流体力学课件第六章-流动阻力和水头损失-.ppt

1、主要讲述流体在通道（管道、渠道）内流动的阻力主要讲述流体在通道（管道、渠道）内流动的阻力和水头损失。和水头损失。产生能量损失的原因：产生能量损失的原因：水流有粘滞性。水流有粘滞性。当水流运动时，会产生粘性阻力，水流克服阻力，当水流运动时，会产生粘性阻力，水流克服阻力，就要消耗一部分机械能，转化为热能，造成能量损失。就要消耗一部分机械能，转化为热能，造成能量损失。水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。用单位重量液体的能量损失用单位重量液体的能量损失 hw 表示水流的能量损失表示水流的能量损失6-1 6-1 流动阻力和流动阻力和水头损失的分类水头损

2、失的分类 6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 6-3 6-3 沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系6-4 6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动6-5 6-5 明渠中的层流运动（了解）明渠中的层流运动（了解）6-6 6-6 紊流运动紊流运动 6-7 6-7 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失6-8 6-8 局部水头损失局部水头损失6-96-9 边界层概念与绕流阻力（自学）边界层概念与绕流阻力（自学）6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力和水头损失的分类 工程上水头损失分为：工程上水头损失分为：沿程水头损失和局部水头损失沿程水头损失和局部水头损失。

3、wwhHHgVgpzHhgVgpzgVgpz2122222221111222总水头总水头水头损失水头损失jfwhhh局部损失局部损失沿程损失沿程损失沿程阻力：沿程阻力：在长直管道或长直明渠长直管道或长直明渠中,流动为均匀流均匀流或渐变流或渐变流,流动阻力中只包括与流程的长短有关的摩擦阻力-沿程阻力沿程阻力。局部阻力局部阻力：在流道发生突变的局部区域流道发生突变的局部区域,流动属于变化较剧烈的急变流,流动结构急剧调整,流速大小,方向迅速改变,往往拌有流动分离和旋涡运动,流体内部内部摩擦作用增大摩擦作用增大,称这种流动阻力流动阻力-局部阻力。局部阻力。6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻

4、力和水头损失的分类 jfwhhh局部损失局部损失沿程损失沿程损失沿程水头损失沿程水头损失hf hf s 在在平直的固体边界平直的固体边界水道中，单位重量的液体从水道中，单位重量的液体从一个断面流至另一个断面的机械能损失。一个断面流至另一个断面的机械能损失。这种水头这种水头损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头损失。损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头损失。6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力和水头损失的分类 局部水头损失局部水头损失hj用圆柱体绕流说明局部水头损失用圆柱体绕流说明局部水头损失h hj j 6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力和水头损失的分类 分析通过圆心的

5、一条流线（图中红线所示）分析通过圆心的一条流线（图中红线所示）6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力和水头损失的分类 通过圆心的一条流线通过圆心的一条流线 6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力和水头损失的分类 液体质点流向圆柱体时，流线间距逐渐增大，流液体质点流向圆柱体时，流线间距逐渐增大，流速逐渐降低，由能量方程可知，压强必然逐渐增加。速逐渐降低，由能量方程可知，压强必然逐渐增加。存在驻点：存在驻点：当液体质点流至当液体质点流至A A点，流速降为零，动能转化为压能，使其增点，流速降为零，动能转化为压能，使其增加到最大。加到最大。A A点称驻点（毕托管测速原理）。点称驻点

6、（毕托管测速原理）。A驻点驻点A 液体质点到达驻点，停滞不前，以后继续流来的液体质点到达驻点，停滞不前，以后继续流来的质点就要改变原有流动方向，沿圆柱体两侧继续流动。质点就要改变原有流动方向，沿圆柱体两侧继续流动。AC理想液体理想液体分析沿柱面两侧边壁附近的流动分析沿柱面两侧边壁附近的流动ACBCACBCACBC 由于液体绕流运动无能量损失，因此，液体从由于液体绕流运动无能量损失，因此，液体从AB 时，时，A A和和B B点的流速和压强相同。其他流线情况类似点的流速和压强相同。其他流线情况类似。实际液体绕圆柱流动实际液体绕圆柱流动 ACBCACBCACBC形成分离点：形成分离点：D 近壁液体从

7、近壁液体从C-B运动时，液体的动能一部分用于克服摩擦阻运动时，液体的动能一部分用于克服摩擦阻力，另一部分用于转化为压能。因此，液体没有足够动能完全恢力，另一部分用于转化为压能。因此，液体没有足够动能完全恢复为压能（理想液体全部恢复）。在柱面某一位置，例如复为压能（理想液体全部恢复）。在柱面某一位置，例如 D D 处，处，流速降低为零，不再继续下行。流速降低为零，不再继续下行。ACBC形成分离点：形成分离点：D D点以后的液体就要改变流向，沿另一条流线运动，这样就使点以后的液体就要改变流向，沿另一条流线运动，这样就使主流脱离了圆柱面，形成分离点。主流脱离了圆柱面，形成分离点。ACBCD 沿圆柱面

8、，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。分离点后形成漩涡区分离点后形成漩涡区ACBCD 沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。涡。漩涡随流带走，经过一段时间

9、后，逐渐消失。分离点后形成漩涡区分离点后形成漩涡区漩涡区漩涡区ACBCD 沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。分离点后形成漩涡区分离点后形成漩涡区漩涡区漩涡区ACBCD漩涡区漩涡区 漩涡体形成、运转和分裂漩涡体形成、运转和分裂漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失ACBCD 流速分布急剧变化流速分布急剧变化漩涡区中产生了较大的能

10、量损失漩涡区中产生了较大的能量损失ACBCD漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失 漩涡的形成，运转和分裂；流速分布急剧变化，都使液体产漩涡的形成，运转和分裂；流速分布急剧变化，都使液体产生较大的能量损失。生较大的能量损失。这种能量损失产生在局部范围之内，叫做局部水头损失这种能量损失产生在局部范围之内，叫做局部水头损失hj。当液体运动时，由于局部边界形状和大小的当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失称作称作局部

11、水头损失局部水头损失。局部水头损失：局部水头损失：6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力和水头损失的分类 突然管道缩小：突然管道缩小：漩涡区漩涡区6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力和水头损失的分类 管道中的闸门局部开启管道中的闸门局部开启漩涡区漩涡区6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力和水头损失的分类 弯道转弯弯道转弯漩涡区漩涡区6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力和水头损失的分类 产生漩涡的局部范围产生漩涡的局部范围局部水头损失局部水头损失沿程水头损失沿程水头损失 hf s发生发生边界边界 平直的固体边界水道中平直的固体边界水道中大小大小 与漩

12、涡尺度、强度与漩涡尺度、强度,边界形边界形状等因素相关状等因素相关耗耗能方式能方式通过液体粘性将其能量耗散通过液体粘性将其能量耗散外在外在原因原因 液体运动的摩擦阻力液体运动的摩擦阻力 边界层分离或形状阻力边界层分离或形状阻力达西公式：达西公式：18031858gvdLhf22圆管水流的圆管水流的沿程损失沿程损失 沿程损失系数沿程损失系数，与流动特性以及管壁的粗糙度有关。gvRLhf242非圆管水流非圆管水流的沿程损失的沿程损失R是管道的水力半径水力半径，其值等于过流断面的面积A与湿周的比值。ARjfwhhh6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力和水头损失的分类 gvhj22局部损失

13、局部损失:局部损失系数。局部损失系数。局部水头损失是由于流动边界性状突然变化（例如管道截面突然扩大）引起的流线弯曲以及边界层分离而产生的损失。如果管道由若干管段组成：如果管道由若干管段组成：hw=hf+hj 沿程损失 局部损失6-1 6-1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力和水头损失的分类 11s22334455ipi/v0hwiH0 总水头线总水头线测压管水头线测压管水头线v022gH6-1 流动阻力和流动阻力和水头损失的分类水头损失的分类 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 6-3 沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动6-5

14、 明渠中的层流运动（了解）明渠中的层流运动（了解）6-6 紊流运动紊流运动 6-7 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失6-8 局部水头损失局部水头损失6-9 边界层概念与绕流阻力（不讲）边界层概念与绕流阻力（不讲）雷诺：雷诺：O.Osborne Reynolds(1842O.Osborne Reynolds(18421912)1912)英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家 18671867年年-剑桥大学王后学院毕业剑桥大学王后学院毕业 18681868年年-曼彻斯特欧文学院工程学教授曼彻斯特欧文学院工程学教授 18771877年年-皇家学会

15、会员皇家学会会员 18881888年年-获皇家勋章获皇家勋章 19051905年年-因健康原因退休因健康原因退休 雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近7070篇论文都有很深远的篇论文都有很深远的影响。论文内容包括影响。论文内容包括 力学力学 热力学热力学 电学电学 航空学航空学 蒸汽机特性等蒸汽机特性等 雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态在流体力学方面最重要的贡献：在流体力学方面最重要的贡献：l 18831883年年 发

16、现液流两种流态：发现液流两种流态：层流和紊流，提出以雷诺数判别层流和紊流，提出以雷诺数判别流态。流态。l 18831883年年 发现流动相似律发现流动相似律 对于几何条件相似的流动，即使其尺寸、速度、流体不同对于几何条件相似的流动，即使其尺寸、速度、流体不同,只要雷诺数相同只要雷诺数相同,则流动是动力相似。则流动是动力相似。雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态l 实际液体运动中存在两种不同型态：实际液体运动中存在两种不同型态：层流和紊流层流和紊流l 不同型态的液流，水头损失规律不同不同型态的液流，水头损失规律不同 雷诺实验揭示出雷诺实验揭

17、示出 雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态雷诺试验装置雷诺试验装置 颜色水颜色水hftVQ l 雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态颜色水颜色水hftVQ l打开下游阀门，保持水箱水位稳定打开下游阀门，保持水箱水位稳定 雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态颜色水颜色水hftVQ l再打开颜色水开关，则红色水流入管道再打开颜色水开关，则红色水流入管道层流：红色水液层有条不紊地运动，层流：红色水液层有条不紊地运动，红色水和管道中液体

18、水相互不混掺红色水和管道中液体水相互不混掺（实验）（实验）雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态颜色水颜色水hftVQ l下游阀门再打开一点，管道中流速增大下游阀门再打开一点，管道中流速增大红色水开始颤动并弯曲，出现波形轮廓红色水开始颤动并弯曲，出现波形轮廓 雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 红颜色水射出后，完全破裂，形成漩涡，扩散至全管，红颜色水射出后，完全破裂，形成漩涡，扩散至全管，使使管中水流变成红色水。管中水流变成红色水。这一现象表明：这一现象表明：液体质点运动中会形成涡体

19、，各涡体相互混掺。液体质点运动中会形成涡体，各涡体相互混掺。颜色水颜色水hftVQ l下游阀门再打开一点，管中流速继续增大下游阀门再打开一点，管中流速继续增大 雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态颜色水颜色水hftVQ l层流：层流：流速较小时，各流层的液体质点有条不紊运动，流速较小时，各流层的液体质点有条不紊运动，相互之间互不混杂。相互之间互不混杂。雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态颜色水颜色水hftVQ l紊流：紊流：当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，当流速较大时，各流层

20、的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混杂。（在流动过程中，互相混杂。（紊流实验紊流实验）雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 实验时，结合观察红颜色水的流动，量测两测实验时，结合观察红颜色水的流动，量测两测压管中的高差以及相应流量，建立水头损失压管中的高差以及相应流量，建立水头损失h hf f 和管和管中流速中流速v v的试验关系，并点汇于双对数坐标纸上。的试验关系，并点汇于双对数坐标纸上。颜色水颜色水hftVQ l 雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态颜色水颜色水hftVQ l

21、试验按照两种顺序进行试验按照两种顺序进行:(1)流量增大流量增大 （2）流量减小流量减小 试验结果如下图所示。试验结果如下图所示。雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态水金属网排水进水玻璃管节门有色液体 雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验层流层流:分层流动；有条不紊；互不掺混紊流紊流(湍流湍流):杂乱无章；相互掺混；涡旋紊乱6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态层流与紊流的概念层流与紊流的概念沿程水头损失与流速关系。流速较小时，hf v；流速较大时，hf v2(几乎)Reynolds试验研究：水头损失之所有不同，是因为粘

22、性流体存在两种流态。f层流区lghwlgV紊流区过渡区bcdealgVelgVe流态的判别流态的判别-雷诺数雷诺数22ReRe2rRrrAARVRVdVd下临界速度下临界速度Vc:由由紊流转变为层流时紊流转变为层流时管内断面平均流速；管内断面平均流速；上临界速度上临界速度Ve:由层流转变为紊流时的断面平均流速。由层流转变为紊流时的断面平均流速。一般是固定的，而一般是固定的，而上临界速度上临界速度Ve则是不固定的，试水流受外界的则是不固定的，试水流受外界的干扰情况而定。干扰情况而定。6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态下临界速度下临界速度Vc ；上临界速度；上临界速度Vc 雷诺雷

23、诺(O.Reynolds)实验实验f层流区lghwlgV紊流区过渡区bcdealgVelgVe流态的判别流态的判别-雷诺数雷诺数ARVRVdVdReRe实验结果：实验结果：vmkhflnlnlnmfkvh 下临界速度下临界速度Ve ；上临界速度上临界速度Ve6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态ccVV 雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验引入水力学半径概念(R),A为过流断面面积为湿周即断面上因固体边缘与流体相接触的周长。f层流区lghwlgV紊流区过渡区bcdealgVelgVe实验结果：实验结果：ab段：段：vmkhflnlnlnmfkvh 流速很小，属于层流。kvhf

24、ef段：段：流速较大，属于紊流。0.275.1kvhfbce段：段：层流和紊流相互转化的过渡区。(不稳定区域)6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 雷诺雷诺(O.Reynolds)实验实验管流：管流：Re 2300（有时用2000）,流态属紊流。不论其管径的大小和流速的快慢、流体性质如何，流态的形态均为层流。明渠流：明渠流：Re 575（500）,流态属紊流。6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 紊流的成因紊流的成因:层流 紊流 转捩（读转捩（读lie转折点）转折点）扰动 23ReLLVLLVVVL雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义:(1)流态转捩的判别准则 (2

25、)惯性力与粘性力之比惯性力粘性力6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态23ReLLVLLVVVL雷诺数较小，雷诺数较小，反映出流体受粘滞作用控制，反映出流体受粘滞作用控制，对流体的对流体的质点运动起着约束作用，因此当雷诺数小到一定程度时，质点运动起着约束作用，因此当雷诺数小到一定程度时，质点呈有秩序的线状运动，互不掺混，也即呈层流形态。质点呈有秩序的线状运动，互不掺混，也即呈层流形态。当流动的雷诺数逐渐加大时，说明当流动的雷诺数逐渐加大时，说明惯性力增大惯性力增大，粘滞，粘滞作用则随之减小，当这种作用减弱到一定程度时，层流作用则随之减小，当这种作用减弱到一定程度时，层流失去了稳定

26、，又由于各种外界因素，如边界的高低不平，失去了稳定，又由于各种外界因素，如边界的高低不平，流体质点离开了线状运动，因粘滞性不再能控制这种扰流体质点离开了线状运动，因粘滞性不再能控制这种扰动，而惯性作用则微小扰动不断发展扩大，形成了紊流动，而惯性作用则微小扰动不断发展扩大，形成了紊流形态。形态。6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态例1 水=1.7910-6m2/s,油=30 10-6m2/s,若它们以V=0.5m/s的流速在直径为 d=100mm的圆管中流动,试确定其流动形态。解:水的流动雷诺数2000166710301.05.0Re62Vd流动为紊流状态油的流动雷诺数20002

27、79331079.11.05.0Re61Vd所以流动为层流流态6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态例2 运动粘度=1.310-5m2/s 的空气在宽 B=1m,高H=1.5m的矩形截面通风管道中流动,求保持层流流态的最大流速。解:)(3.05.12125.1122mHBBHAR保持层流的最大流速即是临界流速)m/s(022.03.0103.1500Re5,RVRcc6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态例3 以下是流态为层流时,hf与速度V的实测值:试用最小二乘法求 logV-loghf 的斜率。6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态解:设y=log

28、(1000hf),x=log(10V),可用直线 y=a+bx 拟合实验值,实验点数目n=5,偏差为:niiibxayE12)(6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态00)(2iiiixbnaybxayaE00)(22iiiiiiixbxayxxbxaybExbyaxnxyxnyxbniiniii1221)(求得其中niiniiynyxnx1111其中n=5,代入有关数值 1172.10319.01542.01630.01416.01553.02bayxxyxiii斜率近似为斜率近似为1,流态属层流。流态属层流。6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态6-1 流动阻力

29、和流动阻力和水头损失的分类水头损失的分类 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 6-3 沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动6-5 明渠中的层流运动（了解）明渠中的层流运动（了解）6-6 紊流运动紊流运动 6-7 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失6-8 局部水头损失局部水头损失6-9 边界层概念与绕流阻力（不讲）边界层概念与绕流阻力（不讲）6-3 6-3 沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系背景知识背景知识：石油输运管道内的流动，机械润滑系统内的流动等。沿程阻力（均匀流内部层间的切应力）是造成水头损失的直接原因

30、。建立沿程水头损失与切应力的关系切应力变化规律解决沿程水头损失。p2p1L设流动定常,充分发展,则221rLpp gRLgpgpphwf21 6-3 6-3 沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系平衡方程r=d/2时伯努利方程伯努利方程gRJw一、均匀流动方程式一、均匀流动方程式02)(221rLrppLpRdLpw4LhJf水力坡度（梯度）壁面切应力设流动定常,充分发展,则gRLhwf 6-3 6-3 沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系gRJw上面式子，给出了圆管均匀流沿程水头损失与切应力的关系，称为均匀流动方程式。对于明渠均匀流，得到同样的结果，因为明渠流是

31、非周对称过流断面，边壁切应力分布不均匀，边壁切应力为平均切应力。上述公式既适用于层流也也适用与紊流。上述公式既适用于层流也也适用与紊流。一、均匀流动方程式一、均匀流动方程式沿程水头损失壁面切应力设流动定常,充分发展,则 6-3 6-3 沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系240rgJdgJgRJw221rLpp LhJf2rLp2rgJwrr0切应力呈直线分布，管轴处：0，管壁达到最大值。二、圆管过流断面上切应力分布二、圆管过流断面上切应力分布利用均匀流动方程式，推导沿程摩阻系数利用均匀流动方程式，推导沿程摩阻系数与壁面切应与壁面切应力之间的关系：力之间的关系：6-3 6-3

32、沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系gRJw三、壁剪切速度三、壁剪切速度结合达西公式：结合达西公式：gvdLhf2228vwgvdLhJf212p2p1L8)(2*2*vvvwv*称称壁剪切速度壁剪切速度,该式对该式对层流与紊流均适用层流与紊流均适用.28vw定义：定义：wv2*gRJvw*称为：阻力速度（摩阻速称为：阻力速度（摩阻速度或动力速度）；壁剪切度或动力速度）；壁剪切速度速度原因：原因：与速度量纲相同，与速度量纲相同，而又与边界阻力相联系而又与边界阻力相联系。28vw8)(2*vv2*)(8vv 6-3 6-3 沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系三、

33、壁剪切速度三、壁剪切速度6-1 流动阻力和流动阻力和水头损失的分类水头损失的分类 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 6-3 沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动6-5 明渠中的层流运动（了解）明渠中的层流运动（了解）6-6 紊流运动紊流运动 6-7 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失6-8 局部水头损失局部水头损失6-9 边界层概念与绕流阻力（不讲）边界层概念与绕流阻力（不讲）6-4 6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动层流常见于很细的管道流动，或者低速、高粘流动的管道流动，如阻尼管、润滑油管、原油输油管道内的流动。工程

34、实用意义，加深对紊流的认识。对于层流对于层流drdur00yx0drr一、层流特征一、层流特征dydurry0利用公式)(412Crlpu对于层流对于层流00urrdrdu221rlpp 420maxrlpu824000rlprudrQr二二 流速分布流速分布对r 积分边界条件：)(41220rrlpur00yx0drr 6-4 6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动8120rlpudAAvA所以所以 max21uv 利用速度分布：利用速度分布：AdAvuA0.2)(13AdAvuA33.1)(12断面平均速度：断面平均速度：动能修正系数动能修正系数动量修正系数动量修正系数两者的数值均大于1

35、，说明流速分布很不均匀。r00yx0drr 6-4 6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动二二 流速分布流速分布结合达西公式结合达西公式非圆形截面管流的达西公式为：非圆形截面管流的达西公式为：)(ReRe646428220vddvgvdlgrvlgphfgVRlhf2428120rlpudAAvA208rvlp三三.沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算 6-4 6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动例4:d=100mm,L=16km,油在油管中流动,油=915kg/m3,运动粘性系数=1.8610-4m2/s,求每小时通过 50t 油所需要的功率。解:200010431086.11.094

36、.1Re/94.1/0152.0360091510005043VdsmAQVsmQQmkW)(6.2532.18836001000508.932.1888.9294.11.0106.106136.0206136.0104364Re64232fmfhgQPmgVdLh三三.沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算 6-4 6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动三三.沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算 6-4 6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动P137 例题：细管粘度计（不讲自己做为作业）例题：细管粘度计（不讲自己做为作业）6-1 流动阻力和流动阻力和水头损失的分类水头损失的分类 6-2 粘

37、性流体的两种流态粘性流体的两种流态 6-3 沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动6-5 明渠中的层流运动（了解）明渠中的层流运动（了解）6-6 紊流运动紊流运动 6-7 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失6-8 局部水头损失局部水头损失6-9 边界层概念与绕流阻力（不讲）边界层概念与绕流阻力（不讲）设流动充分发展,则有gdyyyppxh0sin)(dxdygdxdyydx一一.沿程阻力与切应力之间的关系沿程阻力与切应力之间的关系平衡方程平衡方程sin22gdyuddydusin22gdyud积分，求udxdygdyyyppxh积分得:)

38、21(sin212CyCygu边界条件:000dyduhyuy有C1=-h C2=0)21(sin2yhygusin22gdyud一一.沿程阻力与切应力之间的关系沿程阻力与切应力之间的关系gdyyyppxh单位宽度体积流量为:sin3/sin3230hghQVhgudyQhsin21lzzhfVgh23sinVghlhf23一一.沿程阻力与切应力之间的关系沿程阻力与切应力之间的关系对于宽为b,深为h的渠道流,水力半径为hRbhbbhR2Re242424322VRgVRlVghlhfVRRebhbh一一.沿程阻力与切应力之间的关系沿程阻力与切应力之间的关系6-1 流动阻力和流动阻力和水头损失的分

39、类水头损失的分类 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 6-3 沿程水头损失与切应力的关系沿程水头损失与切应力的关系6-4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动6-5 明渠中的层流运动（了解）明渠中的层流运动（了解）6-6 紊流运动紊流运动 6-7 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失6-8 局部水头损失局部水头损失6-9 边界层概念与绕流阻力（不讲）边界层概念与绕流阻力（不讲）6.6 6.6 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论意义：意义：实际流体流动中，绝大多数是湍流（紊流）。实际流体流动中，绝大多数是湍流（紊流）。紊流和湍流的显著差别：紊流和湍流的显著差别：层流中的流体质点层

40、次分明层流中的流体质点层次分明地向前运动，其轨迹是一些平滑的变化很慢的曲线，互不地向前运动，其轨迹是一些平滑的变化很慢的曲线，互不混掺。混掺。而紊流中流体质点的轨迹杂乱无章，互相交错，而且而紊流中流体质点的轨迹杂乱无章，互相交错，而且迅速地变化，流体微团（漩涡涡体）在顺流向运动的同时，迅速地变化，流体微团（漩涡涡体）在顺流向运动的同时，还作横向和局部逆向运动，与它周围的流体发生混掺。还作横向和局部逆向运动，与它周围的流体发生混掺。通过雷诺试验可知，层流和紊流的主要区别在于：通过雷诺试验可知，层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紊流：各流层之间液体质点不断互相混掺混掺 层流

41、：无层流：无 互相混掺是由于液流扰动产生涡体所致，涡体形成互相混掺是由于液流扰动产生涡体所致，涡体形成是混掺作用产生的根源。是混掺作用产生的根源。下面讨论涡体的形成过程。下面讨论涡体的形成过程。6.6 6.6 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论一、紊流形成过程一、紊流形成过程在明渠中任取一层液流进行分析在明渠中任取一层液流进行分析 注注 意意液层上部和下部液层上部和下部切应力方向切应力方向yu6.6 6.6 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论一、紊流形成过程一、紊流形成过程 由于外部扰动、来流中残留的扰动，液流不可避免由于外部扰动、来流中残留的扰动，液流不可避免产生局部性波

42、动。产生局部性波动。随着波动，局部流速和压强将重新调整。随着波动，局部流速和压强将重新调整。微小微小流流束各段承受不同方向的横向力束各段承受不同方向的横向力P P 作用。作用。PPPPP6.6 6.6 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论一、紊流形成过程一、紊流形成过程 横向力和切应力构成了同向力矩，使波峰越凸，横向力和切应力构成了同向力矩，使波峰越凸，波谷越凹，促使波幅增大。波谷越凹，促使波幅增大。PPPPPP6.6 6.6 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论一、紊流形成过程一、紊流形成过程 波幅增大到一定程度，横向压力和切应力的综波幅增大到一定程度，横向压力和切应力的综合

43、作用，使波峰和波谷重叠，形成涡体。合作用，使波峰和波谷重叠，形成涡体。PPP6.6 6.6 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论一、紊流形成过程一、紊流形成过程 涡体上面流速大，压强小，下面流速小，压强大，涡体上面流速大，压强小，下面流速小，压强大，形成作用于涡体的升力，推动涡体脱离原流层掺入流形成作用于涡体的升力，推动涡体脱离原流层掺入流速较高的临层，扰动临层进一步产生新的涡体。速较高的临层，扰动临层进一步产生新的涡体。P升力升力涡涡 体体u 大大u 小小P升力升力涡涡 体体u 大大u 小小 涡体形成后，其是否能掺入上临层取决于涡体惯涡体形成后，其是否能掺入上临层取决于涡体惯性力和粘

44、滞力的对比。当涡体惯性作用与粘性作用相性力和粘滞力的对比。当涡体惯性作用与粘性作用相比大到一定程度，才有可能上升至临层，由层流发展比大到一定程度，才有可能上升至临层，由层流发展到紊流。到紊流。P升力升力涡涡 体体u 大大u 小小涡体形成后，也可能掺入下临层，取决于瞬时流速分布涡体形成后，也可能掺入下临层，取决于瞬时流速分布yu时均流速分布时均流速分布P升力升力涡涡 体体u 大大u 小小 当流速分布上大，当流速分布上大，下小时，涡体会由下下小时，涡体会由下层掺入上层；层掺入上层；yu时均流速分布时均流速分布瞬时流速分布瞬时流速分布P升力升力涡涡 体体u 大大u 小小 流速分布上小，下大时，流速分

45、布上小，下大时，涡体会由上层掺入下层。涡体会由上层掺入下层。流动随机性可能使流速流动随机性可能使流速呈呈现上小下大的分布现上小下大的分布 层流是否发展成为紊流，取决于涡体所受惯层流是否发展成为紊流，取决于涡体所受惯性力和粘滞力的对比。性力和粘滞力的对比。下面分析涡体的惯性力粘滞力之比的量纲。下面分析涡体的惯性力粘滞力之比的量纲。6.6 6.6 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论一、紊流形成过程一、紊流形成过程Redddd22223vLTFLvLvLyuATLvLvLxuMuMaF可见，用雷诺数可以判断液流的型态。可见，用雷诺数可以判断液流的型态。粘滞力：粘滞力：惯性力：惯性力：6.6

46、 6.6 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论一、紊流形成过程一、紊流形成过程紊流形成的先决条件：紊流形成的先决条件：涡体形成，并且雷诺数达到一定的数值。涡体形成，并且雷诺数达到一定的数值。6.6 6.6 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论一、紊流形成过程一、紊流形成过程大量试验表明：大量试验表明：当管流的雷诺数很高时，可以发现当管流的雷诺数很高时，可以发现在湍流中存在许许多多大大小小的漩涡。在湍流中存在许许多多大大小小的漩涡。湍流的复杂运动与这些大大小小的漩涡有关。湍流的复杂运动与这些大大小小的漩涡有关。漩涡的运动使各流层的流体发生强烈的混掺，使流漩涡的运动使各流层的流体发

47、生强烈的混掺，使流体质点的运动轨迹变得曲折混乱。体质点的运动轨迹变得曲折混乱。6.6 6.6 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论 uxx ux xu 0 时时间间ux Notes:目前关于湍流发生目前关于湍流发生的机理尚未清楚，但多数学者的机理尚未清楚，但多数学者认为，湍流的发生与小尺度漩认为，湍流的发生与小尺度漩涡的形成和发展有关。涡的形成和发展有关。一、紊流形成过程一、紊流形成过程6.66.6紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论漩涡产生的原因（从两个方面分析）：漩涡产生的原因（从两个方面分析）：（1）根据流动稳定性理论，当雷诺数超过某个值时，）根据流动稳定性理论，当雷诺数

48、超过某个值时，层流是不稳定的。层流是不稳定的。在壁面近处，随机地出现一些在壁面近处，随机地出现一些U型涡环，这些涡环在型涡环，这些涡环在运动过程中，不断变形、扭曲、破裂。运动过程中，不断变形、扭曲、破裂。当涡环破裂时，壁面附近的流体一阵阵地喷射进入主当涡环破裂时，壁面附近的流体一阵阵地喷射进入主流区，流区，称为喷射运动称为喷射运动；而主流区的流体也侵入壁面，发生；而主流区的流体也侵入壁面，发生所谓的所谓的扫惊运动扫惊运动。这种垂直壁面的运动使得更多的涡环、。这种垂直壁面的运动使得更多的涡环、漩涡产生。漩涡产生。一、紊流形成过程一、紊流形成过程6.6 6.6 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的

49、基本理论（2）固体壁面总是粗糙不平的，在粗糙元的尖角处也不）固体壁面总是粗糙不平的，在粗糙元的尖角处也不断出现漩涡。断出现漩涡。漩涡形成后就会泻入下游，在向下游运动的过程中，漩涡形成后就会泻入下游，在向下游运动的过程中，漩涡是继续加强还是逐渐衰减，与惯性力及粘性力的大小有漩涡是继续加强还是逐渐衰减，与惯性力及粘性力的大小有关。关。如果惯性力大于粘性力，则漩涡不断加强，数量增多，如果惯性力大于粘性力，则漩涡不断加强，数量增多，流动表现为湍流。流动表现为湍流。如果惯性力小于粘性力，则漩涡不断衰减直至消失，如果惯性力小于粘性力，则漩涡不断衰减直至消失，流动表现为层流。流动表现为层流。一、紊流形成过程

50、一、紊流形成过程6.5 6.5 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论归纳湍流的特征：归纳湍流的特征：1.不规则性：不规则性：紊流流动是又大小不等的涡体所组成的紊流流动是又大小不等的涡体所组成的无规则的随机运动，它的本质是无规则的随机运动，它的本质是“紊流紊流”，即随机的脉动，即随机的脉动，它的速度场和压力场都是随机的。它的速度场和压力场都是随机的。2.紊流的扩散：紊流的扩散：紊流的混掺扩散增加了动能、热能和紊流的混掺扩散增加了动能、热能和质量的传递率。例如：紊流中沿程过流断面上的流速分布，质量的传递率。例如：紊流中沿程过流断面上的流速分布，就比层流均匀的多。就比层流均匀的多。3.能量耗