哈工大流体力学章七.ppt

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1、流体动力学理论基础层流、紊流及其能量损失哈尔滨工业大学航天学院2014年3月流动阻力与水头损失单位重力流体的总水头损失：沿程损失局部损失雷诺实验：层流与紊流的概念水溢流板排水进水B玻璃管C阀门D颜色水容器F阀门A水箱E颜色水注入管雷诺数层流与紊流的概念实验发现雷诺数利用雷诺数判别流态层流与紊流的概念层流状态：ReRe'c过渡区：RecRec均匀流的沿程损失实验证明总流的沿程损失通用公式（达西公式）其中λ称为沿程阻力系数。圆管中的层流流动沿程损失圆管层流的沿程损失系数层

2、流和紊流的主要区别在于：紊流：各流层之间液体质点不断互相掺混层流：各流层之间液体质点无互相掺混互相掺混是由于液流扰动产生涡体所致，涡体形成是掺混作用产生的根源。紊流的成因紊流运动的随机性紊流的基本特征是，流动中许多涡体在相互混掺的运动。涡体位置、大小、流速等都在时刻变化。因此，当一系列参差不齐的涡体连续通过空间某一给定位置时，反映出这一定点的运动要素（如流速、压强等）发生随机脉动。紊流运动的模化方法模化方法：采用流动模型代替实际流动的方法。紊流运动的模化方法：时间平均法空间平均法统计平均法（系综平均法）试验证实：

3、N=11.6且紊流流动的近壁特征本章内容层流与紊流的概念均匀流的沿程损失圆管中的层流流动紊流流动的特征紊流的沿程损失和断面流速分布流动的局部损失紊流的沿程损失达西公式沿程阻力系数紊流的沿程损失管壁表面粗糙凸出的平均高度。管壁的绝对粗糙度管壁的相对粗糙度管壁的绝对粗糙度与管径之比。紊流的沿程损失流道壁面的类型水力光滑管水力粗糙管过渡粗糙管紊流的沿程损失水力光滑管粗糙度的影响完全淹没在水流粘性底层之中，对水流的运动不产生影响，边壁对水流的阻力主要是粘滞阻力。δ0Δ紊流的沿程损失水力粗糙管粗糙度直接深入到水流核心区，边

4、壁的粗糙度对紊流已成为主要的作用，而粘性底层的粘滞力只占据次要的地位。δ0Δ紊流的沿程损失过渡粗糙管当粘性底层的厚度不足以完全掩盖边壁粗糙度的影响，但是，粗糙度还没有起决定性的作用。δ0Δ壁面类型都是相对水流条件而言的紊流的沿程损失因为壁面粗糙度是一定的，但粘性底层厚度是相对的，随雷诺数变化。在流动条件一定时，边壁可能是光滑面；但流动条件改变时，其就可能变为粗糙面了。实验条件：管道、人工粗糙面紊流的沿程损失尼古拉兹实验实验装置hfl紊流的沿程损失对于一系列不同的相对粗糙度、流速和水头损失，得到了一系列实验关系曲线

5、。紊流的沿程损失紊流的沿程损失1/301/61.21/1201/2521/5041/1014Δ/dⅠⅡⅢⅣⅤ光滑Ⅰ层流区：Re<2320（lgRe<3.36）紊流的沿程损失1/301/61.21/1201/2521/5041/1014Δ/dⅠⅡⅢⅣⅤ光滑Ⅱ流态过渡区：23204000（lgRe>3.6）紊流的沿程损失1/301/61.21/1201/25

6、21/5041/1014Δ/dⅠⅡⅢⅣⅤ光滑紊流区：Re>4000（lgRe>3.6）紊流的沿程损失沿程阻力系数决定于粘性底层厚度δ0和绝对粗糙度Δ之间的关系Ⅲ紊流光滑区Ⅳ紊流过渡区Ⅴ紊流粗糙区（阻力平方区）Ⅲ紊流光滑区（直线）紊流的沿程损失该区Re较小，δ0>>Δ，不同相对粗糙度的实验数据在该区位于一条直线上。从Re＝4000开始，不同相对粗糙度的曲线都进入该区，但在该区的存在范围不同，相对粗糙度越大越早离开该区。紊流的沿程损失1/301/61.21/1201/2521/5041/1014Δ/dⅠⅡⅢⅣⅤ光滑Ⅲ

7、紊流光滑区常用公式紊流的沿程损失布达休斯公式普朗特公式尼古拉兹公式Ⅳ紊流过渡区紊流的沿程损失该区管壁的粗糙突出已部分暴露在紊流区内，但不起主导作用。沿程阻力系数与雷诺数和相对粗糙度均有关。科尔布鲁克公式紊流的沿程损失1/301/61.21/1201/2521/5041/1014Δ/dⅠⅡⅢⅣⅤ光滑Ⅴ紊流粗糙区紊流的沿程损失该区管壁的粗糙突出已完全暴露在紊流区内，粗糙度起主导作用。各条不同相对光滑度的试验曲线近似为直线，表明沿程阻力系数和Re关系不大，只与Δ/d有关。尼古拉兹公式Ⅴ紊流粗糙区紊流的沿程损失λ与Re无

8、关，则水头损失与断面平均流速V的平方成正比，故该区又称阻力平方区。紊流的沿程损失层流区紊流光滑区（含流态过渡区）紊流过渡区紊流粗糙区以上所得出的沿程阻力系数的规律，除了层流可以直接用于水力计算外，其他都是在人工粗糙面的条件下得出的规律，无法应用于工程实际计算。原因：实际管道壁面的绝对粗糙度在形状、排列和分布上都不同于人工粗糙面。紊流的沿程损失1944年，英国人Moody对