流體阻力和水頭損失

1、第四章 流體阻力和水頭損失第四章第四章 流體阻力和水頭損失流體阻力和水頭損失1 1、陳述阻力產生的原因及分類；、陳述阻力產生的原因及分類；2 2、掌握兩種流態(tài)的判別方法；、掌握兩種流態(tài)的判別方法；3 3、理解實際流體運動微分方程式（、理解實際流體運動微分方程式（N-SN-S方程）含義并熟練掌握；方程）含義并熟練掌握；4 4、了解因次分析方法、相似原理；、了解因次分析方法、相似原理；5 5、掌握圓管層流分析；、掌握圓管層流分析；6 6、了解紊流理論分析；、了解紊流理論分析；7 7、掌握圓管紊流沿程水力摩阻的實驗分析。、掌握圓管紊流沿程水力摩阻的實驗分析。教學目的教學目的: :第四章 流體阻力和水

2、頭損失第四章第四章 流體阻力和水頭損失流體阻力和水頭損失1 1、雷諾數(shù)，尼古拉茲實驗、雷諾數(shù)，尼古拉茲實驗 ；2 2、紊流的阻力系數(shù)、紊流的阻力系數(shù) ；3 3、沿程損失、沿程損失 ，局部損失，局部損失 ；4 4、圓管層流分析。、圓管層流分析。1 1、實際流體運動微分方程式推導過程；、實際流體運動微分方程式推導過程；2 2、因次分析、因次分析-定理；定理；3 3、紊流理論分析。、紊流理論分析。重重 點點: :難難 點點: :第四章 流體阻力和水頭損失一、基本概念一、基本概念1 1、濕周濕周：管子斷面上流體與固體壁接觸的邊界周長。：管子斷面上流體與固體壁接觸的邊界周長。 以以 表示。表示。2 2、

3、水力半徑水力半徑：斷面面積和濕周之比，：斷面面積和濕周之比， 。AR 圓環(huán)流圓環(huán)流明渠流明渠流第一節(jié)第一節(jié) 液流阻力產生的原因和水頭損失的分類液流阻力產生的原因和水頭損失的分類第四章 流體阻力和水頭損失3 3、絕對粗糙度：壁面上粗糙突起的高度。、絕對粗糙度：壁面上粗糙突起的高度。4 4、平均粗糙度：壁面上粗糙顆粒的平均高度或突起高度、平均粗糙度：壁面上粗糙顆粒的平均高度或突起高度 的平均值。以的平均值。以表示表示。5 5、相對粗糙度：、相對粗糙度：/D /D （D D 管徑）。管徑）。4422dDdDdDR42212aaaR442dddR442aaaR圓管：圓管： 方管：方管： 圓環(huán)流：圓環(huán)流

4、：明渠流：明渠流：第四章 流體阻力和水頭損失二、阻力產生的原因二、阻力產生的原因 1 1、外因、外因（a a）管子的幾何形狀與幾何尺寸。）管子的幾何形狀與幾何尺寸。實驗結論：實驗結論： 阻力阻力1 1 阻力阻力2 2 絕對粗糙度絕對粗糙度時，時，對紊對紊流不起作用，稱為水力光滑。流不起作用，稱為水力光滑。（3 3）水力粗糙水力粗糙：當：當層厚度層厚度 時，時，對紊流有很大的對紊流有很大的影響，稱為水力粗糙。影響，稱為水力粗糙。第四章 流體阻力和水頭損失2 2 速度分布速度分布 壁面附近流動情況分成三個區(qū)域研究：壁面附近流動情況分成三個區(qū)域研究：近壁層流底層近壁層流底層區(qū)、過渡區(qū)、紊流核心區(qū)。區(qū)

5、、過渡區(qū)、紊流核心區(qū)。第四章 流體阻力和水頭損失圓管紊流速度分布近似指數(shù)表達式圓管紊流速度分布近似指數(shù)表達式實驗證明：實驗證明： nmryuu0u um m 軸心處最大流速；軸心處最大流速； y y 坐標值；坐標值；r ro o 半徑；半徑； n n 指數(shù)。指數(shù)。對于水力光滑管：對于水力光滑管：對于水力粗糙管：對于水力粗糙管： 101n第四章 流體阻力和水頭損失第七節(jié)第七節(jié) 圓管紊流沿程水力摩阻圓管紊流沿程水力摩阻( (實驗分析實驗分析) ) 一、圓管沿程水頭損失計算通式一、圓管沿程水頭損失計算通式 由于紊流運動的復雜性，水力摩阻系數(shù)的計算無精確公由于紊流運動的復雜性，水力摩阻系數(shù)的計算無精確

6、公式，它的計算一般借助于經驗公式。式，它的計算一般借助于經驗公式。 公式推導方法（因次分析法）：公式推導方法（因次分析法）： （1 1）找出影響水力摩阻的各種因素）找出影響水力摩阻的各種因素 （2 2）利用因次分析方法找出其函數(shù)關系式）利用因次分析方法找出其函數(shù)關系式 （3 3）實驗處理）實驗處理 （4 4）導出公式）導出公式第四章 流體阻力和水頭損失1 1 影響能耗因素影響能耗因素PPd d V VL LMLML-1-1T T-2-2L LMLML-3-3MLML-1-1T T-1-1LTLT-1-1L LL L2 2 選基本物理量：選基本物理量：、V V、d d 3 3 組成組成4 4個個

7、項：項： 4443332221114321zyxzyxzyxzyxdVdVLdVdVP4 4 據(jù)因次齊次性求各據(jù)因次齊次性求各項：項： ddLVdVP43221,gVddLfPhddLVdfVPhddLVdfVPff2,Re,2,2225 5 列出關系式：列出關系式： 第四章 流體阻力和水頭損失實驗證明：實驗證明： h hf f L/D L/D 則：則： gVddLfPhddLVdfVPhddLVdfVPff2,Re,2,222gVddLfPhddLVdfVPhddLVdfVPff2,Re,2,222gVddLfPhddLVdfVPhddLVdfVPff2,Re,2,222gVdLdfhf2R

8、e,22df Re,2令：令： 則：則： gVdLhf22沿程水頭損失計算公式（達西公式）沿程水頭損失計算公式（達西公式）對于水平管：對于水平管：第四章 流體阻力和水頭損失二、計算沿程水力摩阻系數(shù)二、計算沿程水力摩阻系數(shù)的經驗公式的經驗公式 1 1、確定、確定 的實驗方法的實驗方法 df Re,2與與 Re Re 和和 /D /D 有關有關，實驗步驟：，實驗步驟： 選定選定/d/d為定值的管子，變更不同的流量，通過測量一為定值的管子，變更不同的流量，通過測量一定管長的壓差，作定管長的壓差，作 -f-f1 1（ReRe）關系曲線；）關系曲線；對于水平管：對于水平管：gVdLphf222222VL

9、gpdVLgdhfVdRe 一個管子測定完后，變更不同相對粗糙度的管子，用一個管子測定完后，變更不同相對粗糙度的管子，用同樣方法實驗，就得出不同相對粗糙度情況下多條曲線。同樣方法實驗，就得出不同相對粗糙度情況下多條曲線。第四章 流體阻力和水頭損失 層流區(qū)層流區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)水力光滑管區(qū)水力光滑管區(qū)ReRe光滑至粗糙過渡區(qū)光滑至粗糙過渡區(qū)水力粗糙管區(qū)水力粗糙管區(qū)尼庫拉茲實驗曲線圖尼庫拉茲實驗曲線圖第四章 流體阻力和水頭損失由尼庫拉茲實驗曲線可知：由尼庫拉茲實驗曲線可知：l 層流狀態(tài)層流狀態(tài), , 圓管內沿程阻力損失系數(shù)與粗糙度無關；圓管內沿程阻力損失系數(shù)與粗糙度無關；l 對于層流向紊流的過渡對于層

10、流向紊流的過渡, , 圓管內沿程阻力損失系數(shù)受粗圓管內沿程阻力損失系數(shù)受粗糙度的影響較小；糙度的影響較?。籰 紊流狀態(tài)，粗糙度對沿程阻力系數(shù)有顯著影響。紊流狀態(tài)，粗糙度對沿程阻力系數(shù)有顯著影響。第四章 流體阻力和水頭損失2 2 計算水力摩阻的莫迪圖計算水力摩阻的莫迪圖 0.050.040.030.020.0150.010.0080.0060.0040.0020.0010.00080.00060.00040.00020.00010.000,050.000,010.10.090.080.070.060.050.040.030.0250.020.0150.010.0090.008層流區(qū)臨界區(qū)過渡區(qū)完

11、全紊流粗糙管區(qū)光滑管區(qū)310410510238654234 5 6 8234 5 6 8234 5 6 8234 5 6 8610710810dRe000001. 0d000005. 0d（用于計算工業(yè)管道）（用于計算工業(yè)管道）第四章 流體阻力和水頭損失3 3 常用計算水力摩阻的經驗公式常用計算水力摩阻的經驗公式常用公式見教材常用公式見教材125 125 表表4-74-7輸油用特殊橡膠軟管，其水力摩阻的參考經驗公式：輸油用特殊橡膠軟管，其水力摩阻的參考經驗公式：（1 1）裝有鋼絲圈的橡膠軟管）裝有鋼絲圈的橡膠軟管（2 2）平滑橡膠軟管）平滑橡膠軟管教材教材126126教材教材126126 一般

12、來說，常用管道水力摩阻的計算，都可查閱相關一般來說，常用管道水力摩阻的計算，都可查閱相關的經驗公式或計算圖表。的經驗公式或計算圖表。第四章 流體阻力和水頭損失 例例11：沿程損失：已知管道和流量求沿程損失：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求：冬天和夏天的沿程損失hf解：解：30 027783600mQ.mssmdQV884. 02 . 04278. 0422冬天冬天2300161910092. 12 . 0885. 0Re41Vd層流層流夏天夏天2300498010355. 02 . 0884. 0Re42Vd湍流湍流已知：已知：d d200mm200mm，L L30

13、00m 3000m 的舊無縫鋼管，的舊無縫鋼管，900 kg/m900 kg/m3 3，Q Q90 T/h90 T/h， 在冬天為在冬天為1.0921.0921010-4 -4 m m2 2/s/s，夏天為，夏天為0.3550.3551010-4 -4 m m2 2/s/s。第四章 流體阻力和水頭損失冬天冬天m.gVdlgVdlhf623819288502030001619642Re642222111夏天夏天m.gVdlhf023819288402030000385022222 在夏天，查舊無縫鋼管等效粗糙度在夏天，查舊無縫鋼管等效粗糙度=0.2mm, /=0.2mm, /d=0.0010.0

14、01，查穆迪圖得：查穆迪圖得：2 2=0.0385=0.0385。第四章 流體阻力和水頭損失Q = 0.0314 mQ = 0.0314 m3 3/s/s； 。 例例22：沿程損失：已知沿程損失和流量求管徑：沿程損失：已知沿程損失和流量求管徑求：管徑求：管徑 d d 應選多大？應選多大？ 解：解：22040403140d.d.AQV由達西公式：由達西公式： 52222108604212dlQ.)dQ(gdlgVdlhf.p/glQ.hlQ.df4222510693619003180400082600826008260dd.dd.Vd400010040040Re52aKPp800已知：已知：L

15、L400m400m的舊無縫鋼管輸送比重的舊無縫鋼管輸送比重0.9, =10 0.9, =10 -5 -5 m m2 2/s /s 的油的油第四章 流體阻力和水頭損失4110064098404000Re./由由/d = 0.2 / 98.4 = 0.002/d = 0.2 / 98.4 = 0.002，查，查 Moody Moody 圖得圖得2 2 = 0.027 = 0.027 d d2 2 = (3.69= (3.691010 4 4 0.027)0.027) 1 / 5 1 / 5 = 0.0996 (m) = 0.0996 (m) ReRe2 2 = 4000 / 0.0996 = 4.

16、01= 4000 / 0.0996 = 4.0110104 4 由由/d = 0.2 / 99.6 = 0.002/d = 0.2 / 99.6 = 0.002，查，查 Moody Moody 圖得圖得3 3 = 0.027= 0.027取取 d = 0.1md = 0.1m。 用迭代法用迭代法: :(m).).(d/3514110498025010693設設1 1=0.025=0.025第四章 流體阻力和水頭損失第七節(jié) 局部水力摩阻1 1、局部阻力的產生、局部阻力的產生 在工業(yè)生產過程中，出于各種凈化、輸送、控制、計在工業(yè)生產過程中，出于各種凈化、輸送、控制、計量等原因，經常遇到轉彎、加速、

17、減速、分流、合流、調量等原因，經常遇到轉彎、加速、減速、分流、合流、調節(jié)等環(huán)節(jié)，因此必須安裝各種管道附件。節(jié)等環(huán)節(jié)，因此必須安裝各種管道附件。 常用的管件有常用的管件有彎頭、三通、變徑段、短接、活接、進彎頭、三通、變徑段、短接、活接、進出口、過濾器、節(jié)流測量元件、各種閥件出口、過濾器、節(jié)流測量元件、各種閥件等。等。 流體在這些管件中流動時受到擾動，在局部裝置處出流體在這些管件中流動時受到擾動，在局部裝置處出現(xiàn)旋渦區(qū)和速度重新分布。這使得流體產生不規(guī)則地旋轉現(xiàn)旋渦區(qū)和速度重新分布。這使得流體產生不規(guī)則地旋轉和撞擊運動，消耗能量造成能量損失。和撞擊運動，消耗能量造成能量損失。第四章 流體阻力和水頭

18、損失(1) (1) 局部阻力的產生客觀條件局部阻力的產生客觀條件 A A、管道斷面發(fā)生變化，例如過流斷面突然擴大、縮??；、管道斷面發(fā)生變化，例如過流斷面突然擴大、縮??； B B、流動方向有改變，例如彎管；、流動方向有改變，例如彎管； C C、管道中有局部裝置，例如安裝閥門。、管道中有局部裝置，例如安裝閥門。第四章 流體阻力和水頭損失(2) (2) 產生局部損失的物理原因產生局部損失的物理原因 A A、液流中流速重新分布、液流中流速重新分布 任何斷面形狀的改變，都必將引起流速的重新分布，因而任何斷面形狀的改變，都必將引起流速的重新分布，因而附加了流體間的相對運動和流體質點的急劇變形，結果導致附加

19、了流體間的相對運動和流體質點的急劇變形，結果導致質點間附加摩擦和相互撞擊，使流體能量受到損失。質點間附加摩擦和相互撞擊，使流體能量受到損失。 B B、在旋渦中粘性力作功、在旋渦中粘性力作功 流速的重新分布，總是伴隨有流動分離和旋渦的形成，在流速的重新分布，總是伴隨有流動分離和旋渦的形成，在旋渦區(qū)由于粘性的存在，便有摩擦的能量損失。旋渦區(qū)由于粘性的存在，便有摩擦的能量損失。 C C、流體質點的混摻引起的動量變化、流體質點的混摻引起的動量變化 在旋渦區(qū)中，又有質點被主流所帶走，即有動量交換，因在旋渦區(qū)中，又有質點被主流所帶走，即有動量交換，因而消耗運動流體的能量。而消耗運動流體的能量。第四章 流體

20、阻力和水頭損失gVdlhj22當dl當dl當2 2、局部水頭損失計算公式、局部水頭損失計算公式（用實驗方法確定）（用實驗方法確定）為局部阻力系數(shù)為局部阻力系數(shù) 在工程實際中，為了便于合并局部和沿程水頭損失，在工程實際中，為了便于合并局部和沿程水頭損失，局部水頭損失也常寫成：局部水頭損失也常寫成：那么當量長度：那么當量長度：其中：其中：第四章 流體阻力和水頭損失 局部水頭損失從理論上推導一般是很困難的。僅有極局部水頭損失從理論上推導一般是很困難的。僅有極少數(shù)的局部阻力可用理論分析方法進行計算，而絕大多數(shù)少數(shù)的局部阻力可用理論分析方法進行計算，而絕大多數(shù)的局部阻力都需用實驗方法來確定。的局部阻力都

21、需用實驗方法來確定。通過實驗確定局部阻通過實驗確定局部阻力系數(shù)。力系數(shù)。 局部阻力的形式繁多，而且絕大多數(shù)處于紊流狀態(tài)。局部阻力的形式繁多，而且絕大多數(shù)處于紊流狀態(tài)。各種手冊或文獻通過實驗或實踐經驗，列出了常用的局部各種手冊或文獻通過實驗或實踐經驗，列出了常用的局部阻力系數(shù)，應用時只需阻力系數(shù)，應用時只需查表查表即可。如即可。如液壓工程手冊液壓工程手冊上上列出了一些常見局部結構的局部阻力系數(shù)。列出了一些常見局部結構的局部阻力系數(shù)。第四章 流體阻力和水頭損失第四章 流體阻力和水頭損失第四章 流體阻力和水頭損失第四章 流體阻力和水頭損失第四章 流體阻力和水頭損失第四章 流體阻力和水頭損失A A、突然擴大管水頭損失、突然擴大管水頭損失取取1 11 1、2 22 2斷面列方程得：斷面列方程得：gVVpzzhj2p22212121（忽略沿程水力損失（忽略沿程水力損失h hf f）幾種水力摩阻的理論分析幾種水力摩阻的理論分析第四章 流體阻力和水頭損失)VQ(V)Ap(AApAp1