第四章 流動(dòng)阻力與水頭損失

1、流動(dòng)阻力和水頭損失流動(dòng)阻力和水頭損失 粘滯性粘滯性物理性質(zhì)物理性質(zhì) 固體邊界固體邊界固壁對(duì)流動(dòng)的固壁對(duì)流動(dòng)的阻滯阻滯和和擾動(dòng)擾動(dòng) 產(chǎn)生流產(chǎn)生流 動(dòng)阻力動(dòng)阻力 損耗機(jī)損耗機(jī) 械能械能h hw w 水頭損失的物理概念及其分類水頭損失的物理概念及其分類 產(chǎn)生損失的內(nèi)因 產(chǎn)生損失的外因 液流的橫向和縱向邊界對(duì)水頭損失有影響液流的橫向和縱向邊界對(duì)水頭損失有影響 兩大類流動(dòng)能量損失兩大類流動(dòng)能量損失: : 一、沿程能量損失一、沿程能量損失 發(fā)生在緩變流整個(gè)流發(fā)生在緩變流整個(gè)流 程中的能量損失，由流體程中的能量損失，由流體 的的粘滯力粘滯力造成的損失。造成的損失。 g v d l hf 2 2 f h 單位

2、重力流體的沿程能量損失單位重力流體的沿程能量損失 沿程損失系數(shù)沿程損失系數(shù)l管道長(zhǎng)度管道長(zhǎng)度d管道內(nèi)徑管道內(nèi)徑 g v 2 2 單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。 2.2.局部能量損失局部能量損失 1.1.沿程能量損失沿程能量損失 沿程水頭損失和局部水頭損失沿程水頭損失和局部水頭損失 二、局部能量損失二、局部能量損失 發(fā)生在流動(dòng)狀態(tài)急劇變化的急變流中的能量損失，發(fā)生在流動(dòng)狀態(tài)急劇變化的急變流中的能量損失， 即在管件附近的局部范圍內(nèi)主要由流體微團(tuán)的碰撞、即在管件附近的局部范圍內(nèi)主要由流體微團(tuán)的碰撞、 流體中產(chǎn)生的漩渦等造成的損失。流體中產(chǎn)生的漩渦等造成的損失。

3、g v hj 2 2 j h單位重力流體的局部能量損失。單位重力流體的局部能量損失。 g v 2 2 單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。 局部損失系數(shù)局部損失系數(shù) 三、總能量損失三、總能量損失 整個(gè)管道的能量損失是分段計(jì)算出的能量損失的整個(gè)管道的能量損失是分段計(jì)算出的能量損失的 疊加。疊加。 w h總能量損失?？偰芰繐p失。 jfw hhh 4.2.1 4.2.1 雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)裝置一、實(shí)驗(yàn)裝置 二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 1 1、層流、層流質(zhì)點(diǎn)是直線流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)是直線流動(dòng)。 二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 2 2、過(guò)渡狀態(tài)、過(guò)渡狀態(tài)質(zhì)點(diǎn)是曲線流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)是曲線流動(dòng)

4、。 二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 3 3、紊流、紊流質(zhì)點(diǎn)是無(wú)規(guī)則流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)是無(wú)規(guī)則流動(dòng)。 二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 1 1、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 2、臨界流速臨界流速 cr v 下臨界流速下臨界流速 cr v 上臨界流速上臨界流速 層層 流：流： 不穩(wěn)定流：不穩(wěn)定流： 紊紊 流：流： cr vv crcr vvv cr vv 流動(dòng)較穩(wěn)定流動(dòng)較穩(wěn)定 流動(dòng)不穩(wěn)定流動(dòng)不穩(wěn)定 cr vv cr vv 三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 層流向紊流進(jìn)行：層流向紊流進(jìn)行： EDCBA k v ：上臨界流速：上臨界流速 k v：下臨界流速：下臨界流速 紊流向?qū)恿鬟M(jìn)行：紊流向?qū)恿鬟M(jìn)行： ABDE vm

5、kh f lglglg m f kvh AB段，層流段，層流, K VV 1,45 0 1 m DE段，紊流段，紊流 , K VV 0 . 275. 1,43.6325.60 00 2 m 二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 O hj vcr v D C B A vcr 結(jié)論：結(jié)論： 沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，故沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，故 計(jì)算各種流體通道的沿程損失，必計(jì)算各種流體通道的沿程損失，必 須首先判別流體的流動(dòng)狀態(tài)。須首先判別流體的流動(dòng)狀態(tài)。 層流：層流： 0 . 1 vhf 紊流：紊流： 0 . 275. 1 vhf 流體的層流和紊流狀態(tài)不僅和流速有關(guān)，流體的層流和紊流狀態(tài)不僅和流速有關(guān)， 還

6、和流體的性質(zhì)密度、動(dòng)力粘度、特征尺寸還和流體的性質(zhì)密度、動(dòng)力粘度、特征尺寸 （這里指管徑）。（這里指管徑）。 vd v d Re 一、雷諾數(shù)一、雷諾數(shù) 二、二、臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù) 層層 流：流： 不穩(wěn)定流：不穩(wěn)定流： 紊紊 流：流： 2320Re cr下臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù) 13800eR cr上臨界上臨界雷諾數(shù)雷諾數(shù) cr ReRe crcr eRReRe cr eRRe 2000Re cr 工程上常用的圓管臨界雷諾數(shù)工程上常用的圓管臨界雷諾數(shù) 2000Re 2000Re 層層 流：流： 紊紊 流：流： vd Re雷諾數(shù)雷諾數(shù) 三、三、雷諾數(shù)物理意義雷諾數(shù)物理意義 雷諾數(shù)之所以能判別層流

7、和紊流的標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)雷雷諾數(shù)之所以能判別層流和紊流的標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)雷 諾數(shù)的物理意義來(lái)解釋。諾數(shù)的物理意義來(lái)解釋。 雷諾數(shù)表示慣性力和黏性力的比值。雷諾數(shù)大小表雷諾數(shù)表示慣性力和黏性力的比值。雷諾數(shù)大小表 示了流體在流動(dòng)過(guò)程中慣性力和黏性力哪個(gè)起主導(dǎo)作用。示了流體在流動(dòng)過(guò)程中慣性力和黏性力哪個(gè)起主導(dǎo)作用。 黏性力小，表示黏性力起主導(dǎo)作用，流體指點(diǎn)受黏性的黏性力小，表示黏性力起主導(dǎo)作用，流體指點(diǎn)受黏性的 約束，處于層流狀態(tài)；雷諾數(shù)大表示慣性力起主導(dǎo)作用，約束，處于層流狀態(tài)；雷諾數(shù)大表示慣性力起主導(dǎo)作用， 黏性不足以約束流體質(zhì)點(diǎn)的紊亂運(yùn)動(dòng)，流體便處于紊流黏性不足以約束流體質(zhì)點(diǎn)的紊亂運(yùn)動(dòng)，流體便處于紊

8、流 狀態(tài)狀態(tài) 水和油的運(yùn)動(dòng)粘度分別為水和油的運(yùn)動(dòng)粘度分別為 ， 若它們以若它們以 的流速在直徑為的流速在直徑為 的圓管中流動(dòng)，的圓管中流動(dòng)， 試確定其流動(dòng)狀態(tài)？試確定其流動(dòng)狀態(tài)？ 例題例題 smsm/1030/1079. 1 26 2 26 1 ； smv/5 . 0mmd100 解：水的流動(dòng)雷諾數(shù)解：水的流動(dòng)雷諾數(shù) 200027933Re 1 vd 紊流流態(tài)紊流流態(tài) 油的流動(dòng)雷諾數(shù)油的流動(dòng)雷諾數(shù) 20001667Re 2 vd 層流流態(tài)層流流態(tài) 溫度溫度 、運(yùn)動(dòng)粘度、運(yùn)動(dòng)粘度 的水，在直徑的水，在直徑 的的 管中流動(dòng)，測(cè)得流速管中流動(dòng)，測(cè)得流速 ，問(wèn)水流處于什么狀態(tài)？如要改變其運(yùn)動(dòng)，問(wèn)水流處

9、于什么狀態(tài)？如要改變其運(yùn)動(dòng)， 可以采取那些辦法？可以采取那些辦法？ 例題例題 sm /1014. 1 26 scmv/8 md2Ct15 解：水的流動(dòng)雷諾數(shù)解：水的流動(dòng)雷諾數(shù) 20001404Re vd 層流流態(tài)層流流態(tài) 如要改變其流態(tài)如要改變其流態(tài) sm d v cr /4 .11 Re 1）改變流速）改變流速 scm vd /008. 0 Re 2 2）提高水溫改變粘度）提高水溫改變粘度 1. 層流與紊流的區(qū)別層流與紊流的區(qū)別 層流運(yùn)動(dòng)中，流體層與層之間層流運(yùn)動(dòng)中，流體層與層之間 互不混雜，無(wú)動(dòng)量交換互不混雜，無(wú)動(dòng)量交換 紊流運(yùn)動(dòng)中，流體層與層之間紊流運(yùn)動(dòng)中，流體層與層之間 互相混雜，動(dòng)量

10、交換強(qiáng)烈互相混雜，動(dòng)量交換強(qiáng)烈 2. 2. 層流向紊流的過(guò)渡層流向紊流的過(guò)渡 與渦體形成有關(guān)與渦體形成有關(guān) 四、紊流的成因、紊流的成因 3. 3. 渦體的形成并不一定能形成紊流渦體的形成并不一定能形成紊流 f pp h g V z g V z 22 2 22 2 2 11 1 21 g V g V 22 2 22 2 11 )()( 21 21 pp f zzh 兩過(guò)水?dāng)嗝骈g的沿程水頭損失；等于兩過(guò)流斷面測(cè)壓管水頭兩過(guò)水?dāng)嗝骈g的沿程水頭損失；等于兩過(guò)流斷面測(cè)壓管水頭 的差值，即液體用于克服阻力所消耗的能量，全部由勢(shì)能提的差值，即液體用于克服阻力所消耗的能量，全部由勢(shì)能提 供。供。 4.3.1

11、4.3.1 圓管中的恒定層流動(dòng)力性特性圓管中的恒定層流動(dòng)力性特性 1. 1. 圓管中的恒定層流運(yùn)動(dòng)切應(yīng)力圓管中的恒定層流運(yùn)動(dòng)切應(yīng)力 一、推導(dǎo)：一、推導(dǎo)： 如圖，取出過(guò)水?dāng)嗝媾c的一段均勻流動(dòng)的總?cè)鐖D，取出過(guò)水?dāng)嗝媾c的一段均勻流動(dòng)的總 流。各參數(shù)標(biāo)于圖上，作用在該流段上的力有：流。各參數(shù)標(biāo)于圖上，作用在該流段上的力有： 流段長(zhǎng)為流段長(zhǎng)為L(zhǎng) L，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為A A，濕周，濕周 為為X X，總流與水平面成，總流與水平面成 1 1：動(dòng)水壓力：動(dòng)水壓力 222111 ,ApPApP 2 2：重力：重力AlG 3 3：摩擦阻力：摩擦阻力 xlT 0 1. 1. 圓管中的恒定層流運(yùn)動(dòng)切應(yīng)力圓

12、管中的恒定層流運(yùn)動(dòng)切應(yīng)力 因?yàn)樽饔迷诟髁魇g的摩阻力是成對(duì)地彼此相等而方向因?yàn)樽饔迷诟髁魇g的摩阻力是成對(duì)地彼此相等而方向 相反，故不需考慮；僅考慮不能抵消的總流與粘在壁面上相反，故不需考慮；僅考慮不能抵消的總流與粘在壁面上 的液體質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦力。的液體質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦力。 因?yàn)槭呛愣ň鶆蛄鞯目偭鞫?，所以各作用力處于平衡狀態(tài)，因?yàn)槭呛愣ň鶆蛄鞯目偭鞫?，所以各作用力處于平衡狀態(tài)， 各作用力沿流動(dòng)方向的平衡方程式為：各作用力沿流動(dòng)方向的平衡方程式為： xlT 0 0cos 21 TGPP AAA ZZ 21 21 ,cos 0 2 2 1 1 )()( A x r p z r p z 00 R

13、A x hf RJ 0 l h J f 水力坡度 2 0 r x A R 對(duì)于無(wú)壓均勻流，按上述步驟寫出流動(dòng)方向的力平衡對(duì)于無(wú)壓均勻流，按上述步驟寫出流動(dòng)方向的力平衡 方程式，同樣可得方程式，同樣可得或或。且推導(dǎo)過(guò)程沒(méi)有限制流態(tài)。且推導(dǎo)過(guò)程沒(méi)有限制流態(tài)。 所以方程對(duì)有壓流和無(wú)壓流，因此層流和紊流都適用。所以方程對(duì)有壓流和無(wú)壓流，因此層流和紊流都適用。 二：圓管過(guò)流斷面上切應(yīng)力的分布二：圓管過(guò)流斷面上切應(yīng)力的分布 液流各流層之間均有內(nèi)摩擦切應(yīng)力液流各流層之間均有內(nèi)摩擦切應(yīng)力存在，在均勻存在，在均勻 流中任意取一流速，按上述方法可求得流束的均勻流流中任意取一流速，按上述方法可求得流束的均勻流 方程

14、式：方程式： J R R R: :相應(yīng)流束的水力半徑。相應(yīng)流束的水力半徑。JJ：流束的水力坡度：流束的水力坡度 由于圓管流為恒定均勻流，斷面上的壓力分布滿足由于圓管流為恒定均勻流，斷面上的壓力分布滿足 靜壓分布，因此，流束的水力坡度與總流的水力坡度相靜壓分布，因此，流束的水力坡度與總流的水力坡度相 等，等，J=JJ=J 得 R R 0 0 0 說(shuō)明總流段表面上平均切應(yīng)力與流段的水力半徑成正說(shuō)明總流段表面上平均切應(yīng)力與流段的水力半徑成正 比，且管軸處為最小值比，且管軸處為最小值 管壁處為最大值管壁處為最大值 h h g p h h h mg rr0 h h vx x 0 h h g p h h

15、h mg rr0 h h vx x 0 dr dvx 將將 代入代入 得，得， 對(duì)對(duì)r積分得，積分得， 當(dāng)當(dāng)r= r0時(shí)時(shí) vx=0，得，得 故：故：圓管層流的流速是拋物線型分布的。圓管層流的流速是拋物線型分布的。 h h g p h h h mg rr0 h h vx x J r JR 2 因各圓筒層的流速是隨半徑的增加而減小的，故因各圓筒層的流速是隨半徑的增加而減小的，故 為負(fù)值。圓管均勻流在半徑為處的切應(yīng)力可用均勻流為負(fù)值。圓管均勻流在半徑為處的切應(yīng)力可用均勻流 基本方程式表示，對(duì)于層流，基本方程式表示，對(duì)于層流，切向力只有牛頓內(nèi)摩擦力切向力只有牛頓內(nèi)摩擦力： dr du 2 Jr dr

16、 du Cr J u 2 4 )( 4 2 2 0 rr J u 最大流速、平均流速、圓管流量最大流速、平均流速、圓管流量 h h g p h h h mg rr0 h h vx x 1. 最大流速最大流速 管軸處管軸處: : 2. 平均平均流速流速 3. 圓管流量圓管流量 22 0max 164 d J r J U max 2 2 1 32 Ud J A Q V o r oA d J rdrrr j udAQ 422 0 128 2)( 4 三三. 流動(dòng)損失流動(dòng)損失 Re 64 結(jié)論：結(jié)論：層流流動(dòng)得沿程損失與平均流速得一次方成正比層流流動(dòng)得沿程損失與平均流速得一次方成正比。 ;g h J

17、f v gd hf 2 32 圓管均勻?qū)恿餮爻趟^損失的公式圓管均勻?qū)恿餮爻趟^損失的公式 它表明層流時(shí)沿程水頭損失是與斷面平均流速的一次方它表明層流時(shí)沿程水頭損失是與斷面平均流速的一次方 成比例，與雷諾試驗(yàn)的結(jié)果完全一致。成比例，與雷諾試驗(yàn)的結(jié)果完全一致。 gdgd d hf 2Re 64 2 64 22 平均流速公式平均流速公式 二、二、湍流流動(dòng)、時(shí)均值、脈動(dòng)值、時(shí)均定常流動(dòng)湍流流動(dòng)、時(shí)均值、脈動(dòng)值、時(shí)均定常流動(dòng) 1. 湍流流動(dòng)湍流流動(dòng) 流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，作無(wú)定向、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)在流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，作無(wú)定向、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)在 時(shí)間和空間都是具有隨機(jī)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和空間都是具有隨機(jī)性

18、質(zhì)的運(yùn)動(dòng), ,屬于非定常流動(dòng)屬于非定常流動(dòng)。 二、二、紊流流動(dòng)、時(shí)均值、脈動(dòng)值、時(shí)均定常流動(dòng)紊流流動(dòng)、時(shí)均值、脈動(dòng)值、時(shí)均定常流動(dòng)( (續(xù)續(xù)) ) 2.時(shí)均值、脈動(dòng)值時(shí)均值、脈動(dòng)值 在時(shí)間間隔在時(shí)間間隔 t t 內(nèi)某一流動(dòng)參量的平均值稱為該流動(dòng)內(nèi)某一流動(dòng)參量的平均值稱為該流動(dòng) 參量的參量的時(shí)均值時(shí)均值。 T 0 T 1 dtuu xx xi u 瞬時(shí)值瞬時(shí)值 T 0 T 1 pdtp i p 某一流動(dòng)參量的瞬時(shí)值與時(shí)均值之差，稱為該流動(dòng)參量的某一流動(dòng)參量的瞬時(shí)值與時(shí)均值之差，稱為該流動(dòng)參量的 脈動(dòng)值脈動(dòng)值。 xxx uuuppp 時(shí)均值時(shí)均值 脈動(dòng)值脈動(dòng)值 二、二、紊流流動(dòng)、時(shí)均值、脈動(dòng)值、時(shí)

19、均定常流動(dòng)紊流流動(dòng)、時(shí)均值、脈動(dòng)值、時(shí)均定常流動(dòng)( (續(xù)續(xù)) ) 3.時(shí)均定常流動(dòng)時(shí)均定常流動(dòng) 空間各點(diǎn)的時(shí)均值不隨時(shí)間改變的紊流流動(dòng)稱為空間各點(diǎn)的時(shí)均值不隨時(shí)間改變的紊流流動(dòng)稱為時(shí)均時(shí)均 定常流動(dòng)，或定常流動(dòng)、準(zhǔn)定常流動(dòng)定常流動(dòng)，或定常流動(dòng)、準(zhǔn)定常流動(dòng)。 紊流切應(yīng)力的計(jì)算，由兩部分所組成：相鄰流層間的粘滯紊流切應(yīng)力的計(jì)算，由兩部分所組成：相鄰流層間的粘滯 切應(yīng)力和由脈動(dòng)流速所產(chǎn)生的附加切應(yīng)力，即切應(yīng)力和由脈動(dòng)流速所產(chǎn)生的附加切應(yīng)力，即 普朗特混合長(zhǎng)度理論普朗特混合長(zhǎng)度理論 l l為流體質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)從一流層跳躍到另一流層的垂直距離。為流體質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)從一流層跳躍到另一流層的垂直距離。 三、湍流的附加切

20、應(yīng)力三、湍流的附加切應(yīng)力 x y R l y a b x u y u d u dy ud lu dy ud l dy ud yxu u 2 2 2 2 dy ud l x 2 2 21 dy ud l dy ud x x 在靠近管壁處，粘性力占優(yōu)勢(shì)，其處混合受限制，形在靠近管壁處，粘性力占優(yōu)勢(shì)，其處混合受限制，形 成層流層，稱為成層流層，稱為層流底層層流底層。在層流底層，外面緊接的。在層流底層，外面緊接的 是過(guò)渡層；過(guò)渡層外面緊接的是紊流核心區(qū)。是過(guò)渡層；過(guò)渡層外面緊接的是紊流核心區(qū)。 在層流底層以外的液流在層流底層以外的液流 才是紊流。才是紊流。 四、粘性底層四、粘性底層 光滑壁面光滑壁面

21、粗糙壁面粗糙壁面 紊流中心紊流中心 過(guò)渡層過(guò)渡層 粘性底層粘性底層 紊流結(jié)構(gòu)紊流結(jié)構(gòu) 粘滯底層的厚度粘滯底層的厚度0可用下式計(jì)算：可用下式計(jì)算： Re 8 .32 0 d 固體邊界的表面總是粗糙不平的。粗糙表面凸出高度固體邊界的表面總是粗糙不平的。粗糙表面凸出高度 叫做絕對(duì)粗糙度叫做絕對(duì)粗糙度。 四、粘性底層四、粘性底層 光滑壁面光滑壁面 粗糙壁面粗糙壁面 水力光滑面和水力粗糙面水力光滑面和水力粗糙面 當(dāng)當(dāng)ReRe較小時(shí)，較小時(shí)，0 0可以大于可以大于若干倍，邊若干倍，邊 壁表面雖然高低不平，而凸出高度完全淹沒(méi)在粘性底層壁表面雖然高低不平，而凸出高度完全淹沒(méi)在粘性底層 中，粗糙度對(duì)紊流不起任何

22、作用，邊壁對(duì)水流的阻力，中，粗糙度對(duì)紊流不起任何作用，邊壁對(duì)水流的阻力， 主要是粘性底層的粘滯阻力，這叫水力光滑面。主要是粘性底層的粘滯阻力，這叫水力光滑面。 當(dāng)當(dāng)ReRe較大時(shí)，較大時(shí)，0 0極薄，可以小于極薄，可以小于若干若干 倍，邊壁的粗糙度對(duì)紊流已起主要作用，邊壁對(duì)水流的倍，邊壁的粗糙度對(duì)紊流已起主要作用，邊壁對(duì)水流的 阻力主要是紊流流核繞過(guò)凸出高度時(shí)形成的小旋渦造成阻力主要是紊流流核繞過(guò)凸出高度時(shí)形成的小旋渦造成 的，而粘性底層的粘滯力只占次要地位，這種粗糙表面的，而粘性底層的粘滯力只占次要地位，這種粗糙表面 叫做水力粗糙面。叫做水力粗糙面。 （a） l l l （b） l 水力光滑

23、和水力粗糙 沿程阻力是造成沿程水頭（或壓強(qiáng)、能量）損失的原沿程阻力是造成沿程水頭（或壓強(qiáng)、能量）損失的原 因。計(jì)算沿程損失的公式是達(dá)西公式，但式中的沿程因。計(jì)算沿程損失的公式是達(dá)西公式，但式中的沿程 阻力系數(shù)的規(guī)律有待深入探討。阻力系數(shù)的規(guī)律有待深入探討。 尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn) 尼古拉茲將不同管徑的管道內(nèi)壁均勻地粘涂上經(jīng)過(guò)篩尼古拉茲將不同管徑的管道內(nèi)壁均勻地粘涂上經(jīng)過(guò)篩 分具有同粒徑的砂粒，以制成人工粗糙管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分具有同粒徑的砂粒，以制成人工粗糙管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 研究，實(shí)驗(yàn)范圍雷諾數(shù)研究，實(shí)驗(yàn)范圍雷諾數(shù) ，相對(duì)粗糙，相對(duì)粗糙 度度 ，實(shí)驗(yàn)曲線如圖所示。，實(shí)驗(yàn)曲線如圖所示。 6 10500R

24、e 30 1 10141 d r0/ 1、層流區(qū) 當(dāng) ，所有的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)聚集在一條直線 ab上，說(shuō)明 與相對(duì)粗糙度 無(wú)關(guān)，而 與 的關(guān)系符合 方程，這 與圓管層流理論公式完全一致。 2300Re d Re Re 64 2、過(guò)渡區(qū) 該區(qū)是層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯倪^(guò)渡區(qū)，此時(shí) 與 無(wú)關(guān)，如圖 中的區(qū)域 2 所示。 d 3、紊流光滑管區(qū) 當(dāng) ，流動(dòng)雖已處于紊流狀態(tài)，但不同粗糙度的實(shí)驗(yàn) 點(diǎn)都聚集在 cd 線上，說(shuō)明粗糙度對(duì) 仍沒(méi)有影響，只與雷諾數(shù) 有關(guān)。層流底層厚度大于管子粗糙度， 2300Re Re 。 由圖看出 ，和 及 的關(guān)系可分為五個(gè)不同的區(qū)，其變化 規(guī)律為： Re d 4、紊流過(guò)渡區(qū) 隨著雷諾數(shù)的加大，

25、實(shí)驗(yàn)點(diǎn)根據(jù)不同點(diǎn)的粗糙度分別從 cd線上離開(kāi)，進(jìn)入紊流過(guò)渡區(qū)。如圖中 4 區(qū)所示。 五個(gè)阻力區(qū)的界限范圍及其 計(jì)算公式匯總列于下表中。 5、粗糙管區(qū)域或阻力平方區(qū) 圖中實(shí)驗(yàn)曲線與橫軸平行的區(qū)域， ，沿程阻力與速度 平方成正比，稱為粗糙管區(qū)或阻力平方區(qū)，從圖中可以看出 在此區(qū)域 與 無(wú)關(guān)，而僅與粗糙度 有關(guān)。Re d 粗糙管區(qū) 阻力平方區(qū) 紊 流 過(guò)渡區(qū) 紊 流 光滑管區(qū) 過(guò)渡區(qū) 層流區(qū) 的經(jīng)驗(yàn)公式 的理論或 半經(jīng)驗(yàn)公式 范 圍 阻力區(qū) 2000Re Re64Re75 4000Re2000 3 1 Re0025. 0 0 4000Re 8 . 0Relg2 1 237. 0 65 25. 0 5

26、 Re 221. 0 0032. 0 103Re10 Re 3164. 0 10Re ) Re 51. 2 7 . 3 lg(2 1 d 25. 0 Re 68 11. 0 d 2 7 .3lg2 1 d 25. 0 11. 0 d 00 14 0 14 表中半經(jīng)驗(yàn)公式是建立在混合長(zhǎng)度理論及速度分布的基 礎(chǔ)上并配合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而得到的，它們的準(zhǔn)確性較高，但是結(jié) 構(gòu)較復(fù)雜，最末一欄的經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確性稍差，但公式簡(jiǎn)單便 于計(jì)算，有時(shí)也可以先用經(jīng)驗(yàn)公式求第一次近似值，然后將 其代入光滑管或紊流過(guò)渡區(qū)的半經(jīng)驗(yàn)公式右端，從其左端求 出第二次近似值，如果將它再代入右端則從左端又可求出第 三次近似值，迭代兩三次即

27、可得左、右基本相等的準(zhǔn)確值。 流體經(jīng)過(guò)閥門、彎管、突擴(kuò)和突縮等管件流體經(jīng)過(guò)閥門、彎管、突擴(kuò)和突縮等管件 流體經(jīng)過(guò)這些局部件時(shí)，由于通流截面、流動(dòng)方向的流體經(jīng)過(guò)這些局部件時(shí)，由于通流截面、流動(dòng)方向的 急劇變化，引起速度場(chǎng)的迅速改變，增大流體間的摩急劇變化，引起速度場(chǎng)的迅速改變，增大流體間的摩 擦、碰憧以及形成旋渦等原因擦、碰憧以及形成旋渦等原因, ,從而產(chǎn)生局部損失。從而產(chǎn)生局部損失。 總結(jié)如下：總結(jié)如下： g v h j 2 2 局部損失局部損失： 用分析方法求得，或由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。用分析方法求得，或由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 （1 1）液流中流速的重新分布；）液流中流速的重新分布； （2 2）在旋渦中粘性力作功；）在旋渦中粘性力作功； （3 3）液體質(zhì)點(diǎn)的混摻引起的動(dòng)量變化。）液體質(zhì)點(diǎn)的混摻引起的動(dòng)量變化。 4.5.1 4.5.1