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1、6层流、紊流及水头损失层流、紊流及水头损失主要内容：水头损失的物理概念及其分类；沿程水头损失与切应力的关系；液体运动的两种流态；圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算；紊流特征；沿程阻力系数的变更规律；计算沿程水头损失的阅历公式谢才公式；局部水头损失。粘滞性相对运动物理性质固体边界产生水流阻力损耗机械能hw水头损失的物理概念及其分类水头损失的物理概念及其分类水头损失的分类水头损失的分类沿程水头损失hf局部水头损失hj某一流段的总水头损失：各分段的沿程水头损失的总和各种局部水头损失的总和水头损失水头损失因实际液体具有粘性，在流淌过程因实际液体具有粘性，在流淌过程中产生水流阻力，克服阻力就要耗损一
2、部分机械能，中产生水流阻力，克服阻力就要耗损一部分机械能，转化为热能，造成水头损失。水头损失与液体的物转化为热能，造成水头损失。水头损失与液体的物理特性和边界特征均有亲密的关系。理特性和边界特征均有亲密的关系。实际液体实际液体志向液体志向液体 实际液体断面上流速分布不匀整，相邻两流层间流层有相对运动，产生内摩擦切应力，流淌过程中要克服这种阻力就要做功，做功就要耗损一部分机械能，转化为热能耗散。产生水头损失必需具备的条件：1、液体具有粘性；2、由于固体边界的影响，液流内部质点之间产生相对运动。6.1粘性流体运动的两种形粘性流体运动的两种形 6.1.1雷诺试验雷诺试验hf颜色水颜色水颜色水颜色水
3、6.1.1雷诺试验雷诺试验lglghfO流速由小至大流速由大至小12颜色水颜色水颜色水 雷诺数雷诺数 c常数，视水流的边界条件而定。常数，与水流的边界条件和受外界干 扰有关。圆管 非圆管 物理意义：沿程水头损失与流速的关沿程水头损失与流速的关系系层流：层流：m1=1.0，hf=k1，即沿 程 水头损失与流速的一次 方成正比。紊流：紊流：m2=1.752.0，hf=k2 1.752.0，即沿程水头损失hf与流速的1.752.0 次方成正比。6.2 圆管中的层流圆管中的层流 水头损失的分类水头损失的分类水头损失=气体管道一、沿程水头损失一、沿程水头损失二、局部水头损失二、局部水头损失6.2.2匀整
4、流沿程水头损失与切应力的关系匀整流沿程水头损失与切应力的关系一、匀整流淌方程一、匀整流淌方程动量方程 F=Q(2-1)=0 F=P1-P2+Gsin-T=0 p1A1-p2A2+ALsin-L0=0 流股 p1A1-p2A2+A -L0=0 =能量方程 =hf hf=二、圆管过流断面上的切应力分布二、圆管过流断面上的切应力分布 各流层之间 流束的水力半径 管流 R=d/4=r0/2 r0圆管半径 切应力线性分布。三、阻力流速三、阻力流速6.2.3圆管层流的断面流速分布圆管层流的断面流速分布一、一、圆管中的匀整层流圆管中的匀整层流 二、流速分布 rur0每一圆筒层表面的切应力：另依均匀流沿程水头
5、损失与切应的关系式有：所以有积分整理得当r=r0时，u=0，代入上式得层流流速分布为抛物型流速分布 沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算 6.3 6.3 紊流基本理论紊流基本理论 6.3.1 6.3.1 紊流的特征紊流的特征 紊流的特征：许很多多大小不等的涡体相互混掺紊流的特征：许很多多大小不等的涡体相互混掺着前进，它们的位置、形态、流速时刻不断地变更着前进，它们的位置、形态、流速时刻不断地变更着。着。运动要素的脉动：当一系列参差不齐的涡体连续运动要素的脉动：当一系列参差不齐的涡体连续通过紊流中某确定点时，必定反映出该点上的瞬时通过紊流中某确定点时，必定反映出该点上的瞬时运动要素（流速、压强）
6、随时间发生波动的现象，运动要素（流速、压强）随时间发生波动的现象，这种现象就叫运动要素的脉动。这种现象就叫运动要素的脉动。紊流特征：紊流特征：二、运动要素的脉动现象二、运动要素的脉动现象瞬时运动要素（如流速、压强等）随时间发生波动的现象。三、紊流产生附加切应力三、紊流产生附加切应力由相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生的粘滞切应力纯粹由脉动流速所产生的附加切应力一、质点运动特征：一、质点运动特征：液体质点相互混掺、碰撞，杂乱无章地运动着。液体质点相互混掺、碰撞，杂乱无章地运动着。四、紊流粘性底层四、紊流粘性底层 在紊流中紧靠固体边界旁边，有一极薄的层流层，其中粘滞切应力起主导作用，而由脉动引
7、起的附加切应力很小，该层流叫做粘性底层。粘性底层虽然很薄，但对紊流的流淌有很大的影响。粘性底层虽然很薄，但对紊流的流淌有很大的影响。所以，粘性底层对紊流沿程阻力规律的探讨有重大意义。所以，粘性底层对紊流沿程阻力规律的探讨有重大意义。五、紊动使流速分布匀整化五、紊动使流速分布匀整化 紊流中由于液体质点相互混掺，相互碰撞，因而产生了液体内部各质点间的动量传递，动量大的质点将动量传给动量小的质点，动量小的质点影响动量大的质点，结果造成断面流速分布的匀整化。流速分布的指数公式：流速分布的指数公式：当Re105时，流速分布的对数公式：流速分布的对数公式：层流流速分布紊流流速分布A紊流6.3.2紊流的脉动
8、现象紊流的脉动现象tuxOtuxO或（时均）恒定流（时均）恒定流（时均）非恒定流（时均）非恒定流 瞬时流速u；时均流速 ；平均流速。同理，粘性底层粘性底层 粘性底层内：边界条件：紊流的粘性底层紊流的粘性底层粘性底层0紊流粘性底层厚度粘性底层厚度可见，可见，0随雷诺数的增加而减小。随雷诺数的增加而减小。当当Re较小时，较小时，水力光滑壁面水力光滑壁面当当Re较大时，较大时，00水力粗糙壁面水力粗糙壁面0过渡粗糙壁面过渡粗糙壁面紊流形成过程的分析紊流形成过程的分析选定流层流速分布曲线干扰FFFFFFFFFFFF升力涡 体紊流形成条件涡体的产生雷诺数达到确定的数值6.3.4混合长度理论混合长度理论1
9、、紊流的切应力、紊流的切应力 的推导的推导由动量方程可知：动量增量等于紊流附加切力T产生的冲量，即：由质量守恒定律得：由质量守恒定律得：符号相反。符号相反。2、半阅历理论（Prandtl L.）涡流粘度，是紊动质点间的动量传输的一种性质。不取决于流体粘性，而取决于流体状况及流体密度。紊流流速呈对数规律分布。6.4 圆管紊流的沿程水头损失圆管紊流的沿程水头损失 沿程阻力系数的影响因数沿程阻力系数的影响因数6.4.2尼古拉兹试验与紊流阻力分区尼古拉兹试验与紊流阻力分区一、一、尼古拉兹试验尼古拉兹试验层流时,=f(Re)=f(Re)=f(Re,/d)=f(,/d)圆管紊流的流淌分区：圆管紊流的流淌分
10、区：第1区层流区，=64/Re。第2区层流向紊流的过渡区，=f(Re)。第3区紊流水力光滑管区，Re4000,=f(Re)。第4区紊流过渡区，=f(Re,/d)。第5区水力粗糙管区或阻力平方区，=f(/d）。光滑区的分析光滑区的分析二、流速分布二、流速分布1、紊流光滑区2、阻力平方区2、粗糙区四、阻力区的判别四、阻力区的判别五、工业管道的五、工业管道的Colebrookgshi Colebrookgshi 公式公式穆穆迪迪图图六、沿程阻力系数的阅历公式六、沿程阻力系数的阅历公式1 1、BlasiusBlasius公式公式2、希弗林松公式（粗糙区）3、谢才公式七、非圆管的沿程损失七、非圆管的沿程
11、损失2、局部水头损失的影响因素二、几种典型的局部水头损失系数二、几种典型的局部水头损失系数1、突然放大6.5局部水头损失局部水头损失一、局部水头损失的一般分析一、局部水头损失的一般分析1、局部水头损失产生的缘由、局部水头损失产生的缘由动量方程有：通式 2、突然缩小管；3、渐扩管；4、渐缩管；5、弯管三、局部之间的相互干扰三、局部之间的相互干扰查表。1 1、边界层（、边界层（boundary layerboundary layer）：亦称附）：亦称附面层面层 雷诺数很大时，粘性小的流体（如空气或雷诺数很大时，粘性小的流体（如空气或水）沿水）沿固体壁面流淌（或固体在流体中运动）时壁面固体壁面流淌（
12、或固体在流体中运动）时壁面旁边旁边受粘性影响显著的薄流层。受粘性影响显著的薄流层。2、流场的求解可分为两个区进行、流场的求解可分为两个区进行边界层内流淌边界层内流淌必需计入流体的粘性影必需计入流体的粘性影响响可利用动量方程求得近似解。可利用动量方程求得近似解。边界层外流淌边界层外流淌视为志向流体流淌，可视为志向流体流淌，可按按势流求解。势流求解。6.6 边界层概念和绕流阻力边界层概念和绕流阻力 边界层概念边界层概念1、边界层的描述、边界层的描述普兰特把贴近于平板边界存在较大切应力普兰特把贴近于平板边界存在较大切应力，粘性影响不能忽视的薄层，粘性影响不能忽视的薄层称为边界层。称为边界层。U U
13、U 粘性底层粘性底层层流边界层层流边界层紊流边界层紊流边界层过渡过渡区区边界层界限边界层界限xcrxyUxUxx边界中的水流同样存在两种流态：层流和紊流。层流边界层和紊流边界层层流边界层和紊流边界层6.6.2边界层的厚度边界层的厚度边界层厚度边界层厚度（boundarylayerthickness）：）：自固体边界表面沿其外法线到纵向流速ux达到主流速U0的99%处，这段距离称为边界层厚度。边界层的厚度边界层的厚度顺流增大，即是x的函数。转捩点，临界雷诺数转捩点，临界雷诺数转捩点转捩点：在x=xcr处边界层由层流转变为紊流的过渡点。特点特点：临界雷诺数的大小与来流的脉动程度有关。临界雷诺数临界
14、雷诺数：临界雷诺数的范围临界雷诺数的范围：边界层厚度边界层厚度临界雷诺数并特殊量，而是与来流的扰动程度有关，假如来流受到临界雷诺数并特殊量，而是与来流的扰动程度有关，假如来流受到扰动，脉动强，流态的变更在较低的雷诺数就会发生。扰动，脉动强，流态的变更在较低的雷诺数就会发生。层流边界层（层流边界层（laminar boundary layerlaminar boundary layer）：当边界层厚度）：当边界层厚度d d较小时，边较小时，边界层内的流速梯度很大，粘滞应力的作用也很大，这时边界层内的流淌属于界层内的流速梯度很大，粘滞应力的作用也很大，这时边界层内的流淌属于层流，这种边界层称为层流
15、边界层。层流，这种边界层称为层流边界层。紊流边界层（紊流边界层（turbulence boundary layerturbulence boundary layer）：）：当雷诺数达到确定数当雷诺数达到确定数值时，边界层中的层流经过一个过渡区后转变为紊流，就成为紊流边界层。值时，边界层中的层流经过一个过渡区后转变为紊流，就成为紊流边界层。层流边界层与紊流边界层层流边界层与紊流边界层 在紊流边界层内，最紧靠平板的地方，dux/dy仍很大，粘滞力仍起主要作用，其流态仍为层流，所以紊流边界层内有一粘性底层。U U U 粘性底粘性底层层层流边界层层流边界层紊流边界层紊流边界层过渡过渡区区边界层界限边界
16、层界限xcrxyUxUxx边界层分别（边界层分别（separationofboundarylayer）：因压强沿流：因压强沿流动方向增高，边界层内流体从壁面离开的现象称边界层分别。动方向增高，边界层内流体从壁面离开的现象称边界层分别。若压强梯度保持为零时，即若压强梯度保持为零时，即dp/dx=0平板绕流的边界层分别平板绕流的边界层分别无论板有多长，都不会发生分别，这时边界层只会沿流向无论板有多长，都不会发生分别，这时边界层只会沿流向连续增厚。连续增厚。6.6.3边界层分别边界层分别边界层快速地增厚，压强的增大（流速减小）和阻力增大使边界层内动边界层快速地增厚，压强的增大（流速减小）和阻力增大使
17、边界层内动量减小，如两者共同作用在一足够长的距离，致使边界层内流体流淌停滞下量减小，如两者共同作用在一足够长的距离，致使边界层内流体流淌停滞下来，分别便由此而生，自分别点来，分别便由此而生，自分别点C起，边界流线必脱离边界，其下游近壁处起，边界流线必脱离边界，其下游近壁处形成回流（或涡旋），在分别点：形成回流（或涡旋），在分别点：dp/dx0若压强沿程增大，即p2p1或梯度 dp/dx02、尾流、尾流尾流：分别流线与物体边界所围的下游区域。尾流：分别流线与物体边界所围的下游区域。减小尾流的主要途径：使绕流体型尽可能流线型化。1、边界层内是否确定是层流？影响边界层内流态的主要因素有哪些？否，有层流、紊流边界层；粘性、流速、距离否，有层流、紊流边界层；粘性、流速、距离2、边界层分别是如何形成的？如何减小尾流的区域？、边界层分别是如何形成的？如何减小尾流的区域？因压强沿流淌方向增高，以及阻力的存在，使得边界层内动因压强沿流淌方向增高，以及阻力的存在，使得边界层内动量减小，而形成了边界层的分别。量减小，而形成了边界层的分别。使绕流体型尽可能流线型化，则可减小尾流的区域。使绕流体型尽可能流线型化，则可减小尾流的区域。边界层分别导致边界层分别导致 绕流阻力绕流阻力 阻力阻力D=D=摩擦阻力摩擦阻力Df+Df+压强阻力压强阻力DP DP 升力升力L(L(向上向上)