流體力學(xué)第六章 流動(dòng)阻力及能量損失.doc

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1、第六章流動(dòng)阻力及能量損失???本章主要研究恒定流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力和水頭損失的規(guī)律。對于粘性流體的兩種流態(tài)——層流與紊流，通?？捎孟屡R界雷諾數(shù)來判別，它在管道與渠道內(nèi)流動(dòng)的阻力規(guī)律和水頭損失的計(jì)算方法是不同的。對于流速，圓管層流為旋轉(zhuǎn)拋物面分布，而圓管紊流的粘性底層為線性分布，紊流核心區(qū)為對數(shù)規(guī)律分布或指數(shù)規(guī)律分布。對于水頭損失的計(jì)算，層流不用分區(qū)，而紊流通常需分為水力光滑管區(qū)、水力粗糙管區(qū)及過渡區(qū)來考慮。本章最后還闡述了有關(guān)的邊界層、繞流阻力及紊流擴(kuò)散等概念。第一節(jié)?流態(tài)判別一、兩種流態(tài)的運(yùn)動(dòng)特征?1883年英國物理學(xué)家雷諾（ReynoldsO.）通過試

2、驗(yàn)觀察到液體中存在層流和紊流兩種流態(tài)。?1.層流????觀看錄像1-層流?層流（laminarflow），亦稱片流：是指流體質(zhì)點(diǎn)不相互混雜，流體作有序的成層流動(dòng)。?特點(diǎn)：?（1）有序性。水流呈層狀流動(dòng)，各層的質(zhì)點(diǎn)互不混摻，質(zhì)點(diǎn)作有序的直線運(yùn)動(dòng)。?（2）粘性占主要作用，遵循牛頓內(nèi)摩擦定律。?（3）能量損失與流速的一次方成正比。?（4）在流速較小且雷諾數(shù)Re較小時(shí)發(fā)生。?2.紊流????觀看錄像2－紊流?紊流（turbulentflow），亦稱湍流：是指局部速度、壓力等力學(xué)量在時(shí)間和空間中發(fā)生不規(guī)則脈動(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)。?特點(diǎn)：?（1）無序性、隨機(jī)性、有旋性、混

3、摻性。?流體質(zhì)點(diǎn)不再成層流動(dòng)，而是呈現(xiàn)不規(guī)則紊動(dòng)，流層間質(zhì)點(diǎn)相互混摻，為無序的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。?（2）紊流受粘性和紊動(dòng)的共同作用。?（3）水頭損失與流速的1.75~2次方成正比。?（4）在流速較大且雷諾數(shù)較大時(shí)發(fā)生。二、雷諾實(shí)驗(yàn)?如圖6-1所示，實(shí)驗(yàn)曲線分為三部分：?（1）ab段：當(dāng)υ<υc時(shí)，流動(dòng)為穩(wěn)定的層流。?（2）ef段：當(dāng)υ>υ''時(shí)，流動(dòng)只能是紊流。?（3）be段：當(dāng)υc<υ<υ''時(shí)，流動(dòng)可能是層流（bc段），也可能是紊流（bde段），取決于水流的原來狀態(tài)。圖6-1圖6-2觀看錄像3?????????觀看錄像4????????觀看錄像5?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4、（圖6-2）的數(shù)學(xué)表達(dá)式??層流：m1=1.0,hf=k1v,即沿程水頭損失與流線的一次方成正比。?紊流：m2=1.75~2.0,hf=k2v1.75~2.0?，即沿程水頭損失hf與流速的1.75~2.0次方成正比。????????????????????????????????????????層流：???紊流：??三、層流、紊流的判別標(biāo)準(zhǔn)——臨界雷諾數(shù)??????臨界雷諾數(shù)????上臨界雷諾數(shù)：層流→紊流時(shí)的臨界雷諾數(shù)，它易受外界干擾，數(shù)值不穩(wěn)定。下臨界雷諾數(shù)：紊流→層流時(shí)的臨界雷諾數(shù)，是流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)，它只取決于水流邊界的形狀，即水流的過水?dāng)嗝嫘螤?/p>

5、。?變直徑管流中，細(xì)斷面直徑d1，粗?jǐn)嗝嬷睆絛2=2d1，則粗細(xì)斷面雷諾數(shù)關(guān)系是????????。?圓管流???????????????（5-1）??層流???紊流?明渠流???????????????????????（5-2）?式中：R——水力半徑，R=A/P；??????A——過水?dāng)嗝婷娣e；??????P——濕周，即斷面中固體邊界與流體相接觸部分的周長。錄像6例：某段自來水管，d=100mm，v=1.0m/s。水溫10℃，（1）試判斷管中水流流態(tài)？（2）若要保持層流，最大流速是多少？解:（1）水溫為10℃時(shí)，水的運(yùn)動(dòng)粘度，由下式計(jì)算得：??則：?即

6、：圓管中水流處在紊流狀態(tài)。?（2）?要保持層流，最大流速是0.03m/s。問題：怎樣判別粘性流體的兩種流態(tài)——層流和紊流？??????用下臨界雷諾數(shù)Rec來判別。當(dāng)雷諾數(shù)ReRec時(shí),流動(dòng)為紊流。當(dāng)為圓管流時(shí),＝2300，當(dāng)為明渠流時(shí)。(R為水力半徑)問題：為何不能直接用臨界流速作為判別流態(tài)（層流和紊流）的標(biāo)準(zhǔn)？???因?yàn)榕R界流速跟流體的粘度、流體的密度和管徑（當(dāng)為圓管流時(shí)）或水力半徑（當(dāng)為明渠流時(shí)）有關(guān)。而臨界雷諾數(shù)則是個(gè)比例常數(shù)，對于圓管流為2300（2000），對于明渠流為575（500），應(yīng)用起來非常方便。思?考?

7、題1.雷諾數(shù)與哪些因數(shù)有關(guān)？其物理意義是什么？當(dāng)管道流量一定時(shí)，隨管徑的加大，雷諾數(shù)是增大還是減??？??2.為什么用下臨界雷諾數(shù)，而不用上臨界雷諾數(shù)作為層流與紊流的判別準(zhǔn)則？??3.當(dāng)管流的直徑由小變大時(shí)，其下臨界雷諾數(shù)如何變化？??1答案：??????雷諾數(shù)與流體的粘度、流速及水流的邊界形狀有關(guān)。Re=慣性力/粘滯力,隨d增大，Re減小。?2答：上臨界雷諾數(shù)不穩(wěn)定，而下臨界雷諾數(shù)較穩(wěn)定，只與水流的過水?dāng)嗝嫘螤钣嘘P(guān)。3答：不變，臨界雷諾數(shù)只取決于水流邊界形狀，即水流的過水?dāng)嗝嫘螤?。第二?jié)???不可壓縮流體恒定圓管層流一、恒定均勻流沿程損失的基本方程1.

8、恒定均勻流的沿程水頭損失圖6-3???在均勻流中，有v1=v2，圖6-3列1-1斷面與2-2斷