第六章流動阻力與水頭損失

第六章流動阻力與水頭損失主要內容液體在管道內的流動狀態(tài)、速度分布、能量損失和各類管流的水力計算及液體出流第一節(jié)管內流動的能量損失理想流體黏性流體黏性流體切向應力機械能損耗能量損失能量損失沿程能量損失局部能量損失第一節(jié)管內流動的能量損失一、沿程能量損失發(fā)生在緩變流整個流程中的能量損失，是由于流體的黏滯力造成的損失。λ為沿程損失系數(shù),與Re,d,ε有關的量,v2/2g為單位重量流體的動壓頭第一節(jié)管內流動的能量損失二、局部能量損失發(fā)生在流動狀態(tài)急劇變化的急變流中的能量損失，是在管件附近的局部范圍內主要由于流體微團的碰撞、流體中產生的旋渦等造成的損失。ζ為局部損失系數(shù)，實驗確定第一節(jié)管內流動的能量損失三、總能量損失第二節(jié)黏性流體的兩種流動狀態(tài)1、雷諾實驗laminarturbulent實驗目的：觀察粘性流體的流動狀態(tài)。實驗裝置：水箱，染色水，玻璃管，閥門；很干凈，擾動小。

層流（laminarflow）：流速較低，紅墨水跡線平穩(wěn)。水質點沿軸向分層平穩(wěn)流動。不穩(wěn)定流動：紅墨水跡線波動。水質點不穩(wěn)定，有軸向和垂向的分速度。

湍流(turbulentflow)：流速超過某值時，紅墨水跡線破裂。各層流體質點相互摻混，出現(xiàn)不規(guī)則、隨機脈動速度。實驗表明：粘性流動存在兩種流動狀態(tài)——層流和湍流。/v/b/56097598-1273049445.html

2、Reynolds數(shù)（non-dimensionalnumber）Reynolds數(shù)的物理意義：慣性使擾動放大，導致湍流，粘性抑制擾動使流動保持穩(wěn)定。當時，流動趨于理想流體運動。臨界Reynoldsnumber——流動狀態(tài)發(fā)生轉捩對應的Renumber。（層流）（湍流）

不是一個確定的常數(shù)，它與水流擾動等實驗條件有關。擾動大低；擾動小高。它的下限約2320，上限會高達13800。3、沿程損失與流動狀態(tài)的關系ab段層流ef段湍流be段臨界狀態(tài)結論：流態(tài)不同，沿程損失規(guī)律不同例題水在內徑d=100mm的管中流動，流速為v=0.5m/s，水的運動黏度ν=1×10-6m2/s。試問水的流動狀態(tài)？若管中液體是油，流速不變，但運動黏度ν=31×10-6m2/s。問油的流動狀態(tài)？第三節(jié)管道進口段黏性流體的流動層流進口段長度：湍流進口段長度：通過管道流量一定，邊界層厚度逐漸增加，中心流速將加快。不斷改變流速分布的流動一直發(fā)展到邊界層在管軸處相交，成為充分發(fā)展流動，邊界層相交以前的管段稱為管道進口段。與擾動有關，擾動越大越短第四節(jié)圓管中流體的層流流動得到1.管道內切應力分布傾斜角度為θ的圓管內不可壓粘性流體定常層流流動。取半徑為r，長度為δl的微圓柱體為分析對象，受重力、兩端壓力和側面粘滯力平衡，則：切向力的大小與半徑成正比。2.斷面流速分布牛頓內摩擦定律積分旋轉拋物面體積是其外切圓柱的一半第四節(jié)圓管中流體的層流流動平均速度為最大速度的一半邊界條件：第四節(jié)圓管中流體的層流流動2.斷面流速分布圓管中流量：水平放置的圓管中流量：h不變，dp/dl=-?p/l哈根-泊肅葉公式3.動能與動量修正系數(shù)第四節(jié)圓管中流體的層流流動4.沿程損失系數(shù)單位重量流體壓降比較注意：沿程損失系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關。第四節(jié)圓管中流體的層流流動壓降：例題內徑為20mm的傾斜放置的圓管，其中流過密度ρ=815.7kg/m3，黏度μ=0.04Pa.s的流體，已知截面1處壓強9.806×104Pa，截面2的壓強為19.612×104Pa，，求流體在管道中流動方向，流量，雷諾數(shù)。一、紊流流動紊流流動：流體質點作復雜，無規(guī)律的運動。時均速度：時間間隔T內軸向速度的平均值。瞬時速度：脈動速度：瞬時速度與時均速度之差，其時均值為零。第五節(jié)黏性流體的湍流流動物理意義:以代替v

時保持相同的流量。T：是比湍流脈動周期長得多的時間間隔。

湍流場可看成是統(tǒng)計平均場和隨機脈動場的疊加，即每一點的瞬時物理量看成是平均值和脈動值之和。vot0TDtt時均值定義：幾何意義:v~t

曲線和t軸所圍面積的平均高度，瞬時速度平均速度脈動速度流體壓強

瞬時壓強=時均壓強+脈動壓強第五節(jié)黏性流體的湍流流動工程中關心的是：流體主流的速度分布，壓強分布以及能量損失。時均定常流動：空間各點的時均速度不隨時間改變的紊流流動。第五節(jié)黏性流體的紊流流動紊流（隨機的旋渦運動）：由許許多多不同尺度的旋渦運動疊加而成。運動過程中，大尺度的旋渦分裂成小渦，而小渦則由于粘性耗損逐漸消失，其所帶的能量轉化為熱能，整個流動是旋渦不斷產生——分裂——消滅的過程。紊流（湍流）流動

除分子碰撞外，流體微團脈動摻混。從而產生了湍流擴散、湍流摩阻和湍流熱傳導，它們的強度比分子運動引起的擴散、摩阻和熱傳導大得多。速度剖面變得豐滿，壓力降幾乎與平均速度的平方成正比。第五節(jié)黏性流體的湍流流動湍流的隨機性或脈動性——湍流的基本特征。紊流中的切向應力第五節(jié)黏性流體的紊流流動層流：

湍流：

（微團脈動）（分子運動）湍流粘性系數(shù)渦粘性系數(shù)平面平行定常湍流的摩擦剪應力：脈動切向應力二、普朗特混合長度理論第五節(jié)黏性流體的湍流流動基本思想：把湍流中微團的脈動與氣體分子的運動相比擬。yxy1vv+δvv-δvl'l'v'δAo脈動切向應力與混合長度和時均速度梯度乘積成正比.μt不是流體的屬性,決定于流體的密度、時均速度梯度和混合長度V-δv流層的微團脈動到v流層時，速度差：三、圓管中紊流的速度分布第五節(jié)黏性流體的湍流流動湍流核心區(qū)過渡區(qū)黏性底層——普朗特-卡門對數(shù)分布規(guī)律δ為黏性底層厚度，對湍流流動能量損失以及流體與壁面換熱有重要影響。δ

隨Re的改變而變化。第五節(jié)黏性流體的紊流流動四、水力光滑與水力粗糙eded(a)(b)ε——管壁的絕對粗糙度ε/d——相對粗糙度“水力光滑管”：“水力粗糙管”：ε：管壁粗糙凸出部分