第四章流动阻力和水头损失

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1、流体力流体力学电学电子子教教案案第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失whgvgpzgvgpz222222221111 1 1、从力学观点看，本章研究的是、从力学观点看，本章研究的是流动阻力流动阻力。 产生流动阻力的原因：产生流动阻力的原因： 内因内因粘性粘性+ +惯性惯性流体的粘滞性是能量损失的根本原因。 外因外因外界干扰外界干扰能量损失与流体的物理特性和边界特征有密切关系。 2 2、从能量观看，本章研究的是、从能量观看，本章研究的是能量损失（水头损失）。能量损失（水头损失）。1、水头损失的产生、水头损失的产生：在一定距离的流程内，每单位重量流体 的能量损失，称为该流程上的水头损

2、失，以hw 表示。 第一节、能量损失的物理概念及其分类第一节、能量损失的物理概念及其分类第三节第三节 流动水头损失概念流动水头损失概念2、水头损失的分类、水头损失的分类：根据流体接触的边壁沿程是否变化，把能量损失分为两类：沿程损失：沿程损失：局部损失：局部损失：发生在发生在均匀流均匀流段上，由段上，由沿程阻力沿程阻力产生的水头损失。产生的水头损失。发生在发生在非均匀流非均匀流段上，由段上，由局部阻力局部阻力产生的水头损失。产生的水头损失。以以 hf 表示表示以以 hj 表示表示gvdlhf22gvhj22或或22vdlpf或或22vpj3、水头损失的迭加原理：、水头损失的迭加原理：总水头损失是

3、某一流段沿程水头损失与局部水头损失的总和。jfwhhhjfwhhh4 4、水头损失的影响因素、水头损失的影响因素1、流体边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影响、流体边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影响 横向轮廓的形状和大小的表示： 过水断面面积 湿周：流体过水断面与固体边界的周界线。符号/AR 水力半径：面积与湿周的集合表示过水断面的特征， 水力半径。即：2、流体边界纵向轮廓对水头损失的影响、流体边界纵向轮廓对水头损失的影响 均匀流时： 只有沿程水头损失。 非均匀流： 两种水头损失都有。3、流体的运动状态对水头损失的影响、流体的运动状态对水头损失的影响 层流：只有粘性阻力 紊流：既有粘性

4、阻力又有惯性阻力b/22bbbr1r2A2A1 过流断面面积过流断面面积A 越大，水越大，水头损失头损失hw 越小。越小。【湿周【湿周】在过流断面上流体与固体边壁的在过流断面上流体与固体边壁的接触周长接触周长。 过流断面面积过流断面面积A 相同时，湿周相同时，湿周 越大，水头损失越大，水头损失 hw 越大。越大。AF1Fbh矩形明渠矩形明渠【水力半径【水力半径 R 】：】：AR 单位：单位：m水力半径 R 越大，水头损失 hw 越小。RF1222rrrR442aaaR)(2hbbhRbhbhR2r圆形圆形aa方形方形bh矩形矩形bh矩形明渠矩形明渠【层流与紊流的流动现象【层流与紊流的流动现象】

5、 雷诺实验雷诺实验层流层流紊流紊流过渡阶段过渡阶段速度由小到大，层流向紊流过渡速度由小到大，层流向紊流过渡 上临界速度上临界速度 vc速度由大到小，紊流向层流过渡速度由大到小，紊流向层流过渡下临界速度下临界速度 vc稳定直线，质点稳定直线，质点不相混杂不相混杂线条摆动弯曲，线条摆动弯曲，旋转，破裂旋转，破裂线条完全散开，质点线条完全散开，质点混杂，作无规则运动混杂，作无规则运动1、实验现象、实验现象 【层流与紊流的流动现象【层流与紊流的流动现象】 雷诺实验雷诺实验2、hf 关系图关系图 层流：0 . 1vhf紊流：0 . 275. 1vhfAEBCD层流过渡区紊流 雷诺在观察现象的同时，测量

6、，绘制 的关系曲线如下：vhf,vhflglg【层流与紊流的流动现象【层流与紊流的流动现象】 雷诺实验雷诺实验3、流态的判别、流态的判别 通过量纲分析和相似原理发现，上面的物理量可以组合成一个无量纲数，并且可以用来判别流态。 1883 1883年，年，雷诺试验雷诺试验也表明：圆管中也表明：圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数。恒定流动的流态转化取决于雷诺数。 d 是圆管直径，v 是平均流速， 是流体的运动粘性系数。 实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。即惯性扰动和粘性稳定之间对比和抗衡的结果。 ),(dfvc临界速度不能作为判别流态的标准！称

7、为雷诺数。vdRe【层流与紊流的流动现象【层流与紊流的流动现象】 雷诺实验雷诺实验3、流态的判别、流态的判别 2000Re c速度由小到大，层流向紊流过渡上临界雷诺数 Rec速度由大到小，紊流向层流过渡下临界雷诺数 Rec2000Re c紊流紊流层流层流紊流紊流层流层流上临界雷诺数上临界雷诺数下临界雷诺数下临界雷诺数ReReRec=12000-40000 圆管 明渠500Re c【层流与紊流的流动现象【层流与紊流的流动现象】 雷诺实验雷诺实验4、层流向紊流的过渡、层流向紊流的过渡 高速流层低速流层任意流层之上下侧的切应力构成顺时针方向的力矩，有促使旋涡产生的倾向。+-+-涡体涡体雷诺数与哪些因

8、素有关？其物理意义是什么？当管道流量一定时，随管径的加大，雷诺数是增大还是减小？雷诺数与临界速度、流体的密度、动力粘滞系雷诺数与临界速度、流体的密度、动力粘滞系数及水力半径有关。雷诺数是表征惯性力与粘数及水力半径有关。雷诺数是表征惯性力与粘性力的比值，可以用来判别流态。当管道流量性力的比值，可以用来判别流态。当管道流量一定时，随管径的增加，雷诺数是减小的。一定时，随管径的增加，雷诺数是减小的。答：答：思考：思考：为什么用下临界雷诺数，而不用上临界雷诺数作为层流和紊流的判别标准？由于上下临界雷诺数间的液流是极不稳定的，任何微小的由于上下临界雷诺数间的液流是极不稳定的，任何微小的扰动都可能会使层流

9、变成紊流，而在实际工程中扰动总是扰动都可能会使层流变成紊流，而在实际工程中扰动总是存在的。下临界雷诺数是稳定的，在下临界雷诺数范围内存在的。下临界雷诺数是稳定的，在下临界雷诺数范围内的流动，即使受到干扰，也能恢复为层流。因此，判别流的流动，即使受到干扰，也能恢复为层流。因此，判别流态应以下临界雷诺数作为判别标准。态应以下临界雷诺数作为判别标准。答：答：思考：思考：【例】 某输出管，已知油的运动粘度 ，试求不同流态及相应管径 d 。【解【解】由由解得解得sm /102 . 224smQ/102033CddQvR）（）（则有取4-3-102 . 214. 31020420002000Re,4Re时

10、为层流当时为临界流当时为紊流故：当mddmddmddCCC05. 005. 005. 0mdc05. 0sm /1079. 1261smv/5 . 0mmd100200027933Re1vd20001667Re2vd【例】水和油的运动粘度分别为 若它们以 的流速在直径 为 的圆管中流动，试确定其流动状态？【解【解】 对对1 11 1，2 22 2列写伯努利方程列写伯努利方程sm /1030262水的流动雷诺数水的流动雷诺数 紊流流态紊流流态油的流动雷诺数油的流动雷诺数层流流态层流流态【例】 温度 运动粘度 的水，在直径 的管中流动，测得流速 ，问水流处于什么状态？如要改变其运动，可以采取那些办

11、法？【解【解】 水的流动雷诺数水的流动雷诺数1 1）改变流速）改变流速如要改变其流态如要改变其流态层流流态层流流态Ct15sm /1014. 126md2scmv/820001404Revdsmdvk/4 .11Re2 2）提高水温改变粘度）提高水温改变粘度scmvd/008. 0Re2【例】 某实验中的矩形明渠水流，底宽 ，水深 ，流速 ，水温为 试判别流态。【解【解】 水流的运动要素水流的运动要素紊流流态紊流流态Ct 20sm /100 . 126mb2 . 0smv/12. 05006000RevRmARmhbmbhA05. 04 . 0202. 02mh1 . 0【例】 1.水管的直径