流體運動阻力與損失.ppt

流體運動阻力與損失,安徽建筑工業(yè)學(xué)院環(huán)境工程系 王造奇,流動阻力的兩種類型 粘性流體的兩種流態(tài) 圓管中的層流運動 紊流運動 圓管紊流的沿程損失 非圓管中的流動 局部阻力及損失的計算 繞流運動,流動阻力的兩種類型 hw（pw）流體粘性引起,1.沿程阻力沿程損失(長度損失、摩擦損失),達西-魏斯巴赫公式,沿程阻力系數(shù),2.局部阻力局部損失,局部阻力系數(shù),3.總能量損失,4.用水頭線表示,粘性流體的兩種流態(tài),1.雷諾實驗（1883年）,（a）層流 （b）臨界狀態(tài) （c）紊流,下臨界流速vc臨界流速,上臨界流速vc,請看雷諾實驗動畫演示,2.分析雷諾實驗,層流,紊流,結(jié)論：流態(tài)不同，沿程損失規(guī)律不同,3.雷諾數(shù),Rec臨界雷諾數(shù)（2000左右） Re=vd/雷諾數(shù)（無量綱） ReRec 紊流（包括層流向紊流的臨界區(qū)20004000）,結(jié)論：用雷諾數(shù)判斷流態(tài),4.用量綱分析說明雷諾數(shù)的物理意義,慣性力與粘性力作用之比判斷流態(tài),圓管中的層流運動,1.沿程損失與切應(yīng)力的關(guān)系,列1-1和2-2斷面的能量方程,流動為均勻流，慣性力為零，列平衡方程,J單位長度的沿程損失 （水力坡度）,同理,2.斷面流速分布,牛頓內(nèi)摩擦定律,又,積分,（a）,旋轉(zhuǎn)拋物面,（b）平均速度,（c）層流動能修正系數(shù),層流動量修正系數(shù),測量圓管層流平均速度的方法,3.沿程損失系數(shù),又,比較,注意：v，但hfv,4.例：應(yīng)用細管式粘度計測油的粘度，細管d=6mm，l=2m，Q=77cm3/s，水銀壓差計讀值h=30cm，水銀密度m=13600kg/m3，油的密度=900kg/m3，求油的運動粘度,解：,設(shè)為層流,解得運動粘度,校核流態(tài),計算成立,紊 流 運 動,1.紊流的微觀分析,渦體的產(chǎn)生,2.紊流運動的時均化,脈動性,（1）瞬時速度u,（2）時均速度,（3）脈動速度u,（4）斷面平均速度v,3.紊流的切應(yīng)力,（1）紊流運動的分解,（2）紊流的切應(yīng)力,a.時均流動 （粘性切應(yīng)力） 符合牛頓內(nèi)摩擦定律,x,y,b.脈動流動 （附加切應(yīng)力、慣性切應(yīng)力、雷諾切應(yīng)力）,c.切應(yīng)力,Re數(shù)較小時， 占主導(dǎo)地位 Re數(shù)很大時，,4.混合長度理論 的計算,普朗特混合長度理論的要點（假設(shè)）,（1）流體質(zhì)點因脈動橫向位移l1到達新的空間點，才同周圍點發(fā)生動量交換，失去原有特征，l1稱混合長度,（2）,亦稱為混合長度,雷諾數(shù)越大，紊流越劇烈，2,5.紊流的速度分布規(guī)律,紊流,（是實驗確定的常數(shù)，稱卡門常數(shù) 0.4）,積分得,普朗特-卡門對數(shù)分布規(guī)律,6.紊流流動結(jié)構(gòu)圖,圓管紊流的沿程損失,k絕對粗糙度 k/d相對粗糙度,1.尼古拉茲實驗（1933-1934）,（1）實驗曲線,人工粗糙（尼古拉茲粗糙）,區(qū)（ab線，lgRe3.3，Re2000） 層流=f（Re）,區(qū)（bc線，lgRe=3.33.6，Re=20004000） 過渡區(qū)=f（Re）,區(qū)（cd線，lgRe3.6，Re4000） 紊流光滑區(qū)=f（Re） k/d大的管子在Re較低時離開此線,區(qū)（cd、ef之間的曲線族） 紊流過渡區(qū)=f（Re，k/d）,區(qū)（ef右側(cè)水平的直線族） 紊流粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)）=f（k/d）,（2）變化規(guī)律層流底層的變化,2.紊流沿程損失系數(shù),（1）紊流光滑區(qū),尼古拉茲光滑區(qū)公式,經(jīng)驗公式：布拉修斯公式,（2）紊流粗糙區(qū),尼古拉茲粗糙區(qū)公式,經(jīng)驗公式：希弗林松公式,（3）紊流過渡區(qū),a.工業(yè)管道,當量粗糙度ke和工業(yè)管道粗糙區(qū)值相等的同直徑的尼古拉茲粗糙管的粗糙度,常用工業(yè)管道的ke,b.莫迪圖,c.柯列勃洛克公式,經(jīng)驗公式：希弗林松公式,3.例：給水管長30m，直徑d=75mm，材料為新鑄鐵管，流量Q=7.25L/s，水溫t=10，求該管段的沿程水頭損失,解：,水溫t=10時，水的運動粘度=1.3110-6m2/s,當量粗糙度ke=0.25mm，ke/d=0.003,由Re、ke/d查莫迪圖，得=0.028,或由公式 ，得=0.028,非圓管中的流動,1.水力半徑R,濕周,圓管的水力半徑,邊長分別為a和b的矩形斷面水力半徑,2.當量直徑de,圓管的當量直徑de=4R=d,矩形斷面的當量直徑,適用范圍： （1）紊流； （2）斷面與圓管不可差異太大,3.例：圓環(huán)外徑r1、內(nèi)徑r2,（1）水力半徑,（2）當量直徑,局部阻力及損失的計算,1.局部阻力產(chǎn)生的原因,阻力流線演示,2.幾種常見的局部損失系數(shù),（1）突然擴大,列1-1和2-2斷面的能量方程,列動量方程,由連續(xù)性方程,或,注意：1v1；2v2,特例：=1管道的出口損失系數(shù),（2）突然縮小,特例：=0.5管道的入口損失系數(shù),v2,（3）漸擴管,當20，k=sin,公式、圖表,=58，最小,（4）漸縮管,收縮角,n=A2/A1收縮面積比,v1,（5）彎管,二次流螺旋運動 影響長度50倍管徑,減小彎管轉(zhuǎn)角、增大R/d或設(shè)置導(dǎo)流 葉片，減小二次流,（6）三通,圖表,水力計算時，只考慮支管（阻力大）,3.局部阻礙之間的相互干擾,兩個局部阻礙之間間距大于3倍管徑， ，且安全,4.減阻措施,a.物理,b.化學(xué)：添加少量的減阻劑,繞 流 運 動 繞流、流場分布、物體受力,1.邊界層的概念（1904年普朗特提出）,兩類不同性質(zhì)的流動：,（1）物體邊界附近薄層由于粘性力作用，有很大的速度梯度du/dy邊界層（附面層）；,（2）邊界層以外的流動，粘性力作用不計理想流體無旋流動（勢流）,2.平板上的邊界層,邊界層厚度（99%u0處）,邊界層的特點：,a.很?。╩m級）；,b.隨著沿平板流動的深入，邊界層厚度增加；,c.流態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù),d.,或,3.內(nèi)流的邊界層,=r0,管道進口段進口至=r0處，50100倍d,進口的局部損失,邊界層分離，形成旋渦,4.曲面邊界層及邊界層分離現(xiàn)象,分析,端點：u=0（駐點、滯止點） 壓強最大,BC：增速減壓 促進流動,CS：減速增壓,S：分離點u=0（駐點、滯止點）,SE：尾流區(qū),圓柱后部發(fā)生的流動分離形成一對旋渦“貓眼”,這是從靜止開始的運動初期邊界層的發(fā)展,速度增大，分離點前移,壓差阻力（形狀阻力）：迎面駐點壓強與尾流區(qū)壓強之差，它取決于分離點的位置和尾流區(qū)的大小,減小繞流阻力,減小壓差阻力,流線型物體,5.繞流阻力,摩擦阻力、壓差阻力,薄平板摩擦阻力 有尖銳邊緣（薄圓盤）壓差阻力 曲面物體（圓球）既有摩擦阻力又有壓差阻力,（1）公式,A特征面積,對摩擦阻力，A是接觸平面；對壓差阻力，A是垂直于來流方向的投影面積,（2）繞流阻力系數(shù)Cd,a.薄平板 CdCdf,層流：,紊流：,混合邊界層：,b.曲面物體,阻力系數(shù)隨Re數(shù)而變化，分6個區(qū)域,阻力系數(shù)隨Re數(shù)而變化，分6個區(qū)域,圓球,曲線基本與圓柱體一致,Re1 斯托克斯公式,與 比較,與圓管層流=64/Re相似，故機理一樣，如塵埃、霧滴,或查圖,c.有尖銳邊緣的物體：薄圓盤 CdCdf,Re103，只有壓差阻力，分離點固定在圓盤邊線上，Cd為一常數(shù),d.例：一盒形拖車，寬b=2.5m，高h=3m，長a=10.5m，該拖車在空氣（=1.24kg/m3，=0.14cm2/s）中以v0=27m/s速度行駛，求拖車兩邊和頂部的摩擦阻力；若拖車的阻力系數(shù)CD=0.45，求作用在拖車上的壓差阻力,解：拖車尾端處Re,當Re=2107且v0較大，可認為從前緣起，邊界層全部是紊流,摩擦阻力,總阻力,壓差阻力,6.卡門渦街,Re60，旋渦交替脫落，形成渦街,渦街振動頻率：,斯特洛哈爾（1878）經(jīng)驗公式,Sr斯特洛哈爾系數(shù),危害：共振導(dǎo)致聲響效應(yīng)；對建筑物的破壞,7.懸浮速度,氣力輸送、除塵、燃燒,F,D,G,u0,重力,繞流阻力,浮力,懸浮速度,不是物體運動速度