6 滾動(dòng)阻力及能量損失

本文格式為Word版，下載可任意編輯——6滾動(dòng)阻力及能量損失思考題及答案

一、選擇1二、例題4三、問(wèn)答9

一、選擇

問(wèn)題：水在垂直管內(nèi)由上向下滾動(dòng)，相距l(xiāng)的兩斷面間，測(cè)壓管水頭差h，兩斷面間沿程水頭損失hf，則：A.hf=h;B.hf=h+l；C.hf=l-h；D.hf=l。

問(wèn)題：圓管層流滾動(dòng)過(guò)流斷面上切應(yīng)力分布為：A.在過(guò)流斷面上是常數(shù)；

B.管軸處是零，且與半徑成正比；C.管壁處是零，向管軸線性增大；D.按拋物線分布。

問(wèn)題：在圓管流中，層流的斷面流速分布符合：A.均勻規(guī)律；B.直線變化規(guī)律；C.拋物線規(guī)律；D.對(duì)數(shù)曲線規(guī)律。

問(wèn)題：圓管層流，實(shí)測(cè)管軸線上流速為4m／s，則斷面平均流速為：A.4m／s；B.3.2m／s；C.2m／s；D.1m／s。

問(wèn)題：在圓管流中，紊流的斷面流速分布符合：A.均勻規(guī)律；B.直線變化規(guī)律；C.拋物線規(guī)律；D.對(duì)數(shù)曲線規(guī)律。

問(wèn)題1：水從水箱經(jīng)水平圓管流出，開(kāi)始為層流。在保持水位不變的條件下，改變水的溫度，當(dāng)水溫由低向高增加時(shí)，出流與水溫的關(guān)系為：A.流量隨水溫的增加而增加；B.流量隨水溫的增加而減?。?/p>

C.開(kāi)始流量隨水溫的增加而顯著增加，當(dāng)水溫增加到某一值后，流量急劇減??；

D.開(kāi)始流量隨水溫的增加而顯著減小，當(dāng)水溫增加到某一值后，流量急劇增加，之后流量變化很小。

問(wèn)題1：工業(yè)管道的沿程阻力系數(shù)|?，在紊流過(guò)渡區(qū)隨雷諾數(shù)的增加而：A.增加；B.減??；C.不變。

問(wèn)題2：有兩根管道，一根輸油管，一根輸水管，當(dāng)直徑d,長(zhǎng)度l,邊界粗糙度均相等時(shí)，運(yùn)動(dòng)粘度n油>n水，若兩管的雷諾數(shù)相等，則沿程水頭損失：A.hf油=hf水；B.hf油>hf水；

C.hf油

校核狀態(tài)

，為層流。

例1：某水管長(zhǎng)l=500m，直徑d=200mm，管壁粗糙突起高度Δ=0.1mm，如輸送流量Q=10l/s，水溫t=10℃，計(jì)算沿程水頭損失為多少？解：

∵t=10℃∴|í=0.01310cm/s

2

故管中水流為紊流。由式（6-33）計(jì)算|?：

先假設(shè)|?=0.021，則

所以|?=0.021滿足要求

（也可以查莫迪圖，當(dāng)Re=48595按光滑管查，得：|?=0.0208）

例2有一新的給水管道，管徑d=400mm，管長(zhǎng)l=100m，糙率n=0.011，沿程水頭損失hf=0.4m，水流屬于紊流粗糙區(qū)，問(wèn)通過(guò)的流量為多少？解管道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e

水力半徑

利用曼寧公式（6-31）計(jì)算C值，則

所以流量

3

例3一混凝土襯砌的圓形斷面隧洞，管徑d=2000mm，管長(zhǎng)l=100m，通過(guò)流量Q=31.4m/s，糙率n=0.014，試求該隧洞的洞程水頭損失hf。

解隧洞中滾動(dòng)一般均為紊流粗糙區(qū)，故可應(yīng)用謝才公式。

所以其中：

將以上各值代入hf式中得

例如圖6-16所示流速由v1變?yōu)関2的突然擴(kuò)大管中，假使中間加一中等粗細(xì)管段使形成兩次突然擴(kuò)大，略去局部阻力的相互干擾，即用疊加方法。試求（1）中間管中流速為何值時(shí)，總的局部水頭損失最小；（2）計(jì)算總的局部水頭損失，并與一次擴(kuò)大時(shí)相比較。解（1）兩次突然擴(kuò)大時(shí)的局部水頭損失為

圖6-16

中間管中流速為v，使其總的局部水頭損失最小時(shí)

即

得

（2）總的局部損失為

由于一次突然擴(kuò)大時(shí)的局部水頭損失頭損失為一次突然擴(kuò)大時(shí)的二分之一。

，所以兩次突然擴(kuò)大時(shí)總的局部水

三、問(wèn)答

問(wèn)題：怎樣判別粘性流體的兩種流態(tài)——層流和紊流？答案：

用下臨界雷諾數(shù)Rec來(lái)判別。當(dāng)雷諾數(shù)ReRec時(shí),滾動(dòng)為紊流。當(dāng)

。(R為水力半徑)

為圓管流時(shí),＝2300，當(dāng)為明渠流時(shí)

問(wèn)題：為何不能直接用臨界流速作為判別流態(tài)（層流和紊流）的標(biāo)準(zhǔn)？答案：

由于臨界流速跟流體的粘度、流體的密度和管徑（當(dāng)為圓管流時(shí)）或水力半徑（當(dāng)為明渠流時(shí)）有關(guān)。而臨界雷諾數(shù)則是個(gè)比例常數(shù)，對(duì)于圓管流為2300（2000），對(duì)于明渠流為575（500），應(yīng)用起來(lái)十分便利。

1.問(wèn)題：雷諾數(shù)與哪些因數(shù)有關(guān)？其物理意義是什么？當(dāng)管道流量一定時(shí)，隨管徑的加大，雷諾數(shù)是增大還是減??？答案：

雷諾數(shù)與流體的粘度、流速及水流的邊界形狀有關(guān)。Re=慣性力/粘滯力,隨d增大，Re減小。

2.為什么用下臨界雷諾數(shù)，而不用上臨界雷諾數(shù)作為層流與紊流的判別準(zhǔn)則？

答：上臨界雷諾數(shù)不穩(wěn)定，而下臨界雷諾數(shù)較穩(wěn)定，只與水流的過(guò)水?dāng)嗝嫘螤钣嘘P(guān)。3.當(dāng)管流的直徑由小變大時(shí)，其下臨界雷諾數(shù)如何變化？

答：不變，臨界雷諾數(shù)只取決于水流邊界形狀，即水流的過(guò)水?dāng)嗝嫘螤?。填空：圓管層流，實(shí)測(cè)管軸線上流速為4m/s，則斷面平均流速為2m/s。1.圓管層流的切應(yīng)力、流速如何分布？

答：直線分布，管軸處為0，圓管壁面上達(dá)最大值；旋轉(zhuǎn)拋物面分布，管軸處為最大，圓管壁面處為0。

2.如何計(jì)算圓管層流的沿程阻力系數(shù)？該式對(duì)于圓管的進(jìn)口段是否適用？為什么？答：否；非旋轉(zhuǎn)拋物線分布

3.為什么圓管進(jìn)口段靠近管壁的流速逐漸減小，而中心點(diǎn)的流速是逐漸增大的？

答：連續(xù)性的條件的要求：流量前后相等（流量的定義）

問(wèn)題：紊流的瞬時(shí)流速、時(shí)均流速、脈動(dòng)流速、斷面平均流速有何聯(lián)系和區(qū)別？答案：

瞬時(shí)流速，為某一空間點(diǎn)的實(shí)際流速，在紊流流態(tài)下隨時(shí)間脈動(dòng)；時(shí)均流速，為某一空間點(diǎn)的瞬時(shí)速度在時(shí)段T內(nèi)的時(shí)間平均值；脈動(dòng)速度

與時(shí)均速度的疊加等于瞬時(shí)速度；

斷面平均速度v，為過(guò)流斷面上各點(diǎn)的流速（紊流是時(shí)均速度）的斷面平均值。

1.紊流研究中為什么要引入時(shí)均概念？紊流時(shí)，恒定流與非恒定流如何定義？

把紊流運(yùn)動(dòng)要素時(shí)均化后，紊流運(yùn)動(dòng)就簡(jiǎn)化為沒(méi)有脈動(dòng)的時(shí)均滾動(dòng)，可對(duì)時(shí)均滾動(dòng)和脈動(dòng)分別加以研究。紊流中只要時(shí)均化的要素不隨時(shí)間變化而變化的滾動(dòng)，就稱為恒定流。2.瞬時(shí)流速、脈動(dòng)流速、時(shí)均流速和斷面平均流速的定義及其相關(guān)關(guān)系怎樣？參考答案：

瞬時(shí)流速u(mài)，為流體通過(guò)某空間點(diǎn)的實(shí)際流速，在紊流狀態(tài)下隨時(shí)間脈動(dòng)；時(shí)均流速

，為某

一空間點(diǎn)的瞬時(shí)流速在時(shí)段T內(nèi)的時(shí)間平均值；流速的差值，

；脈動(dòng)流速，為瞬時(shí)流速和時(shí)均

；斷面平均流速v，為過(guò)水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的流速（紊流是時(shí)均流速）的斷

面平均值，。

3.紊流時(shí)的切應(yīng)力有哪兩種形式？它們各與哪些因素有關(guān)？各主要作用在哪些部位？參考答案：

粘性切應(yīng)力——主要與流體粘度和液層間的速度梯度有關(guān)。主要作用在近壁處。

附加切應(yīng)力——主要與流體的脈動(dòng)程度和流體的密度有關(guān)，主要作用在紊流核心處脈動(dòng)程度較大地方。

4.紊流中為什么存在粘性底層？其厚度與哪些因素有關(guān)？其厚度對(duì)紊流分析有何意義？參考答案：

在近壁處，因液體質(zhì)點(diǎn)受到壁面的限制，不能產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有混摻現(xiàn)象，流速梯度du/dy很大，粘滯切應(yīng)力|ó=|ìdu/dy依舊起主要作用。粘性底層厚度與雷諾數(shù)、質(zhì)點(diǎn)混摻能力有關(guān)。

隨Re的增大，厚度減小。粘性底層很薄，但對(duì)能量損失有極大的影響。5.紊流時(shí)斷面上流層的分區(qū)和流態(tài)分區(qū)有何區(qū)別？

粘性底層，紊流核心：粘性、流速分布與梯度;層流、紊流：雷諾數(shù)6.圓管紊流的流速如何分布？

粘性底層：線性分布;紊流核心處：對(duì)數(shù)規(guī)律分布或指數(shù)規(guī)律分布。

1.管徑突變的管道，當(dāng)其它條件一致時(shí)，若改變流向，在突變處所產(chǎn)生的局部水頭損失是否相等？為什么？

不等；固體邊界不同，如突擴(kuò)與突縮

2.局部阻力系數(shù)與哪些因素有關(guān)？選用時(shí)應(yīng)注意什么？

固體邊界的突變狀況、流速；局部阻力系數(shù)應(yīng)與所選取的流速相對(duì)應(yīng)。3.如何減小局部水頭損失？讓固體邊界接近于流線型。

想一想：紊流時(shí)的切應(yīng)力有哪兩種形式？它們各與哪些因素有關(guān)？各主要作用在哪些部位？答：粘性切應(yīng)力——主要與流體粘度和液層間的速度梯度有關(guān)，主要作用在近壁處。附加切應(yīng)力——主要與流體的脈動(dòng)程度和流體的密度有關(guān)，主要作用在紊流核心處脈動(dòng)程度較大地方?？伎寄?普蘭特混合長(zhǎng)度理論借用了氣體中分子自由程的概念。

想一想：若原圓管壁面處于水力光滑壁面的水力狀態(tài)，隨著圓管中流速的逐漸增加，其水力狀態(tài)將如何變化？

水力光滑壁面水力過(guò)渡壁面水力粗糙壁面想一想：造成局部水頭損失的主要原因是什么？主流脫離邊壁，漩渦區(qū)的形成。

想一想：什么是邊界層？提出邊界層概念對(duì)水力學(xué)研究有何意義？

邊界層是指貼近平板很薄的流層內(nèi)，速度梯度很大，粘性的影響不能忽略的薄流層。它的提出為解決粘性流體繞流問(wèn)題開(kāi)拓了新途徑，并使流體繞流運(yùn)動(dòng)中一些繁雜現(xiàn)象得到解釋。

想一想：邊界層內(nèi)是否一定是層流？影響邊界層內(nèi)流態(tài)的主要因素有哪些？否，有層流、紊流邊界層；粘性