流动阻力解析课件.ppt

1、2022-12-5流动阻力和水头损失1内容提要内容提要：主要讲解主要讲解液体处于运动状态液体处于运动状态下的下的阻力存阻力存在在的原因以及能量方程中的的原因以及能量方程中的水头损失水头损失的的计算；讨论计算；讨论沿程阻力系数沿程阻力系数和和局部阻力系局部阻力系数数与与流动边界流动边界之间的关系和影响之间的关系和影响。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失2问题：理想液体和实际液体的区别？问题：理想液体和实际液体的区别？有无粘滞性是理想液体和实际液体的本质区别。有无粘滞性是理想液体和实际液体的本质区别。粘滞性是液流产生水头损失的决定因素。粘滞性是液流产生水头损失

2、的决定因素。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 水头损失：单位重量的液体自一断面流至另一水头损失：单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能。断面所损失的机械能。一、分类：一、分类：根据流动边界情况根据流动边界情况 沿程水头损失沿程水头损失 局部水头损失局部水头损失 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失31、沿程水头、沿程水头(阻力阻力)损失损失hf 定义：定义：水头损失水头损失沿程均有沿程均有并随沿程长度增加。主要并随沿程长度增加。主要由于由于液体液体与与管壁管壁以及以及液体本身液体本身的的内部摩擦内部摩擦，使得液，使得液体体能量能

3、量沿程降低。沿程降低。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失4特点：特点：1)沿程阻力均匀地分布在整个沿程阻力均匀地分布在整个均匀流均匀流流段上；流段上；2)沿程阻力与管段的长度成正比。沿程阻力与管段的长度成正比。u1u2abcdhf a-bhj bhj ahf b-chj chf c-dv22/(2g)hw=hf+hjv12/(2g)流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失52、局部水头（阻力）损失、局部水头（阻力）损失hj 定义：定义：局部区域内液体质点由于局部区域内液体质点由于相对运动相对运动产生较大产生较大能量损失。能量

4、损失。特点：能损发生在流动特点：能损发生在流动边界边界有有急变急变的流域及其附近的流域及其附近流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失6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 只要局部地区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部水头损失。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失7(1)液体具有粘滞性。(2)由于固体边界的影响，液流内部质点之间 产生相 对运动。液体具有粘滞性是主要的，起决定性作用。液流产生水头损失的两个条件液流产生水头损失的两个条件

5、 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失8式中：代表该流段中各分段的沿程水头损 失的总和；代表该流段中各种局部水头损失的 总和。jfwhhhfhjh 液流的总水头损失液流的总水头损失hw 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失9二、二、水头损失的计算公式水头损失的计算公式沿程阻力损失的计算公式为沿程阻力损失的计算公式为:hf=(l/d)v2/(2g)局部局部阻力损失的计算公式为阻力损失的计算公式为:hj=v2/(2g)流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失10hf与与hj的比较：的比较：相同：

6、相同：都是由于液体在运动过程中克服阻力而引起都是由于液体在运动过程中克服阻力而引起不同：不同：沿程阻力沿程阻力主要为主要为“摩擦阻力摩擦阻力”；局部阻力局部阻力主要是因为固体边界形状突然改变，主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水流从而引起水流内部结构内部结构遭受破坏，产生遭受破坏，产生漩涡漩涡，以及，以及局部阻力之后，水流还要局部阻力之后，水流还要重新调整重新调整整体结构以适应整体结构以适应新的均匀流条件所造成的。新的均匀流条件所造成的。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失11雷诺实验雷诺实验层流与紊流层流与紊流一、雷诺试验一、雷诺试验 流动阻力和水头

7、损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失12流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失13层流：层流：各层质点互不掺混各层质点互不掺混紊流：紊流：随机脉动的流动随机脉动的流动过渡流：过渡流：层流与紊流之间的层流与紊流之间的流动流动流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失14临界速度：临界速度：流态转变时的速度。流态转变时的速度。下临界速度：由紊流转变为层流时的速度下临界速度：由紊流转变为层流时的速度vc 上临界速度：由层流转变为紊流时的速度上临界速度：由层流转变为紊流时的速度vc实验证明，实验证明，vc远小于远小于

8、vc通过正反两种实验情况，雷诺得出如下结果：通过正反两种实验情况，雷诺得出如下结果：当当v vc时，流体作紊流运动；时，流体作紊流运动；当当v vc时，流体作层流运动；时，流体作层流运动；当当vc v vc时，流态不稳，可能是层流也可能时，流态不稳，可能是层流也可能是紊流。是紊流。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失15二、雷诺数与其临界值二、雷诺数与其临界值 雷诺从一系列试验中发现：雷诺从一系列试验中发现：1）不同种类不同种类液体在液体在相同直径相同直径的管中进行实验，所的管中进行实验，所测得的临界速度是各不相同的；测得的临界速度是各不相同的；2）同种液体

9、同种液体在在不同直径不同直径的管中实验，所得的临界的管中实验，所得的临界速度也不同。速度也不同。故判定临界速度是液体的物理性质（故判定临界速度是液体的物理性质（，）和管径（和管径（d）的函数。的函数。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失16液体形态的判别液体形态的判别 雷诺数：雷诺数：临界雷诺数：临界雷诺数：液流型态开始转变时的雷诺数。对圆管：对明渠及天然河道 ddRe2300Re c500ReRc流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失17 对于非圆管，如矩形、三角形、环形管等，管道对于非圆管，如矩形、三角形、环形管等，管道

10、的特征尺寸是管道的的特征尺寸是管道的当量直径当量直径（或称水力直径），（或称水力直径），即：即：d=4A/而过流断面面积与湿周之比为水力半径，故而过流断面面积与湿周之比为水力半径，故 d =4R流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失18圆管中的圆管中的层流层流运动运动 在实际工作中，虽然绝大多数流动为紊流运动，在实际工作中，虽然绝大多数流动为紊流运动，但层流运动也存在于某些小管径，小流速的管道中但层流运动也存在于某些小管径，小流速的管道中或粘性较大的机械润滑系统的输油管中。或粘性较大的机械润滑系统的输油管中。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-

11、5流动阻力和水头损失19一、流动特性一、流动特性 层流时，粘性起主要作用，在管壁处因液体被层流时，粘性起主要作用，在管壁处因液体被粘附在管壁上，故流速为粘附在管壁上，故流速为0。牛顿液体：牛顿液体：=dv/dy =dv/d(r0-r)=-dv/dr流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失20二、速度分布二、速度分布上式代入均匀流方程上式代入均匀流方程 =R(hf/l)=RJ -dv/dr=(r/2)J积分得积分得:v=-Jr2/(4)+Const当当r=r0时，时，v=0，得积分常数为：得积分常数为：Const=Jr02/(4)流动阻力和水头损失流动阻力和水头损

12、失2022-12-5流动阻力和水头损失21过流断面上的速度分布为过流断面上的速度分布为 u=J(r02-r2)/(4)可见流速在该断面上与半径可见流速在该断面上与半径r成成二次旋转抛物面二次旋转抛物面规律分布。规律分布。最大流速最大流速:r=0,vmax=Jr02/(4)流量流量:Q=AvdA=0 0r0v dr2 =J r04/(8)平均流速平均流速:v=Q/A=Jr02/(8)v 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失22可见，可见，平均流速平均流速为为最大流速的一半最大流速的一半。如果能用皮托。如果能用皮托管量出管轴处的速度，则可直接计算出流量为：管量出

13、管轴处的速度，则可直接计算出流量为：Q=vA=(1/2)vmaxA三、圆管层流沿程水头损失的计算三、圆管层流沿程水头损失的计算 又又 v=Q/A=Jr02/(8)故故 hf=lJ=8 v l/(r02)可见层流可见层流沿程阻力沿程阻力与与平均流速平均流速的的一次方一次方成正比成正比流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失23又又 r0=d/2,Re=dv/故故 hf=8 vl/(r02)=(64/Re)(l/d)v2/(2g)=(l/d)v2/(2g)故圆管层流沿程阻力损失系数为故圆管层流沿程阻力损失系数为:=64/Re 上式表明圆管层流的上式表明圆管层流的沿程

14、阻力沿程阻力系数与系数与雷诺数雷诺数成成反比反比，与管壁的，与管壁的粗糙度无关粗糙度无关。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失24四、动能和动量修正系数四、动能和动量修正系数(作业作业)将将A=r2，dA=2 rdr代入前面导出的动能和动量公代入前面导出的动能和动量公式，可得动能修正系数：式，可得动能修正系数：=(0r0v3dA)/(v3A)=(0r0 J(r02-r2)/(4)3dA)/(Jr02/(8)3A)=2动量修正系数为动量修正系数为:=(0r0v2dA)/(v2A)=(0r0 J(r02-r2)/(4)2dA)/(Jr02/(8)2A)=4/3

15、流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失25原因是：层流过流断面上原因是：层流过流断面上速度分布不均速度分布不均，故，故 和和 均大于均大于1注意：注意：在应用能量方程和动量方程时，不能假设在应用能量方程和动量方程时，不能假设它们为它们为1。五、非圆形等断面直管层流五、非圆形等断面直管层流 实际工作中，用来输送液体的管道并非全采用实际工作中，用来输送液体的管道并非全采用圆形断面管道，如：梯形、同心圆环形、椭圆形、圆形断面管道，如：梯形、同心圆环形、椭圆形、矩形、等腰三角形断面等等。矩形、等腰三角形断面等等。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流

16、动阻力和水头损失26其雷诺数计算和沿程阻力损失计算用非圆断面直管其雷诺数计算和沿程阻力损失计算用非圆断面直管的水力半径代替圆管直径即的水力半径代替圆管直径即 可可 Re=vd/=v d /hf=(l/d )u2/(2g)Bhb1m等腰梯形：假设它的边等腰梯形：假设它的边坡系数为坡系数为m=ctg，边坡角，边坡角，则湿周则湿周 =b+2h(1+m2)0.5 面积面积 A=(b+mh)h，当量直径为当量直径为 d =4 A/流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失27紊流运动紊流运动一、紊流的特一、紊流的特征征 紊流的基本特征是许许多多大小不等的紊流的基本特征是许许

17、多多大小不等的涡体涡体相相互混掺前进，它们的位置、形态、流速都在时刻不互混掺前进，它们的位置、形态、流速都在时刻不断地变化。断地变化。紊流实质上是紊流实质上是非恒定流动非恒定流动。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失28局部水头损失局部水头损失 当流动断面发生当流动断面发生突变突变（突然扩大或缩小、转弯、（突然扩大或缩小、转弯、分叉等），液体产生分叉等），液体产生涡流涡流、变形变形。由此产生的能损，。由此产生的能损，称为局部能损。称为局部能损。局部能损的种类很多，概括起来可分为局部能损的种类很多，概括起来可分为1）涡流涡流损失；损失；2）加速加速损失；损失；

18、3）转向转向损失；损失；4）撞击撞击损失。损失。由于局部能损的计算还不能从理论上根本解决，由于局部能损的计算还不能从理论上根本解决，一般需一般需借助于实验借助于实验来得到经验公式或系数。来得到经验公式或系数。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失29流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失30一、局部水头损失的一般分析一、局部水头损失的一般分析 局部水头损失的计算公式为局部水头损失的计算公式为 hj=v2/(2g)大量实验表明，大量实验表明，与与雷诺雷诺数和数和突变突变形式有关。但形式有关。但在实际流动中，由于局部突变处在实际流

19、动中，由于局部突变处漩涡漩涡的干扰，致使流的干扰，致使流动在动在较小的较小的Re数数下已进入下已进入阻力平方区阻力平方区。故一般情况。故一般情况下，下，只取决于局部只取决于局部突变突变的形式，与的形式，与Re数无关。数无关。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失31二、几种典型的局部损失系数二、几种典型的局部损失系数1、突然扩大管、突然扩大管22p2p1v2v1G00z1z211A1A2 由于由于1-1、2-2两渐变流断面两渐变流断面距离小距离小，故可忽略其，故可忽略其hf，列能，列能量方程：量方程：22112212()()22jpvpvhzzggpp流动阻力

20、和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失32 对对1-1、2-2两断面间液体列动量方程：两断面间液体列动量方程：p1A1-p2A2+p(A2-A1)+Gcos =Q(v2-v1)又又 Gcos =gA2(z1-z2)；实验证明实验证明 p=p1 故故1222112()()()ppv vvzzg由此由此2222211221()()22jv vvvvvvhggg流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失33应用连续方程应用连续方程 u2=(A1/A2)v1 或或u1=(A2/A1)v2代入得代入得222111112(1)v 22jAvvhAgg

21、与配合222222221(1)v22jAvvhAgg与配合 注意：注意：局部局部阻力系数是对应于阻力系数是对应于断面流速断面流速的，同的，同一局部形式，由于所取的一局部形式，由于所取的断面流速断面流速不同，其对应的不同，其对应的损失系数损失系数也不同。也不同。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失34当液体在当液体在淹没出流淹没出流情况下，即为情况下，即为突扩突扩，且是突扩特，且是突扩特例，即例，即A1/A2 0，1=1，一般称之为管道出口水头一般称之为管道出口水头损失系数。损失系数。管道和明渠常用的一些局部水头损失系数可查阅相管道和明渠常用的一些局部水头损失

22、系数可查阅相关的资料手册。关的资料手册。2、突然缩小管道、突然缩小管道 突然缩小管的局部水头损失取决于突然缩小管的局部水头损失取决于面积收缩面积收缩比。比。根据大量实验结果，其损失系数可按下列经验公式：根据大量实验结果，其损失系数可按下列经验公式：流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失353、其它局部水头损失、其它局部水头损失 当液体从很大容器流入管道，当液体从很大容器流入管道，A2/A1 0，2=0.5，一般称之为管道进出口水头损失系数。一般称之为管道进出口水头损失系数。222222210.5(1)22jAvvhAgg与v 配合流动阻力和水头损失流动阻力和水

23、头损失2022-12-5流动阻力和水头损失36水头损失叠加原则水头损失叠加原则 上述局部阻力损失系数多是在不受其它干扰上述局部阻力损失系数多是在不受其它干扰的孤立情况下测定的，如果有的孤立情况下测定的，如果有几个局部阻力几个局部阻力互相互相靠近，彼此干扰，此时需将管路上所有沿程损失靠近，彼此干扰，此时需将管路上所有沿程损失与局部损失按与局部损失按算术加法求和算术加法求和计算，这就是计算，这就是水头损水头损失失的的叠加叠加原则。原则。2()2gjwjijlvhd流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失2022-12-5流动阻力和水头损失37减小阻力的措施减小阻力的措施1）改善液体外部的边界，改善边壁对流动的影响；）改善液体外部的边界，改善边壁对流动的影响；2）在液体内添加少量添加剂，降低摩擦阻力。）在液体内添加少量添加剂，降低摩擦阻力。流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失