流体力学最新课件 第六章 流动阻力和水头损失(新)

第六章流动阻力和水头损失主要讲述流体在通道（管道、渠道）内流动的阻力和水头损失。产生能量损失的原因：水流有粘滞性。当水流运动时，会产生粘性阻力，水流克服阻力，就要消耗一部分机械能，转化为热能，造成能量损失。第六章流动阻力和水头损失水头损失：流体在运动过程中因克服粘性阻力而消耗的机械能称为水头损失。水头损失：沿程水头损失和局部水头损失。水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。用单位重量液体的能量损失hw表示水流的能量损失流体的流动：层流和湍流（紊流）研究简单流动：管流和渠道流第六章流动阻力和水头损失§6-1水头损失的两种形式§6-2粘性流体的两种流态雷诺实验流态的判别紊流的成因§6-3圆管中的层流沿程损失与切应力的关系沿程损失的通用公式§6-4层流向紊流的过渡§6-5紊流的流速分布紊流切应力混合长度假说圆管紊流的断面流速分布§6-6圆管紊流的沿程损失系数§6-7沿程损失系数的实验研究尼古拉兹实验莫迪图§6-8局部水头损失局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数§6-1水头损失的两种形式—沿程水头损失和局部水头损失工程上水头损失分为：沿程水头损失和局部水头损失。wwhHHgVgpzHhgVgpzgVgpz2122222221111222总水头水头损失jfwhhh局部损失沿程损失沿程阻力：在长直管道或长直明渠中,流动为均匀流或渐变流,流动阻力中只包括与流程的长短有关的摩擦阻力----沿程阻力。局部阻力：在流道发生突变的局部区域,流动属于变化较剧烈的急变流,流动结构急剧调整,流速大小,方向迅速改变,往往拌有流动分离和旋涡运动,流体内部摩擦作用增大,称这种流动阻力-------局部阻力。§6-1水头损失的两种形式jfwhhh局部损失沿程损失沿程水头损失hfhf∝s在平直的固体边界水道中，单位重量的液体从一个断面流至另一个断面的机械能损失。这种水头损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头损失。§6-1水头损失的两种形式局部水头损失hj用圆柱体绕流说明局部水头损失hj§6-1水头损失的两种形式分析通过圆心的一条流线（图中红线所示）§6-1水头损失的两种形式通过圆心的一条流线§6-1水头损失的两种形式液体质点流向圆柱体时，流线间距逐渐增大，流速逐渐降低，由能量方程可知，压强必然逐渐增加。存在驻点：当液体质点流至A点，流速降为零，动能转化为压能，使其增加到最大。A点称驻点（毕托管测速原理）。A驻点A液体质点到达驻点，停滞不前，以后继续流来的质点就要改变原有流动方向，沿圆柱体两侧继续流动。AC理想液体分析沿柱面两侧边壁附近的流动液体质点运动A－C动能增加（液体挤压）压能减少压能的减少部分转化为动能ACBC液体质点运动C—B动能减少（液体扩散）压能增加减少的动能完全转化为压能。ACBC液体质点运动C—B动能减少（液体扩散）压能增加减少的动能完全补充为压能。液体质点运动A－C动能增加（液体挤压）压能减少减少的压能补充为动能ACBC由于液体绕流运动无能量损失，因此，液体从A－B时，A和B点的流速和压强相同。其他流线情况类似。液体质点运动C—B动能减少（液体扩散）压能增加减少的动能完全补充为压能。液体质点运动A－C动能增加（液体挤压）压能减少减少的压能补充为动能实际液体绕圆柱流动ACBC液体质点运动A－C动能增加压能减少减少的压能转化为动能并用于克服能量损失ACBC液体质点运动C－B动能减少压能增加减少的动能转化为压能并用于克服能量损失ACBC形成分离点：D近壁液体从C-B运动时，液体的动能一部分用于克服摩擦阻力，另一部分用于转化为压能。因此，液体没有足够动能完全恢复为压能（理想液体全部恢复）。在柱面某一位置，例如D处，流速降低为零，不再继续下行。ACBC形成分离点：DD点以后的液体就要改变流向，沿另一条流线运动，这样就使主流脱离了圆柱面，形成分离点。ACBCD沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。分离点后形成漩涡区ACBCD沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。分离点后形成漩涡区漩涡区ACBCD沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。分离点后形成漩涡区漩涡区ACBCD漩涡区漩涡体形成、运转和分裂漩涡区中产生了较大的能量损失ACBCD流速分布急剧变化漩涡区中产生了较大的能量损失ACBCD漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡的形成，运转和分裂；流速分布急剧变化，都使液体产生较大的能量损失。这种能量损失产生在局部范围之内，叫做局部水头损失hj。当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失称作局部水头损失。局部水头损失：§6-1水头损失的两种形式突然管道缩小：漩涡区§6-1水头损失的两种形式管道中的闸门局部开启漩涡区§6-1水头损失的两种形式弯道转弯漩涡区§6-1水头损失的两种形式产生漩涡的局部范围局部水头损失沿程水头损失hf∝s发生边界平直的固体边界水道中大小与漩涡尺度、强度,边界形状等因素相关耗能方式通过液体粘性将其能量耗散外在原因液体运动的摩擦阻力边界层分离或形状阻力达西公式：1803~1858gvdLhf22圆管水流的沿程损失——沿程损失系数，与流动特性以及管壁的粗糙度有关。gvRLhf242非圆管水流的沿程损失R是管道的水力半径，其值等于过流断面的面积A与湿周Χ的比值。AR§6-1水头损失的两种形式jfwhhhgvhj22局部损失::局部损失系数。局部水头损失是由于流动边界性状突然变化（例如管道截面突然扩大）引起的流线弯曲以及边界层分离而产生的损失。如果管道由若干管段组成：§6-1水头损失的两种形式jfwhhh11s22334455ipi/γv0hwiH0总水头线测压管水头线v022gH第六章流动阻力和水头损失§6-1水头损失的两种形式§6-2粘性流体的两种流态雷诺实验流态的判别紊流的成因§6-3圆管中的层流沿程损失与切应力的关系沿程损失的通用公式§6-4层流向紊流的过渡§6-5紊流的流速分布紊流切应力混合长度假说圆管紊流的断面流速分布§6-6圆管紊流的沿程损失系数§6-7沿程损失系数的实验研究尼古拉兹实验莫迪图§6-8局部水头损失局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数雷诺：O.OsborneReynolds(1842～1912)英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家1867年-剑桥大学王后学院毕业1868年-曼彻斯特欧文学院工程学教授1877年-皇家学会会员1888年-获皇家勋章1905年-因健康原因退休雷诺(O.Reynolds)实验§6-2粘性流体的两种流态雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近70篇论文都有很深远的影响。论文内容包括力学热力学电学航空学蒸汽机特性等雷诺(O.Reynolds)实验§6-2粘性流体的两种流态在流体力学方面最重要的贡献：1883年—发现液流两种流态：层流和紊流，提出以雷诺数判别流态。1883年—发现流动相似律对于几何条件相似的流动，即使其尺寸、速度、流体不同,只要雷诺数相同,则流动是动力相似。雷诺(O.Reynolds)实验§6-2粘性流体的两种流态实际液体运动中存在两种不同型态：层流和紊流不同型态的液流，水头损失规律不同雷诺实验揭示出雷诺(O.Reynolds)实验§6-2粘性流体的两种流态雷诺试验装置颜色水hftVQl雷诺(O.Reynolds)实验§6-2粘性流体的两种流态颜色水hftVQl打开下游阀门，保持水箱水位稳定雷诺(O.Reynolds)实验§6-2粘性流体的两种流态颜色水hftVQl再打开颜色水开关，则红色水流入管道层流：红色水液层有条不紊地运动，红色水和管道中液体水相互不混掺（实验）雷诺(O.Reynolds)实验§6-2粘性流体的两种流态颜色水hftVQl下游阀门再打开一点，管道中流速增大红色水开始颤动并弯曲，出现波形轮廓红颜色水射出后，完全破裂，形成漩涡，扩散至全管，使管中水流变成红色水。这一现象表明：液体质点运动中会形成涡体，各涡体相互混掺。颜色水hftVQl下游阀门再打开一点，管中流速继续增大雷诺(O.Reynolds)实验§6-2粘性流体的两种流态颜色水hftVQl层流：流速较小时，各流层的液体质点有条不紊运动，相互之间互不混杂。颜色水hftVQl紊流：当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混杂。（紊流实验）实验时，结合观察红颜色水的流动，量测两测压管中的高差以及相应流量，建立水头损失hf和管中流速v的试验关系，并点汇于双对数坐标纸上。颜色水hftVQl颜色水hftVQl试验按照两种顺序进行:(1)流量增大（2）流量减小试验结果如下图所示。雷诺(O.Reynolds)实验水金属网排水进水玻璃管节门有色液体层流:分层流动；有条不紊；互不掺混紊流(湍流):杂乱无章；相互掺混；涡旋紊乱§6-2粘性流体的两种流态层流与紊流的概念沿程水头损失与流速关系。流速较小时，hf∝v；流速较大时，hf∝v2(几乎)英国物理学家Reynolds试验研究：水头损失之所有不同，是因为粘性流体存在两种流态。f层流区lghwlgV紊流区过渡区bcdealgVe’lgVe流态的判别-------雷诺数22ReRe2rRrrAARVRVdVd下临界速度Vc:由紊流转变为层流时管内断面平均流速；上临界速度V’e:由层流转变为紊流时的断面平均流速。一般是固定的，而上临界速度V’e则是不固定的，试水流受外界的干扰情况而定。§6-2粘性流体的两种流态下临界速度Vc；上临界速度V’cf层流区lghwlgV紊流区过渡区bcdealgVe’lgVe流态的判别-------雷诺数ARVRVdVdReRe实验结果：vmkhflnlnlnmfkvh下临界速度Ve；上临界速度V’e§6-2粘性流体的两种流态ccVV'引入水力学半径概念(R),A为过流断面面积为湿周即断面上因固体边缘与流体相接触的周长。f层流区lghwlgV紊流区过渡区bcdealgVe’lgVe实验结果：ab段：vmkhflnlnlnmfkvh流速很小，属于层流。kvhfef段：流速较大，属于紊流。0.2~75.1kvhfbce段：层流和紊流相互转化的过渡区。(不稳定区域)§6-2粘性流体的两种流态管流：Re2300（有时用2000）,流态属层流,Re2300（有时用2000）,流态属紊流。不论其管径的大小和流速的快慢、流体性质如何，流态的形态均为层流。明渠流：Re500,流态属层流,Re500,流态属紊流。§6-2粘性流体的两种流态紊流的成因:层流紊流转捩（读lie—转折点）扰动23ReLLVLLVVVL雷诺数的物理意义:(1)流态转捩的判别准则(2)惯性力与粘性力之比惯性力粘性力§6-2粘性流体的两种流态23ReLLVLLVVVL雷诺数较小，反映出流体受粘滞作用控制，对流体的质点运动起着约束作用，因此当雷诺数小到一定程度时，质点呈有秩序的线状运动，互不掺混，也即呈层流形态。当流动的雷诺数逐渐加大时，说明惯性力增大，粘滞作用则随之减小，当这种作用减弱到一定程度时，层流失去了稳定，又由于各种外界因素，如边界的高低不平，流体质点离开了线状运动，因粘滞性不再能控制这种扰动，而惯性作用则微小扰动不断发展扩大，形成了紊流形态。§6-2粘性流体的两种流态例1水=1.7910-6m2/s,油=3010-6m2/s,若它们以V=0.5m/s的流速在直径为d=100mm的圆管中流动,试确定其流动形态。解:水的流动雷诺数20001667