1、主要內(nèi)容：水頭損失的物理概念及其分類水頭損失的物理概念及其分類沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系液體運動的兩種流態(tài)液體運動的兩種流態(tài)圓管中的層流運動及其沿程水頭損失的計算圓管中的層流運動及其沿程水頭損失的計算紊流特征紊流特征沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式謝才公式謝才公式局部水頭損失局部水頭損失邊界層的概念邊界層的概念粘滯性和慣性粘滯性和慣性物理性質(zhì)物理性質(zhì)固體邊界固體邊界固壁對流動的固壁對流動的阻滯阻滯和和擾動擾動產(chǎn)生水產(chǎn)生水流阻力流阻力損耗機損耗機械能械能h hw w水頭損失的物理概念及其分類水頭損失的物理概

2、念及其分類產(chǎn)生損失的內(nèi)因產(chǎn)生損失的外因4.1沿程水頭損失和局部水頭損失實際流體在管內(nèi)流動時，由于粘性的存在，總要產(chǎn)生能量損失。產(chǎn)生能量損失的原因和影響因素很復雜，通?？砂ㄕ承宰枇υ斐傻恼承該p失fhjh 一、沿程阻力與沿程損失一、沿程阻力與沿程損失粘性流體在管道中流動時，流體與管壁面以及流體之間存在摩擦力，所以沿著流動路程，流體流動時總是受到摩擦力的阻滯，這種沿流程的摩擦阻力，稱為沿程阻力。流體流動克服沿程阻力而損失的能量，就稱為沿程損失。沿程損失是發(fā)生在緩變流整個流程中的能量損失，它的大小與流過的管道長度成正比。造成沿程損失的原因是流體的粘性，因而這種損失的大小與流體的流動狀態(tài)（層流或紊流）

3、有密切關(guān)系。兩部分。和局部阻力造成的局部損失單位重量流體的沿程損失稱為沿程水頭損失，以 表示，單位體積流體的沿程損失，又稱為沿程壓強損失，以 表示 。fhfpffghp在管道流動中的沿程損失可用下式求得gVdlh22f22fVdlp (4-1) 達西公式 (4-1a)式中 ldV沿程阻力系數(shù)，它與雷諾數(shù)和管壁粗糙度有關(guān)，是一個無量綱的系數(shù)，將在本章后面進行討論；管道長度，m； 管道內(nèi)徑，m；管道中有效截面上的平均流速，m/s。二、局部阻力與局部損失二、局部阻力與局部損失 在管道系統(tǒng)中通常裝有閥門、彎管、變截面管等局部裝置。流體流經(jīng)這些局部裝置時流速將重新分布，流體質(zhì)點與質(zhì)點及與局部裝置之間發(fā)生

4、碰撞、產(chǎn)生漩渦，使流體的流動受到阻礙，由于這種阻礙是發(fā)生在局部的急變流動區(qū)段，所以稱為局部阻力。流體為克服局部阻力所損失的能量，稱為局部損失。單位重量流體的局部損失稱為局部水頭損失，以 表示，單位體積流體的局部損失，又稱為局部壓強損失，以 表示 。mhmpmmghp在管道流動中局部損失可用下式求得gVhm222 2Vpm (4-2)(4-2a) 式中 局部阻力系數(shù)。 局部阻力系數(shù) 是一個無量綱的系數(shù)，根據(jù)不同的局部裝置由實驗確定。在本章后面進行討論。三、總阻力與總能量損失三、總阻力與總能量損失在工程實際中，絕大多數(shù)管道系統(tǒng)是由許多等直管段和一些管道附件連接在一起所組成的，所以在一個管道系統(tǒng)中，

5、既有沿程損失又有局部損失。我們把沿程阻力和局部阻力二者之和稱為總阻力，沿程損失和局部損失二者之和稱為總能量損失?？偰芰繐p失應(yīng)等于各段沿程損失和局部損失的總和，即mfwhhhmfwwppghp (4-3) (4-3a) 上述公式稱為能量損失的疊加原理。 沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系1122LOOZ1Z2列流動方向的平衡方程式：120sin0ApApgALLFP1=Ap100G=gALFP2=Ap20FL濕周整理得：01212()()ppLZZggAg改寫為：00fLLhAgRg0fhgRL水力半徑過水斷面面積與濕周之比，即A/0gRJ0fLhRg量綱分析020( , ,

6、, , )8f R VV 242fL VhRg圓管中4dR 22fL Vhdg沿程阻力系數(shù)(,)V RfR4.1實際液體運動的兩種形態(tài)實際液體運動的兩種形態(tài)如圖所示的實驗裝置，主要由恒水位水箱A和玻璃管B等組成。玻璃管入口部分用光滑喇叭口連接，管中的流量用閥門C調(diào)節(jié)。 ( a ) ( b ) ( c )ADEBC12fh雷 諾 實 驗 裝 置圖一、沿程水頭損失和平均流速的關(guān)系 在所實驗的管段上，因為水平直管路中流體作穩(wěn)定流時，根據(jù)能量方程可以寫出其沿程水頭損失就等于兩斷面間的壓力水頭差，即21pphf 改變流量，將 與 對應(yīng)關(guān)系繪于雙對數(shù)坐標紙上，得到fh.關(guān)系曲線vhf045lgfhlg1l

7、gk2lgkclgclgCC關(guān)系曲線圖vhf 結(jié)果表明：結(jié)果表明：lglglgmkhf 式中klg直線的截距；m直線的斜率，且 ( 為直線與水平線 的交角）。tgm 大量實驗證明：1101lglglg1,45khkhmff或即沿程水頭損失與平均流速成正比。紊流時：mffkhmkhm2202lglglg275. 1,45或即沿程水頭損失與平均流速的1.752次方成正比。 無論是層流狀態(tài)還是紊流狀態(tài)，實驗點都分別集中在不同斜率的直線上，方程式為層流時：二、兩種流態(tài)二、兩種流態(tài)雷諾試驗雷諾試驗揭示了水流運動具有層流與紊流兩種流態(tài)。揭示了水流運動具有層流與紊流兩種流態(tài)。 當流速較小時，各流層的液體質(zhì)點

8、是有條不紊地當流速較小時，各流層的液體質(zhì)點是有條不紊地運動，互不混雜，這種型態(tài)的流動叫做層流。運動，互不混雜，這種型態(tài)的流動叫做層流。 當流速較大，各流層的液體質(zhì)點形成渦體，在流當流速較大，各流層的液體質(zhì)點形成渦體，在流動過程中，互相混摻，這種型態(tài)的流動叫做紊流。動過程中，互相混摻，這種型態(tài)的流動叫做紊流。層流與紊流的判別層流與紊流的判別RekkV d（下）臨界雷諾數(shù)（下）臨界雷諾數(shù)ReVd雷諾數(shù)雷諾數(shù)或或ReVRRe500k若若ReRek，水流為紊流，水流為紊流，1.752.0fhV雷諾實驗演示2300ReK 雷諾數(shù)可理解為水流慣性力和粘滯力量級之比 慣性力 ma 322VLLVT粘滯力 d

9、uAdy2VLLVL量綱為22LVVLLV慣性力粘帶力量綱為粘滯力濕周 AR244dAdRd水力半徑對于圓管水力半徑【例題例題】 管道直徑 100mm，輸送水的流量 m3/s，水的運動粘度 m2/s，求水在管中的流動狀態(tài)？若輸送 m2/s的石油，保持前一種情況下的流速不變，流動又是什么狀態(tài)？d01. 0Vq610141014. 1【解解】 （1）雷諾數(shù) VdRe27. 11 . 014. 301. 04422dqVV23001027. 11011 . 027. 1Re56（m/s） 故水在管道中是紊流狀態(tài)。 （2） 230011141014. 11 . 027. 1Re4Vd故油在管中是層流狀

10、態(tài)。紊流形成過程的分析紊流形成過程的分析選定流層y流速分布曲線干擾FFFFFFFFFFFF升力渦 體紊流形成條件渦體的產(chǎn)生雷諾數(shù)達到一定的數(shù)值層流底層和紊流核心層流底層和紊流核心4.3 均勻流基本方程 沿程損失與切應(yīng)力的關(guān)系 作用于流束的外力 （1）兩端斷面上的動水 壓力為p1A 和p2A （2）側(cè)面上的動水壓力， 垂直于流速 （3）側(cè)面上的切力TlGgA l（4）重力 流束的受力平衡方程12sin0p Ap AgAl12sinzz12120p Ap AgAzzgAgAgAgA1212ppzzgggR12120p Ap AgAzzgAgAgAgA1212()0ppzzgggA1212()()0

11、ppzzgggR同理ogRJfhgRgR J由能量方程22ooorgR JRrrgRJRroorr切應(yīng)力的分布8*0vV0建立 和 之間的關(guān)系，可得：阻力速度4.3圓管層流的沿程阻力系數(shù)圓管層流的沿程阻力系數(shù)質(zhì)點運動特征質(zhì)點運動特征（圖示圖示）：液體質(zhì)點是分層有條不紊、互不混雜地運動著液體質(zhì)點是分層有條不紊、互不混雜地運動著切應(yīng)力：切應(yīng)力：xdudr 流速分布流速分布（推演推演）：220()4xgJurr斷面平均流速：斷面平均流速：232AudAgJVdA沿程水頭損失：沿程水頭損失：232fVLhgd2264642Re2L VL VVd dgdg沿程阻力系數(shù)：沿程阻力系數(shù)：64Remax21u

12、【例題例題】 圓管直徑 mm，管長 m，輸送運動粘度 cm2/s的石油，流量 m3/h，求沿程損失。200d1000l6 . 1144Vq【解解】 判別流動狀態(tài)20005 .1587106 . 12 . 027. 1Re4Vd為層流 式中 27. 12 . 014. 336001444422dqVV（m/s） 57.16806. 9227. 12 . 010005 .1587642642222fgVdlRegVdlh（m 油柱） 【例題例題】 輸送潤滑油的管子直徑 8mm，管長 15m，如圖6-12所示。油的運動粘度 m2/s，流量 12cm3/s，求油箱的水頭 （不計局部損失）。 dl610

13、15Vqh圖示 潤滑油管路 239. 0008. 014. 3101244242dqVV（m/s） 雷諾數(shù) 20005 .1271015008. 0239. 06VdRe為層流列截面1-1和2-2的伯努利方程f222211202hgVgpgVgphaa認為油箱面積足夠大，取01VgVdlRegVh264222222f806. 92239. 0008. 0155 .12764806. 92239. 022275. 2(m) ，則紊流特征紊流特征運動要素的脈動現(xiàn)象運動要素的脈動現(xiàn)象瞬時運動要素（如流速、壓瞬時運動要素（如流速、壓強等）隨時間發(fā)生波動的現(xiàn)象強等）隨時間發(fā)生波動的現(xiàn)象圖示圖示紊流產(chǎn)生附

14、加切應(yīng)力紊流產(chǎn)生附加切應(yīng)力12由相鄰兩流層間時間平均流速相對運動所產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力純粹由脈動流速所產(chǎn)生的附加切應(yīng)力22()xxduduldydy紊流粘性底層紊流粘性底層在紊流中緊靠固體邊界附近，有一在紊流中緊靠固體邊界附近，有一極薄的層流層，其中粘滯切應(yīng)力起主導極薄的層流層，其中粘滯切應(yīng)力起主導作用，而由脈動引起的附加切應(yīng)力很小，作用，而由脈動引起的附加切應(yīng)力很小，該層流叫做粘性底層。該層流叫做粘性底層。圖示圖示 粘性底層雖然很薄，但對紊流的流動有很大的影響。所粘性底層雖然很薄，但對紊流的流動有很大的影響。所以，粘性底層對紊流沿程阻力規(guī)律的研究有重大意義。以，粘性底層對紊流沿程阻力規(guī)律的研究有

15、重大意義。質(zhì)點運動特征質(zhì)點運動特征：液體質(zhì)點互相混摻、碰撞，雜亂無章液體質(zhì)點互相混摻、碰撞，雜亂無章地運動著地運動著4.5圓管紊流的沿程阻力系數(shù)圓管紊流的沿程阻力系數(shù)紊動使流速分布均勻化紊動使流速分布均勻化 紊流中由于液體質(zhì)點相互混摻，紊流中由于液體質(zhì)點相互混摻，互相碰撞，因而產(chǎn)生了液體內(nèi)部各互相碰撞，因而產(chǎn)生了液體內(nèi)部各質(zhì)點間的動量傳遞，動量大的質(zhì)點質(zhì)點間的動量傳遞，動量大的質(zhì)點將動量傳給動量小的質(zhì)點，動量小將動量傳給動量小的質(zhì)點，動量小的質(zhì)點影響動量大的質(zhì)點，結(jié)果造的質(zhì)點影響動量大的質(zhì)點，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化。成斷面流速分布的均勻化。流速分布的指數(shù)公式：流速分布的指數(shù)公式：0()n

16、xmuyur當Re105時，1118910n采用 或或流速分布的對數(shù)公式：流速分布的對數(shù)公式：5.75lgxuuyC摩阻流速，u層流流速分布紊流流速分布沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律22fL Vhdg尼古拉茲實驗?zāi)峁爬潓嶒灮?42fL VhRgLg（100）lgRe層流時,64Re水力光滑壁面, 稱為紊流光滑區(qū)(Re)f水力粗糙壁面,稱為紊流粗糙區(qū)又稱為阻力平方區(qū)過渡粗糙壁面,稱為紊流過渡粗糙區(qū)0333. 0dK01633. 0dK00833. 0dK00397. 0dK001985. 0dK000985. 0dKdKf Re, dKf紊流結(jié)構(gòu)圖示 莫迪圖莫迪圖 尼古拉茲的實驗

17、曲線是用各種不同的人工均勻砂粒粗糙度的圓管進行實驗得到的，這 與工業(yè)管道內(nèi)壁的自然不均勻粗糙度有很大差別。因此在進行工業(yè)管道的阻力計算時，不 能隨便套用上圖去查取 值。莫迪（F.Moody）根據(jù)光滑管、粗糙管過渡區(qū)和粗糙管平方阻力區(qū)中計算 的公式繪制了莫迪實用曲線，如圖所示。該圖按對數(shù)坐標繪制，表示 與 、 之間的函數(shù)關(guān)系。整個圖線分為五個區(qū)域，即層流區(qū)、臨界區(qū)（相當于尼古拉茲曲線的過渡區(qū)）、光滑管區(qū)、過渡區(qū)（相當于尼古拉茲曲線的紊流水力粗糙管過渡區(qū)）、完全紊流粗糙管區(qū)（相當于尼古拉茲曲線的平方阻力區(qū)）。利用莫迪曲線圖確定沿程阻力系數(shù) 值是非常方便的。在實際計算時根據(jù) 和 ，從圖中查得 值，即

18、能確定流動是在哪一區(qū)域內(nèi)。 ddReRe莫迪圖計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式 阿里特蘇里公式 布拉休斯公式 舍維列夫公式 適用于紊流的三個區(qū)）()(11. 025. 0Re68dK)10(ReRe3164. 0525. 0)/2 . 1(0210. 0)/2 . 1(1 0179. 0)107 . 2Re(1 0144. 0)104 . 2Re(1 0159. 03 . 03 . 0867. 03 . 06284. 036. 2284. 06226. 0684. 0226. 0smvdsmvdddddvvv管鑄鐵鋼舊管鑄鐵鋼舊新鑄鐵管新鋼管計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式計算沿

19、程水頭損失的經(jīng)驗公式謝才公式謝才公式VCR J斷面平均流速斷面平均流速謝才系數(shù)謝才系數(shù)水力半徑水力半徑水力坡度水力坡度1.謝才系數(shù)有量綱，量綱為謝才系數(shù)有量綱，量綱為L1/2T-1，單，單位為位為m1/2/s。2.謝才公式可適用于不同流態(tài)和流區(qū)，謝才公式可適用于不同流態(tài)和流區(qū)，既可適用于明渠水流也可應(yīng)用于管流。既可適用于明渠水流也可應(yīng)用于管流。3.常用計算謝才系數(shù)的經(jīng)驗公式：常用計算謝才系數(shù)的經(jīng)驗公式：曼寧公式曼寧公式巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式161CRn11yCRn這兩個公式均依據(jù)阻力平方區(qū)紊流的實測資料求得，故只這兩個公式均依據(jù)阻力平方區(qū)紊流的實測資料求得，故只能能適用于阻力平方區(qū)的

20、紊流適用于阻力平方區(qū)的紊流。8gC28gC或或n為粗糙系數(shù)，簡為粗糙系數(shù)，簡稱糙率。水力半徑稱糙率。水力半徑單位均采用米。單位均采用米。例題例題d1d2V1V2221133L4.6局部水頭損失局部水頭損失Z1Z2OOGx對對1-1、2-2斷面列能量方程式斷面列能量方程式221112221222wpVpVZZhgggg2212211212()()()22jppVVhZZgggg列列X方向的動量方程式方向的動量方程式1222221cos()p Ap AgA LQ VV化簡整理得：化簡整理得：1221212()ppVV Vzzggg所以有所以有2222121212()()22jVV VVVVVhgg

21、g2222221112(1)(1)22AVAVAgAg2212jVhg2122jVhg返回局部水頭損失的通用計算公式：局部水頭損失的通用計算公式：22jVhg局部阻力系數(shù)應(yīng)用舉例理想液體流線實際液體流線流速分布流速分布返回返回hf雷諾試驗lgVlghfO流速由小至大流速由大至小kVkV121.0,kfVV hV1.75 2.0,kfVV hV顏色水顏色水顏色水顏色水返回雷諾實驗的動態(tài)演示rur0每一圓筒層表面的切應(yīng)力：xdudr 另依均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)的關(guān)系式有：0gRJgR J或所以有2xdurgJdr 積分整理得24xgJurC 當r=r0時，ux=0，代入上式得204gJCr層流流

22、速分布為220()4xgJurr拋物型流速分布返回20max4rJu中心線的最大流速A紊流紊流的脈動現(xiàn)象紊流的脈動現(xiàn)象xu瞬時流速xu脈動流速tuxOtuxOxu時均流速xxxuuu 或xxxuuu01Txxuu dtT010Txxuu dtT（時均）恒定流（時均）恒定流（時均）非恒定流（時均）非恒定流返回紊流的粘性底層紊流的粘性底層層流底層0紊流層流底層厚度層流底層厚度032.8Red可見，可見，0隨雷諾數(shù)的增加而減小。隨雷諾數(shù)的增加而減小。當當Re較小時，較小時，水力光滑壁面水力光滑壁面當當Re較大時，較大時，00水力粗糙壁面水力粗糙壁面0過渡粗糙壁面過渡粗糙壁面返回返回紊流形成過程的分析

23、紊流形成過程的分析返回選定流層y流速分布曲線干擾FFFFFFFFFFFFFFFF升力渦 體hf尼古拉茲實驗?zāi)峁爬潓嶒炏鄬Υ植诙认鄬Υ植诙?或相對光滑度或相對光滑度0r0r22fL Vhdg雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re返回例題：有一混凝土護面的梯形渠道，底寬10m，水深3m，兩岸邊坡為1：1，粗糙系數(shù)為0.017，流量為39m3/s，水流屬于阻力平方區(qū)的紊流，求每公里渠道上的沿程水頭損失。bh1：11：1解：B水面寬216Bbmhm2392bBAhm過水斷面面積濕周22118.5bhmm水力半徑2.11ARm謝才系數(shù)121166112.1166.5/0.017CRmsn沿程水頭損失220.11fV Lhm

24、C R斷面平均流速1/QVm sA例題：水從水箱流入一管徑不同的管道，管道連接情況如圖所示，已知：111211150,25,0.037125,10,0.0390.5,0.15,2.0dmm lmdmm lm進口收縮閥門（以上值均采用發(fā)生局部水頭損失后的流速）當管道輸水流量為25l/s時，求所需要的水頭H。l1l2V00d2d1H分析：用能量方程式，三選定，列能量方程：2200002wVHhg11220012wfjffjjjhhhhhhhh進口收縮閥門222221122122121222222l Vl VVVVdgdgggg進口收縮閥門l1l2V00d2d1H112200解：1210.0251.

25、415/3.140.154QVm sA2220.0252.04/3.140.1254QVm sA222222222112212212122222222wVVl VlVVVVHhggdgdgggg進口收縮閥門2.011Hm代入數(shù)據(jù)，解得：故所需水頭為2.011m。4.7邊界層的基本概念 一、邊界層的概念一、邊界層的概念 對于水和空氣等粘度很小的流體，在大雷諾數(shù)下繞物體流動時，粘性對流動的影響僅限于緊貼物體壁面的薄層中，而在這一薄層外粘性影響很小，完全可以看作是理想流體的勢流，這一薄層稱為邊界層。 圖所示為大雷諾數(shù)下粘性流體繞流翼型的二維流動，根據(jù)普朗特邊界層理論，把大雷諾數(shù)下均勻繞流物體表面的流

26、場劃分為三個區(qū)域，即邊界層、外部勢流和尾渦區(qū)。 翼型繞流圖 翼型上的邊界層 III外部勢流 II尾部流區(qū)域 I邊界層 邊界層外邊界 邊界層外邊界 邊界層的厚度一般將壁面流速為零與流速達到來流速度的99處之間的距離定義為邊界層厚度 。邊界層厚度沿著流體流動方向逐漸增厚，這是由于邊界層中流體質(zhì)點受到摩擦阻力的作用，沿著流體流動方向速度逐漸減小，因此，只有離壁面逐漸遠些，也就是邊界層厚度逐漸大些才能達到來流速度。 邊界層的流態(tài)：根據(jù)實驗結(jié)果可知，同管流一樣，邊界層內(nèi)也存在著層流和紊流兩種流動狀態(tài)，若全部邊界層內(nèi)部都是層流，稱為層流邊界層，若在邊界層起始部分內(nèi)是層流，而在其余部分內(nèi)是紊流，稱為混合邊界

27、層，如圖所示，在層流變?yōu)槲闪髦g有一過渡區(qū)。判別邊界層的層流和紊流的準則數(shù)仍為雷諾數(shù)，但雷諾數(shù)中的特征尺寸用離前緣點的距離x表示之，特征速度取邊界層外邊界上的速度 ，即臨界雷諾數(shù)為V510)0.55.3(KKxxVRe圖 平板上的混合邊界層 層流邊界層過渡區(qū)域紊流邊界層層流底層二、邊界層的基本特征二、邊界層的基本特征 (1) 與物體的特征長度相比，邊界層的厚度很小, .(2) 邊界層內(nèi)沿厚度方向，存在很大的速度梯度。 (3) 邊界層厚度沿流體流動方向是增加的。x(4) 由于邊界層很薄，可以近似認為邊界層中各截面上的 壓強等于同一截面上邊界層外邊界上的壓強值。 (5) 在邊界層內(nèi)，粘性力與慣性力

28、同一數(shù)量級。 (6) 邊界層內(nèi)的流態(tài)，也有層流和紊流兩種流態(tài)。 二、曲面邊界層分離現(xiàn)象 當不可壓縮粘性流體流過平板時，在邊界層外邊界上沿平板方向的速度是相同的，而且整個流場和邊界層內(nèi)的壓強都保持不變。 當粘性流體流經(jīng)曲面物體時，邊界層外邊界上沿曲面方向的速度是改變的，所以曲面邊界層內(nèi)的壓強也將同樣發(fā)生變化，對邊界層內(nèi)的流動將產(chǎn)生影響，發(fā)生曲面邊界層的分離現(xiàn)象。 曲面邊界層的分離現(xiàn)象曲面邊界層的分離現(xiàn)象 在實際工程中，物體的邊界往往是曲面（流線型或非流線型物體）。當流體繞流非流線型物體時，一般會出現(xiàn)下列現(xiàn)象：物面上的邊界層在某個位置開始脫離物面， 并在物面附近出現(xiàn)與主流方向相反的回流，流體力學中

29、稱這種現(xiàn)象為邊界層分離現(xiàn)象，如圖所示。流線型物體在非正常情況下也能發(fā)生邊界層分離，如圖所示。 （a）流線形物體；（b）非流線形物體圖 曲面邊界層分離現(xiàn)象示意圖邊界層外部流動外部流動尾跡外部流動外部流動尾跡邊界層以不可壓縮流體繞流圓柱體為例在圓柱體前駐點A處，流速為零，該處尚未形成邊界層，即邊界層厚度為零。在AB段，流體加速減壓，沿流動方向形成順壓梯度在B點流速達到最大，過B點后，流體減速增壓，沿流動方向形成逆壓梯度。圓柱繞流的邊界層當流體繞過圓柱體最高點B流到后半部時，壓強增加，速度減小，更促使邊界層內(nèi)流體質(zhì)點的減速，從而使動能消耗更大。當達到S點時，近壁處流體質(zhì)點的動能已被消耗完盡，流體質(zhì)點

30、不能再繼續(xù)向前運動，于是一部分流體質(zhì)點在S點停滯下來，過S點以后，壓強繼續(xù)增加，在壓強差的作用下，除了壁上的流體質(zhì)點速度仍等于零外，近壁處的流體質(zhì)點開始倒退。接踵而來的流體質(zhì)點在近壁處都同樣被迫停滯和倒退，以致越來越多被阻滯的流體在短時間內(nèi)在圓柱體表面和主流之間堆積起來，使邊界層劇烈增厚，邊界層內(nèi)流體質(zhì)點的倒流迅速擴展，而邊界層外的主流繼續(xù)向前流動，這樣在這個區(qū)域內(nèi)以ST線為界，如圖a所示，在ST線內(nèi)是倒流，在ST線外是向前的主流，兩者流動方向相反，從而形成旋渦。圖a 曲面邊界層分離現(xiàn)象 使流體不再貼著圓柱體表面流動，而從表面分圖a 曲面邊界層分離現(xiàn)象離出來，造成邊界層分離，S點稱為分離點。形

31、成的旋渦，不斷地被主流帶走，在圓柱體后面產(chǎn)生一個尾渦區(qū)。尾渦區(qū)內(nèi)的旋渦不斷地消耗有用的機械能，使該區(qū)中的壓強降低，即小于圓柱體前和尾渦區(qū)外面的壓強，從而在圓柱體前后產(chǎn)生了壓強差，形成了壓差阻力。壓差阻力的大小與物體的形狀有很大關(guān)系，所以又稱為形狀阻力。 卡門渦街卡門渦街 當粘性流體繞過圓柱體，發(fā)生邊界層分離，在圓柱體后面產(chǎn)生一對不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)方向相反的對稱旋渦，當Re超過40后，對稱旋渦不斷增長，最后形成幾乎穩(wěn)定的非對稱性的、多少有些規(guī)則的、旋轉(zhuǎn)方向相反、上下交替脫落的旋渦，這種旋渦具有一定的脫落頻率，稱為卡門渦街。 圖 卡門渦街形成示意圖 卡門渦街圓柱繞流1圓柱繞流24.8繞流阻力和阻力系數(shù)

32、粘性流體繞物體流動時，物體受到的合力一般可分解為升力和阻力。繞流物體的阻力由兩部分組成：摩擦阻力和壓差阻力。對于圓柱體和球體等鈍頭體，壓差阻力比摩擦阻力要大得多；而流體縱向流過平板時一般只有摩擦阻力。物體繞流阻力的形成過程，從物理觀點看完全清楚，但是要從理論上來確定是十分困難的，目前還只能在風洞中用實驗方法測得，這種實驗稱為風洞實驗。 實驗表明：物體阻力與來流的動壓頭 和物體在垂直于來流方向的截面積A的乘積成正比，即 為了便于比較各種形狀物體的阻力，工程上引用無因次阻力系數(shù) 來表達物體阻力的大小，其公式為物體形狀對繞流阻力的影響圖20u2120u21ACDDDCADCD20u21物體的總阻力,

33、D無量綱的阻力系數(shù)無限長圓柱體有限長圓柱體 平板垂直流動方向 無限長圓柱體 無限長方柱體橢圓形柱體 流線型柱體 圖c 幾種形狀物體的阻力系數(shù) 由圖清楚地看出，若把物體制成流線型，可使邊界層的分離點后移，甚至不發(fā)生分離，阻力系數(shù)大大減小。所以將物體制成流線型的外形（如飛機的機翼、汽輪機葉片的剖面等），是減少物體阻力的主要措施之一。流線體第六節(jié) 工業(yè)管道紊流阻力系數(shù)的計算公式 一、光滑區(qū)和粗糙區(qū)的值 二、紊流過渡區(qū)和柯列勃洛克公式 三、莫迪圖一、光滑區(qū)和粗糙區(qū)的值當量糙粒高度：和工業(yè)管道粗糙區(qū)值相等的同直徑尼古拉茲粗糙管的糙粒高度。ks工業(yè)管道當量糙粒高度二、紊流過渡區(qū)和柯列勃洛克公式 柯列勃洛克

34、公式 又被稱為紊流綜合公式，適用于整個紊流的三個阻力區(qū)。莫迪據(jù)此繪成阻力系數(shù)圖-莫迪圖。12.512lg()3.7ReKd 管道流動的局部損失各種工業(yè)管道都要安裝一些閥門、彎頭、三通 等配件，用以控制和調(diào)節(jié)管內(nèi)的流動。流體經(jīng)過這類配件時，由于邊壁或流量的改變，均勻流在這一局部地區(qū)遭到破壞，引起了流速的大小、方向或分布的變化。由此產(chǎn)生的能量損失，稱為局部損失。局部水頭損失的一般分析局部水頭損失的一般分析 R d A1 A2u 由于流體的流速或流動方向由于流體的流速或流動方向突然發(fā)生變化而產(chǎn)生渦流，突然發(fā)生變化而產(chǎn)生渦流，從而導致形體阻力。從而導致形體阻力。紊流局部損失發(fā)生的原因：紊流局部損失發(fā)生

35、的原因：(a)邊壁的變化導致漩渦區(qū)的產(chǎn)生，引起能量損失。邊壁的變化導致漩渦區(qū)的產(chǎn)生，引起能量損失。(b)局部障礙范圍內(nèi)損失的能量；局部障礙范圍內(nèi)損失的能量；(c)局部障礙下游一定長度的管段上消耗掉的能量。局部障礙下游一定長度的管段上消耗掉的能量。局部障礙的影響長度通常為管徑的局部障礙的影響長度通常為管徑的3倍。倍。如果流體的層流經(jīng)過局部阻礙，如果流體的層流經(jīng)過局部阻礙，受干擾后仍能保持層流，則局受干擾后仍能保持層流，則局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)成反比。部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)成反比。存在條件：存在條件：2300Re gvhm22ReB幾種典型的局部阻礙幾種典型的局部阻礙流動方向變化所造成的流動方向變化所造

36、成的二次流損失二次流損失彎管的影響長度最彎管的影響長度最大可超過大可超過50倍的倍的管徑。管徑。Re),/(dKf 局部阻礙形狀，變徑管的局部水頭損失變徑管的局部水頭損失)2()2(2222221111gvpzgvpzhm1122vvF2211AvAv對于紊流，可?。簩τ谖闪?，可?。?21121兩斷面的沿程水兩斷面的沿程水頭損失忽略不計頭損失忽略不計 2 2 0 1 1 1 0 1 2 2 a. 突然擴大 b. 突然縮小管出口o=1管入口i=0.5突然擴大突然擴大突然縮小突然縮小gvgvAAhm22)1 (21121221gvgvAAhm22) 1(22222212021AA012AA)1 (

37、5 . 012AAgvAAhm2)1 (5 . 02212或把各種局部阻礙的能量損失和局部阻礙附近的流動情況對照比較，可以看出，無論是改變流速的大小，還是改變它的方向，較大的局部損失總是和旋渦區(qū)的存在相聯(lián)系。旋渦區(qū)內(nèi)不斷產(chǎn)生著旋渦，其能量來自主流，因而不斷消耗主流的能量；旋渦區(qū)愈大，能量損失也愈大。C3 不可壓縮粘性流體內(nèi)流不可壓縮粘性流體內(nèi)流研究方法研究方法數(shù)值法數(shù)值法實驗實驗入口段與充分發(fā)展段入口段與充分發(fā)展段解析法解析法層流層流C3 不可壓縮粘性流體內(nèi)流不可壓縮粘性流體內(nèi)流C3.1 引言引言管道流管道流渠道流渠道流流動特點流動特點分分 類類湍流湍流速度分布速度分布流動阻力流動阻力沿程損失

38、沿程損失局部損失局部損失不可壓縮流不可壓縮流可壓縮流可壓縮流C5流體機械流體機械D2內(nèi)內(nèi)流流湍流模型湍流模型混合長理論混合長理論N-S方程精確解方程精確解管道阻力管道阻力泊肅葉定律泊肅葉定律拋物線與對數(shù)分布拋物線與對數(shù)分布穆迪圖穆迪圖管路系統(tǒng)管路系統(tǒng)D1謝齊公式謝齊公式C3.5 圓管湍流流動圓管湍流流動特特 性性隨機性隨機性摻混性摻混性渦旋性渦旋性C3 不可壓縮粘性流體內(nèi)流不可壓縮粘性流體內(nèi)流C3.5.1 湍流與湍流切應(yīng)力湍流與湍流切應(yīng)力時均法時均法體均法體均法表達法表達法輸運特性輸運特性湍流湍流結(jié)構(gòu)特性結(jié)構(gòu)特性基本方程基本方程大尺度渦旋場大尺度渦旋場小尺度隨機運動小尺度隨機運動擬序結(jié)構(gòu)擬序結(jié)

39、構(gòu)u= u+uu= u+u雷諾方程雷諾方程包含雷諾應(yīng)力包含雷諾應(yīng)力T T0 01 1u=udtu=udtT T三、莫迪圖粗糙區(qū)粗糙區(qū)過過渡渡區(qū)區(qū)層流區(qū)層流區(qū)臨臨界界區(qū)區(qū)光光滑滑區(qū)區(qū)C3.5.1 湍流與湍流切應(yīng)力湍流與湍流切應(yīng)力xxyyxyxyyzzxzyzu uu vu wp00P0p0v uv vv w00pw uw vw w 壓強項壓強項粘性應(yīng)力項粘性應(yīng)力項雷諾應(yīng)力項雷諾應(yīng)力項2. 圓管湍流切應(yīng)力圓管湍流切應(yīng)力tldduruv 分層結(jié)構(gòu)：分層結(jié)構(gòu)： （1）粘性底層）粘性底層t0（2）過渡區(qū)）過渡區(qū)tl（3）核心區(qū)）核心區(qū)l0C3.6 圓管流動沿程損失圓管流動沿程損失C3.6.1 達西公式達

40、西公式水力光滑水力光滑粗糙過渡區(qū)粗糙過渡區(qū)水力粗糙水力粗糙湍流湍流雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re相對粗糙度相對粗糙度/d絕對粗糙度絕對粗糙度粗糙度粗糙度流流 態(tài)態(tài)層流層流商用管商用管人工管人工管達西摩擦因子達西摩擦因子ReRe, ,=f=f達達 西西 公公 式式2 2f flvlvh =h =2g2gd d適用各種管道適用各種管道粘性底層粘性底層 尼古拉茲圖尼古拉茲圖等效粗糙度等效粗糙度穆迪圖穆迪圖C3.6 圓管流動沿程損失圓管流動沿程損失完全粗糙區(qū)完全粗糙區(qū)穆迪圖穆迪圖湍流光滑區(qū)湍流光滑區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)層流區(qū)層流區(qū)粗糙過渡區(qū)粗糙過渡區(qū)普朗特普朗特史里希廷公式史里希廷公式布拉休斯公式布拉休斯公式羅斯線羅斯線Re 2300/ Re 64Re 23004000無規(guī)