流體力學(xué) 水力學(xué) 流動(dòng)阻力和水頭損失ppt課件

第四章流動(dòng)形態(tài)及其水頭損失 4 1流動(dòng)阻力和水頭損失的分類 流動(dòng)阻力 摩擦阻力 流體有粘滯性和橫向流速梯度 產(chǎn)生摩擦阻力 壓差阻力 局部地區(qū)固體邊界的形狀或大小有急劇改變 或有局部障礙 液流內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生離解和漩渦 流線彎曲 流速分布改變 增加了液流的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 產(chǎn)生壓差阻力 水頭損失 沿程水頭損失hf 均勻流中 水流產(chǎn)生的阻力為摩擦阻力 能量損失為沿程水頭損失hf 局部水頭損失hj 非均勻流中 水流產(chǎn)生的阻力為摩擦阻力和壓差阻力 其產(chǎn)生的能量損失為局部水頭損失hj 總水頭損失 hw hf hj 摩擦阻力 滯止離解壓差阻力 慣性離解壓差阻力 慣性離解壓差阻力 4 2實(shí)際液體流動(dòng)的兩種形態(tài)4 2 1雷諾試驗(yàn) 4 2 2流態(tài)的判別 雷諾數(shù) 雷諾數(shù) 非圓形過(guò)水?dāng)嗝嫦屡R界雷諾數(shù) 管流上臨界雷諾數(shù) 管流下臨界雷諾數(shù) Rec 2000 非圓形過(guò)水?dāng)嗝胬字Z數(shù) 例4 1 有一圓形輸水管 直徑d為2 0cm 管中水流的斷面平均流速為1m s 水溫t 15 試判別管中水流的型態(tài) 當(dāng)通過(guò)石油時(shí) 若其他條件相同 問(wèn)流態(tài)是層流還是紊流 t 15 時(shí) 石油 0 6cm2 s 水 0 0114cm2 s 解 4 3均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系4 3 1沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系在管道恒定均勻流中 取總流流段1 1到2 2 各作用力處于平衡狀態(tài) F 0 作用于該總流流段上的外力有 動(dòng)水壓力 P1 p1AP2 p2A 重力 G V AL 在流動(dòng)方向上的投影Gx ALsin 摩擦阻力 T 0 A 0 L 寫出管軸方向的平衡方程 4 3 2均勻流過(guò)水?dāng)嗝嫔锨袘?yīng)力的分布 4 4圓管中的層流運(yùn)動(dòng)4 4 1圓管均勻?qū)恿鞯臄嗝媪魉俜植?4 4 2圓管均勻?qū)恿鞯难爻趟^損失 達(dá)西公式 通用公式 層流紊流均適用 利用管徑d 75mm的管道輸送重油 如圖所示 已知重油的重度 油 8 83KN m3 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù) 油 0 9cm2 s 管軸上裝有畢托管 水銀面高差hp 20mm 求重油每小時(shí)流量及每米長(zhǎng)的沿程水頭損失 解 1 求流量 例4 2 假設(shè)重油的流動(dòng)為層流 2 求沿程水頭損失 2300層流 4 5液體的紊流運(yùn)動(dòng)4 5 1紊流的形成條件 渦體的形成 形成后的渦體 脫離原來(lái)的流層或流束 摻入鄰近的流層或流束 層流與紊流的根本區(qū)別在于 層流中各流層的流體質(zhì)點(diǎn) 互不摻混 有比較規(guī)則的 瞬時(shí)流線 存在 紊流中有大小不等的渦體震蕩于各流層之間 互相摻混 4 5 2紊流脈動(dòng)現(xiàn)象與時(shí)均化概念運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)現(xiàn)象 紊流中存在大量渦體 渦體沿各方向進(jìn)行混摻 碰撞 使紊流中任何一個(gè)空間點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)要素 流速 壓強(qiáng)等 隨時(shí)間不斷在變化 紊流運(yùn)動(dòng)要素脈動(dòng) 運(yùn)動(dòng)要素的時(shí)均化處理 脈動(dòng)值說(shuō)明 脈動(dòng)值不能當(dāng)作微量處理 有時(shí)可達(dá)到時(shí)均值的三分之一 脈動(dòng)總是三維的 雖然主流是一維或二維的 但均產(chǎn)生三個(gè)方向的脈動(dòng)速度 脈動(dòng)是渦體互相摻混 交換的結(jié)果 不是流體分子的運(yùn)動(dòng) 注意 紊流恒定流 指時(shí)間平均的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間而變化的流動(dòng) 紊流非恒定流 指時(shí)間平均的運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間而變化的流動(dòng) 恒定流 非恒定流 流線 流束 總流等 對(duì)紊流運(yùn)動(dòng)要素時(shí)均值而言 4 5 3紊流中摩擦切應(yīng)力計(jì)算紊流中切應(yīng)力 內(nèi)摩擦切應(yīng)力 附加切應(yīng)力 內(nèi)摩擦切應(yīng)力 相鄰兩層時(shí)均速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力 附加切應(yīng)力 脈動(dòng)所產(chǎn)生 紊流附加切應(yīng)力 普朗特動(dòng)量傳遞理論 紊流各流層間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng) 當(dāng)流層間發(fā)生質(zhì)點(diǎn)混和時(shí) 因流速的不同 動(dòng)量不同 導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)橫向運(yùn)動(dòng)到新流層時(shí) 因動(dòng)量的改變產(chǎn)生對(duì)新流層的附加切應(yīng)力 紊流附加摩擦切應(yīng)力 雷諾應(yīng)力 4 5 4紊流中的層流底層與紊流核心4 5 4 1層流底層 粘性底層 緊靠固體邊界的地方 由于管壁及流體粘性的影響 流體質(zhì)點(diǎn)流速小 流態(tài)屬于層流的流體層 層流底層厚度 一般只有十分之幾毫米 最大只有幾毫米 紊流核心 粘性底層以外為紊流區(qū) 包括紊動(dòng)充分發(fā)展的紊流流核區(qū)和紊流處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)的過(guò)渡層 厚度僅百分之幾厘米 4 5 4 2流道壁面的類型絕對(duì)粗糙度ks 將固體壁面上 粗糙體突出壁面的高度的平均值 水力光滑管 當(dāng)層流底層的厚度 0大于絕對(duì)粗糙度ks 流體在平直的層流底層的外緣上滑動(dòng) 象在光滑壁面上流動(dòng)一向 邊壁對(duì)水流的阻力 主要是層流底層的粘滯力 這種管道稱為水力光滑管 水力粗糙管 當(dāng)層流底層的厚度 0小于絕對(duì)粗糙度ks時(shí) 紊流流核繞過(guò)突出高度時(shí) 將形成小漩渦 邊壁對(duì)水流的阻力主要是由這些小漩渦造成的 邊壁粗糙度起主要的作用 這種粗糙壁面的管道 稱為水力粗糙管 過(guò)渡粗糙管 介于以上兩者之間的情況 層流底層的厚度不足以完全掩蓋住邊壁粗糙度的影響 但絕對(duì)粗糙度還沒有起決定性的作用 這種粗糙壁面的管道稱為過(guò)渡粗糙管 4 5 5紊流的流速分布普朗特 卡門對(duì)數(shù)流速分布公式 水力光滑管區(qū) 水力粗糙管區(qū) 4 6圓管中沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律尼古拉茲實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)圖 人工粗糙 層流區(qū) Re 2300 f Re 64 Re hf 1 0 流態(tài)過(guò)渡區(qū) 2300 Re 4000 紊流光滑區(qū) f Re hf 1 75 紊流過(guò)渡區(qū) f Re ks d hf 1 75 2 0 紊流粗糙區(qū) f ks d hf 2 0 舍維列夫公式 舊鋼管和鑄鐵管 謝才公式 明渠 謝才系數(shù) 例4 3 解 例4 4 解 4 7流動(dòng)的局部水頭損失局部水頭損失 發(fā)生在固體邊界的形狀或大小急劇改變的前后局部范圍內(nèi) 非均勻流 局部損失主要用于維持漩渦運(yùn)動(dòng) 與邊界形狀有密切關(guān)系 對(duì)1 1 2 2斷面列伯努力方程 例4 8 解 3 有一段直徑d 100mm的管路 長(zhǎng)10m 其中有兩個(gè)90 的彎管