沿程阻力和水头损失课件.pptx
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- 阻力 水头 损失 课件
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1、粘滞性和惯性粘滞性和惯性物理性质物理性质固体边界固体边界固壁对流动的固壁对流动的阻滞阻滞和和扰动扰动产生水产生水流阻力流阻力损耗机械损耗机械能能h hw w水头损失的物理概念及其分类水头损失的物理概念及其分类产生损失的内因,决定因素产生损失的外因产生损失的外因水头损失:水头损失:单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能。机械能。4-1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 流体在渠道、管道中流动时,由于边界条件不同以及水流流体在渠道、管道中流动时,由于边界条件不同以及水流本身沿流程变化特性不同,能量损失表现形式也不同。通常将本身沿
2、流程变化特性不同,能量损失表现形式也不同。通常将水头损失分为两种:沿程水头损失与局部水头损失。水头损失分为两种:沿程水头损失与局部水头损失。沿程水头损失:沿程水头损失:水头损失沿程都有,并且大小与液流经过的管水头损失沿程都有,并且大小与液流经过的管段长度成正比。段长度成正比。以以h hf f表示。表示。在长直、断面沿流程不变或变化很缓慢的管道、渠道中流动的在长直、断面沿流程不变或变化很缓慢的管道、渠道中流动的水流,其水头损失主要表现为沿程水头损失水流,其水头损失主要表现为沿程水头损失.由液层间摩擦作用而引起的。由液层间摩擦作用而引起的。损失的大小与流体的流动状态(层流或紊流)有密切关系。损失的
3、大小与流体的流动状态(层流或紊流)有密切关系。局部水头损失:局部水头损失:局部区域内由于水流边界条件发生变化所产生局部区域内由于水流边界条件发生变化所产生的能量损失。常用的能量损失。常用hj表示。表示。在管道系统中装有阀门、弯管、变截面管等局部装置。流体流在管道系统中装有阀门、弯管、变截面管等局部装置。流体流经这些局部装置时流速将重新分布,流体质点之间及与局部装经这些局部装置时流速将重新分布,流体质点之间及与局部装置之间发生碰撞、产生漩涡,使流体的流动受到阻碍,由于这置之间发生碰撞、产生漩涡,使流体的流动受到阻碍,由于这种阻碍是发生在局部的急变流动区段,所以称为局部阻力。流种阻碍是发生在局部的
4、急变流动区段,所以称为局部阻力。流体为克服局部阻力所损失的能量,称为局部损失。体为克服局部阻力所损失的能量,称为局部损失。边界的形状或大小改变,液流内部结构就要急剧调整,流速边界的形状或大小改变,液流内部结构就要急剧调整,流速分布进行改组流线发生弯曲并产生旋涡,在这些局部地区就有局分布进行改组流线发生弯曲并产生旋涡,在这些局部地区就有局部水头损失。部水头损失。常见的发生局部水头损失区域常见的发生局部水头损失区域式中:式中:代表该流段中各分段的沿程水头损失的总和;代表该流段中各分段的沿程水头损失的总和;jfwhhhfhjh液流的总水头损失液流的总水头损失h hw w代表该流段中各种局部水头损失的
5、总和。代表该流段中各种局部水头损失的总和。hf1hj渐扩hf2hf3hj缩hf4hj弯hf5hf6hj阀h hw wh hf1f1h hf2f2h hf3f3h hf4f4 h hf5 f5+h+hf6f6 h hj j进口进口h hj j渐扩渐扩h hj j收缩收缩h hj j转弯转弯h hj j阀门阀门 4-2 4-2 液体运动的两种型态液体运动的两种型态一、雷诺试验一、雷诺试验雷诺试验雷诺试验揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。当流速较小时,各流层的液体质点是当流速较小时,各流层的液体质点是有条不紊地运动,互不混杂,这种型有条不紊地运动,互不混杂,
6、这种型态的流动叫做层流。态的流动叫做层流。当流速较大,各流层的液体质点形成涡当流速较大,各流层的液体质点形成涡体,在流动过程中,互相混掺,这种型体,在流动过程中,互相混掺,这种型态的流动叫做紊流。态的流动叫做紊流。水流由层流转化为紊流时的流速称为上水流由层流转化为紊流时的流速称为上临界流速,用临界流速,用VcVc来表示。来表示。水流从紊流转变为层流的流速称为下水流从紊流转变为层流的流速称为下临界流速,用临界流速,用VcVc来表示。来表示。实验证实:实验证实:VcVcVcVc。当液体流速当液体流速V VVcVc时,液体属于紊流;时,液体属于紊流;当液体流速当液体流速V VVcVc时,液体属于层流
7、;时,液体属于层流;当当VcVcV VVcVc时,可以是层流也可以是紊流,液流形态是不时,可以是层流也可以是紊流,液流形态是不稳定的。例如原来是层流,但在噪声、机械振动、固体表面稳定的。例如原来是层流,但在噪声、机械振动、固体表面粗糙度的影响下,可变为紊流。粗糙度的影响下,可变为紊流。二、层流与紊流的判别二、层流与紊流的判别(下)临界雷诺数(下)临界雷诺数ReVd雷诺数雷诺数或或ReVR若若ReReReReReRec c,水流为紊流,水流为紊流,1.752.0fhV2300Re c500Re c dVdVccc Re圆管:直径圆管:直径d d是表征断面几何性质的特征长度;是表征断面几何性质的特
8、征长度;对非圆形断面的管道和渠道:断面特征长度用水力半径表示。对非圆形断面的管道和渠道:断面特征长度用水力半径表示。ARA A:过水断面面积(:过水断面面积(m m2 2):湿周:湿周(m)(m),断面上液体与固体相接触的边界长度,断面上液体与固体相接触的边界长度矩形管道:矩形管道:2 2(h+bh+b)矩形断面的渠道,矩形断面的渠道,2h+b2h+bbhbh圆管的水力半径圆管的水力半径2/44Rddd d层流与紊流的水头损失的规律不同,可用雷诺实验来测量这种层流与紊流的水头损失的规律不同,可用雷诺实验来测量这种规律。规律。在所实验的管段上,因为水平直管路中流体作稳定流时,根据在所实验的管段上
9、,因为水平直管路中流体作稳定流时,根据能量方程可以写出其沿程水头损失就等于两断面间的压力水头能量方程可以写出其沿程水头损失就等于两断面间的压力水头差,即差,即 21pphf 改变流量,将改变流量,将h hf f与与v v对对应关系绘于双对数坐标纸应关系绘于双对数坐标纸上,得到上,得到.关关系系曲曲线线vhf 045lgfhlgclgclgCC关系曲线图vhf三、层流与紊流的水头损失规律三、层流与紊流的水头损失规律 曲线可分为三个部分曲线可分为三个部分:当当V VVcVc时属层流,时属层流,h hf f与流速与流速v v的一次方成正比,试验点成倾角的一次方成正比,试验点成倾角为为45450 0的
10、直线分布。的直线分布。沿程水头损失与平均流速成正比。沿程水头损失与平均流速成正比。当当V VVcVc时属紊流,试验点分布倾角大于时属紊流,试验点分布倾角大于45450 0的直线上,的直线上,h hf f与流与流速的速的1.75-2.01.75-2.0次方成正比。次方成正比。当当VcVcV VVcVc时,是层流向紊时,是层流向紊流的过渡区,当速度从小逐渐流的过渡区,当速度从小逐渐增大时,试验点落在增大时,试验点落在ABAB线上,线上,当流速达到当流速达到VcVc时,流动转变为时,流动转变为紊流,试验点沿紊流,试验点沿BCBC线移动;当线移动;当流速由大逐渐减小时,试验点流速由大逐渐减小时,试验点
11、落在落在DCADCA上;在过度区,实验点上;在过度区,实验点是分散的,取决于具体的实验是分散的,取决于具体的实验条件。条件。045lgfhlgclgclgACoBD【例题例题】管道直径 100mm,输送水的流量 m3/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?d01.0Vq610141014.1【解解】(1)雷诺数 VdRe27.11.014.301.04422dqVV23001027.11011.027.1Re56(m/s)故水在管道中是紊流状态。(2)230011141014.11.027.1Re4 Vd故油在管
12、中是层流状态。在管道或明渠均匀流中,任意取出一段总流来分析作用在其上在管道或明渠均匀流中,任意取出一段总流来分析作用在其上的力。的力。在均匀流中,由于流线是平行直线,流层间的粘性阻力(切应力)在均匀流中,由于流线是平行直线,流层间的粘性阻力(切应力)是造成沿程水头损失的直接原因,所以水头损失只有沿程水头损是造成沿程水头损失的直接原因,所以水头损失只有沿程水头损失。失。一、基本方程一、基本方程gAlG lF 0sin21FGFFPP0sin21 lagAlApAp2 2、重力、重力:3 3、摩擦阻力、摩擦阻力因为均匀流没有加速度,所以因为均匀流没有加速度,所以即即11ApFP1 1、动水压力、动
13、水压力1-11-1断面断面2-22-2断面断面22ApFP0sin21 lagAlApAplzza21singAgAlgpzgpz )()(2211将将代入上式代入上式,各项用,各项用除之,整理后除之,整理后fhgpzgpz)()(2211 gRlgAlhf 因断面因断面1-11-1及及2-22-2的流速水头相等,则能量方程为的流速水头相等,则能量方程为 有有gRJ gRlgAlhf Jlhf因因故上式可写成故上式可写成上式表示圆管均匀流沿程水头与壁面切应力的关系,就是均匀流上式表示圆管均匀流沿程水头与壁面切应力的关系,就是均匀流沿程水头损失与切应力的关系式。沿程水头损失与切应力的关系式。该式
14、只是反映了表面力与质量力之间的总体平衡该式只是反映了表面力与质量力之间的总体平衡,没有具体反映没有具体反映水流内部的物理本质水流内部的物理本质,所以对层流和紊流都适用。所以对层流和紊流都适用。对于圆管水流,公式反映的断面上切应力分布:管壁处最大为,对于圆管水流,公式反映的断面上切应力分布:管壁处最大为,为为0;管中心处最小,为;管中心处最小,为0 0。圆管恒定均匀流,设圆管恒定均匀流,设r r0 0为圆管半径,为圆管半径,以管轴为中心,在管中取出一段水流,以管轴为中心,在管中取出一段水流,作用在液流表面的切应力为作用在液流表面的切应力为22ooorgR JRrrgRJRroorr二、圆管均匀流
15、切应力的分布二、圆管均匀流切应力的分布 gRJ 在管壁处在管壁处r=rr=r0 0,0 0,水力半径水力半径R R可用管流的半径可用管流的半径r r表示:表示:R Rr/2r/2,则则 grJ/2grJ/2 rr0将(将(a a)代入)代入gRlhf242 4dR gdlhf22 式中式中 称为沿程阻力系数,表征沿程阻力大小。称为沿程阻力系数,表征沿程阻力大小。得得对圆管来说对圆管来说均匀流沿程水头损失与流段长度均匀流沿程水头损失与流段长度L L成正比,这正是沿程水头损成正比,这正是沿程水头损失的特点。失的特点。实验研究和量纲分析表明:实验研究和量纲分析表明:0 0与液体密度及水流平均流速满足
16、与液体密度及水流平均流速满足如下关系:如下关系:0 0fvfv2 2 (a)(a)f f无量纲系数。无量纲系数。gRJ 22842fllvhfvfRRg令令8f8f,也为无量纲数,也为无量纲数 例例4 42 2一矩形断面渠道,底宽一矩形断面渠道,底宽b=4mb=4m,水深,水深h=2mh=2m,在,在1000m1000m长度上水头损失长度上水头损失2m2m,求壁面上的切应力。,求壁面上的切应力。解:解:lhgRgRJf 0mhbhbAR1224242 20/6.191000219800mN 三、宽矩形明渠水流断面切应力的分布三、宽矩形明渠水流断面切应力的分布由于渠宽对于水深而言很大,取单位宽度
17、明渠来分析,认为两侧由于渠宽对于水深而言很大,取单位宽度明渠来分析,认为两侧岸对水流影响很小,岸对水流影响很小,h h为断面水深。为断面水深。切应力作用在切应力作用在bdbd和和efef的界面上,在两侧面的界面上,在两侧面abab和和cdcd上不出现切应力。上不出现切应力。取取aecfaecf水体分析,其水力半径水体分析,其水力半径yhByhBAR)(hBBhRghJ 0在水深在水深h h的单宽断面上的水力半径的单宽断面上的水力半径代入均匀流基本方程,得代入均匀流基本方程,得Jyhg)(hy10 过水断面切应力按直线规律分布,壁面处过水断面切应力按直线规律分布,壁面处0max B1maebdf
18、cyh四、圆管中的层流运动四、圆管中的层流运动 以管轴为中心,取出一段水流,切应力表达形式:以管轴为中心,取出一段水流,切应力表达形式:rJ/2rJ/2 牛顿内摩擦定律:牛顿内摩擦定律:drdux 204rgJCCrgJux 24 积分得积分得在管壁处在管壁处r=rr=r0 0,u=0u=0,则,则 流速分布公式流速分布公式)(4220rrgJux 在管轴处,在管轴处,r=0r=0,流速最大,流速最大,20max4rgJuux rdrgdux2流量流量402200082)(4rgJrdrrrgJudAQAr 平均流速平均流速 (a)(a)208rgJAQV max2021421urgJV 2)
19、2(8dlhgVf gVdlgVdlgVdlVdgdVlhf22Re64264322222 均匀流的水力坡度均匀流的水力坡度 J=hJ=hf f/L,/L,代入代入(a)(a)式式圆管层流水头损失圆管层流水头损失上式中上式中 Re64 在层流时,其阻力系数是雷诺数的函数,与雷诺数成反比,另在层流时,其阻力系数是雷诺数的函数,与雷诺数成反比,另外与管道的材料和管壁的粗糙度无关。外与管道的材料和管壁的粗糙度无关。按边界条件确定积分常数按边界条件确定积分常数C C,五、宽矩形明渠中的层流运动五、宽矩形明渠中的层流运动切应力的分布切应力的分布Jyhg)(dydu )2(2yhygJu 根据牛顿内摩擦定
20、律根据牛顿内摩擦定律当当y=0y=0,u=0u=0,则,则C C0 0因此cyhygJu)2(2 宽矩形明渠均匀流的流速分布也是抛物线型,宽矩形明渠均匀流的流速分布也是抛物线型,在自由液面上,在自由液面上,y=hy=h,流速,流速u u取最大值,取最大值,2max2hgJu B1mhy3-3 3-3 紊流的特征紊流的特征 紊流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相互混掺前进,紊流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相互混掺前进,它们的位置、形态、流速都在时刻不断地变化。它们的位置、形态、流速都在时刻不断地变化。一、运动要素的脉动一、运动要素的脉动试验研究结果表明:瞬时流速试验研究结果表明:瞬时流速
21、虽有变化,但在足够长的时间虽有变化,但在足够长的时间过程中,它的时间平均值是不过程中,它的时间平均值是不变的。变的。(时均)恒定流(时均)恒定流瞬时流速与时间平均流速之差叫做脉动流速瞬时流速与时间平均流速之差叫做脉动流速 ,引入时间平均值的概念后,可以把某些实质上是非恒定流的紊流引入时间平均值的概念后,可以把某些实质上是非恒定流的紊流看成是恒定流。看成是恒定流。时间平均流速可表示为时间平均流速可表示为TxxdxuTu01xu脉动流速的时间平均值脉动流速的时间平均值0111000 xxTTxxTxxuudtuTdtuTdtuTu紊流的运动看成是时间平均流动与脉动运动的叠加。紊流的运动看成是时间平
22、均流动与脉动运动的叠加。xxxuuu 紊流中的其他物理量,也存在脉动的现象,其脉动的处理方紊流中的其他物理量,也存在脉动的现象,其脉动的处理方式也用时均化方法处理。式也用时均化方法处理。ppp2u 常用脉动流速的均方根来表示脉动幅度的大小常用脉动流速的均方根来表示脉动幅度的大小脉动流速的均方根值与时均特征流速脉动流速的均方根值与时均特征流速v v的比值称为紊动强度。的比值称为紊动强度。2 uTu瞬时压强瞬时压强二、紊流的切应力二、紊流的切应力 紊动时均切应力看作是由两部分所组成紊动时均切应力看作是由两部分所组成21 22)(dyduldyduxx 由相邻两流层间时间平均流速相对由相邻两流层间时
23、间平均流速相对运动所产生的粘滞切应力运动所产生的粘滞切应力纯粹由脉动流速所产生纯粹由脉动流速所产生的附加切应力的附加切应力L L流层间混合长度。质点在脉动流速流层间混合长度。质点在脉动流速作用下,从一个流层跳跃到另一流层同作用下,从一个流层跳跃到另一流层同其它质点相混合所经过的垂直距离。其它质点相混合所经过的垂直距离。根据实验资料,在固体壁附近,根据实验资料,在固体壁附近,L L与距与距固体壁的法向距离固体壁的法向距离y y成正比,即成正比,即L Lkyky,k k称为卡门常数,可由实验测定。称为卡门常数,可由实验测定。yuxyL三、紊流流速分布三、紊流流速分布紊流中由于液体质点相互混掺,互相
24、碰撞,因而产生了紊流中由于液体质点相互混掺,互相碰撞,因而产生了液体内部各质点间的动量传递,造成断面上流速分布的均匀液体内部各质点间的动量传递,造成断面上流速分布的均匀化。因此紊流在管道内的流速分布图比层流要扁平一些。化。因此紊流在管道内的流速分布图比层流要扁平一些。目前管道中常用的紊流流速分布的表达式:目前管道中常用的紊流流速分布的表达式:1 1、流速分布的指数公式、流速分布的指数公式Cyuuxlg75.52 2、流速分布的对数公式、流速分布的对数公式0()nxmuyur当当Re10Re10Re105 5时,时,1118910n采用 或或流速分布的七分之一次方定律。流速分布的七分之一次方定律
25、。据具体情况而定。据具体情况而定。粘性底层粘性底层紊流中紧靠固体边界附近地方,脉动流速很小,由脉动流速产紊流中紧靠固体边界附近地方,脉动流速很小,由脉动流速产生的附加切应力也很小,而流速梯度却很大,所以粘滞切应力生的附加切应力也很小,而流速梯度却很大,所以粘滞切应力起主导作用,其流态基本属层流。起主导作用,其流态基本属层流。因此紊流中紧靠固体边界表面有一层极薄的层流层存在,该层流因此紊流中紧靠固体边界表面有一层极薄的层流层存在,该层流层叫粘性底层。在粘性底层以外的液流才是紊流。层叫粘性底层。在粘性底层以外的液流才是紊流。粘性底层虽然很薄,但对紊流粘性底层虽然很薄,但对紊流的流动有很大的影响。所
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