第4章-流动阻力与水头损失详解.pptx

流体力学 湖南城市学院土木院 第4章　流动阻力与水头损失 4-1. 流动阻力和水头损失的分类 4-2. 均匀流沿程水头损失与切应力的关系 4-3.粘性流体运动的两种流态 4-4. 圆管层流 4-5. 湍流运动的特点 4- . 边界层理论简介 4-6. 湍（紊）流的沿程水头损失 4-7.局部水头损失 4-1. 水头损失的两种形式 沿程水头损失 局部水头损失 水头损失的计算 均匀流的沿程水头损失与壁面切应力的关系 4-1. 水头损失的两种形式 水头损失的概念： 单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能。 沿程水头损失 局部水头损失 水头损失的分类： 4-1. 水头损失的两种形式 一、沿程水头(阻力) 损失 hf 1、 定义： 水头损失沿程均有并随沿程长度增加。主要由于液体与管壁以及液体本身的内部摩擦，使得液体能量沿程降低。 2、特点： （1) 沿程粘性阻力均匀地分布在整个均匀流流段上； （2) 沿程损失与管段的长度成正比。 4-1. 水头损失的两种形式 二、局部水头（阻力）损失 hj 由于流动边界形状突然变化，引起流线弯曲以及边界层分离而引起的水头损失。 4-1. 水头损失的两种形式 常见的发生局部水头损失区域 只要局部地区边界的形状或大小改变，液流内部结构就要急剧调整，流速分布进行改组，流线发生弯曲并产生旋涡，在这些局部地区就有局部水头损失。 4-1. 水头损失的两种形式 液流产生水头损失的两个条件 (1) 液体具有粘滞性。 (2) 由于固体边界的影响，液流内部质点之间 产生相对运动。 液体具有粘滞性是主要的，起决定性作用。 4-1. 水头损失的两种形式 三、水头损失的计算公式 4-1. 水头损失的两种形式 1、沿程水头损失 圆形管道： 非圆管道： λ——沿程损失因数 R——水力半径 A---过流断面的面积 χ---湿周 2、局部水头损失 hj= ζ v2/(2g) ζ——局部损失因数 4-1. 水头损失的两种形式 3、总能量损失 hw 4-1. 水头损失的两种形式 圆管恒定均匀流为例 4-2. 均匀流沿程水头损失与切应力的关系 流体段的受力为： （1）动压力： P1= p1A，P2=p2A ； （2）重力： G= ρ g A l ； （3）摩擦力： Fμ = τ0χ l ΣF= 0 : P1－P2 + G cosα－ Fμ=0 p1A－p2A + ρgA l cos α － τ0χ l = 0 或 流体段的平衡方程 均匀流基本方程为 除以ρgA，并考虑lcosα=z1-z2，并考虑能量方程 p1/ρg－p2 /ρg+ (z1-z2)= τ0χ l /(ρgA)= τ0 l /(ρgR)=hf 4-2. 均匀流沿程水头损失与切应力的关系 各流层间均有内摩擦切应力，同理 可求得 由均匀流基本方程以及沿程水头损失的达西公式 可得壁面切应力与沿程损失因素的关系 定义摩阻流速v* 达西公式（4-2） （4-9） 层流 湍(紊)流 4-3. 粘性流体运动的两种流态 4-3. 粘性流体运动的两种流态 一、雷诺试验 层流：各层质点互不掺混 紊流：流体质点的轨迹曲折、混乱，各流层的流体质点相互掺杂 过渡流：层流与紊流之间的流动 4-3. 粘性流体运动的两种流态 二、沿程水头损失与流速的关系 层流 湍流 ab段 层流 ef段 紊流 be段 临界状态 结论：流态不同，沿程损失规律不同 临界速度：流态转变时的速度。 下临界速度：由湍（紊）流转变为层流时的速度vc 上临界速度：由层流转变为湍流时的速度vc′ 实验证明， vc远小于vc′ 通过正反两种实验情况，雷诺得出如下结果： 当v vc′时，流体作紊流运动； 当v vc时，流体作层流运动； 当vc v vc′时，流态不稳，可能是层流也可能是紊流。 4-3. 粘性流体运动的两种流态 三、雷诺数与其临界值 雷诺从一系列试验中发现： 1、 不同种类液体在相同直径的管中进行实验，所测得的临界速度是各不相同的； 2、 同种液体在不同直径的管中实验，所得的临界速度也不同。 故判定临界速度是液体的物理性质（ ， ）和管径（ d ）的函数。 4-3. 粘性流体运动的两种流态 液体形态的判别 雷诺数： 临界雷诺数：液流型态开始转变时的雷诺数。 对圆管： 对明渠及天然河道 4-3. 粘性流体运动的两种流态 对于非圆管，如矩形、三角形、环形管等，管道的特征尺寸是管道的当量直径（或称水力直径）