第4章_粘性流體的流動阻力計算ppt課件.ppt

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1、工程流體力學(xué)（4）楊陽機械工程學(xué)院2013年3月第4章粘性流體的流動阻力計算粘性流體流經(jīng)固體壁面時，緊貼固體壁面的流體質(zhì)點將粘附在壁面上，由于流體質(zhì)點間也有內(nèi)摩擦力的作用，過水?dāng)嗝嫔系母鼽c流速分布不同。低速質(zhì)點對高速質(zhì)點產(chǎn)生牽制作用，形成粘性流體的流動阻力。流動阻力的大小既和流體的流動狀態(tài)有關(guān)，又和流體與固體壁面的作用情況有關(guān)。為了克服流動阻力，流體在流動中必然要損失能量，產(chǎn)生阻力損失。單位重量流體的能量損失稱為比能損失。4.1.1過水?dāng)嗝嫔嫌绊懥鲃幼枇Φ闹饕蛩兀?）過水?dāng)嗝娴拿娣eA；（2）過水?dāng)嗝娴臐駶欀荛LX（濕周）。當(dāng)流量相同的流體和過水面積相

2、等兩個過水?dāng)嗝鏁r，濕周長的過水?dāng)嗝娼o予流體的阻力要大些；當(dāng)流量相同的流體經(jīng)過濕周相等而面積不等的兩個過水?dāng)嗝鏁r，面積小的過水?dāng)嗝娼o予流體的阻力要大些。流動阻力與過水?dāng)嗝婷娣eA的大小成反比，而與濕周X的大小成正比。4.1流體運動與流動阻力的兩種形式水力半徑R：過水?dāng)嗝婷娣eA與濕周X之比，即水力半徑R與流動阻力成反比，當(dāng)同一運動流體經(jīng)過水力半徑R較小的過水?dāng)嗝鏁r，將受到較大的阻力；反之則受到較小的阻力。充滿圓管的流體運動中，過水?dāng)嗝嫠Π霃剑╮為圓管半徑）充滿流體的正方形管，過水?dāng)嗝嫠Π霃剑╝為正方形邊長）水力半徑與一般圓截面的半徑是完全不同的概念4.

3、1.2流體運動與流動阻力的兩種形式流體的運動所受的阻力與所經(jīng)過的過水?dāng)嗝婷芮邢嚓P(guān)，流體的流動和流動阻力有兩種形式：1.均勻流動和沿程阻力損失均勻流動：流體通過的過水?dāng)嗝婷娣e大小、形狀和流體流動方向不變，流體速度分布不變。沿程阻力：在均勻流動時流體所受的沿流程不變的摩擦力。沿程阻力損失：為克服沿程阻力消耗的能量hf。2.不均勻流動和局部阻力損失不均勻流動：流體通過的過水?dāng)嗝娴拿娣e大小、形狀和流體流動方向發(fā)生急劇變化。則流體的流速分布也產(chǎn)生急劇變化。局部阻力：流體在一個很短的流段內(nèi)形成的阻力。局部阻力損失：克服局部阻力而產(chǎn)生的能量損失hj。4.2.1均勻

4、流動基本方程從定常均勻流動中取出單位長度的流體，兩斷面為過水?dāng)嗝?-1和2-2，由于是均勻流動，則A1=A2=A，v1=v2=v。流體作等速流動。沿流向的力平衡方程：即：在均勻流動中，勢能之差用于克服摩擦阻力4.2粘性流體的均勻流動過水?dāng)嗝娌匠蹋簩鶆蛄鲃樱河谢虼胧降镁鶆蛄鲃拥乃^損失為或均勻流動中R為已知，如果解決了t0的計算，便可確定水力坡度i，計算出均勻流體中的水頭損失hf。t0與流體的流動狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)流體作層狀流動時，可由牛頓內(nèi)摩擦定律計算，但實際流體的流動不止這一種狀態(tài)。4.2.2均勻流動中的水頭損失與摩擦阻力的關(guān)系4.3.1雷諾試

5、驗流體有兩種流動狀態(tài)，其流動阻力與流動狀態(tài)有關(guān)。（1）雷諾試驗裝置4.3流體流動的兩種狀態(tài)A試驗時微微打開閥門，管內(nèi)水的流速較小，色水成一鮮明的細流，非常平穩(wěn)，并與管的中心線平行（圖b）。B逐漸打開閥門到一定程度，色水細流出現(xiàn)波動（圖c）。C繼續(xù)打開閥門，色水細流波動劇烈，開始出現(xiàn)斷裂，最后形成與周圍清水混雜、穿插的紊亂流動（圖d）。D反向試驗，關(guān)閉閥門，則色流逐漸恢復(fù)到圖c所示的過渡狀態(tài)，再關(guān)小閥門，則恢復(fù)到圖b所示的層流狀態(tài)。（2）實驗觀察到的現(xiàn)象(b)(c)(d)(c)觀察錄像觀察錄像觀察錄像觀察錄像（3）層流和紊流層流：流體呈層狀流動，流線與

6、圓管軸線平行，質(zhì)點只有沿管道軸線的縱向運動，無垂直于管道軸線的橫向運動。紊流：流體質(zhì)點相互碰撞、混雜，質(zhì)點除了管道軸線的縱向運動，還有垂直管道軸線的劇烈的橫向運動。（3）臨界速度上臨界速度：當(dāng)流速逐漸增大到某一臨界值時，層流狀態(tài)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。下臨界速度：當(dāng)流速逐漸減小到某一臨界值時，紊流又恢復(fù)到層流狀態(tài)。下臨界速度遠小于上臨界速度。試驗表明，水在毛細管和巖石縫隙中的流動，重油在管道中的流動，多處于層流運動狀態(tài)，而實際工程中，水在管道（或水渠）中的流動，空氣在管道中的流動，大多是紊流流動。4.3.2流動狀態(tài)與水頭損失的關(guān)系不同流動狀態(tài)形成不同阻力，也必

7、然形成不同的水頭損失。由水頭損失與流速關(guān)系（對數(shù)曲線）得即（1）當(dāng)時流動處于層流狀態(tài)，m=1，即水頭損失與流速成線性關(guān)系；（2）當(dāng)時流動處于過渡狀態(tài)，m=1.75～2，即水頭損失與流速成曲線關(guān)系；（3）當(dāng)時流動處于紊流狀態(tài)，m=2，即水頭損失與流速成二次方關(guān)系。用臨界流速可以確定流體的流動狀態(tài)，但臨界流速隨流體的粘度、密度以及流道的線性尺寸而變化，不便使用。1.雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re：雷諾根據(jù)大量試驗歸納出的一個用于判別流狀的無因次的綜合量。對于臨界速度有上臨界雷諾數(shù)：，下臨界雷諾數(shù)：對幾何形狀相似的一切流體，其下臨界雷諾數(shù)基本相等，即；上臨界雷諾數(shù)可達1

8、2000或更大，并且隨試驗環(huán)境、流動起始狀態(tài)的不同而有所不同。4.3.3流動狀態(tài)的判別準則――雷諾數(shù)2.流動