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1、流体力学水力学流动阻力和水头损失,1,第四章流动形态及其水头损失,流体力学水力学流动阻力和水头损失,2,4.1 流动阻力和水头损失的分类,流动阻力,摩擦阻力： 流体有粘滞性和横向流速梯度，产生摩擦阻力。,压差阻力： 局部地区固体边界的形状或大小有急剧改变，或有局部障碍，液流内部结构产生离解和漩涡，流线弯曲，流速分布改变，增加了液流的相对运动，产生压差阻力。,流体力学水力学流动阻力和水头损失,3,水头损失,沿程水头损失hf ： 均匀流中，水流产生的阻力为摩擦阻力，能量损失为沿程水头损失hf。,局部水头损失hj ： 非均匀流中，水流产生的阻力为摩擦阻力和压差阻力，其产生的能量损失为局部水头损失hj
2、。,总水头损失：hw=hf+ hj,流体力学水力学流动阻力和水头损失,4,摩擦阻力,流体力学水力学流动阻力和水头损失,5,滞止离解 压差阻力,流体力学水力学流动阻力和水头损失,6,惯性离解 压差阻力,流体力学水力学流动阻力和水头损失,7,惯性离解 压差阻力,流体力学水力学流动阻力和水头损失,8,流体力学水力学流动阻力和水头损失,9,4.2 实际液体流动的两种形态 4.2.1 雷诺试验,流体力学水力学流动阻力和水头损失,10,流体力学水力学流动阻力和水头损失,11,4.2.2 流态的判别-雷诺数,雷诺数：,非圆形过水断面下临界雷诺数：,管流上临界雷诺数：,管流下临界雷诺数：Rec=2000,非圆
3、形过水断面雷诺数：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,12,例41,有一圆形输水管，直径d为2.0cm，管中 水流的断面平均流速为1m/s，水温t= 15，试判别管中水流的型态。当通过石油 时，若其他条件相同，问流态是层流还是紊流？ （t= 15时，石油=0.6cm2/s,水=0.0114cm2/s）,解：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,13,4.3 均匀流沿程水头损失与切应力的关系 4.3.1 沿程水头损失与切应力的关系 在管道恒定均匀流中，取总流流段1-1到2-2， 各作用力处于平衡状态：F=0。,流体力学水力学流动阻力和水头损失,14,作用于该总流流段上的外力有： 动水压力： P1=
4、p1A P2=p2A 重力：G=V= AL，在流动方向上的投影Gx=ALsin 摩擦阻力：T=0A= 0 L,流体力学水力学流动阻力和水头损失,15,写出管轴方向的平衡方程：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,16,4.3.2 均匀流过水断面上切应力的分布,流体力学水力学流动阻力和水头损失,17,4.4 圆管中的层流运动 4.4.1 圆管均匀层流的断面流速分布,流体力学水力学流动阻力和水头损失,18,流体力学水力学流动阻力和水头损失,19,4.4.2 圆管均匀层流的沿程水头损失,达西公式,通用公式-层流紊流均适用,流体力学水力学流动阻力和水头损失,20,利用管径d=75mm的管道输送重油，如图
5、所示，已 知重油的重度油=8.83KN/m3，运动粘性系数油=0.9cm2/s，管轴上装有毕托管，水银面高差hp=20mm，求重油每小时流量及每米长的沿程水头损失。 解：1、求流量：,例4-2,假设重油的流动为层流：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,21,2、求沿程水头损失, 2300 层流,流体力学水力学流动阻力和水头损失,22,4.5 液体的紊流运动 4.5.1 紊流的形成条件,涡体的形成； 形成后的涡体，脱离原来的流层或流束，掺入邻近的流层或流束。 层流与紊流的根本区别在于： 层流中各流层的流体质点，互不掺混，有比较规则的“瞬时流线”存在； 紊流中有大小不等的涡体震荡于各流层之间，互相
6、掺混。,流体力学水力学流动阻力和水头损失,23,4.5.2 紊流脉动现象与时均化概念 运动要素的脉动现象： 紊流中存在大量涡体，涡体沿各方向进行混掺、碰撞，使紊流中任何一个空间点上的运动要素（流速、压强等）随时间不断在变化-紊流运动要素脉动。,流体力学水力学流动阻力和水头损失,24,流体力学水力学流动阻力和水头损失,25,运动要素的时均化处理：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,26,脉动值说明： 脉动值不能当作微量处理，有时可达到时均值的三分之一。 脉动总是三维的，虽然主流是一维或二维的，但均产生三个方向的脉动速度。 脉动是涡体互相掺混、交换的结果，不是流体分子的运动。,流体力学水力学流动阻
7、力和水头损失,27,注意： 紊流恒定流-指时间平均的运动要素不随时间而变化的流动。 紊流非恒定流-指时间平均的运动要素随时间而变化的流动。 恒定流、非恒定流、流线、流束、总流等 -对紊流运动要素时均值而言。,流体力学水力学流动阻力和水头损失,28,流体力学水力学流动阻力和水头损失,29,流体力学水力学流动阻力和水头损失,30,4.5.3 紊流中摩擦切应力计算 紊流中切应力=内摩擦切应力+附加切应力 内摩擦切应力-相邻两层时均速度相对运动所产生的粘滞切应力。 附加切应力-脉动所产生。 紊流附加切应力： （普朗特动量传递理论） 紊流各流层间存在相对运动，当流层间发生质点混和时，因流速的不同（动量不
8、同），导致质点横向运动到新流层时，因动量的改变产生对新流层的附加切应力-紊流附加摩擦切应力（雷诺应力）。,流体力学水力学流动阻力和水头损失,31,流体力学水力学流动阻力和水头损失,32,4.5.4紊流中的层流底层与紊流核心 4.5.4.1 层流底层（粘性底层）： 紧靠固体边界的地方，由于管壁及流体粘性的影响，流体质点流速小，流态属于层流的流体层。 层流底层厚度-一般只有十分之几毫米，最大只有几毫米。 紊流核心： 粘性底层以外为紊流区，包括紊动充分发展的紊流流核区和紊流处于发展状态的过渡层（厚度仅百分之几厘米）。,流体力学水力学流动阻力和水头损失,33,流体力学水力学流动阻力和水头损失,34,4
9、.5.4.2 流道壁面的类型 绝对粗糙度ks（）：将固体壁面上，粗糙体突出壁面的高度的平均值 。 水力光滑管： 当层流底层的厚度0大于绝对粗糙度ks，流体在平直的层流底层的外缘上滑动，象在光滑壁面上流动一向，边壁对水流的阻力，主要是层流底层的粘滞力，这种管道称为水力光滑管。,流体力学水力学流动阻力和水头损失,35,流体力学水力学流动阻力和水头损失,36,水力粗糙管： 当层流底层的厚度0小于绝对粗糙度ks时，紊流流核绕过突出高度时，将形成小漩涡，边壁对水流的阻力主要是由这些小漩涡造成的，边壁粗糙度起主要的作用，这种粗糙壁面的管道，称为水力粗糙管。,过渡粗糙管： 介于以上两者之间的情况，层流底层的
10、厚度不足以完全掩盖住边壁粗糙度的影响，但绝对粗糙度还没有起决定性的作用，这种粗糙壁面的管道称为过渡粗糙管。,流体力学水力学流动阻力和水头损失,37,4.5.5 紊流的流速分布 普朗特-卡门对数流速分布公式：,水力光滑管区：,水力粗糙管区：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,38,流体力学水力学流动阻力和水头损失,39,流体力学水力学流动阻力和水头损失,40,4.6 圆管中沿程阻力系数的变化规律 尼古拉兹实验（实验图）-人工粗糙 层流区：Re2300，=f(Re)，=64/Re，hf1.0 流态过渡区：2300Re4000 紊流光滑区： =f(Re)， hf1.75 紊流过渡区： =f(Re，k
11、s/d)， hf1.752.0 紊流粗糙区：=f(ks/d)， hf2.0,流体力学水力学流动阻力和水头损失,41,流体力学水力学流动阻力和水头损失,42,舍维列夫公式（旧钢管和铸铁管）：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,43,谢才公式（明渠）：,谢才系数,流体力学水力学流动阻力和水头损失,44,例43,解：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,45,例44,解：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,46,4.7 流动的局部水头损失 局部水头损失-发生在固体边界的形状或大小急剧改变的前后局部范围内 （非均匀流）。 局部损失主要用于维持漩涡运动，与边界形状有密切关系。,流体力学水力学流动阻力和水头
12、损失,47,流体力学水力学流动阻力和水头损失,48,流体力学水力学流动阻力和水头损失,49,流体力学水力学流动阻力和水头损失,50,流体力学水力学流动阻力和水头损失,51,流体力学水力学流动阻力和水头损失,52,流体力学水力学流动阻力和水头损失,53,流体力学水力学流动阻力和水头损失,54,对1-1、2-2断面列伯努力方程：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,55,例48,流体力学水力学流动阻力和水头损失,56,解：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,57,流体力学水力学流动阻力和水头损失,58,(3),流体力学水力学流动阻力和水头损失,59,有一段直径d=100mm的管路，长10m，其中有两个90的弯管（d/=1.0）。管段的沿程阻力系数=0.037。如拆除这两个弯管而管段长度不变，问管段中的流量能增加百分之几？,例49,解：查表得弯管的局部水头损失系数计算式为：,流体力学水力学流动阻力和水头损失,60,