,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,流动阻力和水头损失,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,流动阻力和水头损失,*,2024/11/17,流动阻力和水头损失,1,内容提要：,主要讲解,液体处于运动状态,下的,阻力存在,的原因以及能量方程中的,水头损失,的计算；讨论,沿程阻力系数,和,局部阻力系数,与,流动边界,之间的关系和影响,。,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失1内容提要：流动阻力和,2024/11/17,流动阻力和水头损失,2,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。,粘滞性是液流产生水头损失的决定因素。,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断面所损失的机械能。,一、分类：,根据流动边界情况 沿程水头损失,局部水头损失,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失2问题：理想液体和实际液,2024/11/17,流动阻力和水头损失,3,1、沿程水头(阻力,),损失,h,f,定义：水头损失,沿程均有,并随沿程长度增加。主要由于,液体,与,管壁,以及,液体本身,的,内部摩擦,，使得液体,能量,沿程降低。,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失31、沿程水头(阻力),2024/11/17,流动阻力和水头损失,4,特点：1,),沿程阻力均匀地分布在整个,均匀流,流段上；,2,),沿程阻力与管段的长度成正比。,u,1,u,2,a,b,c,d,h,f a-b,h,j b,h,j a,h,f b-c,h,j c,h,f c-d,v,2,2,/(2g),h,w,=,h,f,+h,j,v,1,2,/(2g),流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失4特点：1)沿程阻力均匀,2024/11/17,流动阻力和水头损失,5,2、局部水头（阻力）损失,h,j,定义：,局部区域内液体质点由于,相对运动,产生较大能量损失。,特点：能损发生在流动,边界,有,急变,的流域及其附近,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失52、局部水头（阻力）损,2024/11/17,流动阻力和水头损失,6,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,2023/10/7流动阻力和水头损失6常见的发生局部水头损失,2024/11/17,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,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失7(1)液体具有粘滞性,2024/11/17,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,。,液流的总水头损失,h,w,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失8式中：,2024/11/17,流动阻力和水头损失,9,二、,水头损失的计算公式,沿程阻力损失的计算公式为:,h,f,=,(,l,/d)v,2,/(2g),局部,阻力损失的计算公式为:,h,j,=,v,2,/(2g),流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失9二、水头损失的计算公式,2024/11/17,流动阻力和水头损失,10,h,f,与,h,j,的比较：,相同：,都是由于液体在运动过程中克服阻力而引起,不同：,沿程阻力,主要为“摩擦阻力”；,局部阻力,主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水流,内部结构,遭受破坏，产生,漩涡,，以及局部阻力之后，水流还要,重新调整,整体结构以适应新的均匀流条件所造成的。,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失10hf与hj的比较：流,2024/11/17,流动阻力和水头损失,11,雷诺实验,层流与紊流,一、雷诺试验,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失11雷诺实验层流与紊,2024/11/17,流动阻力和水头损失,12,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失12流动阻力和水头损失,2024/11/17,流动阻力和水头损失,13,层流：,各层质点互不掺混,紊流：,随机脉动的流动,过渡流：,层流与紊流之间的流动,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失13层流：各层质点互不掺,2024/11/17,流动阻力和水头损失,14,临界速度：,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,v,c,上临界速度：由层流转变为紊流时的速度,v,c,实验证明，,v,c,远小于,v,c,通过正反两种实验情况，雷诺得出如下结果：,当,v,v,c,时，流体作紊流运动；,当,v,v,c,时，流体作层流运动；,当,v,c,v,v,c,时，流态不稳，可能是层流也可能是紊流。,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失14临界速度：流态转变时,2024/11/17,流动阻力和水头损失,15,二、雷诺数与其临界值,雷诺从一系列试验中发现：,1）,不同种类,液体在,相同直径,的管中进行实验，所测得的临界速度是各不相同的；,2）,同种液体,在,不同直径,的管中实验，所得的临界速度也不同。,故判定临界速度是液体的物理性质（,，,）和管径（,d,）,的函数。,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失15二、雷诺数与其临界值,2024/11/17,流动阻力和水头损失,16,液体形态的判别,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,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失16液体形态的判别 流动,2024/11/17,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，管道的特征尺寸是管道的,当量直径,（或称水力直径），即：,d,=4A/,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,2023/10/7流动阻力和水头损失17 对于非圆管，如,2024/11/17,流动阻力和水头损失,18,圆管中的,层流,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,2023/10/7流动阻力和水头损失18圆管中的层流运动流动,2024/11/17,流动阻力和水头损失,19,一、流动特性,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0。,牛顿液体：,=,dv/dy,=,dv/d(r,0,-r),=-,dv/dr,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失19一、流动特性流动阻力,2024/11/17,流动阻力和水头损失,20,二、速度分布,上式代入均匀流方程,=,R,(h,f,/l)=RJ,-,dv/dr=(r/2)J,积分得:,v,=-,Jr,2,/(4,),+Const,当,r=r,0,时，,v=0，,得积分常数为：,Const=Jr,0,2,/(4,),流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失20二、速度分布流动阻力,2024/11/17,流动阻力和水头损失,21,过流断面上的速度分布为,u=J(r,0,2,-,r,2,),/(4,),可见流速在该断面上与半径,r,成,二次旋转抛物面,规律分布。,最大流速:,r=0,v,max,=Jr,0,2,/(4,),流量:,Q=,A,vdA=,0,r0,v,dr,2,=Jr,0,4,/(8,),平均流速:,v=Q/A=Jr,0,2,/(8,),v,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失21过流断面上的速度分布,2024/11/17,流动阻力和水头损失,22,可见，,平均流速,为,最大流速的一半,。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：,Q=vA=(1/2)v,max,A,三、圆管层流沿程水头损失的计算,又,v=Q/A=Jr,0,2,/(8,),故,h,f,=,l,J=8,v,l,/(r,0,2,),可见层流,沿程阻力,与,平均流速,的,一次方,成正比,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失22可见，平均流速为最大,2024/11/17,流动阻力和水头损失,23,又,r,0,=d/2,Re=,d,v,/,故,h,f,=,8,v,l,/(r,0,2,),=(64/,Re)(,l,/d)v,2,/(2g)=(,l,/d)v,2,/(2g),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,沿程阻力,系数与,雷诺数,成,反比,，与管壁的,粗糙度无关,。,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失23又 r0=d/,2024/11/17,流动阻力和水头损失,24,四、动能和动量修正系数,(,作业,),将,A=r,2,，,dA=2rdr,代入前面导出的动能和动量公式，可得动能修正系数：,=(,0,r0,v,3,dA)/(v,3,A),=,(,0,r0,J(r,0,2,-,r,2,),/(4,),3,dA)/(Jr,0,2,/(8,),3,A),=2,动量修正系数为:,=(,0,r0,v,2,dA)/(v,2,A),=,(,0,r0,J(r,0,2,-,r,2,),/(4,),2,dA)/(Jr,0,2,/(8,),2,A),=4/3,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失24四、动能和动量修正系,2024/11/17,流动阻力和水头损失,25,原因是：层流过流断面上,速度分布不均,，故,和均大于1,注意：,在应用能量方程和动量方程时，不能假设它们为1。,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。,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失25原因是：层流过流断面,2024/11/17,流动阻力和水头损失,26,其雷诺数计算和沿程阻力损失计算用非圆断面直管的水力半径代替圆管直径即,可,Re=,vd/,=,v d,/,h,f,=,(,l,/,d,)u,2,/(2g),B,h,b,1,m,等腰梯形：假设它的边,坡系数为,m=ctg,，,边坡角，,则湿周 =,b+2h(1+m,2,),0.5,面积,A=(b+mh)h，,当量直径为,d,=4,A/,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失26其雷诺数计算和沿程阻,2024/11/17,流动阻力和水头损失,27,紊流运动,一、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，它们的位置、形态、流速都在时刻不断地变化。,紊流实质上是,非恒定流动,。,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失27紊流运动流动阻力和水,2024/11/17,流动阻力和水头损失,28,局部水头损失,当流动断面发生,突变,（突然扩大或缩小、转弯、分叉等），液体产生,涡流,、,变形,。由此产生的能损，称为局部能损。,局部能损的种类很多，概括起来可分为1）,涡流,损失；2）,加速,损失；3）,转向,损失；4）,撞击,损失。,由于局部能损的计算还不能从理论上根本解决，一般需,借助于实验,来得到经验公式或系数。,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失28局部水头损失,2024/11/17,流动阻力和水头损失,29,流动阻力和水头损失,2023/10/7流动阻力和水头损失29流动阻力和水头损失,2024/11/17,流动阻力和水头损失,30,一、局部水头损失的一般