§5.1概述、§5.2流动型态雷诺实验、§5.3均匀流基本方程

工程流体力学课件杨庆华制作Copyright@2006西南交通大学土木工程学院流体力学教研室第五章流动阻力与水头损失•§5–1概述•§5–2粘性流体的流动型态•§5–3均匀流基本方程•§5–4圆管中的层流运动•§5–5圆管中的紊流运动•§5–6局部水头损失§5–1概述产生流动阻力和能量损失的根源：流体的粘性和紊动。一、流动阻力和水头损失分类1、沿程阻力和沿程水头损失沿程阻力（frictionaldrag）：当限制流动的固体边界使流体作均匀流动时，流动阻力只有沿程不变的切应力，该阻力称为沿程阻力。沿程水头损失（frictionalheadloss）：由沿程阻力作功而引起的水头损失称为沿程水头损失。2、局部阻力和局部水头损失局部阻力（localresistance）：液流因固体边界急剧改变而引起速度分布的变化，从而产生的阻力称为局部阻力。局部水头损失（localheadloss）：由局部阻力作功而引起的水头损失称为局部水头损失。3、特点沿程水头损失hf：主要由于“摩擦阻力”所引起的，随流程的增加而增加。在较长的直管道和明渠中是以hf为主的流动。局部阻力水头损失hj：主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水流内部结构遭受破坏，产生漩涡，以及在局部阻力之后，水流还要重新调整结构以适应新的均匀流条件所造成的。例“弯头”，“闸门”，“突然扩大”等。二、水头损失基本计算公式1、水头损失叠加原理：流段两截面间的水头损失为两截面间的所有沿程损失和所有局部损失的总和。即：jfwhhhhf00H测压管水头线2g总水头线hjh=∑hf+∑hjv2闸门突扩转弯突缩转弯2、沿程水头损失计算公式dlhf实验表明：，得半经验公式：gvdlhf22适用范围：适用于圆管紊流或层流，为恒定均匀管流的通用公式。对于非圆管：gvRlhf2423、局部水头损失计算公式gvhj22§5–2粘性流体的流动型态一、层流和湍流，雷诺试验1883年英国物理学家雷诺（ReynoldsO.）通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态。1、层流层流（laminarflow），亦称片流，是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。特点：（1）有序性，水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直运动。（3）能量损失与流速的一次方成正比。（4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。（2）粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。dydu2、湍流湍流（turbulentflow），亦称紊流：是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。特点：（1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动，具有扩散的特点。（3）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。（4）在流速较大且雷诺数较大时发生。（2）紊流受粘性和紊动的共同作用，具有耗能性。dydu）（3、雷诺试验颜色细流hf层流紊流过渡区oabcdelghflgvlgvclgvlgvcf实验曲线分为三部分：（1）ab段：当vvc时，流动为稳定的层流。（2）ef段：当vv时，流动只能是紊流。（3）be段：当vcvv时，流动可能是层流（bc段），也可能是紊流（bde段），取决于水流的原来状态。二、沿程水头损失与流速的关系vmkhflglglg层流紊流过渡区oabcdelghflgvlgvclgvlgvcfmfkvh层流：m1=1.0，hf=k1，即沿程水头损失与流速的一次方成正比。紊流：m2=1.75~2.0，hf=k21.75~2.0，即沿程水头损失hf与流速的1.75~2.0次方成正比。gvdlhf22层流：Re64紊流：），（Re/df三、流态判别——临界雷诺数•临界雷诺数dvccRe上临界雷诺数：层流紊流时的临界雷诺数，它易受外界干扰，数值不稳定。下临界雷诺数：紊流层流时的临界雷诺数，是流态的判别标准，它只取决于水流边界的形状，即水流的过水断面形状。•圆管流：2300Redvcc层流2300ReRec湍流2300ReRec•明渠流：575ReRvcc层流575ReRec湍流575ReRec[例]水流经变截面管道，已知d2/d1＝2，则相应的Re2/Re1=?§5–3均匀流基本方程120r0r0hfg2pp1gG01122lpp0zz12一、均匀流基本方程1、对如图所示恒定均匀有压管流，由1→2建立伯努利方程，得)()(2211gpzgpzhf①流体用于克服阻力所消耗的能量全部由势能提供。2、在s方向列动量方程，得0cos21GTPP②式中：lzzgAllTApPApP2102211cosG3、联立①、②，可得均匀流基本方程gRJlhgRRlghff00or③上式对层流、紊流均适用。二、过流断面上切应力τ的分布仿上述推导，可得任意r处的切应力JRg240rdR2rR考虑到，有00rr故（线性分布）课后作业:习题:4-114-124-145-15-25-3谢谢！