沿程能量損失和局部能量損失課件

第三章流動阻力與能量損失本章知識預(yù)告：●沿程阻力，沿程能量損失；局部阻力，局部能量損失?！窳鲬B(tài)：層流，紊流。●層流沿程損失及其阻力系數(shù)計(jì)算；紊流沿程損失及其阻力系數(shù)確定?！窬植繐p失計(jì)算?！駵p小阻力的措施。第三章流動阻力與能量損失本章知識預(yù)告：1第一節(jié)流動阻力與能量損失的兩種形式一、流動阻力和能量損失的分類根據(jù)流動的邊界條件，能量損失分：沿程能量損失和局部能量損失㈠沿程阻力及沿程能量損失◆沿程阻力—當(dāng)束縛流體流動的固體邊壁沿程不變,流動為均勻流時(shí),流層與流層之間或質(zhì)點(diǎn)之間只存在沿程不變的切應(yīng)力，稱為沿程阻力?！粞爻棠芰繐p失—沿程阻力作功引起的能量損失稱之這沿程能量損失。特點(diǎn)：沿管路長度均勻分布，即沿程水頭損失hf∝

l。第一節(jié)流動阻力與能量損失的兩種形式一、流動阻力和能量損失2沿程水頭損失沿程水頭損失3㈡局部阻力及局部能量損失◆局部阻力—當(dāng)流體流經(jīng)固體邊界突然變化處，由于固體邊界的突然變化造成過流斷面上流速分布的急劇變化（產(chǎn)生旋渦），從而在較短范圍內(nèi)集中產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力?！艟植磕芰繐p失—由于局部阻力作功引起的能量損失稱之為局部能量損失。

局部水頭損失，以hj表示。

見圖3-1。㈡局部阻力及局部能量損失4局部水頭損失局部水頭損失5整個(gè)管路的沿程水頭損失等于各管段的沿程水頭損失之和。即整個(gè)管路的局部水頭損失等于各管件的局部水頭損失之和。即整個(gè)管路的能量損失等于各管段的沿程損失和各局部損失的總和。即整個(gè)管路的沿程水頭損失等于各管段的沿程水頭損失之和。即6二、能量損失的計(jì)算公式—長期工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)液體：沿程水頭損失（達(dá)西公式）：

λ—沿程阻力系數(shù)；Ｌ—管道長度；d—管道直徑；v—平均流速局部水頭損失：

氣體：沿程壓強(qiáng)損失：局部壓強(qiáng)損失：核心問題：和的計(jì)算。二、能量損失的計(jì)算公式—長期工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)7第二節(jié)兩種流態(tài)與雷諾數(shù)一、雷諾試驗(yàn)見視頻。雷諾發(fā)明兩種流動狀態(tài)，沿程損失與流態(tài)密切相關(guān)。層流—各流層的流體質(zhì)點(diǎn)互不混雜的流動型態(tài)。紊流—各流體質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)速度大小方向隨時(shí)間而變，各流層質(zhì)點(diǎn)互相摻混的流動型態(tài)。第二節(jié)兩種流態(tài)與雷諾數(shù)一、雷諾試驗(yàn)雷諾發(fā)明兩種流動狀態(tài)，8層流與紊流的轉(zhuǎn)變層流紊流有過渡區(qū)（不穩(wěn)定區(qū)），實(shí)用上把下臨界流速vk作為流態(tài)轉(zhuǎn)變速度。不穩(wěn)定區(qū)紊流區(qū)層流區(qū)層流與紊流的轉(zhuǎn)變層流紊流有過渡區(qū)（不穩(wěn)定區(qū)），實(shí)用上把下臨9二、沿程水頭損失與流態(tài)的關(guān)系層流區(qū)：紊流區(qū)：不穩(wěn)定區(qū)：關(guān)系不穩(wěn)定。二、沿程水頭損失與流態(tài)的關(guān)系層流區(qū)：10三、流動型態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)●雷諾數(shù)：雷諾等人進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明：流態(tài)不僅和流速v有關(guān)，還和管徑d、流體的動力粘度μ和密度ρ有關(guān)。以上四個(gè)參數(shù)組合成一個(gè)無因次數(shù)，叫雷諾數(shù)，用Re表示?！裼袎簣A管流態(tài)判據(jù)：Re≤2000，層流

Re>2000，紊流

適用于任何管徑和任何牛頓流體?！駸o壓流和非圓管有壓流動的流態(tài)判據(jù)：用水力半徑Ｒ代替圓形管的直徑d時(shí)，Rek=500；用當(dāng)量直徑de計(jì)算時(shí)，Rek=2000。三、流動型態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)●雷諾數(shù)：●有壓圓管流態(tài)判據(jù)：Re≤11第三節(jié)均勻流的基本方程式本節(jié)探討均勻流條件下，沿程損失與沿程阻力之間的關(guān)系?！艟鶆蛄鳎哼^流斷面的形狀和大小沿流程不變，而且過流斷面的流量、流速分布也沿程不變的流動?！艟鶆蛄餍再|(zhì)：⑴不存在慣性力，流線相互平行。斷面上，⑵能量損失只有沿程損失，而且各各單位長度上的沿程損失都是相等的。第三節(jié)均勻流的基本方程式本節(jié)探討均勻流條件下，沿程損失12沿程能量損失和局部能量損失課件13沿程能量損失和局部能量損失課件14沿程能量損失和局部能量損失課件15第四節(jié)圓管中層流運(yùn)動的沿程阻力計(jì)算由和求出函數(shù)J=f(u)，再求出J=f(v)的表達(dá)式。結(jié)果為上式整理變化成：對比達(dá)西公式，可知：上式說明：圓管層流沿程阻力系數(shù)λ只與Re有關(guān)，與管壁粗糙度無關(guān)。第四節(jié)圓管中層流運(yùn)動的沿程阻力計(jì)算由和16第五節(jié)圓管中的紊流運(yùn)動討論管中紊流運(yùn)動的基本特征及沿程損失規(guī)律.一、紊流脈動與時(shí)均化㈠脈動現(xiàn)象如圖3-7。相互摻混，互相碰撞。★在紊流中，某流體質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)速度和壓強(qiáng)始終圍繞某一平均值而上下波動的現(xiàn)象—脈動現(xiàn)象。第五節(jié)圓管中的紊流運(yùn)動討論管中紊流運(yùn)動的基本特征及沿程損17㈡時(shí)均化紊流運(yùn)動要素圍繞它上下波動的平均值稱為時(shí)均值。時(shí)均速度的定義：瞬時(shí)速度㈡時(shí)均化紊流運(yùn)動要素圍繞它上下波動的平均值稱為時(shí)均值。18二、紊流阻力由兩部分組成：①流體各層因時(shí)均流速不同而存在相對運(yùn)動，故流層間產(chǎn)生因粘滯性所引起的摩擦阻力。粘性切應(yīng)力τ1按牛頓內(nèi)摩擦定律計(jì)算。②由于脈動現(xiàn)象，流層間質(zhì)點(diǎn)的動量交換形成的紊流附加切應(yīng)力τ2。其大小由普朗特的混合長度理論計(jì)算。見式(3-21)。Re較小時(shí)，τ1為主要；Re足夠大時(shí),τ2為主要。二、紊流阻力19三、紊流的速度分布Re↗，δ↘。層流邊界層厚度δ對紊流沿程損失很有影響。見圖3-9。當(dāng)δ＞Δ時(shí)，水力光滑。粗糙度對能量損失不產(chǎn)生影響。當(dāng)δ＜Δ時(shí)，水力粗糙。Δ影響能量損失，Re不影響。如圖3-8。三、紊流的速度分布Re↗，δ↘。如圖3-8。20沿程能量損失和局部能量損失課件21第六節(jié)紊流沿程阻力系數(shù)沿程水頭損失計(jì)算：層流：對于紊流的λ通常用以下兩種途徑來確定：①用理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以紊流的半經(jīng)驗(yàn)理論為基礎(chǔ)，整理成半經(jīng)驗(yàn)公式；②直接根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料綜合成阻力系數(shù)λ的純經(jīng)驗(yàn)公式。大量實(shí)驗(yàn)說明：紊流λ主要取決于Re和管道相對粗糙度Δ/d這兩個(gè)因素。第六節(jié)紊流沿程阻力系數(shù)沿程水頭損失計(jì)算：22一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)管壁粘貼不同粒徑均勻砂粒形成人工粗糙的六種管徑中進(jìn)行。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)曲線23尼古拉茲實(shí)驗(yàn)所揭示的沿程阻力系數(shù)λ的變化規(guī)律如下：

Ⅰ.層流區(qū)，Re<2000(lgRe<3.3)，λ=f1(Re)

Ⅱ.臨界過渡區(qū),Re＝2000~4000(lgRe=3.3~3.6),λ=f2(Re)

Ⅲ.紊流光滑區(qū),Re>4000(lgRe>3.6)，λ=f3(Re)

Ⅳ.紊流過渡區(qū)，λ＝f4(Re,Δ/d)

Ⅴ.紊流粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)）,λ＝f5(Δ/d)

尼古拉茲實(shí)驗(yàn)的重要意義在于：比較完整的反映了沿程阻力系統(tǒng)λ的變化規(guī)律，找出了影響λ值變化的主要因素，提出了紊流阻力分區(qū)的概念。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)所揭示的沿程阻力系數(shù)λ的變化規(guī)律如下：

Ⅰ.層流24二、莫迪圖㈠當(dāng)量粗糙度工業(yè)管道的實(shí)際粗糙與尼古拉茲的人工均勻粗糙有較大差異。于是引入“當(dāng)量粗糙度”。當(dāng)量粗糙度—和實(shí)際管道在紊流粗糙區(qū)λ值相等的同直徑尼古拉茲人工粗糙管的粗糙度。部分常用工業(yè)管道的當(dāng)量粗糙度Δ值見表3-1.㈡莫迪圖●柯列勃洛克發(fā)現(xiàn)，尼古拉茲過渡區(qū)的實(shí)驗(yàn)資料對工業(yè)管道不適用，從而提出柯列勃洛克公式：上式適用于工業(yè)管道紊流流態(tài)的三個(gè)阻力區(qū)。●莫迪圖：1944年莫迪以式(3-25)為基礎(chǔ)，繪制了工業(yè)管道的阻力系數(shù)變化曲線圖，即莫迪圖。在圖上，（R，/d）→二、莫迪圖●莫迪圖：1944年莫迪以式(3-25)為基礎(chǔ)，繪25莫迪圖莫迪圖26沿程能量損失和局部能量損失課件27三、紊流沿程阻力系數(shù)的計(jì)算公式紊流λ還可以用以下公式計(jì)算來確定：⒈紊流光滑區(qū)⑴布拉修斯公式適用于Re<105。⑵尼古拉茲光滑管公式適用于Re<106。⑶適用于硬聚乙烯給水管道的計(jì)算公式適用于流速＜3m/s的塑料管、玻璃管和一些非碳鋼類的金屬管。三、紊流沿程阻力系數(shù)的計(jì)算公式紊流λ還可以用以下公式計(jì)算來確28⒉紊流過渡區(qū)⑴莫迪公式柯氏公式的近似公式。⑵阿里特蘇里公式主要用于熱水采暖管道⑶在給水管道中適用于舊鋼管、舊鑄鐵管的舍維列夫公式：適用于v<1.2m/s時(shí)(紊流過渡區(qū))。⒉紊流過渡區(qū)⑴莫迪公式適用于v<1.2m/s時(shí)(紊流過渡區(qū))29⒊紊流粗糙管區(qū)⑴適用于舊鋼管和舊鑄鐵管的舍維列夫公式v≥1.2m/s時(shí)：⑵希弗林松公式⒊紊流粗糙管區(qū)⑴適用于舊鋼管和舊鑄鐵管的舍維列夫公式30第七節(jié)非圓管流的沿程損失通過水力半徑和當(dāng)量直徑的概念，非圓管圓管。一、水力半徑管道對hf的影響因素：Ｒ基本上反映過流斷面大小、形狀對沿程損失綜合影響的物理量。圓管的水力半徑：邊長為a和b的矩形管水力半徑：邊長為a的正方形管水力半徑：折算兩個(gè)水力要素粗糙度過流斷面面積濕周第七節(jié)非圓管流的沿程損失通過水力半徑和當(dāng)量直徑的概念，非31二、當(dāng)量直徑非圓管的水力半徑和圓管的水力半徑相等時(shí)，圓管的直徑稱為非圓管的當(dāng)量直徑。即矩形管的當(dāng)量直徑：正方形管的當(dāng)量直徑：非圓管的沿程損失計(jì)算公式：非圓管的雷諾數(shù)：二、當(dāng)量直徑非圓管的水力半徑和圓管的水力半徑相等時(shí)，圓管的32必須指出，應(yīng)用當(dāng)量直徑計(jì)算非圓管的能量損失，并不適用于所有情況。這表現(xiàn)在兩方面：⑴實(shí)驗(yàn)證明，對矩形、方形、三角形斷面，使用當(dāng)量直徑原理，所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和圓管是很接近的，但長縫形和星形斷面差別較大。⑵用當(dāng)量直徑來計(jì)算非圓管能量損失只能適用于紊流流態(tài)，而不適用于層流。必須指出，應(yīng)用當(dāng)量直徑計(jì)算非圓管的能量損失，并不適用于所有情33第八節(jié)局部損失的計(jì)算與減阻措施一、局部損失產(chǎn)生的原因主要討論紊流的局部損失。以下兩個(gè)方面有的原因：⑴旋渦區(qū)。見圖3-12。⑵流速分布的迅速重新改組和流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈變形，致使粘性阻力和慣性阻力增大。主要因素第八節(jié)局部損失的計(jì)算與減阻措施一、局部損失產(chǎn)生的原因34沿程能量損失和局部能量損失課件35二、局部能量損失的計(jì)算㈠阻力系數(shù)法各種類型局部水頭損失通用計(jì)算公式：對于氣體管路：⒈圓管突然擴(kuò)大的局部損失經(jīng)推導(dǎo)得：二、局部能量損失的計(jì)算㈠阻力系數(shù)法36⒉常用各種管件的局部阻力系數(shù)ζ值見表３－２。查得的ζ值必須與表中所指的斷面平均流速相對應(yīng)，凡未標(biāo)明者，均應(yīng)采用局部管件以后的流速。⒉常用各種管件的局部阻力系數(shù)ζ值見表３－２。37㈡當(dāng)量長度法為了便于管路計(jì)算，常將流體流過某管件或閥門時(shí)的局部阻力折算成同樣流體流過具有相同直徑，長度為le的直管阻力，這個(gè)直管長度le稱為該管件或閥門的當(dāng)量長度。此時(shí)的局部阻力所造成的能量損失計(jì)算公式可仿照直管阻力計(jì)算式寫出，即d—內(nèi)徑。le—管徑或閥門的當(dāng)量長度。le=A·d.A—折算系數(shù)或當(dāng)量長度系數(shù)。其獲得方法是查閱有關(guān)參考資料。㈡當(dāng)量長度法為了便于管路計(jì)算，常將流體流過某管件或閥門時(shí)的局38三、局部阻力之間的相互干擾以上給出的ζ值，是在局部阻礙前后都有足夠長的直管段的條件下得到的。如果局部阻礙之間相距很近，流出前一個(gè)局部阻礙的流動，在流速分布和紊流脈動還未達(dá)到正常均勻流之前又流入后一個(gè)局部阻礙。這樣相互干擾的結(jié)果，局部損失可能出現(xiàn)大幅度的增大或減小，變化幅度約為所有單個(gè)正常局部損失總和的0.5~3倍。如果局部阻礙之間的直管段長度大于3d，干擾的結(jié)果將使總的局部損失小于按正常條件下算出的各局部損失的疊加。三、局部阻力之間的相互干擾以上給出的ζ值，是在局部阻礙前后都39四、減小阻力的措施㈠減小沿程阻力的途徑

⒈減小管長Ｌ。⒉適當(dāng)加大管徑d。

⒊減小管壁的粗糙度Δ。噴涂工藝、塑料管、玻璃鋼管、鋁塑管等。⒋用柔性邊壁代替剛性邊壁。

⒌流體中加入少量添加劑，實(shí)現(xiàn)減阻。添加劑大致有三類：高分子聚合物、金屬皂及懸浮物。四、減小阻力的措施㈠減小沿程阻力的途徑40㈡減小局部阻力的途徑⒈在裝置系統(tǒng)允許的情況下，盡量少設(shè)置彎頭、閥門等局部管件，以減小整個(gè)系統(tǒng)的ζ值。⒉在裝置系統(tǒng)必須采用局部阻礙的情況下，可從改善邊壁形狀入手，避免旋渦區(qū)的產(chǎn)生或減小旋渦區(qū)的大小和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)減阻。⑴管道進(jìn)口：如圖3-15。㈡減小局部阻力的途徑⒈在裝置系統(tǒng)允許的情況下，盡量少設(shè)置彎頭41沿程能量損失和局部能量損失課件42⑵漸擴(kuò)管和突擴(kuò)管：如圖3-16。⑵漸擴(kuò)管和突擴(kuò)管：如圖3-16。43⑶彎管：見表3-3。彎曲半徑Ｒ最好在(1~4)d的范圍內(nèi)。安裝導(dǎo)流葉片。⑶彎管：見表3-3。彎曲半徑Ｒ最好在(1~4)d的范圍內(nèi)。安44⑷三通：⑸配件之間的合理銜接●各局部阻礙之間的距離應(yīng)大于管徑的三倍?！裣葦U(kuò)后彎。先彎后擴(kuò)。⑷三通：⑸配件之間的合理銜接45附面層的概念一、附面層厚度：實(shí)際上邊界層內(nèi)、外區(qū)域并沒有明顯的分界面，一般將壁面流速為零與流速達(dá)到來流速度的99％處之間的距離定義為邊界層厚度。緊貼壁面非常薄的一層，該薄層內(nèi)速度梯度很大，這一薄層稱為附面層（邊界層）。附面層的概念一、附面層厚度：實(shí)際上邊界層內(nèi)、外區(qū)域并沒有明46沿程能量損失和局部能量損失課件47沿程能量損失和局部能量損失課件48三、邊界層分離三、邊界層分離49四、繞流升力的概念物體上部流速快，壓力?。幌虏苛魉佥^小，壓力大。物體上下存在壓差，產(chǎn)生升力。四、繞流升力的概念物體上部流速快，壓力?。幌虏苛魉佥^小，壓力50第三章【流動阻力與能量損失】總結(jié)：★沿程水頭損失：層流：紊流：λ與Re和相對粗糙度有度，分三個(gè)區(qū)分別用相應(yīng)公式計(jì)算或查莫迪圖。★局部水頭損失：ζ和le/d折算系數(shù)查有關(guān)圖表或公式計(jì)算。★減小流動阻力的措施：▲減小沿程阻力的措施▲減小局部阻力的措施★附面層與升力的概念第三章【流動阻力與能量損失】總結(jié)：★沿程水頭損失：51作業(yè)：P95，題9，10，題22．24．本章結(jié)束!作業(yè)：P95，題9，10，題22．24．本章結(jié)束!52第三章流動阻力與能量損失本章知識預(yù)告：●沿程阻力，沿程能量損失；局部阻力，局部能量損失。●流態(tài)：層流，紊流?！駥恿餮爻虛p失及其阻力系數(shù)計(jì)算；紊流沿程損失及其阻力系數(shù)確定。●局部損失計(jì)算。●減小阻力的措施。第三章流動阻力與能量損失本章知識預(yù)告：53第一節(jié)流動阻力與能量損失的兩種形式一、流動阻力和能量損失的分類根據(jù)流動的邊界條件，能量損失分：沿程能量損失和局部能量損失㈠沿程阻力及沿程能量損失◆沿程阻力—當(dāng)束縛流體流動的固體邊壁沿程不變,流動為均勻流時(shí),流層與流層之間或質(zhì)點(diǎn)之間只存在沿程不變的切應(yīng)力，稱為沿程阻力。◆沿程能量損失—沿程阻力作功引起的能量損失稱之這沿程能量損失。特點(diǎn)：沿管路長度均勻分布，即沿程水頭損失hf∝

l。第一節(jié)流動阻力與能量損失的兩種形式一、流動阻力和能量損失54沿程水頭損失沿程水頭損失55㈡局部阻力及局部能量損失◆局部阻力—當(dāng)流體流經(jīng)固體邊界突然變化處，由于固體邊界的突然變化造成過流斷面上流速分布的急劇變化（產(chǎn)生旋渦），從而在較短范圍內(nèi)集中產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力?！艟植磕芰繐p失—由于局部阻力作功引起的能量損失稱之為局部能量損失。

局部水頭損失，以hj表示。

見圖3-1。㈡局部阻力及局部能量損失56局部水頭損失局部水頭損失57整個(gè)管路的沿程水頭損失等于各管段的沿程水頭損失之和。即整個(gè)管路的局部水頭損失等于各管件的局部水頭損失之和。即整個(gè)管路的能量損失等于各管段的沿程損失和各局部損失的總和。即整個(gè)管路的沿程水頭損失等于各管段的沿程水頭損失之和。即58二、能量損失的計(jì)算公式—長期工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)液體：沿程水頭損失（達(dá)西公式）：

λ—沿程阻力系數(shù)；Ｌ—管道長度；d—管道直徑；v—平均流速局部水頭損失：

氣體：沿程壓強(qiáng)損失：局部壓強(qiáng)損失：核心問題：和的計(jì)算。二、能量損失的計(jì)算公式—長期工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)59第二節(jié)兩種流態(tài)與雷諾數(shù)一、雷諾試驗(yàn)見視頻。雷諾發(fā)明兩種流動狀態(tài)，沿程損失與流態(tài)密切相關(guān)。層流—各流層的流體質(zhì)點(diǎn)互不混雜的流動型態(tài)。紊流—各流體質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)速度大小方向隨時(shí)間而變，各流層質(zhì)點(diǎn)互相摻混的流動型態(tài)。第二節(jié)兩種流態(tài)與雷諾數(shù)一、雷諾試驗(yàn)雷諾發(fā)明兩種流動狀態(tài)，60層流與紊流的轉(zhuǎn)變層流紊流有過渡區(qū)（不穩(wěn)定區(qū)），實(shí)用上把下臨界流速vk作為流態(tài)轉(zhuǎn)變速度。不穩(wěn)定區(qū)紊流區(qū)層流區(qū)層流與紊流的轉(zhuǎn)變層流紊流有過渡區(qū)（不穩(wěn)定區(qū)），實(shí)用上把下臨61二、沿程水頭損失與流態(tài)的關(guān)系層流區(qū)：紊流區(qū)：不穩(wěn)定區(qū)：關(guān)系不穩(wěn)定。二、沿程水頭損失與流態(tài)的關(guān)系層流區(qū)：62三、流動型態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)●雷諾數(shù)：雷諾等人進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明：流態(tài)不僅和流速v有關(guān)，還和管徑d、流體的動力粘度μ和密度ρ有關(guān)。以上四個(gè)參數(shù)組合成一個(gè)無因次數(shù)，叫雷諾數(shù)，用Re表示。●有壓圓管流態(tài)判據(jù)：Re≤2000，層流

Re>2000，紊流

適用于任何管徑和任何牛頓流體。●無壓流和非圓管有壓流動的流態(tài)判據(jù)：用水力半徑Ｒ代替圓形管的直徑d時(shí)，Rek=500；用當(dāng)量直徑de計(jì)算時(shí)，Rek=2000。三、流動型態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)●雷諾數(shù)：●有壓圓管流態(tài)判據(jù)：Re≤63第三節(jié)均勻流的基本方程式本節(jié)探討均勻流條件下，沿程損失與沿程阻力之間的關(guān)系。◆均勻流：過流斷面的形狀和大小沿流程不變，而且過流斷面的流量、流速分布也沿程不變的流動。◆均勻流性質(zhì)：⑴不存在慣性力，流線相互平行。斷面上，⑵能量損失只有沿程損失，而且各各單位長度上的沿程損失都是相等的。第三節(jié)均勻流的基本方程式本節(jié)探討均勻流條件下，沿程損失64沿程能量損失和局部能量損失課件65沿程能量損失和局部能量損失課件66沿程能量損失和局部能量損失課件67第四節(jié)圓管中層流運(yùn)動的沿程阻力計(jì)算由和求出函數(shù)J=f(u)，再求出J=f(v)的表達(dá)式。結(jié)果為上式整理變化成：對比達(dá)西公式，可知：上式說明：圓管層流沿程阻力系數(shù)λ只與Re有關(guān)，與管壁粗糙度無關(guān)。第四節(jié)圓管中層流運(yùn)動的沿程阻力計(jì)算由和68第五節(jié)圓管中的紊流運(yùn)動討論管中紊流運(yùn)動的基本特征及沿程損失規(guī)律.一、紊流脈動與時(shí)均化㈠脈動現(xiàn)象如圖3-7。相互摻混，互相碰撞?！镌谖闪髦校沉黧w質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)速度和壓強(qiáng)始終圍繞某一平均值而上下波動的現(xiàn)象—脈動現(xiàn)象。第五節(jié)圓管中的紊流運(yùn)動討論管中紊流運(yùn)動的基本特征及沿程損69㈡時(shí)均化紊流運(yùn)動要素圍繞它上下波動的平均值稱為時(shí)均值。時(shí)均速度的定義：瞬時(shí)速度㈡時(shí)均化紊流運(yùn)動要素圍繞它上下波動的平均值稱為時(shí)均值。70二、紊流阻力由兩部分組成：①流體各層因時(shí)均流速不同而存在相對運(yùn)動，故流層間產(chǎn)生因粘滯性所引起的摩擦阻力。粘性切應(yīng)力τ1按牛頓內(nèi)摩擦定律計(jì)算。②由于脈動現(xiàn)象，流層間質(zhì)點(diǎn)的動量交換形成的紊流附加切應(yīng)力τ2。其大小由普朗特的混合長度理論計(jì)算。見式(3-21)。Re較小時(shí)，τ1為主要；Re足夠大時(shí),τ2為主要。二、紊流阻力71三、紊流的速度分布Re↗，δ↘。層流邊界層厚度δ對紊流沿程損失很有影響。見圖3-9。當(dāng)δ＞Δ時(shí)，水力光滑。粗糙度對能量損失不產(chǎn)生影響。當(dāng)δ＜Δ時(shí)，水力粗糙。Δ影響能量損失，Re不影響。如圖3-8。三、紊流的速度分布Re↗，δ↘。如圖3-8。72沿程能量損失和局部能量損失課件73第六節(jié)紊流沿程阻力系數(shù)沿程水頭損失計(jì)算：層流：對于紊流的λ通常用以下兩種途徑來確定：①用理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以紊流的半經(jīng)驗(yàn)理論為基礎(chǔ)，整理成半經(jīng)驗(yàn)公式；②直接根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料綜合成阻力系數(shù)λ的純經(jīng)驗(yàn)公式。大量實(shí)驗(yàn)說明：紊流λ主要取決于Re和管道相對粗糙度Δ/d這兩個(gè)因素。第六節(jié)紊流沿程阻力系數(shù)沿程水頭損失計(jì)算：74一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)管壁粘貼不同粒徑均勻砂粒形成人工粗糙的六種管徑中進(jìn)行。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)曲線75尼古拉茲實(shí)驗(yàn)所揭示的沿程阻力系數(shù)λ的變化規(guī)律如下：

Ⅰ.層流區(qū)，Re<2000(lgRe<3.3)，λ=f1(Re)

Ⅱ.臨界過渡區(qū),Re＝2000~4000(lgRe=3.3~3.6),λ=f2(Re)

Ⅲ.紊流光滑區(qū),Re>4000(lgRe>3.6)，λ=f3(Re)

Ⅳ.紊流過渡區(qū)，λ＝f4(Re,Δ/d)

Ⅴ.紊流粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)）,λ＝f5(Δ/d)

尼古拉茲實(shí)驗(yàn)的重要意義在于：比較完整的反映了沿程阻力系統(tǒng)λ的變化規(guī)律，找出了影響λ值變化的主要因素，提出了紊流阻力分區(qū)的概念。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)所揭示的沿程阻力系數(shù)λ的變化規(guī)律如下：

Ⅰ.層流76二、莫迪圖㈠當(dāng)量粗糙度工業(yè)管道的實(shí)際粗糙與尼古拉茲的人工均勻粗糙有較大差異。于是引入“當(dāng)量粗糙度”。當(dāng)量粗糙度—和實(shí)際管道在紊流粗糙區(qū)λ值相等的同直徑尼古拉茲人工粗糙管的粗糙度。部分常用工業(yè)管道的當(dāng)量粗糙度Δ值見表3-1.㈡莫迪圖●柯列勃洛克發(fā)現(xiàn)，尼古拉茲過渡區(qū)的實(shí)驗(yàn)資料對工業(yè)管道不適用，從而提出柯列勃洛克公式：上式適用于工業(yè)管道紊流流態(tài)的三個(gè)阻力區(qū)?！衲蠄D：1944年莫迪以式(3-25)為基礎(chǔ)，繪制了工業(yè)管道的阻力系數(shù)變化曲線圖，即莫迪圖。在圖上，（R，/d）→二、莫迪圖●莫迪圖：1944年莫迪以式(3-25)為基礎(chǔ)，繪77莫迪圖莫迪圖78沿程能量損失和局部能量損失課件79三、紊流沿程阻力系數(shù)的計(jì)算公式紊流λ還可以用以下公式計(jì)算來確定：⒈紊流光滑區(qū)⑴布拉修斯公式適用于Re<105。⑵尼古拉茲光滑管公式適用于Re<106。⑶適用于硬聚乙烯給水管道的計(jì)算公式適用于流速＜3m/s的塑料管、玻璃管和一些非碳鋼類的金屬管。三、紊流沿程阻力系數(shù)的計(jì)算公式紊流λ還可以用以下公式計(jì)算來確80⒉紊流過渡區(qū)⑴莫迪公式柯氏公式的近似公式。⑵阿里特蘇里公式主要用于熱水采暖管道⑶在給水管道中適用于舊鋼管、舊鑄鐵管的舍維列夫公式：適用于v<1.2m/s時(shí)(紊流過渡區(qū))。⒉紊流過渡區(qū)⑴莫迪公式適用于v<1.2m/s時(shí)(紊流過渡區(qū))81⒊紊流粗糙管區(qū)⑴適用于舊鋼管和舊鑄鐵管的舍維列夫公式v≥1.2m/s時(shí)：⑵希弗林松公式⒊紊流粗糙管區(qū)⑴適用于舊鋼管和舊鑄鐵管的舍維列夫公式82第七節(jié)非圓管流的沿程損失通過水力半徑和當(dāng)量直徑的概念，非圓管圓管。一、水力半徑管道對hf的影響因素：Ｒ基本上反映過流斷面大小、形狀對沿程損失綜合影響的物理量。圓管的水力半徑：邊長為a和b的矩形管水力半徑：邊長為a的正方形管水力半徑：折算兩個(gè)水力要素粗糙度過流斷面面積濕周第七節(jié)非圓管流的沿程損失通過水力半徑和當(dāng)量直徑的概念，非83二、當(dāng)量直徑非圓管的水力半徑和圓管的水力半徑相等時(shí)，圓管的直徑稱為非圓管的當(dāng)量直徑。即矩形管的當(dāng)量直徑：正方形管的當(dāng)量直徑：非圓管的沿程損失計(jì)算公式：非圓管的雷諾數(shù)：二、當(dāng)量直徑非圓管的水力半徑和圓管的水力半徑相等時(shí)，圓管的84必須指出，應(yīng)用當(dāng)量直徑計(jì)算非圓管的能量損失，并不適用于所有情況。這表現(xiàn)在兩方面：⑴實(shí)驗(yàn)證明，對矩形、方形、三角形斷面，使用當(dāng)量直徑原理，所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和圓管是很接近的，但長縫形和星形斷面差別較大。⑵用當(dāng)量直徑來計(jì)算非圓管能量損失只能適用于紊流流態(tài)，而不適用于層流。必須指出，應(yīng)用當(dāng)量直徑計(jì)算非圓管的能量損失，并不適用于所有情85第八節(jié)局部損失的計(jì)算與減阻措施一、局部損失產(chǎn)生的原因主要討論紊流的局部損失。以下兩個(gè)方面有的原因：⑴旋渦區(qū)。見圖3-12。⑵流速分布的迅速重新改組和流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈變形，致使粘性阻力和慣性阻力增大。主要因素第八節(jié)局部損失的計(jì)算與減阻措施一、局部損失產(chǎn)生的原因86沿程能量損失和局部能量損失課件87二、局部能量損失的計(jì)算㈠阻力系數(shù)法各種類型局部水頭損失通用計(jì)算公式：對于氣體管路：⒈圓管突然擴(kuò)大的局部損失經(jīng)推導(dǎo)得：二、局部能量損失的計(jì)算㈠阻力系數(shù)法88⒉常用各種管件的局部阻力系數(shù)ζ值見表３－２。查得的ζ值必須與表中所指的斷面平均流速相對應(yīng)，凡未標(biāo)明者，均應(yīng)采用局部管件以后的流速。⒉常用各種管件的局部阻力系數(shù)ζ值見表３－２。89㈡當(dāng)量長度法為了便于管路計(jì)算，常將流體流過某管件或閥門時(shí)的局部阻力折算成同樣流體流過具有相同直徑，長度為le的直管阻力，這個(gè)直管長度le稱為該管件或閥門的當(dāng)量長度。此時(shí)的局部阻力所造成的能量損失計(jì)算公式可仿照直管阻力計(jì)算式寫出，即d—內(nèi)徑。le—管徑或閥門的當(dāng)量長度。le=A·d.A—折算系數(shù)或當(dāng)量長度系數(shù)。其獲得方法是查閱有關(guān)參考資料。㈡當(dāng)量長度法為了便于管路計(jì)算，常將流體流過某管件或閥門時(shí)的局90三、局部阻力之間的相互干擾以上給出的ζ值，是在局部阻礙前后都有足夠長的直管段的條件下得到的。如果局部阻礙之間相距很近，流出前一個(gè)局部阻礙的流動，在流速分布和紊流脈動還未達(dá)到正常均勻流