流體力學(xué)管道阻力計算

流體力學(xué)管道阻力計算第1頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月一、雷諾實驗

實際流體的流動會呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)：層流和紊流，它們的區(qū)別在于：流動過程中流體層之間是否發(fā)生混摻現(xiàn)象。在紊流流動中存在隨機變化的脈動量，而在層流流動中則沒有。§5.1粘性流體的兩種流動狀態(tài)第2頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月兩根測壓管中的液面高差為兩斷面間的沿程水頭損失速度由小變大，層流紊流；上臨界流速速度由大變小，紊流層流；下臨界流速紊流運動層流運動流態(tài)不穩(wěn)§5.1粘性流體的兩種流動狀態(tài)一、雷諾實驗第3頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.1粘性流體的兩種流動狀態(tài)一、雷諾實驗(續(xù))實驗現(xiàn)象(續(xù))第4頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月二、流動狀態(tài)與水頭損失的關(guān)系速度由大變小，紊流變?yōu)閷恿鳎籇C1B；紊流運動；CDE線；層流運動；AB直線；流態(tài)不穩(wěn)；紊流運動；E點之后速度由小變大，層流變?yōu)槲闪?；BC+CD第5頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月由上述的實驗分析看出，任何實際流體的流動皆具有層流和紊流兩種流動狀態(tài)；流體運動狀態(tài)不同，其hf與v的關(guān)系便不一樣，因此，在計算流動的水頭損失之前，需要判別流體的運動狀態(tài)。例如，圓管中定常流動的流態(tài)為層流時，沿程水頭損失與平均流速成正比，而紊流時則與平均流速的1.75～2.0次方成正比。層流過渡區(qū)紊流第6頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、流動狀態(tài)判別標準通過量綱分析和相似原理發(fā)現(xiàn)，上面的物理量可以組合成一個無量綱數(shù)，并且可以用來判別流態(tài)。稱為雷諾數(shù)。由于：所以：臨界速度不能作為判別流態(tài)的標準！第7頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1883年，雷諾試驗也表明：圓管中恒定流動的流態(tài)轉(zhuǎn)化取決于雷諾數(shù)d是圓管直徑，v是斷面平均流速，是流體的運動粘性系數(shù)。

實際流體的流動之所以會呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)是擾動因素與粘性穩(wěn)定作用之間對比和抗衡的結(jié)果。針對圓管中恒定流動的情況，容易理解：減小d，減小v

，加大三種途徑都是有利于流動穩(wěn)定的。綜合起來看，小雷諾數(shù)流動趨于穩(wěn)定，而大雷諾數(shù)流動穩(wěn)定性差，容易發(fā)生紊流現(xiàn)象。

第8頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月粘性穩(wěn)定擾動因素

d

v

利于穩(wěn)定

圓管中恒定流動的流態(tài)轉(zhuǎn)化僅取決于雷諾數(shù)，這是客觀規(guī)律用無量綱量表達的又一例證，也是粘性相似準則的實際應(yīng)用。對比抗衡第9頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

圓管中恒定流動的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，又分為上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)。上臨界雷諾數(shù)表示超過此雷諾數(shù)的流動必為紊流，它很不確定，跨越一個較大的取值范圍。有實際意義的是下臨界雷諾數(shù)，表示低于此雷諾數(shù)的流動必為層流，有確定的取值，圓管定常流動取為

紊流層流紊流層流上臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)ReRe12000-40000第10頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月對圓管：d—圓管直徑對非圓管斷面：R—水力半徑對明渠流：R—水力半徑對繞流現(xiàn)象：L—固體物的特征長度對流體繞過球形物體：d—球形物直徑第11頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月層流與紊流的區(qū)別層流運動中，流體層與層之間互不混雜，無動量交換紊流運動中，流體層與層之間互相混雜，動量交換強烈2.層流向紊流的過渡—

與渦體形成有關(guān)

四、紊流的成因3.渦體的形成并不一定能形成紊流第12頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月水和油的運動粘度分別為，若它們以的流速在直徑為的圓管中流動，試確定其流動狀態(tài)？例題

解：水的流動雷諾數(shù)

紊流流態(tài)

油的流動雷諾數(shù)

層流流態(tài)第13頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

溫度、運動粘度的水，在直徑的管中流動，測得流速，問水流處于什么狀態(tài)？如要改變其運動，可以采取那些辦法？例題

解：水的流動雷諾數(shù)

層流流態(tài)

如要改變其流態(tài)1）改變流速2）提高水溫改變粘度第14頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.2管內(nèi)流動的能量損失兩大類流動能量損失:一、沿程能量損失

發(fā)生在緩變流整個流程中的能量損失，由流體的粘滯力造成的損失?！獑挝恢亓α黧w的沿程能量損失——沿程損失系數(shù)——管道長度——管道內(nèi)徑——單位重力流體的動壓頭（速度水頭）。2.局部能量損失1.沿程能量損失第15頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.2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，即在管件附近的局部范圍內(nèi)主要由流體微團的碰撞、流體中產(chǎn)生的漩渦等造成的損失?！獑挝恢亓α黧w的局部能量損失?！獑挝恢亓α黧w的動壓頭（速度水頭）。——局部損失系數(shù)第16頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.2管內(nèi)流動的能量損失三、總能量損失

整個管道的能量損失是分段計算出的能量損失的疊加。——總能量損失。第17頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

以傾斜角為的圓截面直管道的不可壓縮粘性流體的定常層流流動為例。pp+(p/l)dlmgrr0xhgdl受力分析：重力:側(cè)面的粘滯力:兩端面總壓力:5.3圓管道內(nèi)切應(yīng)力分布第18頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3圓管道內(nèi)切應(yīng)力分布軸線方向列力平衡方程pp+(p/l)dlmgrr0xhgdl兩邊同除r2dl得由于得，一、切向應(yīng)力分布

第19頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月2.壁面切應(yīng)力(水平管)5.3圓管道內(nèi)切應(yīng)力分布第20頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4圓管中流體的層流流動一、速度分布

將

代入

得，對r積分得，

當r=r0時vx=0，得

故：

第21頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4圓管中流體的層流流動三、最大流速、平均流速、圓管流量、壓強降1.最大流速管軸處:

2.平均流速3.圓管流量水平管:

第22頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4圓管中流體的層流流動三、最大流速、平均流速、圓管流量、壓強降(續(xù))4.壓強降(流動損失)水平管:

結(jié)論：層流流動得沿程損失與平均流速得一次方成正比。第23頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4圓管中流體的層流流動四、其它公式1.動能修正系數(shù)α結(jié)論：圓管層流流動的實際動能等于按平均流速計算的動能的二倍第24頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.5管道入口段中的流動一、邊界層

當粘性流體流經(jīng)固體壁面時，在固體壁面與流體主流之間必定有一個流速變化的區(qū)域，在高速流中這個區(qū)域是個薄層，稱為邊界層。第25頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.5管道入口段中的流動二、管道入口段

當粘性流體流入圓管,由于受管壁的影響,在管壁上形成邊界層,隨著流動的深入,邊界層不斷增厚,直至邊界層在管軸處相交,邊界層相交以前的管段,稱為管道入口段。第26頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.5管道入口段中的流動二、管道入口段(續(xù))入口段內(nèi)和入口段后速度分布特征層流邊界層紊流邊界層完全發(fā)展的流動L*L*入口段內(nèi):入口段后:各截面速度分布不斷變化各截面速度分布均相同第27頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

0.紊流的發(fā)生紊流發(fā)生的機理是十分復(fù)雜的，下面給出一種粗淺的描述。層流流動的穩(wěn)定性喪失（雷諾數(shù)達到臨界雷諾數(shù)）擾動使某流層發(fā)生微小的波動流速使波動幅度加劇在橫向壓差與切應(yīng)力的綜合作用下形成旋渦旋渦受升力而升降引起流體層之間的混摻造成新的擾動5.6粘性流體的湍流流動的基本概念第28頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月++-+--高速流層低速流層

任意流層之上下側(cè)的切應(yīng)力構(gòu)成順時針方向的力矩，有促使旋渦產(chǎn)生的傾向。第29頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月旋渦受升力而升降，產(chǎn)生橫向運動，引起流體層之間的混摻渦體第30頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6粘性流體的湍流流動的基本概念1.湍流流動

流體質(zhì)點相互摻混，作無定向、無規(guī)則的運動，運動在時間和空間都是具有隨機性質(zhì)的運動,屬于非定常流動。第31頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月2.脈動現(xiàn)象和時均化的概念1、脈動：2、時均化：紊流中，流體質(zhì)點經(jīng)過空間某一固定點時，速度、壓力等總是隨時間變化的，而且毫無規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為脈動現(xiàn)象。對某點的長時間觀察發(fā)現(xiàn)，盡管每一時刻速度等參數(shù)的大小和方向都在變化，但它都是圍繞某一個平均值上下波動。于是流體質(zhì)點的瞬時值就可以看成是這個平均值與脈動值之和。第32頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月2、脈動值、時均值

在時間間隔t內(nèi)某一流動參量的平均值稱為該流動參量的時均值。瞬時值

某一流動參量的瞬時值與時均值之差，稱為該流動參量的脈動值。時均值脈動值5.6粘性流體的湍流流動的基本概念第33頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月二.脈動現(xiàn)象和時均化的概念1、脈動：2、時均化：紊流中，流體質(zhì)點經(jīng)過空間某一固定點時，速度、壓力等總是隨時間變化的，而且毫無規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為脈動現(xiàn)象。對某點的長時間觀察發(fā)現(xiàn)，盡管每一時刻速度等參數(shù)的大小和方向都在變化，但它都是圍繞某一個平均值上下波動。于是流體質(zhì)點的瞬時值就可以看成是這個平均值與脈動值之和。第34頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月3、時均定常流動

空間各點的時均值不隨時間改變的紊流流動稱為時均定常流動，或定常流動、準定常流動。5.6粘性流體的湍流流動的基本概念第35頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月4、湍流中的切向應(yīng)力層流：摩擦切向應(yīng)力湍流：摩擦切向應(yīng)力附加切向應(yīng)力液體質(zhì)點的脈動導(dǎo)致了質(zhì)量交換，形成了動量交換和質(zhì)點混摻，從而在液層交界面上產(chǎn)生了紊流附加切應(yīng)力+由動量定律可知：

動量增量等于湍流附加切應(yīng)力△T產(chǎn)生的沖量5.6粘性流體的湍流流動的基本概念第36頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月5、普朗特混合長度abba(1)流體微團在從某流速的流層因脈動vy'進入另一流速的流層時，在運動的距離l（普蘭特稱此為混合長度）內(nèi)，微團保持其本來的流動特征不變。普朗特假設(shè):(2)脈動速度與時均流速差成比例5.6粘性流體的湍流流動的基本概念第37頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月2.普朗特混合長度5.6粘性流體的湍流流動的基本概念第38頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月普朗特簡介普朗特（1875～1953），德國物理學(xué)家，近代力學(xué)奠基人之一。1875年2月4日生于弗賴辛，1953年8月15日卒于格丁根。他在大學(xué)時學(xué)機械工程，后在慕尼黑工業(yè)大學(xué)攻彈性力學(xué)，1900年獲得博士學(xué)位。1901年在機械廠工作，發(fā)現(xiàn)了氣流分離問題。后在漢諾威大學(xué)任教授時，用自制水槽觀察繞曲面的流動，3年后提出邊界層理論，建立繞物體流動的小粘性邊界層方程，以解決計算摩擦阻力、求解分離區(qū)和熱交換等問題。奠定了現(xiàn)代流體力學(xué)的基礎(chǔ)。普朗特在流體力學(xué)方面的其他貢獻有：①風(fēng)洞實驗技術(shù)。他認為研究空氣動力學(xué)必須作模型實驗。1906年建造了德國第一個風(fēng)洞（見空氣動力學(xué)實驗），1917年又建成格丁根式風(fēng)洞。②機翼理論。在實驗基礎(chǔ)上，他于1913～1918年提出了舉力線理論和最小誘導(dǎo)阻力理論

，后又提出舉力面理論等。③湍流理論。提出層流穩(wěn)定性和湍流混合長度理論。此外還有亞聲速相似律和可壓縮繞角膨脹流動，后被稱為普朗特-邁耶爾流動。他在氣象學(xué)方面也有創(chuàng)造性論著。

普朗特在固體力學(xué)方面也有不少貢獻。他的博士論文探討了狹長矩形截面梁的側(cè)向穩(wěn)定性。1903年提出了柱體扭轉(zhuǎn)問題的薄膜比擬法

。他繼承并推廣了A.J.C.B.de圣維南所開創(chuàng)的塑性流動的研究

。T.von卡門在他指導(dǎo)下完成的博士論文是關(guān)于柱體塑性區(qū)的屈曲問題。普朗特還解決了半無限體受狹條均勻壓力時的塑性流動分析。著有《普朗特全集》、《流體力學(xué)概論》，此外還與O.G.蒂瓊合寫《應(yīng)用水動力學(xué)和空氣動力學(xué)》（1931）等。第39頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、紊流區(qū)域劃分：

粘性底層

層流向紊流的過渡層紊流的核心區(qū)5.7湍流流動的粘性底層

粘性流體在圓管中湍流流動時，緊貼固體壁面有一層很薄的流體，受壁面的限制，脈動運動幾乎完全消失，粘滯起主導(dǎo)作用，基本保持著層流狀態(tài)，這一薄層稱為粘性底層。

第40頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月2、流道壁面的類型：

0

粘性底層的厚度

任何流道的固體邊壁上，總存在高低不平的突起粗糙體，將粗糙體突出壁面的特征高度定義為絕對粗糙度

/d

相對粗糙第41頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

粘性底層厚度：

水力粗糙：<管壁的粗糙凸出的平均高度：

水力光滑：>湍流區(qū)域完全感受不到管壁粗糙度的影響。

管壁的粗糙凸出部分有一部分暴露在湍流區(qū)中，管壁粗糙度紊流流動發(fā)生影響。

5.7湍流流動的粘性底層水力光滑面和粗糙面并非完全取決于固體邊界表面本身是光滑還是粗糙，而必須依據(jù)粘性底層和絕對粗糙度兩者的相對大小來確定，即使同一固體邊壁，在某一雷諾數(shù)下是光滑面，而在另一雷諾數(shù)下是粗糙面。注意第42頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月紊流中的速度分布紊流運動中，由于流體渦團相互摻混，互相碰撞，因而產(chǎn)生了流體內(nèi)部各質(zhì)點間的動量傳遞；動量大的流體質(zhì)點將動量傳遞給動量小的質(zhì)點，動量小的流體質(zhì)點牽制動量大的質(zhì)點，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化。5.8湍流流動的速度分布第43頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)光滑平壁面假設(shè)整個區(qū)域內(nèi)

=w=常數(shù)粘性底層內(nèi)粘性底層外因切向應(yīng)力速度(摩擦速度)5.8湍流流動的速度分布細分參考第44頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)光滑直管具有與平壁近似的公式速度分布:最大速度:平均速度:5.8湍流流動的速度分布第45頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)光滑直管(續(xù))其它形式的速度分布:(指數(shù)形式)

Re

n

v/vxmax平均速度:5.8湍流流動的速度分布第46頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)粗糙直管速度分布:最大速度:平均速度:5.8湍流流動的速度分布第47頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月5.9湍流流動的阻力系數(shù)計算1.圓管中湍流的沿程損失(1)光滑直管(2)粗糙直管實驗修正后第48頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.10沿程損失的實驗研究實驗?zāi)康模?/p>

沿程損失:層流:紊流:在實驗的基礎(chǔ)上提出某些假設(shè)，通過實驗獲得計算紊流沿程損失系數(shù)λ的半經(jīng)驗公式或經(jīng)驗公式。代表性實驗:尼古拉茲實驗?zāi)蠈嶒灥?9頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.10沿程損失的實驗研究一、尼古拉茲實驗實驗對象:不同直徑圓管不同流量不同相對粗糙度實驗條件:實驗示意圖:第50頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

尼古拉茨用幾種相對粗糙不同的人工均勻粗糙管進行實驗；通過改變速度，從而改變雷諾數(shù)，測出沿程阻力，計算出沿程阻力系數(shù)。二、尼古拉茨實驗過程

其中壁面粗糙中影響沿程阻力的具體因素也不少，如粗糙的突起高度、粗糙的形狀、粗糙的疏密和排列等．１、人工均勻粗糙３、尼古拉茨實驗圖的分析２、實驗第51頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.10沿程損失的實驗研究一、尼古拉茲實驗(續(xù))尼古拉茲實驗曲線第52頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.10沿程損失的實驗研究一、尼古拉茲實驗(續(xù))尼古拉茲實驗曲線的五個區(qū)域?qū)恿鲄^(qū)管壁的相對粗糙度對沿程損失系數(shù)沒有影響。2.過渡區(qū)

不穩(wěn)定區(qū)域，可能是層流，也可能是紊流。第53頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.10沿程損失的實驗研究一、尼古拉茲實驗(續(xù))尼古拉茲實驗曲線的五個區(qū)域(續(xù))紊流光滑管區(qū)沿程損失系數(shù)與相對粗糙度無關(guān)，而只與雷諾數(shù)有關(guān)。勃拉休斯公式：尼古拉茲公式：卡門-普朗特公式：第54頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.10沿程損失的實驗研究一、尼古拉茲實驗(續(xù))尼古拉茲實驗曲線的五個區(qū)域(續(xù))紊流粗糙管過渡區(qū)沿程損失系數(shù)與相對粗糙度和雷諾數(shù)有關(guān)。洛巴耶夫公式：闊爾布魯克公式：蘭格公式：第55頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.10沿程損失的實驗研究一、尼古拉茲實驗(續(xù))尼古拉茲實驗曲線的五個區(qū)域(續(xù))紊流粗糙管平方阻力區(qū)沿程損失系數(shù)只與相對粗糙度有關(guān)。尼古拉茲公式：

此區(qū)域內(nèi)流動的能量損失與流速的平方成正比，故稱此區(qū)域為平方阻力區(qū)。第56頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

實用管道的粗糙是不規(guī)則的，須通過實用管道與人工粗糙管道試驗結(jié)果之比較，把和實用管道斷面形狀、大小相同，紊流粗糙區(qū)值相等的人工粗糙管道的砂粒高度定義為實用管道的當量粗糙度?！?.10沿程損失的實驗研究引出莫迪實驗第57頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.10沿程損失的實驗研究二、莫迪實驗實驗對象:不同直徑工業(yè)管道不同流量不同相對粗糙度實驗條件:第58頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.10沿程損失的實驗研究二、莫迪實驗(續(xù))莫迪實驗曲線第59頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.10沿程損失的實驗研究二、莫迪實驗(續(xù))莫迪實驗曲線的五個區(qū)域1.層流區(qū)——層流區(qū)2.臨界區(qū)3.光滑管區(qū)5.完全紊流粗糙管區(qū)4.過渡區(qū)——紊流光滑管區(qū)——過渡區(qū)——紊流粗糙管過渡區(qū)——紊流粗糙管平方阻力區(qū)第60頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

解：層流

由：冬季時：

冬季時：

夏季時為紊流：紊流夏季時：查莫迪圖例題：長度為300m，直徑為200mm的新鑄鐵管，用來輸送的石油，測得其流量。如果冬季時，。夏季時，。問在冬季和夏季中，此輸油管路的沿程損失為若干？第61頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月[例

]

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hf解：冬天層流夏天湍流冬天(油柱)夏天(油柱)已知:d＝20cm,l＝3000m的舊無縫鋼管,ρ＝900kg/m3,Q＝90T/h.,在 冬天為1.092×10-4m2/s,夏天為0.355×10-4m2/s在夏天，查舊無縫鋼管等效粗糙度ε=0.2mm,ε/d=0.001查穆迪圖λ2=0.0385第62頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月[例

]

沿程損失：已知管道和壓降求流量求：管內(nèi)流量Q

解：穆迪圖完全粗糙區(qū)的λ＝0.025,設(shè)λ1＝0.025,由達西公式查穆迪圖得λ2＝0.027,重新計算速度查穆迪圖得λ2＝0.027已知:d＝10cm,l＝400m的舊無縫鋼管比重為0.9,

=10-5m2/s的油第63頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月[例

]

沿程損失：已知沿程損失和流量求管徑求：管徑d應(yīng)選多大

解：由達西公式

已知:l＝400m的舊無縫鋼管輸送比重0.9,

=10-5m2/s的油Q=0.0319

m3/s第64頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.11管道水力計算管道的種類:簡單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道分支管道一、簡單管道

管道直徑和管壁粗糙度均相同的一根管子或這樣的數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道系統(tǒng)。

計算基本公式連續(xù)方程沿程損失能量方程第65頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.11管道水力計算一、簡單管道(續(xù))三類計算問題（1）已知qV、l、d、、，求hf；（2）已知hf

、l、d、

、，求qV；（3）已知hf

、qV

、l、、，求d。簡單管道的水力計算是其它復(fù)雜管道水力計算的基礎(chǔ)。第66頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.11管道水力計算一、簡單管道(續(xù))第一類問題的計算步驟（1）已知qV、l、d、、，求hf；qV、l、d計算Re由Re、查莫迪圖得計算hf第67頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.11管道水力計算一、簡單管道(續(xù))第二類問題的計算步驟（2）已知hf

、l、d、

、，求qV；假設(shè)

由hf計算v

、Re由Re、查莫迪圖得New校核New=NewNY由hf計算v

、qV第68頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.11管道水力計算一、簡單管道(續(xù))第三類問題的計算步驟（3）已知hf

、qV

、l、、，求d。hf

qVl計算與d的函數(shù)曲線由Re、查莫迪圖得New校核New=NewNY由hf計算v

、qV第69頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月一、局部水頭損失產(chǎn)生的原因旋渦區(qū)的存在是造成局部水頭損失的主要原因。

局部水頭損失與沿程水頭損失一樣，也與流態(tài)有關(guān)，但目前僅限于紊流研究，且基本為實驗研究?！?.12局部損失第70頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月突然擴大突然縮小閘閥三通匯流管道彎頭管道進口分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)有壓管道恒定流遇到管道邊界的局部突變→流動分離形成剪切層→剪切層流動不穩(wěn)定，引起流動結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，并產(chǎn)生旋渦→平均流動能量轉(zhuǎn)化成脈動能量，造成不可逆的能量耗散。局部水頭損失第71頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月v1A1A2v21122與沿程因摩擦造成的分布損失不同，這部分損失可以看成是集中損失在管道邊界的突變處，每單位重量流體承擔(dān)的這部分能量損失稱為局部水頭損失。根據(jù)能量方程

認為因邊界突變造成的能量損失全部產(chǎn)生在1-1，2-2兩斷面之間，不再考慮沿程損失。局部水頭損失第72頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月v1A1A2v21122

上游斷面1-1取在由于邊界的突變，水流結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化的漸變流段中，下游2-2斷面則取在水流結(jié)構(gòu)調(diào)整剛好結(jié)束，重新形成漸變流段的地方?？傊?，兩斷面應(yīng)盡可能接近，又要保證局部水頭損失全部產(chǎn)生在兩斷面之間。經(jīng)過測量兩斷面的測管水頭差和流經(jīng)管道的流量，進而推算兩斷面的速度水頭差，就可得到局部水頭損失。第73頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月v1A1A2v21122

局部水頭損失折合成速度水頭的比例系數(shù)

當上下游斷面平均流速不同時，應(yīng)明確它對應(yīng)的是哪個速度水頭？局部水頭損失系數(shù)

其它情況的局部損失系數(shù)在查表或使用經(jīng)驗公式確定時也應(yīng)該注意這一點。通常情況下對應(yīng)下游的速度水頭。

突擴圓管第74頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

局部水頭損失的機理復(fù)雜，除了突擴圓管的情況以外，一般難于用解析方法確定，而要通過實測來得到各種邊界突變情況下的局部水頭損失系數(shù)。

局部水頭損失系數(shù)隨流動的雷諾數(shù)而變

當雷諾數(shù)大到一定程度后，

值成為常數(shù)。在工程中使用的表格或經(jīng)驗公式中列出的

就是指這個范圍的數(shù)值。第75頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月2入口阻力系數(shù)舉例第76頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.12局部損失3、管道截面突然擴大流體從小直徑的管道流往大直徑的管道112v2A2v1A12取1-1、2-2截面以及它們之間的管壁為控制面。連續(xù)方程動量方程能量方程第77頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.12局部損失3、管道截面突然擴大(續(xù))112v2A2v1A12將連續(xù)方程、動量方程代入能量方程，以小截面流速計算的以大截面流速計算的第78頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.12局部損失3、管道截面突然擴大(續(xù))管道出口損失速度頭完全消散于池水中第79頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.12局部損失4、管道截面突然縮小流體從大直徑的管道流往小直徑的管道v2A2v1A1vcAc流動先收縮后擴展，能量損失由兩部分損失組成第80頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.12局部損失4、管道截面突然縮小(續(xù))v2A2v1A1vcAc由實驗等直管道隨著直徑比由0.115線性減小到1第81頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.12局部損失AA'CBD'D流體在彎管中流動的損失由三部分組成:2.由切向應(yīng)力產(chǎn)生的沿程損失1.形成漩渦所產(chǎn)生的損失3.由二次流形成的雙螺旋流動所產(chǎn)生的損失其它各種彎管、截門、閘閥等的局部水頭損失系數(shù)可查表或由經(jīng)驗公式獲得。第82頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月減小管壁的粗糙度；柔性邊壁換為剛性邊壁避免旋渦區(qū)的產(chǎn)生或減小旋渦區(qū)的大小和強度；如平順的進口漸擴或漸縮彎管曲率半徑

減小阻力的措施1.添加劑減阻2.改善邊壁對流動的影響第83頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.13-14管道水力計算管道的種類:簡單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道分支管道一、簡單管道

管道直徑和管壁粗糙度均相同的一根管子或這樣的數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道系統(tǒng)。

計算基本公式連續(xù)方程沿程損失能量方程第84頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月一、簡單管道三類計算問題（1）已知qV、l、d、、，求hf；（2）已知hf

、l、d、

、，求qV；（3）已知hf

、qV

、l、、，求d。簡單管道的水力計算是其它復(fù)雜管道水力計算的基礎(chǔ)?！?.13管道水力計算第85頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月一、簡單管道(續(xù))第一類問題的計算步驟（1）已知qV、l、d、、，求hf；qV、l、d計算Re由Re、查莫迪圖得計算hf第86頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月一、簡單管道(續(xù))第二類問題的計算步驟（2）已知hf

、l、d、

、，求qV；假設(shè)

由hf計算v

、Re由Re、查莫迪圖得New校核

New=NewNY由hf計算v

、qV第87頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月一、簡單管道(續(xù))第三類問題的計算步驟（3）已知hf

、qV

、l、、，求d。hf

qVl

計算與d的函數(shù)曲線由Re、查莫迪圖得New校核

New=NewNY由hf計算v

、qV第88頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月二、串聯(lián)管道

由不同管道直徑和管壁粗糙度的數(shù)段根管子連接在一起的管道。ABH21串聯(lián)管道特征1.各管段的流量相等2.總損失等于各段管道中損失之和第89頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月二、串聯(lián)管道(續(xù))兩類計算問題ABH21（1）已知串聯(lián)管道的流量qV，求總水頭H；（2）已知總水頭H，求串聯(lián)管道的流量qV

。第90頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.14管道水力計算三、并聯(lián)管道

由幾條簡單管道或串聯(lián)管道，入口端與出口端分別連接在一起的管道系統(tǒng)。并聯(lián)管道特征1.總流量是各分管段流量之和。2.并聯(lián)管道的損失等于各分管道的損失。AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ第91頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.14管道水力計算三、并聯(lián)管道(續(xù))兩類計算問題（1）已知A點和B點的靜水頭線高度（即z+p/g)，求總流量qV；AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ假設(shè)

由hf計算v

、Re由Re、查莫迪圖得New校核

New=NewNY由hf計算v

、qV

求解方法相當于簡單管道的第二類計算問題。第92頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.14管道水力計算三、并聯(lián)管道(續(xù))兩類計算問題(續(xù))（2）已知總流量qV

，求各分管道中的流量及能量損失

。假設(shè)管1的q’V1

由q’V1計算管1的h’f1

由h’f1求q’V2和

q’V3h’f1=

h’f2=

h’f3q’V1=qV1N結(jié)束計算按q’V1、q’V2和q’V3的比例計算qV1、qV2和qV3計算h’f1、

h’f2和h’f3YAQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ第93頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.14管道水力計算四、分支管道分支管道特征流入?yún)R合點的流量等于自匯合點流出的流量。第94頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月