流体力学 流动阻力和水头损失新PPT学习教案

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到最大。A点称驻点(毕托管测速原理)。
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A
液体质点到达驻点,停滞不前,以后继续流来的 质点就要改变原有流动方向,沿圆柱体两侧继续流动。
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分析沿柱面两侧边壁附近的流动 理想液体
C
液体质点运动 AA-C
动能增加(液体挤压) 压能减少 压能的减少部分转化为动能
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4R 2g
非圆管水流 的沿程损失
R A
R是管道的水力半径,其值等于过流断面的面积A与湿周Χ的比值。
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§6-1 水头损失的两种形式
局部损失:
hj
v2 2g
: 局部损失系数。
局部水头损失是由于流动边界性状突然变化(例如管道截面突 然扩大)引起的流线弯曲以及边界层分离而产生的损失。
如果管道由若干管段组成:
流体力学 流动阻力和水头损失新
会计学
1
第六章 流动阻力和水头损失
§6-1 水头损失的两种形式 §6-2 粘性流体的两种流态
雷诺实验 流态的判别 紊流的成因 §6-3 圆管中的层流
沿程损失与切应力的关系 沿程损失的通用公式 §6-4 层流向紊流的过渡 §6-5 紊流的流速分布
紊流切应力 混合长度假说 圆管紊流的断面流速分布 §6-6 圆管紊流的沿程损失系数 §6-7 沿程损失系数的实验研究 尼古拉兹实验 莫迪图 §6-8 局部水头损失
液体质点运动 C—B 动能减少(液体扩散) 压能增加 减少的动能完全转化为压能。
C
A
B
C
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液体质点运动 A-C 动能增加(液体挤压) 压能减少 减少的压能补充为动能
液体质点运动 C—B 动能减少(液体扩散) 压能增加 减少的动能完全补充为压能。
C
A
B
C
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液体质点运动 A-C 动能增加(液体挤压) 压能减少 减少的压能补充为动能
QV t
颜色水
l
hf
QV t
层流:流速较小时,各流层的液体质点有条不紊运动, 相互之间互不混杂。
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颜色水
l
hf
QV t
紊流:当流速较大时,各流层的液体质点形成涡体, 在流动过程中,互相混杂。(紊流实验)
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颜色水
l
hf
QV t
实验时,结合观察红颜色水的流动,量测两测
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§6-2 粘性流体的两种流态
实验结果:
ln hf ln k m ln v
hf kvm
lghw
f
e dc
b
ab段: 流速很小,属于层流 。
hf kv

a

层流 区
紊流 区

lgVe lgVe
lgV
ef段 :
流速较大,属于紊流。 hf kv1.75~2.0
A
B
C
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液体质点运动 C - B 动能减少
压能增加 减少的动能转化为压能 并用于克服能量损失
C
A
B
C
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形成分离点:
C D
A
B
C
近壁液体从C-B运动时,液体的动能一部分用于克服摩擦阻力 ,另一部分用于转化为压能。因此,液体没有足够动能完全恢复 为压能(理想液体全部恢复)。在柱面某一位置,例如 D 处,流 速降低为零,不再继续下行。
1867年-剑桥大学王后学院毕业 1868年-曼彻斯特欧文学院工程学教授 1877年-皇家学会会员 1888年-获皇家勋章 1905年-因健康原因退休
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§6-2 粘性流体的两种流态 雷诺(O.Reynolds)实验
雷诺兴趣广泛,一生著述很多,近70篇论文都有很深远的影 响。论文内容包括
QV t
§6-2 粘性流体的两种流态 雷诺(O.Reynolds)实验
颜色水
l
hf
打开下游阀门,保持水箱水位稳定
QV t
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§6-2 粘性流体的两种流态
颜色水
l
雷诺(O.Reynolds)实验
hf
再打开颜色水开关,则红色水流入管道
QV t
层流:红色水液层有条不紊地运动, 红色水和管道中液体水第4相0页互/共不176混页 掺(实验)
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§6-1 水头损失的两种形式
分析通过圆心的一条流线(图中红线所示)
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§6-1 水头损失的两种形式
通过圆心的一条流线
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液体质点流向圆柱体时,流线间距逐渐增大,流 速逐渐降低,由能量方程可知,压强必然逐渐增加。
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驻点
A
存在驻点: 当液体质点流至A点,流速降为零,动能转化为压能,使其增加
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§6-1 水头损失的两种形式
沿程水头损失hf 在平直的固体边界水道中,单位重量的液体从
一个断面流至另一个断面的机械能损失。 这种水头 损失随沿程长度增加而增加,称沿程水头损失。
hf ∝ s
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§6-1 水头损失的两种形式
局部水头损失hj
用圆柱体绕流说明局部水头损失hj
压管中的高差以及相应流量,建立水头损失hf 和管 中流速v的试验关系,并点汇于双对数坐标纸上。
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颜色水
l
hf
试验按照两种顺序进行: (1) 流量增大 (2) 流量减小 试验结果如下图所示。
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QV t
§6-2 粘性流体的两种流态
层流与紊流的概念
沿程水头损失与流速关系。 流速较小时, hf ∝ v; 流速较大时, hf ∝ v2(几乎) 英国物理学家Rey nolds试验研究:水头损失 之所有 不同, 是因为 粘性流 体存在 两种流 态。
大小 耗能方式
hf ∝ s
与漩涡尺度、强度, 边界形 状等因素相关
通过液体粘性将其能量耗散
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§6-1 水头损失的两种形式
hw hf hj
达西公式:
1803~1858
hf
L v2
d 2g
圆管水流的 沿程损失
——沿程损失系数,与流动特性以及管壁的粗糙度有关

hf
L v2
局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数
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§6-1 水头损失的两种形式 —沿程水头损失和局部水头损失
总水头
z1
p1 g
1V12 2g
z2
p2 g
2V22 2g
hw
p V 2 H z
g 2g
H1 H 2 hw
水头损失
工程上水头损失分为:沿程水头损失和局部水头损失 。
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§6-2 粘性流体的两种流态
流态的判别-------雷诺数
Re Vd Vd
Re VR
R A
下临界速度Ve ;上临界速度V’e
Vc V 'c
实验结果:
ln hf ln k m ln v
lghw
f
e dc
b

a

层流 区
紊流 区

lgVe lgVe
lgV

hf kvm
力学 热力学 电学 航空学 蒸汽机特性等
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§6-2 粘性流体的两种流态 雷诺(O.Reynolds)实验
在流体力学方面最重要的贡献:
1883年 — 发现液流两种流态:
层流和紊流,提出以雷诺数判别 流态。
1883年 — 发现流动相似律
对于几何条件相似的流动,即使其尺寸、速度、流体不同, 只要雷诺数相同, 则流动是动力相似。
紊流切应力 混合长度假说 圆管紊流的断面流速分布 §6-6 圆管紊流的沿程损失系数 §6-7 沿程损失系数的实验研究 尼古拉兹实验 莫迪图 §6-8 局部水头损失
局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数
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§6-2 粘性流体的两种流态 雷诺(O.Reynolds)实验
雷诺:O.Osborne Reynolds (1842~1912) 英国力学家、物理学家和工程师,杰出实验科学家
R r 2
下临界速度Vc ;上临界速度V’c
lghw
f
e dc
b

a

层流 区
紊流 区

lgVe lgVe
lgV

由紊流转变为层流时管内断面平均流速;
下 临 界 速 度 Vc:
上临界速度V’e:
由 层 流 转 变 为紊 流时的 断面平 均流速 。
一般是固定的,而上临界速度V’e则是不固定的,试水流受外界的 干扰情况而定。
雷诺(O.Reynolds)实验
有色液体
水 金属网
排水 进水
节门 玻璃管
层流: 分层流动 ; 有条不紊; 互不掺混 紊流(湍流): 杂乱无章; 相互掺混 ; 涡旋紊乱
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§6-2 粘性流体的两种流态
流态的判别-------雷诺数
Re Vd Vd
Re VR
R A
A r 2 2r
这种能量损失产生在局部范围之内,叫做局部水头损失hj 。
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§6-1 水头损失的两种形式
局部水头损失:
当液体运动时,由于局部边界形状和大小的改变、 局部障碍,液体产生漩涡,使得液体在局部范围内产生 了较大的能量损失,这种能量损失称作局部水头损失。
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§6-1 水头损失的两种形式
颜色水
l
hf
QV t
下游阀门再打开一点,管道中流速增大 红色水开始颤动并弯曲,出现波形轮廓
第41页/共176页
§6-2 粘性流体的两种流态
颜色水
l
雷诺(O.Reynolds)实验
hf
下游阀门再打开一点,管中流速继续增大
红颜色水射出后,完全破裂,形成漩涡,扩散至全管, 使管中水流变成红色水。
这一现象表明:液体质点运动中第会42页形/共成1涡76体页 ,各涡体相互混掺。
hw hf hj
第31页/共176页
v02
1
2g
总水头线
v0 H
hwi 测压管水头线 H0
23 pi/γ
2 3i
45
1
4
5
s
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第六章 流动阻力和水头损失
§6-1 水头损失的两种形式 §6-2 粘性流体的两种流态
雷诺实验 流态的判别 紊流的成因 §6-3 圆管中的层流
沿程损失与切应力的关系 沿程损失的通用公式 §6-4 层流向紊流的过渡 §6-5 紊流的流速分布
。漩涡随流带走,经过一段时间后,逐渐消失。
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漩涡区 漩涡区中产生了较大的能量损失
C D
A
B
C
漩涡体形成、运转和分裂
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漩涡区中产生了较大的能量损失
C D
A
B
C
流速分布急剧变化
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漩涡区中产生了较大的能量损失
C D
A
B
C
漩涡的形成,运转和分裂;流速分布急剧变化,都使液体产 生较大的能量损失。
第17页/共176页
形成分离点:
C D
A
B
C
D点以后的液体就要改变流向,沿另一条流线运动,这样就使 主流脱离了圆柱面,形成分离点。
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分离点后形成漩涡区
C D
A
B
C
沿圆柱面,分离点下游压强大于分离处压强,在压差作用 下,圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域,形成了漩涡
。漩涡随流带走,经过一段时间后,逐渐消失。
液体质点运动 C— B 动能减少(液体扩散) 压能增加 减少的动能完全补充为压能。
C
A
B
C
由于液体绕流运动无能量损失,因此,液体从A-B 时,A和B
点的流速和压强相同。其他第流14页线/共情17况6页类似。
实际液体绕圆柱流动 C
液体质点运动 A-C 动能增加 压能减少 减少的压能转化为动能 并用于克服能量损失
突然管道缩小:
漩涡区
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§6-1 水头损失的两种形式
管道中的闸门局部开启 漩涡区
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§6-1 水头损失的两种形式
弯道转弯
漩涡区
第28页/共176页
沿程水头损失
局部水头损失
发生 边界
外在 原因
平直的固体边界水道 中
液体运动的摩擦阻 力
产生漩涡的局部范 围 边界层分离或形状阻力
hw hf hj 局部损失
沿程损失
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§6-1 水头损失的两种形式
hw hf hj
局部损失
沿程损失
沿程阻力:在长直管道或长直明渠中, 流动为均匀 流或渐变流, 流动阻力中只包括与流程的长短有关的摩擦 阻力----沿程阻力。
局部阻力:在流道发生突变的局部区域, 流动属 于变化较剧烈的急变流, 流动结构急剧调整, 流速大小, 方向迅速改变, 往往拌有流动分离和旋涡运动, 流体内 部摩擦作用增大, 称这种流动阻力-------局部阻力。
第19页/共176页
分离点后形成漩涡区
漩涡区
C D
A
B
C
沿圆柱面,分离点下游压强大于分离处压强,在压差作用 下,圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域,形成了漩涡 。漩涡随流带走,经过一段时间后,逐渐消失。
第20页/共176页
分离点后形成漩涡区
漩涡区
C D
A
B
C
沿圆柱面,分离点下游压强大于分离处压强,在压差作用 下,圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域,形成了漩涡
第36页/共176页Fra bibliotek§6-2 粘性流体的两种流态 雷诺(O.Reynolds)实验 雷诺实验揭示出
实际液体运动中存在两种不同型态: 层流和紊流 不同型态的液流,水头损失规律不同
第37页/共176页
§6-2 粘性流体的两种流态 雷诺(O.Reynolds)实验
颜色水
l
hf
雷诺试验装置
第38页/共176页
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