第6章流動(dòng)阻力和水體損失

1、l第第6 6章章 流動(dòng)阻力及能量損失流動(dòng)阻力及能量損失l6.1 6.1 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類（掌握）流動(dòng)阻力和水頭損失的分類（掌握）l6.2 6.2 粘性流體的兩種流態(tài)（掌握）粘性流體的兩種流態(tài)（掌握）l6.3 6.3 沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系（掌握）沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系（掌握）l6.4 6.4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)（掌握）圓管中的層流運(yùn)動(dòng)（掌握）l6.5 6.5 紊流運(yùn)動(dòng)（理解）紊流運(yùn)動(dòng)（理解）l6.6 6.6 紊流的沿程水頭損失（掌握）紊流的沿程水頭損失（掌握）l6.7 6.7 局部水頭損失（掌握）局部水頭損失（掌握）l* *6.8 6.8 邊界層概念與繞流阻力（自學(xué)）邊界層概念與

2、繞流阻力（自學(xué)）l6.1 6.1 流動(dòng)阻力和水頭損失的分類流動(dòng)阻力和水頭損失的分類l6.1.1 6.1.1 水頭損失的分類水頭損失的分類l1 1、沿程水頭損失：克服、沿程水頭損失：克服沿程阻力沿程阻力做功而引起的能量做功而引起的能量損失稱為沿程水頭損失。損失稱為沿程水頭損失。 用用 表示，對(duì)于圓管的表示，對(duì)于圓管的沿程水頭損失為：沿程水頭損失為：l2 2、局部水頭損失：克服、局部水頭損失：克服局部阻力局部阻力作功而引起的水頭作功而引起的水頭損失稱為局部水頭損失。用損失稱為局部水頭損失。用 表示表示fh22flhdg達(dá)西公式達(dá)西公式j(luò)h22jhg水頭損失水頭損失wfjfabfbcfcdjajbj

3、chhhhhhhhhl6.26.2粘性流體的兩種流態(tài)粘性流體的兩種流態(tài)l6.2.16.2.1兩種流態(tài)兩種流態(tài)層流層流：當(dāng)管中水流速度較小時(shí)，染：當(dāng)管中水流速度較小時(shí)，染色水在玻璃管中保持一條直線，不色水在玻璃管中保持一條直線，不與周圍的水相混，這說(shuō)明只做軸向與周圍的水相混，這說(shuō)明只做軸向運(yùn)動(dòng)，而無(wú)橫向流動(dòng)，此時(shí)的水在運(yùn)動(dòng)，而無(wú)橫向流動(dòng)，此時(shí)的水在管中是分層運(yùn)動(dòng)，各層間互不干擾，管中是分層運(yùn)動(dòng)，各層間互不干擾，互不相混互不相混. .紊流紊流：當(dāng)管中水流速度增大到一定：當(dāng)管中水流速度增大到一定程度程度 ，染色水在玻璃管中劇烈波動(dòng)、，染色水在玻璃管中劇烈波動(dòng)、斷裂并混雜在許多小旋渦中，隨機(jī)斷裂并混雜

4、在許多小旋渦中，隨機(jī)地充滿整個(gè)管子截面，此時(shí)流體質(zhì)地充滿整個(gè)管子截面，此時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)在向前流動(dòng)時(shí)，處于完全無(wú)規(guī)則點(diǎn)在向前流動(dòng)時(shí)，處于完全無(wú)規(guī)則的亂流狀態(tài)的亂流狀態(tài). .l在逐漸開(kāi)大閥門時(shí)，玻璃管內(nèi)流速增大到某一臨界在逐漸開(kāi)大閥門時(shí)，玻璃管內(nèi)流速增大到某一臨界值值 ，顏色水纖流出現(xiàn)抖動(dòng)，再開(kāi)大閥門，進(jìn)入紊流，顏色水纖流出現(xiàn)抖動(dòng)，再開(kāi)大閥門，進(jìn)入紊流狀態(tài)。此時(shí)，狀態(tài)。此時(shí)， 稱為上臨界流速。稱為上臨界流速。l使玻璃管內(nèi)為紊流時(shí)，逐漸關(guān)小閥門，由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷邮共ＡЧ軆?nèi)為紊流時(shí)，逐漸關(guān)小閥門，由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)的流速流時(shí)的流速 稱為下臨界流速。稱為下臨界流速。l實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上臨界流速是不穩(wěn)定的。并且實(shí)驗(yàn)發(fā)

5、現(xiàn)，上臨界流速是不穩(wěn)定的。并且 。 下下臨界流速是穩(wěn)定，因此，下臨界流速通常用來(lái)作為流態(tài)臨界流速是穩(wěn)定，因此，下臨界流速通常用來(lái)作為流態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界流速。轉(zhuǎn)變的臨界流速。l由實(shí)驗(yàn)可知：由實(shí)驗(yàn)可知：l對(duì)于層流，沿程水頭損失與流速的一次方成正比。對(duì)于層流，沿程水頭損失與流速的一次方成正比。 l對(duì)于紊流，沿程水頭損失與流速的對(duì)于紊流，沿程水頭損失與流速的1.751.752.02.0次方成正次方成正比比 。 cccccl6 6.2.2.2.2雷諾數(shù)雷諾數(shù) l1 1、圓管的雷諾數(shù)：、圓管的雷諾數(shù)：l雷諾數(shù)越大，流動(dòng)就越容易成為紊流。雷諾數(shù)越大，流動(dòng)就越容易成為紊流。l2 2、臨界雷諾數(shù)：對(duì)應(yīng)于臨界流速、臨

6、界雷諾數(shù)：對(duì)應(yīng)于臨界流速v vc c的雷諾數(shù)。是流態(tài)的的雷諾數(shù)。是流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)。判別標(biāo)準(zhǔn)。l對(duì)于圓管一般取對(duì)于圓管一般取l 為層流為層流l 為紊流為紊流Redd Re2300cRecccddRe2300Re2300l3 3、非圓管的雷諾數(shù)：、非圓管的雷諾數(shù)：l矩形斷面渠道：矩形斷面渠道：l圓管：圓管：l 以水力半徑以水力半徑R R為特征長(zhǎng)度，相應(yīng)的臨界雷諾數(shù)為：為特征長(zhǎng)度，相應(yīng)的臨界雷諾數(shù)為：ReR21414dRddAR水力半徑水力半徑濕周：過(guò)流斷面濕周：過(guò)流斷面上流體與固體壁面的周界上流體與固體壁面的周界過(guò)流斷面面積過(guò)流斷面面積2bhRbhRe575ccR4 4、雷諾數(shù)的物理意義、雷諾數(shù)的

7、物理意義l雷諾數(shù)反映的是水流慣性力與粘性力之間的關(guān)系。雷諾數(shù)反映的是水流慣性力與粘性力之間的關(guān)系。l當(dāng)當(dāng) ，流動(dòng)受，流動(dòng)受粘性作用粘性作用控制，使流體因受擾動(dòng)所控制，使流體因受擾動(dòng)所引起的紊動(dòng)衰減，流動(dòng)保持為層流；引起的紊動(dòng)衰減，流動(dòng)保持為層流；l 隨著隨著 增大，粘性作用減弱，慣性對(duì)紊動(dòng)的激勵(lì)作用增增大，粘性作用減弱，慣性對(duì)紊動(dòng)的激勵(lì)作用增強(qiáng)，到強(qiáng)，到 時(shí)，流動(dòng)受時(shí)，流動(dòng)受慣性作用慣性作用控制，流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂?，流?dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌Ｎ闪鳌?l當(dāng)當(dāng) 為臨界流。為臨界流。l例例6-1 6-1 有一直徑有一直徑 的水管，流速的水管，流速 ，水溫水溫 ，試判別流態(tài)。，試判別流態(tài)。l解：由表解：由表1-31

8、-3查得查得 水的運(yùn)動(dòng)粘度為水的運(yùn)動(dòng)粘度為 l雷諾數(shù)雷諾數(shù)由于由于 ，此管流為紊流。，此管流為紊流。 ReRecReRecReRecRe25mmd 10 CRe191002300d1.0m/s10 C621.31 10 m /sReRecl6.36.3沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系沿程水頭損失與剪應(yīng)力的關(guān)系l6.3.16.3.1均勻流動(dòng)方程式均勻流動(dòng)方程式l 在如圖所示的均勻流中，有在如圖所示的均勻流中，有v v1 1=v=v2 2，列斷面，列斷面1 1與斷面與斷面2 2的的能量方程，得：能量方程，得： l取斷面取斷面1 1及及2 2間的流體為控制體間的流體為控制體l進(jìn)行受力分析，有：進(jìn)行受力分析

9、，有： l為濕周，過(guò)流斷面上流體和固體壁面接觸的周界為濕周，過(guò)流斷面上流體和固體壁面接觸的周界 l 為壁面剪應(yīng)力為壁面剪應(yīng)力1222121212121222()()ffppzzhggggpphzzgg 1212sin0sinwp Ap AgAlllzz wl對(duì)上兩式進(jìn)行整理，得圓管的對(duì)上兩式進(jìn)行整理，得圓管的均勻流動(dòng)方程式均勻流動(dòng)方程式l式中，式中，l 為水力半徑為水力半徑l 為水力坡度，單位長(zhǎng)度的沿程水頭損失為水力坡度，單位長(zhǎng)度的沿程水頭損失l 對(duì)于明渠均勻流，式中對(duì)于明渠均勻流，式中 的表示平均剪應(yīng)力的表示平均剪應(yīng)力l注意：注意：由于均勻流動(dòng)方程是根據(jù)作用在恒定均勻流段上由于均勻流動(dòng)方程是

10、根據(jù)作用在恒定均勻流段上的的外力相平衡外力相平衡推導(dǎo)的，并沒(méi)有反映流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生沿程推導(dǎo)的，并沒(méi)有反映流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生沿程水頭損失的物理本質(zhì)，因此，公式推導(dǎo)未涉及流體質(zhì)點(diǎn)水頭損失的物理本質(zhì)，因此，公式推導(dǎo)未涉及流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀況，因此，的運(yùn)動(dòng)狀況，因此，該式對(duì)層流和紊流都適用該式對(duì)層流和紊流都適用。wwffwllhgAg RhgRgRJl 2442dAdrRdRJwl6 6.3.2.3.2圓管過(guò)流斷面上剪應(yīng)力分布圓管過(guò)流斷面上剪應(yīng)力分布l在圖中的恒定均勻流中，取軸線與管軸重合，半徑為在圖中的恒定均勻流中，取軸線與管軸重合，半徑為 的流束，與推導(dǎo)均勻流基本方式相同的步驟，可得流的流束，與推導(dǎo)均勻流

11、基本方式相同的步驟，可得流束的均勻流動(dòng)方程式束的均勻流動(dòng)方程式0022wwrgR JgJrgRJgJrr rl6 6.3.3.3.3壁剪切速度壁剪切速度l在均勻流動(dòng)方程式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)沿程摩阻系數(shù)和在均勻流動(dòng)方程式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)沿程摩阻系數(shù)和壁面剪應(yīng)力的關(guān)系壁面剪應(yīng)力的關(guān)系定義壁剪切速度為定義壁剪切速度為則則2224121428wfwdgRJgJhJlddgRJgdg*8w*wl6 6.4.4圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)l6 6.4.1.4.1流動(dòng)特征流動(dòng)特征l各流層部切應(yīng)力服從牛頓內(nèi)摩擦定律：各流層部切應(yīng)力服從牛頓內(nèi)摩擦定律：l6 6.4.2 .4.2 流速分布流速分布l圓管層流過(guò)水?dāng)嗝?/p>

12、上流速分布呈旋轉(zhuǎn)拋物面分布圓管層流過(guò)水?dāng)嗝嫔狭魉俜植汲市D(zhuǎn)拋物面分布 012dudyyrrdudur gJdydr 2222220002200()(1)(1)4416gJgJrgJdurrrdrdl1 1、最大流速、最大流速 l 圓管層流的最大速度在管軸上（）：圓管層流的最大速度在管軸上（）：l2 2、流量、流量l3 3、斷面平均流速、斷面平均流速22max0416gJgJurd0r 40220max20188322gJrQgJgJrduAr02202244000()4()248128AArgJQudArrdAgJgJgJrrrdrrdl6.4.3 6.4.3 圓管層流沿程水頭損失的計(jì)算圓管層

13、流沿程水頭損失的計(jì)算l物理意義：圓管層流中，沿程水頭損失與斷面平均流物理意義：圓管層流中，沿程水頭損失與斷面平均流速的速的一次方一次方成正比，而與管壁粗糙度無(wú)關(guān)。成正比，而與管壁粗糙度無(wú)關(guān)。l例例6-3 6-3 2222222232323264646422Re264ReffflhdgghgJddlllllhgdddgddgdg l例例6-3 6-3 應(yīng)用細(xì)管式粘度計(jì)測(cè)定油的粘度，已知細(xì)管直應(yīng)用細(xì)管式粘度計(jì)測(cè)定油的粘度，已知細(xì)管直徑徑 ，測(cè)量段長(zhǎng)，測(cè)量段長(zhǎng) 。實(shí)測(cè)油的流量。實(shí)測(cè)油的流量 ，水 銀 壓 差 計(jì) 的 讀 值水 銀 壓 差 計(jì) 的 讀 值 ， 油 的 密， 油 的 密度度 。試求油的運(yùn)

14、動(dòng)粘度、動(dòng)力粘度。試求油的運(yùn)動(dòng)粘度、動(dòng)力粘度。l解：列細(xì)管測(cè)量段前、后斷面的伯努利方程，整理后解：列細(xì)管測(cè)量段前、后斷面的伯努利方程，整理后有有l(wèi)假設(shè)為層流，則有假設(shè)為層流，則有30cmph 6mmd 377cm /sQ 2ml 12121212()()14.23mfppppppfppphgpg hhpghghppghpphhg3900kg/m226464Re22fllhdgddgl所以：所以：l校核流態(tài)校核流態(tài)l為層流，假設(shè)成立。為層流，假設(shè)成立。Re19182300d262328.54 10 m /s64=7.69 10 Pa sfgdhl l6.5 6.5 紊流運(yùn)動(dòng)紊流運(yùn)動(dòng)l6.5.16

15、.5.1紊流的特征與時(shí)均化紊流的特征與時(shí)均化l1 1、紊流特征、紊流特征-不規(guī)則性和有渦性不規(guī)則性和有渦性l1 1）無(wú)序性：流體質(zhì)點(diǎn)相互混摻，）無(wú)序性：流體質(zhì)點(diǎn)相互混摻，運(yùn)動(dòng)無(wú)序，運(yùn)動(dòng)要素具有隨機(jī)性。運(yùn)動(dòng)無(wú)序，運(yùn)動(dòng)要素具有隨機(jī)性。l2 2）耗能性：除了粘性耗能外，還）耗能性：除了粘性耗能外，還有更主要的由于紊動(dòng)產(chǎn)生附加切應(yīng)有更主要的由于紊動(dòng)產(chǎn)生附加切應(yīng)力引起的耗能。力引起的耗能。l3 3）擴(kuò)散性：除分子擴(kuò)散外，還有）擴(kuò)散性：除分子擴(kuò)散外，還有質(zhì)點(diǎn)紊動(dòng)引起的傳質(zhì)、傳熱和傳遞質(zhì)點(diǎn)紊動(dòng)引起的傳質(zhì)、傳熱和傳遞動(dòng)量等擴(kuò)散性能。動(dòng)量等擴(kuò)散性能。紊流運(yùn)動(dòng)圖紊流運(yùn)動(dòng)圖 l2 2、紊流運(yùn)動(dòng)的時(shí)均化、紊流運(yùn)動(dòng)的時(shí)

16、均化l1 1）紊流時(shí)的瞬時(shí)流速等于時(shí)均流速與脈紊流時(shí)的瞬時(shí)流速等于時(shí)均流速與脈動(dòng)流速（漲落速度）的疊加動(dòng)流速（漲落速度）的疊加：l時(shí)均流速時(shí)均流速：某一空間點(diǎn)的瞬時(shí)速度始終：某一空間點(diǎn)的瞬時(shí)速度始終圍繞著某一平均值而不斷跳動(dòng)（即脈圍繞著某一平均值而不斷跳動(dòng)（即脈動(dòng)），這一平均值就稱作時(shí)間平均流速動(dòng)），這一平均值就稱作時(shí)間平均流速l2 2、脈動(dòng)速度的特點(diǎn)：、脈動(dòng)速度的特點(diǎn)： l（1 1）脈動(dòng)量的時(shí)均值為零，即。）脈動(dòng)量的時(shí)均值為零，即。l（2 2）各脈動(dòng)量的均方值不等于零，即）各脈動(dòng)量的均方值不等于零，即。xxxyyyzzzuuuuuuuuu01( )Tuu t dtT0u 20ul常用紊流度常

17、用紊流度N N來(lái)表示紊動(dòng)的程度：來(lái)表示紊動(dòng)的程度：l流體力學(xué)中提及的三種流速：流體力學(xué)中提及的三種流速：l(1)(1)瞬時(shí)速度瞬時(shí)速度u：流體通過(guò)某空間點(diǎn)的實(shí)際速度，在紊：流體通過(guò)某空間點(diǎn)的實(shí)際速度，在紊流狀態(tài)下隨機(jī)漲落；流狀態(tài)下隨機(jī)漲落；l(2)(2)時(shí)均速度：為時(shí)均速度：為某一空間點(diǎn)某一空間點(diǎn)的瞬時(shí)速度在的瞬時(shí)速度在時(shí)段時(shí)段T T內(nèi)的內(nèi)的時(shí)間平均值時(shí)間平均值l(3)(3)斷面平均速度：斷面平均速度：過(guò)流斷面過(guò)流斷面上上各點(diǎn)各點(diǎn)的速度（紊流是的速度（紊流是時(shí)均速度）的斷面平均值時(shí)均速度）的斷面平均值22213( )xyzxuuuNu01TuudtT1AudtAl6.5.26.5.2紊流切應(yīng)力

18、、普蘭特混合長(zhǎng)度理論紊流切應(yīng)力、普蘭特混合長(zhǎng)度理論 （自學(xué)）（自學(xué)）l一、紊流切應(yīng)力一、紊流切應(yīng)力l1 1、粘性切應(yīng)力、粘性切應(yīng)力 ：從時(shí)均紊流的概念出發(fā)，各液層之間：從時(shí)均紊流的概念出發(fā)，各液層之間存在著粘性切應(yīng)力：存在著粘性切應(yīng)力：l2 2、紊流附加切力（雷諾應(yīng)力）、紊流附加切力（雷諾應(yīng)力） ：液體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)導(dǎo)致：液體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)導(dǎo)致了質(zhì)量交換，形成了動(dòng)量交換和質(zhì)點(diǎn)混摻，從而在液層交了質(zhì)量交換，形成了動(dòng)量交換和質(zhì)點(diǎn)混摻，從而在液層交界面上產(chǎn)生了紊流附加切應(yīng)力（慣性切應(yīng)力）：界面上產(chǎn)生了紊流附加切應(yīng)力（慣性切應(yīng)力）：l3 3、紊流流態(tài)下，紊流切應(yīng)力：、紊流流態(tài)下，紊流切應(yīng)力： dudyttxy

19、u u txyduu udyl二、紊流動(dòng)量傳遞理論二、紊流動(dòng)量傳遞理論普蘭特混合長(zhǎng)度理論普蘭特混合長(zhǎng)度理論 l1 1、普蘭特假設(shè)：、普蘭特假設(shè)：l(1)(1)不可壓縮流體質(zhì)點(diǎn)在從某流速的流層因脈動(dòng)不可壓縮流體質(zhì)點(diǎn)在從某流速的流層因脈動(dòng) 進(jìn)入進(jìn)入另一流速的流層時(shí)，在運(yùn)動(dòng)的距離另一流速的流層時(shí)，在運(yùn)動(dòng)的距離l（普蘭特稱此為混合（普蘭特稱此為混合長(zhǎng)度）內(nèi)，微團(tuán)保持其本來(lái)的流動(dòng)特征不變。長(zhǎng)度）內(nèi)，微團(tuán)保持其本來(lái)的流動(dòng)特征不變。 l（2 2）普蘭特假設(shè)脈動(dòng)速度與時(shí)均流速差成比例，即：）普蘭特假設(shè)脈動(dòng)速度與時(shí)均流速差成比例，即：l（3 3）在紊流的固體邊壁或近壁處，普蘭特假設(shè)混合長(zhǎng)）在紊流的固體邊壁或近壁

20、處，普蘭特假設(shè)混合長(zhǎng)度正比于質(zhì)點(diǎn)到管壁的徑向距離，即：度正比于質(zhì)點(diǎn)到管壁的徑向距離，即：l三、三、紊流的流速分布紊流的流速分布u12,xyduduuk luk ldydyLy222212()()txyduduu uk k lLdydy *1lnuyC為侍定的無(wú)量綱數(shù)為侍定的無(wú)量綱數(shù)普朗特普朗特-卡門對(duì)數(shù)分布律卡門對(duì)數(shù)分布律l6.5.6.5.3 3 粘性底層粘性底層l紊流的結(jié)構(gòu)由黏性底層、過(guò)渡區(qū)及紊流核心區(qū)三個(gè)部紊流的結(jié)構(gòu)由黏性底層、過(guò)渡區(qū)及紊流核心區(qū)三個(gè)部分組成分組成. .l緊貼管壁一層厚度為緊貼管壁一層厚度為 的流體層作層流運(yùn)動(dòng)的流體層作層流運(yùn)動(dòng), ,此時(shí)粘性此時(shí)粘性剪應(yīng)力起控制作用剪應(yīng)力起

21、控制作用黏性底層黏性底層( (層流底層層流底層) )。l在粘性底層內(nèi)，剪應(yīng)力取壁面剪應(yīng)力：在粘性底層內(nèi)，剪應(yīng)力取壁面剪應(yīng)力： l引入邊界條件引入邊界條件 ，則，則0,0yuw*wyuwwdudyuyC0C 引入壁剪切速度引入壁剪切速度可以看出：黏性底層中，可以看出：黏性底層中， 速度按線性分布，在壁面速度按線性分布，在壁面上的速度為上的速度為l6.66.6紊流的沿程水頭損失紊流的沿程水頭損失l6.6.16.6.1尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)l1 1、沿程摩阻系數(shù)的影響因素、沿程摩阻系數(shù)的影響因素l沿程阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù)主要取決于主要取決于雷諾數(shù)和粗糙度雷諾數(shù)和粗糙度。l表面峰谷之間的平均距離為表

22、面峰谷之間的平均距離為k ks s管壁的絕對(duì)粗糙度。管壁的絕對(duì)粗糙度。l絕對(duì)粗糙度與管道直徑之比絕對(duì)粗糙度與管道直徑之比k ks s /d /d管壁的相對(duì)粗糙度。管壁的相對(duì)粗糙度。22flhdg2Re2fddghl的測(cè)定和阻力分區(qū)圖的測(cè)定和阻力分區(qū)圖abcdef2R e2fddghll第第區(qū)間區(qū)間層流區(qū)層流區(qū)，Re2300Re2300。試驗(yàn)點(diǎn)不論其相對(duì)粗糙。試驗(yàn)點(diǎn)不論其相對(duì)粗糙度如何，都集中在直線上度如何，都集中在直線上, , 即即只與只與ReRe有關(guān)而與有關(guān)而與 無(wú)關(guān)，符合。無(wú)關(guān)，符合。l第第區(qū)間區(qū)間層流到紊流的過(guò)渡區(qū)層流到紊流的過(guò)渡區(qū),2300Re4000,2300Re4000。在此。在此

23、區(qū)間內(nèi)，區(qū)間內(nèi)，隨隨ReRe急劇急劇，而與相對(duì)粗糙度，而與相對(duì)粗糙度 無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。l第第區(qū)間區(qū)間紊流光滑區(qū)紊流光滑區(qū)，4000Re4000 k ks s，管壁的粗糙度對(duì)紊流，管壁的粗糙度對(duì)紊流核心區(qū)核心區(qū)基基本上沒(méi)有影響，水流就象在光滑的壁面上流動(dòng)一樣本上沒(méi)有影響，水流就象在光滑的壁面上流動(dòng)一樣，也也稱為水力光滑壁面（管）。稱為水力光滑壁面（管）。/skdl（2 2）紊流過(guò)渡區(qū)：粘性底層的接近粗糙突起的高度，粗）紊流過(guò)渡區(qū)：粘性底層的接近粗糙突起的高度，粗糙影響到了紊流核心區(qū)，但粗糙度還沒(méi)有起決定性作用。糙影響到了紊流核心區(qū)，但粗糙度還沒(méi)有起決定性作用。l（3 3）紊流粗糙區(qū)：當(dāng)粘性底層厚度）

24、紊流粗糙區(qū)：當(dāng)粘性底層厚度遠(yuǎn)小于粗糙突起的遠(yuǎn)小于粗糙突起的高度，即高度，即 k ks s，粗糙突出高度伸入到紊流粗糙突出高度伸入到紊流核心區(qū)，此時(shí)核心區(qū)，此時(shí)雷諾數(shù)對(duì)紊動(dòng)程度的影響可忽略不計(jì)，雷諾數(shù)對(duì)紊動(dòng)程度的影響可忽略不計(jì)，稱為水力粗糙壁面稱為水力粗糙壁面（管）。（管）。l6.6.26.6.2流速分布（自學(xué)）流速分布（自學(xué)）l1 1、紊流光滑區(qū)、紊流光滑區(qū)l紊流光滑區(qū)的流速分布可分為粘性底層和紊流核心區(qū)兩紊流光滑區(qū)的流速分布可分為粘性底層和紊流核心區(qū)兩部分。部分。l（1 1）粘性底層）粘性底層l（2 2）紊流核心區(qū)的流速分布）紊流核心區(qū)的流速分布( (半經(jīng)驗(yàn)公式半經(jīng)驗(yàn)公式) )：l（3 3）

25、紊流光滑區(qū)）紊流光滑區(qū)l2 2、紊流粗糙區(qū)、紊流粗糙區(qū)( (半經(jīng)驗(yàn)公式半經(jīng)驗(yàn)公式) ) ： *5.75lg()8.48suyk*5.75lg()5.5uy()wuyy*1lnuyCl3 3、圓管流速的指數(shù)規(guī)律分布（、圓管流速的指數(shù)規(guī)律分布（經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式） l普蘭特普蘭特卡門根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料得出了圓管紊流流速分布卡門根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料得出了圓管紊流流速分布的指數(shù)公式：的指數(shù)公式：max0()nuyurnmax/u uRe41032.31041.11051.11062.01063.21061/61/6.61/7.01/8.81/101/100.7910.8080.8170.8490.8650.865l6

26、.6.36.6.3沿程阻力系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式（自學(xué)）沿程阻力系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式（自學(xué)）l1 1、光滑管區(qū)、光滑管區(qū)l2 2、粗糙管區(qū)、粗糙管區(qū) l6.6.4 6.6.4 阻力區(qū)的判別（自學(xué)）阻力區(qū)的判別（自學(xué)）l用粗糙雷諾數(shù)作為阻力分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)用粗糙雷諾數(shù)作為阻力分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn) ：l紊流光滑區(qū)：紊流光滑區(qū)： l紊流過(guò)渡區(qū)：紊流過(guò)渡區(qū)：l紊流粗糙區(qū)：紊流粗糙區(qū)： l其中粘性底層厚度：其中粘性底層厚度：1Re2lg2.5113.72lgsdk*Resk*0Re5,2.3 ,(Re)sk*5Re70,0.172.3 ,(Re,/ )ssskkkd*Re70,0.17,(/ )sskkd（Re=51043106

27、） *11.6l6.6.5 6.6.5 工業(yè)管道工業(yè)管道的柯列勃洛克公式的柯列勃洛克公式l式中：式中：k ks s工業(yè)管道的當(dāng)量粗糙高度，是指與工業(yè)工業(yè)管道的當(dāng)量粗糙高度，是指與工業(yè)管道粗糙管區(qū)管道粗糙管區(qū)值相等的同直徑人工粗糙管的粗糙高值相等的同直徑人工粗糙管的粗糙高度。工業(yè)管道的度。工業(yè)管道的“當(dāng)量粗糙高度當(dāng)量粗糙高度”反映了糙粒各種因反映了糙粒各種因素對(duì)沿程損失的綜合影響。如表素對(duì)沿程損失的綜合影響。如表6-26-2l適用范圍：適用于圓管紊流區(qū)適用范圍：適用于圓管紊流區(qū)l2 2、為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可用莫迪圖查出、為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可用莫迪圖查出 12.512lg()3.7Reskd l6.6.6

28、 6.6.6 沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式l（1 1）布拉修斯公式（光滑區(qū)）布拉修斯公式（光滑區(qū)）l（2 2）希弗林松公式（粗糙區(qū)）希弗林松公式（粗糙區(qū)）l（3 3）謝才公式（明渠）謝才公式（明渠） （粗糙區(qū)）（粗糙區(qū)）50.250.3164(10 )eeRR0.250.11skd21/6288481ffhhgg dgdRJllgC RJCCRn謝才系數(shù)謝才系數(shù)C可用曼寧公式計(jì)算l6.6.76.6.7非圓管的沿程水頭損失非圓管的沿程水頭損失l1 1水力半徑水力半徑R Rl圓管的水力半徑：圓管的水力半徑：l邊長(zhǎng)為邊長(zhǎng)為h h和和b b的矩形水力半徑：的矩形水力半徑：l邊長(zhǎng)為邊長(zhǎng)為

29、a a的正方形斷面水力半徑：的正方形斷面水力半徑：l邊長(zhǎng)為邊長(zhǎng)為h h和和b b的矩形渠道水力半徑：的矩形渠道水力半徑：2144dAdRd2()AbhRhb244AaaRa2AbhRhbl2 2當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑l把與水力半徑相等的圓管直徑定義為非圓管的當(dāng)量直徑，把與水力半徑相等的圓管直徑定義為非圓管的當(dāng)量直徑，即：即：l則邊長(zhǎng)為則邊長(zhǎng)為h h和和b b的矩形管當(dāng)量直徑：的矩形管當(dāng)量直徑：l邊長(zhǎng)為邊長(zhǎng)為a a的正方形斷面當(dāng)量直徑：的正方形斷面當(dāng)量直徑：l邊長(zhǎng)為邊長(zhǎng)為h h和和b b的矩形渠道當(dāng)量直徑：的矩形渠道當(dāng)量直徑：44edRddR2ebhdbheda42ebhdhbl3 3非圓管的沿程摩阻

30、系數(shù)。非圓管的沿程摩阻系數(shù)。l注意：注意：應(yīng)用當(dāng)量直徑計(jì)算非圓管的沿程水頭損失是近似的應(yīng)用當(dāng)量直徑計(jì)算非圓管的沿程水頭損失是近似的方法，并不適用于所有情況。方法，并不適用于所有情況。l例例6-5 6-5 給水管長(zhǎng)給水管長(zhǎng)30m30m，直徑，直徑 ，新鑄鐵管，流，新鑄鐵管，流量量 ，水溫，水溫 ，試求該管段沿程水頭，試求該管段沿程水頭損失。損失。l解：采用莫迪圖。解：采用莫迪圖。l計(jì)算計(jì)算l查表查表1-3 1-3 ， 時(shí)水的運(yùn)動(dòng)粘度時(shí)水的運(yùn)動(dòng)粘度 22felhdg75mmd 7.25L/sQ 10 Ct Re,/skd621.31 10 m /s2244.1cm164.3cm/s4dQAA10

31、Ct l 則有：則有：l查表查表6-26-2，取，取 l查莫迪圖，得查莫迪圖，得 l計(jì)算計(jì)算 21.54m2flhdg0.25mmsk 0.023/0.25/750.003skd 4Re9.4 10dfh 例例6-6 6-6 修建長(zhǎng)修建長(zhǎng)300m300m的鋼筋混凝土輸水管，直徑的鋼筋混凝土輸水管，直徑 ，通過(guò)流量通過(guò)流量 。試采用謝才公式求沿程水頭損失。試采用謝才公式求沿程水頭損失。解：查表解：查表6-36-3，得鋼筋混凝土輸水管的粗糙系數(shù)，得鋼筋混凝土輸水管的粗糙系數(shù)計(jì)算計(jì)算222.61mfhlC R1/60.5148.45m/sCRn0.013n 220.0491m1.13m/s4dQAA

32、0.0625m4dR fh250mmd 3200m /hl6.6.7 7 局部水頭損失局部水頭損失l6.6.7.17.1 局部水頭損失的一般分析局部水頭損失的一般分析l1 1、局部水頭損失產(chǎn)生的原因、局部水頭損失產(chǎn)生的原因l水流在邊界突變的地方，如突然擴(kuò)大、突然縮小、水流在邊界突變的地方，如突然擴(kuò)大、突然縮小、閘閥等處，以及減速增壓的轉(zhuǎn)變區(qū)，都會(huì)發(fā)生主流閘閥等處，以及減速增壓的轉(zhuǎn)變區(qū)，都會(huì)發(fā)生主流與邊壁脫離現(xiàn)象，在主流與邊壁間形成旋渦區(qū)。與邊壁脫離現(xiàn)象，在主流與邊壁間形成旋渦區(qū)。l旋渦區(qū)的形成是局部水頭損失的主要原因。旋渦區(qū)的形成是局部水頭損失的主要原因。 l6.6.7.27.2 幾種典型的幾

33、種典型的局部水頭損失系數(shù)局部水頭損失系數(shù)l1 1、突然擴(kuò)大管突然擴(kuò)大管l由于斷面突然擴(kuò)大，由于斷面突然擴(kuò)大，在斷面在斷面1-11-1及斷面及斷面2-22-2之間水流將與邊壁分之間水流將與邊壁分離并形成旋渦。但在離并形成旋渦。但在斷面斷面1-11-1及及2-22-2處處( (水流水流在在2-22-2斷面已充滿管路，斷面已充滿管路，流線接近平行流線接近平行) )屬于漸屬于漸變流。因此可對(duì)這兩斷面列伯努利方程變流。因此可對(duì)這兩斷面列伯努利方程 222211 1222121 12212122222jpppphzzzzgggggggg l取控制體取控制體ABAB2222， 列動(dòng)量方程：列動(dòng)量方程：l控制

34、體范圍內(nèi)液體所受的外力在水流方向的分力有：控制體范圍內(nèi)液體所受的外力在水流方向的分力有： l(1)(1)作用在過(guò)水?dāng)嗝孀饔迷谶^(guò)水?dāng)嗝?-11-1上的總壓力上的總壓力p p1 1A A1 1；l(2)(2)作用在過(guò)水?dāng)嗝孀饔迷谶^(guò)水?dāng)嗝?-22-2上的總壓力上的總壓力p p2 2A A2 2；l(3)AB(3)AB面上環(huán)形面積管壁的作用力面上環(huán)形面積管壁的作用力P P，等于旋渦區(qū)水，等于旋渦區(qū)水體作用在環(huán)形面積上的壓力。實(shí)驗(yàn)表明在包含環(huán)形體作用在環(huán)形面積上的壓力。實(shí)驗(yàn)表明在包含環(huán)形面積的面積的ABAB斷面上的壓強(qiáng)也基本符合靜水壓強(qiáng)分布規(guī)斷面上的壓強(qiáng)也基本符合靜水壓強(qiáng)分布規(guī)律，即可采用律，即可采用P

35、=pP=p1 1(A(A2 2-A-A1 1) )；l(4)(4)在斷面在斷面ABAB至至2222間液體重量在運(yùn)動(dòng)方向的分力為間液體重量在運(yùn)動(dòng)方向的分力為 l(5)(5)斷面斷面A-BA-B至斷面至斷面2-22-2間水流與管壁間的切應(yīng)力與間水流與管壁間的切應(yīng)力與其他力比較起來(lái)是微小的，可忽略不計(jì)。其他力比較起來(lái)是微小的，可忽略不計(jì)。 122212cos()zzGgA lgA zzll于是，根據(jù)動(dòng)量方程式，得于是，根據(jù)動(dòng)量方程式，得 l兩邊同除以兩邊同除以 ，整理得，整理得l取取 ，整理得，整理得1122121212221 1122221222221 1()()()()()p Ap Ap AAg

36、A zzQp Ap AgA zzA 12212221 1()ppzzggg 2gA2222221211222122121221112221,1jAAhgAgAgAAAA12211l突然擴(kuò)大管突然擴(kuò)大管出口損失系數(shù)出口損失系數(shù)l當(dāng)流體在淹沒(méi)情況下，流入斷面很大的容器，此時(shí)當(dāng)流體在淹沒(méi)情況下，流入斷面很大的容器，此時(shí)2112222111AAAA1212/012jAAhg l2 2、管道突然縮小的損失系數(shù)、管道突然縮小的損失系數(shù) l入口損失系數(shù)（流體由斷面的容器流入管道時(shí)）入口損失系數(shù)（流體由斷面的容器流入管道時(shí)）l3 3、漸擴(kuò)管、漸擴(kuò)管2221210.5(1)20.5(1)mAhAgAA21222211(1)(1)8sinjh