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1、第六章第六章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失主要讲述流体在通道（管道、渠道）内流动的阻力主要讲述流体在通道（管道、渠道）内流动的阻力和水头损失。和水头损失。产生能量损失的原因：产生能量损失的原因：水流有粘滞性。水流有粘滞性。当水流运动时，会产生粘性阻力，水流克服阻力，当水流运动时，会产生粘性阻力，水流克服阻力，就要消耗一部分机械能，转化为热能，造成能量损失。就要消耗一部分机械能，转化为热能，造成能量损失。第六章第六章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失水头损失：水头损失：水头损失：水头损失：流体在运动过程中因克服粘性阻力而消耗流体在运动过程中因克服粘性阻力而消耗流体在运动过程中因克服粘
2、性阻力而消耗流体在运动过程中因克服粘性阻力而消耗的机械能称为水头损失。的机械能称为水头损失。的机械能称为水头损失。的机械能称为水头损失。水头损失：水头损失：水头损失：水头损失：沿程水头损失和局部水头损失沿程水头损失和局部水头损失沿程水头损失和局部水头损失沿程水头损失和局部水头损失。水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。用单位重量液体的能量损失用单位重量液体的能量损失用单位重量液体的能量损失用单位重量液体的能量损失 h hw w 表示水流的能量损失表示水流的能
3、量损失表示水流的能量损失表示水流的能量损失流体的流动：层流和湍流（紊流）流体的流动：层流和湍流（紊流）流体的流动：层流和湍流（紊流）流体的流动：层流和湍流（紊流）研究简单流动：管流和渠道流研究简单流动：管流和渠道流研究简单流动：管流和渠道流研究简单流动：管流和渠道流第六章第六章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失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 粘性流体的两种流粘性流体的两种流粘性流体的两种流粘性流体的两种流态态态态 雷雷雷雷诺实验诺实验诺实验诺实验 流流流流态态态态的判的判的判的判别别别别 紊流的成因紊流的成因紊流的成
4、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 层层层层流向紊流的流向紊流的流向紊流的流向紊流的过过过过渡渡渡渡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 紊流切紊流切紊流切紊流切应应应应力力力力 混合混合混合混合长长长长度假度假度假度假说说说说 圆圆圆圆管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布 6-6 6-6 圆圆圆
5、圆管紊流的沿程管紊流的沿程管紊流的沿程管紊流的沿程损损损损失系数失系数失系数失系数 6-7 6-7 沿程沿程沿程沿程损损损损失系数的失系数的失系数的失系数的实验实验实验实验研究研究研究研究 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6-86-8 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6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式 沿程水头损失和局部水头损失沿程水头损失和局
6、部水头损失 工程上水头损失分为：工程上水头损失分为：沿程水头损失和局部水头损失沿程水头损失和局部水头损失。总水头总水头水头损失水头损失局部损失局部损失沿程损失沿程损失沿程阻力：沿程阻力：在长直管道或长直明渠长直管道或长直明渠中,流动为均匀流均匀流或渐变流或渐变流,流动阻力中只包括与流程的长短有关的摩擦阻力-沿程阻力沿程阻力。局部阻力局部阻力：在流道发生突变的局部区域流道发生突变的局部区域,流动属于变化较剧烈的急变流,流动结构急剧调整,流速大小,方向迅速改变,往往拌有流动分离和旋涡运动,流体内内部摩擦作用增大部摩擦作用增大,称这种流动阻力流动阻力-局部阻力。局部阻力。6-1 6-1 水头损失的两
7、种形式水头损失的两种形式局部损失局部损失沿程损失沿程损失沿程水头损失沿程水头损失hf hf s 在在平直的固体边界平直的固体边界水道中，单位重量的液体从水道中，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断面的机械能损失。这种水头这种水头损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头损失。损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头损失。6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式局部水头损失局部水头损失hj用圆柱体绕流说明局部水头损失用圆柱体绕流说明局部水头损失h hj j 6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式分析通过圆心的一条流线（图中红线所示）分析通过圆心
8、的一条流线（图中红线所示）6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式通过圆心的一条流线通过圆心的一条流线 6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式 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。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，流速降为零，动能转化为压能，使其增加点，流速降为零，动能转化为压能，使其增加到最大。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A 液体质点到达驻点，停滞不前，
9、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。AC理想液体理想液体分析沿柱面两侧边壁附近的流动分析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 AC 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 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 CCB B 动能减少（液体扩散）动能减
10、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。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 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
11、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ACBC 由于液体绕流运动无能量损失，因此，液体从由于液体绕流运动无能量损失，因此，液体从AB 时，时，A A和和B B点点的流速和压强相同。其他流线情况类似的流速和压强相同。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
12、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 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
13、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 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 ACBC形成分离点：形成分离点：D 近壁液体从近壁液体从C-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，液体没有足
14、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，例如压能（理想液体全部恢复）。在柱面某一位置，例如 D D 处，流速处，流速降低为零，不再继续下行。降低为零，不再继续下行。ACBC形成分离点：形成分离点：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，这样就使主流脱离了圆柱面，形成分离点。主流脱离了圆柱面，形成分离点。ACBCD 沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩
15、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。分离点后形成漩涡区分离点后形成漩涡区ACBCD 沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩用下，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。涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。分离点后形成漩涡区分离点后形成漩涡区漩涡区漩涡区ACBCD 沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填
16、补主流所空出的区域，形成了漩涡。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。分离点后形成漩涡区分离点后形成漩涡区漩涡区漩涡区ACBCD漩涡区漩涡区 漩涡体形成、运转和分裂漩涡体形成、运转和分裂漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失ACBCD 流速分布急剧变化流速分布急剧变化漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失ACBCD漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失 漩涡的形成，运转和分裂；流速分布急剧变化，都使液体产漩涡的形成，运转和分裂；流速分布急剧变化，
17、都使液体产生较大的能量损失。生较大的能量损失。这种能量损失产生在局部范围之内，叫做局部水头损失这种能量损失产生在局部范围之内，叫做局部水头损失hj。当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局部范围内产生了较部障碍，液体产生漩涡，使得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。大的能量损失，这种能量损失称作局部水头损失。局部水头损失：局部水头损失：6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式突然管道缩小：突然管道缩小：漩涡区漩涡区6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式
18、 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 水头损失的两种形式水头损失的两种形式弯道转弯弯道转弯漩涡区漩涡区6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式 产生漩涡的局部范围产生漩涡的局部范围局部水头损失局部水头损失沿程水头损失沿程水头损失 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达西公式：达西公式
19、：18031858圆管水流的圆管水流的沿程损失沿程损失 沿程损失系数沿程损失系数，与流动特性以及管壁的粗糙度有关。非圆管水流非圆管水流的沿程损失的沿程损失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局部损失局部损失:局部损失系数。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边界层分离而产生的损失。如果管道由若干管段组成：如果管道由若干管段组成：6-1 6-1 水头损失的两种形式水头损失的两种形式11s22334455ipi/v0hwiH0 总水头线总水头线测压管水头线测压
20、管水头线v022gH第六章第六章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失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 粘性流体的两种流粘性流体的两种流粘性流体的两种流粘性流体的两种流态态态态 雷雷雷雷诺实验诺实验诺实验诺实验 流流流流态态态态的判的判的判的判别别别别 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-
21、4 6-4 层层层层流向紊流的流向紊流的流向紊流的流向紊流的过过过过渡渡渡渡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 紊流切紊流切紊流切紊流切应应应应力力力力 混合混合混合混合长长长长度假度假度假度假说说说说 圆圆圆圆管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布 6-6 6-6 圆圆圆圆管紊流的沿程管紊流的沿程管紊流的沿程管紊流的沿程损损损损失系数失系数失系数失系数 6-7 6-7 沿程沿程沿程沿程损损损损失系数的失系数的失系数的失系数的实验实验实验实验研究研究研究研究 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
22、莫迪图莫迪图莫迪图6-86-8 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-曼彻斯特欧文学院工程学教授曼彻斯特欧文
23、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 雷诺雷诺(O.Reynolds)实实验验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态 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。论文内容包括影响。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 雷诺雷诺(O.Reynolds)实实验验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态在流体力学方面最重要的贡献：在流
24、体力学方面最重要的贡献：l 1883 1883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 1883 1883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。雷诺雷诺(O.Reynolds)实实验验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态l 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：层流和紊流层流和紊流l 不同型态的液流，水头损失规律不同不
25、同型态的液流，水头损失规律不同 雷诺实验揭示出雷诺实验揭示出 雷诺雷诺(O.Reynolds)实实验验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态雷诺试验装置雷诺试验装置 颜色水颜色水hfl 雷诺雷诺(O.Reynolds)实实验验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态颜色水颜色水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 雷诺雷诺(O.Reynolds)实实验验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态颜色水颜色水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地运动，层流：红色水液层有
26、条不紊地运动，红色水和管道中液体水相互不混掺红色水和管道中液体水相互不混掺（实验）（实验）雷诺雷诺(O.Reynolds)实实验验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态颜色水颜色水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，出现波形轮廓 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
27、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 雷诺雷诺(O.Reynolds)实实验验6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态颜色水颜色水hfl层流：层流：流速较小时，各流层的液体质点有条不紊运动，流速较小时，各流层的液体质点有条不紊运动，相互之间互不混杂。相互之间互不混杂。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）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
28、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。雷诺雷诺(O.Reynolds)实实验验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；有条不紊；互不掺混紊流紊流(湍流湍流):杂乱无章；相互掺混；涡旋紊乱6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态层流与紊流的概念层流与紊流的概念沿程水头损失与
29、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。f层流区lghwlgV紊流区过渡区bcdealgVelgVe流态的判别流态的判别-雷诺雷诺数数下临界速度下临界速度Vc:由由紊流转变为层流时紊流转变为层流时管内断面平均流速；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。一般是固定的，而一般是固定的，而上临界速度上临界速度Ve则是不固定的，试水流受外界的则是不固定的，试水流受外界的干扰情况而定。干扰情况而定。6-2 6-2 粘性流体的
30、两种流态粘性流体的两种流态下临界速度下临界速度Vc ；上临界速度；上临界速度Vcf层流区lghwlgV紊流区过渡区bcdealgVelgVe流态的判别流态的判别-雷诺雷诺数数实验结果：实验结果：下临界速度下临界速度Ve ；上临界速度上临界速度Ve6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态引入水力学半径概念(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实验结果：实验结果：ab段：段：流速很小，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
31、粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态管流：管流：Re 2300（有时用2000）,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，流态的形态均为层流。明渠流：明渠流：Re500,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 紊流的成因紊流的成因:层流 紊流 转捩（读转捩（读lie转折点）转折点）扰动 雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义:(1)流态转捩的判别准则 (2)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雷诺数较小，雷诺数较小，反映出流体受粘滞作用控制，反映出流体受粘滞作用控制，对流体的质点运动对流体的质点运动起着约束作用，
32、因此当雷诺数小到一定程度时，质点呈有秩序的线起着约束作用，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。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，说明当流动的雷诺数逐渐加大时，说明惯性力增大惯性力增大，粘滞作用则随，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，又由于之减小，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，因各种外界因素，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种扰动，而惯性作用则微小扰动不断发展扩大，粘滞性不再能控制这种扰动，而惯
33、性作用则微小扰动不断发展扩大，形成了紊流形态。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,试确定其流动形态。解:水的流动雷诺数流动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例2 运动粘度=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即是临界流速6-2 6-2 粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态例3
34、以下是流态为层流时,hf与速度V的实测值:试用最小二乘法求 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)1010-3-31.21.2 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log(10V)log(10V)9 9 1010-3-3 0.10720.10720.16440.16440.22530.22530.27180.2718log(1000hl
35、og(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求得其中其中n=5,代入有关数值 斜率近似为斜率近似为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六章第六章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失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
36、流粘性流体的两种流粘性流体的两种流粘性流体的两种流态态态态 雷雷雷雷诺实验诺实验诺实验诺实验 流流流流态态态态的判的判的判的判别别别别 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 层层层层流向紊流的流向紊流的流向紊流的流向紊流的过过过过渡渡渡渡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 紊流切紊流切紊流切紊流切应应应应力力力力
37、 混合混合混合混合长长长长度假度假度假度假说说说说 圆圆圆圆管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布 6-6 6-6 圆圆圆圆管紊流的沿程管紊流的沿程管紊流的沿程管紊流的沿程损损损损失系数失系数失系数失系数 6-7 6-7 沿程沿程沿程沿程损损损损失系数的失系数的失系数的失系数的实验实验实验实验研究研究研究研究 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6-86-8 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
38、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p2p1L设流动定常,充分发展,则结合达西公式：结合达西公式：6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流背景知识背景知识：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p2p1Lv*称称摩擦速度摩擦速度,该式对该式对层流与紊流均适用层流与紊流均适用.定义：定义：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利用公式 对于层流对于层流2.圆管层流的流速分布圆管
39、层流的流速分布对r 积分边界条件：r00yx0drr 6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流所以所以 利用速度分布：利用速度分布：断面平均速度：断面平均速度：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的流速分布 6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流结合达西公式结合达西公式非圆形截面管流的达西公式为：非圆形截面管流的达西公式为：3.圆管层流的沿程水头损失圆管层流的沿程水头损失 6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流例4:d=100mm,L=16km,油在油管中流动,油=915kg/m3,运动粘
40、性系数=1.8610-4m2/s,求每小时通过 50t 油所需要的功率。解:3.圆管层流的沿程水头损失圆管层流的沿程水头损失 6-3 6-3 圆管中的层流圆管中的层流第六章第六章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失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 粘性流体的两种流粘性流体的两种流粘性流体的两种流粘性流体的两种流态态态态 雷雷雷雷诺实验诺实验诺实验诺实验 流流流流态态态态的判的判的判的判别别别别 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
41、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 明渠中的明渠中的明渠中的明渠中的层层层层流流流流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 紊流切紊流切紊流切紊流切应应应应力力力力 混合混合混合混合长长长长度假度假度假度假说说说说 圆圆圆圆管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布 6-6 6-6 圆圆圆圆管紊流的沿程管紊流的沿程管紊流的沿程管紊流的沿程损损损损失系数失系数失系数失系数 6-7 6-7 沿程沿程沿程沿程
42、损损损损失系数的失系数的失系数的失系数的实验实验实验实验研究研究研究研究 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6-86-8 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6-4 6-4 明渠中的层流明渠中的层流设流动充分发展,则有gyppxh1.沿程阻力与切应力之间的关系沿程阻力与切应力之间的关系平衡方程平衡方程积分，求ugyppxh积分得:边界条件:有C1=-h C2=06-4
43、 6-4 明渠中的层流明渠中的层流1.沿程阻力与切应力之间的关系沿程阻力与切应力之间的关系gyppxh单位宽度体积流量为:6-4 6-4 明渠中的层流明渠中的层流1.沿程阻力与切应力之间的关系沿程阻力与切应力之间的关系对于宽为b,深为h的渠道流,水力半径为bhbh6-4 6-4 明渠中的层流明渠中的层流1.沿程阻力与切应力之间的关系沿程阻力与切应力之间的关系第六章第六章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失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 粘性流体的两种流粘性流体的两种流粘性流体的两种流粘性流体的两种流态态态态 雷雷雷雷诺
44、实验诺实验诺实验诺实验 流流流流态态态态的判的判的判的判别别别别 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 明渠中的明渠中的明渠中的明渠中的层层层层流流流流6-5 6-5 紊流（湍流）的基本理紊流（湍流）的基本理紊流（湍流）的基本理紊流（湍流）的基本理论论论论 紊流切紊流切紊流切紊流切应应应应力力力力 混合混合混合混合长长长长度假度假度假度假说说说说 圆
45、圆圆圆管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布管紊流的断面流速分布 6-6 6-6 圆圆圆圆管紊流的沿程管紊流的沿程管紊流的沿程管紊流的沿程损损损损失系数失系数失系数失系数 6-7 6-7 沿程沿程沿程沿程损损损损失系数的失系数的失系数的失系数的实验实验实验实验研究研究研究研究 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6-86-8 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
46、的局部损失系数6.5 6.5 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论意义：意义：实际流体流动中，绝大多数是湍流（紊流）。实际流体流动中，绝大多数是湍流（紊流）。紊流和湍流的显著差别：紊流和湍流的显著差别：层流中的流体质点层次分明层流中的流体质点层次分明地向前运动，其轨迹是一些平滑的变化很慢的曲线，互不地向前运动，其轨迹是一些平滑的变化很慢的曲线，互不混掺。混掺。而紊流中流体质点的轨迹杂乱无章，互相交错，而且而紊流中流体质点的轨迹杂乱无章，互相交错，而且迅速地变化，流体微团（漩涡涡体）在顺流向运动的同时，迅速地变化，流体微团（漩涡涡体）在顺流向运动的同时，还作横向和局部逆向运动，与它周围的
47、流体发生混掺。还作横向和局部逆向运动，与它周围的流体发生混掺。6.5 6.5 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论1.湍流的发生湍流的发生（a）流线形物体；（b）非流线形物体图5-4 曲面边界层分离现象示意图边界层边界层外部流动外部流动尾迹外部流动外部流动尾迹边界层流体微团（漩涡涡体）在顺流向运动的同时，还作横向和局部逆向运动，与它周围的流体发生混掺。6.5 6.5 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论1.湍流的发生湍流的发生大量试验表明：大量试验表明：当管流的当管流的雷诺数很高时，可以发现在湍雷诺数很高时，可以发现在湍流中存在许许多多大大小小的流中存在许许多多大大小小的漩涡。
48、漩涡。湍流的复杂运动与这些大湍流的复杂运动与这些大大小小的漩涡有关。大小小的漩涡有关。漩涡的运动使各流层的流漩涡的运动使各流层的流体发生强烈的混掺，使流体质体发生强烈的混掺，使流体质点的运动轨迹变得曲折混乱。点的运动轨迹变得曲折混乱。Notes:目前关于湍流发生目前关于湍流发生的机理尚未清楚，但多数学者的机理尚未清楚，但多数学者认为，湍流的发生与小尺度漩认为，湍流的发生与小尺度漩涡的形成和发展有关。涡的形成和发展有关。6.5 6.5 紊流（湍流）的基本理论紊流（湍流）的基本理论漩涡产生的原因（从两个方面分析）：漩涡产生的原因（从两个方面分析）：1.湍流的发生湍流的发生（1）根据流动稳定性理论，
49、当雷诺数超过某个值时，）根据流动稳定性理论，当雷诺数超过某个值时，层流是不稳定的。层流是不稳定的。在壁面近处，随机地出现一些在壁面近处，随机地出现一些U型涡环，这些涡环在型涡环，这些涡环在运动过程中，不断变形、扭曲、破裂。运动过程中，不断变形、扭曲、破裂。当涡环破裂时，壁面附近的流体一阵阵地喷射进入主当涡环破裂时，壁面附近的流体一阵阵地喷射进入主流区，流区，称为喷射运动称为喷射运动；而主流区的流体也侵入壁面，发生；而主流区的流体也侵入壁面，发生所谓的所谓的扫惊运动扫惊运动。这种垂直壁面的运动使得更多的涡环、。这种垂直壁面的运动使得更多的涡环、漩涡产生。漩涡产生。6.5 6.5 紊流（湍流）的基
50、本理论紊流（湍流）的基本理论1.湍流的发生湍流的发生（2）固体壁面总是粗糙不平的，在粗糙元的尖角处也不断）固体壁面总是粗糙不平的，在粗糙元的尖角处也不断出现漩涡。出现漩涡。漩涡形成后就会泻入下游，在向下游运动的过程中，漩漩涡形成后就会泻入下游，在向下游运动的过程中，漩涡是继续加强还是逐渐衰减，与惯性力及粘性力的大小有关。涡是继续加强还是逐渐衰减，与惯性力及粘性力的大小有关。如果惯性力大于粘性力，则漩涡不断加强，数量增多，如果惯性力大于粘性力，则漩涡不断加强，数量增多，流动表现为湍流。流动表现为湍流。如果惯性力小于粘性力，则漩涡不断衰减直至消失，流如果惯性力小于粘性力，则漩涡不断衰减直至消失，流