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工程流体力学管内流动和水力计算第1页/共150页 总流的动能修正系数由截面 A1 至截面 A2平均单位重量流体的内能增量为切向摩擦力做功流体机械能减少内能增加转化为热hw为由截面 A1 至截面 A2平均单位重量流体的能量损失第2页/共150页 重力场中不可压缩流体总流定常流动的能量方程第3页/共150页 适用于重力作用下的不可压缩粘性流体定常流动任意二缓变流截面，而且不必顾及在该二缓变流之间有无急变流存在。不可压缩粘性流体总流的伯努利方程 α1。工业管道通常流动条件下，α =1.01~ 1.10 ；流动紊乱程度越大，越接近1。因此，在工程中，通常α =1，且以v代表平均流速va第4页/共150页 总流机械能逐渐减小，实际总水头线逐渐下降第5页/共150页 第6页/共150页 第7页/共150页 §6.1 管内流动能量损失流体有粘性壁面处粘附 v=0沿截面的速度变化流动的垂直方向上速度梯度流层之间切向应力阻力克服阻力消耗机械能主流速度转化为热能 粘性流体在管内流动时，机械能必定逐渐减少——能量损失第8页/共150页 §6.1 管内流动能量损失沿程能量损失局部能量损失粘性流体在通道中流动时的能量损失第9页/共150页 §6.1 管内流动能量损失一、沿程能量损失 简称沿程损失，是发生在缓变流整个流程中的能量损失，是由流体的粘滞力造成的损失。单位重量流体的沿程损失，以hf表示达西-魏斯巴赫公式，简称达西公式，式中?为沿程损失系数，与雷诺数以及管壁粗糙度有关，是一个无量纲系数。l为管道长度。 沿程损失特征：同样条件下，管道越长，能量损失越大第10页/共150页 二、局部能量损失 简称局部损失，是发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失。是主要由流体微团的碰撞、流体中的涡流等造成的损失。变径管发生位置弯头阀门渐扩渐缩突扩突缩…局部损失系数由实验确定单位重量流体的局部损失，以hj表示第11页/共150页 整个管道的能量损失工程管道系统有许多管段和管件（如接头、阀门等），整个管道的能量损失是各能量损失之和第12页/共150页 §6.2 粘性流体的两种流动状态雷诺实验 流速较低整个流场呈一簇相互平行的流线，这种流动状态称为层流第13页/共150页 §6.2 粘性流体的两种流动状态雷诺实验 流速逐渐增大到一定数值流束开始振荡，处于不稳定状态 — 过渡过程第14页/共150页 §6.2 粘性流体的两种流动状态雷诺实验 流速再增加，流束破裂流体质点做复杂无规则的运动，这种流动状态称为紊流第15页/共150页 §6.2 粘性流体的两种流动状态雷诺实验流体由层流过渡到紊流状态的速度极限值称为上临界速度，以v′cr表示。第16页/共150页 §6.2 粘性流体的两种流动状态雷诺实验 流速自 v′cr始逐渐降低至 v′cr仍处于紊流状态第17页/共150页 §6.2 粘性流体的两种流动状态雷诺实验 流速继续降低到某一速度，紊流状态又恢复到层流状态第18页/共150页 §6.2 粘性流体的两种流动状态雷诺实验流体由层流状态过渡到紊流状态的速度极限值称为上临界速度，以v′cr表示。流体由紊流状态过渡到层流状态的速度极限值称为下临界速度，以vcr表示。第19页/共150页 §6.2 粘性流体的两种流动状态粘性流体流动状态层流紊流不定下临界速度上临界速度第20页/共150页 雷诺用装置(a)测定了hf随v的变化规律第21页/共150页 §6.2 粘性流体的两种流动状态 沿程损失与流动状态有关，因此，要计算各种流体管道的沿程损失，必须先判别流体的流动状态。对数坐标的直线方程：第22页/共150页 §6.2 粘性流体的两种流动状态对于直径为d 的圆截面管道流体通道（或绕流的物体）的特征尺寸仅靠临界速度来判断流动状态很不方便，因为流体的粘度、密度以及流道线性尺寸不同，临界速度也不一样雷诺数Re第23页/共150页 §6.2 粘性流体的两种流动状态工程上层流紊流层、紊实验发现，不论流体的性质和管径如何变化紊上临界雷诺数在工程上没有实用意义第24页/共150页 第25页/共150页 §6.3 流道入口段中的流动1、边界层 粘性流体流经固体壁面时，在固体壁面与主流之间有一个流速变化的区域，在高速流中这个区域是个薄层，称为边界层。 边界层中流体流动状态有层流和紊流之分。 边界层的厚度沿流动方向逐渐增长，而且紊流边界层比层流边界层增长得快。第26页/共150页 §6.3 流道入口段中的流动2、管道入口段 流体进入管内后，靠近壁面的流动受到阻滞，流速降低，形成边界层。 管内流量一定，边界层厚度逐渐增大，则未受壁面影响的中心部分流速必将加快。这种不断改变流速分布的流动一直发展到边