水力学 第5章 水头损失.ppt

5.7 局部水头损失 液体流经流动边界突然发生变化的局部区域时，集中产生 的机械能损失为局部水头损失。 由于局部边界变化的强烈扰动，当雷诺数很小时，流动 已经进入了阻力平方区。故局部损失不存在阻力分区问题。 5.7.1 局部水头损失的的一般分析 突然扩大 转弯 阀门 主流区脱离边壁，形成旋涡区是造成局部水头损失的 主要原因。实验结果表明，旋涡区越大、旋涡强度越大， 水头损失也就越大。 5.7.2 几种典型的局部阻力系数 （1）圆管突然扩大 取突然扩大圆管，列断面1-2的伯努利方程，忽略沿程水头损失 在对1-2断面所围取控制体，列动量 以ρgA2 除以各项并整理，得 方程，并将其投影在管轴上 1 2 p1 p2 G 将上面动量方程代入伯努利方程，并令α1=α2=β1=β2=1，得 根据连续性方程 将上式表示为局部水头损失的一般式 或 或 特别地，当 A2＞＞A1时， 称为管道出口阻力系数。 （2）圆管突然缩小 其中 特别地，当 A1＞＞A2时， 称为管道入口阻力系数。 A1 A2 v1 v2 5.8 边界层与绕流阻力 液体在壁面围绕中的流动是内流问题。 外流问题指液体围绕壁面的流动，又称绕流运动。 液体作用在绕流物体上的力分为平行来流方向的力—绕 流阻力与垂直与来流方向的力—升力。 本节主要讨论有关绕流阻力问题。 （1） 边界层的概念 1904年，德国力学家普朗特首先提出边界层的概念。 当液体以速度 U0 流过固体壁面时，紧贴壁面一层的液 体速度为 0 。沿壁面的法线方向，流速由 0 增至U0 。于是， 壁面周围的流动就分为两个区域：一个是靠近壁面的、流速 由0 增至U0 的薄流层，称为边界层；另一个则是不存在速度 梯度的流动区域，相当于理想液体。可分别来求。边界层又 包括层流边界层和紊流边界层。 沿壁面法线方向，流速由0 增至0.99U0 的距离定义为边 界层厚度，以δ表示。 液体经过固体壁面后，首先出现的是层流边界层，然后 逐渐过渡为紊流边界层。紊流边界层内也存在着层流底层。 （2）边界层的分离现象 以液体绕过圆柱为例说明。 A B C 液体从 A 流向 B 时，流速增加， 压强减小；当液体从B 流向 C 时， 流速减小，压强增加，产生反向压差。在此压差作用下， 出现旋涡区，主流与壁面在C点脱离。 C点称为分离点。 y x C 分离点下游形成的旋涡区又称为尾流。 液体绕过物体时，机械能消耗包括两部分：一部分是 液体与固体表面摩擦，摩擦阻力耗能；另一部分则是尾流 旋涡区的能量消耗。 尾流耗能导致绕流物体前后形成压强差，因此而产生 的阻力称绕流物体的压差阻力。一般情况下，压差阻力远 大于摩擦阻力。 因此，旋涡区是出现压差阻力的主要原因。 为此，改变物体边界形状，使之不出现边界层分离， 消除旋涡区，这种形状的物体称为流线形物体。 边界层分离后，绕流物体两侧连续交替出现旋涡，并不 断被带到下游，形成两列，即所谓的卡门涡街（ Karman Street）。 卡门涡街会对绕流物体产生一定的影响。 （3）绕流阻力 绕流阻力包括摩擦阻力与压差阻力两部分。1726年牛顿 提出 式中 FD —绕流阻力； CD—绕流阻力系数，与绕流物体形状和雷诺数有关； U0—来流的速度； A—物体与来流垂直的迎流投影面积。 1851年，英国物理学家斯托克斯（Stokes）在假定直 径为 D 的圆球在无界的流体中以速度 U0 做直线运动（惯 性力与质量力均忽略不计）且不发生边界层分离现象的前 提下，根据实际流体的运动微分方程与连续性方程，求出 液体绕圆球的阻力为 套用前面的绕流阻力公式 其中 上式是在雷诺数 Re 远小于 1 的情况下得出，与实验吻 合良好。 第 5 章 水头损失（Head Loss) 5.1 水头损失的分类 （1）分类 根据流动边界的变化，分为两类。 沿程阻力—沿流动边界无变化的均匀流段产生的流动阻力。 沿程水头损失（friction loss）—沿程阻力引起