流体力学流动阻力和能量损失教学课件PPT

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2、局部水头损失
hm
v2 2g
hm ——单位重力流体的局部能量损失。
——局部损失系数 v 2 ——单位重力流体的动压头（速度水头）。
2g
用压强损失表示:
pf
l
d
v2
2
pm
v2
2
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三、总能量损失
整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的叠加。
h l12 h f h m
hl1 2 ——总能量损失(水头损失)。
2.局部能量损失
发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，即在管
件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的
漩涡等造成的损失。
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二、能量损失的计算公式
1.沿程水头损失
hf
l
d
v2 2g
h f ——单位重力流体的沿程能量损失 ——沿程损失系数 l ——管道长度 d ——管道内径 v 2 ——单位重力流体的动压头（速度水头）。 2g
2
单位重量流体的
z1p12 1v g1 2z2p22 2g v2 2hl12 平均能量损失
固体边壁
速度梯度 流动阻力
粘性
能量损失
一、流动阻力和能量损失的分类
1.沿程阻力 2.局部阻力
沿程能量损失(沿程水头损失)
局部能量损失(局部水头损失)
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1.沿程能量损失
发生在均匀流(缓变流)整个流程中的能量损失，由流体的 沿程摩擦阻力造成的损失。
当Re较小时粘性力作用大，对质点运动起约束作用，流体 质点表现为有秩序互补掺混的层流状态。
当Re>Recr时，惯性力起主导作用，粘性力控制减弱，不足以 控制和约束外界扰动，惯性力h将微小扰动不断扩大，形成紊流17 。
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§层流、紊流和雷诺数
[惯性力]=[m][a] []L []3[L ]/T []2[]L []2[v]2
[粘性力] []A []du[]L []2[v]/L [][]L []v[]
dn
[[惯 粘性 性 ]][力 力 []]L [L []2][vv[]]2 [][L []]v[][Re]
雷诺数物理意义：雷诺数反映了惯性力和粘性力的对比关系。 因此可用来判别流态。
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第四章 流动阻力和能量损失
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4 §4.5
§4.6 §4.7 §4.8 §4.9
沿程损失和局部损失 层流与紊流、雷诺数 圆管中的层流运动 紊流运动的特征和紊流阻力 尼古拉兹实验
工业管道紊流阻力系数的计算公式 非圆管的沿程损失 管道流动的局部损失 减小阻力的措施
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§层流、紊流和雷诺数
例4-2 某低速风管道，直径d＝200mm，风速v＝3. 0m/s ，空气 温度是30ºC。（1）试判断风道内气体的流态；（2）该风道的 临界流速是多少？
解: (1)查表得空气的运动粘滞系数 1.61 0 6m 2/s
管中流动雷诺数：R evd13 .6 01.2 063612 5000
所以流动为紊流流态。
（2）风道的临界流速：
1.61 0 6
vcRcd e2000 0.2 0.16m 6/s
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§层流、紊流和雷诺数
四、流态分析
层流：规则流层 滑动摩擦阻力 大得多
紊流：质点掺混碰撞 滑动摩擦阻力，惯性阻力
流体的流动状态是层流还是紊流，对于流场的速度分布、 产生阻力的方式和大小，以及对传热传质过程和动量传递 规律等都各不相同，所以在研究这些问题之前，首先需要 判别流体的流动是属于哪一种状态。
实验现象
层流：着色流束为一条明晰细小的直线。 表明整个流场呈一簇互相平行的流线， 流动状态分层规则。
过渡状态：着色流束开始振荡摆动。表 明流体质点的运动处于不稳定状ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
紊流：着色流束迅速与周围流体相混， 颜色扩散至整个玻璃管。表明流体质 点作复杂的无规则的运动,各部分流体 互相剧烈掺混。
层流 过渡状态
1、实验发现
D
hj
v vcr 流动较稳定
C
v vcr 流动不稳定
B
A
2、临界流速
vcr ——下临界流速（紊流过渡到O 层流vr状c 态下v’的cr 流v体速度）
vcr ——上临界流速（层流过渡到紊流状态下的流体速度）
层 流： v vcr
不稳定流： vcrvvcr
紊 流： v vcr h
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§层流、紊流和雷诺数
§层流、紊流和雷诺数
例和4.12 水3和 0 油1的 0 6运m 动2/粘s度，分若别它为们1以1 v.＝70 .9 51 m /6 0 sm 的2流/s速在直径为
d＝100mm的圆管中流动，试确定其流动形态；若使流动保持
为层流，最大流速是多少？
解: (1)水的流动雷诺数 所以流动为紊流流态。
vd 0.50.1
R e1
2792 30 30
1.7 91 06
保持层流的最大流速是临界流速:
vcRce d 1201 0 .70 0 .9 1 1 6 00.03m 58 /s
(所2以)油流的动流为动层雷流诺流数态。R eV2d 30.5 0 10. 01 616 727000
油流动保持为层流的最大流速：
vcRced2200 30 h 0 0.1 1 0 60.6m/s
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第二节 层流和紊流、雷诺数
一、雷诺实验
1883年英国物理学家雷诺在与 图4-2类似的装置上进行了实验。 试验时，水箱A内水位保持不变， 阀门C用于调节流量．容器D内 盛有容重与水相近的颜色水，经 细管E流入玻璃管，阀门F用于控 制颜色水流量。
当管B内流速较小时，管内颜色水成一股细直的流束，这表明各液 层间毫不相混。这种分层有规则的流动状态称为层流。当阀门F逐 渐开大流速增加到某一临界流速时，颜色水出现摆动，继续增大流 速，则颜色水迅速与周围清水相混，这表明液体质点的运动轨迹是 极不规则的，各部分流体互相剧烈h掺混．这种流动状态称为紊流。 8
3、临界雷诺数 雷诺数 Re vd vd
Recr 232—0 —下临界雷诺数
Recr 1380—0 —上临界雷诺数
层 流： ReRecr 不稳定流： RcerR eRecr 紊 流： ReRecr
工程上常用的圆管临界雷诺数
Recr 2000 层 流： Re2000 紊 流： Re2000
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紊流
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§层流、紊流和雷诺数
二、沿程损失与流动状态
实验装置
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§层流、紊流和雷诺数
实验结果
层流： hf v1.0
紊流： hf v1.75~2.0
结论： 沿程损失与流动状态有关，故
计算各种流体通道的沿程损失，必 须首先判别流体的流动状态。
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§层流、紊流和雷诺数
三、流态的判别准则—临界雷诺数