第四章流体阻力与水头损失1.pptVIP

? 潜体阻力 a.潜体阻力：平行于流体方向的分力D。 ? 潜体阻力分压差阻力和摩擦阻力（边界层内的粘性阻力）两种，如图。 b.绕流阻力的计算? 一、潜体阻力（绕流阻力） 式中：?ρ—流体密度； ???? ? ?? u0—未受扰动的来流流体与绕流体的相对速度?????? ?? A—绕流物体的迎流面积。 ????? ?? Cd—绕流阻力系数，其值主要取决于绕流体体型 和Re。小球体Cd可按右式计算： 适用范围：适用于各种体型的绕流阻力。 (Re1.0) (1.0 Re103) (103?Re2×105) 升力L ? 升力：垂直于流动的分力L，该力只可能发生在非对称（或斜置对称）的绕流体上。 式中：??Cl——升力系数 ???????? A——与来流方向平行平面的绕流体侧向投影面积。 球体绕流阻力的计算公式 二、球体绕流阻力 球形微粒沉降的极限速度为： 式中：? d——球体直径；u0——球体远处流体速度。 ? ? 式中ρsg与ρg分别为球体和流体的容重。它可用于设计沉淀池、清淤及污水处理等方面的分析。 分析微粒沉降，可计算球形微粒沉降的极限流，根据力的平衡原理，球体浮力与其所受阻力之和应与球重相等： 第四章 流体阻力与水头损失 §4.1 概述 §4.2 流体形态及其判别 §4.4 沿程水头损失 §4.3 沿程水头损失与切应力的关系 §4.5 局部水头损失 §4.6 边界层及绕流阻力 本章主要研究恒定流动时，流动阻力和水头损失的规律。对于粘性流体的两种流态——层流与紊流，通常可用下临界雷诺数来判别，它在管道与渠道内流动的阻力规律和水头损失的计算方法是不同的。对于流速，圆管层流为旋转抛物面分布，而圆管紊流的粘性底层为线性分布，紊流核心区为对数规律分布或指数规律分布。对于水头损失的计算，层流不用分区，而紊流通常需分为水力光滑管区、水力粗糙管区及过渡区来考虑。本章最后还阐述了有关的边界层、绕流阻力及紊流扩散等概念。 第一节 概述 4.1.1 内流和外流 按流体与约束流动的固体边界的位置关系，可将流体分为内流和外流。 内流：流体在约束流动的固体边界内部。（管道、明渠） 外流：流体在约束流动的固体边界外部。（流体绕流桥墩、船舶、飞机、汽车等）故外流也称绕流。 本章重点：内流的流动阻力包括沿程阻力和局部阻力。 4.1.2 沿程阻力与沿程水头损失 当流体在约束流动的固体边界内做均匀流动时，产生的流动阻力称为沿程阻力或摩擦阻力。 由沿程阻力做功引起的水头损失称沿程水头损失（hf)。 沿程水头损失沿流程均匀分布，与流程长度成正比。 4.1.3 局部阻力与局部水头损失 局部阻力：当约束流动的固体边界急剧改变，使流速分布发生变化而产生的流动阻力；其相应的水头损失称局部水头损失（hm）。 局部水头损失一般发生在管道入口、转弯、突扩（缩）、三通、阀门等附近的局部流段上。 4.1.4 总水头损失 实际工程中，一般研究范围内大多是两种水头损失并存，机械能损失是由沿程阻力和局部阻力共同贡献； 两过流断面间的总水头损失等于沿程水头损失和局部水头损失之和： 水头损失 第二节 流动形态及其判别 一、两种流态的运动特征 1883年英国物理学家雷诺（Reynolds O.）通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态。 1.层流 层流，亦称片流：是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。 特点： ? （1）有序性。水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。 ? （2）粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。 ? （3）能量损失与流速的一次方成正比。 ? （4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。 2.紊流 紊流，亦称湍流：是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。 特点： ? （1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。 ? 流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动。 ? （2）紊流受粘性和紊动的共同作用。 ? （3）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。 ? （4）在流速较大且雷诺数较大时发生。 二、雷诺实验 如图所示，实验曲线分为三部分： ? （1）ab段：当υυc 时，流动为稳定的层流。 ? （2）ef段：当υυ时，流动只能是紊流。 ? （3）be段：当υcυυ时，流动可能是层流（bc段），也可能是紊流（bde段），取决于水流的原来状态。 临界流速νc（ 或νc’）与管道直径d、流体密度ρ和动力黏度μ有关。 雷诺实验 实验结果（右图）的数学表达式: 层流： m1=1.0, hf=k1v , 即沿程水头损失与流线的一次方成正比。 ?