流动阻力和能量损失资料

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，遵循牛顿内摩擦定律。 （3）能量损失与流速的一次方成正比。 （4）在流速较小且雷诺数Re 较小时发生。
2、紊流
第四章
紊流（Turbulent），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。
本章难点
1、雷诺实验及雷诺数； 2、层流与紊流的运动特征； 3、层流与紊流的沿程水头损失系数的确定； 4、圆管沿程水头损失和局部水头损失的计算 。
§4—1 沿程损失和局部损失 p91
第四章
• 产生流动阻力和能量损失的根源：
流体的粘性和紊动。 • 水头损失的两种形式
沿程水头损失 局部水头损失
一、沿程阻力和沿程水头损失
lghf
f
de
bc a
层流 过渡区 紊流
o
lgvklgvlkgvk， lgv
实验结果的数学表达式
第四章
lg hf lg k m lg
hf k m
层流: m1=1.0， hf =k1 ， 即沿程水头损失与流速一次方成正比。 紊流： m2=1.75~2.0，hf =k2 1.75~2.0 ，即沿程水头损失hf 与
速变为紊流时称为上临界流速 vk ；紊流减速变层流时
称为下临界流速 vk 。
实验表明，上临界流速 vk 不固定；下临界流速 vk 却不变，以后所指的临界流速 是下临界流速 vk
1、层流
第四章
层流（Laminar Flow），亦称片流：是指流体质点不 相互混杂，流线作有条不紊的有序的、有规则的流动。
第四章
沿程阻力（Frictional Drag）：当限制流动的固体边界 使流体作均匀流动时，流动阻力只有沿程不变的切应力， 该阻力称为沿程阻力。
沿程水头损失（Frictional Head Loss）：由沿程阻力 作功而引起的水头损失称为沿程水头损失。
二、局部阻力和局部水头损失
局部阻力（Local Resistance）：液流因固体边界急剧改 变而引起速度分布的变化，从而产生的阻力称为局部阻力。
当流速较大时，各流层的液体质点作杂乱无章，相 互混渗的无规律的流动，即液体质点不仅有纵向运动， 而且也有横向的运动。这种型态的运动叫紊流。
第四章
当实验以相反的程序进行时，则观察到的现象就以相 反的程序而重演，但在紊流变为层流时的流速数值要比 层流变紊流时小。
液体运动状态改变点的流速称为临界流速。层流加
特点：
（1）无序性、随机性、有旋性、混合性。
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）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。
（3）在流速较大且雷诺数较大时发生。
（4）紊流受粘性和紊动的共同作用。
二、雷诺实验
第四章
在1-1、2-2断面处加接两根测压管，由能量方程， 测压管的液面差就是1、2断面的沿程水头损失。通过 调节流量就可以得到沿程水头损失与平均流速的关系 曲线，如图4-3. P93
四、水头损失的计算公式 P92
第四章
水头损失叠加原理：流段两截面间的水头损失为两截 面间的所有沿程损失和所有局部损失的总和。或整个管 路的水头损失等于各管段的沿程损失和局部损失的总和。
hl hf hm
沿程水头损失:
hf
l d
v2 2g
(4-1-1)
局部水头损失:
hm
v2 2g
(4-1-2)
流速的1.75~2.0次方成正比 。
既然层流与紊流有各自不同的沿程水头损失的 规律，则计算沿程水头损失时，首先要判别流态。
第四章
判别流态的标准是什么？实验表明流态不仅和流
速有关，还和管径、动力粘滞系数和密度有关，这
英国学者雷诺在1883年用雷诺实验揭示了液体运动存 在着两种不同的的型态，层流和紊流。
k2
hf
1
2 k1
水
1
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2
玻璃管
实验装置
如图所示实验装置，先将容器装满液体，使液面保持 稳定，将阀k1徐徐开启，液体自玻璃管中流出，再将红 色液体的阀门k2打开，可以看到在玻璃管中有一条细直 而鲜明的带色流速，它不与透明液体混杂，如图（a）。
p 用压强损失表示: f
l v2 d 2 λ—沿程阻力系数；
pm
v2
2
ζ—局部阻力系数；
请问
1、水头损失有哪些类型？ 产生的原因和影响因素是否相同？
否；粘性，固体边界形状
第四章
2、你是否知道水头损失的计算公式？
3、何谓沿程阻力？何谓局部阻力？
§4—2 层流与紊流、雷诺数 p92
第四章
一、两种流态的运动特征
局部水头损失（Local Head Loss）：由局部阻力作功 而引起的水头损失称为局部水头损失。
第四章
三、特点
第四章
沿程阻力：主要显示为“摩擦阻力”的性质。
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，以及在局 部阻力之后，水流还要重新调整结构以适应新的均匀 流条件所造成的。
k2
hf
1
2 k1
水
1
2
玻璃管
实验装置
二、雷诺实验
实验曲线分为三部分：
第四章
（1）ab段：当v<vk时，流动为稳定的层流，hf v ；
v （2）ef段：当v> vk，时，流动只能是紊流， hf 1.75~2.0。
（3）bc段：当vk <v< vk， 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。
第四章 流动阻力和能量损失
§4—1 沿程损失和局部损失 §4—2 层流与紊流、雷诺数 §4—3 圆管中的层流运动 §4—4 紊流运动的特征和紊流阻力 §4—5 尼古拉兹实验 §4—6 非圆管的沿程损失 §4—7 局部水头损失
本章重点
1、流体流动阻力和能量损失， 2、雷诺实验及雷诺数； 3、层流与紊流的判别 ； 4、圆管沿程水头损失和局部水头损失的计算 。
（a）
（b）
（c）
再将 k1逐渐开大，玻璃管中流速逐渐增大，可发现红色 液体开始摇摆，呈波状起伏，如图（b）。
最后在流速达到某一定值时，红色流束便完全破裂，充满 全管，这是液体质点作杂乱无章的运动，见图（c）。
实验表明：
第四章
同一液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体 可有两种型态的运动，当流速较小时，各流层的液体 质点是有条不紊的运动，互不混杂，即液体质点的流 向仅有纵向流动而无横向的混杂，这种型态的流动叫 层流。