流体力学5-6沿程阻力.ppt

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1、第六节紊流的沿程水头损失一、尼古拉兹实验1933年德国力学家和工程师尼古拉兹Nikuradse进行了管流沿程阻力系数和断面流速分布的实验测定。1．沿程阻力系数λ的影响因素人工粗糙管绝对粗糙度:用糙粒的突起高度ks（砂粒直径）来表示壁面的粗糙相对粗糙度：糙粒突起高度ks与管道直径之比，它能在不同直径的管道中反映壁面粗糙的影响12．沿程阻力系数的测定和阻力分区图实验装置：人工粗糙管实验方法：#以ks/d=1/30~1/1014的人工粗糙管作不同组实验#对每根人工粗糙管(ks/d=c)变流量，则v、hf变化算出若干组Re和λ值，将其点绘在双对数坐标纸上，就得

2、到=f(Re,ks/d）曲线，即尼古拉兹曲线图23尼古拉兹实验曲线I.ab线层流区，=f(Re)，=64/Re，Re<2300II.bc线范围窄，=f(Re)，Re=2300~4000，层流向紊流过渡，实用意义不大，不予讨论III.cd线紊流光滑区，=f(Re)，Re>4000，随Re的增大，ks/d大的管道，实验点在Re较低时便离开此线ks/d小的管道，实验点在Re较大时才离开IV.cd、ef线间紊流过渡区，=f(Re，ks/d)不同相对粗糙管的实验点分别落在不同的曲线上V.ef右侧水平直线族紊流粗糙区(阻力平方区)，=f(ks/d)对

3、于一定的管道（ks/d一定），是常数4紊流三区的流动特征紊流分为光滑区、过渡区及粗糙区，各区的变化规律不同，究其原因是存在粘性底层的缘故。紊流光滑区δ’>>ks粗糙突起完全被掩盖在粘性底层内，对紊流核心的流动几乎没有影响=f(Re)紊流过渡区δ’≈ks粗糙影响到紊流核心的紊动强度，=f(Re，ks/d)紊流粗糙区δ’

4、e>2300光滑区a.粘性底层线性分布;b.其他区域呈对数或指数曲线分布。紊流附加切应力=f（Re）与ks/d无关过渡区=f(Re，ks/d）粗糙区=f(ks/d)与Re无关6二、流速分布半经验公式尼古拉兹通过实测流速分布，完善了普朗特—卡门对数分布律，使之具有实用意义1．紊流光滑区根据尼古拉兹实验取β=0.4、c1=5.5代入上式，并把自然对数换成常用对数，便得到光滑区速度分布半经验公式72．紊流粗糙区根据尼古拉兹实验取β=0.4、c2=8.48代入上式，并把自然对数换成常用对数，便得到粗糙区速度分布半经验公式3、紊流流速分布的指数式193

5、2年尼古拉兹根据实验结果提出了此式，n为指数随雷诺数Re而变化。该指数公式完全是经验性的，但因公式形式简单，被广泛应用8三、λ的半经验公式1、尼古拉兹光滑管公式2、尼古拉兹粗糙管公式9四、阻力区的判别粘性底层厚度为紊流三区的λ计算公式不同，必须先判别阻力区，才能选用相应公式。粘性底层厚度δ’、壁面粗糙突起高度ks的相互关系决定了阻力分区。在边界y=δ’处，粘性底层厚度应同时满足下两式与粗糙高度相比粗糙雷诺数紊流光滑区紊流过渡区紊流粗糙区10五、工业管道和柯列勃洛克公式Colebrook1、工业管道的当量粗糙高度人工粗糙管和工业管道有很大差异，尼古拉兹半

6、经验公式能否用于工业管道?工业钢管粗糙特点:粗糙高度随机(有大有小),形状各异,疏密不定,排列随机人工粗糙管特点:粗糙高度ks一定(筛分后的沙粒直径相同),排列整齐,疏密均匀11紊流光滑区两者虽然粗糙不同，但都为粘性底层掩盖，对紊流核心无影响。尼古拉兹光滑管公式适用于工业管道紊流粗糙区两者的粗糙突起，都几乎完全突入紊流核心，λ变化规律相同，尼古拉兹粗糙管公式有可能用于工业管道当量粗糙高度把直径相同、紊流粗糙区值相等的人工粗糙管的粗糙突起高度ks定义为该管材工业管道的当量粗糙高度，即以工业管道紊流粗糙区实测的值，代入尼古拉兹粗糙管公式，反算得到的ks值。

7、按沿程损失的效果折算出的工业管道当量糙粒高度是反映了糙粒各种因素对的综合影响。常见工业管道的当量粗糙高度见P104表5-2122、柯列勃洛克公式和穆迪图在紊流过渡区，工业管道的不均匀粗糙突破粘性底层进入紊流核心，不同于人工粗糙是一个逐渐过程，两者的变化规律相差很大。1939年英国学者Colebrook给出适用于工业管道紊流过渡区的计算公式柯列勃洛克公式不仅适用于工业管道紊流过渡区，且可用于紊流全部三个阻力区，故称为紊流的综合公式。该公式适用范围广，与工业管道实验结果符合良好，被广泛应用。（柯列勃洛克公式）131944年美工程师穆迪Moody以克里布鲁克

8、公式为基础，以相对粗糙ks为参数，把λ作为Re的函数，绘出工业管道沿程阻力系数曲线图（穆迪图）