流体力学课件 第5章流动阻力和能量损失
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1、第五章流动阻力和能量损失1第一节、流动阻力与水头损失第一节、流动阻力与水头损失由沿程阻力作功而引起的水头损失（由沿程阻力作功而引起的水头损失（ hf )。因粘性，在均匀流段上产生的流动阻力。因粘性，在均匀流段上产生的流动阻力。一、流动阻力与水头损失分类一、流动阻力与水头损失分类流程长度流程长度gvdlhf22沿程损沿程损失系数失系数管道管道直径直径圆管圆管gvRlhf242水力水力半径半径非圆管非圆管2克服局部阻力克服局部阻力做功引起的能做功引起的能量损失：量损失：gvhj22局部损失系局部损失系数，因结构数，因结构而异而异,一般由一般由实验确定。实验确定。固体固体边界的急剧变化边界的急剧变化
2、而引起流体而引起流体速度速度分布变化分布变化而而集中产生集中产生的流动阻力。的流动阻力。3jfwhhh4 取圆管中恒定取圆管中恒定均匀流均匀流段相距段相距 l 的过流断面的过流断面1、2，如图。，如图。0cos02211lagAlApApAAAzzal2121,cos受力分析：受力分析：gRlgAlgpzgpz002211)()(整理得除以 gA,RA5fhgpzgpz)()(2211gRlhf0RJgRJlhgRf0或或列列1、2断面的伯努利方程：断面的伯努利方程：均匀流均匀流基本方程：基本方程：6二、圆管切应力二、圆管切应力 在半径为在半径为r0的圆管恒定均匀流中任的圆管恒定均匀流中任取一
3、半径为取一半径为r的圆柱流束进行受力分析，的圆柱流束进行受力分析，可得到流束的均匀流基本方程：可得到流束的均匀流基本方程：JrgJgRJgR2流束表面切应力流束水力半径流束水流束水力坡度力坡度JrggRJ200切应力分布：切应力分布：00rr(6-11)圆管均匀流圆管均匀流基本方程：基本方程：水力半径几何半径7第二节、粘性流体的流动状态及判别第二节、粘性流体的流动状态及判别流体质点互不掺混、有条流体质点互不掺混、有条不紊地做有序的成层流动。不紊地做有序的成层流动。速度、压力等物理量在时速度、压力等物理量在时间和空间上发生不规则脉间和空间上发生不规则脉动的流动现象。动的流动现象。1、层流、层流2
4、、紊流（湍流）、紊流（湍流）流态演示流态演示83、上临界流速、上临界流速和和下临界流速下临界流速紊流紊流cvcv上临界流速上临界流速下临界流速下临界流速cvcv层流紊流过渡vv00？9二、不同流态的阻力规律二、不同流态的阻力规律fhgvagpzgvagpz222222221111：定压、等径，即均匀恒定均匀恒定。fhgpzgpz)()(2211该管段的沿程损失等于两断面的该管段的沿程损失等于两断面的测压管水头测压管水头差。差。： 选过流断面1、2，各装一测压管，列伯努利方程：测压管水头测压管水头10关系曲线vfh小小大大OABDE大大小小EDCAO1组：速度由小到大测组：速度由小到大测2组：速
5、度由大到小测组：速度由大到小测断面流速变化与沿程水头损失间的关系曲线 。曲线vfh流速变化：流速变化：曲线曲线11mkvhfOA段：CDE段：AC、BD段：0.1,kvhvvfc层流0 .275.1,kvhvvfcr紊流流态不稳定（流态不稳定（过渡区）。过渡区）。流态不同，阻力变化规律（不同）。流态不同，阻力变化规律（不同）。结论：结论：流态如何判断？流态如何判断？12雷诺数为什么能够判别流态？雷诺数为什么能够判别流态？1）圆管有）圆管有压流动压流动dvdvccRe三、层流与紊流的判断：雷诺数三、层流与紊流的判断：雷诺数2）明渠或天然河道）明渠或天然河道RvRvccRe500500层流层流紊流
6、紊流工程：工程：300AR 13 当当Re（小于下临界雷诺数时），粘性对流动起主导（小于下临界雷诺数时），粘性对流动起主导作用，因微小扰动产生的紊动，在粘性作用下会逐渐衰减作用，因微小扰动产生的紊动，在粘性作用下会逐渐衰减下来，流动依然维持（层流状态）。下来，流动依然维持（层流状态）。 随着雷诺数的增大，粘性的影响作用减弱，惯性力对随着雷诺数的增大，粘性的影响作用减弱，惯性力对紊动的激励作用增强，当雷诺数大于下临界雷诺数时，惯紊动的激励作用增强，当雷诺数大于下临界雷诺数时，惯性力占主导作用，流动逐渐转变为紊流。性力占主导作用，流动逐渐转变为紊流。dvdvccRe原因简析原因简析14Jrdrdu
7、2rdrJdu2CrJu2420400rJCurr)(14)(42022200rrrJrrJu速度分布：速度分布：边界条件利用边界条件利用很重要很重要Jrg2由牛顿内摩擦定律：由牛顿内摩擦定律：0r15圆管层流中的切应力和速度分布规律图圆管层流中的切应力和速度分布规律图00rrP1380r02max04rrJu00maxrr)(142020rrrJu16max20020202182110urJrdrurudArvrA二、平均速度二、平均速度)(142020rrrJu体积流量：体积流量：2040082rvrJrdrudAuqRAV哈根哈根-泊谡叶方程泊谡叶方程毛细管粘度计原理：毛细管粘度计原理：
8、208Jrv平均流速17)(142020rrrJu208rJv202 rA22AvdAuA20202Avrdrur3418332121AvdAuA四、圆管层流的沿程损失四、圆管层流的沿程损失由平均由平均流速流速2020328dJrJv0 . 222020Avrdrur19vdJ2032Jlhfvdlhf2032gvvdl264220vvvdl223220gvdlgvdlhf22Re642020沿程阻力系数0Re1vd减小阻力的途径？减小阻力的途径？20第四节、紊流流动基础第四节、紊流流动基础一、紊流的基本特征一、紊流的基本特征特点特点1：随机性随机性特点特点2：三维性三维性特点特点3：脉动量有
9、时候很大，不能当微小量处理。脉动量有时候很大，不能当微小量处理。xuxuxu21二、紊流流动的二、紊流流动的时均化时均化 时间平均流动时间平均流动和和随机脉动流动随机脉动流动的叠加：的叠加：TxxdtuTu01xxxuuu说明：说明：xuxuxu紊流瞬时流速紊流瞬时流速 瞬间看紊流不是恒定流，但从时均看，可认为是瞬间看紊流不是恒定流，但从时均看，可认为是恒定流。恒定流。恒定流的基本方程也适用于紊流恒定流的基本方程也适用于紊流。TdtuTuxx010?22三、紊流运动中的摩擦阻力三、紊流运动中的摩擦阻力1、紊流中的切应力：、紊流中的切应力：dyudx1时均流时均流速速 梯度梯度（1）流层相对运动
10、产生的）流层相对运动产生的时均粘时均粘性切应力性切应力（2）附加切应力）附加切应力 脉动导致质点互相掺混，相邻流层间产生脉动导致质点互相掺混，相邻流层间产生动量交换动量交换，从而在流层分界面上形成从而在流层分界面上形成附加切应力附加切应力.xxxuuuxuxuxu如何表征如何表征? ?0dyudx23 设有二维恒定均匀紊流，流向平行于设有二维恒定均匀紊流，流向平行于x，A点沿点沿X方方向的向的 瞬时速度为：瞬时速度为：横向脉动速度为：横向脉动速度为：yuxxxuuu0dyudx 由于横向脉动，该处质由于横向脉动，该处质点以脉动速度点以脉动速度 通过流层通过流层间的微小面积间的微小面积进入邻层并
11、进入邻层并把把本身具有的动量本身具有的动量传递给邻传递给邻层。在层。在 t内通过内通过转移的转移的动动量为：量为：yu)(xxyuutAuxum24)(xxyuutAutT 由质点动量定律：沿由质点动量定律：沿X方向质点动量的变化方向质点动量的变化等于等于 t时段作用在时段作用在 A上的切力上的切力 T的冲量，即的冲量，即 ：)(2xxyuuuAT附加切应力附加切应力:1100TxyTyxdtuuTdtuuTTxxydtuuuT0_2)(125关于方向的讨论：关于方向的讨论：0_21xyTxyuudtuuT设速度梯度设速度梯度0dyudx时0yu1）当0dyudx 质量从下层传往上层，因下层时
