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1、会计学1流体力学流体力学 流动流动(lidng)阻力和水头损失阻力和水头损失新新第一页，共176页。第六章第六章 流动阻力流动阻力(zl)(zl)和水头损和水头损失失6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式水头损失的两种形式水头损失的两种形式 6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 雷诺实验雷诺实验雷诺实验雷诺实验 流态的判别流态的判别流态的判别流态的判别 紊流的成因紊流的成因紊流的成因紊流的成因 6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流圆管中的层流圆管中的层流 沿程损失与切应力的关系沿程损失与切应力的关系沿程损失与切应力的关系沿程
2、损失与切应力的关系 沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式6-4 6-4 层流向紊流的过渡层流向紊流的过渡层流向紊流的过渡层流向紊流的过渡6-5 6-5 紊流的流速分布紊流的流速分布紊流的流速分布紊流的流速分布 紊流切应力紊流切应力紊流切应力紊流切应力 混合长度假说混合长度假说混合长度假说混合长度假说(ji(ji shu)shu)圆管紊流的断面圆管紊流的断面圆管紊流的断面圆管紊流的断面流速分布流速分布流速分布流速分布 6-6 6-6 圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数6-7 6-7 沿程损失系数的实验研究沿
3、程损失系数的实验研究沿程损失系数的实验研究沿程损失系数的实验研究 尼古拉兹实验尼古拉兹实验尼古拉兹实验尼古拉兹实验 莫迪图莫迪图莫迪图莫迪图6-8 6-8 局部水头损失局部水头损失局部水头损失局部水头损失 局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数第1页/共176页第二页，共176页。6-1 6-1 水头水头(shutu)(shutu)损失的两种形式损失的两种形式 沿程水头沿程水头(shutu)(shutu)损失和局部水头损失和局部水头(shutu)(shutu
4、)损失损失 工程上水头工程上水头(shutu)损失分为：沿程水头损失分为：沿程水头(shutu)损损失和局部水头失和局部水头(shutu)损失损失。总水头总水头(shutu)水头损失水头损失局部损失局部损失沿程损失沿程损失第2页/共176页第三页，共176页。沿程阻力：在长直管道或长直明渠中沿程阻力：在长直管道或长直明渠中,流动为均匀流流动为均匀流或渐变流或渐变流,流动阻力中只包括与流程流动阻力中只包括与流程(lichng)的长短有关的长短有关的摩擦阻力的摩擦阻力-沿程阻力。沿程阻力。局部阻力：在流道发生突变的局部区域局部阻力：在流道发生突变的局部区域,流动属流动属于变化较剧烈于变化较剧烈(j
5、li)的急变流的急变流,流动结构急剧调整流动结构急剧调整,流速大小流速大小,方向迅速改变方向迅速改变,往往拌有流动分离和旋涡运往往拌有流动分离和旋涡运动动,流体内部摩擦作用增大流体内部摩擦作用增大,称这种流动阻力称这种流动阻力-局部阻力。局部阻力。6-1 6-1 水头损失水头损失(snsh)(snsh)的两种形式的两种形式局部损失局部损失沿程损失沿程损失第3页/共176页第四页，共176页。沿程水头沿程水头(shutu)(shutu)损失损失hfhf hf s 在平直的固体边界水道中，单位重量的液体从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。一个断面流至另一个
6、断面的机械能损失。这种水头这种水头(shutu)损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头(shutu)损失。损失。6-1 6-1 水头损失水头损失(snsh)(snsh)的两种的两种形式形式第4页/共176页第五页，共176页。局部水头局部水头(shutu)(shutu)损失损失hjhj用圆柱体绕流说明用圆柱体绕流说明(shumng)(shumng)局部水头损失局部水头损失hj hj 6-1 6-1 水头水头(shutu)(shutu)损失的两种形式损失的两种形式第5页/共176页第六页，共176页。分析通过分析通过(tnggu)圆心的一条流线（图中红线所圆心的
7、一条流线（图中红线所示）示）6-1 6-1 水头水头(shutu)(shutu)损失的两种形损失的两种形式式第6页/共176页第七页，共176页。通过圆心通过圆心(yunxn)(yunxn)的的一条流线一条流线 6-1 6-1 水头水头(shutu)(shutu)损失的两种形式损失的两种形式第7页/共176页第八页，共176页。液体质点流向圆柱体时，流线间距逐渐增大，流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。速逐渐降低，由能量方程可知，压强必然逐渐增加。第8页/共176页第九页，共176页。存在驻点：存在驻点：当液体质点流至当液体质点流至A A点
8、，流速降为零，动能转化为压能，使其增点，流速降为零，动能转化为压能，使其增加到最大。加到最大。A A点称驻点（毕托管测速原理）。点称驻点（毕托管测速原理）。A驻点驻点第9页/共176页第十页，共176页。A 液体质点到达驻点，停滞不前，以后继续流来的液体质点到达驻点，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。质点就要改变原有流动方向，沿圆柱体两侧继续流动。第10页/共176页第十一页，共176页。AC理想理想(lxing)(lxing)液液体体分析分析(fnx)沿柱面两侧边壁附近的流动沿柱面两侧边壁附近的流动液体质点运动液体质点运动液体质点运动液体质点运动 A A
9、C C 动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压）压能减少压能减少压能减少压能减少压能的减少部分转化为动能压能的减少部分转化为动能压能的减少部分转化为动能压能的减少部分转化为动能 第11页/共176页第十二页，共176页。ACBC 液体质点运动液体质点运动液体质点运动液体质点运动 C CB B 动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散）压能增加压能增加压能增加压能增加 减少的动能完全转化为压能。减少的动能完全转化为压能。减少的动能完全转化为压能。减少的动能完全转化为压能。第12页/共176页第十三页，共176页。ACB
10、C液体质点运动液体质点运动液体质点运动液体质点运动 C C C CB B B B 动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散）压能增加压能增加压能增加压能增加 减少的动能完全补充为压能。减少的动能完全补充为压能。减少的动能完全补充为压能。减少的动能完全补充为压能。液体质点运动液体质点运动液体质点运动液体质点运动 A A A AC C C C 动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压）压能减少压能减少压能减少压能减少减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能第13页/共176页第十四页
11、，共176页。ACBC 由于由于(yuy)(yuy)液体绕流运动无能量损失，因此，液体从液体绕流运动无能量损失，因此，液体从A AB B 时，时，A A和和B B点的流速和压强相同。其他流线情况类似。点的流速和压强相同。其他流线情况类似。液体质点运动液体质点运动液体质点运动液体质点运动 C C C C B B B B动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散）压能增加压能增加压能增加压能增加 减少的动能完全补充为压能。减少的动能完全补充为压能。减少的动能完全补充为压能。减少的动能完全补充为压能。液体质点运动液体质点运动液体质点运动液体质点运动 A A A A
12、C C C C 动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压）压能减少压能减少压能减少压能减少减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能 第14页/共176页第十五页，共176页。实际液体绕圆柱流动实际液体绕圆柱流动 ACBC液体质点运动液体质点运动液体质点运动液体质点运动 A AC C 动能增加动能增加动能增加动能增加 压能减少压能减少压能减少压能减少减少的压能转化为动能减少的压能转化为动能减少的压能转化为动能减少的压能转化为动能并用于克服能量损失并用于克服能量损失并用于克服能量损失并用于克服能量损失 第15页/共176
13、页第十六页，共176页。ACBC液体质点运动液体质点运动液体质点运动液体质点运动 C C B B动能减少动能减少动能减少动能减少 压能增加压能增加压能增加压能增加减少的动能转化为压能减少的动能转化为压能减少的动能转化为压能减少的动能转化为压能并用于克服能量损失并用于克服能量损失并用于克服能量损失并用于克服能量损失 第16页/共176页第十七页，共176页。ACBC形成分离点：形成分离点：D 近壁液体从近壁液体从C-BC-B运动时，液体的动能一部分用于克服摩擦阻力，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另一部分用于转化为压能。因此，液体
14、没有足够动能完全恢复为压能（理想液体全部恢复）。在柱面某一位置压能（理想液体全部恢复）。在柱面某一位置(wi zhi)(wi zhi)，例如，例如 D D 处，流速降低为零，不再继续下行。处，流速降低为零，不再继续下行。第17页/共176页第十八页，共176页。ACBC形成分离点：形成分离点：D D 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(zhli)(zhli)脱离了圆柱面，形成分离点。脱离了圆柱面，形成分离点。第18页/共176页第十九页，共176页。ACBCD 沿圆柱面，分离点下游压强沿圆柱面，分离点下游压强(yq
15、ing)(yqing)大于分离处压强大于分离处压强(yqing)(yqing)，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。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。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。分离点后形成分离点后形成(xngchng)漩涡区漩涡区第19页/共176页第二十页，共176页。ACBCD 沿圆柱面，分离沿圆柱面，分离(fnl)(fnl)点下游压强大于分离点下游压强大于分离(fnl)(fnl)处处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流
16、所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。消失。分离点后形成分离点后形成(xngchng)漩涡区漩涡区漩涡漩涡(xun w)区区第20页/共176页第二十一页，共176页。ACBCD 沿圆柱面，分离点下游压强沿圆柱面，分离点下游压强(yqing)(yqing)大于分离处压强大于分离处压强(yqing)(yqing)，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出，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。消
17、失。分离点后形成分离点后形成(xngchng)漩涡区漩涡区漩涡漩涡(xun w)区区第21页/共176页第二十二页，共176页。ACBCD漩涡漩涡(xun w)区区 漩涡体形成漩涡体形成(xngchng)(xngchng)、运转和、运转和分裂分裂漩涡漩涡(xun w)区中产生了较大的能区中产生了较大的能量损失量损失第22页/共176页第二十三页，共176页。ACBCD 流速分布急剧流速分布急剧(jj)(jj)变化变化漩涡区中产生了较大漩涡区中产生了较大(jio d)的能的能量损失量损失第23页/共176页第二十四页，共176页。ACBCD漩涡区中产生了较大的能量漩涡区中产生了较大的能量(nng
18、ling)损失损失 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。量损失。这种能量损失产生在局部这种能量损失产生在局部(jb)(jb)范围之内，叫做局部范围之内，叫做局部(jb)(jb)水头损失水头损失hj hj。第24页/共176页第二十五页，共176页。当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局部障当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得碍，液体产生漩涡，使得(sh de)液体在局部范围内产生了较大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。的能
19、量损失，这种能量损失称作局部水头损失。局部局部(jb)水头损水头损失：失：6-1 6-1 水头损失水头损失(snsh)(snsh)的两种的两种形式形式第25页/共176页第二十六页，共176页。突然管道突然管道(gundo)缩小：缩小：漩涡区漩涡区6-1 6-1 水头水头(shutu)(shutu)损失的两种形式损失的两种形式第26页/共176页第二十七页，共176页。管道中的闸门局部开启管道中的闸门局部开启漩涡区漩涡区6-1 6-1 水头水头(shutu)(shutu)损失的两种损失的两种形式形式第27页/共176页第二十八页，共176页。弯道转弯弯道转弯漩涡区漩涡区6-1 6-1 水头水头
20、(shutu)(shutu)损失的两种形式损失的两种形式第28页/共176页第二十九页，共176页。产生漩涡产生漩涡(xun w)的局部范围的局部范围局部水头局部水头(shutu)损失损失沿程水头沿程水头(shutu)(shutu)损失损失 hf s发生发生边界边界 平直的固体边界水道中平直的固体边界水道中大小大小 与漩涡尺度、强度与漩涡尺度、强度,边界形边界形 状等因素相关状等因素相关耗耗能方式能方式通过液体粘性将其能量耗散通过液体粘性将其能量耗散外在外在原因原因 液体运动的摩擦阻力液体运动的摩擦阻力 边界层分离或形状阻力边界层分离或形状阻力第29页/共176页第三十页，共176页。达西公式
21、达西公式(gngsh)：18031858圆管水流圆管水流(shuli)的的沿程损失沿程损失 沿程损失沿程损失(snsh)系数，与流动特性以及管壁的粗糙度有系数，与流动特性以及管壁的粗糙度有关。关。非圆管水流的沿非圆管水流的沿程损失程损失R是管道的水力半径水力半径，其值等于过流断面的面积A与湿周的比值。6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式第30页/共176页第三十一页，共176页。局部局部(jb)损失损失: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(yj)边界层分离而产生的损失。如果管道如果管道(gundo)由若干管段组成：由若
22、干管段组成：6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式第31页/共176页第三十二页，共176页。11s22334455ipi/v0hwiH0 总水头总水头(shutu)(shutu)线线测压管水头测压管水头(shutu)线线v022gH第32页/共176页第三十三页，共176页。第六章第六章 流动阻力和水头流动阻力和水头(shutu)(shutu)损损失失6-1 6-1 水头水头水头水头(shu(shu tu)tu)损失的两种形式损失的两种形式损失的两种形式损失的两种形式 6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 雷诺实验雷诺实验雷诺
23、实验雷诺实验 流态的判别流态的判别流态的判别流态的判别 紊流的成因紊流的成因紊流的成因紊流的成因 6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流圆管中的层流圆管中的层流 沿程损失与切应力的关系沿程损失与切应力的关系沿程损失与切应力的关系沿程损失与切应力的关系 沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式6-4 6-4 层流向紊流的过渡层流向紊流的过渡层流向紊流的过渡层流向紊流的过渡6-5 6-5 紊流的流速分布紊流的流速分布紊流的流速分布紊流的流速分布 紊流切应力紊流切应力紊流切应力紊流切应力 混合长度假说混合长度假说混合长度假说混合长度假说 圆管紊流的断面流速分布圆管紊
24、流的断面流速分布圆管紊流的断面流速分布圆管紊流的断面流速分布 6-6 6-6 圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数6-7 6-7 沿程损失系数的实验研究沿程损失系数的实验研究沿程损失系数的实验研究沿程损失系数的实验研究 尼古拉兹实验尼古拉兹实验尼古拉兹实验尼古拉兹实验 莫迪图莫迪图莫迪图莫迪图6-8 6-8 局部水头局部水头局部水头局部水头(shu(shu tu)tu)损失损失损失损失 局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部损失产生的原因截面突然
25、扩大的局部损失系数第33页/共176页第三十四页，共176页。雷诺：雷诺：O.Osborne Reynolds(1842O.Osborne Reynolds(18421912)1912)英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家 1867 1867年年-剑桥大学王后学院毕业剑桥大学王后学院毕业 1868 1868年年-曼彻斯特欧文曼彻斯特欧文(u wn)(u wn)学院工程学教授学院工程学教授 1877 1877年年-皇家学会会员皇家学会会员 1888 1888年年-获皇家勋章获皇家勋章 1905 1905年年-因健康原因退休因健康原因退休 雷诺(
26、O.Reynolds)实验(shyn)6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第34页/共176页第三十五页，共176页。雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近7070篇论文都有很深远的篇论文都有很深远的影响影响(yngxing)(yngxing)。论文内容包括。论文内容包括 力学力学 热力学热力学 电学电学 航空学航空学 蒸汽机特性等蒸汽机特性等 雷诺(O.Reynolds)实验(shyn)6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第35页/共176页第三十六页，共176页。在流体力学方面最重要的贡献：在流体力学方面最重要的贡献：l 1883188
27、3年年 发现液流两种流态：发现液流两种流态：层流和紊流，提出以雷诺数判别层流和紊流，提出以雷诺数判别流态。流态。l 18831883年年 发现流动相似律发现流动相似律 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,只要雷诺数相同只要雷诺数相同,则流动是动力相似。则流动是动力相似。雷诺(O.Reynolds)实验(shyn)6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第36页/共176页第三十七页，共176页。实际液体运动中存在两种不同型态：实际液体运动中存在两种不同型态：层流层流(cn li)和紊流和紊流 不同型态的液流，水头损失
28、规律不同不同型态的液流，水头损失规律不同 雷诺实验雷诺实验(shyn)(shyn)揭示出揭示出 雷诺(O.Reynolds)实验(shyn)6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第37页/共176页第三十八页，共176页。雷诺试验装置雷诺试验装置 颜色水颜色水hfl 雷诺(O.Reynolds)实验(shyn)6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第38页/共176页第三十九页，共176页。颜色水颜色水hfl打开下游阀门，保持水箱水位稳定打开下游阀门，保持水箱水位稳定 雷诺(O.Reynolds)实验(shyn)6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第
29、39页/共176页第四十页，共176页。颜色水颜色水hfl再打开颜色水开关，则红色水流入管道再打开颜色水开关，则红色水流入管道层流：红色水液层有条不紊层流：红色水液层有条不紊(yu tio b wn)(yu tio b wn)地运动，地运动，红色水和管道中液体水相互不混掺（实验）红色水和管道中液体水相互不混掺（实验）雷诺(O.Reynolds)实验(shyn)6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第40页/共176页第四十一页，共176页。颜色水颜色水hfl下游阀门再打开一点，管道中流速增大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，出现波形轮廓红色水开始颤动并弯曲，
30、出现波形轮廓第41页/共176页第四十二页，共176页。红颜色水射出后，完全破裂，形成漩涡，扩散至全管，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。使管中水流变成红色水。这一现象表明：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。液体质点运动中会形成涡体，各涡体相互混掺。颜色水颜色水hfl下游阀门再打开一点，管中流速继续增大下游阀门再打开一点，管中流速继续增大 雷诺(O.Reynolds)实验(shyn)6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第42页/共176页第四十三页，共176页。颜色颜色(yns)水水hfl层流：流速较小时，各流层的液体质
31、点层流：流速较小时，各流层的液体质点(zhdin)(zhdin)有条不紊运动，有条不紊运动，相互之间互不混杂。相互之间互不混杂。第43页/共176页第四十四页，共176页。颜色水颜色水hfl紊流：紊流：当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，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。（在流动过程中，互相混杂。（紊流实验紊流实验）第44页/共176页第四十五页，共176页。实验时，结合观察红颜色水的流动，量测两测实验时，结合观察红颜色水的流动，量测两测压管中的高差以及相应流量，建立水头损失压管中的高差以及相应流量，建立水头损失h hf f 和管和管中流速中流速v v的试验关
32、系，并点汇于双对数坐标纸上。的试验关系，并点汇于双对数坐标纸上。颜色水颜色水hfl第45页/共176页第四十六页，共176页。颜色水颜色水hfl 试验按照两种顺序进行试验按照两种顺序进行:(1)流量增大流量增大 （2）流量减小流量减小 试验结果如下图所示。试验结果如下图所示。第46页/共176页第四十七页，共176页。雷诺(O.Reynolds)实验(shyn)水金属网排水进水玻璃管节门有色液体层流层流:分层流动分层流动；有条不紊；有条不紊；互不掺混互不掺混紊流紊流(湍流湍流):杂乱无章杂乱无章(z lun w zhng)；相互掺混相互掺混；涡旋紊乱涡旋紊乱6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘
33、性流体的两种流态层流层流(cn li)与紊流的概与紊流的概念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Reynolds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。第47页/共176页第四十八页，共176页。f层流区lghwlgV紊流区过渡区bcdealgVelgVe流态的判别流态的判别(pnbi)-雷诺数雷诺数下临界速度下临界速度Vc:由紊流转变为层流时管内断面平均流速；由紊流转变为层流时管内断面平均流速；上临界速度上临界速度Ve:由层流转变为紊流时的断面平均流速。由层流转变为紊流时的断面平均流速。一般一般(ybn)是固定的，而上临
34、界速度是固定的，而上临界速度Ve则是不固定的，试水流受外界的干扰情况而定。则是不固定的，试水流受外界的干扰情况而定。6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态下临界下临界(ln ji)速度速度Vc ；上临界；上临界(ln ji)速度速度Vc第48页/共176页第四十九页，共176页。f层流区lghwlgV紊流区过渡区bcdealgVelgVe流态的判别流态的判别(pnbi)-雷诺数雷诺数实验实验(shyn)结果：结果：下临界下临界(ln ji)速度速度Ve ；上临界；上临界(ln ji)速度速度Ve6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第49页/共176页第五十页，共1
35、76页。引入水力学半径(bnjng)概念(R),A为过流断面面积为湿周即断面上因固体边缘与流体相接触的周长。f层流区lghwlgV紊流区过渡区bcdealgVelgVe实验实验(shyn)结果：结果：ab段：段：流速(li s)很小，属于层流。ef段：段：流速较大，属于紊流。bce段：段：层流和紊流相互转化的过渡区。(不稳定区域)6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第50页/共176页第五十一页，共176页。管流：管流：Re 2300（有时（有时(yush)用用2000）,流态属紊流流态属紊流。不论其管径的大小和流速的快慢、流体性质如何，流态的形态不论其管径的大小和流速的快慢、
36、流体性质如何，流态的形态均为层流。均为层流。明渠明渠(mn q)流：流：Re500,流态属紊流。流态属紊流。6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第51页/共176页第五十二页，共176页。紊流的成因紊流的成因:层流层流 紊流紊流 转捩转捩(zhun li)（读（读lie转折点）转折点）扰动扰动 雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义:(1)流态转捩的判别流态转捩的判别(pnbi)准则准则 (2)惯性力与粘性力之比惯性力与粘性力之比惯性力粘性力6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第52页/共176页第五十三页，共176页。雷诺数较小，反映出流体受粘滞作用控制，对流体的质
37、点运雷诺数较小，反映出流体受粘滞作用控制，对流体的质点运动起着约束作用，因此当雷诺数小到一定程度时，质点呈有秩序的动起着约束作用，因此当雷诺数小到一定程度时，质点呈有秩序的线状运动，互不掺混，也即呈层流形态。线状运动，互不掺混，也即呈层流形态。当流动的雷诺数逐渐加大时，说明惯性力增大，粘滞作用则当流动的雷诺数逐渐加大时，说明惯性力增大，粘滞作用则随之减小，当这种作用减弱到一定程度时，层流失去了稳定，又由随之减小，当这种作用减弱到一定程度时，层流失去了稳定，又由于各种外界因素，如边界的高低不平，流体质点离开了线状运动，于各种外界因素，如边界的高低不平，流体质点离开了线状运动，因粘滞性不再能控制这
38、种扰动，而惯性作用则微小扰动不断发展因粘滞性不再能控制这种扰动，而惯性作用则微小扰动不断发展(fzhn)扩大，形成了紊流形态。扩大，形成了紊流形态。6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第53页/共176页第五十四页，共176页。例1 水=1.7910-6m2/s,油=30 10-6m2/s,若它们以V=0.5m/s的流速在直径为 d=100mm的圆管中流动(lidng),试确定其流动(lidng)形态。解:水的流动(lidng)雷诺数流动(lidng)为紊流状态油的流动雷诺数所以流动为层流流态6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第54页/共176页第五十五页，共
39、176页。例2 运动(yndng)粘度=1.310-5m2/s 的空气在宽 B=1m,高H=1.5m的矩形截面通风管道中流动,求保持层流流态的最大流速。解:保持层流的最大流速(li s)即是临界流速(li s)6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第55页/共176页第五十六页，共176页。例3 以下是流态为层流(cn li)时,hf与速度V的实测值:试用最小二乘法(chngf)求 logV-loghf 的斜率。V(m/s)V(m/s)0.1020.1020.1280.1280.4160.4160.1680.1680.1870.187h hf f(m)(m)1010-3-31.2
40、1.2 1010-3-31.41.4 1010-3-31.61.6 1010-3-31.91.9 1010-3-36-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第56页/共176页第五十七页，共176页。log(10V)log(10V)9 9 1010-3-3 0.10720.10720.16440.16440.22530.22530.27180.2718log(1000hlog(1000hf f)0 00.07920.07920.14610.14610.20410.20410.27880.2788解:设y=log(1000hf),x=log(10V),可用直线 y=a+bx 拟合(n
41、h)实验值,实验点数目n=5,偏差为:6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第57页/共176页第五十八页，共176页。求得其中(qzhng)其中n=5,代入有关(yugun)数值 斜率斜率(xil)近似为近似为1,流态属层流。流态属层流。6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态第58页/共176页第五十九页，共176页。第六章第六章 流动阻力流动阻力(zl)(zl)和水头损失和水头损失6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式水头损失的两种形式水头损失的两种形式 6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 雷诺
42、实验雷诺实验雷诺实验雷诺实验 流态的判别流态的判别流态的判别流态的判别 紊流的成因紊流的成因紊流的成因紊流的成因 6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流圆管中的层流圆管中的层流 沿程损失与切应力的关系沿程损失与切应力的关系沿程损失与切应力的关系沿程损失与切应力的关系 沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式6-4 6-4 层流向紊流的过渡层流向紊流的过渡层流向紊流的过渡层流向紊流的过渡6-5 6-5 紊流的流速分布紊流的流速分布紊流的流速分布紊流的流速分布(fnb)(fnb)紊流切应力紊流切应力紊流切应力紊流切应力 混合长度假说混合长度假说混合长度假说混合长度
43、假说 圆管紊流的断面流速分布圆管紊流的断面流速分布圆管紊流的断面流速分布圆管紊流的断面流速分布(fnb)(fnb)6-6 6-6 圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数6-7 6-7 沿程损失系数的实验研究沿程损失系数的实验研究沿程损失系数的实验研究沿程损失系数的实验研究 尼古拉兹实验尼古拉兹实验尼古拉兹实验尼古拉兹实验 莫迪图莫迪图莫迪图莫迪图6-8 6-8 局部水头损失局部水头损失局部水头损失局部水头损失 局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部
44、损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数第59页/共176页第六十页，共176页。p2p1L设流动(lidng)定常,充分发展,则结合结合(jih)达西公达西公式：式：6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流(cn(cn li)li)背景知识背景知识：石油输运管道内的流动，机械润滑系统内的流动等。平衡方程R=d/2时伯努利方程伯努利方程1.沿程水头损失与切应力的关系第60页/共176页第六十一页，共176页。p2p1Lv*称摩擦称摩擦(mc)速度速度,该式该式对层流与紊流均适用对层流与紊流均适用.定义定义(dngy)：称为：阻力速度（摩阻速度或动力速度）原因：与速度量纲相同，而又与边界(bin
45、ji)阻力相联系。6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流1.沿程水头损失与切应力的关系第61页/共176页第六十二页，共176页。利用(lyng)公式 对于对于(duy)层流层流2.圆管层流圆管层流(cn li)的流速分布的流速分布对r 积分边界条件：r00yx0drr 6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流第62页/共176页第六十三页，共176页。所以所以(suy)利用利用(lyng)速速度分布：度分布：断面断面(dun min)平均平均速度：速度：动能修正系数动能修正系数动量修正系数动量修正系数两者的数值均大于1，说明流速分布很不均匀。r00yx0drr2.圆管层流的流速分布圆管层流
46、的流速分布 6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流第63页/共176页第六十四页，共176页。结合结合(jih)达达西公式西公式非圆形截面非圆形截面(jimin)管流的达西管流的达西公式为：公式为：3.圆管层流的沿程水头圆管层流的沿程水头(shutu)损失损失 6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流第64页/共176页第六十五页，共176页。例4:d=100mm,L=16km,油在油管中流动,油=915kg/m3,运动粘性系数=1.8610-4m2/s,求每小时(xiosh)通过 50t 油所需要的功率。解:3.圆管层流的沿程水头圆管层流的沿程水头(shutu)损失损失 6-3 6-3 圆
47、管中的层流圆管中的层流(cn li)(cn li)第65页/共176页第六十六页，共176页。第六章第六章 流动流动(lidng)(lidng)阻力和水头损阻力和水头损失失6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式水头损失的两种形式水头损失的两种形式 6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 雷诺实验雷诺实验雷诺实验雷诺实验 流态的判别流态的判别流态的判别流态的判别 紊流的成因紊流的成因紊流的成因紊流的成因 6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流圆管中的层流圆管中的层流(cn(cn li)li)沿程损失与切应力的关系沿程损失与切应力的
48、关系沿程损失与切应力的关系沿程损失与切应力的关系 沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式沿程损失的通用公式6-4 6-4 明渠中的层流明渠中的层流明渠中的层流明渠中的层流(cn(cn li)li)6-5 6-5 紊流的流速分布紊流的流速分布紊流的流速分布紊流的流速分布 紊流切应力紊流切应力紊流切应力紊流切应力 混合长度假说混合长度假说混合长度假说混合长度假说 圆管紊流的断面流速分布圆管紊流的断面流速分布圆管紊流的断面流速分布圆管紊流的断面流速分布 6-6 6-6 圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数圆管紊流的沿程损失系数6-7 6-7 沿程损失系数
49、的实验研究沿程损失系数的实验研究沿程损失系数的实验研究沿程损失系数的实验研究 尼古拉兹实验尼古拉兹实验尼古拉兹实验尼古拉兹实验 莫迪图莫迪图莫迪图莫迪图6-8 6-8 局部水头损失局部水头损失局部水头损失局部水头损失 局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数局部损失产生的原因截面突然扩大的局部损失系数第66页/共176页第六十七页，共176页。6-4 6-4 明渠明渠(mn q)(mn q)中的层流中的层流设流动(lidng)充分发展,则有gyppxh1.沿程阻力沿程阻力(zl)与切应力之间的关与切应力
50、之间的关系系平衡方程平衡方程积分，求u第67页/共176页第六十八页，共176页。gyppxh积分(jfn)得:边界条件:有C1=-h C2=06-4 6-4 明渠明渠(mn q)(mn q)中的层流中的层流1.沿程阻力与切应力沿程阻力与切应力(yngl)之间之间的关系的关系第68页/共176页第六十九页，共176页。gyppxh单位(dnwi)宽度体积流量为:6-4 6-4 6-4 6-4 明渠明渠明渠明渠(mn q)(mn q)(mn q)(mn q)中的层流中的层流中的层流中的层流1.沿程阻力沿程阻力(zl)与切应力之间的与切应力之间的关系关系第69页/共176页第七十页，共176页。对