《流體力學》流動阻力與水頭損失課件

第5章流動阻力與水頭損失1ppt課件第5章流動阻力與水頭損失★本章重點掌握黏性流體的流動型態(tài)（層流、紊流）及其判別沿程水頭損失計算局部水頭損失計算2ppt課件§5.1概述一、章目解析從力學觀點看，本章研究的是流動阻力。產(chǎn)生流動阻力的原因：內因——粘性+慣性外因——外界干擾從能量觀看，本章研究的是能量損失（水頭損失）。3ppt課件§5.1概述二、研究內容內流（如管流、明渠流等）：研究的計算（本章重點）；外流（如繞流等）：研究CD的計算。三、水頭損失的兩種形式hf

：沿程水頭損失(由摩擦引起)；hm

：局部水頭損失（由局部干擾引起）。總水頭損失：4ppt課件§5.2黏性流體的流動型態(tài)一、雷諾實驗簡介

1883年英國物理學家雷諾按圖示試驗裝置對粘性流體進行實驗，提出了流體運動存在兩種型態(tài)：層流和紊流。OsborneReynolds(1842-1916)5ppt課件§5.2黏性流體的流動型態(tài)6ppt課件§5.2黏性流體的流動型態(tài)

雷諾在觀察現(xiàn)象的同時，測量，繪制的關系曲線如下：層流：紊流：AEBCD層流過渡區(qū)紊流7ppt課件§5.2黏性流體的流動型態(tài)二、判別標準1.試驗發(fā)現(xiàn)8ppt課件§5.2黏性流體的流動型態(tài)2.判別標準圓管：取非圓管：定義水力半徑為特征長度.相對于圓管有9ppt課件§5.2黏性流體的流動型態(tài)故取例題110ppt課件§5.3恒定均勻流基本方程11ppt課件§5.3恒定均勻流基本方程一、恒定均勻流基本方程推導對如圖所示定常均勻有壓管流，由1→2建立伯努利方程，得：流體用于克服阻力所消耗的能量全部由勢能提供。（1）12ppt課件§5.3恒定均勻流基本方程2.在s方向列動量方程，得：式中：（2）13ppt課件§5.3恒定均勻流基本方程3.聯(lián)立（1）、（2），可得定常均勻流基本方程

上式對層流、紊流均適用。（3）14ppt課件§5.3恒定均勻流基本方程二、過流斷面上切應力τ的分布仿上述推導，可得任意r處的切應力：考慮到，有故（線性分布）15ppt課件§5.3恒定均勻流基本方程三、沿程水頭損失hf的通用公式由均勻流基本方程計算，需先求出。因據(jù)π定理：故16ppt課件§5.3恒定均勻流基本方程令，并考慮到，式中，為沿程阻力系數(shù)，一般由實驗確定。代入可得沿程水頭損失的通用公式——達西公式：17ppt課件§5.4圓管中的層流運動一、過流斷面上的流速分布據(jù)18ppt課件§5.4圓管中的層流運動積分得：——旋轉拋物面分布19ppt課件§5.4圓管中的層流運動最大流速：流量：20ppt課件§5.4圓管中的層流運動二、斷面平均流速21ppt課件§5.4圓管中的層流運動三、沿程水頭損失由和得：22ppt課件§5.4圓管中的層流運動與hf的通用公式比較，可得圓管層流時沿程阻力系數(shù)：四、動能、動量修正系數(shù)23ppt課件§5.5圓管中的紊流運動一、紊流的特征主要特征：流體質點相互摻混，作無定向、無規(guī)則的運動，運動要素在時間和空間都是具有隨機性質的運動。

?嚴格來講，紊流總是非恒定的。

?時間平均紊流：恒定紊流與非恒定紊流的含義。

?紊流的脈動性使過流斷面上的流速分布比層流的更均勻，但能量損失比層流更大。24ppt課件§5.5圓管中的紊流運動二、紊流切應力紊流切應力τ包括τ1和紊流附加切應力τ2兩部分，即其中：這里稱為混合長度，可用經(jīng)驗公式或計算。25ppt課件§5.5圓管中的紊流運動三、粘性底層?水力光滑、水力粗糙的含義。?粘性底層一般只有十分之幾個毫米，但對流動阻力的影響較大。26ppt課件§5.5圓管中的紊流運動四、過流斷面上的流速分布粘性底層區(qū)

式中：——剪切流速

紊流核心區(qū)27ppt課件§5.5圓管中的紊流運動五、沿程阻力系數(shù)λ的變化規(guī)律及影響因素1.尼古拉茲實驗簡介JohannNikuradse28ppt課件§5.5圓管中的紊流運動29ppt課件§5.5圓管中的紊流運動層流區(qū)（I）：2.實驗成果層、紊流過渡（Ⅱ）：紊流過渡區(qū)（Ⅳ）：紊流粗糙區(qū)（Ⅴ）：紊流光滑區(qū)（Ⅲ）：30ppt課件§5.5圓管中的紊流運動六、λ的計算公式層、紊流過渡區(qū)（Ⅱ）：空白層流區(qū)（I）：紊流光滑區(qū)（Ⅲ）：紊流過渡區(qū)（Ⅳ）：31ppt課件§5.5圓管中的紊流運動紊流粗糙區(qū)（Ⅴ）：適合紊流區(qū)的公式：

32ppt課件§5.5圓管中的紊流運動★為便于應用，莫迪將其制成莫迪圖。LewisMoody33ppt課件§5.6

局部水頭損失一、局部水頭損失產(chǎn)生的原因旋渦區(qū)的存在是造成局部水頭損失的主要原因。

局部水頭損失與沿程水頭損失一樣，也與流態(tài)有關，但目前僅限于紊流研究，且基本為實驗研究。34ppt課件§5.6

局部水頭損失二、圓管突然擴大的液流局部水頭損失1.從1→2建立伯努利方程，可得（1）35ppt課件§5.6

局部水頭損失2.在s方向列動量方程式中：引入實驗結果（2）36ppt課件§5.6

局部水頭損失3.聯(lián)立（1）、（2），并取，得（包達公式）37ppt課件§5.6

局部水頭損失三、局部水頭損失通用公式式中：ξ=f(Re,邊界情況)，稱為局部阻力系數(shù)，一般由實驗確定。例題238ppt課件例題1[例1]水流經(jīng)變截面管道，已知d2/d1=2，則相應的Re2/Re1=?[解]因故39ppt課件例題2[例2]如圖所示管流，已知：d、l、H、λ、ξ進、ξ閥門。

求：管道通過能力Q。[解]從1→2建立伯努利方程40ppt課件例題2得流速據(jù)連續(xù)性方程得流量41ppt課件普朗特簡介普朗特（1875～1953），德國物理學家，近代力學奠基人之一。1875年2月4日生于弗賴辛，1953年8月15日卒于格丁根。他在大學時學機械工程，后在慕尼黑工業(yè)大學攻彈性力學，1900年獲得博士學位。1901年在機械廠工作，發(fā)現(xiàn)了氣流分離問題。后在漢諾威大學任教授時，用自制水槽觀察繞曲面的流動，3年后提出邊界層理論，建立繞物體流動的小粘性邊界層方程，以解決計算摩擦阻力、求解分離區(qū)和熱交換等問題。奠定了現(xiàn)代流體力學的基礎。普朗特在流體力學方面的其他貢獻有：①風洞實驗技術。他認為研究空氣動力學必須作模型實驗。1906年建造了德國第一個風洞（見空氣動力學實驗），1917年又建成格丁根式風洞。②機翼理論。在實驗基礎上，他于1913～1918年提出了舉力線理論和最小誘導阻力理論

，后又提出舉力面理論等。③湍流理論。提出層流穩(wěn)定性和湍流混合長度理論。此外還有亞聲速相似律和可壓縮繞角膨脹流動，后被稱為普朗特-邁耶爾流動。他在氣象學方面也有創(chuàng)造性論著。

普朗特在固體力學方面也有不少貢獻。他的博士論文探討了狹長矩形截面梁的側向穩(wěn)定性。1903年提出了柱體扭轉