流體力學體驗阻力-流動阻力與計算課件

工程流體力學流體流動阻力工程流體力學流體流動阻力14.體驗阻力流體流動阻力（二）4.體驗阻力流體流動阻力（二）2流動形態(tài)與阻力管內(nèi)流動與阻力流動形態(tài)與阻力管內(nèi)流動與阻力3流動的兩種型態(tài)在不同的初始和邊界條件下，粘性流體質(zhì)點的運動會出現(xiàn)兩種不同的運動狀態(tài)，一種是所有流體質(zhì)點作定向有規(guī)則的運動，另一種是作無規(guī)則不定向的混雜運動。前者稱為層流狀態(tài)，后者稱為湍流狀態(tài)。首先是英國物理學家雷諾在1883年用實驗證明了兩種流態(tài)的存在，確定了流態(tài)的判別方法。流動的兩種型態(tài)在不同的初始和邊界條件下，粘性4小流量中流量大流量過渡狀態(tài)湍流狀態(tài)層流狀態(tài)小流量中流量大流量過渡狀態(tài)湍流狀態(tài)層流狀態(tài)5:下臨界速度:上臨界速度雷諾實驗表明：①當流速大于上臨界流速時為湍流；當流速小于下臨界流速時為層流；當流速介于上、下臨界流速之間時，可能是層流也可能是湍流，這與實驗的起始狀態(tài)、有無擾動等因素有關，不過實踐證明，是湍流的可能性更多些。②在相同的管徑下用不同的液體進行實驗，所測得的臨界流速也不同，粘性大的液體臨界流速也大；若用相同的液體在不同管徑下進行試驗，所測得的臨界流速也不同，管徑大的臨界流速反而小。:下臨界速度:上臨界速度雷諾實驗表明：6臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù)表示超過此雷諾數(shù)的流動必為湍流，它很不確定，跨越一個較大的取值范圍。有實際意義的是下臨界雷諾數(shù)，表示低于此雷諾數(shù)的流動必為層流，有確定的取值。上臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù)表示超過此雷諾數(shù)的流動必為7圓管中的層流運動速度分布流量最大速度泊肅葉-哈根方程圓管中的層流運動速度分布流量最大速度泊肅葉-哈根方程8湍流脈動現(xiàn)象與時均速度

流體質(zhì)點在運動過程中，不斷地互相摻混，引起質(zhì)點間的碰撞和摩擦，產(chǎn)生了無數(shù)旋渦，形成了湍流的脈動性，這些旋渦是造成速度等參數(shù)脈動的原因。湍流是一種不規(guī)則的流動狀態(tài)，其流動參數(shù)隨時間和空間作隨機變化，因而本質(zhì)上是三維非定常流動，且流動空間分布著無數(shù)大小和形狀各不相同的旋渦。因此，可以簡單地說，湍流是隨機的三維非定常有旋流動。流動參數(shù)的變化稱為脈動現(xiàn)象。圓管中的湍流運動湍流脈動現(xiàn)象與時均速度流體質(zhì)點在運動過程9

時間t1內(nèi)，速度的平均值稱為時均速度，定義為：

湍流中某一點瞬時速度可用下式表示：時間t1內(nèi)，速度的平均值稱為時均速度，定義為10雷諾應力

雷諾應力τt是由于流體質(zhì)點的脈動，在相鄰流層之間發(fā)生動量交換，產(chǎn)生的增加能量損失的應力。

：湍流粘度系數(shù)μt與μ不同，它不是流體的屬性，它只決定于流體的密度、時均速度梯度和混合長度

雷諾應力雷諾應力τt是由于流體質(zhì)點的脈動，11管內(nèi)流速分布4×10-4<Re<1.1×105時，m=1/61×10-5<Re<3.2×106時，m=1/7Re>3.2×106時，m=1/10湍流運動中，由于流體渦團相互摻混，互相碰撞，因而產(chǎn)生了流體內(nèi)部各質(zhì)點間的動量傳遞；動量大的流體質(zhì)點將動量傳遞給動量小的質(zhì)點，動量小的流體質(zhì)點牽制動量大的質(zhì)點，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化。管內(nèi)流速分布4×10-4<Re<1.1×105時，m=1/612湍流運動的近壁特征湍流核心湍流核心湍流運動的近壁特征湍流核心湍流核心13流道壁面的類型

任何流道的固體邊壁上，總存在高低不平的突起粗糙體，將粗糙體突出壁面的特征高度定義為絕對粗糙度

/d

相對粗糙

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)粘性底層和絕對粗糙度兩者的相對大小來確定，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。流道壁面的類型任何流道的固體邊壁上，總存在高低不平的14管內(nèi)流動的摩擦阻力管內(nèi)沿程阻力管內(nèi)流動的摩擦阻力管內(nèi)沿程阻力15沿程阻力沿程阻力：當限制流動的固體邊界使流體作均勻流動時，流動阻力只有沿程不變的切應力，該阻力稱為沿程阻力。沿程水頭損失：由沿程阻力作功而引起的水頭損失稱為沿程水頭損失。

沿程阻力沿程阻力：16圓管層流中的沿程損失

層流運動的沿程水頭損失與平均流速的一次方成正比，其沿程阻力系數(shù)只與雷諾數(shù)有關。阻力系數(shù)圓管層流中的沿程損失層流運動的沿程水頭損失17圓管湍流中的沿程損失影響λ的因素

尼古拉茲在管壁上粘結(jié)顆粒均勻的砂粒，做成人工粗糙管。對不同管徑、不同流量的管流進行了實驗，得出如圖所示的尼古拉茲實驗曲線。此曲線可分成五個區(qū)域，不同的區(qū)域內(nèi)用不同的經(jīng)驗公式計算值。圓管湍流中的沿程損失影響λ的因素尼古拉茲在管壁18１）層流區(qū)——實驗點集中在直線ab上２）層流向紊流的過渡區(qū)——實驗點集中在bc區(qū)間內(nèi),無具體計算式3）水力光滑區(qū)——實驗點集中在直線cd上4）水力光滑向水力粗糙的過渡區(qū)——實驗點集中在cdef區(qū)域內(nèi)懷特公式5)水力粗糙區(qū)——實驗點集中在ef區(qū)域后尼古拉茨實驗１）層流區(qū)——實驗點集中在直線ab上２）層流向紊流的過渡區(qū)—19

20莫迪圖莫迪圖21管內(nèi)流動的變化與干擾管內(nèi)流動局部阻力管內(nèi)流動的變化與干擾管內(nèi)流動局部阻力22局部阻力流道的局部突變→流動分離形成剪切層→剪切層流動不穩(wěn)定，產(chǎn)生旋渦→平均流動能量轉(zhuǎn)化成脈動能量，造成不可逆的能量耗散，稱為局部水頭損失。局部損失的機理復雜，除了突擴圓管的情況以外，一般難于解析確定。局部阻力流道的局部突變→流動分離形成剪切23突然擴大突然縮小閘閥三通匯流管道彎頭管道進口突然擴大突然縮小閘閥三通匯流管道彎頭管道進口24從流動特征分析,局部阻力分為過流斷面的擴大和縮小流動方向的改變流量的匯入和分出以及以上幾種形式的組合等從邊壁的變化分析,局部阻力分為急變漸變

局部水頭損失產(chǎn)生于邊界發(fā)生明顯改變的地方，使水流形態(tài)發(fā)生了很大的變化。其特點為能耗大、能耗集中而且主要為旋渦紊動損失。

從流動特征分析,局部阻力分為過流斷面的擴大和縮小從邊壁的變化25突然擴大局部阻力如圖，斷面1—1與2—2之間的沿程損失很小，可忽略不計。根據(jù)伯努利方程：列動量方程：突然擴大局部阻力如圖，斷面1—1與2—2之間的沿程損失很小，26阻力損失：當流體從管道流入斷面很大的容器中或氣體流入大氣時，，。這是突然擴大的特殊情況，稱為出口阻力系數(shù)。阻力損失：當流體從管道流入斷面很大的容器中27內(nèi)插出口圓角出口直角出口圓弧出口1.01.01.01.0內(nèi)插出口圓角出口直角出口圓弧出口1.01.01.01.028漸擴

管漸擴管的形狀由擴大面積比和擴大角兩個參數(shù)確定，當擴張角很小時，漸擴管會很長，此時的損失主要是由摩擦引起。當擴張角是中等以上大小時，漸擴管內(nèi)流體會和壁面發(fā)生分離，此時損失的主要形式是旋渦和碰撞。

當擴大段較短時的局部阻力系數(shù)為：

，與擴張角度有關的系數(shù)θA1，V1A2，V2漸擴管漸擴管的形狀由擴大面積比29

與擴張角度有關的系數(shù)，、分別為小直徑管和大直徑管的沿程阻力系數(shù)，用上兩式計算沿程損失時速度以大直徑斷面的速度為準。當擴張段較長時阻力系數(shù)為：α=5~8°，ζ最小與擴張角度有關的系數(shù)，、30突然縮小局部阻力當流體由大面積水池流入管道時，，可得到，這種情況是管道截面突然縮小的極限情形。根據(jù)實驗結(jié)果，當以小截面的速度為準計算局部損失時，其局部阻力系數(shù)的近似表達式為：突然縮小局部阻力當流體由大面積水池流入管道時，31直角進口圓角進口內(nèi)插進口圓弧進口管道入口的形狀對阻力系數(shù)的影響：

直角進口圓角進口內(nèi)插進口圓弧進口管道入口的形狀對阻力系數(shù)的影32漸縮管的形狀由縮小面積比和收縮角確定。漸縮管流動時損失形式以沿程損失為主，不存在流線脫離壁面的問題。漸

縮管θA1，V1A2，V2漸縮管的形狀由縮小面積比漸33彎管局部阻力引起阻力的原因：

流動方向的改變二次流（次流）螺旋運動流體進入彎管后，由于曲率的關系流體受到離心慣性力的作用，使彎管外側(cè)的壓力高于內(nèi)側(cè)的壓力。AB區(qū)域的流體壓力升高，其速度相應的減小。BC為壓力逐漸降低區(qū)。在彎管內(nèi)側(cè)，ab段流動是降壓增速的，bc流動是升壓減速。這樣在Aa截面與Cc截面之間出現(xiàn)和兩次的升壓減速區(qū)，使流體脫離壁面，在壁面附近形成渦流區(qū)，形成渦流損失。彎管局部阻力引起阻力的原因：螺旋運動流體進入彎34管道越彎曲，渦流損失越大。導流片＝0.2流體在彎管中流動的損失由三部分組成:2.由切向應力產(chǎn)生的沿程損失1.形成漩渦所產(chǎn)生的損失3.由二次流形成的雙螺旋流動所產(chǎn)生的損失0.20.80.1320.206d/R=90o1.20.44管道越彎曲，渦流損失越大。導流片＝0.2流體在彎管中流動的損35

彎管流段，流體的流動方向發(fā)生改變，而平均流速大小并不變。流動方向的改變不僅使彎管的內(nèi)側(cè)和外側(cè)可能出現(xiàn)兩個旋渦區(qū)，而且還產(chǎn)生了一種稱為二次流（secondaryflow）現(xiàn)象，即彎管中在垂直軸線的過流斷面上，產(chǎn)生一對如圖所示的渦流，它和主流（primaryflow）迭加在一起，使通過彎管的流體質(zhì)點作螺旋運動，這也加大了彎管的損失。

二次流在非圓截面的管道中，同樣存在著二次流。二次流的存在使得管內(nèi)的流動發(fā)生了變化，流動變得更為復雜，也增大了流動的阻力。二次流可分為三類：

第一類，可在層流時出現(xiàn)，如彎管中的二次流；第二類，由于雷諾應力造成的，如非圓直管中的二次流；第三類，因物體在流動中往復振動引起的二次流。彎管流段，流體的流動方向發(fā)生改變，而平均36問題與思考問題與思考37

水從水箱經(jīng)水平圓管流出，開始為層流。在保持水位不變的條件下，改變水的溫度，當水溫由低向高增加時，出流量與水溫的關系應為(a)流量隨水溫的增高而增加；(b)流量隨水溫增高而減?。?c)開始流量隨水溫增高而顯著增加，當水溫增高到某一值后，流量急劇減小，之后流量變化很??；(d)開始流量隨水溫增高而顯著減小，當水溫增高到某一值后，流量急劇增加，之后流量變化很小。

圓管內(nèi)流動處于層流狀態(tài)時，流動主要受流體的粘性支配，提高水溫(相當于減小流體的粘度)流量急劇增加。隨溫度升高，流體粘度減小，相應的雷諾數(shù)增大到臨界時，流動由層流過渡到湍流。在湍流情況下，湍流阻力(附加阻力)大于粘性阻力，因此流量在出現(xiàn)湍流時減小。之后再提高水溫，粘性阻力雖然減小，但因湍流阻力起支配主要，流量增加甚微。

(1839年G

Hagen所做的實驗)1020406080tQ水從水箱經(jīng)水平圓管流出，開始為層流。在保持水位不變38

水箱中的水通過垂直管道向大氣出流，設水水深為h，管道直徑d，長度l，沿程阻力系數(shù)，局部阻力系數(shù)。解：據(jù)題意可列（1）流量Q不隨管長而變，即Q試求：（1）在什么條件下流量Q