中南大学《流体力学》课件第四章流动阻力和水头损失共101页

第4章水流阻力与水头损失精品PPT课件

雷诺实验
逐渐开大阀门，颜色水图突4-3然流破态实裂验，迅速与周围清水混掺，流束形的流动已不存在。这种流动称为紊流或湍流（ turbulent flow）。由层流向紊流转变时的vel管oc内ity平)。均流速称为上临界流速vk′ (the upper critical
流
当限制流动的固体边界，使流体作均匀流
阻动时，水流阻力只有沿程不变的切应力，称为
力与水
沿程阻力；由于沿程阻力做功所引起的水头损失，称为沿程水头损失，以hf表示。
头
沿程阻力的特征是沿水流长度均匀分布，
损因而沿程水头损失的大小与流程的长度成正比。失
第 4.1 沿程水头损失和局部水头损失
4 （The Major Loss and The Minor Loss ）
第 4.1 The Major Loss and The Minor Loss
4
章二、局部水头损失( the minor loss )
水
工程上常用的局部水头损失的计算公式为：
流
阻力与
hm
v2 2g
水
头损失
z1
p1
1v
2 1
2g
= z2
p2
2v
2 2
2g
+
三、水头损失叠加原理
( The superposition principal of head loss )
与动型态，它们的内在结构有很大差别，因而能量
水损失的规律也不同。头
损
失
第 4.2 Two Modes of Flow for Real Fluids
4 章雷诺实验（ Reynolds’ experiment）

《 [物理课件]流动阻力和水头损失(PPT 86页) 》

【例题】输送润滑油的管子直径 d8mm，管长 l 15m，如图6-
12所示。油的运动粘度 15m120/6s，流量 12qcVm3/s，求油箱的
水头（不h计局部损失）。
图示润滑油管路
V4qV 41 21 04 0.23（m9/s）
d2 3.1 40.002 8
雷诺数
R e V d0 .2 1 3 5 9 1 0 0 . 0 6 0 8 1 2 7 .5 2 3 0 0
是根据不同的局部装置由实验确定。在本章后面进行讨论。
三、总阻力与总能量损失
在工程实际中，绝大多数管道系统是由许多等直管段和一些管道附件（如弯头、三通、阀门等）连接在一起所组成的，所以在一个管道系统中，既有沿程损失又有局部损失。我们把沿程阻力和局部阻力二者之和称为总阻力，沿程损失和局部损失二者之和称为总能量损失。总能量损失应等于各段沿程损失和局部损失的总和，即
一、沿程阻力与沿程损失
粘性流体在管道中流动时，流体与管壁面以及流体之间存在摩擦力，所以沿着流动路程，流体流动时总是受到摩擦力的阻滞，这种沿流程的摩擦阻力，称为沿程阻力。流体流动克服沿程阻力而损失的能量，就称为沿程损失。沿程损失是发生在渐变流整个流程中的能量损失，它的大小与流过的管道长度成正比。造成沿程损失的原因是流体的粘性和惯性以及管道的粗糙度等，因而这种损失的大小与流体的流动状态（层流或紊流）有密切关系。
J hf / l， RA /，为湿周。
其中，为半径为r处的切应力； o 为半径为r0处(壁面处）的切应力
hf
L 0 LV2 R g d 2g
➢ 园管内部流体切应力的分布
r
gRJ R 2 r o gRJ R ro ro
2

流动阻力与水头损失工程流体力学.ppt

uz t
uz x
dx dt
uz y
dy dt
uz z
dz dt
f 1 p 2u u ＋u • u
dt
质量力压差力
粘性力
当地加速度力
迁移加速度
§4－4 相似原理与量纲分析
一、量纲基本概念
单位（unit）：量度各种物理量数值大小的标准量，称单位。如长度
单位为m或cm等。——“量”的表征。
工程流体力学
第四章流动阻力与水头损失
§4-1管路中流动阻力产生的原因及分类
一、阻力产生的原因 1）流体质点与管壁之间的摩擦撞击 2）管壁的粗糙度，引起涡流 3）管路的长度
湿周 R
水力半径
=2R
A Rh X
§4-1管路中流动阻力产生的原因及分类
一、流动阻力的分类
沿程水头损失水头损失
局部水头损失
vc ——上临界流速
O
lgvc lgvc’ lgv
层流：过渡流：紊流：
v vc
vc v vc
v vc
临界雷诺数雷诺数 Re vd
υ
Re c 2000 ——下临界雷诺数 Rec 14000 ——上临界雷诺数
工程上常用的圆管临界雷诺数
层流：过渡流：紊流：
Re Re c Re c Re Rec Re Rec
如：速度：dim v=LT-1；加速度dim a=LT-2；力dim F=MLT-2；
动力粘度dim =ML -1 T-1
• 量纲公式:
dim q LTM
• 量纲一的量（无量纲数、纯数，如相似准数）：=0，=0，=0，即
dim q=1，如、及组合量Re等。
Re vd ,

土力学流动阻力和水头损失PPT课件

测压管水头线和总水头线是不平行的曲线。
非均匀渐变流：局部水头损失可忽略, 沿程水头损失不可忽略
非均匀急变流：两种水头损失都不可忽略。
第39页/共172页
总水头线
v12 2g
hj
v22
2g
测压管水头线
v1
v2
非均匀急变流
第40页/共172页
4.1 水头损失及其分类
4.1.1 水流阻力与水头损失
水头损失
2255
DD θθ22＝＝6600.3.3°°～～6633.4.4°°
2200
llgg hhff
1155
BB
CC
1100 AA
55
θθ11＝＝4455°°
层层流流过过渡渡紊紊流流
00
00
vvkk55 vv’’kk1100
层层流流 θθ11==4455°° mm==11
llgghhff llggkkmmllggvv 1155 hhff kkvvmm
第43页/共172页
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
力学热力学电学航空学蒸汽机特性等
第44页/共172页
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
C
A
B
C
第15页/共172页
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

流体力学课件第四章流动阻力和水头损失

l v hf d 2g
2
r w g J 2
w v 8
定义壁剪切速度（摩擦速度）则
w v
*
v v
*

8
§4-4 圆管中的层流

层流的流动特征
du dy
du du dy dr
du dr
g J
r 2
r du g J 2 dr
层流紊流
§4-3 沿程水头损失与剪应力的关系

均匀流动方程式
P G cos P2 T 0 1
P p1 A1 1
P2 p2 A2
T w l
G cos gAl cos gA( z1 z2 )
w l p1 p2 ( z1 ) ( z2 ) g g gA
v2 hj 2g
§4-2 粘性流体的两种流态

两种流态
v小
' c
v小
v > vc
v大 v大

临界流速。下临界流速 vc ——由紊流转化为层流时的流速称为下临界流速。
vc' ——由层流转化为紊流时的流速称为上上临界流速
vv
层流紊流
' c
紊流层流
a-b-c-e-f f-e-d-b-a
第四章流动阻力和水头损失
水头损失产生的原因：一是流体具有粘滞性，二是流动边界的影响。
§4-1 流动阻力和水头损失的分类

沿程阻力和沿程水头损失
在边界沿程无变化（边壁形状、尺寸、过流方向均无变化）的均匀流段上，产生的流动阻力称为沿程阻力或摩擦阻力。由于沿程阻力做功而引起的水头损失称为沿程水头损失。均匀流中只有沿程水头损失 h f 。

工程流体力学课件4流动阻力和水头损失共66页

hf
l
d
v2 2g
162＜ 52000为层流
则
64l v2
hf

0.61m
Red 2g
p 1p 2g(z2z1hf) 1k 9P 8 a
损失功率为
NQmgfh5.9w 8
第四节紊流的特征
一、紊流的发生机理
层流流动的稳定性丧失（雷诺数达到临界雷诺数）
扰动使某流层发生微小的波动
流速使波动幅度加剧
在横向压差与切应力的综合作用下形成旋涡
旋涡受升力而升降
引起流体层之间的混掺
造成新的扰动
任意流层之上下侧的切应力构成顺时针方向的力矩，有促使旋涡产生的倾向。
-+ +- +
高速流层低速流层
涡体
旋涡受升力而升降，产生横向运动，引起流体层之间的混掺
二、紊流的脉动和时均化现象
Revd279332000
1
紊流流态
油的流动雷诺数
Revd16672000
2
层流流态
【例】温度 t15C运动粘度 1 .1 4 1 6 0 m 2/s的水，在
直径 d2m 的管中流动，测得流速 v8cm /s，问水流处于什么状态？如要改变其运动，可以采取那些办法？
p2A
G co g s c A o g ls ( z 2 A z 1 )
n
端面压力 (p1p2)A
流股表面受到的摩擦力
T 0 l
流股湿周上的平均切应力
列写动量方程 F nQ (v2v1)0
p 1 A 1 p 2 A 2 gc A o l0 s l 0
T0
t
u 脉动速度 u(x,y,z,t)1Tu(x,y,z,t)d t0

工程流体力学课件4流动阻力和水头损失

工程应用
在泵站设计时，应充分考虑流动阻力和水头损失，以提高泵的运行效率，降低能耗。
THANKS
感谢观看
工程流体力学课件4 流动阻力和水头损失
目录
• 流动阻力的概念 • 水头损失的种类 • 流动阻力和水头损失的计算方法 • 工程实例分析
01
流动阻力的概念
定义与分类
定义
流动阻力是指流体在流动过程中受到的阻碍作用，导致流体机械能的损失。
分类
根据产生原因，流动阻力可分为摩擦阻力和局部阻力。
产生原因
摩擦阻力
由于流体内部及流道壁面间的摩擦作用产生的阻力。
局阻力
由于流道截面变化、流体方向改变或流速分布不均等局部因素引起的阻力。
阻力系数
定义
阻力系数是表示流体在单位速度梯度下流动时，单位重量流体所受的阻力，通常用希腊字母λ 表示。
计算公式
λ=f/Re，其中f为摩擦阻力系数，Re为雷诺数。
应用
控制边界层流动的方法
为了减小边界层流动的能量损失，可以采用改变表面粗糙度、使用导流装置或采用湍流控制技术等方法。这些方法在流体动力学研究和工程实践中具有广泛应用。
04
工程实例分析
管道流动阻力与水头损失分析
1 2
管道流动阻力
由于流体与管壁之间的摩擦力以及流体内部的粘性阻力，导致流体在管道中流动时能量损失。
沿程水头损失的大小与流体粘度、管道或渠道的粗糙度、管道或渠道的长度、流速等有关。
沿程水头损失的计算公式为 $Delta h = f times frac{L}{D} times frac{v^2}{2g}$，其中 $Delta h$ 为沿程水头损失， $f$ 为摩阻系数，$L$ 为管道长度，$D$ 为管道直径，$v$ 为流速，$g$ 为重力加速度。

中南大学流体力学第4章

第4章流动阻力与水头损失4.1 解：输入水时：s m Q Q m v /01.01000103===水水水ρs m dQ v v 2732.11.001.04422=⨯⨯==ππ水水sm tt 242210015119.05000221.050337.0101775.0000221.00337.0101775.0-⨯=⨯+⨯+=++=水ν20008421510015119.01.02732.1Re4>=⨯⨯==-水水水νdv管中水流是紊流流态。

输入油时：s m Q Q m v /01176.0850103===油油油ρs m dQ v v 4979.11.001176.04422=⨯⨯==ππ油油200013141014.11.04979.1Re4<=⨯⨯==-油油油νdv管中油流是层流流态。

4.4 解：22092.3%8.042.08.91000m N mN gRJ =⨯⨯⨯==ρτm m Jl h f 6.12008.0=⨯==％4.6 解：（1）先求管段的沿程水头损失：对安设水银压差计的管段1－1、2－2列能量方程：mm h gp gp gv gp z gv gp z h f 008.108.06.126.12)2()2(212222221111=⨯=∆=-=++-++=ρραραρ（2）再求管段的沿程阻力系数：s m dQv 2635.215.0104044232=⨯⨯⨯==-ππ由达西公式gvd l h f 22λ=得：0289.02635.2208.9215.0008.1222=⨯⨯⨯⨯==lvg d h f λ（3）最后判别管中水流流态：smtt 2622103060.110000221.0100337.0101775.0000221.00337.0101775.0-⨯=⨯+⨯+=++=ν2000259975103060.115.02635.2Re 6>=⨯⨯==-νvd管中水流是紊流流态。

工程流体力学课件4流动阻力和水头损失

产生原因
流体流经局部障碍时，流动状态发生急剧变化，产生漩涡和二次流，使得流体的速度分布和方向发生变化，导致水头损失。
影响因素
局部障碍的形式、流体流速、流体性质等。
总水头损失
总水头损失
01
指流体在管道或渠道中流动过程中所损失的总水头，
等于沿程水头损失和局部水头损失之和。
计算方法
02 总水头损失等于沿程水头损失和局部水头损失的代数
水利工程中的流动阻力与水头损失分析
水利工程中的流动阻力来源
在水利工程中，流动阻力主要来自水体与边界的摩擦力、水流内部的各种阻力等。这些阻力会导致水头损失，影响水利工程的正常运行。
水头损失对水利工程效益的影响
水头损失的大小直接影响到水利工程的效益。在设计水利工程时，应充分考虑水头损失的影响，合理选择水泵和水轮机的型号，确
保工程效益最大化。
THANKS
工程流体力学课件4流动阻力和水头损失
目录
Contents
• 流动阻力的概念 • 水头损失的种类 • 流动阻力和水头损失的计算 • 工程实例分析
01 流动阻力的概念
定义与分类
定义
流动阻力是指流体在流动过程中受到的阻碍作用，导致流体机械能的损失。
分类
分为内阻力和外阻力。内阻力是由于流体内部摩擦力引起的，如层流内摩擦力和湍流内摩擦力；外阻力是指流体在流动过程中受到的外部阻碍，如流体与管道壁面的摩擦力。
计算公式
阻力系数通常通过实验测定，也可以通过经验公式进行估算。常用的经验公式有达西韦斯巴赫公式和莫迪图等。
影响因素
阻力系数的大小受到流体的物理性质、管道的几何形状和尺寸、流动状态等多种因素的影响。在工程实际中，需要根据具体情况进行实验测定或经验估算。

第四章流动阻力与水头损失重点讲义精品PPT课件

m tan
4.4.3 湍流形成过程的分析雷诺试验表明层流与湍流的主要区别在于湍流时各流层之间液体质点有不断地互相掺混作用，而层流则无。涡体的形成是混掺作用的根源。涡体的形成过程： ➢ 粘滞流体流速分布不均匀，使得选定流层所受到的粘滞切
应力，有构成力矩，使流层发生旋转的倾向。
外界的微小扰动或来流中残存的扰动，在流层中引起局部性的波动，从而使局部流速的压强产生调整。
这一现象表明：液体质点运动中会形成涡体，各涡体相互混掺。
QV t
颜色水
l
hf
层流：各流层的液体质点有条不紊运动，相互之间互不混杂。
QV t
颜色水
l
hf
QV t
紊流：各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混杂。
lg hf lg hf
35
流速从小到大
30
E
25
D
20
15
10 A B
C
5
lg v
35 30
流速从小到大流速从大到小
紊流 E
θ2 = 60.3~63.4° m = 1.75~2.00
25
D θ2＝ 60.3°～63.4°
20
lg hf
15
B
C
10 A
5
θ1＝ 45°
层流过渡紊流
0
0
vC5 v’C 10
lg v
层流 θ1 = 45° m= 1
lg hf lg k m lg v 15 hf kv m
0 0
vC5 v’C10
15
lg v
35
流速从小到大
30
流速从大到小 E
lg hf
25
D

第四章流动阻力和水头损失文稿演示

第四章流动阻力和水头损失文稿演示
优选第四章流动阻力和水头损失
章节结构
§3：伯努利方程阻力损失hw
§4.1：阻力产生原因及分类
hw hf hj
§4.2~4.7：沿程水头损失
hf
L d
v2 2g
λ：沿程水头损失系数
§4.8：局部水头损失
hj
v2 2g
ζ：局部水头损失系数
§4.2： λ与流态有关 §4.3、 4.5：层流流态情形 §4.4 、4.6、4.7 ：紊流流态情形
• 因此，要讨论水流流动时的速度分布及阻力损失规律，必须首先对水流流态有所认识并加以判别——雷诺（Reynolds）实验。
第四章流动阻力和水头损失
一、流态转化演示实验：雷诺（Reynolds）实验
• 1883年，雷诺（Reynolds）通过实验揭示了不同流态的流动实质。实验装置如图所示。
• 实验结论 1：当流速较小时，各流层流体质点互相平行前进，质点间互不干扰，没有横向位置的交换。流动状态主要表现为质点摩擦——层流流态。第四章流动阻力和水头损失
第四章流动阻力和水头损失
掌握
§4.1 流动阻力产生的原因及分类
一、阻力产生的原因：
– 外因： 1. 断面面积及几何形状 2. 管路长度 3. 管壁粗糙度
– 内因： 1. 运动流体内部质点之间的相互摩擦，产生动量交换。 2. 运动流体内部质点之间的相互碰撞，产生动量交换。
第四章流动阻力和水头损失
• 外因： 1. 断面面积及几何形状
– 面积：A
– 湿周： ——过流断面上与流体相接触的固体边界的长度
– 水力半径：R A/ ——断面面积和湿周长度之比
i 求（1）圆管、（2）套管、（3）矩形渠道的水力半径：

流体力学水力学流动阻力和水头损失ppt课件

均匀流中水流产生的阻力为摩擦阻力能量损失为沿程水头损失h非均匀流中水流产生的阻力为摩擦阻力和压差阻力其产生的能量损失为局部水头损滞止离解压差阻力惯性离解压差阻力惯性离解压差阻力42实际液体流动的两种形态421雷诺试验10422流态的判别雷诺数雷诺数
第四章
流动形态及其水头损失
1
§4.1 流动阻力和水头损失的分类
A 0 .07
＝0.0210
d 0.3
0 .021 0 .3 0.3
＝0.0301
hf
l 2
d 2g
10001.422
0.0301 0.3 29.8
10.3m
44
一钢筋混凝土，衬直1砌 .5径 m，隧1长洞 km，
通过流为10量 m3/s,流动在水力粗
y
u
0
积分常数r：r0时当， u0,
所以 c4Jr02
17
得： u4J(r02 r2)
当r

0时，
流速有最大值: umax

J 4
r02
圆管均匀层流的断面平均流速：
1 udA AA
1r02
r0 0
4J(r02
r2)(2rd)r

J 8
r
摩擦阻力：流体有粘滞性和横向流速梯度，
流动阻力产生摩擦阻力。
压差阻力：局部地区固体边界的形状或
大小有急剧改变，或有局部障碍，液流内部结构产生离解和漩涡，流线弯曲，流速分布改变，增加了液流的相对运动，产生压差阻力。
2
沿程水头损失hf ：均匀流中，水流产生的阻
水头损失
力为摩擦阻力，能量损失为沿程水头损失hf。

第4章水流阻力和水头损失

1 2
p1 p2 h f z1 z2 g g
1
2
1

2 τ0
P 1 p1 A 1 P2 p2 A2
面积
1 Z1 L
F L 0
2
Z2 O
τ0 G=ρgAL
湿周
O
列流动方向的平衡方程式：水力半径——过水断面面积与湿周之比，即A/χ
vk d

vk d

2300
若Re<Rek
1.0 h V ，水流为层流， f
1.75~2.0 若Re>Rek，水流为紊流， hf V
公式只适用于圆管，对于非圆管用当量直径来实现，如下：
湿周：过水断面中液体与固体接触的边界长度水力半径：R
非圆管
A

A
d
2
对于圆管水力半径
雷诺数可理解为水流惯性力和粘滞力量纲之比量纲：称为因次，指物理量的性质和类别，例如长度和质量，分别用[L]和[M]表达
[V ] [惯性力]=[m][a]=[ ][L ] [ ][ L2 ][V 2 ] [T ] du 2 [V ] [粘性力] [ ][ A][ ] [ ][ L ] [ ][V ][ L] dy [ L]
3
量纲为
[惯性力] [ ][ L ][V ] [ ][ L][V ] [粘带力] [ ][V ][ L] [ ]
2 2
几个基本概念
层流底层、过渡层和紊流核心
§4.3 均匀流基本方程
1、沿程水头损失与切应力的关系
列1-1、2-2断面伯努利方程式：
2 p1 1v12 p2 2 v2 z1 z2 hf g 2g g 2g