流体在管道中对流动规律——流动能量损失的确定.
流体在管道中的流动规律——输送机械功率确定.
反映管内流体流动规律的基本方程式有：
连续性方程 柏努利方程
本节主要围绕这两个方程式进行讨论。
一、稳定流动与不稳定流动
稳定流动(steady flow) ：流体在管道中流动时，在任
一点上的流速、压力等有关物理参数都不随时间而改 变。
不稳定流动(unsteady flow) ：若流动的流体中，任一
有效功率：Ne=We· Ws=93.6×2.83=264.8 (W)
用柏努利方程式解题时的注意事项：
(1)选取截面
连续流体； 两截面均应与流动方向相垂直。 强调：只要在连续稳定的范围内，任意两个截面均可选用。
不过，为了计算方便，截面常取在输送系统的起点和终点的 相应截面，因为起点和终点的已知条件多。
m
位能的单位为m2/s2 =J/kg
2．动能
• 动能是单位质量的流体因具有一定的流速 而具有的能量. • mkg流体以速度u流动时，其动能为：(J)
1 2 mu 2 • 1kg流体以速度u流动时的动能为：
1 2 u 2
其单位为J/kg。
3．静压能
• （1）流体的静压强 是指垂直作用于流体单位面积上的力，习惯 上称为压力，以符号p表示，单位是Pa。
d1 50 u2 u1 d 2.8 81 1.07 2
2
2
三、流体在稳定流动系统中的能量变化 规律——柏努利方程式
柏努利方程式是管内流体流动机械能衡算式。
一、流动的流体具有的机械能
1.位能 是单位质量的流体在重力作用下，因 高出某基准面而具有的能量，相当于将质量为1kg的 流体自基准水平面0-0′升举到Z高度为克服重力所作的 功，即： mgz 位能= gz
流体在管路中的流动规律
(完整版)管道内的局部阻力及损失计算
第四节管道内的局部阻力及损失计算在实际的管路系统中，不但存在上一节所讲的在等截面直管中的沿程损失，而且也存在有各种各样的其它管件，如弯管、流道突然扩大或缩小、阀门、三通等，当流体流过这些管道的局部区域时，流速大小和方向被迫急剧地发生改变，因而出现流体质点的撞击，产生旋涡、二次流以及流动的分离及再附壁现象。
此时由于粘性的作用，流体质点间发生剧烈的摩擦和动量交换，从而阻碍着流体的运动。
这种在局部障碍物处产生的损失称为局部损失，其阻力称为局部阻力。
因此一般的管路系统中，既有沿程损失，又有局部损失。
4.4.1 局部损失的产生的原因及计算一、产生局部损失的原因产生局部损失的原因多种多样，而且十分复杂，因此很难概括全面。
这里结合几种常见的管道来说明。
（）（）图4.9 局部损失的原因对于突然扩张的管道，由于流体从小管道突然进入大管道如图 4.9 （）所示，而且由于流体惯性的作用，流体质点在突然扩张处不可能马上贴附于壁面，而是在拐角的尖点处离开了壁面，出现了一系列的旋涡。
进一步随着流体流动截面面积的不断的扩张，直到 2 截面处流体充满了整个管截面。
在拐角处由于流体微团相互之间的摩擦作用，使得一部分机械能不可逆的转换成热能，在流动过程中，不断地有微团被主流带走，同时也有微团补充到拐角区，这种流体微团的不断补充和带走，必然产生撞击、摩擦和质量交换，从而消耗一部分机械能。
另一方面，进入大管流体的流速必然重新分配，增加了流体的相对运动，并导致流体的进一步的摩擦和撞击。
局部损失就发生在旋涡开始到消失的一段距离上。
图4.9（）给出了弯曲管道的流动。
由于管道弯曲，流线会发生弯曲，流体在受到向心力的作用下，管壁外侧的压力高于内侧的压力。
在管壁的外侧，压强先增加而后减小，同时内侧的压强先减小后增加，这样流体在管内形成螺旋状的交替流动。
综上所述，碰撞和旋涡是产生局部损失的主要原因。
当然在 1-2之间也存在沿程损失，一般来说，局部损失比沿程损失要大得多。
流体在管内流动时的能量损失
本章小结
本章讨论了流体流动的基本概念（包括流体的密度、流 体的压强、流量与流速、定态流动与非定态流动、 流体的粘度、 牛顿粘性定律、牛顿型流体与非牛顿型流体、滞流与湍流、流 动边界层、流动阻力）等 和计算流体流动的基本问题（包括流 体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程、流动阻力方程、 流量计流量方程等）。各位学员要认真学习本章内容，对一些 基本定义、公式要牢记， 要灵活应用上述概念流粗糙管
某些工业管道的绝对粗糙度（36页 表1-2）
管道类别 无缝黄铜管、铜管、 铝管 新的无缝钢管或镀锌 铁管 绝对粗糙度 ε/mm 0.01~0.05 管道类别 具有重度腐蚀的 无缝钢管 旧的铸铁管 绝对粗糙度 ε/mm 0.5
0.1~0.2
0.85
新的铸铁管
0.3
干净玻璃管
0.0015~0.01
l u 2 p f hf d 2
为无因次系数，称为摩擦系数或摩擦因数，与
流体流动的Re及管壁状况有关。
2. 摩擦系数
(1).管壁粗糙度
光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；
粗糙管：钢管、铸铁管等；
①绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度ε。 ②相对粗糙度 ：绝对粗糙度与管径的比值ε/d。
第六节
流体在管内流动时的能量损失
概述
流动阻力分类
直管阻力 hf
总阻力Σhf 局部阻力 Σ hf’
Σhf= hf + Σ hf’
一 .流体在直管中的流动阻力
1.直管阻力损失:
h f p1 p2
阻力通式：
压头损失： 压降损失：
hf
Hf
流体流动在管道中的能量损失分析
流体流动在管道中的能量损失分析管道是流体能量传递和流动的重要通道。
在流体流动过程中，由于管道内部和外部的各种因素的影响，会出现能量损失现象。
了解和分析管道中的能量损失对于优化管道系统设计以及提高流体传输效率具有重要意义。
本文将对流体流动在管道中的能量损失进行分析和讨论。
1. 管道摩阻损失管道内部的摩阻是流体流动中主要的能量损失来源。
摩阻损失是由于流体与管道壁面以及流体分子之间的相互作用而导致的。
在实际应用中，一般使用阻力系数来表示管道的摩阻损失。
常见的阻力系数有雷诺数、摩阻系数等。
2. 管道展向损失管道的展向变化也会导致能量损失。
展向变化会引起流体的速度变化和压力变化，从而引起能量的损失。
一般情况下，展向变化越大，能量损失越大。
常见的展向损失形式有管子的扩流和缩流。
3. 管道弯头损失管道中的弯头会引起流体流动方向的改变，从而引起能量损失。
弯头会造成流体分离、涡旋和摩擦，从而引起能量转化和能量损失。
弯头损失一般用弯头阻力系数来表示。
4. 管道阻塞损失管道中可能出现各种类型的阻塞物，如沉积物、腐蚀产物等。
这些阻塞物会导致管道中的截面积减小，从而引起压力降低和能量损失。
阻塞损失与阻塞物的形状、粘度、密度等有关。
5. 管道分歧损失管道中的分歧会导致流体流动方向改变和速度分布不均匀，从而引起能量损失。
对于分歧损失的分析和计算，需要考虑分歧的形状、角度、大小等因素。
6. 管道壁面摩擦损失流体在管道内部流动时，与管道壁面之间存在摩擦力。
摩擦力会消耗流体的能量，从而引起能量损失。
管道壁面摩擦损失与管道的表面粗糙度、流体的黏度等因素相关。
综上所述，管道中的能量损失是由多个因素共同作用而产生的。
了解和分析这些能量损失的来源和特点，对于优化管道系统设计、提高流体传输效率具有重要意义。
在实际应用中，通过合理选择管道材料、减小展向变化、优化管道弯头设计等方式，可以有效减少能量损失，提高管道系统的性能。
(完整版)管道内的局部阻力及损失计算
第四节管道内的局部阻力及损失计算在实际的管路系统中，不但存在上一节所讲的在等截面直管中的沿程损失，而且也存在有各种各样的其它管件，如弯管、流道突然扩大或缩小、阀门、三通等，当流体流过这些管道的局部区域时，流速大小和方向被迫急剧地发生改变，因而出现流体质点的撞击，产生旋涡、二次流以及流动的分离及再附壁现象。
此时由于粘性的作用，流体质点间发生剧烈的摩擦和动量交换，从而阻碍着流体的运动。
这种在局部障碍物处产生的损失称为局部损失，其阻力称为局部阻力。
因此一般的管路系统中，既有沿程损失，又有局部损失。
4.4.1 局部损失的产生的原因及计算一、产生局部损失的原因产生局部损失的原因多种多样，而且十分复杂，因此很难概括全面。
这里结合几种常见的管道来说明。
（）（）图4.9 局部损失的原因对于突然扩张的管道，由于流体从小管道突然进入大管道如图 4.9 （）所示，而且由于流体惯性的作用，流体质点在突然扩张处不可能马上贴附于壁面，而是在拐角的尖点处离开了壁面，出现了一系列的旋涡。
进一步随着流体流动截面面积的不断的扩张，直到 2 截面处流体充满了整个管截面。
在拐角处由于流体微团相互之间的摩擦作用，使得一部分机械能不可逆的转换成热能，在流动过程中，不断地有微团被主流带走，同时也有微团补充到拐角区，这种流体微团的不断补充和带走，必然产生撞击、摩擦和质量交换，从而消耗一部分机械能。
另一方面，进入大管流体的流速必然重新分配，增加了流体的相对运动，并导致流体的进一步的摩擦和撞击。
局部损失就发生在旋涡开始到消失的一段距离上。
图4.9（）给出了弯曲管道的流动。
由于管道弯曲，流线会发生弯曲，流体在受到向心力的作用下，管壁外侧的压力高于内侧的压力。
在管壁的外侧，压强先增加而后减小，同时内侧的压强先减小后增加，这样流体在管内形成螺旋状的交替流动。
综上所述，碰撞和旋涡是产生局部损失的主要原因。
当然在 1-2之间也存在沿程损失，一般来说，局部损失比沿程损失要大得多。
11-第11讲 粘性流体管内流动阻力和能量损失
u
u'
u
u
t
0 图 4-9 紊流速度脉动示意图 T
由于脉动的随机性， 一般采用时间平均值对紊流流动进行研究。 假设脉动的平均周期为 T，则定义速度的时间平均值（简称时均值）为
u
1 udt T 0
T
（4-19）
瞬时值与时均值之差就是脉动值，用“’“表示，于是，脉动速度为
u' u u
或写成
p1 1V12 p2 2V22 hf g 2g g 2g
由于两截面均为层流，故 1 2 ；又截面积不变，由连续性方程，有 V1 V2 V ，则有
hf
p1 p2 p g g
这说明， 流体自截面 1 到截面 2 的能量损失， 损失的不是动能， 而是压能。 再由 （4-14） 式，可得
u u u'
同样，瞬时压强、时均压强和脉动压强的关系为
p
代入上式，得到沿程损失为
32l V d2
32lV 64 l V 2 64 l V 2 hf 2 d g Vd d 2 g Re d 2 g
上式也表明，对于层流来说，流动损失与速度的一次方成正比。对比达西公式
hf
得到圆管层流流动的沿程阻力系数为
l V2 d 2g
（3）在管道中心处速度最大，为
umax
p 1 2 311.8 0.052 R 0.127m / s l 4 100 4 1.53 10 2
在半径 r 20mm 处的速度为
u
p 1 311.8 0.052 0.022 (R2 r 2 ) 0.107m / s l 4 100 4 1.53 10 2
R p1 l τ r p2 u x u 1 图 4-6 2
流体流动规律
流体流动规律
流体流动规律是研究流体运动规律的科学领域。
根据流体力学原理，流体在流动过程中遵循一些基本的规律，这些规律可以总结为以下几个方面：
1. 质量守恒定律：在流体流动过程中，流体的质量保持不变。
即流入单位时间内的质量等于流出单位时间内的质量。
2. 动量守恒定律：在没有外力作用的情况下，流体的动量保持不变。
动量是质量与速度的乘积，根据质量守恒定律和动量守恒定律可以推导出流体中哥万定理和伯努利定理等重要定律。
3. 能量守恒定律：在没有外界能量输入或输出的情况下，流体的总能量保持不变。
能量守恒定律可以用来解释流体流动的能量转化和能量损失等现象。
4. 流体的连续性方程：对一个不可压缩流体来说，流经管道中的流量保持不变，即进口流量等于出口流量。
对于可压缩流体来说，流量的连续性方程可以通过质量守恒定律和流体的状态方程推导得到。
5. 流体的雷诺数：流体的流动性质和流动状态可以通过雷诺数来描述。
雷诺数是流体的惯性力和粘性力的比值，可以用来判断流体的流动状态是层流还是湍流。
这些流体流动规律在工程领域、地球科学、大气科学和生物医学等各个领域中都有广泛的应用。
通过研究和理解这些规律，我们可以更好地预测和控制流体流动行为，从而为科学研究和工程实践提供重要的指导。
流体流动过程中能量损失和管道计算
流体流动过程中能量损失和管道计算摩擦损失是由于流体与管道壁面的摩擦而产生的能量损失。
流体在管道中流动时，与管道壁面发生摩擦，使得流体的动能转化为内能和热能，从而使流体的总能量逐渐减少。
根据流体力学的基本方程，可以推导出摩擦损失的计算公式。
其中，流体的粘性、管道内径和长度、管壁的光滑程度等因素都会影响摩擦损失的大小。
局部阻力是由于管道中存在的凸起、弯曲、收缩等不规则形状所导致的能量损失。
这些不规则形状会使流体的流速产生变化，从而导致流体的能量损失。
局部阻力可以通过流量系数来表示，通过实验和经验公式可以估算出不同形状的局部阻力系数。
除了摩擦损失和局部阻力外，流体流动过程中还会发生一些其他的能量损失，例如流体受到的外力、液体的汽蚀和气蚀等。
这些能量损失的计算通常需要根据具体情况进行分析和估算。
管道计算是指根据流体的流量、压力、温度等参数，计算流体在管道中的流速、压力损失、温度变化等相关参数的过程。
在管道计算中，需要考虑流体的物性参数、管道的几何形状、流动条件和所需的精度等因素。
管道计算通常包括流速计算、压力损失计算和温度变化计算。
流速计算可以根据流量和管道截面积的关系得出流速值。
在压力损失计算中，需要考虑管道长度、流体的粘性、流过的局部阻力等因素，可以通过经验公式和流体力学的基本方程进行计算。
而温度变化计算则需要综合考虑流体的物性参数、管道的材料热传导性能等因素，可以使用简单的热传导方程进行计算。
综上所述，流体流动过程中能量损失和管道计算是流体力学中的重要内容。
通过对流体的摩擦损失、局部阻力以及其他能量损失的分析，可以对流体流动过程中的能量变化进行评估。
同时，通过管道计算可以得出流体在不同条件下的流速、压力损失和温度变化等参数，为工程设计和实际应用提供重要参考。
流体力学讲义 第六章 流动阻力及能量损失2
第六章流动阻力及能量损失本章主要研究恒定流动时，流动阻力和水头损失的规律。
对于粘性流体的两种流态——层流与紊流，通常可用下临界雷诺数来判别，它在管道与渠道内流动的阻力规律和水头损失的计算方法是不同的。
对于流速，圆管层流为旋转抛物面分布，而圆管紊流的粘性底层为线性分布，紊流核心区为对数规律分布或指数规律分布。
对于水头损失的计算，层流不用分区，而紊流通常需分为水力光滑管区、水力粗糙管区及过渡区来考虑。
本章最后还阐述了有关的边界层、绕流阻力及紊流扩散等概念。
第一节流态判别一、两种流态的运动特征1883年英国物理学家雷诺（Reynolds O.）通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态。
1.层流层流（laminar flow），亦称片流：是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。
特点：（1）有序性。
水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。
（2）粘性占主要作用，遵循。
（3）能量损失与流速的一次方成正比。
（4）在流速较小且Re较小时发生。
2.紊流紊流（turbulent flow），亦称湍流：是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。
特点：（1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。
流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动。
（2）紊流受粘性和紊动的共同作用。
（3）水头损失与流速的~2次方成正比。
（4）在流速较大且雷诺数较大时发生。
二、雷诺实验如图6-1所示，实验曲线分为三部分：（1）ab段：当υ<υc时，流动为稳定的层流。
（2）ef段：当υ>υ''时，流动只能是紊流。
（3）be段：当υc<υ<υ''时，流动可能是层流（bc段），也可能是紊流（bde段），取决于水流的原来状态。
图6-1图6-2实验结果（图6-2）的数学表达式层流：m1=, h f=k1v , 即沿程水头损失与流线的一次方成正比。
第七章流体在管路中的流动
U max
J 2 J 2 r0 d 4 16
(6)
二、流量及平均流速
现求圆管中层流的流量：取半径r处厚度为d 的一个微小环形 r 面积，每秒通过这环形面积的流量为
dqV u 2rdr
由通过圆管有效截面上的流量为
Q udA
A ro
o
故油在管中是层流状态。
[例5-2] 水流经变截面管道，已知d2/d1=2，则相应的 Re2/Re1=?
解题分析
[解 ] 因
Re
Vd
4Q 1 d d
V
4Q d 2
故
d1 Re 2 / Re1 (1 / d 2 ) /(1 / d1 ) 0.5 d2
5.2 流动损失分类
沿程水头损失计算 局部水头损失计算 章目解析 从力学观点看，本章研究的是流动 阻力。
产生流动阻力的原因：
内因——粘性+惯性 外因——流体与固体壁面的接触情况流
体的运动状态(外界干扰）
从能量观看，本章研究的是能量损 失（水头损失）。
研究内容 管流：研究hw的计算（本章重 点）。 水头损失的两种形式 hf ：沿程水头损失(由摩擦引 起)； hj ：局部水头损失（由局部干 扰引起）。
w
总水头损失： h
hf hj
5.1 层流与湍流流动
粘性流体两种流动状态：
紊流状态 层流状态
一、雷诺实验.
1. 装置
2. 实验条件
液面高度恒定. 水温恒定
图5-1 雷诺实验装置
3.实验步骤
层流状态
(a)
管道流体原理
管道流体原理管道流体原理是液体或气体在管道中流动时所遵循的基本物理规律。
了解管道流体原理对于理解流体力学和管道工程至关重要。
本文将重点介绍管道内流体的基本特性和相关的流体力学原理。
一、背景介绍管道流体原理是研究液体或气体在管道中流动时的力学行为和特性的学科领域。
它对于管道工程的设计和优化起着重要的作用。
在工业、民用水务和能源领域，管道系统扮演着极其重要的角色，因此理解管道流体原理对于确保管道系统的安全和高效运行至关重要。
二、管道流体的基本特性1. 流体的运动状态：流体在管道中的运动可以分为层流和湍流两种状态。
层流是指流速较低且流体分子按规则顺序运动的状态，湍流是指流速较高且流体混乱运动的状态。
层流的特点是流体粒子之间无明显的交错或夹杂，而湍流则表现为流体粒子的混乱运动和不规则的涡流形成。
2. 流体的压力损失：由于摩擦阻力、管道的扩散和弯曲等因素，流体在管道中流动时会损失一定的压力。
压力损失可以通过流体力学公式计算得出，并且随着管道长度和流速的增加而增大。
3. 流速分布：在管道中，由于摩擦力的作用，流体的流速并不是均匀的。
通常情况下，管道中心位置的流速较快，而管道壁面附近的流速较慢。
三、流体力学原理1. 流量公式：流体在管道中的流量可以通过流体力学公式来计算。
根据质量守恒定律和连续性方程，流体的流量与流速和管道截面的面积有关。
通过流量公式，可以准确计算出流体在管道中的流量。
2. 流速-压力关系：根据伯努利方程，流体的流速和压力存在反比关系。
当流速增加时，压力将下降；而当流速减小时，压力将增加。
这一原理在管道系统的设计和运行中非常重要，可以用于控制流体的流速和管道的压力。
3. 管道摩擦阻力：管道内流体的摩擦阻力是流体在管道内摩擦作用的结果。
根据流体力学的公式，可以通过管道内壁面粗糙度、管道尺寸和流速等参数来计算摩擦阻力。
摩擦阻力不仅会导致压力损失，还可能对管道系统的能量消耗和维护造成影响。
总结：通过对管道流体原理的了解，我们可以更好地理解液体或气体在管道中的流动行为。
管道内的流动特性分析与优化
管道内的流动特性分析与优化管道内的流动特性是指流体在管道内的行为和性质，其中包括流速、流量、压力、阻力、摩擦损失等。
了解和优化管道内的流动特性，可以提高工业生产和流体输送的效率，并减少能耗和费用。
本文将对管道内的流动特性进行分析和优化，并提出相应的改进措施。
首先，管道内的流速是指单位时间内通过管道横截面的流体体积。
了解流速的变化规律可以帮助我们优化管道设计，提高流体输送效率。
在分析流速时，需要考虑管道的直径、长度、材料和流体的性质等因素。
例如，流速过高可能引发涡流和涡旋，导致管道磨损和能耗增加；而流速过低可能导致流体无法正常输送。
因此，根据具体的工况和要求，可以通过调整管道直径、增加管道截面积或改变管道材料等方式，来优化流速。
其次，流量是指单位时间内通过管道横截面的流体质量或体积。
了解和控制流量对于合理规划管道运行和设备选型非常重要。
在分析流量时，需要考虑管道截面积、壁布置形式、压力差和流体的粘度等因素。
例如，在液体输送中，流量过大可能导致管道破裂或设备过载；而流量过小可能导致设备运行不稳定或无法满足生产需求。
因此，我们可以通过合理选择管道截面积、增加管道支架或使用流量调节装置等手段，来优化流量，实现管道平稳运行。
第三，压力是指流体在管道内的分布压强。
了解和调控管道内的压力分布，有助于确保流体正常流动和设备安全运行。
在分析压力时，需要考虑管道的长度、直径、摩擦阻力和流体的密度等因素。
例如，在气体输送中，压力过高可能引发爆炸和安全事故；而压力过低可能导致管道堵塞和流体无法正常流动。
因此，我们可以通过增加管道支架、减小管道摩擦阻力或选择合适的泵站来优化压力分布，确保管道内的安全流动。
此外，在管道内流动的过程中还会出现阻力和摩擦损失。
阻力是流体流动过程中受到的阻碍力，主要由管道本身的摩擦和弯头、阀门等附件引起。
摩擦损失是由于流体与管道内壁之间的摩擦力损失引起的能量损失。
了解和降低阻力和摩擦损失，可以提高管道输送能力和效率。
流体力学科普流动损失
流体力学科普流动损失研究得最早可能也最多的是管道流动中的损失。
导读流动损失的全称应该叫流动中的机械能损失，是流动中机械能不可逆地转化为热能的现象。
与固体运动中的机械能损失类似，流动损失也来源于摩擦作用，只不过这种摩擦作用不止发生在边界上，而是几乎发生在流体内部的所有地方。
减小流动损失，就是要减小流体内部的摩擦作用，也就是减小流体内部各处不必要的加减速和掺混。
01. 所谓流动损失可能很多人在中学时才第一次接触到能量损失这个概念，两个小球的弹性碰撞没有动能损失，塑性碰撞就有动能损失。
这里所说的损失，并不是说能量消失了，而是能量从好用的能量变成了不好用的能量。
能量可以分为机械能、热能、电能、化学能、核能等，这其中最不好用的就是热能。
本书讲的是流体力学，所以只讨论机械能和热能（即流体的内能）的相关问题。
让机械能转化成热能很简单，而让热能转化成机械能却很困难，因此我们说，机械能是高品位的能量，热能是低品位的能量。
有些情况下，机械能转化成了热能就没办法再转化回来了，这时就说机械能损失了。
例如，小球在地面上弹跳并最终静止，小球变热，但静止的小球是不可能通过降温重新弹跳起来的。
流体在流动中会与壁面产生摩擦，流体之间也有摩擦，相应地就会产生机械能损失，称为流动损失。
02. 流动损失的原理流体微团在移动过程中只要发生了变形，就会产生机械能与内能之间的转化。
变形分为两种：一种是体积变形；另一种是角变形。
纯粹的压缩和膨胀这类体积变形是可逆的，即机械能转化成的內能还可以转化回机械能。
而角变形则不同，流体发生角变形的过程是机械能单向地转化为内能，这个过程是不可逆的，或者说产生了流动损失。
因此，流动损失产生于含有角变形的流动中。
03. 摩擦损失摩擦损失特指流体和固体之间摩擦引起的损失，这个概念是从固体之间的摩擦来的。
然而，流体在和固体接触的边界上存在着无滑移条件，即流体和固体之间并没有相对运动，因此流体中的摩擦损失都是流体之间的摩擦产生的。
流体流动中的能量损失分析
流体流动中的能量损失分析引言流体流动中的能量损失是流体力学研究中的一个重要问题，对于理解流体流动的机理、优化工程设计和提高能源利用效率具有重要意义。
本文将从流体流动中的能量损失的概念入手，详细分析流体流动过程中产生的能量损失及相关因素，探讨减小能量损失的方法和应用，提高流体流动效率。
1.能量损失的概念和分类1.1 能量损失的概念能量损失是指在流体流动过程中，由于各种因素的作用，流体所具有的能量被消耗或转化为其他形式的能量。
能量损失是流体流动中不可避免的现象，是流体流动效率的重要衡量指标。
1.2 能量损失的分类能量损失可以分为以下几类：1.摩擦损失：由于流体与管道壁面之间摩擦力的作用而产生的能量损失；2.惯性损失：由于流体流动的方向和速度变化导致的能量损失；3.弯头损失：由于流体在弯头处发生流向和速度的突变而产生的能量损失；4.突跃损失：由于流体在管道中突然发生变化，如管道断径或突然扩大等原因导致的能量损失；5.出口损失：由于流体从管道出口流出时产生的能量损失。
2.能量损失的计算和影响因素2.1 能量损失的计算方法能量损失的计算一般采用以下两种方法：1.管道总能量法：根据流体力学基本方程，通过整段管道计算流体在净能量损失面上的能量损失；2.局部能量法：根据流体力学基本方程，分别对局部流动部分进行能量损失计算，然后将各部分损失累加得到总能量损失。
2.2 能量损失的影响因素能量损失的大小受多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1.流速：流速越大，能量损失越大；2.管道内壁粗糙度：管道内壁越粗糙，摩擦损失越大；3.管道长度：管道长度越长，能量损失越大；4.管道内径：管道内径越大，能量损失越小；5.弯头半径：弯头半径越小，能量损失越大；6.突跃形式：突跃形式越复杂，能量损失越大。
3.减小能量损失的方法和应用3.1 减小摩擦损失要减小摩擦损失，可以采取以下措施：1.选择光滑内壁的管道材料，并保持管道内壁的清洁；2.降低流速，减小流体与管道内壁之间的摩擦力；3.减小管道长度，缩短流体流动距离；4.使用优质润滑剂，减少流体与管道内壁的摩擦。
第一篇 流体力学第四章 阻力损失与管路计算
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第四节 局部损失的计算
• 局部损失可按下式计算:
• 局部损失的计算可以转化为求局部阻力系数ζ 的问题.对于不同的局部 阻碍,有不同的局部阻力系数ζ 值,其多数通过试验确定,并编制成专用 计算图、表,供计算时查用.表４-１列出了各种常用管件的局部阻力系 数ζ值.应当注意,表４-１中的ζ 值都是针对某一过流断面的平均流速而 言的,查表时必须与指定的断面流速相对应,凡未注明的,均应采用局部 阻碍以后断面的平均流速.
• 根据流体的边界情况,将流动阻力和能量损失分为两种形式:一种是沿 程阻力与沿程能量损失;另一种是局部阻力与局部能量损失.
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第一节 流动阻力与能量损失
• 如图４-１所示,水箱侧壁上连接一根由三段不同直径的管段所组成的 管路.在边壁沿程不变的管段上(１－２、２－３、３－４、４－５段), 阻碍流体流动的阻力沿程基本不变,这类阻力称为沿程阻力.为克服沿 程阻力而产生的能量损失称为沿程能量损失.沿程损失以水柱高度表 示时,称为沿程水头损失,用符号hf 表示.图中的hf１２、hf２３、hf３４、 hf４５就是相应１－２、２－３、３－４、４－５各管段的沿程水头 损失.图中整个管路的沿程水头损失等于各管段的沿程水头损失之和, 即
• 人们很早以前就发现沿程损失与流速之间存在着某种关系,但直到１ ８８３年,英国物理学家雷诺在他做的试验中揭示了流体运动存在着 两种流态,这才认识到沿程损失与流速的关系与流态密切相关.
• 雷诺试验的装置如图４-２所示,水箱A 中水位恒定,水流通过玻璃管B 恒定出流,阀门K 用来调节管内流量,容器D 中盛有颜色水,颜色水可以 经过细管E 注入玻璃管B 中.
2-4液体在管道中的流动详解
hl
第2章 第四节 液体在管道中的流动
h l —沿程能量损失，这里可近似忽略不计 h —单位重量液体的局部能量损失
•列出控制体的动量方程
第2章 第四节 液体在管道中的流动
对于紊流 由此，推导出过流断面突然扩大处的局部能量损失
(1 A1 ) 2
A2
其中，ξ突然扩大局部损失系数
第2章 第四节 液体在管道中的流动
液体的流态及其实验装置
第2章 第四节 液体在管道中的流动
层流时，液体的流速较低，质点受粘性的约束，不 能随意运动，粘性力起主导作用；紊流时，液体的流速 较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。
2、圆形断面管道的雷诺数
Re
vd
vcr
Recr
Re Recr 层流 Re Recr 紊流
液流的雷诺数相同，其流动状态就相同
第2章 第四节 液体在管道中的流动
•内摩擦定律
Ff
A
du dr
2 rl du
dr
•则有
•对上式积分并代入边界条件
表明：液体在直管中作层流 运动时，速度对称于圆管中 心线并按抛物线规律分布。 当r = 0时，流速为最大。
第2章 第四节 液体在管道中的流动
圆形管道截流面线上的的特流性量
dQ udA u 2 rdr
第二章 液压油和液压流体力学
流体力学(流动阻力及能量损失)
查教材第8页表1—2可知，当温度升高到300C以上时，水流转 变为紊流。
例2：某送风管道，输送300C的空气，风管直径为200mm，风 速为3m/s。试求：（1）判断风道内气流的流态；（2）该风管的临 界流速。 解：（1）300C空气的ν=16.6×10-6m2/s(查表1—3)则管中气流雷 × 诺数
第六章
流动阻力及能量损失
1、流动阻力的两种类型 2、流体流动的两种状态 3、均匀流的沿程损失 4、圆管中的层流运动 5、圆管中的紊流运动 6、紊流沿程损失计算 7、管中局部阻力损失计算 8、边界层和绕流阻力
§6－1
流动阻力的两种类型
流体在运动时，与固体周壁间会产生附着力，流体各质点间有 内摩擦力（粘性力）。这些力对流体运动所呈现出的阻滞作用就是 流体的流动阻力。 根据流动边界是否沿程变化，流动阻力分为两类：沿程阻力hf 和局部阻力hj。
§6－2 流体流动的两种状态
一、流态实验——雷诺实验 流态实验 雷诺实验
由层流 紊流时的流
速称为上临界流速 v c 。 ′ 由紊流 层流时的流
速称为下临界流速vc。 实验证明，vc< v c 。 ′ ●实验情况，可概括如下； 当 v > vc 时，流体作紊流运动 ′ 当 v < vc 时，流体作层流运动 当vc< v < v c 时，流态不稳，可能是层流也可能是紊流 ′
临界流速
Re cν 2000×1.14 ×10−6 vc = = = 0.114(m / s) d 0.02
即当v增大到0.114 m/s以上时，水流由层流转变为紊流。 如不改变流速，即v = 0.08 m/s，也可因水温改变，而从层流转 变为紊流。计算应有的ν值
νห้องสมุดไป่ตู้=
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流体在管道中对流动规律——流动能量损失的确定流体流动时会产生能量损失，只有知道流体流动过程的能量损失，才能用柏努利方程解决流体输送中的实际问题。
流体流动过程的能量损失一般简称为流体阻力。
一、流体阻力的产生原因1．黏度理想流体在流动时不会产生流体阻力，因为理想流体是没有黏性的，实际流体流动时会产生流体阻力，是因为实际流体有黏性。
流体的黏性是流体流动时产生能力损失的根本原因，而流体层与层之间、流体和壁面之间的相对运动是产生内磨擦阻力，引起能量损失的必要条件。
流体黏性的大小用黏度来表示，其数值越大，在同样的流动条件下，流体阻力就会越大。
流体黏度的定义为：两层流体之间单位面积上的内磨擦与速度梯度为之比，用符号μ表示，其单位是：Pa ·s液体的黏度随温度升高减小，气体的黏度则随温度升高而增大。
压力变化时，液体的黏度基本不变；气体的黏度随压力的增加而增加得很少，在一般工程计算中可忽略，只有在极高或极低的压力下，才需要考虑压力对气体黏度的影响。
某些常用流体的黏度，可以从有关手册中查得。
流体流动时产生的能量损失除了与流体的黏性、流动距离有关外，还取决于管内流体的流速等因素。
流速对能量损失的影响与流体在流道内的流动形态有关。
2．流体的流动型态1883年著名的科学家雷诺用实验揭示了流体流动的两种截然不同的流动型态。
实验装置：图1-36，在1个透明的水箱内，水面下部安装1根带有喇叭形进口的玻璃管，管的下游装有阀门以便调节管内水的流速。
水箱的液面依靠控制进水管的进水和水箱上部的溢流管出水维持不变。
喇叭形进口处中心有一针形小管，有色液体由针管流出，有色液体的密度与水的密度几乎相同。
实验现象：①当玻璃管内水的流速较小时,管中心有色液体不扩散，呈现一根平稳的细线流,沿玻璃管的轴线向前流动（如图1-36(a）所示）。
②随着水的流速增大至某个值后，有色液体的细线开始抖动，弯曲，呈现波浪形（如图1-36（b）所示）。
③速度增大到一定程度后，有色液体的细线扩散，使管内水的颜色均匀一致（如图1-36（c ）所示）。
图1-36 雷诺实验示意图通过雷诺实验可以看出流体流动有两种截然不同的类型。
层流：也称滞流，如图1-36（a ）。
这种流动类型的特点是：流体的质点仅沿着与管轴线平行的方向作直线运动，质点无径向运动，质点之间互不相混，所以有色液体在管轴线方向成一条清晰的细直线。
湍流：也称为紊流，图1-36（c ）。
这种流动类型的特点是：流体的质点除了管直线方向上的向前流动外，还有径向运动，各质点的速度在大小和方向上随时都有变化，即质点作不规则的杂乱运动，质点之间互相碰撞，产生大大小小的旋涡，所以管内的有色液体和管内的流体混合呈现出颜色均一的情况。
3．流体的流动类型的判断工业生产中的管道一般是不透明的，那么该如何判断管内流体的流动形态呢？对于管内流动的流体来说，雷诺通过大量的实验发现：流体在管内的流动状况不仅与流速u 有关，而且与管径d 、流体的黏度μ和流体的密度ρ也有关，同时管子长短、形状、以及其他外界因素也会产生影响。
在实验的基础上，雷诺将上述影响的因素利用因次分析法整理成μρdu 的形式作为流型的判据。
这种μρdu 的组合形式是一个无因次数，我们称之为雷诺准数，以符号Re 表示。
μρdu =Re （1-22）利用雷诺准数可以判断流体在圆形直管内流动时的流动型态。
当Re ≤2000时，流体总是作层流流动，称为层流区。
当2000<Re ≤4000时，有时出现层流，有时出现湍流，与其他因素有关，称作过渡区。
当Re ≥4000时，一般出现湍流型态，称作湍流区。
使用雷诺数时要注意以下问题：①由于Re 中各物理量的单位，全部都可以消去，所以雷诺准数是一个没有单位的纯数值。
在计算雷诺数的大小时，组成Re 的各个物理量，必须用一致的单位表示。
对于一个具体的流动过程，无论采用何种单位制度，只要单位一致，所算出来的Re 都相等且无单位。
②流动现象虽分为层流区、过渡区和湍流区，但流动型态只有层流和湍流两种。
过渡区的流体实际上处于一种不稳定状态，它是层流还是湍流状态往往取决于外界干扰条件。
如管壁粗糙，是否有外来震动等都可能导致湍动，所以将这一范围称之为不稳定的过渡区。
③上述判据只适用于流体在长直圆管内的流动，例如在管道入口处，拐弯处或直径改变处不适用。
【例1-8】20℃的水在内径为50mm 的管内流动，流速为2m/s 。
试计算雷诺数，并判别管中水的流动型态。
解 水在20℃时ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa·s ；又管径d =0.05m ，流速u =2m/s 。
则310005.12.998205.0Re -⨯⨯⨯==μρdu =99300Re >4000，所以管中水的流动型态为湍流。
4．层流与湍流的区别①流体内部质点的运动方式不同：流体在管内作层流流动时，其质点沿着与轴平行的方向作有规则的直线运动，质点之间互不混合。
当流体在管内作湍流流动时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时在发生变化，于是质点间彼此互相混合，产生大大小小的旋涡。
②流体流动的速度分布不同：在管道横截面上流体的质点流速是按一定规律分布的（如图1-37所示）。
在管壁处，流速为零，在管子中心处流速最大。
层流时流体在导管内的流速沿导管直径依抛物面规律分布，平均流速为管中心流速的1/2。
湍流时的速度分布图可看成是顶端被压成扁平状的抛物面。
湍流程度愈高，曲线顶端愈平坦。
湍流时的平均流速约为管中心流速的0.8倍。
图1-37速度分布与平均流速③流体在直管内的流动型态不同，系统产生的能量损失也不同：流体在直管内流动时，由于流型不同，则流动阻力所遵循的规律亦不相同。
层流时，流动阻力来自流体本身所具有的黏性而引起的内摩擦。
而湍流时，流动阻力除来自于流体的黏性而引起的内摩擦外，还由于流体内部充满了大大小小的旋涡。
流体质点在漩涡内的不规则运动，消耗能量，产生了附加阻力。
这阻力又称为湍流切应力，简称为湍流应力。
所以湍流中的总摩擦应力等于黏性摩擦应力与湍流应力之和。
④湍流时的层流内层和缓冲层：流体在圆管内呈湍流流动时，由于流体有黏性使管壁处的速度靠近管壁处的速度为零，那么邻近管壁处的流体受管壁处流体层的约束作用，其速度自然也很小，所以管壁附近一定厚度的流体层流速比较小，仍然为层流。
我们把管壁附近作层流流动的流体薄层，称为层流内层或滞流底层（也称边界层），如图1-38所示。
在层流内层和管中心湍流主体之间，还存在一个流动形态即不是层流也不是完全湍流的区域，这一区域称为缓冲层或过渡层。
层流内层的厚度随Re数的增大而减薄。
如在内径为100mm的光滑管内流动时，当Re=1×104时，其层流内层的厚度约为2mm；当Re=1×105时其层流内层的厚度约为0.3mm。
层流内层的存在工业生产中的对传热和传质过程都有重要的影响。
图1-38层流底层示意图二、流体阻力的计算可以把流体在管路系统中流动时的流体阻力可分为直管阻力和局部阻力两部分。
直管阻力是流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而产生的能量损失。
局部阻力是流体流经管路中的管件、阀门及截面的突然扩大和缩小等局部地方所引起的能量损失。
柏努利方程式的Σh f项是指所研究管路系统的总能量损失或称总阻力损失，它是管路系统中各段直管阻力损失h f 与各局部阻力损失h f ′之和，即：∑∑+=''f f f h h h （1-23） 以下就直管阻力和局部阻力两类，分别进行讨论。
1．流体在直管中的流动阻力 （1）圆形直管阻力的计算。
不可压缩性流体以速度u 在圆形水平直管内作稳定流动，其能量损失可由范宁公式计算：2u · 2d L h f λ= （1-24） 或 2u · 2ρλd L p f =∆ （1-24a ） 式中 h f ——为1kg 流体流过长度为L 的直管，所产生的能量损失，J/kg ；L ——直管长度，m ；ρ——管内流体密度，kg/m 3；u ——为管内流体的流速,m/s ；d ——为管径，m ；λ——无因次系数，称为摩擦系数（或摩擦因数）；△p f ——为流体通过长度为L 的直管时因克服内磨擦力而产生的压力降，亦称阻力压降，Pa 。
由范宁公式可知，流体在直管内的流动阻力与流体密度ρ、流速u 、管长L 、管径d 及λ有关。
式中λ是一无因次系数，称为摩擦系数（或摩擦因数），其值与流动类型及管壁等因素有关。
应用式1-24及1-24a 计算直管阻力时，确定摩擦系数λ值是个关键。
①层流时的摩擦系数：流体作层流流动时，管壁上凹凸不平的地方都被有规则的流体层所覆盖，如图1-35（a ）所示，所以在层流时，摩擦因数与管壁粗糙程度无关。
层流时摩擦系数λ是雷诺数Re 的函数，λ=f （Re ）。
通过理论推导和实践证明，管内流体作层流流动时的λ可由下式计算：Re64=λ (1-25) ②湍流时的摩擦系数：流体作湍流流动时，影响摩擦系数λ的因素比较复杂。
不但与Re有关而且与管壁的粗糙程度有关。
图1-35所示的是在不同Re数值下，流体流体流过管子粗糙壁面的情况。
由图可见：当Re数值较小，靠近管壁处的层流底层厚度δL大于壁面的粗糙度ε，即δL>ε，如图1-39（a）所示，管壁上凹凸不平的地方都被有规则的流体层所覆盖，此时的摩擦系数与管壁粗糙度无关；当Re数值较大时，则出现δL<ε，如图1-39（b）所示，此时粗糙峰伸入湍流区与流体近地点发生碰撞，增加了流体的湍动性。
因而壁面粗糙度对摩擦系数的影响便成为重要的因素。
Re值越大，层流内层越薄，这种影响就越显著。
图1-39 流体流过粗糙管子壁面的情况由此可见，湍流时的摩擦系数不能完全由理论分析方法求取。
求取湍流时的λ有3个途径：一是通过实验测定，二是利用前人通过实验研究获得的经验公式计算，三是利用前人通过实验整理出的关联图查取。
其中利用莫狄图查取λ值最常用。
图1-40 摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关联图莫狄图是将摩擦系数λ与Re和ε/d的关系曲线标绘在双对数座标上，如图1-40所示。
此图可分成四个区域：①层流区：Re≤2000，λ只是Re数的函数，且与Re数成直线关系，该直线方程即为式（1-25）。
②过渡区：2000＜Re＜4000，该区域由于流动类型不能确定，工程上为了安全起见安湍流处理，一般将湍流区的曲线外推查取摩擦系数值。
③湍流区：Re≥4000及虚线以下的区域，λ与Re 及ε/d 都有关，在这个区域中标绘有一系列曲线，其中最下面的一条为流体流过光滑管时λ与Re 的关系。
当Re=3000～10000时，柏拉修斯通过实验得出的半理论公式可表示光滑管内λ与Re 的关系：λ=25.0Re3164.0。