工程流体力学第4章阻力与水头损失.ppt

1、第第4章章 流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失 学习重点学习重点4-1 流动阻力与水头损失的两种类型流动阻力与水头损失的两种类型 4-2 实际流体流动的两种流态实际流体流动的两种流态 4-3 均匀流动的沿程水头损失和基本方程式均匀流动的沿程水头损失和基本方程式 4-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动 4-5 紊流运动紊流运动 4-6 沿程阻力系数沿程阻力系数的变化规律的变化规律 4-7 边界层理论简介边界层理论简介4-8 局部水头损失局部水头损失 学习重点学习重点 流动阻力和水头损失的基本概念。流动阻力和水头损失的基本概念。粘性流体的流动型态：层流和紊流。粘性流体的流动型态：层流和紊流。沿

2、程水头损失与切应力的关系。沿程水头损失与切应力的关系。圆管中的层流和紊流运动。圆管中的层流和紊流运动。沿程水头损失和局部水头损失的计算。沿程水头损失和局部水头损失的计算。4-1 流动阻力与水头损失的两种类型流动阻力与水头损失的两种类型一、一、沿程阻力和沿程水头损失沿程阻力和沿程水头损失流动的过程中，在流动的方向、壁面的粗糙程度、过流断面流动的过程中，在流动的方向、壁面的粗糙程度、过流断面的形状和尺寸均不变的均匀流段上，产生的流动阻力称为沿的形状和尺寸均不变的均匀流段上，产生的流动阻力称为沿程阻力，或称为摩擦阻力。程阻力，或称为摩擦阻力。克服沿程阻力作功而引起的水头损失称为沿程水头损失，用克服沿

3、程阻力作功而引起的水头损失称为沿程水头损失，用hf表示。沿程阻力均匀地分布在整个流段上，因而表示。沿程阻力均匀地分布在整个流段上，因而hf的大小与的大小与管段的长度成正比。管段的长度成正比。二、二、局部阻力及局部水头损失局部阻力及局部水头损失 流体因固体边界急剧改变而引起流体因固体边界急剧改变而引起v分布的急剧改组，由此产生分布的急剧改组，由此产生的阻力称为局部阻力。其相应的水头损失称为局部水头损失，的阻力称为局部阻力。其相应的水头损失称为局部水头损失，以以hj（或（或hm）表示。表示。hj是流体在某些局部地方，由于管径是流体在某些局部地方，由于管径或或方向的改变，或由于装方向的改变，或由于装

4、置了某些配件（阀门、量水表等）而产生的额外的能量损失。置了某些配件（阀门、量水表等）而产生的额外的能量损失。4-1 流动阻力与水头损失的两种类型流动阻力与水头损失的两种类型4-2 实际流体流动的两种流态实际流体流动的两种流态 一、一、雷诺试验雷诺试验 通过试验认为液体流动有两种型态通过试验认为液体流动有两种型态层流和紊流。层流和紊流。试验试验情况可概括如下：情况可概括如下：当当 v vc时时，流体作紊流运，流体作紊流运动动；当当 vc v vc时时，流，流态态不不稳稳，可能是，可能是层层流也可能是紊流。流也可能是紊流。层层流流：流体在流流体在流动过动过程中，各程中，各层质层质点点间间互不干互不

5、干扰扰，互，互不相混，各自沿直不相混，各自沿直线线向前流向前流动动，这这种流种流动动状状态态称称为为层层流。流。紊流：紊流：流体流体质质点的运点的运动轨动轨迹是极不迹是极不规则规则的，不的，不仅仅有沿有沿流流动动方向的位移，而且方向的位移，而且还还有垂直于运有垂直于运动动方向（横向）方向（横向）的位移，其流速的方向和大小都随的位移，其流速的方向和大小都随时间时间而而变变化，化，这这种运种运动动状状态态称称为为紊流。紊流。一、一、雷诺试验雷诺试验一、一、雷诺试验雷诺试验hw(hf)=Kvm,lg hf=lg K+mlgv1.AE段段,vvc,紊流紊流，v越大，越大，m越大。越大。3.CE段段,过

6、过渡区，渡区，运运动动状状态态不不稳稳定。定。二、二、层流和紊流的判别层流和紊流的判别 雷雷诺实验观诺实验观察到两种不同的流察到两种不同的流态态，以及流，以及流态态与管道与管道流速之流速之间间的关系的关系雷雷诺诺用不同管径用不同管径圆圆管管对对多种液体多种液体进进行行实验实验，发现发现流流态态不不仅仅与断面平均流速与断面平均流速v有关系，而且与管径有关系，而且与管径d、液、液体粘性体粘性、密度、密度有关。即流有关。即流态态既反映管道中流体的既反映管道中流体的特性，同特性，同时时又反映管道的特性。将上述四个参数合又反映管道的特性。将上述四个参数合成一无量成一无量纲纲数，称数，称为为雷雷诺诺数，用

7、数，用Re表示表示。对应对应于于vc的雷的雷诺诺数，称数，称为临为临界雷界雷诺诺数，用数，用Rec表示。表示。通常情况下，通常情况下，Rec=2300。当当ReRec，为为紊流。紊流。对对于于任何断面，将直径任何断面，将直径d改用水力半径改用水力半径R，一个能，一个能综综合反映断面大小和几何形状合反映断面大小和几何形状对对流流动动影响的特征影响的特征长长度。度。二、二、层流和紊流的判别层流和紊流的判别二、二、层流和紊流的判别层流和紊流的判别4-3 均匀流动的沿程水头损失和基本方程式均匀流动的沿程水头损失和基本方程式 一、一、均匀流水头损失的特点均匀流水头损失的特点 只有只有hf，且，且单单位位

8、长长度的度的hf沿程不沿程不变变。二、二、均匀流动的沿程水头损失均匀流动的沿程水头损失表明均匀流中某流段的表明均匀流中某流段的hf等于流段两端断面的测压管水头差。等于流段两端断面的测压管水头差。三、三、均匀流基本方程均匀流基本方程 四、四、均匀流过水断面切应力分布均匀流过水断面切应力分布 在在圆圆管均匀流中，任取一流束，管均匀流中，任取一流束，则则切切应应力力为为：=RJ R为为流束的水力半径，流束的水力半径，故故切应力呈直线分布切应力呈直线分布4-4圆管中的层流运动圆管中的层流运动一、一、圆管均匀层流的流速分布及平均流速圆管均匀层流的流速分布及平均流速二式联立，二式联立，积分得积分得积分得积

9、分得 把边界条件代入求出积分常数把边界条件代入求出积分常数把边界条件代入求出积分常数把边界条件代入求出积分常数 为抛物线分布为抛物线分布umax=2v二、二、圆管均匀层流沿程水头损失的计算圆管均匀层流沿程水头损失的计算因为因为：沿程阻力系数：沿程阻力系数 层层流中，流中，=64/Re 三、三、动能修正系数、动量修正系数动能修正系数、动量修正系数圆管层流的动能修正系数圆管层流的动能修正系数圆管层流的动量修正系数圆管层流的动量修正系数可见，层流过流断面上流速分布不均匀，故可见，层流过流断面上流速分布不均匀，故和和值较大。值较大。在应用能量方程和动量方程时，若假设它们等于在应用能量方程和动量方程时，

10、若假设它们等于1，误差，误差很大。很大。4-4圆管中的层流运动圆管中的层流运动4-4圆管中的层流运动圆管中的层流运动4-5 紊流运动紊流运动 一、一、紊流的形成过程紊流的形成过程紊流的紊流的特点特点：流体内部充满了大小不等的涡体，处处流体内部充满了大小不等的涡体，处处相互混掺、振荡、组合、分解相互混掺、振荡、组合、分解。层流层流转化转化为紊流的为紊流的条件条件：有涡体形成，并且涡体脱离：有涡体形成，并且涡体脱离原来的流层，与周围流层的液体混掺。原来的流层，与周围流层的液体混掺。涡体形成的原因：一是流体的粘滞性，二是外界干扰。涡体形成的原因：一是流体的粘滞性，二是外界干扰。一、一、紊流的形成过程

11、紊流的形成过程 当有外界干扰或上游来流冲击扰动时，该流层就会出现局部当有外界干扰或上游来流冲击扰动时，该流层就会出现局部波动（波动（a），波动的结果使流线发生弯曲。），波动的结果使流线发生弯曲。当流线上凸到上层流层时其向上压力与上层流层向右的切应当流线上凸到上层流层时其向上压力与上层流层向右的切应力合成，其合力方向指向右上方；下凹处向下的压力与下层力合成，其合力方向指向右上方；下凹处向下的压力与下层向左的切应力合成，其合力方向指向左下方（向左的切应力合成，其合力方向指向左下方（b）。）。随着波动的加剧，倾斜越来越厉害，当上凸与下凹重叠时，随着波动的加剧，倾斜越来越厉害，当上凸与下凹重叠时，就形

12、成了涡体（图就形成了涡体（图4-7c）涡涡体形成后，上体形成后，上侧侧旋旋转转的方向与流速方向一致，二者的叠加，的方向与流速方向一致，二者的叠加，使使v更大，上更大，上侧侧的的p必然减小；而下必然减小；而下侧侧旋旋转转的方向与流速相反叠加的方向与流速相反叠加的的结结果使流速减小，造成下果使流速减小，造成下侧压侧压强强变变大。大。涡涡体在体在p上上侧侧水力粗糙壁面水力粗糙壁面 l4000。第第区区:水力光滑与水力粗糙的水力光滑与水力粗糙的过过渡区渡区第第区区:水力粗糙区水力粗糙区光滑管区光滑管区紊流粗糙管区紊流粗糙管区二、二、实际管道（工业管道）的实验曲线实际管道（工业管道）的实验曲线在在相同的

13、情况下，可把相同的情况下，可把实际实际管道（工管道（工业业管道）的粗管道）的粗糙折算成人工粗糙，即当量粗糙度。糙折算成人工粗糙，即当量粗糙度。工业管道工业管道的计算方法与人工管道的计算方法一样。的计算方法与人工管道的计算方法一样。二、二、实际管道（工业管道）的实验曲线实际管道（工业管道）的实验曲线 柯列勃洛克根据大量工柯列勃洛克根据大量工业业管道管道试验资试验资料，提出工料，提出工业业管道管道过过渡区渡区值值的的计计算公式，算公式，称称为为紊流紊流的的综综合公式。合公式。二、二、实际管道（工业管道）的实验曲线实际管道（工业管道）的实验曲线三、三、沿程阻力系数沿程阻力系数的计算公式的计算公式紊流

14、光滑区紊流光滑区：尼古拉兹公式：尼古拉兹公式：布拉休斯公式：布拉休斯公式：阻力平方区阻力平方区：希弗林松公式希弗林松公式过渡粗糙区过渡粗糙区：很复杂。：很复杂。柯列布鲁克公式：柯列布鲁克公式：三、三、沿程阻力系数沿程阻力系数的计算公式的计算公式舍维列夫公式舍维列夫公式：三、三、沿程阻力系数沿程阻力系数的计算公式的计算公式谢才公式谢才公式谢谢才系数用曼宁和巴氏公式确定。才系数用曼宁和巴氏公式确定。曼宁公式：曼宁公式：巴氏公式：巴氏公式：四、四、非圆管的沿程损失计算非圆管的沿程损失计算把把R相等的相等的圆圆管管d定定义为义为非非圆圆管的当量直径管的当量直径de，圆圆管：管：d=4R非非圆圆管：管：

15、de=4R用用de代替代替d，仍可用达西公式，仍可用达西公式计计算非算非圆圆管的沿程水管的沿程水头损头损失失注：注：应用应用de计算非圆管的计算非圆管的hf是近似的方法，并不适用于所有情况，是近似的方法，并不适用于所有情况，（1）实验表明，形状同圆管差异很大的非圆管，如长缝形）实验表明，形状同圆管差异很大的非圆管，如长缝形（b/a8）、狭）、狭环环形（形（d23d1）应应用用de计算存在较大误差。计算存在较大误差。（2）由于层流）由于层流v分布不同于紊流，流动阻力不像紊流那样集中在分布不同于紊流，流动阻力不像紊流那样集中在管壁附近，单纯用湿周作为影响能量损失的主要外部条件是不管壁附近，单纯用湿

16、周作为影响能量损失的主要外部条件是不充分的。因此，在层流中应用充分的。因此，在层流中应用de计算，将会造成较大误差。计算，将会造成较大误差。4-7 边界层理论简介边界层理论简介一、一、边界层的基本概念边界层的基本概念当当实际实际流体在流体在Re很大的情况下以均匀流速很大的情况下以均匀流速u0平行流平行流过过静止平板，静止平板，经过经过平板表面前平板表面前缘时缘时，紧紧靠物体表面的一靠物体表面的一层层流体由于粘性作用被流体由于粘性作用被贴贴附在固体壁面上，附在固体壁面上，u=0。稍。稍靠外的一靠外的一层层流体受到流体受到这这一一层层流体的阻滞，流体的阻滞，u也大大降也大大降低，低，这这种粘性作用

17、逐种粘性作用逐层层向外影响，使沿着平板法向外影响，使沿着平板法线线方方向上向上u分布不均匀，以致在平板附近具有分布不均匀，以致在平板附近具有较较大的大的u梯度。梯度。边边界界层层：贴贴近平板近平板边边界存在界存在较较大切大切应应力、粘性影响不力、粘性影响不能忽略的能忽略的这这一薄一薄层层流体。流体。一、一、边界层的基本概念边界层的基本概念从平板沿外法从平板沿外法线线到流速到流速ux=0.99u0处处的距离，是的距离，是边边界界层层的厚度。的厚度。边边界界层层的厚度的厚度:边边界界层层的厚度沿程增大，即的厚度沿程增大，即是是x的函数，的函数，可写可写为为(x)。一、一、边界层的基本概念边界层的基

18、本概念 边界层内流动也可分为层流与紊流，开始于层流。当边界层内流动也可分为层流与紊流，开始于层流。当层流层流(x)沿程增加，流速梯度逐渐减小，粘性切应力也沿程增加，流速梯度逐渐减小，粘性切应力也随之减小，经过一个过渡段，便转变为紊流边界层。随之减小，经过一个过渡段，便转变为紊流边界层。在紊流边界层内，还存在着一个粘性底层，流速梯度在紊流边界层内，还存在着一个粘性底层，流速梯度很大，粘性切应力起主要作用，使得流动型态仍为层流很大，粘性切应力起主要作用，使得流动型态仍为层流二、二、边界层的分离现象与绕流阻力边界层的分离现象与绕流阻力（一）（一）边边界界层层分离分离实际实际流体中，流体中，绕绕流一开

19、流一开 始就在始就在圆圆柱表面形成了很柱表面形成了很 薄的薄的边边界界层层。DE段段边边界界 层层以外的流体是加速减以外的流体是加速减压压；EF段段边边界界层层以外的流体是以外的流体是 减速增减速增压压。边边界层内质点自上游源源不断而来，近界层内质点自上游源源不断而来，近壁回流的产生使边界层内质点离开壁面而产生分离，壁回流的产生使边界层内质点离开壁面而产生分离，这种现象称为这种现象称为边界层分离边界层分离。（一）（一）边界层分离边界层分离边界层开始与固体边界分离的点叫分离点边界层开始与固体边界分离的点叫分离点（S点点）分离点前接近固体壁面的微团沿边界外法线方向速度分离点前接近固体壁面的微团沿边

20、界外法线方向速度梯度为正。因而靠近壁面流动的质点其动能越来越小，梯度为正。因而靠近壁面流动的质点其动能越来越小，以至动能消耗殆尽，质点速度变为零。以至动能消耗殆尽，质点速度变为零。超过超过S点后，逆压梯度就会引起液体发生近壁回流点后，逆压梯度就会引起液体发生近壁回流在分离点处，流速梯度为零在分离点处，流速梯度为零，切应力也等于零。切应力也等于零。在分离点后，因为倒流，边界层在分离点后，因为倒流，边界层分离后，回流立即产生旋涡，并分离后，回流立即产生旋涡，并被主流带走，同时边界层显著增被主流带走，同时边界层显著增厚。厚。物体绕流，除了沿物体表面的摩擦阻力耗能，还有尾流物体绕流，除了沿物体表面的摩

21、擦阻力耗能，还有尾流旋涡耗能，使得尾流区物体表面的压强低于来流的压强，旋涡耗能，使得尾流区物体表面的压强低于来流的压强，而迎流面的压强大于来流的压强，这两部分的压强差，而迎流面的压强大于来流的压强，这两部分的压强差，造成作用于物体上的造成作用于物体上的压差阻力压差阻力。工程中为减小绕流阻力，特设计成流线形体。图是以同工程中为减小绕流阻力，特设计成流线形体。图是以同一比尺绘出的流线形体和圆柱体（图中的小圆点），两一比尺绘出的流线形体和圆柱体（图中的小圆点），两种形体的表面积和体积相差悬殊，种形体的表面积和体积相差悬殊，但实测得出以同样速度但实测得出以同样速度 前进的绕流阻力相等。前进的绕流阻力相

22、等。（二）（二）压差阻力压差阻力浸没在流体中的固体将受到浸没在流体中的固体将受到绕绕流阻力流阻力D和升力和升力L的作用，的作用，F=D+L。升力升力L：垂直于来流方向的作用力垂直于来流方向的作用力CD主要取决于主要取决于Re，并和物体的形状、表面粗糙情况以及来流的，并和物体的形状、表面粗糙情况以及来流的紊紊动动强强度有关，由度有关，由实验实验确定。确定。（三）（三）绕流阻力绕流阻力4-8 局部水头损失局部水头损失一、一、局部水头损失发生的原因局部水头损失发生的原因 1）边界突变发生边界层分离，引起能量损失。边界突变发生边界层分离，引起能量损失。2）流动方向变化所造成的二次流损失。流动方向变化所造成的二次流损失。二、二、圆管突然扩大的局部水头损失圆管突然扩大的局部水头损失 建立扩前断面建立扩前断面 1-1 和扩后断面和扩后断面2-2的能量方程的能量方程二、二、圆管突然扩大的局部水头损失圆管突然扩大的局部水头损失整理得整理得代入能量方程有代入能量方程有局部水局部水头损头损失可表示失可表示为为流速水流速水头头的倍数的倍数三、三、其它几种典型的局部水头损失系数其它几种典型的局部水头损失系数 突然缩小管道的损失系数可按下列经验公式计算突然缩小管道的损失系数可按下列经验公式计算其它几种典型的局部水头损失系数可采用附录其它几种典型的局部水头损失系数可采用附录4中的公中的公式或数据。式或数据。