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1、会计学1流体力学流体力学(li t l xu)CH流动阻力与能量流动阻力与能量损失损失第一页，共100页。22.1沿程损失沿程损失(snsh)和局部损失和局部损失(snsh)归纳归纳造成流段损失的原因：造成流段损失的原因：内因：粘性和速度梯度；内因：粘性和速度梯度；外因：流场中边界形状发生剧烈变化，或有局部障碍。外因：流场中边界形状发生剧烈变化，或有局部障碍。若流体是理想流体，即使边界形状发生急剧若流体是理想流体，即使边界形状发生急剧(jj)(jj)变化，也变化，也只能只能是机械能的相互转化，不会造成流动损失。是机械能的相互转化，不会造成流动损失。总之，流体粘性是造成流动损失的根本原因。总之，
2、流体粘性是造成流动损失的根本原因。第1页/共100页第二页，共100页。3n n能量损失的表示及分类能量损失的表示及分类n n 有二种表示方法：有二种表示方法：n n 液体：单位重量流体的能量表示液体：单位重量流体的能量表示n n 符号符号hl hl ，因次，因次m m n n 气体：单位体积内流体的能量表示气体：单位体积内流体的能量表示n n 符号符号pl pl ，因次，因次PaPan n 按流动边界情况，分为按流动边界情况，分为(fn wi)(fn wi)沿程损失和局部损沿程损失和局部损失。失。2.12.1沿程损失沿程损失沿程损失沿程损失(snsh)(snsh)和局部损失和局部损失和局部损
3、失和局部损失(snsh)(snsh)第2页/共100页第三页，共100页。4n n（1）沿程损失hfn n据实验得出：沿程水头损失与管段长度、管径、n n流速、流体粘度、密度(md)以及管壁粗糙度等因素有n n关。2.12.1沿程损失沿程损失沿程损失沿程损失(snsh)(snsh)和局部损失和局部损失和局部损失和局部损失(snsh)(snsh)第3页/共100页第四页，共100页。5n n达西公式达西公式 沿程阻力系数（一般由实验沿程阻力系数（一般由实验(shyn)(shyn)确定）；确定）；管段长度；管段长度；管道直径；管道直径；重力加速度度；重力加速度度；水流平均流速。水流平均流速。ldg
4、 V18581858年，法国年，法国(f u)(f u)工程师达西（工程师达西（DarcyDarcy）在归纳总结）在归纳总结前人实验的基础上提出了圆管沿程损失的计算公式：前人实验的基础上提出了圆管沿程损失的计算公式：2.1沿程损失沿程损失(snsh)和局部损失和局部损失(snsh)第4页/共100页第五页，共100页。6n n2.12.1沿程损失沿程损失沿程损失沿程损失(snsh)(snsh)和局部损失和局部损失和局部损失和局部损失(snsh)(snsh)第5页/共100页第六页，共100页。7n n（2 2）局部）局部(jb)(jb)损失损失hjhjn n局部局部(jb)(jb)水头损失发生
5、在局部水头损失发生在局部(jb)(jb)区域，区域，与水流状态和水流与水流状态和水流n n断面的几何形状相关。断面的几何形状相关。局部阻力系数（通常由实验确定局部阻力系数（通常由实验确定(qudng)(qudng)）V V对应断面水流平均流速对应断面水流平均流速2.1沿程损失沿程损失(snsh)和局部损失和局部损失(snsh)第6页/共100页第七页，共100页。82.22.2层流层流层流层流(cn li)(cn li)与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数两种流态两种流态早在早在18301830年，研究人员发现沿程损失与流速有一定关系：年，研究人员发现沿程损失与流速有一定关
6、系：流速较小时流速较小时(xiosh)(xiosh)，水头损失和流速的一次方成比例；，水头损失和流速的一次方成比例；流速较达时，水头损失几乎和流速的平方成比例。流速较达时，水头损失几乎和流速的平方成比例。过了过了5050多年，英国实验物理学家雷诺研究发现，水头损失规律之不同，多年，英国实验物理学家雷诺研究发现，水头损失规律之不同，是由于粘性流体存在两种不同的流态是由于粘性流体存在两种不同的流态层流和湍流。层流和湍流。雷诺（雷诺（O.ReynoldsO.Reynolds，1842184219121912）于）于18831883年发表了年发表了一篇经典性论文：决定水流为直线或曲线运动一篇经典性论文
7、：决定水流为直线或曲线运动(q xin yn dn)(q xin yn dn)的条的条件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨第7页/共100页第八页，共100页。9层流层流(cn li)(cn li)和湍流和湍流雷诺实验(shyn)装置2.22.2层流层流层流层流(cn li)(cn li)与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数第8页/共100页第九页，共100页。10层流层流(cn li)(cn li)和湍流和湍流同一流体、同一管道同一流体、同一管道只因为流速只因为流速(li s)(li s)不同不同形成两种性质不同的流动状态。形成两种性质不同
8、的流动状态。2.22.2层流层流层流层流(cn li)(cn li)与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数第9页/共100页第十页，共100页。11层流和湍流层流和湍流层流：流体质点分层有规则地流动层流：流体质点分层有规则地流动(lidng)(lidng)，各层质点宏观上互，各层质点宏观上互不掺混的不掺混的 流动流动(lidng)(lidng)状态。状态。湍流：流体质点的运动轨迹极不规则，流体剧烈掺混的流动湍流：流体质点的运动轨迹极不规则，流体剧烈掺混的流动(lidng)(lidng)状态。状态。2.2层流层流(cn li)与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数第10页/共100页第十
9、一页，共100页。12层流层流(cn li)(cn li)和湍流和湍流“乱乱”说明流体质点除了沿管轴线的速度说明流体质点除了沿管轴线的速度(sd)(sd)以以 外，还有不规则的横向速度外，还有不规则的横向速度(sd)(sd)，结果把邻层流体，结果把邻层流体 质点搅和了。质点搅和了。2.22.2层流层流层流层流(cn li)(cn li)与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数第11页/共100页第十二页，共100页。132.2层流层流(cn li)与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数n nRekRek称为雷诺临界数，不随管径大小和流体物理性质称为雷诺临界数，不随管径大小和流体物理性质(
10、wl(wl xngzh)xngzh)而变化。而变化。n n Re2000 Re2000 Re2000湍流湍流n n第12页/共100页第十三页，共100页。142.22.2层流层流层流层流(cn li)(cn li)与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数与湍流、雷诺数n n强调：对于(duy)Re100000Re100000第80页/共100页第八十一页，共100页。822.72.7非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失(snsh)(snsh)n n水力半径水力半径n n基本思想：把非圆管设法折合成圆管来计算，通过建立非基本思想：把非圆管设法折合成圆管来计算，通过
11、建立非n n 圆管的当量直径来实现。圆管的当量直径来实现。n n希望找到一个量可以综合反映断面尺寸和几何形状对流动的影响。希望找到一个量可以综合反映断面尺寸和几何形状对流动的影响。对于非圆管流动以及明渠水流，采用水力半径作为特征长度对于非圆管流动以及明渠水流，采用水力半径作为特征长度(chngd)(chngd)。n nn n水力半径：过流断面面积水力半径：过流断面面积A A与湿周与湿周 之比。之比。n n湿周：过流断面上流体和固体壁面接触的周界。湿周：过流断面上流体和固体壁面接触的周界。湿周湿周第81页/共100页第八十二页，共100页。832.7非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失(snsh)n
12、 n水力半径水力半径n n水力半径水力半径R R作为特征长度，它综合反映了断面尺寸和几何形状对流动的影响作为特征长度，它综合反映了断面尺寸和几何形状对流动的影响(yngxing)(yngxing)。n nn n n n圆管的水力半径：圆管的水力半径：n n边长为边长为a,b a,b 的矩形：的矩形：n n边长为边长为a a正方形：正方形：第82页/共100页第八十三页，共100页。842.72.7非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失(snsh)(snsh)n n水力水力(shul)(shul)半径半径n n令非圆管的水力令非圆管的水力(shul)(shul)半径半径
13、R R和圆管的水力和圆管的水力(shul)(shul)半径半径d/4d/4相等，即得当量直径的相等，即得当量直径的n n计算公式：计算公式：de=4R de=4R n n n n即当量直径是水力即当量直径是水力(shul)(shul)半径的半径的4 4倍倍n nn n边长为边长为a,b a,b 的矩形：的矩形：n n边长为边长为a a正方形：正方形：第83页/共100页第八十四页，共100页。852.72.7非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失(snsh)(snsh)n n水力水力(shul)(shul)半径半径n n n n 以以dede计算计算(j(j sun)
14、sun)阻力阻力以以d de e判断流态判断流态非圆形截面的形状与圆形相差越小，用当量直径计算的可非圆形截面的形状与圆形相差越小，用当量直径计算的可靠性越大。靠性越大。第84页/共100页第八十五页，共100页。862.7非圆管的沿程损失非圆管的沿程损失(snsh)n n例题例题n n例例1 1：某：某400200mm400200mm钢板钢板(gngbn)(gngbn)风道长风道长80m80m，管内平均流速，管内平均流速n n V=10m/s V=10m/s。空气的温度为。空气的温度为2020，求压强损失。，求压强损失。n n例例2 2：充满流体的环形截面管道，：充满流体的环形截面管道，其内、
15、外环管径分别为其内、外环管径分别为d dn n 和和D D，则该环形截面管道，则该环形截面管道n n 的当量直径。的当量直径。第85页/共100页第八十六页，共100页。87例例3 3：排水管道，直径：排水管道，直径(zhjng)(zhjng)为为d d。求其水力半径和当量直径求其水力半径和当量直径(zhjng)(zhjng)。2.7非圆管的沿程损失(snsh)第86页/共100页第八十七页，共100页。882.8管道流动的局部管道流动的局部(jb)损失损失n n急变流中，过流断面急剧变化处发生的水头急变流中，过流断面急剧变化处发生的水头(shutu)(shutu)损失，损失，为局部为局部n
16、n水头水头(shutu)(shutu)损失。局部水头损失。局部水头(shutu)(shutu)损失：损失：n n层流的局部损失问题在暖通空调方面极少遇到，所以一般层流的局部损失问题在暖通空调方面极少遇到，所以一般n n主要研究湍流的局部损失。主要研究湍流的局部损失。局部损失局部损失(snsh)(snsh)一般分析一般分析第87页/共100页第八十八页，共100页。892.82.8管道管道管道管道(gundo)(gundo)流动的局部损失流动的局部损失流动的局部损失流动的局部损失第88页/共100页第八十九页，共100页。902.82.8管道管道管道管道(gundo)(gundo)流动的局部损失
17、流动的局部损失流动的局部损失流动的局部损失局部损失局部损失(snsh)(snsh)一般分析一般分析实验表明，局部水头损失系数主要取决于局部障碍形状、实验表明，局部水头损失系数主要取决于局部障碍形状、固体壁面的相对固体壁面的相对(xingdu)(xingdu)粗糙以及雷诺数。其中，局部粗糙以及雷诺数。其中，局部障碍形状起主导作用。障碍形状起主导作用。第89页/共100页第九十页，共100页。912.82.8管道流动管道流动管道流动管道流动(lidng)(lidng)的局部损失的局部损失的局部损失的局部损失局部损失局部损失(snsh)(snsh)一般分析一般分析沿程阻力和局部阻力的本质：沿程阻力和
18、局部阻力的本质：1 1、突露在湍流核心的每一个糙粒都是产生微小旋涡的根源，、突露在湍流核心的每一个糙粒都是产生微小旋涡的根源，可以看成是以个个微小的局部障碍。沿程阻力可以看成是无可以看成是以个个微小的局部障碍。沿程阻力可以看成是无数微小局部阻力之和，局部阻力可以看成是沿程阻力的局部数微小局部阻力之和，局部阻力可以看成是沿程阻力的局部扩大。扩大。2 2、从本质上看，沿程阻力和局部阻力都是由湍流的脉动、从本质上看，沿程阻力和局部阻力都是由湍流的脉动(midng)(midng)掺混作用引起的粘性阻力和惯性阻力造成的。掺混作用引起的粘性阻力和惯性阻力造成的。第90页/共100页第九十一页，共100页。
19、922.82.8管道管道管道管道(gundo)(gundo)流动的局部损失流动的局部损失流动的局部损失流动的局部损失n n变管径的局部损失变管径的局部损失n n根据根据1-11-1，2-22-2断面列能量方程断面列能量方程(fngchng)(fngchng)，n n两断面间的局部水头损失为：两断面间的局部水头损失为：n nn n根据两断面动量方程根据两断面动量方程(fngchng)(fngchng)，有：，有：第91页/共100页第九十二页，共100页。93n突然扩大(kud)的阻力系数为：变管径的局部变管径的局部(jb)(jb)损失损失2.82.8管道流动管道流动管道流动管道流动(lidng
20、)(lidng)的局部损失的局部损失的局部损失的局部损失第92页/共100页第九十三页，共100页。94n n突然突然(trn)(trn)缩小的阻力系数为：缩小的阻力系数为：变管径的局部变管径的局部(jb)(jb)损失损失2.82.8管道流动的局部管道流动的局部管道流动的局部管道流动的局部(jb)(jb)损失损失损失损失第93页/共100页第九十四页，共100页。95n n弯管的局部损失弯管的局部损失n n弯管速度方向弯管速度方向(fngxing)(fngxing)的改变不仅使弯管的内侧和外侧出现的改变不仅使弯管的内侧和外侧出现两个旋涡区，而两个旋涡区，而n n且产生二次流现象。二次流与主流叠
21、加，使流过弯管的质点做且产生二次流现象。二次流与主流叠加，使流过弯管的质点做螺旋螺旋n n运动，加大了能量损失。运动，加大了能量损失。R/dR/d对弯管阻力系数影响最大。对弯管阻力系数影响最大。2.82.8管道管道管道管道(gundo)(gundo)流动的局部损失流动的局部损失流动的局部损失流动的局部损失第94页/共100页第九十五页，共100页。96n n局部阻力之间的相互干扰局部阻力之间的相互干扰n n局部障碍直接连接时，水头损失会出现一定幅度局部障碍直接连接时，水头损失会出现一定幅度的变化，可能增大的变化，可能增大(zn d)(zn d)，也可能减小。在设，也可能减小。在设计管网时，如各
22、局部障碍之间的距离都大于计管网时，如各局部障碍之间的距离都大于3 3倍管倍管径，忽略相互干扰的计算结果，一般偏于安全。径，忽略相互干扰的计算结果，一般偏于安全。2.82.8管道管道管道管道(gundo)(gundo)流动的局部损失流动的局部损失流动的局部损失流动的局部损失第95页/共100页第九十六页，共100页。972.92.9减小阻力减小阻力减小阻力减小阻力(zl)(zl)的措施的措施的措施的措施减阻途径减阻途径(tjng)(tjng)减阻有两条完全不同的途径：减阻有两条完全不同的途径：途径一，改善边壁对流动的影响；途径一，改善边壁对流动的影响；途径二，在流体途径二，在流体(lit)(li
23、t)中投入极少量填加剂，改善流体中投入极少量填加剂，改善流体(lit)(lit)的内部的内部 结构。结构。第96页/共100页第九十七页，共100页。98途径途径(tjng)(tjng)一一1 1、减小管壁、减小管壁(un b)(un b)的粗糙度的粗糙度2 2、平顺管道进口、平顺管道进口减少局部阻力的着眼点在于防止或推迟流体与壁面的分离减少局部阻力的着眼点在于防止或推迟流体与壁面的分离(fnl)(fnl)，避免旋涡区的产生或减小旋涡区的大小和强度。，避免旋涡区的产生或减小旋涡区的大小和强度。2 2.9.9减小阻力的措施减小阻力的措施第97页/共100页第九十八页，共100页。99途径途径(t
24、jng)(tjng)一一3 3、渐扩管和突扩管、渐扩管和突扩管4 4、弯管：曲率半径、弯管：曲率半径(bnjng)(bnjng)最好在最好在R=(14)dR=(14)d；断面大的弯管加导流叶片断面大的弯管加导流叶片2.92.9减小阻力减小阻力减小阻力减小阻力(zl)(zl)的措施的措施的措施的措施第98页/共100页第九十九页，共100页。100途径途径(tjng)(tjng)一一5 5、三通、三通(sn tn)(sn tn)尽可能减小支管与合流管之间的夹角；尽可能减小支管与合流管之间的夹角；将支管与合流管连接处的折角改缓慢。将支管与合流管连接处的折角改缓慢。2.92.9减小阻力减小阻力减小阻力减小阻力(zl)(zl)的措施的措施的措施的措施第99页/共100页第一百页，共100页。