zpp--流體力學泵與風機03

1、返回目錄,1. 能量損失的產(chǎn)生,粘滯性,相對運動,物理性質,固體邊界,產(chǎn)生水流阻力,損耗機械能hw,2. 能量損失的分類,沿程能量損失,局部能量損失,3. 流段的總能量損失,某一流段的總水頭損失：,各種局部水頭損失的總和,各分段的沿程水頭損失的總和,1. 雷諾試驗,2. 流體運動的兩種流態(tài),層流,紊流,當流速較小時，各流層的流體質點是有條不紊地運動，互不混雜，這種型態(tài)的流動叫做層流。,當流速較大，各流層的流體質點形成渦體，在流動過程中，互相混摻，這種型態(tài)的流動叫做紊流。,3. 層流和紊流的判別,（下）臨界雷諾數(shù),雷諾數(shù),或,4. 紊流形成過程分析,紊流形成條件,渦體的產(chǎn)生,雷諾數(shù)達到一定的數(shù)值

2、,取微體：如圖.半徑 ,長 中心線和軸重合. 受力分析： 端的切向力和側面的法向力在流動方向投 影為零.重力 ，無慣性力 在 方向上的平衡方程.,1. 圓管有效截面上的切應力分布,由： ； 不隨r變化,方程兩邊同除 得：,粘性流體在圓管中作層流流動時，同一截面上的切向應力的大小與半徑成正比,1. 圓管有效截面上的切應力分布,在管壁上,由前述,代如上式得：,沒有負號,每一圓筒層表面的切應力：,另依均勻流沿程水頭損失與切應力的關系式有：,所以有,積分整理得,當r=r0時，ux=0，代入上式得,層流流速分布為,2. 層流運動的流速分布,拋物型流速分布,最大流速,平均流速,3. 圓管層流流動的流量,圓

3、管中的流量：,對于水平圓管,哈根一泊肅葉公式,4. 達西公式,由前述沿程損失公式：,得：,可見 ，層流流動的沿程損失與平均流速的一次方成正比,5. 其它系數(shù),因沿程損失而消耗的功率：,動能修正系數(shù)：,動量修正系數(shù)：,對水平放置的圓管,此式對于圓管中粘性流體的層流和紊流流動都適用,1. 紊流流動 時均速度和脈動速度,時均速度,脈動速度,瞬時速度,同理,瞬時軸向速度與時均速度圖,注：時均參數(shù)不隨時間改變的紊流流動稱為準定常流動或時均定常流。,2. 紊流中的切向應力 普朗特混合長度,雷諾應力,純粹由脈動流速所產(chǎn)生的附加切應力，即雷諾應力,由相鄰兩流層間時間平均流速相對運動所產(chǎn)生的粘滯切應力,流體質點

4、在相鄰流層之間的交換，在流層之間進行動量交換，增加能量損失，從而出現(xiàn)脈動切向應力，該應力稱作雷諾應力。,脈動速度示意圖,紊流中的切向應力有兩部分組成：,2. 紊流中的切向應力 普朗特混合長度,普朗特混合長度,普朗特的混合長度假說 ：,由,得,從而可得,則,與 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,3.圓管中紊流的速度分布和沿程損失,（1）圓管中紊流的區(qū)劃,區(qū)劃,速度分布,3.圓管中紊流的速度分布和沿程損失,（1）圓管中紊流的區(qū)劃,在紊流中緊靠固體邊界附近，有一極薄的層流層，其中粘滯切應力起主導作用，而由脈動引起的附加切應力很小，該層流叫做粘性底層。,粘性底層厚度

5、,可見，0隨雷諾數(shù)的增加而減小。,粘性底層,當,當,3.圓管中紊流的速度分布和沿程損失,（1）圓管中紊流的區(qū)劃,水力光滑,水力粗糙,水力光滑和水力粗糙,管壁粗糙凸出部分的平均高度叫做管壁的絕對粗糙度() /d 稱為相對粗糙度,3.圓管中紊流的速度分布和沿程損失,（2）圓管中紊流的速度分布,紊流光滑管,紊流粗糙管,速度分布,最大速度,平均速度,速度分布,最大速度,平均速度,3.圓管中紊流的速度分布和沿程損失,（3）圓管中紊流的沿程損失,水力光滑壁面,水力粗糙壁面,1.尼古拉茲實驗,目的：,原理和裝置：,用不同粗糙度的人工粗糙管，測出不同雷諾數(shù)下的 ，然后由 算出 .,2.沿程阻力系數(shù)的變化,或,

6、尼古拉茲圖可分為五個區(qū)域： I. 層流區(qū) II.過渡區(qū) III.湍流光滑區(qū) IV.湍流過渡粗糙區(qū) V. 湍流完全粗糙區(qū),2.沿程阻力系數(shù)的變化,.層流區(qū)(Re2000),對數(shù)圖中為一斜直線,.過渡區(qū)(2320Re4000 ),情況復雜，無一定規(guī)律,.紊流光滑區(qū),尼古拉茲經(jīng)驗公式(105Re3106 ),=0.0032+0.221Re-0.237,通用卡門一普朗特公式,當（4103Re105 ）,2.沿程阻力系數(shù)的變化,.紊流過渡粗糙區(qū),.紊流平方阻力區(qū),=f (Re , / d ),洛巴耶夫公式,=f ( / d ),流體經(jīng)過這些局部件時，由于通流截面、流動方向的急劇變化，引起速度場的迅速改變

7、，增大流體間的摩擦、碰憧以及形成旋渦等原因,從而產(chǎn)生局部損失,流體經(jīng)過閥門、彎管、突擴和突縮等管件,1.管道截面突然擴大,對1-1、2-2斷面列能量方程式,列X方向的動量方程式,化簡整理得：,所以有,2.管道截面突然縮小,損失由兩部分組成,令 ，稱為流束的收縮系數(shù)，根據(jù)連續(xù)性方程 從而可得,3.彎管,流體在彎管中流動的損失由三部分組成，一部分是由切向應力產(chǎn)生的沿程損失，特別是在流動方向改變、流速分布變化中產(chǎn)生的這種損失;另一部分是形成旋渦所產(chǎn)生的損失;第三部分是由二次流形成的雙螺旋流動所產(chǎn)生的損失。,彎管中邊界層的分離,彎管截面上的雙漩渦,1.簡單管道,按短管計算時：,其中,按長管計算時：,或

8、,若令,則,1.簡單管道,簡單管道水力計算的基本類型,當管道布置、斷面尺寸及作用水頭已知時，要求確定管道通過的流量。 當已知管道尺寸和輸水能力時，計算水頭損失；即要求確定通過一定流量時所必須的水頭。 管線布置已定，當要求輸送一定流量時，確定所需的斷面尺寸。 對一個已知管道尺寸、水頭和流量的管道，要求確定管道各斷面壓強的大小。,2.串聯(lián)管道,H,對A、B截面列伯努利方程式,1,2,A,B,式中符號的下標1、2分別代表兩段不同的管子,根據(jù)連續(xù)性方程,從以上兩方程式中消去 ，得,通常，管道的尺寸、表面粗糙度和局部損失系數(shù)是已知的，于是上式可表示為,3.并聯(lián)管道,各支管的流量與總流量應滿足連續(xù)性方程,

9、各支管的水頭損失相等,水流滿足能量方程,或,1.分支管道,或,5.管網(wǎng),分枝狀管網(wǎng)應按最不利點設計干管，在干管各段的流量分配給定，管徑由經(jīng)濟流速確定的情況下，可以決定所需作用水頭。此后的支管設計就成為已知水頭和流量求管徑的問題。,枝狀管網(wǎng),5.管網(wǎng),環(huán)狀管網(wǎng),對環(huán)狀管網(wǎng)的每一個節(jié)點可寫出連續(xù)方程，其中獨立的比總節(jié)點數(shù)少一個。管網(wǎng)中的每一個閉合環(huán)水頭損失的代數(shù)和為零。方程總個數(shù)恰為管網(wǎng)中的管段數(shù)。,工程上一般采用迭代法確定各管段流量分配，先給出流量分配初值，由經(jīng)濟流速確定管徑，計算各閉合環(huán)水頭損失代數(shù)和，根據(jù)各閉合環(huán)代數(shù)和的值，推求校正流量，重新進行流量分配，繼續(xù)迭代過程，直至滿足要求。,流體從

10、孔口以射流狀態(tài)流出，流線不能在孔口處急劇改變方向，而會在流出孔口后在孔口附近形成收縮斷面，此斷面可視為處在漸變流段中，其上壓強均勻。,1.孔口出流,小孔口出流、大孔口出流（按H/D 是否大于10來判定）；恒定出流、非恒定出流；淹沒出流、非淹沒出流；薄壁出流、厚壁出流。薄壁出流確切地講就是銳緣孔口出流，流體與孔壁只有周線上接觸，孔壁厚度不影響射流形態(tài)，否則就是厚壁出流，如孔邊修圓的情況，此時孔壁參與了出流的收縮，但收縮斷面還是在流出孔口后形成。如果壁厚達到34D，孔口就可以稱為管嘴，收縮斷面將會在管嘴內(nèi)形成，而后再擴展成滿流流出管嘴。管嘴出流的能量損失只考慮局部損失，如果管嘴再長，以致必須考慮沿

11、程損失時就是短管了。,1?？卓诔隽鞯姆诸?2.薄壁孔口定常出流,非淹沒出流的收縮斷面上相對壓強均為零。對上游斷面O-O和收縮斷面C-C運用能量方程即可得到小孔口非淹沒出流公式,薄壁小孔口自由出流,H0 作用總水頭 孔口流速系數(shù) 孔口流量系數(shù),流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù) 收縮斷面突擴的局部阻力系數(shù) 作用總水頭 孔口流速系數(shù) 孔口流量系數(shù),2.薄壁孔口定常出流,薄壁小孔口淹沒出流,淹沒出流流股一樣發(fā)生收縮，經(jīng)過收縮斷面后流股會迅速擴散；因此局部水頭損失分成兩部分：流股收縮和流股擴散兩部分。,H0,2.薄壁孔口定常出流,薄壁大孔口出流,H0,大孔口出流的流量公式形式不變，只是相應的水頭應近似取為孔口形心

12、處的值，具體的流量系數(shù)也與小孔口出流不同。,由于孔口各點的作用水頭差異很大，如果把這種孔口分成若干個小孔口，對每個小孔口出流可近似用小孔口出流公式，然后再把這些小孔口的流量加起來作為大孔口的出流流量。,大孔口出流的流量系數(shù)，可查表,大孔口形心的水頭,3.外伸管嘴（厚壁孔口）定常出流,薄壁大孔口出流計算,管嘴出流的局部損失由兩部分組成，即孔口的局部水頭損失及收縮斷面后擴展產(chǎn)生的局部損失，水頭損失大于孔口出流。但管嘴出流為滿流，因此流量系數(shù)仍比孔口大，其出流公式為,流速系數(shù)=流量系數(shù),局部阻力系數(shù),2.薄壁孔口定常出流,管嘴的真空度,3.外伸管嘴（厚壁孔口）定常出流,管嘴出流流量系數(shù)的加大也可以從

13、管嘴收縮斷面處存在的真空來解釋，由于收縮斷面在管嘴內(nèi)，壓強要比孔口出流時的零壓低，必然會提高吸出流量的能力。,2.薄壁孔口定常出流,管嘴的真空度,3.外伸管嘴（厚壁孔口）定常出流,列1-1和c-c斷面的能量方程,將,代入上式,可得,將,代入后可得,縮頸處的壓強低于大氣壓強，處于真空狀態(tài)，該處真空的抽吸作用是流量增大,保持管嘴真空的條件,3.外伸管嘴（厚壁孔口）定常出流,管嘴長度不能太短,縮頸處的壓強小于流體的飽和壓強,由此可得,當,1.水擊現(xiàn)象,定義,當有壓管中的流速因某種外界原因而發(fā)生急劇變化時，將引起流體內(nèi)部壓強產(chǎn)生迅速交替升降的現(xiàn)象，這種交替升降的壓強作用在管壁、閥門或其它管路元件上好像錘擊一樣，故稱為水擊（或水錘）,閥門突然關閉時有壓管道中的水擊現(xiàn)象,V=0,V0=0,V=0,流速由V00， 壓強增加p， 管壁膨脹,流速由0 -V0 ， 壓強減小，恢復原狀，管壁恢復原狀,流速由-V00， 壓強降低p， 管壁收縮,流速由0 V0 ， 壓強增加，恢復原狀， 管壁恢復原狀,2.水擊壓強,閥門斷面處,管路進口斷面處,各斷面壓強的變化,任意斷面處,2.水擊壓強,依動量定理可推得：,或,當閥門突然完全關閉時，V=0，則有,或,水擊壓強的計算,3.壓強波的傳播速度,根據(jù)質量守恒原理可推導出水擊波的傳播速度,K、流體的體積模量、密度,E、D、管壁材料的