层流、紊流及其能量损失

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1、《流体力学》合肥工业大学土木与水利工程学院主讲：曹广学第五章层流、紊流及其能量损失实际流体在运动时，因粘滞性的存在，在流动过程中会产生流动阻力，而克服阻力必然要消耗一部分机械能，并转化为热能，造成了能量损失。因此只有确定了流动阻力，或由流动阻力产生的水头损失之后，能量方程才能用以解决实际问题。故本章在扼要分析液流型态及其特征的基础上再来讨论水头损失的变化规律和计算方法。第五章层流、紊流及其能量损失第五章层流、紊流及其能量损失§5.1层流与紊流的概念§5.2均匀流的沿程损失§5.3圆管中的层流损失§5.4紊流流动的特征§5.5紊流的沿程损失§5.6紊流的断面流速

2、分布§5.7流动的局部损失第五章层流、紊流及其能量损失第五章层流、紊流及其能量损失问题：理想流体和实际流体的区别？有无粘滞性是理想流体和实际流体的本质区别。粘滞性是运动流体产生水头损失的根源。水头损失的物理概念及其分类水头损失：单位重量的流体自一断面流至另一断面所损失的机械能。分类：(1)沿程水头损失;(2)局部水头损失。对应阻力：(1)沿程阻力;(2)局部阻力。第五章层流、紊流及其能量损失第五章层流、紊流及其能量损失流速分布流线理　想　流　体第五章层流、紊流及其能量损失第五章层流、紊流及其能量损失流速分布流线实　际　流　体第五章层流、紊流及其能量损失第五章层

3、流、紊流及其能量损失沿程水头损失：在固体边界平直的流体流动中，单位重量的流体自一断面流到另一断面所损失的机械能就叫这两断面之间的水头损失，这种水头损失是沿程都有并随沿程长度增加而增加的，所以叫沿程水头损失，常用hf表示。其相应的摩擦阻力为沿程阻力。第五章层流、紊流及其能量损失第五章层流、紊流及其能量损失理　想　流　体第五章层流、紊流及其能量损失第五章层流、紊流及其能量损失实　际　流　体第五章层流、紊流及其能量损失第五章层流、紊流及其能量损失局部水头损失：在固体边界发生变化的流体流动中，有旋涡区，涡体（共同旋转的流体质点群）的形成、运转和分裂，以及流速分布改组过

4、程中流体质点相对运动的加强，都使内摩擦增加，产生较大的能量损失，这种能量损失是发生在局部范围之内的，叫做局部水头损失，常用hj表示。其相应的摩擦阻力称为局部阻力。第五章层流、紊流及其能量损失第五章层流、紊流及其能量损失对于在某个流程上流动的流体，它的总水头损失hw遵循叠加原理即hw=∑hf+∑hj第五章层流、紊流及其能量损失§5.1层流与紊流的概念在不同的初始和边界条件下，实际流体质点的运动会出现两种不同的运动状态，一种是所有流体质点作有规则的、互不掺混的运动，另一种是作无规则掺混的混杂运动。前者称为层流状态，后者称为紊流状态（别称湍流状态）。1883年英国物

5、理学家雷诺（Reynolds）通过实验研究，较深入地揭示了两种流动状态的本质差别与发生地条件，并确定了流态的判别方法，我们现在先来学习雷诺实验。第五章层流、紊流及其能量损失§5.1层流与紊流的概念§5.1.1雷诺实验１.实验装置介绍：①保持恒定流的水箱;②带阀门的等直径圆管;③带针管的有色液体漏斗.第五章层流、紊流及其能量损失§5.1层流与紊流的概念２.实验过程介绍：第一阶段，将关着的阀门k1徐徐开启，液体从玻璃管中流出，然后将颜色液体阀门k2打开，就可以看到玻璃管中有一条细直而鲜明的带色流束，这一流束并不与其他流束混杂。第二阶段，再将阀门k1逐渐开大，玻璃管

6、中流速增大（流量大）。现象：带色流束开始颤动而弯曲，具有波形轮廓。然后在个别流段上出现破裂，因而失掉带色流束清晰形状。第三阶段，继续开大阀门k1，当流速达到某个定值时，带色流束完全破裂，并且很快扩散成布满全管的漩涡，使全部水流着色。说明此时流体质点已互相混掺。流速小—层流流速逐渐增大—过渡流流速达某一定值时—紊流第五章层流、紊流及其能量损失§5.1层流与紊流的概念实验表明：同一种流体在同一管道中流动，当流速不同时，流体存在两种不同型态的运动。层流：当流速较小时，各流层的流体质点是有条不紊地呈层状运动，互不混杂，这种型态的流动叫层流。紊流：当流速较大时，各流层的

7、流体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺，这种型态的运动叫紊流。第五章层流、紊流及其能量损失§5.1层流与紊流的概念第四阶段，将试验以反方向进行，则管中的现象以相反的程序重演，注意不同的是，紊流转变为层流时，流速数值小于层流转变为紊流量时的流速。3.实验结果分析处理在玻璃管的起点和出口处各设一根测压管，量出两测压管的水位差，这就是管中水流的沿程水头损失。实验时，结合观察红颜色水的流动，量测两测压管中的高差以及相应流量，建立水头损失hf和管中流速v的实验关系，并点汇于双对数坐标纸上。层流：m＝1紊流：m＝1.75～2第五章层流、紊流及其能量损失§5.1层流与紊流

8、的概念§5.1.2流态的判别--雷诺数