流體力學(xué)管道阻力計(jì)算

流體力學(xué)管道阻力計(jì)算流體力學(xué)管道阻力計(jì)算流體力學(xué)管道阻力計(jì)算一、雷諾實(shí)驗(yàn)實(shí)際流體的流動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)：層流和紊流，它們的區(qū)別在于：流動(dòng)過(guò)程中流體層之間是否發(fā)生混摻現(xiàn)象。在紊流流動(dòng)中存在隨機(jī)變化的脈動(dòng)量，而在層流流動(dòng)中則沒(méi)有?！?.1粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)22020/12/8一、雷諾實(shí)驗(yàn)

實(shí)際流體的流動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)：層流和紊流，它們的區(qū)別在于：流動(dòng)過(guò)程中流體層之間是否發(fā)生混摻現(xiàn)象。在紊流流動(dòng)中存在隨機(jī)變化的脈動(dòng)量，而在層流流動(dòng)中則沒(méi)有。§5.1粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)2020/12/82兩根測(cè)壓管中的液面高差為兩斷面間的沿程水頭損失速度由小變大，層流紊流；上臨界流速速度由大變小，紊流層流；下臨界流速紊流運(yùn)動(dòng)層流運(yùn)動(dòng)流態(tài)不穩(wěn)§5.1粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)一、雷諾實(shí)驗(yàn)2020/12/83§5.1粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)一、雷諾實(shí)驗(yàn)(續(xù))實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(續(xù))2020/12/84二、流動(dòng)狀態(tài)與水頭損失的關(guān)系速度由大變小，紊流變?yōu)閷恿?；DC1B；紊流運(yùn)動(dòng)；CDE線；層流運(yùn)動(dòng)；AB直線；流態(tài)不穩(wěn)；紊流運(yùn)動(dòng)；E點(diǎn)之后速度由小變大，層流變?yōu)槲闪?；BC+CD2020/12/85由上述的實(shí)驗(yàn)分析看出，任何實(shí)際流體的流動(dòng)皆具有層流和紊流兩種流動(dòng)狀態(tài)；流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，其hf與v的關(guān)系便不一樣，因此，在計(jì)算流動(dòng)的水頭損失之前，需要判別流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，圓管中定常流動(dòng)的流態(tài)為層流時(shí)，沿程水頭損失與平均流速成正比，而紊流時(shí)則與平均流速的1.75～2.0次方成正比。層流過(guò)渡區(qū)紊流2020/12/86

三、流動(dòng)狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)量綱分析和相似原理發(fā)現(xiàn)，上面的物理量可以組合成一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，并且可以用來(lái)判別流態(tài)。稱為雷諾數(shù)。由于：所以：臨界速度不能作為判別流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)！2020/12/871883年，雷諾試驗(yàn)也表明：圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)轉(zhuǎn)化取決于雷諾數(shù)d是圓管直徑，v是斷面平均流速，

是流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

實(shí)際流體的流動(dòng)之所以會(huì)呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)是擾動(dòng)因素與粘性穩(wěn)定作用之間對(duì)比和抗衡的結(jié)果。針對(duì)圓管中恒定流動(dòng)的情況，容易理解：減小d，減小v

，加大

三種途徑都是有利于流動(dòng)穩(wěn)定的。綜合起來(lái)看，小雷諾數(shù)流動(dòng)趨于穩(wěn)定，而大雷諾數(shù)流動(dòng)穩(wěn)定性差，容易發(fā)生紊流現(xiàn)象。

2020/12/88粘性穩(wěn)定擾動(dòng)因素

d

v

利于穩(wěn)定

圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)轉(zhuǎn)化僅取決于雷諾數(shù)，這是客觀規(guī)律用無(wú)量綱量表達(dá)的又一例證，也是粘性相似準(zhǔn)則的實(shí)際應(yīng)用。對(duì)比抗衡2020/12/89

圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，又分為上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)。上臨界雷諾數(shù)表示超過(guò)此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為紊流，它很不確定，跨越一個(gè)較大的取值范圍。有實(shí)際意義的是下臨界雷諾數(shù)，表示低于此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為層流，有確定的取值，圓管定常流動(dòng)取為

紊流層流紊流層流上臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)ReRe12000-400002020/12/810對(duì)圓管：d—圓管直徑對(duì)非圓管斷面：R—水力半徑對(duì)明渠流：R—水力半徑對(duì)繞流現(xiàn)象：L—固體物的特征長(zhǎng)度對(duì)流體繞過(guò)球形物體：d—球形物直徑2020/12/811層流與紊流的區(qū)別層流運(yùn)動(dòng)中，流體層與層之間互不混雜，無(wú)動(dòng)量交換紊流運(yùn)動(dòng)中，流體層與層之間互相混雜，動(dòng)量交換強(qiáng)烈2.層流向紊流的過(guò)渡—與渦體形成有關(guān)

四、紊流的成因3.渦體的形成并不一定能形成紊流2020/12/812水和油的運(yùn)動(dòng)粘度分別為，若它們以的流速在直徑為的圓管中流動(dòng)，試確定其流動(dòng)狀態(tài)？例題

解：水的流動(dòng)雷諾數(shù)

紊流流態(tài)

油的流動(dòng)雷諾數(shù)

層流流態(tài)2020/12/813

溫度、運(yùn)動(dòng)粘度的水，在直徑的管中流動(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)，可以采取那些辦法？例題

解：水的流動(dòng)雷諾數(shù)

層流流態(tài)

如要改變其流態(tài)1）改變流速2）提高水溫改變粘度2020/12/814§5.2管內(nèi)流動(dòng)的能量損失兩大類流動(dòng)能量損失:一、沿程能量損失

發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失，由流體的粘滯力造成的損失?！獑挝恢亓α黧w的沿程能量損失——沿程損失系數(shù)——管道長(zhǎng)度——管道內(nèi)徑——單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。2.局部能量損失1.沿程能量損失2020/12/815§5.2管內(nèi)流動(dòng)的能量損失二、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，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?！獑挝恢亓α黧w的局部能量損失?！獑挝恢亓α黧w的動(dòng)壓頭（速度水頭）?！植繐p失系數(shù)2020/12/816§5.2管內(nèi)流動(dòng)的能量損失三、總能量損失

整個(gè)管道的能量損失是分段計(jì)算出的能量損失的疊加?！偰芰繐p失。2020/12/817

以傾斜角為

的圓截面直管道的不可壓縮粘性流體的定常層流流動(dòng)為例。pp+(p/l)dl

mgrr0x

hgdl受力分析：重力:側(cè)面的粘滯力:兩端面總壓力:5.3圓管道內(nèi)切應(yīng)力分布2020/12/8185.3圓管道內(nèi)切應(yīng)力分布軸線方向列力平衡方程pp+(p/l)dl

mgrr0x

hgdl兩邊同除

r2dl得由于得，一、切向應(yīng)力分布

2020/12/8192.壁面切應(yīng)力(水平管)5.3圓管道內(nèi)切應(yīng)力分布2020/12/8205.4圓管中流體的層流流動(dòng)一、速度分布

將

代入

得，對(duì)r積分得，

當(dāng)r=r0時(shí)vx=0，得

故：

2020/12/8215.4圓管中流體的層流流動(dòng)三、最大流速、平均流速、圓管流量、壓強(qiáng)降1.最大流速管軸處:

2.平均流速3.圓管流量水平管:

2020/12/8225.4圓管中流體的層流流動(dòng)三、最大流速、平均流速、圓管流量、壓強(qiáng)降(續(xù))4.壓強(qiáng)降(流動(dòng)損失)水平管:

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。2020/12/8235.4圓管中流體的層流流動(dòng)四、其它公式1.動(dòng)能修正系數(shù)α結(jié)論：圓管層流流動(dòng)的實(shí)際動(dòng)能等于按平均流速計(jì)算的動(dòng)能的二倍2020/12/824§5.5管道入口段中的流動(dòng)一、邊界層

當(dāng)粘性流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，在固體壁面與流體主流之間必定有一個(gè)流速變化的區(qū)域，在高速流中這個(gè)區(qū)域是個(gè)薄層，稱為邊界層。2020/12/825§5.5管道入口段中的流動(dòng)二、管道入口段

當(dāng)粘性流體流入圓管,由于受管壁的影響,在管壁上形成邊界層,隨著流動(dòng)的深入,邊界層不斷增厚,直至邊界層在管軸處相交,邊界層相交以前的管段,稱為管道入口段。2020/12/826§5.5管道入口段中的流動(dòng)二、管道入口段(續(xù))入口段內(nèi)和入口段后速度分布特征層流邊界層紊流邊界層完全發(fā)展的流動(dòng)L*L*入口段內(nèi):入口段后:各截面速度分布不斷變化各截面速度分布均相同2020/12/827

0.紊流的發(fā)生紊流發(fā)生的機(jī)理是十分復(fù)雜的，下面給出一種粗淺的描述。層流流動(dòng)的穩(wěn)定性喪失（雷諾數(shù)達(dá)到臨界雷諾數(shù)）擾動(dòng)使某流層發(fā)生微小的波動(dòng)流速使波動(dòng)幅度加劇在橫向壓差與切應(yīng)力的綜合作用下形成旋渦旋渦受升力而升降引起流體層之間的混摻造成新的擾動(dòng)5.6粘性流體的湍流流動(dòng)的基本概念2020/12/828++-+--高速流層低速流層

任意流層之上下側(cè)的切應(yīng)力構(gòu)成順時(shí)針?lè)较虻牧兀写偈剐郎u產(chǎn)生的傾向。2020/12/829旋渦受升力而升降，產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)，引起流體層之間的混摻渦體2020/12/8305.6粘性流體的湍流流動(dòng)的基本概念1.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)在時(shí)間和空間都是具有隨機(jī)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng),屬于非定常流動(dòng)。2020/12/8312.脈動(dòng)現(xiàn)象和時(shí)均化的概念1、脈動(dòng)：2、時(shí)均化：紊流中，流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)空間某一固定點(diǎn)時(shí)，速度、壓力等總是隨時(shí)間變化的，而且毫無(wú)規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為脈動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)某點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)，盡管每一時(shí)刻速度等參數(shù)的大小和方向都在變化，但它都是圍繞某一個(gè)平均值上下波動(dòng)。于是流體質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)值就可以看成是這個(gè)平均值與脈動(dòng)值之和。2020/12/8322、脈動(dòng)值、時(shí)均值

在時(shí)間間隔

t內(nèi)某一流動(dòng)參量的平均值稱為該流動(dòng)參量的時(shí)均值。瞬時(shí)值

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。時(shí)均值脈動(dòng)值5.6粘性流體的湍流流動(dòng)的基本概念2020/12/833二.脈動(dòng)現(xiàn)象和時(shí)均化的概念1、脈動(dòng)：2、時(shí)均化：紊流中，流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)空間某一固定點(diǎn)時(shí)，速度、壓力等總是隨時(shí)間變化的，而且毫無(wú)規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為脈動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)某點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)，盡管每一時(shí)刻速度等參數(shù)的大小和方向都在變化，但它都是圍繞某一個(gè)平均值上下波動(dòng)。于是流體質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)值就可以看成是這個(gè)平均值與脈動(dòng)值之和。2020/12/8343、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)稱為時(shí)均定常流動(dòng)，或定常流動(dòng)、準(zhǔn)定常流動(dòng)。5.6粘性流體的湍流流動(dòng)的基本概念2020/12/8354、湍流中的切向應(yīng)力層流：摩擦切向應(yīng)力湍流：摩擦切向應(yīng)力附加切向應(yīng)力液體質(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，從而在液層交界面上產(chǎn)生了紊流附加切應(yīng)力+由動(dòng)量定律可知：

動(dòng)量增量等于湍流附加切應(yīng)力△T產(chǎn)生的沖量5.6粘性流體的湍流流動(dòng)的基本概念2020/12/8365、普朗特混合長(zhǎng)度abba(1)流體微團(tuán)在從某流速的流層因脈動(dòng)vy'進(jìn)入另一流速的流層時(shí)，在運(yùn)動(dòng)的距離l（普蘭特稱此為混合長(zhǎng)度）內(nèi)，微團(tuán)保持其本來(lái)的流動(dòng)特征不變。普朗特假設(shè):(2)脈動(dòng)速度與時(shí)均流速差成比例5.6粘性流體的湍流流動(dòng)的基本概念2020/12/8372.普朗特混合長(zhǎng)度5.6粘性流體的湍流流動(dòng)的基本概念2020/12/838普朗特簡(jiǎn)介普朗特（1875～1953），德國(guó)物理學(xué)家，近代力學(xué)奠基人之一。1875年2月4日生于弗賴辛，1953年8月15日卒于格丁根。他在大學(xué)時(shí)學(xué)機(jī)械工程，后在慕尼黑工業(yè)大學(xué)攻彈性力學(xué)，1900年獲得博士學(xué)位。1901年在機(jī)械廠工作，發(fā)現(xiàn)了氣流分離問(wèn)題。后在漢諾威大學(xué)任教授時(shí)，用自制水槽觀察繞曲面的流動(dòng)，3年后提出邊界層理論，建立繞物體流動(dòng)的小粘性邊界層方程，以解決計(jì)算摩擦阻力、求解分離區(qū)和熱交換等問(wèn)題。奠定了現(xiàn)代流體力學(xué)的基礎(chǔ)。普朗特在流體力學(xué)方面的其他貢獻(xiàn)有：①風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)。他認(rèn)為研究空氣動(dòng)力學(xué)必須作模型實(shí)驗(yàn)。1906年建造了德國(guó)第一個(gè)風(fēng)洞（見(jiàn)空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)），1917年又建成格丁根式風(fēng)洞。②機(jī)翼理論。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，他于1913～1918年提出了舉力線理論和最小誘導(dǎo)阻力理論

，后又提出舉力面理論等。③湍流理論。提出層流穩(wěn)定性和湍流混合長(zhǎng)度理論。此外還有亞聲速相似律和可壓縮繞角膨脹流動(dòng)，后被稱為普朗特-邁耶爾流動(dòng)。他在氣象學(xué)方面也有創(chuàng)造性論著。

普朗特在固體力學(xué)方面也有不少貢獻(xiàn)。他的博士論文探討了狹長(zhǎng)矩形截面梁的側(cè)向穩(wěn)定性。1903年提出了柱體扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的薄膜比擬法

。他繼承并推廣了A.J.C.B.de圣維南所開(kāi)創(chuàng)的塑性流動(dòng)的研究

。T.von卡門(mén)在他指導(dǎo)下完成的博士論文是關(guān)于柱體塑性區(qū)的屈曲問(wèn)題。普朗特還解決了半無(wú)限體受狹條均勻壓力時(shí)的塑性流動(dòng)分析。著有《普朗特全集》、《流體力學(xué)概論》，此外還與O.G.蒂瓊合寫(xiě)《應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)》（1931）等。2020/12/8391、紊流區(qū)域劃分：粘性底層

層流向紊流的過(guò)渡層紊流的核心區(qū)5.7湍流流動(dòng)的粘性底層

粘性流體在圓管中湍流流動(dòng)時(shí)，緊貼固體壁面有一層很薄的流體，受壁面的限制，脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)幾乎完全消失，粘滯起主導(dǎo)作用，基本保持著層流狀態(tài)，這一薄層稱為粘性底層。

2020/12/8402、流道壁面的類型：

0

粘性底層的厚度

任何流道的固體邊壁上，總存在高低不平的突起粗糙體，將粗糙體突出壁面的特征高度定義為絕對(duì)粗糙度

/d相對(duì)粗糙2020/12/841

粘性底層厚度：

水力粗糙：

<管壁的粗糙凸出的平均高度：

水力光滑：

>湍流區(qū)域完全感受不到管壁粗糙度的影響。

管壁的粗糙凸出部分有一部分暴露在湍流區(qū)中，管壁粗糙度紊流流動(dòng)發(fā)生影響。

5.7湍流流動(dòng)的粘性底層水力光滑面和粗糙面并非完全取決于固體邊界表面本身是光滑還是粗糙，而必須依據(jù)粘性底層和絕對(duì)粗糙度兩者的相對(duì)大小來(lái)確定，即使同一固體邊壁，在某一雷諾數(shù)下是光滑面，而在另一雷諾數(shù)下是粗糙面。注意2020/12/842紊流中的速度分布紊流運(yùn)動(dòng)中，由于流體渦團(tuán)相互摻混，互相碰撞，因而產(chǎn)生了流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量傳遞；動(dòng)量大的流體質(zhì)點(diǎn)將動(dòng)量傳遞給動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)，動(dòng)量小的流體質(zhì)點(diǎn)牽制動(dòng)量大的質(zhì)點(diǎn)，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化。5.8湍流流動(dòng)的速度分布2020/12/843(1)光滑平壁面假設(shè)整個(gè)區(qū)域內(nèi)

=

w=常數(shù)粘性底層內(nèi)粘性底層外因切向應(yīng)力速度(摩擦速度)5.8湍流流動(dòng)的速度分布細(xì)分參考2020/12/844(2)光滑直管具有與平壁近似的公式速度分布:最大速度:平均速度:5.8湍流流動(dòng)的速度分布2020/12/845(2)光滑直管(續(xù))其它形式的速度分布:(指數(shù)形式)

Re

n

v/vxmax平均速度:5.8湍流流動(dòng)的速度分布2020/12/846(3)粗糙直管速度分布:最大速度:平均速度:5.8湍流流動(dòng)的速度分布2020/12/8475.9湍流流動(dòng)的阻力系數(shù)計(jì)算1.圓管中湍流的沿程損失(1)光滑直管(2)粗糙直管實(shí)驗(yàn)修正后2020/12/848§5.10沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

沿程損失:層流:紊流:在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出某些假設(shè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得計(jì)算紊流沿程損失系數(shù)λ的半經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)公式。代表性實(shí)驗(yàn):尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)蠈?shí)驗(yàn)2020/12/849§5.10沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象:不同直徑圓管不同流量不同相對(duì)粗糙度實(shí)驗(yàn)條件:實(shí)驗(yàn)示意圖:2020/12/850

尼古拉茨用幾種相對(duì)粗糙不同的人工均勻粗糙管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；通過(guò)改變速度，從而改變雷諾數(shù)，測(cè)出沿程阻力，計(jì)算出沿程阻力系數(shù)。二、尼古拉茨實(shí)驗(yàn)過(guò)程

其中壁面粗糙中影響沿程阻力的具體因素也不少，如粗糙的突起高度、粗糙的形狀、粗糙的疏密和排列等．１、人工均勻粗糙３、尼古拉茨實(shí)驗(yàn)圖的分析２、實(shí)驗(yàn)2020/12/851§5.10沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)(續(xù))尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線2020/12/852§5.10沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)(續(xù))尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域?qū)恿鲄^(qū)管壁的相對(duì)粗糙度對(duì)沿程損失系數(shù)沒(méi)有影響。2.過(guò)渡區(qū)

不穩(wěn)定區(qū)域，可能是層流，也可能是紊流。2020/12/853§5.10沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)(續(xù))尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域(續(xù))紊流光滑管區(qū)沿程損失系數(shù)與相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)，而只與雷諾數(shù)有關(guān)。勃拉休斯公式：尼古拉茲公式：卡門(mén)-普朗特公式：2020/12/854§5.10沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)(續(xù))尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域(續(xù))紊流粗糙管過(guò)渡區(qū)沿程損失系數(shù)與相對(duì)粗糙度和雷諾數(shù)有關(guān)。洛巴耶夫公式：闊爾布魯克公式：蘭格公式：2020/12/855§5.10沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)(續(xù))尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域(續(xù))紊流粗糙管平方阻力區(qū)沿程損失系數(shù)只與相對(duì)粗糙度有關(guān)。尼古拉茲公式：

此區(qū)域內(nèi)流動(dòng)的能量損失與流速的平方成正比，故稱此區(qū)域?yàn)槠椒阶枇^(qū)。2020/12/856

實(shí)用管道的粗糙是不規(guī)則的，須通過(guò)實(shí)用管道與人工粗糙管道試驗(yàn)結(jié)果之比較，把和實(shí)用管道斷面形狀、大小相同，紊流粗糙區(qū)值相等的人工粗糙管道的砂粒高度定義為實(shí)用管道的當(dāng)量粗糙度?！?.10沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究引出莫迪實(shí)驗(yàn)2020/12/857§5.10沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究二、莫迪實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象:不同直徑工業(yè)管道不同流量不同相對(duì)粗糙度實(shí)驗(yàn)條件:2020/12/858§5.10沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究二、莫迪實(shí)驗(yàn)(續(xù))莫迪實(shí)驗(yàn)曲線2020/12/859§5.10沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究二、莫迪實(shí)驗(yàn)(續(xù))莫迪實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域1.層流區(qū)——層流區(qū)2.臨界區(qū)3.光滑管區(qū)5.完全紊流粗糙管區(qū)4.過(guò)渡區(qū)——紊流光滑管區(qū)——過(guò)渡區(qū)——紊流粗糙管過(guò)渡區(qū)——紊流粗糙管平方阻力區(qū)2020/12/860

解：層流

由：冬季時(shí)：

冬季時(shí)：

夏季時(shí)為紊流：紊流夏季時(shí)：查莫迪圖例題：長(zhǎng)度為300m，直徑為200mm的新鑄鐵管，用來(lái)輸送的石油，測(cè)得其流量。如果冬季時(shí)，。夏季時(shí)，。問(wèn)在冬季和夏季中，此輸油管路的沿程損失為若干？2020/12/861[例

]沿程損失：已知管道和流量求沿程損失求：冬天和夏天的沿程損失hf解：冬天層流夏天湍流冬天(油柱)夏天(油柱)已知:d＝20cm,l＝3000m的舊無(wú)縫鋼管,ρ＝900kg/m3,Q＝90T/h.,在 冬天為1.092×10-4m2/s,夏天為0.355×10-4m2/s在夏天，查舊無(wú)縫鋼管等效粗糙度ε=0.2mm,ε/d=0.001查穆迪圖λ2=0.03852020/12/862[例

]沿程損失：已知管道和壓降求流量求：管內(nèi)流量Q

解：穆迪圖完全粗糙區(qū)的λ＝0.025,設(shè)λ1＝0.025,由達(dá)西公式查穆迪圖得λ2＝0.027,重新計(jì)算速度查穆迪圖得λ2＝0.027已知:d＝10cm,l＝400m的舊無(wú)縫鋼管比重為0.9,

=10-5m2/s的油2020/12/863[例

]沿程損失：已知沿程損失和流量求管徑求：管徑d應(yīng)選多大

解：由達(dá)西公式

已知:l＝400m的舊無(wú)縫鋼管輸送比重0.9,

=10-5m2/s的油Q=0.0319m3/s2020/12/864§5.11管道水力計(jì)算管道的種類:簡(jiǎn)單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道分支管道一、簡(jiǎn)單管道

管道直徑和管壁粗糙度均相同的一根管子或這樣的數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道系統(tǒng)。

計(jì)算基本公式連續(xù)方程沿程損失能量方程2020/12/865§5.11管道水力計(jì)算一、簡(jiǎn)單管道(續(xù))三類計(jì)算問(wèn)題（1）已知qV、l、d、

、

，求hf；（2）已知hf

、l、d、

、

，求qV；（3）已知hf

、qV

、l、

、

，求d。簡(jiǎn)單管道的水力計(jì)算是其它復(fù)雜管道水力計(jì)算的基礎(chǔ)。2020/12/866§5.11管道水力計(jì)算一、簡(jiǎn)單管道(續(xù))第一類問(wèn)題的計(jì)算步驟（1）已知qV、l、d、

、

，求hf；qV、l、d計(jì)算Re由Re、

查莫迪圖得

計(jì)算hf2020/12/867§5.11管道水力計(jì)算一、簡(jiǎn)單管道(續(xù))第二類問(wèn)題的計(jì)算步驟（2）已知hf

、l、d、

、

，求qV；假設(shè)

由hf計(jì)算v

、Re由Re、

查莫迪圖得

New校核

New=NewNY由hf計(jì)算v

、qV2020/12/868§5.11管道水力計(jì)算一、簡(jiǎn)單管道(續(xù))第三類問(wèn)題的計(jì)算步驟（3）已知hf

、qV

、l、

、

，求d。hf

qVl

計(jì)算

與d的函數(shù)曲線由Re、

查莫迪圖得

New校核

New=NewNY由hf計(jì)算v

、qV2020/12/869一、局部水頭損失產(chǎn)生的原因旋渦區(qū)的存在是造成局部水頭損失的主要原因。

局部水頭損失與沿程水頭損失一樣，也與流態(tài)有關(guān)，但目前僅限于紊流研究，且基本為實(shí)驗(yàn)研究?！?.12局部損失2020/12/870突然擴(kuò)大突然縮小閘閥三通匯流管道彎頭管道進(jìn)口分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)有壓管道恒定流遇到管道邊界的局部突變→流動(dòng)分離形成剪切層→剪切層流動(dòng)不穩(wěn)定，引起流動(dòng)結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，并產(chǎn)生旋渦→平均流動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成脈動(dòng)能量，造成不可逆的能量耗散。局部水頭損失2020/12/871v1A1A2v21122與沿程因摩擦造成的分布損失不同，這部分損失可以看成是集中損失在管道邊界的突變處，每單位重量流體承擔(dān)的這部分能量損失稱為局部水頭損失。根據(jù)能量方程

認(rèn)為因邊界突變?cè)斐傻哪芰繐p失全部產(chǎn)生在1-1，2-2兩斷面之間，不再考慮沿程損失。局部水頭損失2020/12/872v1A1A2v21122

上游斷面1-1取在由于邊界的突變，水流結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)生變化的漸變流段中，下游2-2斷面則取在水流結(jié)構(gòu)調(diào)整剛好結(jié)束，重新形成漸變流段的地方?？傊?，兩斷面應(yīng)盡可能接近，又要保證局部水頭損失全部產(chǎn)生在兩斷面之間。經(jīng)過(guò)測(cè)量?jī)蓴嗝娴臏y(cè)管水頭差和流經(jīng)管道的流量，進(jìn)而推算兩斷面的速度水頭差，就可得到局部水頭損失。2020/12/873v1A1A2v21122

局部水頭損失折合成速度水頭的比例系數(shù)

當(dāng)上下游斷面平均流速不同時(shí)，應(yīng)明確它對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)速度水頭？局部水頭損失系數(shù)

其它情況的局部損失系數(shù)在查表或使用經(jīng)驗(yàn)公式確定時(shí)也應(yīng)該注意這一點(diǎn)。通常情況下對(duì)應(yīng)下游的速度水頭。

突擴(kuò)圓管2020/12/874

局部水頭損失的機(jī)理復(fù)雜，除了突擴(kuò)圓管的情況以外，一般難于用解析方法確定，而要通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)得到各種邊界突變情況下的局部水頭損失系數(shù)。

局部水頭損失系數(shù)隨流動(dòng)的雷諾數(shù)而變

當(dāng)雷諾數(shù)大到一定程度后，

值成為常數(shù)。在工程中使用的表格或經(jīng)驗(yàn)公式中列出的

就是指這個(gè)范圍的數(shù)值。2020/12/8752入口阻力系數(shù)舉例2020/12/876§5.12局部損失3、管道截面突然擴(kuò)大流體從小直徑的管道流往大直徑的管道112v2A2v1A12取1-1、2-2截面以及它們之間的管壁為控制面。連續(xù)方程動(dòng)量方程能量方程2020/12/877§5.12局部損失3、管道截面突然擴(kuò)大(續(xù))112v2A2v1A12將連續(xù)方程、動(dòng)量方程代入能量方程，以小截面流速計(jì)算的

以大截面流速計(jì)算的

2020/12/878§5.12局部損失3、管道截面突然擴(kuò)大(續(xù))管道出口損失速度頭完全消散于池水中2020/12/879§5.12局部損失4、管道截面突然縮小流體從大直徑的管道流往小直徑的管道v2A2v1A1vcAc流動(dòng)先收縮后擴(kuò)展，能量損失由兩部分損失組成2020/12/880§5.12局部損失4、管道截面突然縮小(續(xù))v2A2v1A1vcAc由實(shí)驗(yàn)等直管道隨著直徑比由0.115線性減小到12020/12/881§5.12局部損失AA'CBD'D流體在彎管中流動(dòng)的損失由三部分組成:2.由切向應(yīng)力產(chǎn)生的沿程損失1.形成漩渦所產(chǎn)生的損失3.由二次流形成的雙螺旋流動(dòng)所產(chǎn)生的損失其它各種彎管、截門(mén)、閘閥等的局部水頭損失系數(shù)可查表或由經(jīng)驗(yàn)公式獲得。2020/12/882減小管壁的粗糙度；柔性邊壁換為剛性邊壁避免旋渦區(qū)的產(chǎn)生或減小旋渦區(qū)的大小和強(qiáng)度；如平順的進(jìn)口漸擴(kuò)或漸縮彎管曲率半徑

減小阻力的措施1.添加劑減阻2.改善邊壁對(duì)流動(dòng)的影響2020/12/883§5.13-14管道水力計(jì)算管道的種類:簡(jiǎn)單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道分支管道一、簡(jiǎn)單管道

管道直徑和管壁粗糙度均相同的一根管子或這樣的數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道系統(tǒng)。

計(jì)算基本公式連續(xù)方程沿程損失能量方程2020/12/884一、簡(jiǎn)單管道三類計(jì)算問(wèn)題（1）已知qV、l、d、

、

，求hf；（2）已知hf

、l、d、

、

，求qV；（3）已知hf

、qV

、l、

、

，求d。簡(jiǎn)單管道的水力計(jì)算是其它復(fù)雜管道水力計(jì)算的基礎(chǔ)。§5.13管道水力計(jì)算2020/12/885一、簡(jiǎn)單管道(續(xù))第一類問(wèn)題的計(jì)算步驟（1）已知qV、l、d、

、

，求hf；qV、l、d計(jì)算Re由Re、

查莫迪圖得

計(jì)算hf2020/12/886一、簡(jiǎn)單管道(續(xù))第二類問(wèn)題的計(jì)算步驟（2）已知hf

、l、d、

、

，求qV；假設(shè)

由hf計(jì)算v

、Re由Re、

查莫迪圖得

New校核

New

=

NewNY由hf計(jì)算v

、qV2020/12/887一、簡(jiǎn)單管道(續(xù))第三類問(wèn)題的計(jì)算步驟（3）已知hf

、qV

、l、

、

，求d。hf

qVl

計(jì)算

與d的函數(shù)曲線由Re、

查莫迪圖得

New校核

New

=

NewNY由hf計(jì)算v

、qV2020/12/888二、串聯(lián)管道

由不同管道直徑和管壁粗糙度的數(shù)段根管子連接在一起的管道。ABH21串聯(lián)管道特征1.各管段的流量相等2.總損失等于各段管道中損失之和2020/12/889二、串聯(lián)管道(續(xù))兩類計(jì)算問(wèn)題ABH21（1）已知串聯(lián)管道的流量qV，求總水頭H；（2）已知總水頭H，求串聯(lián)管道的流量qV

。2020/12/890§5.14管道水力計(jì)算三、并聯(lián)管道

由幾條簡(jiǎn)單管道或串聯(lián)管道，入口端與出口端分別連接在一起的管道系統(tǒng)。并聯(lián)管道特征1.總流量是各分管段流量之和。2.并聯(lián)管道的損失等于各分管道的損失。AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ2020/12/891§5.14管道水力計(jì)算三、并聯(lián)管道(續(xù))兩類計(jì)算問(wèn)題（1）已知A點(diǎn)和B點(diǎn)的靜水頭線高度（即z+p/

g)，求總流量qV；AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ假設(shè)

由hf計(jì)算v

、Re由Re、

查莫迪圖得

New校核

New

=

NewNY由hf計(jì)算v

、qV

求解方法相當(dāng)于簡(jiǎn)單管道的第二類計(jì)算問(wèn)題。2020/12/892§5.14管道水力計(jì)算三、并聯(lián)管道(續(xù))兩類計(jì)算問(wèn)題(續(xù))（2）已知總流量qV

，求各分管道中的流量及能量損失

。假設(shè)管1的q’V1

由q’V1計(jì)算管1的h’f1

由h’f1求q’V2和

q’V3h’f1=

h’f2=

h’f3q’V1=qV1N結(jié)束計(jì)算按q’V1、q’V2和q’V3的比例計(jì)算qV1、qV2和qV3計(jì)算h’f1、

h’f2和h’f3YAQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ2020/12/893§5.14管道水力計(jì)算四、分支管道分支管道特征流入?yún)R合點(diǎn)的流量等于自匯合點(diǎn)流出的流量。2020/12/894§5.14管道水力計(jì)算四、分支管道(續(xù)）計(jì)算問(wèn)題已知管道的尺寸、粗糙度和流體性質(zhì)，求通過(guò)各管道的流量。213Jz2z1z3假設(shè)J點(diǎn)的zJ+pJ/

g求qV1、qV2和qV3

是否滿足連續(xù)方程N(yùn)結(jié)束計(jì)算調(diào)整J點(diǎn)的zJ+pJ/

gY2020/12/895§5.14管道水力計(jì)算五、管網(wǎng)