第四章 流动阻力与水头损失

第四章水流阻力和水头损失教学目的、要求和重点§4.1流动阻力和水头损失分类§4.2实际流体流动的两种型态§4.3均匀流动的沿程水头损失和基本方程§4.4圆管中的层流流动§4.5圆管中的紊流运动§4.6沿程阻力系数的变化规律及影响因素§4.7局部水头损失返回教学目的和要求掌握流体运动的两种形态及其判别方法熟悉圆管中层流运动规律，紊流特征、紊流时均化概念熟悉沿程水头损失的成因和阻力系数的变化规律掌握沿程水头损失的计算方法熟悉局部水头损失的成因和计算方法重点两种流态的特点、判别、雷诺数的物理意义沿程水头损失系数的变化规律与计算达西公式谢才公式、曼宁公式、糙率n局部水头损失计算返回§4.1流动阻力和水头损失分类一.能量损失的工程意义及产生条件流体的粘滞性边界的影响二.流动阻力与水头损失的两种型式沿程阻力τ和沿程水头损失hf局部阻力和局部水头损失hj（或hm）总水头损失hw=hf+hm返回§4.2实际流体流动的两种型态一.雷诺实验实验装置Mov01781.mpg步骤层流变紊流：Vcˊ（上临界流速）紊流变层流：Vc且VcVcˊ问题：若颜色流体与运动流体的比重不同时，怎样改进？二.层流和紊流的判别标准临界雷诺数：RecRe=Vd/v——惯性力/粘滞力圆管：Re=Vd/v，Rec=2300；对非圆管：Re=VR/v，Rec=575其中R为水力半径，R=W/X。X为湿周——断面上固体边壁与流体相接触的周长。如圆管R=r/2.例。返回§4.3均匀流沿程水头损失与切应力的关系----均匀流基本方程对1-1,2-2写能量方程:通过力的平衡分析可得：整理后得到：(z1+p1/r)-(z2+p2/r)＝0sin20021AllrApAp002rlA)()(2211zzhf可得：注意：1.适用于任何大小的流束。2.τ与R成正比，当ω一定时，X越小，R越大，hf越小。RJ0§4.4圆管中的层流流动JrRJ2一、断面上的切应力分布在径向上是线性分布管壁处，最大管轴处，最小，为0长直圆管中的层流流动－－泊肃叶（Poiseuille）流动返回为抛物线分布。2/maxuv二、断面流速分布特征四.沿程损失的通用公式－－达西—魏斯巴哈公式gdlgdlhf22Re6422λ：沿程阻力系数注意：1.层流中，λ=f（Re）;紊流中，λ=f（Re,△）2.只适用于均匀流,在管路进口附近无效。§4.5圆管中的紊流运动一、紊流运动要素的脉动及时均化脉动瞬时值脉动值时间平均值xxxuuudtuTuTxx010xu注意：紊流是非恒定流时均值不能反映脉动的影响。二.紊流切应力层流中切应力由粘性引起紊流时切应力的组成1.时均流速相对运动产生的粘滞力2.由脉动产生的附加切应力紊动充分时，附加切应力远远大于粘滞力21dyudx1yxyxuu三.圆管紊流流核与粘性底层粘性底层紊流区：包括过渡层和紊流流核区。四.流道壁面的类型水力光滑壁面δl△水力粗糙壁面δl△过渡粗糙壁面六.圆管紊流的流速分布粘性底层：直线分布紊流流核过流断面：对数曲线分布据实测，umax发生管轴，且Re=2700，V=0.75umax；Re=106，V=0.85umax，Re=108，V=0.95umax。§4.6沿程阻力系数的变化规律及影响因素一.尼古拉兹试验根据量纲分析λ=f（Re,△/d)以lgRe为横坐标，lg(100λ）为纵坐标，以(△/d)为参数，得出实验曲线，如图。第Ⅰ区：层流区，Re＜2300，λ=f（Re）=64/Re，λ与无关。第Ⅱ区：层流与紊流之间的过渡区，2300＜Re＜4000，λ与Re有关，与△/d无关。第Ⅲ区:水力光滑区，Re4000，λ=f（Re）=64/Re，λ与△/d无关。当Re=3000-105用伯拉修斯公式当Re=104-106用普朗特公式或尼古拉池公式25.03164.0Re8.0)log(21Re第Ⅳ区:水力光滑与水力粗糙的过渡区λ=f（Re，△/d）第Ⅴ区:水力粗糙区：λ=f（△/d）实验的意义，阻力平方区。2fh二.实际管道的沿程损失工业管道λ规律：1.在水力光滑区，二者规律相同2.在粗糙区，λ有相同的变化规律，计算公式相同。当量糙粒高度：通过管段的沿程水头损失试验，将实验结果与人工砂粒加糙结果比较，具有相同沿程阻力系数值的人工砂粒粗糙度即可作为试验管的当量粗糙度。3.第二过渡区，λ的变化规律有很大差别。人工管道λ随Re增大而增大，工业管道则相反三、计算的经验公式1.紊流光滑区：尼古拉兹公式：布拉休斯公式：2.阻力平方区：3.过渡粗糙区：很复杂。柯列布鲁克公式：四.明渠流的沿程损失谢才（Chezv）公式V=C谢才系数用曼宁和巴氏公式确定。曼宁公式：C=巴氏公式：C=RJ61Rn1yRn1返回§4.7局部水头损失一.圆管突然扩大的局部损失二.其他的局部阻力系数hm=ζ注意：ζ与雷诺数和边界条件有关。ζ是在无干扰的情况下测出出口阻力系数gv22