工程流体力学课件 第05章 流动阻力与水头损失.ppt

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1、第五章流动阻力与水头损失工程流体力学实际流体具有粘性，流体在运动过程中因克服粘性阻力而耗损的机械能称为水头损失。为了使流体能维持自身的运动，就必须从外界给流体输入一定的能量以补偿水头损失。例如，为保证管路正常通水，就得通过水泵给水管输入能量。因此，水头损失的研究具有重要的意义。能量损失的表示方法：液体：—单位重量流体的能量损失气体：—单位体积流体的能量损失主要内容5.1层流与湍流流动5.2流动损失分类5.3定常均匀流基本方程5.4圆管中流体的层流流动5.5边界层理论简介5.6圆管中流体的湍流流动5.7沿程阻力系数的实验研究5.8非圆形截面管道沿程阻力的计算5.9局部损失的

2、计算★本章重点掌握沿程水头损失计算局部水头损失计算章目解析从力学观点看，本章研究的是流动阻力。产生流动阻力的原因：内因——粘性+惯性外因——流体与固体壁面的接触情况流体的运动状态(外界干扰）从能量观看，本章研究的是能量损失（水头损失）。研究内容管流：研究hw的计算（本章重点）。水头损失的两种形式hf：沿程水头损失(由摩擦引起)；hj：局部水头损失（由局部干扰引起）。总水头损失：5.1层流与湍流流动粘性流体两种流动状态：紊流状态层流状态一、雷诺实验.1.装置实验条件液面高度恒定.水温恒定图5-1雷诺实验装置3.实验步骤过渡状态紊流状态层流状态将水箱A注满水；微微打开玻璃管末

3、端的调节阀C；再打开颜色水瓶D上的小阀K；管中颜色水呈明显的直线形状，不与周围的水流相混。如图5-2(a)所示。调节阀C逐渐开大，水流速度增大到某一数值时颜色水的直线流将开始振荡，发生弯曲，如图5-2(b)所示。再开大调节阀C，当水流速度增大到一定程度时，弯曲颜色水流破裂成一种非常紊乱的状态，颜色水从细管E流出，经很短一段距离后便与周围的水流相混，扩散至整个玻璃管内，如图5-2(c)所示。图5-2层流、紊流及过渡状态雷诺实验紊流几个概念：1、层流：流体质点平稳地沿管轴线方向运动，而无横向运动，流体就象分层流动一样，这种流动状态称为层流。2、湍流：流体质点不仅有纵向运动，而

4、且有横向运动，处于杂乱无章的不规则运动状态，这种流动状态称为湍流。3、上临界流速Vc’：由层流过渡到紊流的速度极限值称为上临界速度，以Vc’表示。4、下临界流速Vc：把上述实验反方向进行，逐渐降低流速，由紊流转变为层流的速度称为下临界速度，以Vc表示。雷诺实验表明：①VcVc’时为紊流；当v

5、用相同的液体在不同玻璃管径下进行试验，所测得的临界流速也不同，管径大的临界流速反而小。二、能量损失与平均流速的关系列截面1-1和2-2的伯努利方程由于玻璃管是等截面管，所以令另外玻璃管是水平放置的，即图5-3水平等直管道中水头损失测压管中的水柱高差即为有效截面1-1和2-2间的压头损失。雷诺在观察现象的同时，测量，绘制的关系曲线如下：层流：紊流：AEBCD层流过渡区紊流图5-4层流和紊流的关系曲线三、流态的判别雷诺数对于圆管流：工程上取当Re≤2000时，流动为层流；当Re＞2000时，即认为流动是紊流。对于非圆形截面管道：雷诺数——当量直径例5-1例5-2【例5-1】管

6、道直径d＝100mm，输送水的流量qv＝0.01m3/s，水的运动粘度m2/s，求水在管中的流动状态？若输送m2/s的石油，保持前一种情况下的流速不变，流动又是什么状态？解题分析（2）故油在管中是层流状态。【解】（1）雷诺数故水在管道中是紊流状态。（m/s）[例5-2]水流经变截面管道，已知d2/d1=2，则相应的Re2/Re1=?[解]因故解题分析一、水头损失的工程意义图5-1水泵供水示意图5.2流动损失分类一、沿程损失：发生在缓变流整个流程中的能量损失，是由流体的粘滞力造成的损失。达西——魏斯巴赫公式：式中：——沿程阻力系数(无量纲)——管子有效截面上的平均流速L——

7、管子的长度d——管子的直径二、局部损失：发生在流动状态急剧变化的急变流中。流体质点间产生剧烈的能量交换而产生损失。计算公式：——局部损失系数(无量纲)一般由实验测定三、总能量损失：能量损失的量纲为长度，工程中也称其为水头损失5.3恒定均匀流基本方程液体均匀流动的沿程水头损失取半径为r，长度为l的流体作为研究对象对如图所示定常均匀有压管流，由1→2建立伯努利方程，得：流体用于克服阻力所消耗的能量全部由势能提供。（1）1.受力分析1）动水压力2）重力3）摩擦阻力2.在s方向列动量方程，得：式中：（2）二均匀流基本方程如何表示切应力