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(nèi)容液體在管道內(nèi)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(nèi)流動的能量損失理想流體黏性流體黏性流體切向應(yīng)力機(jī)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(nèi)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(guān)的量,v2/2g為單位重量流體的動壓頭第一節(jié)管內(nèi)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(nèi)主要由于流體微團(tuán)的碰撞、流體中產(chǎn)生的旋渦等造成的損失。ζ為局部損失系數(shù)，實(shí)驗確定第一節(jié)管內(nèi)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(shí)驗laminarturbulent實(shí)驗?zāi)康模河^察粘性流體的流動狀態(tài)。實(shí)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(zhì)點(diǎn)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(zhì)點(diǎn)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(zhì)點(diǎn)相互摻混，出現(xiàn)不規(guī)則、隨機(jī)脈動速度。實(shí)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(dǎo)致湍流，粘性抑制擾動使流動保持穩(wěn)定。當(dāng)時，流動趨于理想流體運(yùn)動。臨界Reynoldsnumber——流動狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)捩對應(yīng)的Renumber。（層流）（湍流）

不是一個確定的常數(shù)，它與水流擾動等實(shí)驗條件有關(guān)。擾動大低；擾動小高。它的下限約2320，上限會高達(dá)13800。3、沿程損失與流動狀態(tài)的關(guān)系ab段層流ef段湍流be段臨界狀態(tài)結(jié)論：流態(tài)不同，沿程損失規(guī)律不同例題水在內(nèi)徑d=100mm的管中流動，流速為v=0.5m/s，水的運(yùn)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(yùn)動黏度ν=31×10-6m2/s。問油的流動狀態(tài)？第三節(jié)管道進(jìn)口段黏性流體的流動層流進(jìn)口段長度：湍流進(jìn)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(jìn)口段。與擾動有關(guān)，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(nèi)切應(yīng)力分布傾斜角度為θ的圓管內(nèi)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(cè)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(nèi)摩擦定律積分旋轉(zhuǎn)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(guān)。第四節(jié)圓管中流體的層流流動壓降：例題內(nèi)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(qiáng)9.806×104Pa，截面2的壓強(qiáng)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(zhì)點(diǎn)作復(fù)雜，無規(guī)律的運(yùn)動。時均速度：時間間隔T內(nèi)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(jī)脈動場的疊加，即每一點(diǎn)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(qiáng)

瞬時壓強(qiáng)=時均壓強(qiáng)+脈動壓強(qiáng)第五節(jié)黏性流體的湍流流動工程中關(guān)心的是：流體主流的速度分布，壓強(qiáng)分布以及能量損失。時均定常流動：空間各點(diǎn)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(jī)的旋渦運(yùn)動）：由許許多多不同尺度的旋渦運(yùn)動疊加而成。運(yùn)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(zhuǎn)化為熱能，整個流動是旋渦不斷產(chǎn)生——分裂——消滅的過程。紊流（湍流）流動

除分子碰撞外，流體微團(tuán)脈動摻混。從而產(chǎn)生了湍流擴(kuò)散、湍流摩阻和湍流熱傳導(dǎo)，它們的強(qiáng)度比分子運(yùn)動引起的擴(kuò)散、摩阻和熱傳導(dǎo)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(jī)性或脈動性——湍流的基本特征。紊流中的切向應(yīng)力第五節(jié)黏性流體的紊流流動層流：

湍流：

（微團(tuán)脈動）（分子運(yùn)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(yīng)力：脈動切向應(yīng)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(tuán)的脈動與氣體分子的運(yùn)動相比擬。yxy1vv+δvv-δvl'l'v'δAo脈動切向應(yīng)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(tuán)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