第六章流动阻力和水头损失.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 压差阻力(形体阻力)：由于物体绕流沿物体表面的摩擦阻力耗能和尾流旋涡耗能，使得尾流区物体表面压强低于来流压强，而迎流面的压强大于来流压强，两部分的压强差形成作用于物体上的阻力。 尾流：绕流物体边界层分离点下游形成的旋涡区,分离流线与物体边界所围的下游区域。 影响因素：压差阻力取决边界层分离点位置，分离点沿绕流物体表面后移，尾流区减小，则压差阻力减小，摩擦阻力增加。但高雷诺数时，摩擦阻力较压差阻力小很多。因此减小压差阻力，即减小了绕流阻力，常将物体设计为流线形(图6-31)。 减小尾流的主要途径：绕流体型尽可能流线型化。 工程应用： 减小压差阻力：绕流物体设计成流线形，壁面边界层分离点尽量靠近下游。 如飞机机翼尾部为细长的流线形。 增大压差阻力：绕流物体呈钝形。 如飞机降落打开机翼上部减速板增加阻力。 圆柱绕流尾流形态主要取决于Re： Re≈90时，卡门涡街—旋涡从圆柱两侧周期性交替脱落，带向下游，排成两列(c)。Re更大，大尺度旋涡分解为随机紊流运动，涡街消失。 ①Re＜0.5：平顺绕过圆柱，下游汇合(a)。 ②Re=20～30：边界层分离，圆柱后部形成两个位置固定、旋转方向相反旋祸，受到排挤主流下游不远处重新汇合，尾流区不长(b)。 卡门涡街是黏性流体绕圆柱体流动的特殊现象，圆柱体受到交替变向的横向力，引起圆柱体横向振动，一旦发生共振，对建筑物造成危害。 (4)卡门涡街 ③Re30时：尾流呈现周期性摆动 当Re300时，圆柱后方涡街逐渐失去规则性和周期性，涡街消失。 风诱发的结构振动 The Tacoma Narrows Bridge，1940 圆柱体受到交替横向力的频率接近圆柱体固有频率时，发生共振，对建筑物造成危害。如1940年11月美国华盛顿州长853m的塔科马(Tacoma)悬索桥在8级大风中遭破坏，就是风致振动造成。此外，旋涡交替脱落造成的声响效应，是输电线在大风中啸叫，锅炉内烟气流过管束时发出噪声的原因。 观看录像? 三、绕流阻力 流体绕流作用在物体上的力分解为绕流阻力D、升力L。 绕流阻力D：流场中物体所受到流动方向上流体作用力。 升力L：流场中物体受到垂直流动方向上的流体作用力。该力只可能发生在非对称(或斜置对称)绕流体上。 (1)绕流阻力、压差阻力 流线形物体：摩擦阻力Df (边界层内的黏性阻力 ) 钝形物体：摩擦阻力Df、压差阻力Dp，压差阻力远大于摩擦阻力。 (潜体阻力) D= Df＋Dp (6-53) (6-54) (6-55) s—绕流物体壁面的总表面积 θ—物体壁面微元面积法线与速度夹角 (2)绕流阻力的计算 1726年牛顿 —单位体积来流的动能 A—绕流物体与来流垂直的迎流投影面积 CD主要取决于 ，d为A的特征长度，如圆柱与圆球直径，并与绕流物体形状、表面粗糙、来流紊动强度有关。一般CD无法由理论计算，多由实验确定。图6-34为圆球、圆盘、无限长圆柱的阻力系数实验曲线。 适用范围：适用于各种体型的绕流阻力 CD—绕流阻力系数 小雷诺数圆球绕流阻力：Re1时，质量力、迁移惯性力不计，黏性力支配 公式(6-57) 、(6-58)在Re1时得到，称为斯托克斯解，在Re≤1范围内与实验相符，常见于空气尘埃、细小雾滴的降落，微粒泥砂(d0.05mm)水中沉降。 由牛顿的阻力公式(6-56)，得 ? 表6-6为几种典型物体的绕流阻力系数。 P169 例6-7（电缆线） 例 当圆球直径d较小时，其在重力作用下在静水中沉降产生的绕流为层流流态。设圆球的密度为ρs，求沉降速度。 [解] 计算绕流阻力D，方向铅直向上。 圆球的受力为重力G、浮力F和D，其平衡方程：G=D+F 静水中以速度U沉降，绕流为层流，CD=24／Re， ? * * 中国矿业大学（北京）地下工程系 谢 谢！ * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 中国矿业大学（北京）地下工程系 本节小结 三、黏性底层 紊流中紧靠固体边界附近地方，脉动流速很小，由脉动流速产生的附加切应力也很小，而流速梯度却很大，所以粘滞切应力起主导作用，其流态基本属层流。 因此，紊流中紧靠固体边界表面有一层极薄的层流层存在，该层流层叫粘性底层。在粘性底层以外的液流才是紊流。 中国矿业大学（北京）地下工程系 本节小结 粘性底层厚度 厚度随雷诺数、流