水力學(xué)系統(tǒng)講義第四章-流動(dòng)阻力和水頭損失

1、第四章流動(dòng)形態(tài)及其水頭損失 4.1 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類流動(dòng)阻力摩擦阻力： 流體有粘滯性和橫向流速梯度，產(chǎn)生摩擦阻力。壓差阻力： 局部地區(qū)固體邊界的形狀或大小有急劇改變，或有局部障礙，液流內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生離解和漩渦，流線彎曲，流速分布改變，增加了液流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生壓差阻力。水頭損失沿程水頭損失hf ： 均勻流中，水流產(chǎn)生的阻力為摩擦阻力，能量損失為沿程水頭損失hf。局部水頭損失hj ： 非均勻流中，水流產(chǎn)生的阻力為摩擦阻力和壓差阻力，其產(chǎn)生的能量損失為局部水頭損失hj。總水頭損失：hw=hf+ hj摩擦阻力滯止離解壓差阻力慣性離解壓差阻力慣性離解壓差阻力4.2 實(shí)際液體流動(dòng)的兩種形態(tài)4.2.

2、1 雷諾試驗(yàn)4.2.2 流態(tài)的判別-雷諾數(shù)雷諾數(shù)：非圓形過(guò)水?dāng)嗝嫦屡R界雷諾數(shù)：管流上臨界雷諾數(shù)：管流下臨界雷諾數(shù)：Rec=2000非圓形過(guò)水?dāng)嗝胬字Z數(shù)：bh例41 有一圓形輸水管，直徑d為2.0cm，管中 水流的斷面平均流速為1m/s，水溫t= 15，試判別管中水流的型態(tài)。當(dāng)通過(guò)石油時(shí)，若其他條件相同，問(wèn)流態(tài)是層流還是紊流？（t= 15時(shí)，石油=0.6cm2/s,水=0.0114cm2/s）解：4.3 均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系4.3.1 沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系 在管道恒定均勻流中，取總流流段1-1到2-2，各作用力處于平衡狀態(tài)：F=0。OOz2z11122P1P200G作用于該總流

3、流段上的外力有：動(dòng)水壓力： P1=p1A P2=p2A 重力：G=V= AL，在流動(dòng)方向上的投影Gx=ALsin摩擦阻力：T=0A= 0 LOOz2z11122P1P200Gx寫出管軸方向的平衡方程：OOz2z11122P1P200Gx4.3.2 均勻流過(guò)水?dāng)嗝嫔锨袘?yīng)力的分布00r0r00r0ryu4.4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)4.4.1 圓管均勻?qū)恿鞯臄嗝媪魉俜植?.4.2 圓管均勻?qū)恿鞯难爻趟^損失達(dá)西公式通用公式-層流紊流均適用 利用管徑d=75mm的管道輸送重油，如圖所示，已 知重油的重度油=8.83KN/m3，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)油=0.9cm2/s，管軸上裝有畢托管，水銀面高差hp=20mm，求

4、重油每小時(shí)流量及每米長(zhǎng)的沿程水頭損失。解：1、求流量：例4-2假設(shè)重油的流動(dòng)為層流：2、求沿程水頭損失 2300 層流4.5 液體的紊流運(yùn)動(dòng)4.5.1 紊流的形成條件渦體的形成；形成后的渦體，脫離原來(lái)的流層或流束，摻入鄰近的流層或流束。層流與紊流的根本區(qū)別在于： 層流中各流層的流體質(zhì)點(diǎn)，互不摻混，有比較規(guī)則的“瞬時(shí)流線”存在； 紊流中有大小不等的渦體震蕩于各流層之間，互相摻混。4.5.2 紊流脈動(dòng)現(xiàn)象與時(shí)均化概念運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)現(xiàn)象： 紊流中存在大量渦體，渦體沿各方向進(jìn)行混摻、碰撞，使紊流中任何一個(gè)空間點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)要素（流速、壓強(qiáng)等）隨時(shí)間不斷在變化-紊流運(yùn)動(dòng)要素脈動(dòng)。 運(yùn)動(dòng)要素的時(shí)均化處理：脈動(dòng)

5、值說(shuō)明：脈動(dòng)值不能當(dāng)作微量處理，有時(shí)可達(dá)到時(shí)均值的三分之一。脈動(dòng)總是三維的，雖然主流是一維或二維的，但均產(chǎn)生三個(gè)方向的脈動(dòng)速度。脈動(dòng)是渦體互相摻混、交換的結(jié)果，不是流體分子的運(yùn)動(dòng)。注意：紊流恒定流-指時(shí)間平均的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)。紊流非恒定流-指時(shí)間平均的運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間而變化的流動(dòng)。 恒定流、非恒定流、流線、流束、總流等-對(duì)紊流運(yùn)動(dòng)要素時(shí)均值而言。4.5.3 紊流中摩擦切應(yīng)力計(jì)算 紊流中切應(yīng)力=內(nèi)摩擦切應(yīng)力+附加切應(yīng)力 內(nèi)摩擦切應(yīng)力-相鄰兩層時(shí)均速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力。附加切應(yīng)力-脈動(dòng)所產(chǎn)生。紊流附加切應(yīng)力： （普朗特動(dòng)量傳遞理論） 紊流各流層間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)流層間發(fā)生質(zhì)點(diǎn)

6、混和時(shí)，因流速的不同（動(dòng)量不同），導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)橫向運(yùn)動(dòng)到新流層時(shí)，因動(dòng)量的改變產(chǎn)生對(duì)新流層的附加切應(yīng)力-紊流附加摩擦切應(yīng)力（雷諾應(yīng)力）。 4.5.4紊流中的層流底層與紊流核心 4.5.4.1 層流底層（粘性底層）： 緊靠固體邊界的地方，由于管壁及流體粘性的影響，流體質(zhì)點(diǎn)流速小，流態(tài)屬于層流的流體層。 層流底層厚度-一般只有十分之幾毫米，最大只有幾毫米。 紊流核心： 粘性底層以外為紊流區(qū)，包括紊動(dòng)充分發(fā)展的紊流流核區(qū)和紊流處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)的過(guò)渡層（厚度僅百分之幾厘米）。4.5.4.2 流道壁面的類型絕對(duì)粗糙度ks（）：將固體壁面上，粗糙體突出壁面的高度的平均值 。水力光滑管： 當(dāng)層流底層的厚度0大于絕對(duì)

7、粗糙度ks，流體在平直的層流底層的外緣上滑動(dòng)，象在光滑壁面上流動(dòng)一向，邊壁對(duì)水流的阻力，主要是層流底層的粘滯力，這種管道稱為水力光滑管。水力粗糙管： 當(dāng)層流底層的厚度0小于絕對(duì)粗糙度ks時(shí)，紊流流核繞過(guò)突出高度時(shí)，將形成小漩渦，邊壁對(duì)水流的阻力主要是由這些小漩渦造成的，邊壁粗糙度起主要的作用，這種粗糙壁面的管道，稱為水力粗糙管。過(guò)渡粗糙管： 介于以上兩者之間的情況，層流底層的厚度不足以完全掩蓋住邊壁粗糙度的影響，但絕對(duì)粗糙度還沒(méi)有起決定性的作用，這種粗糙壁面的管道稱為過(guò)渡粗糙管。4.5.5 紊流的流速分布普朗特-卡門對(duì)數(shù)流速分布公式：水力光滑管區(qū)：水力粗糙管區(qū)：4.6 圓管中沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律 尼古拉茲實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)圖）-人工粗糙層流區(qū)：Re2300，=f(Re)，=64/Re，hf1.0流態(tài)過(guò)渡區(qū)：2300Re4000紊流光滑區(qū)： =f(Re)， hf1.75紊流過(guò)渡區(qū)： =f(Re，ks/d)， hf1.752.0紊流粗糙區(qū)：=f(ks/d)， hf2.0 舍維列夫公式（舊鋼管和鑄鐵管）：謝才公式（明渠）：謝才系數(shù)例43解：例44解：4.7 流動(dòng)的局部水頭損失 局部水頭損失-發(fā)生在固體邊界的形狀或大小急劇改變的前后局部范圍內(nèi)（非均勻流）。 局部損失主要用于維持漩渦運(yùn)動(dòng)，與邊界形狀有密切關(guān)系。對(duì)1-1、2-2斷面列伯努力方程：