工程流体力学教学课件作者于玲红第四章流动阻力和能量损失课件.ppt

 1 沿程水头损失：沿流程产生的损失  4 流速与沿程阻力关系 5 雷诺数 5 流态分析 层流和湍流区别： 层流：各流层间互不掺混，只存在各流层间的滑动摩擦阻力 湍流：有涡体动荡于各流层之间，除粘性阻力外，还存在惯性阻力 涡体形成 （1）流体具有粘滞性，流体流动时，流层间产生摩擦切应力，流速较快的层产生沿流动方向的切应力；流速慢的层产生与流向相反切应力，这两力作用下，选定的流层或微团构成力矩，促成涡体产生。 （2）由于某种干扰，流层发生波动，在波峰断面压缩，流线较密，流速增大，压强降低；在波谷过流断面增大，流线稀疏，流速减小，压强增大。因此流层受到压差作用，发展成涡体。如下图所示： 1 圆管层流运动均匀流方程 右图圆管均匀流： 受力分析 整理得： 二式比较得： 式中 —单位长度沿程阻力损失，称为水力坡度； 2 圆管过流断面切应力分布 如取半径为r的同轴圆柱形流束来讨论，可类似地求得管内任一点轴向切应力与水利坡 度之间的关系： 由于圆管内流体流动为恒定均匀流，断面上的压力分布满足静压分布，因此，同轴流 束的水力坡度与总流的水力坡度相等，即J= 。 比较可得： 圆管均匀流过流断面上切应力与半径成线性关系，轴线最小为零，管壁达最大值。 3 圆管层流运动速度分布 圆管层流是有规则的流动，除了微观分子间的干扰外，流层之间互不掺混，可视为无数无限薄的圆筒层，一个套着一个地相对滑动。由于流体具有粘滞性，认为流动切应力满足牛顿内摩擦定律. 即： 与均匀流方程比较得： 积分并化简得： 即为圆管层流速度分布表达式，右图所示。 轴心速度： 过流断面平均速度： 比较得： 圆管层流运动时，断面平均流速等于最大流速的一半。 4 圆管层流沿程阻力系数 由于： 整理得： 比较得： 四、湍流运动 1 湍流运动特征及分析方法 （1）雷诺实验研究表明：湍流是一种无 规 则随机脉动的运动形式，流体质点相 互掺混、碰撞，致使速度、压强等也呈 现随机脉动的状态。如右图所示： 湍流形式： 均匀各向同性湍流、自由剪切湍流和有壁剪切湍流。 （2） 由于紊流脉动的随机性 ，较适宜的数学处理方法是统计平均方法。对于流体的 流动问题，通常采用的是时均法。如时均速度： 瞬时值与平均值之差即为脉动值，脉动速度为： 也即，紊流瞬时量=紊流时均量+紊流脉动量 普朗特关于混合长度理论假设是有局限性的，需要进一步探讨和完善， 但在解决一些湍流流动实际问题时，应用普朗特半经验理论所获得的结果 与实际情况比较一致。因而在工程实践中得到广泛应用。 五、圆管湍流沿程阻力系数 1 沿程阻力系数及其影响因素的分析 湍流阻力由粘性阻力和惯性阻力两部分组成，湍流能量损失取决于粘性力和惯性力对比关系，以及流动的边壁条件，前者可用Re来表示。后者包括管长、过流断面的形状大小以及壁面的粗糙 等。对圆管来说，过流断面的形状固定了，而管长L和管径d 也已包括在式： 中。因此边壁的几何条件中只剩下壁面粗糙需要通过来反映。即，沿程阻力系数，主要取决于Re 和壁面粗糙这两个因素。壁面粗糙用相对粗糙度表示，因此： 2 沿程阻力系数测定和阻力分区 4. 紊流光滑区与粗糙区之间的过渡区，也称紊流过渡区  （3）莫迪图 3 非圆管道的沿程损失计算 利用水力半径的概念，建立非圆管道的当量直径，把非圆管道折合成圆形管道，这 样圆形管道制定的公式、图表就可适用于非圆形管道的阻力损失计算。 2 局部阻力系数的确定 将上式与伯努利方程比较得：  （3） 突然缩小 右图为突然缩小示意图 （4） 渐缩管 右图为渐缩管示意图 （5） 管道进口 （6）弯管与弯头 流体流经弯管与弯头时，流速大小没有变化，流动方向发生了改变。 弯管与弯头阻力损失决定于弯角 和曲率半径与管径之比R/d(或R/b)。对于矩形断面的弯管而言，还与高宽比h/d有关，