然扩大、阀门等），会引起流线弯曲，流体脱离边界、旋涡等，产生阀门等），会引起流线弯曲，流体脱离边界、旋涡等，产生水头损失。水头损失。第六章第六章流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失局部水头损失的计算公式为局部水头损失的计算公式为22gjvh式中式中————局部水头损失，局部水头损失，mm；；————管中平均流速，管中平均流速，m/sm/s；；————局部阻力系数，根据不同的局部装置由实验确定局部阻力系数，根据不同的局部装置由实验确定..jhv如果管道由若干等直管段和一些管道附件等连接在一起如果管道由若干等直管段和一些管道附件等连接在一起组成组成,,管道总的水头损失等于各段沿程水头损失和各处局部管道总的水头损失等于各段沿程水头损失和各处局部水头损失之和，即水头损失之和，即fjwhhh第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态第二节第二节圆管中的层流圆管中的层流第三节第三节圆管中的湍流圆管中的湍流第四节第四节管路中的沿程损失管路中的沿程损失第五节第五节管路中的局部损失管路中的局部损失第六章第六章流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态在在1919世纪初，许多研究者发现圆管流动中的水头损失与世纪初，许多研究者发现圆管流动中的水头损失与速度大小有关：速度大小有关：当速度较小时，水头损失与速度当速度较小时，水头损失与速度一次方一次方成正比；成正比；当速度较大时，水头损失与速度的当速度较大时，水头损失与速度的二次方二次方或或接近二次方接近二次方成正比。成正比。为了提示问题的实质，为了提示问题的实质，18831883年英国科学家雷诺进行了流年英国科学家雷诺进行了流动阻力实验。动阻力实验。实验发现，实验发现，水头损失与速度的关系之所以不同，是因为流动水头损失与速度的关系之所以不同，是因为流动存在两种不同的流动状态存在两种不同的流动状态————层流和湍流。层流和湍流。一、雷诺实验一、雷诺实验二、流动状态判别二、流动状态判别三、圆管中层流、湍流水头损失规律三、圆管中层流、湍流水头损失规律第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态一、雷诺实验一、雷诺实验11、自循环供水器；、自循环供水器；22、实验台；、实验台；33、可控硅无级调速器；、可控硅无级调速器；44、恒压水箱；、恒压水箱；55、有色水水管；、有色水水管；66、稳水孔板；、稳水孔板；77、溢流板；、溢流板；88、实验管道；、实验管道；99、实验流量调节阀。、实验流量调节阀。第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态开开大大阀阀门门关关小小阀阀门门第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态实验表明实验表明无论是液体还是气体实际流体的流动总是存在两无论是液体还是气体实际流体的流动总是存在两种流动状态，即种流动状态，即层流和湍流。层流和湍流。层流层流流体在管内流动时，其质点沿着与管流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作轴平行的方向作平滑直线运动平滑直线运动。此种流动称。此种流动称为层流或滞流，亦称为层流或滞流，亦称直线流动直线流动。。过渡流过渡流逐渐增加流速，流体的流线开始出逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的现波浪状的摆动摆动，摆动的，摆动的频率频率及及振幅振幅随流速随流速的增加而增加，此种流态称为的增加而增加，此种流态称为过渡流过渡流。。湍流湍流当流速增加到很大时，流线不再清楚当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有相邻流层间不但有滑动，还有混合混合。这时的。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种流态称为的分速度产生，这种流态称为湍流湍流。。第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态一、雷诺实验一、雷诺实验二、流动状态判别二、流动状态判别三、圆管中层流、湍流水头损失规律三、圆管中层流、湍流水头损失规律第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态二、流动状态判别二、流动状态判别将流动状态转换时的流速称为将流动状态转换时的流速称为临界流速临界流速cvcv由由层流层流→→湍流湍流的流速称为的流速称为上上临界流速临界流速由由湍流湍流→→层流层流的流速称为的流速称为下下临界流速临界流速(Re)ccvccvv(Re)ccv流体的流动状态是层流还是湍流，还与管径流体的流动状态是层流还是湍流，还与管径、流体的、流体的运动粘度运动粘度等因素有关。等因素有关。d第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态雷诺通过大量实验发现，不论管径雷诺通过大量实验发现，不论管径、运动粘度、运动粘度如何如何变化，由变化，由组成的量纲一的量组成的量纲一的量dcdv﹑﹑Reccvd(下)是个定值，称为是个定值，称为临界雷诺数临界雷诺数Reccvd(上)雷诺实验：雷诺实验：第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态Re,Re232013800cc层流、湍流都可能，多归入湍流，因为：层流、湍流都可能，多归入湍流，因为：Re232013800当当◆湍流情况时多；◆湍流情况时多；◆雷诺数高时，层流不稳定，遇到干扰很容易变为湍流。◆雷诺数高时，层流不稳定，遇到干扰很容易变为湍流。将下临界雷诺数作为判别流态的标准，对圆管：层流湍流将将下临界雷诺数下临界雷诺数作为判别流态的作为判别流态的标准，对标准，对圆管：圆管：层流层流湍流湍流Re2320,Re2320,层流、湍流两种流动状态不仅存在于管流中，在自然界层流、湍流两种流动状态不仅存在于管流中，在自然界及实际工程中也普遍存在。它们形成的原因，特别是层流如及实际工程中也普遍存在。它们形成的原因，特别是层流如何转变为湍流，至今仍然是何转变为湍流，至今仍然是层流稳定性理论层流稳定性理论及及湍流内部机理湍流内部机理研究中需要深入探讨的问题。研究中需要深入探讨的问题。第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态从雷诺数的物理意义作粗浅的说明：从雷诺数的物理意义作粗浅的说明：Re=vd惯性力粘性力◆当雷诺数较小且不超过临界值时，流体◆当雷诺数较小且不超过临界值时，流体质点在粘性力作用下，表现为有秩序的直质点在粘性力作用下，表现为有秩序的直线运动，互不掺混呈层流状态。线运动，互不掺混呈层流状态。◆随着雷诺数的增大，惯性力相对增大，粘性力作用减弱，层流◆随着雷诺数的增大，惯性力相对增大，粘性力作用减弱，层流逐渐失去稳定，粘性力不足以抑制和约束外界扰动，流体质点离逐渐失去稳定，粘性力不足以抑制和约束外界扰动，流体质点离开直线运动，形成无规则的脉动混杂及大大小小的旋涡。开直线运动，形成无规则的脉动混杂及大大小小的旋涡。对于非圆形管道，定义雷诺数为对于非圆形管道，定义雷诺数为第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态eRevd式中式中————水力直径；水力直径；————过流断面面积；过流断面面积；————湿周；湿周；————流体运动粘度。流体运动粘度。edAe4Ad其中其中2π422πRdRR圆10001000110011001930193020702070偏心缝隙偏心缝隙同心缝隙同心缝隙正三角形正三角形正方形正方形管道断管道断面形状面形状eRevdRecva3va2v()vDd第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态几种非圆形管道的临界雷诺数几种非圆形管道的临界雷诺数例例66--11直径直径dd=0.2m=0.2m的圆管，通过流量的圆管，通过流量qqvv=0.025m=0.025m33/s./s.11）管内液体为水，运动粘度为）管内液体为水，运动粘度为νν=1=1××1010--66mm22/s/s22）管内流体为原油，运动粘度）管内流体为原油，运动粘度νν=1=1××1010--44mm22/s/s第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态试试判断流动状态。判断流动状态。解：解：速度速度560.80.2Re=1.6102320110vd22440.0250.8π3.140.1m/svqvd11））40.80.2Re=16002320110vd22））湍流湍流层流层流一、雷诺实验一、雷诺实验二、流动状态判别二、流动状态判别三、圆管中层流、湍流水头损失规律三、圆管中层流、湍流水头损失规律第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态三、圆管中层流、湍流的水头损失规律三、圆管中层流、湍流的水头损失规律第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态在雷诺实验装置中，在实验段的前后断面装测压管。在雷诺实验装置中，在实验段的前后断面装测压管。对这两个断面列伯努利方程可得。对这两个断面列伯努利方程可得。gfph可见测压管中的水柱高可见测压管中的水柱高度差即为前后过流面之间的度差即为前后过流面之间的沿程损失。沿程损失。管中平均流速由体积法管中平均流速由体积法测流量求出。改变平均流速测流量求出。改变平均流速测出相应的沿程损失，将实测出相应的沿程损失，将实验结果画面对数坐标纸上，验结果画面对数坐标纸上，得得的关系曲线如图示。的关系曲线如图示。fhvfhvA1k2kDBCE45cvcvO第一节第一节流体运动的两种流动状态流体运动的两种流动状态流速由小变大→流速由小变大→ABCDABCD，，BB点对应上临界速度。点对应上临界速度。流速由大变小→流速由大变小→DEADEA，，EE点对应下临界速度。点对应下临界速度。mfhkv当当，即层流，，即层流，cvv45tan451mfhkv当当