水流阻力和水頭損失17047學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1水流阻力水流阻力(zl)和水頭損失和水頭損失17047第一頁(yè)，共56頁(yè)。水頭(shutu)損失疊加原理mfwhhh上述公式稱為能量(nngling)損失的疊加原理。 第2頁(yè)/共56頁(yè)第二頁(yè)，共56頁(yè)。沿程水頭(shutu)損失和平均流速的關(guān)系21pphfABC12fh沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)第3頁(yè)/共56頁(yè)第三頁(yè)，共56頁(yè)。 改變流量，將 與 對(duì)應(yīng)關(guān)系繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，得到fhlglglgfmfhkmhkvlgVlghfO流速由小至大流速由大至小kVkV21.0,kfVV hV1.75 2.0,kfVV hV1第4頁(yè)/共56頁(yè)第四頁(yè)，共56頁(yè)。兩種流態(tài)1、雷諾試驗(yàn)(shyn)雷 諾 實(shí) 驗(yàn)

2、裝 置 圖AEBC12fhD第5頁(yè)/共56頁(yè)第五頁(yè)，共56頁(yè)。kv第6頁(yè)/共56頁(yè)第六頁(yè)，共56頁(yè)。vdvdRe若ReRek，水流為紊流，1.752.0fhV2300RedvdvkkK公式只適用于圓管，對(duì)于非圓管用當(dāng)量(dngling)直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下：第7頁(yè)/共56頁(yè)第七頁(yè)，共56頁(yè)。4edR當(dāng)量直徑：非圓管的水力半徑和圓管的水力半徑d/4相等的非圓管的當(dāng)量直徑。AR水力半徑：244dAdRd對(duì)于圓管水力半徑2300ReekekKdvdv第8頁(yè)/共56頁(yè)第八頁(yè)，共56頁(yè)。流態(tài)分析(fnx)選定流層y流速分布曲線干擾FFFFFFFFFFFF升力渦 體紊流形成(xngchng)條件渦體的產(chǎn)生(c

3、hnshng)雷諾數(shù)達(dá)到一定的數(shù)值第9頁(yè)/共56頁(yè)第九頁(yè)，共56頁(yè)。22 LVL VVL慣性力粘帶力量綱(lin n)為2 duVALVLdyL粘性力322 m VLLVT慣性力= a= 第10頁(yè)/共56頁(yè)第十頁(yè)，共56頁(yè)。層流底層(d cn)、過渡層和紊流核心幾個(gè)(j )基本概念第11頁(yè)/共56頁(yè)第十一頁(yè)，共56頁(yè)。2211 122212121222ffpvpvzzhggggpphzzgg列1-1、2-2斷面(dun min)伯努利方程式：1、沿程水頭(shutu)損失與切應(yīng)力的關(guān)系1122第12頁(yè)/共56頁(yè)第十二頁(yè)，共56頁(yè)。面積1O列流動(dòng)方向(fngxing)的平衡方程式：120cos0

4、ApApgALL0FL濕周整理(zhngl)得：01212()()ppLZZggAg改寫(gixi)為：00fLLhAgRg0fhgRL水力半徑過水?dāng)嗝婷娣e與濕周之比，即A/0gRJ00G=gAL111Pp A222Pp A122LOZ1Z2gR J第13頁(yè)/共56頁(yè)第十三頁(yè)，共56頁(yè)。22ooorgR JRrrgRJRroorr8*0vv建立(jinl) 和 之間的關(guān)系，可得：0阻力(zl)速度第14頁(yè)/共56頁(yè)第十四頁(yè)，共56頁(yè)。4.4 圓管層流的沿程阻力(zl)系數(shù)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征（圖示）：液體質(zhì)點(diǎn)是分層有條不紊、互不混雜地運(yùn)動(dòng)著切應(yīng)力(yngl)：dudr 流速(li s)分布（推演）：2

5、20()4gJurr斷面平均流速：沿程水頭損失：232fvlhgd2264642Re2lvlvvd dgdg圓管層流沿程阻力系數(shù)：64Re232AudAgJvdAmax21u第15頁(yè)/共56頁(yè)第十五頁(yè)，共56頁(yè)。【例題】 輸送潤(rùn)滑油的管子直徑(zhjng) 8mm，管長(zhǎng) 15m，如圖6-12所示。油的運(yùn)動(dòng)粘度 m2/s，流量 12cm3/s，求油箱的水頭 （不計(jì)局部損失）。 dl61015Vqh圖示 潤(rùn)滑油管路(un l) 239. 0008. 014. 3101244242dqvV（m/s） 雷諾數(shù) 23005 .1271015008. 0239. 06vdRe為層流列截面(jimin)1-

6、1和2-2的伯努利方程f22222111202hgvgpgvgph解：第16頁(yè)/共56頁(yè)第十六頁(yè)，共56頁(yè)。認(rèn)為油箱面積(min j)足夠大，取01VgvdlRegvh264222222f806. 92239. 0008. 0155 .12764806. 92239. 022275. 2(m) ，則第17頁(yè)/共56頁(yè)第十七頁(yè)，共56頁(yè)。運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)現(xiàn)象瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)要素（如流速、壓強(qiáng)等）隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)的現(xiàn)象圖示由相鄰兩流層間時(shí)間(shjin)平均流速相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力純粹由脈動(dòng)(midng)流速所產(chǎn)生的附加切應(yīng)力（2）紊流切應(yīng)力1222()duduldydy（1）紊流的脈動(dòng)與時(shí)均化 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)

7、動(dòng)特征： 液體質(zhì)點(diǎn)互相混摻、碰撞，雜亂無(wú)章地運(yùn)動(dòng)著4.5.1 紊流特征4.5 圓管紊流的沿程阻力系數(shù)第18頁(yè)/共56頁(yè)第十八頁(yè)，共56頁(yè)。（3）紊動(dòng)流速(li s)分布 紊流中由于液體質(zhì)點(diǎn)(zhdin)相互混摻，互相碰撞，因而產(chǎn)生了液體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)(zhdin)間的動(dòng)量傳遞，動(dòng)量大的質(zhì)點(diǎn)(zhdin)將動(dòng)量傳給動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)(zhdin)，動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)(zhdin)影響動(dòng)量大的質(zhì)點(diǎn)(zhdin)，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化。流速分布(fnb)的對(duì)數(shù)公式：*lgvuyCk層流流速分布紊流流速分布*8vv第19頁(yè)/共56頁(yè)第十九頁(yè)，共56頁(yè)。Re64層流：圓管層流的沿程阻力系數(shù)(xsh)與Re成反比

8、，和管壁粗糙度無(wú)關(guān)。紊流：其能量損失取決于兩個(gè)方面： 1）Re； 粗糙的突起高度 2）壁面的粗糙 糙粒的形狀 糙粒的排列疏密壁面的粗糙）(Re,f第20頁(yè)/共56頁(yè)第二十頁(yè)，共56頁(yè)。第21頁(yè)/共56頁(yè)第二十一頁(yè)，共56頁(yè)。10141301d實(shí)測(cè)不同(b tn)流量時(shí)均 v 和 hf算出和RevdRe fhvgld22第22頁(yè)/共56頁(yè)第二十二頁(yè)，共56頁(yè)。沿程阻力(zl)系數(shù)的變化規(guī)律尼古拉茲實(shí)驗(yàn)(shyn)Lg（100）lgRe層流(cn li)時(shí),64Re紊流光滑區(qū)(Re)f0333. 0dK01633. 0dK00833. 0dK00397. 0dK001985. 0dK000985.

9、 0dK稱為紊流過渡區(qū)dKf Re,稱為紊流粗糙區(qū)又稱為阻力平方區(qū) dKf臨界過渡區(qū),Ref第23頁(yè)/共56頁(yè)第二十三頁(yè)，共56頁(yè)。第24頁(yè)/共56頁(yè)第二十四頁(yè)，共56頁(yè)。層流底層 在紊流中緊靠固體邊界附近，有一極薄的層流層，其中粘滯切應(yīng)力起主導(dǎo)作用，而由脈動(dòng)引起的附加切應(yīng)力很小，該流層叫做層流底層。圖示 粘性(zhn xn)（層流）底層雖然很薄，但對(duì)紊流的流動(dòng)有很大的影響。所以，粘性(zhn xn)底層對(duì)紊流沿程阻力規(guī)律的研究有重大意義。（3）斷面(dun min)流速分布測(cè)定第25頁(yè)/共56頁(yè)第二十五頁(yè)，共56頁(yè)。5 . 5)lg(75. 5*yvvu層流底層：yu0第26頁(yè)/共56頁(yè)第二

10、十六頁(yè)，共56頁(yè)。 紊流粗糙(cco)區(qū)的流速分布2、普朗特卡門 流速分布的指數(shù)公式nryuu)(0max3、流速分布的七分之一次方定律7/10max)(ryuu48. 8)lg(75. 5*Kyvu1、尼古拉茲粗糙區(qū)流速分布第27頁(yè)/共56頁(yè)第二十七頁(yè)，共56頁(yè)。（4）紊流沿程阻力系數(shù)(xsh)的半經(jīng)驗(yàn)公式 光滑區(qū)沿程阻力系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)(jngyn)公式 粗糙區(qū)沿程阻力系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)(jngyn)公式51. 2Relg280. 0)lg(Re21Kd7 . 3lg21第28頁(yè)/共56頁(yè)第二十八頁(yè)，共56頁(yè)。光滑區(qū)和粗糙區(qū)的比較光滑(gung hu)區(qū)和粗糙區(qū)的計(jì)算光滑區(qū)：粗糙區(qū)：當(dāng)量粗糙度（K）：指

11、和工業(yè)管道粗糙區(qū)值相等的同直徑尼古拉茲粗糙管的糙粒高度。第29頁(yè)/共56頁(yè)第二十九頁(yè)，共56頁(yè)。 柯列勃洛克(lu k)公式12.512lg()3.7ReKd 又被稱為紊流綜合公式。 適用于整個(gè)紊流的三個(gè)阻力區(qū)。 莫迪據(jù)此繪成阻力系數(shù)圖-莫迪圖。第30頁(yè)/共56頁(yè)第三十頁(yè)，共56頁(yè)。粗糙區(qū)過渡區(qū)層流區(qū)臨界區(qū)光滑區(qū)第31頁(yè)/共56頁(yè)第三十一頁(yè)，共56頁(yè)。適用于紊流的三個(gè)區(qū)）()(11. 025. 0Re68dK)10(ReRe3164. 0525. 0)/2 . 1(0210. 0)/2 . 1(1 0179. 0)107 . 2Re(1 0144. 0)104 . 2Re(1 0159. 03

12、 . 03 . 0867. 03 . 06284. 036. 2284. 06226. 0684. 0226. 0smvdsmvdddddvvv管鑄鐵鋼舊管鑄鐵鋼舊新鑄鐵管新鋼管第32頁(yè)/共56頁(yè)第三十二頁(yè)，共56頁(yè)。 謝才公式(gngsh)VCR J斷面平均流速謝才系數(shù)水力半徑水力坡度1.謝才系數(shù)有量綱(lin n)，量綱(lin n)為L(zhǎng)1/2T-1，單位為m1/2/s。2.謝才公式可適用于不同流態(tài)和流區(qū)，既可適用于明渠水流(shuli)也可應(yīng)用于管流。3.常用計(jì)算謝才系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：曼寧公式巴甫洛夫斯基公式161CRn11yCRn 這兩個(gè)公式均依據(jù)阻力平方區(qū)紊流的實(shí)測(cè)資料求得，故只能適用

13、于阻力平方區(qū)的紊流。8gC28gC或n為粗糙系數(shù)，簡(jiǎn)稱糙率。Y與n和R有關(guān)的指數(shù)。例題第33頁(yè)/共56頁(yè)第三十三頁(yè)，共56頁(yè)。gvhm22ReB層流(cn li)紊流B是隨局部阻礙的形狀而異的常數(shù)第34頁(yè)/共56頁(yè)第三十四頁(yè)，共56頁(yè)。1、紊流局部損失發(fā)生的原因：(1)邊壁的變化導(dǎo)致漩渦區(qū)的產(chǎn)生，引起(ynq)能量損失； 如：突擴(kuò)管、突縮管(2)流動(dòng)方向變化所造成的二次流損失； 如：彎管2、紊流局部阻力系數(shù)影響因素 對(duì)各種局部障礙進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究證明，紊流局部阻力影響因素影響因素為：/RefK d局部阻礙的形狀，第35頁(yè)/共56頁(yè)第三十五頁(yè)，共56頁(yè)。變徑管的局部水頭(shutu)損失1d2V

14、222Ld1V11Z1Z2OOGx（1）突然(trn)擴(kuò)大2211 12221222mpvpvzzhgggg2212211212()()()22mppvvhzzgggg列X方向(fngxing)的動(dòng)量方程式1222221cos()p Ap AgA LQ vv化簡(jiǎn)整理得：1221212()ppvvvzzggg所以有2222121212()()22mvvvvvvvhggg2222221112(1)(1)22AvAvAgAg2222mvhg2112mvhg對(duì)1-1、2-2斷面列能量方程式管出口第36頁(yè)/共56頁(yè)第三十六頁(yè)，共56頁(yè)。gvAAhm2)1 (5 . 02212)1 (5 . 012AA管

15、入口i=0.5舉例(j l)第37頁(yè)/共56頁(yè)第三十七頁(yè)，共56頁(yè)。hf雷諾試驗(yàn)(shyn)顏色水返回雷諾實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)(dngti)演示第38頁(yè)/共56頁(yè)第三十八頁(yè)，共56頁(yè)。rur0每一圓筒層表面的 切應(yīng)力：dudr 另依均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)的關(guān)系式有：0gRJgR J或所以有2rdugJdr 積分整理得24xgJurC 當(dāng)r=r0時(shí)，ux=0，代入上式得204gJCr層流流速分布為220()4xgJurr拋物型流速(li s)分布返回20max4rJu中心線的最大流速第39頁(yè)/共56頁(yè)第三十九頁(yè)，共56頁(yè)。A紊流紊流的脈動(dòng)(midng)現(xiàn)象xu脈動(dòng)流速tuxOtuxOxu時(shí)均流速xxxu

16、uu 或xxxuuu01Txxuu dtT010Txxuu dtT（時(shí)均）恒定(hngdng)流（時(shí)均）非恒定(hngdng)流返回xu瞬時(shí)流速第40頁(yè)/共56頁(yè)第四十頁(yè)，共56頁(yè)。紊流的層流(cn li)底層層流底層0紊流層流(cn li)底層厚度032.8Red可見(kjin)，0隨雷諾數(shù)的增加而減小。當(dāng)Re較小時(shí)，紊流光滑壁面當(dāng)Re較大時(shí)，K0K0紊流粗糙壁面K0過渡粗糙壁面返回返回第41頁(yè)/共56頁(yè)第四十一頁(yè)，共56頁(yè)。紊流形成(xngchng)過程的分析返回選定流層y流速分布曲線干擾FFFFFFFFFFFFFFFF升力(shn l)渦 體第42頁(yè)/共56頁(yè)第四十二頁(yè)，共56頁(yè)。hf尼

17、古拉茲實(shí)驗(yàn)(shyn)相對(duì)粗糙度 或相對(duì)光滑度dKKd22fL Vhdg雷諾數(shù)Re返回第43頁(yè)/共56頁(yè)第四十三頁(yè)，共56頁(yè)。例題：有一混凝土護(hù)面的梯形渠道，底寬10m，水深3m，水面寬B16m，濕周 18.5m ，流量(liling)為39m3/s，水流屬于阻力平方區(qū)的紊流，求每公里渠道上的沿程水頭損失。bh1：11：1解：B2392bBAhm過水?dāng)嗝婷娣e水力半徑2.11ARm謝才系數(shù)121166112.1166.5/0.017CRmsn沿程水頭損失220.11fV LhmC R斷面平均流速1/QVm sA第44頁(yè)/共56頁(yè)第四十四頁(yè)，共56頁(yè)。例題：水從水箱流入一管徑不同(b tn)的管道

18、，管道連接情況如圖所示，已知：111222150,25,0.037125,10,0.0390.5,0.15,2.0dmm lmdmm lm進(jìn)口收縮閥門（以上(yshng)值均采用發(fā)生局部水頭損失后的流速）當(dāng)管道(gundo)輸水流量為25l/s時(shí)，求所需要的水頭H。l1l2V00d2d1H分析：用能量方程式，三選定，列能量方程：2200002wVHhg11220012wfjffjjjhhhhhhhh進(jìn)口收縮閥門222221122122121222222l Vl VVVVdgdgggg進(jìn)口收縮閥門第45頁(yè)/共56頁(yè)第四十五頁(yè)，共56頁(yè)。l1l2V00d2d1H112200解：1210.0251.

19、415/3.140.154QVm sA2220.0252.04/3.140.1254QVm sA222222222112212212122222222wVVl VlVVVVHhggdgdgggg進(jìn)口收縮閥門2.011Hm代入數(shù)據(jù)(shj)，解得：故所需水頭為2.011m。第46頁(yè)/共56頁(yè)第四十六頁(yè)，共56頁(yè)。4.7 邊界層理論(lln)簡(jiǎn)介邊界層的概念(ginin) 對(duì)于水和空氣(kngq)等粘度很小的流體，在大雷諾數(shù)下繞物體流動(dòng)時(shí)，粘性對(duì)流動(dòng)的影響僅限于緊貼物體壁面的薄層中，而在這一薄層外粘性影響很小，完全可以看作是理想流體的勢(shì)流，這一薄層稱為邊界層。 圖所示為大雷諾數(shù)下粘性流體繞流翼型的

20、二維流動(dòng)，根據(jù)普朗特邊界層理論，把大雷諾數(shù)下均勻繞流物體表面的流場(chǎng)劃分為三個(gè)區(qū)域，即邊界層、外部勢(shì)流和尾渦區(qū)。 翼型繞流第47頁(yè)/共56頁(yè)第四十七頁(yè)，共56頁(yè)。圖 翼型上的邊界層 III外部(wib)勢(shì)流 II尾部(wi b)流區(qū)域 I邊界層 邊界(binji)層外邊界(binji) 邊界層外邊界 第48頁(yè)/共56頁(yè)第四十八頁(yè)，共56頁(yè)。邊界層的厚度：一般將壁面流速(li s)為零與流速(li s)達(dá)到 來(lái)流速(li s)度的99處之間的距離定 義為邊界層厚度邊界層的流態(tài)：層流和紊流5010)0 . 55 . 3(KKxxuRe第49頁(yè)/共56頁(yè)第四十九頁(yè)，共56頁(yè)。 邊界層 umax u x

21、k 充分發(fā)展的流動(dòng) (a)層流 u 邊界層 xk 充分發(fā)展的流動(dòng) (b)湍流 進(jìn)口段長(zhǎng)度進(jìn)口段長(zhǎng)度層流 xk/d=0.028Re； 湍流 xk/d=50 這里，雷諾數(shù) Re=ud/ 對(duì)于(duy)圓管，有：入口段的液體運(yùn)動(dòng)不同于正常的層流或紊流，因此進(jìn)行管路阻力實(shí)驗(yàn)(shyn)時(shí)，需避開入口段長(zhǎng)度。管流邊界層第50頁(yè)/共56頁(yè)第五十頁(yè)，共56頁(yè)。邊界層分離(fnl) 當(dāng)物體繞彎曲表面流動(dòng)時(shí)，邊界層內(nèi)會(huì)伴隨產(chǎn)生(chnshng)壓差，邊界層因此可能會(huì)從某一位置開始脫離物體表面，在物面附近出現(xiàn)回流現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為邊界層分離現(xiàn)象或脫體現(xiàn)象。 邊界層分離的必要條件是： 逆壓、流體具有粘性(zhn xn)這兩個(gè)因素缺一不可。 第51頁(yè)/共56頁(yè)第五十一頁(yè)，共56頁(yè)。 y y y A S D E壓力逐漸減小壓力逐漸增大分離點(diǎn) S 分離點(diǎn)：通常把物面上開始出現(xiàn)流動(dòng)方向(fngxing)改變的點(diǎn)（即壁面上速度梯度為零的點(diǎn)）稱為分離點(diǎn)或脫體