1、2018/3/10,流动阻力和水头损失,1,内容提要 ：主要讲解液体处于运动状态下的阻力存在的原因以及能量方程中的水头损失的计算；讨论沿程阻力系数和局部阻力系数与流动边界之间的关系和影响。,第四章 流动阻力和水头损失Flow Resistance & Head Loss,2018/3/10,流动阻力和水头损失,2,问题：理想液体和实际液体的区别？有无粘滞性是理想液体和实际液体的本质区别。 粘滞性是液流产生水头损失的决定因素。4-1 水头损失的物理概念及其分类 水头损失：单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能。 一、分类：根据流动边界情况 沿程水头损失 局部水头损失,第四章 流动阻力和
2、水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,3,1、沿程水头(阻力) 损失hf 定义： 水头损失沿程均有并随沿程长度增加。主要由于液体与管壁以及液体本身的内部摩擦，使得液体能量沿程降低。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,4,特点：1)沿程阻力均匀地分布在整个均匀流流段上； 2)沿程阻力与管段的长度成正比。,u1,u2,a,b,c,d,hf a-b,hj b,hj a,hf b-c,hj c,hf c-d,u22/(2g),hw=hf+ hj,u12/(2g),第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,5,2、局部水头（阻力）损
3、失hj 定义：局部区域内液体质点由于相对运动产生较大能量损失。 特点：能损发生在流动边界有急变的流域及其附近,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,6,常见的发生局部水头损失区域 只要局部地区边界的形状或大小改变，液流内部结构就要急剧调整，流速分布进行改组流线发生弯曲并产生旋涡，在这些局部地区就有局部水头损失。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,7,(1) 液体具有粘滞性。 (2) 由于固体边界的影响，液流内部质点之间 产生相 对运动。 液体具有粘滞性是主要的，起决定性作用。,液流产生水头损失的两个条件,第四章 流动阻力和水头损失
4、,2018/3/10,流动阻力和水头损失,8,式中： 代表该流段中各分段的沿程水头损 失的总和； 代表该流段中各种局部水头损失的 总和。,液流的总水头损失hw,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,9,液流边界几何条件对水头损失的影响 1、液流边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影响 可用过水断面的水力要素来表征，如过水断面的面积A、湿周 及力半径R等。 对圆管：,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,10,2、液流边界纵向轮廓对水头损失的影响 因边界纵向轮廓的不同，可有两种不同 形式的液流：均匀流与非均匀流,均 匀 流,第四章 流动
5、阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,11,非均匀流,均匀流时无局部水头损失，非均匀渐变流时局部水头损失可忽略不计，非均匀急变流时两种水头损失都有。,第四章 流动阻力和水头损失,+hj,2018/3/10,流动阻力和水头损失,12,二、水头损失的计算公式沿程阻力损失的计算公式为: hf=(l/d)u2/(2g),局部阻力损失的计算公式为: hj= u2/(2g) 上述公式是长期工程实践经验的总结，把能量损失的计算问题转化为求阻力系数的问题。这两系数必须借助于典型实验，用经验或半经验方法求得,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,13,hf与hj的
6、比较：相同：都是由于液体在运动过程中克服阻力而引起不同： 沿程阻力主要为“摩擦阻力” ； 局部阻力主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水流内部结构遭受破坏，产生漩涡，以及局部阻力之后，水流还要重新调整整体结构以适应新的均匀流条件所造成的。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,14,4-2 雷诺实验层流与紊流一、雷诺试验,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,15,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,16,层流：各层质点互不掺混,紊流：随机脉动的流动,过渡流：层流与紊流之间的流动,第四章 流动阻力和
7、水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,17,对于等径管，由能量方程知计算公式为：hf=(p1-p2 / 记录层流与紊流情况下的平均流速u与对应的hf，作u-hf关系曲线。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,18,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,19,线段AC及ED都是直线， 用 表示 即 层流时适用直线AC， ，即 m1。 紊流时适用直线DE， , m1.752。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,20,临界速度：流态转变时的速度。 下临界速度：由紊流转变为层流时的速度vc 上临
8、界速度：由层流转变为紊流时的速度vc实验证明， vc远小于vc通过正反两种实验情况，雷诺得出如下结果： 当v vc时，流体作紊流运动； 当v vc时，流体作层流运动； 当vc v ks时，管壁的绝对粗糙度完全淹没在粘性底层中，它对紊流核心区几乎没有影响，这时的管道称水力光滑管；当 ks时，管壁的绝对粗糙度完全暴露在粘性底层外，紊流核心的运动液体冲击突起部分，不断产生新的旋涡，加剧紊乱程度，增大能损。粗糙度的大小对紊流特性直接产生影响，这时管道称为水力粗糙管。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,59,当与ks近似相等，凹凸不平部分显露影响，但还未对紊流产生决定性
9、作用，介于两种情况之间的 过渡状态，有时也把它划入水力粗糙管的范畴。 水力光滑和水力粗糙是相对概念。因为流动情况改变，Re数也随之变化， 便相应变薄或变厚。它与管壁的几何光滑和几何粗糙是不同的。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,60,二、尼古拉兹实验及沿程阻力系数的经验公式 实验研究和分析表明与管道Re和管壁（ks/d）有关。 为了找出 =f(Re, ks/d)的内在规律，1933年尼古拉兹对六种在管道内壁上涂有不同沙粒的人工管进行了试验，每种管都从最低的雷诺数开始，直到Re=105止。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,6
10、1,以 Re=ud/ 为横坐标，以 hf/(l/d)(u2/2g)为纵坐标，将实验点标在双对数坐标纸上，即为尼古拉兹实验曲线。 尼古拉兹实验曲线可分为五个阻力区域：1）层流区当Re2300时，不论(ks/d)为多少，与Re的关系为直线I ，与相对粗糙度无关。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,62,该直线的方程式为 64/Re的对数式。可见理论分析得到的层流计算公式是正确的。层流的特征是粗糙度不影响，水头损失正比于速度的一次方。即 hf= (64/Re) (l/d)u2/(2g) u2）层流向紊流过渡的过渡区（临界区）当2300 Re Re4000)此区特点：
11、 水头损失正比于速度的1.75次方。因为, u1.75,（适用于全部光滑管紊流区)（ 22.2(d/ks)8/7 Re4000),此区亦采用尼古拉兹光滑管半经验式：,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,66,2） 水力光滑区与粗糙区之间的过渡区（过渡区）各种不同(ks/d)的管道实验点均脱离直线III。既与Re有关，也与(ks/d)有关。此时与ks近似相等，开始时还稍大于ks 。后来ks又稍大于。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,67,过渡区的前半部分与后半部分分别带有光滑管和粗糙管的特点。其采用柯列布鲁克经验公式：,该公式不
12、仅适用于过渡区，而且适用于Re为(4000 105)的整个紊流的III、IV、V三个阻力区。是紊流沿程阻力的综合计算公式。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,68,但此式较复杂，可采用其简化形式，阿里特苏里公式：,适用于Re2300紊流各区,一般对旧钢管和旧铸铁管，常采用紊流过渡区的舍维列夫经验公式：,u1.2m/s,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,69,3）粗糙区（粗糙管紊流区） 随着 Re的进一步增大，超过虚线界后，进入粗糙管紊流区V，此时(ks/d)是决定值的唯一因素。 因为Re较高，ks远大于，粘性底层已不起多大作用
13、，紊流特征几乎遍及全管。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,70,其简化形式为希林松粗糙区公式，即,此区可采用尼古拉兹粗糙管经验公式，即,第四章 流动阻力和水头损失,由于与Re无关，水头损失将正比于流速的平方，故粗糙区又称阻力平方区。,2018/3/10,流动阻力和水头损失,71,实际计算中，对于一般旧钢管和旧铸铁管，常采用粗糙区的舍维列夫经验公式： = 0.021 / d0. 3 (u 1.2 m/s)或采用谢才公式 u2 = C2RJ 由于J=hf/l，故,即 = 8g/C2 可见谢才公式与达西公式是一致的,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,
14、流动阻力和水头损失,72,式中 n为反映壁面粗糙性质，并与流动性质无关的系数，称粗糙系数。,1895年，爱尔兰工程师曼宁提出计算谢才系数的经验公式：,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,73,三、工业管道的实验曲线Moody图,工业用各种不同粗糙度圆管沿程阻力系数与雷诺数关系曲线图,2018/3/10,流动阻力和水头损失,74,尼古拉兹曲线是通过采用直径一致的人工粗糙沙粒的粗糙管道实测的，紊流有明显的光滑区； 而工业管道则不可能制作粗糙度完全一致的管道。由于壁面的高低不一，紊流将无明显的光滑区，而进入粗糙区； 粗糙区时，人工或工业管道由于粗糙面完全暴露在紊流中，
15、水头损失的变化规律就一致。 在相同的情况下，可用人工管道的相对粗糙度来表示工业管道的相对粗糙度当量粗糙度。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,75,莫迪图比尼古拉兹实验曲线更具可靠性，所以从图上查值要以莫迪图为准。例：某水管长L500m，直径d=0.2m，管壁粗糙高度为0.1mm，如输送流量Q=10L/s，水温10度，计算沿程水头损失。解：平均流速 u=Q/A=0.318m/s 水温100C的运动粘性系数 =0.01310cm2/s由于Re=ud/=48595（2300105）故水流为紊流，且处于紊流光滑区。可采用布拉修斯公式求沿程阻力系数：,第四章 流动阻力
16、和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,76,=0.316/ Re0.25 =0.316/485950.25 = 0.0213沿程水头损失： hf=(L/d)u2/(2g)=0.0213*(500/0.2) * 0.3182 /(2*9.8)=0.297m,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,77,例2：旧铸铁管直径d=25cm，长700m，通过流量为56l/s，水温度为10度，求通过这段管道的水头损失。解：管道的平均流速：u=Q/A=1.14m/s 由于u1.2m/s，可采用旧铸铁管计算阻力系数的舍维列夫公式，即,= 0.032,沿程水头损失： h
17、f=(L/d)u2/(2g)=0.032*(700/0.25) 1.142 /(2*9.8)=5.94m,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,78,4-7局部水头损失 当流动断面发生突变（突然扩大或缩小、转弯、分叉等），液体产生涡流、变形。由此产生的能损，称为局部能损。,局部能损的种类很多，概括起来可分为1）涡流损失；2）加速损失；3）转向损失；4）撞击损失。 由于局部能损的计算还不能从理论上根本解决，一般需借助于实验来得到经验公式或系数。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,79,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,
18、流动阻力和水头损失,80,一、局部水头损失的一般分析 局部水头损失的计算公式为 hj=u2/(2g) 大量实验表明， 与雷诺数和突变形式有关。但在实际流动中，由于局部突变处漩涡的干扰，致使流动在较小的Re数下已进入阻力平方区。故一般情况下，只取决于局部突变的形式，与Re数无关。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,81,二、几种典型的局部损失系数1、突然扩大管,2,2,p2,p1,u2,u1,G,0,0,z1,z2,1,1,A1,A2,由于1-1、2-2两渐变流断面距离小，故可忽略其hf ，列能量方程：,p,p,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流
19、动阻力和水头损失,82,对1-1、2-2两断面间液体列动量方程： p1A1-p2A2+p(A2-A1)+Gcos =Q(u2-u1)又 Gcos = gA2 (z1-z2)；实验证明 p=p1 故,由此,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,83,应用连续方程 u2=(A1/A2) u1 或u1=(A2/A1) u2代入得,注意：局部阻力系数是对应于断面流速的，同一局部形式，由于所取的断面流速不同，其对应的损失系数也不同。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,84,当液体在淹没出流情况下，即为突扩，且是突扩特例，即A1/A20， 1
20、=1，一般称之为管道出口水头损失系数。管道和明渠常用的一些局部水头损失系数可查阅相关的资料手册。2、突然缩小管道 突然缩小管的局部水头损失取决于面积收缩比。根据大量实验结果，其损失系数可按下列经验公式：,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,85,3、其它局部水头损失参阅书本P68页。,当液体从很大容器流入管道，A2/A10， 2=0.5，一般称之为管道进出口水头损失系数。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,86,4-8 水头损失叠加原则 上述局部阻力损失系数多是在不受其它干扰的孤立情况下测定的，如果有几个局部阻力互相靠近，彼此干
21、扰，此时需将管路上所有沿程损失与局部损失按算术加法求和计算，这就是水头损失的叠加原则。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,87,4-9 减小阻力的措施 减小流动阻力是流体力学中的一个重要研究课题。这方面的研究成果，对国民经济和国防建设有有着重要的作用。 减小管道中液体运动阻力的途径有两条：1）改善液体外部的边界，改善边壁对流动的影响；2）在液体内添加少量添加剂，降低摩擦阻力。,第四章 流动阻力和水头损失,2018/3/10,流动阻力和水头损失,88,y,x,a,a,b,b,l ,+,A,A,o,管轴线,u=f(y),某一瞬时，原位于层上的a质点，某种偶然因素以
22、脉动速度uy向上流动，穿过A-A截面到达时均速度为+层的a点。,单位时间内通过A-A截面单位面积的液体质量为uy 。由于液体具有x方向的流速，其瞬时值为 u= + u ，因而也就有 x方向的动量uy ( + u )由下层转入上层。根据动量定律，动量的变化率等于作用力。由于横向脉动产生的x方向的动量传递，使A-A截面上产生了x方向的作用力，此切向作用力即为附加作用力：,取时均值,2018/3/10,流动阻力和水头损失,89,根据连续性原理，若t时段内，微元内有质量ux Axt自Ax面流入，则必有uyAyt的质量自Ay面流出，即ux Axt+uyAyt=0可得： ux =- uy (Ay/ Ax)即纵向脉动流速与横向脉动流速成比例，面积总为正值，因此，其符号相反。为使附加切应力以正值出现，故前面需加一负号。即,ux,uy,Ax,Ay,Ax,
