工程流體力學(xué)課件4流動(dòng)阻力和水頭損失

1、第四章第四章 流動(dòng)阻力和水頭損失流動(dòng)阻力和水頭損失第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類流動(dòng)阻力和水頭損失的分類第二節(jié)第二節(jié) 粘性流體運(yùn)動(dòng)的兩種流態(tài)粘性流體運(yùn)動(dòng)的兩種流態(tài)第三節(jié)第三節(jié) 均勻流的沿程水頭損失均勻流的沿程水頭損失第四節(jié)第四節(jié) 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)第五節(jié)第五節(jié) 紊流運(yùn)動(dòng)紊流運(yùn)動(dòng)第六節(jié)第六節(jié) 紊流的沿程水頭損失紊流的沿程水頭損失第七節(jié)第七節(jié) 局部水頭損失局部水頭損失教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn) 基本內(nèi)容基本內(nèi)容采用以水為代表的液體，研究水頭損失的成因與分類，采用以水為代表的液體，研究水頭損失的成因與分類，探討水頭損失與液流型態(tài)的關(guān)系，分析水頭損失的變化探討水頭損

2、失與液流型態(tài)的關(guān)系，分析水頭損失的變化規(guī)律及其計(jì)算方法。規(guī)律及其計(jì)算方法。重、難點(diǎn)1.1.流動(dòng)的分類：層流和紊流的理解。流動(dòng)的分類：層流和紊流的理解。 2.2.經(jīng)驗(yàn)公式的理解和應(yīng)用。經(jīng)驗(yàn)公式的理解和應(yīng)用。 了解了解流動(dòng)的兩種流態(tài)（層流與紊流）及其判流動(dòng)的兩種流態(tài)（層流與紊流）及其判別，別，知道知道紊流的脈動(dòng)特性與時(shí)間平均的概念；紊流的脈動(dòng)特性與時(shí)間平均的概念； 知道知道圓管層流和紊流的斷面流速分布；圓管層流和紊流的斷面流速分布； 牢固掌握牢固掌握確定圓管流動(dòng)沿程水頭損失系數(shù)和確定圓管流動(dòng)沿程水頭損失系數(shù)和水頭損失的途徑和方法；水頭損失的途徑和方法； 理解理解邊界層概念邊界層概念，了解了解邊界層

3、分離現(xiàn)象和物邊界層分離現(xiàn)象和物體的繞流阻力體的繞流阻力。whwp造成能量損失的原因：流動(dòng)阻力造成能量損失的原因：流動(dòng)阻力 內(nèi)因內(nèi)因 流體的粘滯性和慣性流體的粘滯性和慣性 外因外因 流體與固體壁面的接觸情況流體與固體壁面的接觸情況 流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能量損失的表示方法能量損失的表示方法 液體：液體： 單位重量流體的能量損失單位重量流體的能量損失 氣體：氣體： 單位體積流體的能量損失單位體積流體的能量損失第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)阻力和流動(dòng)阻力和 水頭損失的分類水頭損失的分類一、損失分類及計(jì)算一、損失分類及計(jì)算沿程損失：沿程損失：在在均勻流均勻流中，流體所承受的阻力只有中，流體所承受的阻力只有不

4、變的不變的摩擦阻力摩擦阻力，稱為沿程阻力。，稱為沿程阻力。發(fā)發(fā)生在生在均勻流均勻流段上，由段上，由沿程阻力沿程阻力產(chǎn)生的產(chǎn)生的水頭損失。水頭損失。以以 hf 表示表示gvdlhf22或或22vdlpf在在非均勻流非均勻流動(dòng)中，各流段所形成的阻動(dòng)中，各流段所形成的阻力是各種各樣的，但都集中在很短的力是各種各樣的，但都集中在很短的流段內(nèi)，這種阻力稱為局部阻力。流段內(nèi)，這種阻力稱為局部阻力。發(fā)發(fā)生在生在非均勻流非均勻流段上，由段上，由局部阻力局部阻力產(chǎn)生產(chǎn)生的水頭損失。的水頭損失。以以 hj 表示表示gvhj22或或22vpj總損失：總損失：jfwhhh局部損失：局部損失：二、水力半徑及其二、水力半

5、徑及其 對(duì)水頭損失的影響對(duì)水頭損失的影響b/22bbbr1r2a2a1 過流斷面面積過流斷面面積a 越大，水越大，水頭損失頭損失hw 越小。越小。濕周濕周 ： 在過流斷面上流體與固體邊壁的在過流斷面上流體與固體邊壁的接觸周長(zhǎng)接觸周長(zhǎng)。 過流斷面面積過流斷面面積a 相同時(shí)，相同時(shí)，濕周濕周 越大，水頭損失越大，水頭損失 hw 越越大。大。流動(dòng)阻力流動(dòng)阻力f ：af水力半徑水力半徑 r ：ar 水力半徑水力半徑 r 越大，水頭損失越大，水頭損失 hw 越小。越小。單位：?jiǎn)挝唬簃222rrrr442aaar)(2hbbhrbhbhr2r圓形圓形aa方形方形bh矩形矩形bh矩形明渠矩形明渠rf1水力直

6、徑水力直徑 dr ：rdr 4單位：?jiǎn)挝唬簃一、雷諾實(shí)驗(yàn)一、雷諾實(shí)驗(yàn)層流層流紊流紊流過渡階段過渡階段速度由小到大，層流向紊流過渡速度由小到大，層流向紊流過渡 上臨界速度上臨界速度 vk速度由大到小，紊流向?qū)恿鬟^渡速度由大到小，紊流向?qū)恿鬟^渡下臨界速度下臨界速度 vk穩(wěn)定直線，質(zhì)點(diǎn)穩(wěn)定直線，質(zhì)點(diǎn)不相混雜不相混雜線條擺動(dòng)彎曲，線條擺動(dòng)彎曲，旋轉(zhuǎn)，破裂旋轉(zhuǎn)，破裂線條完全散開，質(zhì)點(diǎn)線條完全散開，質(zhì)點(diǎn)混雜，作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)混雜，作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)第二節(jié)第二節(jié) 粘性流體運(yùn)動(dòng)粘性流體運(yùn)動(dòng) 的兩種流態(tài)的兩種流態(tài)二、流動(dòng)狀態(tài)與水頭損失的關(guān)系二、流動(dòng)狀態(tài)與水頭損失的關(guān)系kvvkkvvvkvv紊流運(yùn)動(dòng)；紊流運(yùn)動(dòng)；dede線線

7、層流運(yùn)動(dòng)；層流運(yùn)動(dòng)；abab直線直線流態(tài)不穩(wěn)；流態(tài)不穩(wěn)；vkhf1275. 12vkhf紊流運(yùn)動(dòng)；紊流運(yùn)動(dòng)；e e點(diǎn)之后點(diǎn)之后22vkhf通過通過量綱分析和相似原理量綱分析和相似原理發(fā)現(xiàn)，上面的物理量可以發(fā)現(xiàn)，上面的物理量可以組合成一個(gè)組合成一個(gè)無(wú)量綱數(shù)無(wú)量綱數(shù)，并且可以用來(lái)，并且可以用來(lái)判別流態(tài)判別流態(tài)。 稱為雷諾數(shù)。稱為雷諾數(shù)。),(dfvk臨界速度不能作為判別流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)！臨界速度不能作為判別流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)！dvre三、流態(tài)的判別三、流態(tài)的判別 雷諾數(shù)雷諾數(shù)18831883年，年，雷諾試驗(yàn)雷諾試驗(yàn)也表明：圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)轉(zhuǎn)化取也表明：圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)轉(zhuǎn)化取決于雷諾數(shù)決于雷諾數(shù)vdre

8、d d 是圓管直徑，是圓管直徑，v v 是平均流速，是平均流速， 是流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。是流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。 實(shí)際流體的流動(dòng)之所以會(huì)呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)是實(shí)際流體的流動(dòng)之所以會(huì)呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)是擾動(dòng)因擾動(dòng)因素與粘性穩(wěn)定作用之間對(duì)比和抗衡的結(jié)果。素與粘性穩(wěn)定作用之間對(duì)比和抗衡的結(jié)果。即慣性擾動(dòng)和即慣性擾動(dòng)和粘性穩(wěn)定之間對(duì)比和抗衡的結(jié)果。粘性穩(wěn)定之間對(duì)比和抗衡的結(jié)果。 粘性穩(wěn)定粘性穩(wěn)定擾動(dòng)因素?cái)_動(dòng)因素 d v 利于穩(wěn)定利于穩(wěn)定對(duì)比抗衡2000ecrecr紊流紊流層流層流紊流紊流層流層流上臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)rere圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱為臨圓管

9、中恒定流動(dòng)的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，又分為界雷諾數(shù)，又分為上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)。上臨。上臨界雷諾數(shù)表示超過此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為紊流，它很不確界雷諾數(shù)表示超過此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為紊流，它很不確定，跨越一個(gè)較大的取值范圍。有實(shí)際意義的是下臨界定，跨越一個(gè)較大的取值范圍。有實(shí)際意義的是下臨界雷諾數(shù)，表示低于此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為層流，有確定的雷諾數(shù)，表示低于此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為層流，有確定的取值，圓管定常流動(dòng)取為取值，圓管定常流動(dòng)取為 12000-400002000ecr對(duì)圓管：對(duì)圓管：2000redvkkd d 圓管直徑圓管直徑對(duì)非圓管斷面：對(duì)非圓管斷面：5

10、00rervkkr r 水力半徑水力半徑對(duì)明渠流：對(duì)明渠流：300rervkkr r 水力半徑水力半徑對(duì)繞流現(xiàn)象：對(duì)繞流現(xiàn)象：lvkkrel l 固體物的特征長(zhǎng)度固體物的特征長(zhǎng)度對(duì)流體繞過球形物體：對(duì)流體繞過球形物體：1redvkkd d 球形物直徑球形物直徑sm /1079. 1261smv/5 . 0mmd100200027933re1vd20001667re2vd【例】【例】水和油的運(yùn)動(dòng)粘度分別為水和油的運(yùn)動(dòng)粘度分別為 若它們以若它們以 的流速在的流速在 直徑為直徑為 的圓管中流動(dòng)，試確定其流的圓管中流動(dòng)，試確定其流 動(dòng)狀態(tài)？動(dòng)狀態(tài)？【解】【解】 對(duì)對(duì)1 11 1，2 22 2列寫伯努利

11、方程列寫伯努利方程sm /1030262水的流動(dòng)雷諾數(shù)水的流動(dòng)雷諾數(shù) 紊流流態(tài)紊流流態(tài)油的流動(dòng)雷諾數(shù)油的流動(dòng)雷諾數(shù)層流流態(tài)層流流態(tài)【例】【例】 溫度溫度 運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度 的水，在的水，在直徑直徑 的管中流動(dòng)，測(cè)得流速的管中流動(dòng)，測(cè)得流速 ，問水流處，問水流處于什么狀態(tài)？如要改變其運(yùn)動(dòng)，可以采取那些辦法？于什么狀態(tài)？如要改變其運(yùn)動(dòng)，可以采取那些辦法？【解】【解】水的流動(dòng)雷諾數(shù)水的流動(dòng)雷諾數(shù)1 1）改變流速）改變流速如要改變其流態(tài)如要改變其流態(tài)層流流態(tài)層流流態(tài)ct15sm /1014. 126md2scmv/820001404revdsmdvk/4 .11re2 2）提高水溫改變粘度）提高水溫改

12、變粘度scmvd/008. 0re2anl對(duì)流體中一有限體進(jìn)行受力分析對(duì)流體中一有限體進(jìn)行受力分析gp1ap2a0z1z2流股本身的重量流股本身的重量端面壓力端面壓力流股表面受到的摩擦力流股表面受到的摩擦力流股濕周上的平均切應(yīng)力流股濕周上的平均切應(yīng)力一、均勻流基本方程一、均勻流基本方程第三節(jié)第三節(jié) 均勻流的沿程水頭損失均勻流的沿程水頭損失)(coscos12zzgagalgapp)(21lt00anlgp1ap2a0z1z2列寫列寫動(dòng)量方程動(dòng)量方程0)(12vvqfn0cos02211lgalapap列寫列寫伯努利方程伯努利方程21222222111122whgvgpzgvgpz0cos021

13、gallgpgp得得grlgalhf00或或grj0 均勻流基本方程均勻流基本方程0rr0 均勻流剪應(yīng)力分布圖均勻流剪應(yīng)力分布圖由由0=grj 及及 r=r/2 （園管）得（園管）得000rrrr 沿程水頭損失的計(jì)算公式沿程水頭損失的計(jì)算公式達(dá)西公式：達(dá)西公式：gvdlhf22gvrlhf242（園管公式）（園管公式）（通用公式）（通用公式）將均勻流基本方程代入達(dá)西公式，得將均勻流基本方程代入達(dá)西公式，得208v由均勻流基本方程由均勻流基本方程 0grj ，得園管內(nèi)任一點(diǎn)處，得園管內(nèi)任一點(diǎn)處jrg2對(duì)于層流對(duì)于層流， 又滿足牛頓內(nèi)摩擦阻又滿足牛頓內(nèi)摩擦阻力定律力定律yuddrudd則則rrgj

14、ud2dydrrr0第四節(jié)第四節(jié) 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)一、園管層流速度分布一、園管層流速度分布rrgjud2d積分，并代入邊界條件：積分，并代入邊界條件：rr0 時(shí)，時(shí)，u0，得，得)(4220rrgju當(dāng)當(dāng) r 0 時(shí)，時(shí)，220max164dgjrgju拋物線分布拋物線分布umaxrdr0u 平均流速和流量平均流速和流量24001288d2d0dgjrgjrruauqar232dgjaqvmax21u二、達(dá)西公式和沿程阻力系數(shù)二、達(dá)西公式和沿程阻力系數(shù)由平均流速公式得由平均流速公式得vgdlhf232gvvdl216422gvdlvd2642gvdlrehf2642gvdl22

15、（只適于（只適于層流層流）re64其中其中 沿程阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù)（無(wú)量綱量）（無(wú)量綱量）【例】【例】在長(zhǎng)度在長(zhǎng)度l=10000ml=10000m、直徑、直徑 d=300mm d=300mm 的管路中輸送的管路中輸送=9.31kn/m=9.31kn/m3 3的重油，其重量流量的重油，其重量流量g=2371.6kn/hg=2371.6kn/h，求油，求油溫分別為溫分別為100100度度(=25cm(=25cm2 2/s)/s)和和400400度度(=1.5cm(=1.5cm2 2/s)/s)時(shí)時(shí)的水頭損失。的水頭損失。【解】【解】 體積流量體積流量平均流速平均流速 1 1）10100 0c c

16、時(shí)的雷諾數(shù)時(shí)的雷諾數(shù)smaq/1/120revd油柱mgvdlhf03.9072re642 2 2）40400 0c c時(shí)的雷諾數(shù)時(shí)的雷諾數(shù)2000revd油柱mgvdlhf42.542re642【例】【例】已知已知= =9800kg/m3，qm=1.0kg/s，l=1800m， =0.08cm2/s，d=100mm，z1=85m，z2=105m，求求管路的壓強(qiáng)降低值及損失功率。管路的壓強(qiáng)降低值及損失功率。dlz2z100【解】【解】對(duì)對(duì)1 11 1，2 22 2列寫伯努利方程列寫伯努利方程21222222111122whgvgpzgvgpz得得212110585fhgpgp又又gvdlhf2

17、2先判斷流態(tài)先判斷流態(tài)daqmvdre 20001625為為層流層流即即re64m61. 02642gvdlrehf則則壓降為壓降為kpa198)(1221fhzzgpp損失功率為損失功率為w98. 5fmghqn第四節(jié)第四節(jié) 紊流的特征紊流的特征一、紊流的發(fā)生機(jī)理一、紊流的發(fā)生機(jī)理層流流動(dòng)的穩(wěn)定層流流動(dòng)的穩(wěn)定性喪失（雷諾數(shù)性喪失（雷諾數(shù)達(dá)到臨界雷諾數(shù)）達(dá)到臨界雷諾數(shù)）擾動(dòng)使某流層發(fā)擾動(dòng)使某流層發(fā)生微小的波動(dòng)生微小的波動(dòng)流速使波動(dòng)流速使波動(dòng)幅度加劇幅度加劇在橫向壓差與切應(yīng)力的在橫向壓差與切應(yīng)力的綜合作用下形成旋渦綜合作用下形成旋渦旋渦受升旋渦受升力而升降力而升降引起流體引起流體層之間的層之間的

18、混摻混摻造成造成新的新的擾動(dòng)擾動(dòng)+-+-高速流層高速流層低速流層低速流層任意流層之任意流層之上下側(cè)的切上下側(cè)的切應(yīng)力應(yīng)力構(gòu)成順時(shí)針方向的構(gòu)成順時(shí)針方向的力矩，有力矩，有促使旋渦產(chǎn)生促使旋渦產(chǎn)生的傾向。的傾向。渦體渦體旋渦受升力而升降，產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)，引起流體層之間的混摻旋渦受升力而升降，產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)，引起流體層之間的混摻二、紊流的脈動(dòng)和時(shí)均化現(xiàn)象二、紊流的脈動(dòng)和時(shí)均化現(xiàn)象 脈動(dòng)脈動(dòng) 通過雷諾實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)通過雷諾實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)rerecrrerecr時(shí)，管中紊流時(shí)，管中紊流 流體質(zhì)點(diǎn)是雜亂無(wú)章地運(yùn)動(dòng)的，不但流體質(zhì)點(diǎn)是雜亂無(wú)章地運(yùn)動(dòng)的，不但u u 瞬息變化，而且，瞬息變化，而且， 一點(diǎn)上流體一點(diǎn)上流體

19、p p 等參數(shù)都存在類似的變化，這種等參數(shù)都存在類似的變化，這種瞬息變化瞬息變化 的現(xiàn)象稱的現(xiàn)象稱脈動(dòng)脈動(dòng)。層流破壞以后，在紊流中形成許多大大。層流破壞以后，在紊流中形成許多大大 小小方向不同的小小方向不同的旋渦旋渦，這些旋渦是造成速度脈動(dòng)的原因。，這些旋渦是造成速度脈動(dòng)的原因。 特征：特征：紊流的紊流的u u 、p p 等運(yùn)動(dòng)要素，在空間、時(shí)間上等運(yùn)動(dòng)要素，在空間、時(shí)間上 均具有隨機(jī)性質(zhì)，是一種非定常流動(dòng)。均具有隨機(jī)性質(zhì)，是一種非定常流動(dòng)。 紊流運(yùn)動(dòng)要素的時(shí)均化紊流運(yùn)動(dòng)要素的時(shí)均化 紊流紊流的分析方法的分析方法統(tǒng)計(jì)時(shí)均法統(tǒng)計(jì)時(shí)均法。如圖所示。觀測(cè)時(shí)如圖所示。觀測(cè)時(shí)間足夠長(zhǎng)，可得出各運(yùn)動(dòng)參量對(duì)

20、時(shí)間的平均值，故稱為間足夠長(zhǎng)，可得出各運(yùn)動(dòng)參量對(duì)時(shí)間的平均值，故稱為時(shí)均時(shí)均值值，如，如時(shí)均速度、時(shí)均壓強(qiáng)時(shí)均速度、時(shí)均壓強(qiáng)等等。uxuxuxxutxxxuuu時(shí)均速度：時(shí)均速度：瞬時(shí)速度在時(shí)瞬時(shí)速度在時(shí)間周期間周期t t內(nèi)的平均值內(nèi)的平均值uu脈動(dòng)速度脈動(dòng)速度tdttzyxuttzyxu0),(1),(0),(1),(0tdttzyxuttzyxu時(shí)均化法時(shí)均化法說明說明： 時(shí)均周期時(shí)均周期 t 的取值：的取值：使時(shí)均值與真實(shí)值相差太遠(yuǎn)，脈使時(shí)均值與真實(shí)值相差太遠(yuǎn)，脈動(dòng)變化的影響無(wú)法顯示。動(dòng)變化的影響無(wú)法顯示。t 不能太大：不能太大：t 不能太?。翰荒芴。?時(shí)均值與真實(shí)值很相近，脈動(dòng)無(wú)時(shí)均

21、值與真實(shí)值很相近，脈動(dòng)無(wú)法消除，時(shí)均化的意義不大。法消除，時(shí)均化的意義不大。 脈動(dòng)值的時(shí)均值：脈動(dòng)值的時(shí)均值：ttftf0d1ftfttffttt00d1d)(1 紊流是非恒定的，但其時(shí)均值可以是恒定的。紊流是非恒定的，但其時(shí)均值可以是恒定的。三、紊流的附加剪應(yīng)力三、紊流的附加剪應(yīng)力對(duì)對(duì)層流層流：yudd對(duì)對(duì)紊流紊流：21yudd12yxuu由由prantl的的動(dòng)量傳遞理論動(dòng)量傳遞理論：其中其中1 1 由相鄰兩流層間由相鄰兩流層間時(shí)均速度差時(shí)均速度差所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的粘性阻力粘性阻力2 2 由由脈動(dòng)脈動(dòng)引起的紊流引起的紊流附加切應(yīng)力附加切應(yīng)力對(duì)于紊流，對(duì)于紊流，2 2 1 1 ，則則2yxuu由

22、由prantl的的混合長(zhǎng)度理論混合長(zhǎng)度理論：22)dd(yul 建立了脈動(dòng)值與時(shí)均值的關(guān)系建立了脈動(dòng)值與時(shí)均值的關(guān)系四、園管紊流的速度分布四、園管紊流的速度分布22)dd(yul紊流運(yùn)動(dòng)中，由于流體渦團(tuán)相互摻混，互相碰撞，因而紊流運(yùn)動(dòng)中，由于流體渦團(tuán)相互摻混，互相碰撞，因而產(chǎn)生了流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量傳遞；動(dòng)量大的流體質(zhì)產(chǎn)生了流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量傳遞；動(dòng)量大的流體質(zhì)點(diǎn)將動(dòng)量傳遞給動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)，動(dòng)量小的流體質(zhì)點(diǎn)牽制點(diǎn)將動(dòng)量傳遞給動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)，動(dòng)量小的流體質(zhì)點(diǎn)牽制動(dòng)量大的質(zhì)點(diǎn)，結(jié)果造成動(dòng)量大的質(zhì)點(diǎn)，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化斷面流速分布的均勻化。cykuuln1對(duì)數(shù)或指數(shù)分布規(guī)律對(duì)數(shù)或指數(shù)分布

23、規(guī)律r0ruumax紊流中的速度分布紊流中的速度分布mrruu)1 (0maxmax84. 0uv 五、紊流流道壁面的類型五、紊流流道壁面的類型紊流區(qū)域劃分為：紊流區(qū)域劃分為：過渡區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)（層流過渡區(qū)（層流紊流）紊流）紊流核心區(qū)紊流核心區(qū) 管壁的管壁的絕對(duì)絕對(duì)粗糙度粗糙度 / /d d 管壁的管壁的相對(duì)相對(duì)粗糙度粗糙度 0 0 層流邊界層厚度層流邊界層厚度層流底層層流底層層流底層層流底層過渡區(qū)過渡區(qū)紊流核心區(qū)紊流核心區(qū)層流底層層流底層 0 管壁管壁re8 .320d流體處于流體處于“水力光滑管水力光滑管”區(qū)，壁面為區(qū)，壁面為水力光滑面水力光滑面。流體處于流體處于“水力粗糙管水力粗糙管”區(qū)

24、，壁面為區(qū)，壁面為水力粗糙面水力粗糙面。 流體介于流體介于“水力光滑管水力光滑管”區(qū)與區(qū)與“水力粗糙管水力粗糙管”區(qū)之間，為過渡粗糙區(qū)，壁面為區(qū)之間，為過渡粗糙區(qū)，壁面為過渡粗糙面過渡粗糙面。當(dāng)當(dāng) 0 0 時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng) 0 0 時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng) 0 0 與與 相當(dāng)，相當(dāng)，注意注意水力光滑面和粗糙面并非完全取決于固體邊界表面本水力光滑面和粗糙面并非完全取決于固體邊界表面本身是光滑還是粗糙，而必須依據(jù)粘性底層和絕對(duì)粗糙身是光滑還是粗糙，而必須依據(jù)粘性底層和絕對(duì)粗糙度兩者的相對(duì)大小來(lái)確定，即使同一固體邊壁，在某度兩者的相對(duì)大小來(lái)確定，即使同一固體邊壁，在某一雷諾數(shù)下是光滑面，而在另一雷諾數(shù)下是粗糙面。一

25、雷諾數(shù)下是光滑面，而在另一雷諾數(shù)下是粗糙面。六、六、 圓管紊流中的水頭損失圓管紊流中的水頭損失 紊流中的水頭損失紊流中的水頭損失 區(qū)別區(qū)別： 層流層流 紊流紊流 是一個(gè)只能由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)。是一個(gè)只能由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)。 所以，計(jì)算紊流所以，計(jì)算紊流 的關(guān)鍵是確定的關(guān)鍵是確定 。gvdlhf22fhre64)/(re,rf第五節(jié)第五節(jié) 紊流的沿程水頭損失紊流的沿程水頭損失一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn) 確定阻力系數(shù)確定阻力系數(shù)與與雷諾數(shù)雷諾數(shù)rere及相對(duì)粗糙度及相對(duì)粗糙度/ /r r 之間的關(guān)之間的關(guān) 系，具體關(guān)系要由實(shí)驗(yàn)確定，最著名的是尼古拉茨于系，具體關(guān)系要由實(shí)驗(yàn)確定，最著名的是尼古拉茨

26、于19321932 19331933年間做的實(shí)驗(yàn)。年間做的實(shí)驗(yàn)。 方法：方法： 人為造出六種不同的相對(duì)粗糙度的管；人為造出六種不同的相對(duì)粗糙度的管； 對(duì)不同的管徑通過改變流量來(lái)改變雷諾數(shù)；對(duì)不同的管徑通過改變流量來(lái)改變雷諾數(shù)； 測(cè)出沿程阻力損失，由測(cè)出沿程阻力損失，由 求阻力系數(shù)求阻力系數(shù). gvdlhf22尼古拉茲試驗(yàn)曲線尼古拉茲試驗(yàn)曲線 層流區(qū)：層流區(qū)：)(64refrere2000erlg)100lg(1.530.6601262523.06.00.25.04.00.40.60.81.0層流區(qū)層流區(qū)圓管流動(dòng)沿程水頭損失系圓管流動(dòng)沿程水頭損失系數(shù)的數(shù)的尼古拉茲試驗(yàn)曲線尼古拉茲試驗(yàn)曲線尼古拉茲

27、試驗(yàn)曲線尼古拉茲試驗(yàn)曲線 第一過渡區(qū)第一過渡區(qū)（層流（層流紊流）紊流）： re20004000erlg)100lg(1.530.6601262523.06.00.25.04.00.40.60.81.0過渡區(qū)過渡區(qū)層流區(qū)層流區(qū)圓管流動(dòng)沿程水頭損失系圓管流動(dòng)沿程水頭損失系數(shù)的數(shù)的尼古拉茲試驗(yàn)曲線尼古拉茲試驗(yàn)曲線尼古拉茲試驗(yàn)曲線尼古拉茲試驗(yàn)曲線 紊流的紊流的“水力光滑管水力光滑管”區(qū)：區(qū)：)(ref400080dreerlg)100lg(1.530.6601262523.06.00.25.04.00.40.60.81.0過渡區(qū)過渡區(qū)光滑管光滑管層流區(qū)層流區(qū)圓管流動(dòng)沿程水頭損失系圓管流動(dòng)沿程水頭損失系

28、數(shù)的數(shù)的尼古拉茲試驗(yàn)曲線尼古拉茲試驗(yàn)曲線尼古拉茲試驗(yàn)曲線尼古拉茲試驗(yàn)曲線 第二過渡區(qū)（第二過渡區(qū)（“水力光滑管水力光滑管” ” 區(qū)區(qū) “水力粗糙管水力粗糙管”區(qū)區(qū) ）：）：)/,(drefdred114080erlg)100lg(過渡粗過渡粗糙區(qū)糙區(qū)1.530.6601262523.06.00.25.04.00.40.60.81.0過渡區(qū)過渡區(qū)光滑管光滑管層流區(qū)層流區(qū)尼古拉茲試驗(yàn)曲線尼古拉茲試驗(yàn)曲線 紊流的紊流的“水力粗糙管水力粗糙管”區(qū)（阻力平方區(qū)）：區(qū)（阻力平方區(qū)）：)/(df 1140dreerlg)100lg(過渡粗過渡粗糙區(qū)糙區(qū)1.530.6601262523.06.00.25.04

29、.00.40.60.81.0粗糙區(qū)粗糙區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)光滑管光滑管層流區(qū)層流區(qū)二、沿程阻力系數(shù)二、沿程阻力系數(shù)的計(jì)算的計(jì)算由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及損失規(guī)律由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及損失規(guī)律 u 的表達(dá)式的表達(dá)式 v 的表達(dá)式的表達(dá)式又又208v即即vu8代入代入v 的表達(dá)式，得的表達(dá)式，得 紊流的紊流的“水力光滑管水力光滑管”區(qū)：區(qū)：8 . 0)lg(21re 紊流的紊流的“水力粗糙管水力粗糙管”區(qū)：區(qū)：74. 12lg21d人工粗糙管人工粗糙管 第二過渡區(qū)（第二過渡區(qū)（“水力光滑管水力光滑管” ” 區(qū)區(qū) “水力粗糙管水力粗糙管”區(qū)區(qū) ）：）：)51. 27 . 3lg(21redcolebrook公式公式工業(yè)粗糙管工業(yè)

30、粗糙管ks三、三、實(shí)用管道流動(dòng)的沿程水頭損失系數(shù)實(shí)用管道流動(dòng)的沿程水頭損失系數(shù)當(dāng)量粗糙度當(dāng)量粗糙度 實(shí)用管道的粗糙是不規(guī)則的，須通過實(shí)用實(shí)用管道的粗糙是不規(guī)則的，須通過實(shí)用管道與人工粗糙管道試驗(yàn)結(jié)果之比較，把和實(shí)用管道斷管道與人工粗糙管道試驗(yàn)結(jié)果之比較，把和實(shí)用管道斷面形狀、大小相同，紊流粗糙區(qū)面形狀、大小相同，紊流粗糙區(qū) 值相等的人工粗糙管值相等的人工粗糙管道的砂粒高度道的砂粒高度 定義為實(shí)用管道的定義為實(shí)用管道的當(dāng)量粗糙度當(dāng)量粗糙度。常用管道的當(dāng)量粗糙度可查表找到。常用管道的當(dāng)量粗糙度可查表找到。斷面平均流速斷面平均流速沿程水頭損失沿程水頭損失紊紊流流re 2300層層流流re 2300)

31、(4220rrjux208rjver64光滑管區(qū)光滑管區(qū)5er705er70er過渡粗糙管區(qū)過渡粗糙管區(qū)粗糙管區(qū)粗糙管區(qū))5 . 8ln5 . 2(sxkyvu)75. 4ln5 . 2(skyvv)5 . 5ln5 . 2(yvvux)75. 1ln5 . 2(0vrvv8 . 0)lg(21er2074. 1lg21skr4/ 13164. 0er)10(5er流速分布流速分布圓管流動(dòng)圓管流動(dòng)主要公式主要公式),(0skrervdre層流層流層流區(qū)層流區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)粗糙區(qū)粗糙區(qū)過渡粗過渡粗糙區(qū)糙區(qū)光滑管光滑管莫迪圖莫迪圖rjcv 謝才系數(shù)謝才系數(shù)明渠均勻流的水力坡度明渠均勻流的水力坡度即為

32、水面線坡度即為水面線坡度c c水力半徑水力半徑r rj j第六節(jié)第六節(jié) 非圓形截面紊流非圓形截面紊流 運(yùn)動(dòng)中沿程阻力計(jì)算運(yùn)動(dòng)中沿程阻力計(jì)算 將計(jì)算公式中的特征長(zhǎng)度用將計(jì)算公式中的特征長(zhǎng)度用水力直徑水力直徑或或水力半徑水力半徑取代。取代。17751775年謝才總結(jié)明渠均勻流動(dòng)的情況，給出計(jì)算均年謝才總結(jié)明渠均勻流動(dòng)的情況，給出計(jì)算均勻流動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)公式勻流動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)公式 利用謝才公式進(jìn)行計(jì)算利用謝才公式進(jìn)行計(jì)算 利用原有公式進(jìn)行計(jì)算利用原有公式進(jìn)行計(jì)算 根據(jù)謝才公式根據(jù)謝才公式說明說明 相當(dāng)于我們定義的相當(dāng)于我們定義的 ，并無(wú)實(shí)質(zhì)上的區(qū)別。正，并無(wú)實(shí)質(zhì)上的區(qū)別。正因?yàn)槿绱?，謝才公式也常用于有壓管道的均

33、勻流動(dòng)。因?yàn)槿绱?，謝才公式也常用于有壓管道的均勻流動(dòng)。82gc曼曼寧寧公公式式使用謝才公式要注意兩點(diǎn)：謝才系數(shù)使用謝才公式要注意兩點(diǎn)：謝才系數(shù)c c 是有量綱是有量綱的；確的；確定謝才系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式主要依據(jù)來(lái)自于紊流粗糙區(qū)的實(shí)定謝才系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式主要依據(jù)來(lái)自于紊流粗糙區(qū)的實(shí)測(cè)資料。測(cè)資料。是最常用的，使用米是最常用的，使用米秒制單位，秒制單位，n 是邊是邊界粗糙系數(shù)（糙率），其量綱不甚明確，界粗糙系數(shù)（糙率），其量綱不甚明確，查表后將相應(yīng)數(shù)值代入公式即可。查表后將相應(yīng)數(shù)值代入公式即可?！窘狻俊窘狻?鍍鋅管鍍鋅管mm39. 0驗(yàn)算驗(yàn)算 【例】【例】長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為1000m1000m，內(nèi)徑為，內(nèi)徑為

34、200mm200mm的普通鍍鋅的普通鍍鋅鋼管，用來(lái)輸送鋼管，用來(lái)輸送 的重油，測(cè)得其流的重油，測(cè)得其流量量 。問其沿程損失為若干？。問其沿程損失為若干？故：故：scm /355. 02slq/38smaqv/21. 140006817revd32807)/(98.267/8d7/8)/(98.26re4000d采用布拉修斯公式采用布拉修斯公式39. 016. 5re8 .32mmd即：即： 為水力光滑管為水力光滑管【解】【解】冬季時(shí)：冬季時(shí)：層流層流夏季時(shí)夏季時(shí)：紊流紊流查莫迪圖查莫迪圖 【例】【例】長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為300m300m，直徑為，直徑為200mm200mm的新鑄鐵管，用的新鑄鐵管，用來(lái)

35、輸送來(lái)輸送 的石油，測(cè)得其流量的石油，測(cè)得其流量 。如果冬季時(shí)，如果冬季時(shí)， 。夏季時(shí)。夏季時(shí) 。問在冬季和夏季中，此輸油管路的沿程損失為若干？問在冬季和夏季中，此輸油管路的沿程損失為若干？由：由：32/82. 8mknhkmq/8823scm /092. 121scm /355. 022油柱mhvdf37. 220001620re11mmvd25. 020004986re2200125. 0/ d0387. 04986re2smaqvsmq/885. 0/0278. 082. 836008823油柱mgvdlhf32. 222【解】【解】 對(duì)對(duì)1 11 1，2 22 2斷面列寫能量方程斷面列

36、寫能量方程fhgvgpzhgvgpzh22222a022211a011z01，z02 明渠兩處的底面高程明渠兩處的底面高程對(duì)均勻流：對(duì)均勻流：h1h2，v1v2則則 z01z02hf或或lhlzzf0201即即ij，說明明渠恒定均勻流的水力坡度等于明渠的底坡。說明明渠恒定均勻流的水力坡度等于明渠的底坡。irnrjcv3/21對(duì)明渠對(duì)明渠2m2 . 7 bham4 . 82 hb 【例】【例】水在矩形斷面渠道作恒定均勻流動(dòng)，渠道水在矩形斷面渠道作恒定均勻流動(dòng)，渠道底寬底寬b=6m，水深水深h=1.2m，壁面粗糙系數(shù)壁面粗糙系數(shù)n=0.014，渠道底渠道底面坡度面坡度i=10-4，用謝才公式和曼寧

37、公式求明渠的流量用謝才公式和曼寧公式求明渠的流量。vh1h2z01z02l/sm64. 43q則則由謝才和曼寧公式由謝才和曼寧公式3/23/5anivaq得得突然擴(kuò)大突然縮小閘閥三通匯流管道彎頭管道進(jìn)口分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)第七節(jié)第七節(jié) 局部水頭損失局部水頭損失有壓管道恒定流有壓管道恒定流遇到管道遇到管道邊界的邊界的局部突變局部突變流動(dòng)流動(dòng)分離形成剪切層分離形成剪切層剪切層流動(dòng)不剪切層流動(dòng)不穩(wěn)定，引起流動(dòng)穩(wěn)定，引起流動(dòng)結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，并并產(chǎn)生旋渦產(chǎn)生旋渦平平均流動(dòng)能量轉(zhuǎn)化均流動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成脈動(dòng)能量，造成脈動(dòng)能量，造成成

38、不可逆的能量不可逆的能量耗散耗散。v1a1a2v21122與沿程因摩擦造成的分與沿程因摩擦造成的分布損失不同，這部分損布損失不同，這部分損失可以看成是集中損失失可以看成是集中損失在管道邊界的突變處，在管道邊界的突變處，每單位重量流體承擔(dān)的每單位重量流體承擔(dān)的這部分能量損失稱為這部分能量損失稱為局局部水頭損失。部水頭損失。根據(jù)能量方程根據(jù)能量方程局部水頭損失局部水頭損失 認(rèn)為因邊界突變?cè)斐傻哪芰繐p失全部產(chǎn)生在認(rèn)為因邊界突變?cè)斐傻哪芰繐p失全部產(chǎn)生在1-11-1，2-22-2兩斷面之間，兩斷面之間，不再考慮沿程損失不再考慮沿程損失。gvgvpzpzhj22)()(2222112211v1a1a2v2

39、1122gvhj221122hvgj局部水頭損失系數(shù)局部水頭損失系數(shù)突擴(kuò)圓管突擴(kuò)圓管gvhj2222局部水頭損失折合成局部水頭損失折合成速度水頭的比例系數(shù)速度水頭的比例系數(shù)當(dāng)上下游斷面平均流速不同時(shí)，應(yīng)當(dāng)上下游斷面平均流速不同時(shí)，應(yīng)明確它對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)速度水頭？明確它對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)速度水頭？其它情況的局部損失系數(shù)在查其它情況的局部損失系數(shù)在查表或使用經(jīng)驗(yàn)公式確定時(shí)也應(yīng)表或使用經(jīng)驗(yàn)公式確定時(shí)也應(yīng)該注意這一點(diǎn)。通常情況下對(duì)該注意這一點(diǎn)。通常情況下對(duì)應(yīng)應(yīng)下游的速度水頭下游的速度水頭。 （1 1）列寫）列寫伯努利方程伯努利方程jhgvgpzgvgpz222222221111（忽略沿程損失）（忽略沿程損失）

40、)22()()(2222112211gvgvgpzgpzhj（2 2）列寫）列寫動(dòng)量方程動(dòng)量方程)(cos)(1222221211vvavgalapaapap)(12vvqf（摩擦力忽略不計(jì)）（摩擦力忽略不計(jì)）實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明：渦流區(qū)環(huán)形面積上：渦流區(qū)環(huán)形面積上ppp p1 1，上式同除上式同除ga2，得得)(22cos)(12221vvgvlgpp則則 hjgvvgvgvgvvv2)()22(22222122212122gvaa2)1 (21221gvaa2) 1(22212gv2211gv2212 1, 2突擴(kuò)的突擴(kuò)的局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù)poold2d1v2v12112p1a1p2a2

41、一、圓管突擴(kuò)的局部水頭損失一、圓管突擴(kuò)的局部水頭損失g【解】【解】 對(duì)對(duì)2 22 2，3 33 3列寫伯努利方程列寫伯努利方程32233332222222whgvgpzgvgpz則則323232gpphw而而gvdlhf22與長(zhǎng)度與長(zhǎng)度 l 成正比，則成正比，則)(22212132ffhh323232fwjhhh132213223)(2由由gvhj22得得2132)23(2vg閥門112233【例】【例】已知已知 1,1, 2,2, 3 3及管內(nèi)流速及管內(nèi)流速v , ,求閥門求閥門的局部阻力系數(shù)的局部阻力系數(shù)。123l2lv減小管壁的粗糙度；減小管壁的粗糙度；柔性柔性邊壁換為邊壁換為剛性剛性邊壁邊壁避免旋渦區(qū)的產(chǎn)生或減小旋渦區(qū)的大小和強(qiáng)度；避免旋渦區(qū)的產(chǎn)生或減小旋渦區(qū)的大小和強(qiáng)度； 如平