流体力学流动阻力和能量损失教学课件.ppt

1、 沿程损失和局部损失沿程损失和局部损失 层流与紊流、雷诺数层流与紊流、雷诺数 圆管中的层流运动圆管中的层流运动 紊流运动的特征和紊流阻力紊流运动的特征和紊流阻力 尼古拉兹实验尼古拉兹实验 工业管道紊流阻力系数的计算公式工业管道紊流阻力系数的计算公式 非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失 管道流动的局部损失管道流动的局部损失 减小阻力的措施减小阻力的措施21222222111122lhgvpzgvpz单位重量流体的单位重量流体的平均能量损失平均能量损失固体边壁固体边壁速度梯度速度梯度粘性粘性流动阻力流动阻力一、一、能量损失的分类能量损失的分类2.2.局部阻力局部阻力 1.1.沿程阻力沿程阻力局部能量

2、损失局部能量损失(局部水头损失局部水头损失)沿程能量损失沿程能量损失(沿程水头损失沿程水头损失)2.2.局部能量损失局部能量损失 1.1.沿程能量损失沿程能量损失 发生在均匀流发生在均匀流(缓变流缓变流)整个流程中的能量损失，由流体整个流程中的能量损失，由流体的沿程摩擦阻力造成的损失。的沿程摩擦阻力造成的损失。发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，即在发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，即在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。的漩涡等造成的损失。二、能量损失的计算公式二、能量损失的计算公式gv

3、dlhf22fh单位重力流体的沿程能量损失单位重力流体的沿程能量损失沿程损失系数沿程损失系数l管道长度管道长度d管道内径管道内径gv22单位重力流体的动压头（速度水头）。单位重力流体的动压头（速度水头）。1.1.沿程水头损失沿程水头损失2 2、局部水头损失、局部水头损失gvh22mmh单位重力流体的局部能量损失。单位重力流体的局部能量损失。gv22单位重力流体的动压头（速度水头）。单位重力流体的动压头（速度水头）。局部损失系数局部损失系数用压强损失表示用压强损失表示:22fvdlp22mvp三、总能量损失三、总能量损失 整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的叠加。整个管道的能量损失是分段计

4、算出的能量损失的叠加。21lh总能量损失总能量损失(水头损失水头损失)。mf21hhhl第二节层流和紊流、雷诺数第二节层流和紊流、雷诺数一、雷诺实验一、雷诺实验1883年英国物理学家雷诺在与年英国物理学家雷诺在与图图4-2类似的装置上进行了实验。类似的装置上进行了实验。试验时，水箱试验时，水箱A内水位保持不变，内水位保持不变，阀门阀门C用于调节流量容器用于调节流量容器D内内盛有容重与水相近的颜色水，经盛有容重与水相近的颜色水，经细管细管E流入玻璃管，阀门流入玻璃管，阀门F用于控用于控制颜色水流量。制颜色水流量。当管当管B内流速较小时，管内颜色水成一股细直的流束，这表明各液内流速较小时，管内颜色

5、水成一股细直的流束，这表明各液层间毫不相混。层间毫不相混。这种分层有规则的流动状态称为层流这种分层有规则的流动状态称为层流。当阀门。当阀门F逐逐渐开大流速增加到某一临界流速时，颜色水出现摆动，继续增大流渐开大流速增加到某一临界流速时，颜色水出现摆动，继续增大流速，则颜色水迅速与周围清水相混，这表明液体质点的运动轨迹是速，则颜色水迅速与周围清水相混，这表明液体质点的运动轨迹是极不规则的，极不规则的，各部分流体互相剧烈掺混这种流动状态称为紊流各部分流体互相剧烈掺混这种流动状态称为紊流。实验现象实验现象层流：层流：着色流束为一条明晰细小的直线。着色流束为一条明晰细小的直线。表明整个流场呈一簇互相平行

6、的流线，表明整个流场呈一簇互相平行的流线，流动状态分层规则。流动状态分层规则。紊流：紊流：着色流束迅速与周围流体相混，着色流束迅速与周围流体相混，颜色扩散至整个玻璃管。表明流体质颜色扩散至整个玻璃管。表明流体质点作复杂的无规则的运动点作复杂的无规则的运动,各部分流体各部分流体互相剧烈掺混。互相剧烈掺混。过渡状态：过渡状态：着色流束开始振荡摆动。表着色流束开始振荡摆动。表明流体质点的运动处于不稳定状态。明流体质点的运动处于不稳定状态。层流层流紊流紊流过渡状态过渡状态层流、紊流和雷诺数层流、紊流和雷诺数二、沿程损失与流动状态二、沿程损失与流动状态实验装置实验装置层流、紊流和雷诺数层流、紊流和雷诺数

7、实验结果实验结果结论：结论：沿程损失与流动状态有关沿程损失与流动状态有关，故，故计算各种流体通道的沿程损失，必计算各种流体通道的沿程损失，必须首先判别流体的流动状态。须首先判别流体的流动状态。层流：层流：0.1vhf紊流：紊流：0.275.1vhf层流、紊流和雷诺数层流、紊流和雷诺数三、流态的判别准则三、流态的判别准则临界雷诺数临界雷诺数1 1、实验发现、实验发现2、临界流速临界流速crv下临界流速（紊流过渡到层流状态下的流体速度）下临界流速（紊流过渡到层流状态下的流体速度）crv上临界流速（层流过渡到紊流状态下的流体速度）上临界流速（层流过渡到紊流状态下的流体速度）层层 流：流：不稳定流：不

8、稳定流：紊紊 流：流：crvv crcrvvvcrvv 流动较稳定流动较稳定流动不稳定流动不稳定crvv crvvO hjvcr vDCBAvcr 层流、紊流和雷诺数层流、紊流和雷诺数3、临界雷诺数临界雷诺数层层 流：流：不稳定流：不稳定流：紊紊 流：流：2320Recr下临界雷诺数下临界雷诺数13800eRcr上临界上临界雷诺数雷诺数crReRe crcreRReRecreRRe2000Recr工程上常用的圆管临界雷诺数工程上常用的圆管临界雷诺数2000Re 2000Re 层层 流：流：紊紊 流：流：vdvdRe雷诺数雷诺数层流、紊流和雷诺数层流、紊流和雷诺数例例4.1 水和油的运动粘度分别

9、为水和油的运动粘度分别为 和和 ，若它们以，若它们以v0.5m/s 的流速在直径为的流速在直径为d100mm的圆管中流动，试确定其流动形态；若使流动保持的圆管中流动，试确定其流动形态；若使流动保持为层流，最大流速是多少？为层流，最大流速是多少？s/m1079.1261s/m1030262解解:(1)水的流动雷诺数水的流动雷诺数 2000279331079.11.05.0Re61vd所以流动为紊流流态。所以流动为紊流流态。保持层流的最大流速是临界流速保持层流的最大流速是临界流速:m/s 0358.01.01079.12000Re61ccdv(2)(2)油的流动雷诺数油的流动雷诺数 2000167

10、710301.05.0Re62Vd所以流动为层流流态。所以流动为层流流态。油流动保持为层流的最大流速：油流动保持为层流的最大流速：m/s 6.01.010302000Re62ccdv层流、紊流和雷诺数层流、紊流和雷诺数例例4-2 某低速风管道，直径某低速风管道，直径d200mm，风速，风速v3 3.0m/s，空气，空气温度是温度是30 C。（。（1）试判断风道内气体的流态；（）试判断风道内气体的流态；（2）该风道）该风道的的临界流速是多少？临界流速是多少？解解:(1)查表得空气的运动粘滞系数查表得空气的运动粘滞系数管中管中流动雷诺数：流动雷诺数：s/m106.1626200036150106.

11、162.03Re6vd所以流动为紊流流态。所以流动为紊流流态。（2）风道）风道的临界流速：的临界流速：m/s 166.02.0106.162000Re6ccdv层流、紊流和雷诺数层流、紊流和雷诺数四、流态分析四、流态分析层流：层流：滑动摩擦阻力滑动摩擦阻力规则流层规则流层紊流：紊流：滑动摩擦阻力，惯性阻力滑动摩擦阻力，惯性阻力质点掺混碰撞质点掺混碰撞大得多大得多 流体的流动状态是层流还是紊流，对于流场的速度分布、流体的流动状态是层流还是紊流，对于流场的速度分布、产生阻力的方式和大小，以及对传热传质过程和动量传递产生阻力的方式和大小，以及对传热传质过程和动量传递规律等都各不相同，所以在研究这些问

12、题之前，首先需要规律等都各不相同，所以在研究这些问题之前，首先需要判别流体的流动是属于哪一种状态。判别流体的流动是属于哪一种状态。层流、紊流和雷诺数层流、紊流和雷诺数惯性力惯性力=ma2223/vLTLL粘性力粘性力/dd2vLLvLnuARe22vLvLvL粘性力惯性力雷诺数物理意义：雷诺数反映了惯性力和粘性力的对比关系。雷诺数物理意义：雷诺数反映了惯性力和粘性力的对比关系。因此可用来判别流态。因此可用来判别流态。当当Re较小时粘性力作用大，对质点运动起约束作用，流体较小时粘性力作用大，对质点运动起约束作用，流体质点表现为有秩序互补掺混的层流状态。质点表现为有秩序互补掺混的层流状态。当当Re

13、Recr时，惯性力起主导作用，粘性力控制减弱，不足以时，惯性力起主导作用，粘性力控制减弱，不足以控制和约束外界扰动，惯性力将微小扰动不断扩大，形成紊流。控制和约束外界扰动，惯性力将微小扰动不断扩大，形成紊流。层流、紊流和雷诺数层流、紊流和雷诺数 粘性流体在圆管粘性流体在圆管中紊流流动时，紧贴固体中紊流流动时，紧贴固体壁面有一层很薄的流体，壁面有一层很薄的流体，受壁面的限制，脉动运动受壁面的限制，脉动运动几乎完全消失，粘滞起主几乎完全消失，粘滞起主导作用，基本保持着层流导作用，基本保持着层流状态，这一薄层称为粘性状态，这一薄层称为粘性底层。底层。圆管中紊流的区划圆管中紊流的区划:2.2.紊流充分发展的中心区紊流充分发展的中心区1.1.粘性底层区粘性底层区3.3.由粘性底层区到紊流充分发展的中心区的过渡区由粘性底层区到紊流充分发展的中心区的过渡区 粘性底层粘性底层:五、流动空间分布特征五、流动空间分布特征粘性层流底层、过渡区和紊流核心区粘性层流底层、过渡区和紊流核心区 层流、紊流和雷诺数层流、紊流和雷诺数本节作业本节作业习题习题 4.3习题习题 4.5