流体力学第六章 流动阻力及能量损失.doc

《流体力学第六章 流动阻力及能量损失.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、第六章流动阻力及能量损失   本章主要研究恒定流动时，流动阻力和水头损失的规律。对于粘性流体的两种流态——层流与紊流，通常可用下临界雷诺数来判别，它在管道与渠道内流动的阻力规律和水头损失的计算方法是不同的。对于流速，圆管层流为旋转抛物面分布，而圆管紊流的粘性底层为线性分布，紊流核心区为对数规律分布或指数规律分布。对于水头损失的计算，层流不用分区，而紊流通常需分为水力光滑管区、水力粗糙管区及过渡区来考虑。本章最后还阐述了有关的边界层、绕流阻力及紊流扩散等概念。第一节 流态判别一、两种流态的运动特征 1883年英国物理学家雷诺（ReynoldsO.）通过试

2、验观察到液体中存在层流和紊流两种流态。 1.层流    观看录像1-层流 层流（laminarflow），亦称片流：是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。 特点： （1）有序性。水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。 （2）粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。 （3）能量损失与流速的一次方成正比。 （4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。 2.紊流    观看录像2－紊流 紊流（turbulentflow），亦称湍流：是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。 特点： （1）无序性、随机性、有旋性、混

3、掺性。 流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动。 （2）紊流受粘性和紊动的共同作用。 （3）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。 （4）在流速较大且雷诺数较大时发生。二、雷诺实验 如图6-1所示，实验曲线分为三部分： （1）ab段：当υ<υc时，流动为稳定的层流。 （2）ef段：当υ>υ''时，流动只能是紊流。 （3）be段：当υc<υ<υ''时，流动可能是层流（bc段），也可能是紊流（bde段），取决于水流的原来状态。图6-1图6-2观看录像3         观看录像4        观看录像5 实验结果

4、（图6-2）的数学表达式  层流：m1=1.0,hf=k1v,即沿程水头损失与流线的一次方成正比。 紊流：m2=1.75~2.0,hf=k2v1.75~2.0 ，即沿程水头损失hf与流速的1.75~2.0次方成正比。                                        层流：   紊流：  三、层流、紊流的判别标准——临界雷诺数      临界雷诺数    上临界雷诺数：层流→紊流时的临界雷诺数，它易受外界干扰，数值不稳定。下临界雷诺数：紊流→层流时的临界雷诺数，是流态的判别标准，它只取决于水流边界的形状，即水流的过水断面形状

5、。 变直径管流中，细断面直径d1，粗断面直径d2=2d1，则粗细断面雷诺数关系是        。 圆管流               （5-1）  层流   紊流 明渠流                       （5-2） 式中：R——水力半径，R=A/P；      A——过水断面面积；      P——湿周，即断面中固体边界与流体相接触部分的周长。录像6例：某段自来水管，d=100mm，v=1.0m/s。水温10℃，（1）试判断管中水流流态？（2）若要保持层流，最大流速是多少？解:（1）水温为10℃时，水的运动粘度，由下式计算得：  则： 即

6、：圆管中水流处在紊流状态。 （2） 要保持层流，最大流速是0.03m/s。问题：怎样判别粘性流体的两种流态——层流和紊流？      用下临界雷诺数Rec来判别。当雷诺数ReRec时,流动为紊流。当为圆管流时,＝2300，当为明渠流时。(R为水力半径)问题：为何不能直接用临界流速作为判别流态（层流和紊流）的标准？   因为临界流速跟流体的粘度、流体的密度和管径（当为圆管流时）或水力半径（当为明渠流时）有关。而临界雷诺数则是个比例常数，对于圆管流为2300（2000），对于明渠流为575（500），应用起来非常方便。思 考 

7、题1.雷诺数与哪些因数有关？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？  2.为什么用下临界雷诺数，而不用上临界雷诺数作为层流与紊流的判别准则？  3.当管流的直径由小变大时，其下临界雷诺数如何变化？  1答案：      雷诺数与流体的粘度、流速及水流的边界形状有关。Re=惯性力/粘滞力,随d增大，Re减小。 2答：上临界雷诺数不稳定，而下临界雷诺数较稳定，只与水流的过水断面形状有关。3答：不变，临界雷诺数只取决于水流边界形状，即水流的过水断面形状。第二节   不可压缩流体恒定圆管层流一、恒定均匀流沿程损失的基本方程1.

8、恒定均匀流的沿程水头损失图6-3   在均匀流中，有v1=v2，图6-3列1-1断面与2-2断