1、流体力学,4.1 沿程损失和局部损失,4.2 层流与紊流、雷诺数,4.3 圆管中的层流运动,4.4 紊流运动的特征和紊流阻力,4.5 尼古拉兹实验,4.6 工业管道紊流阻力系数的计算公式,4.7 非圆管的沿程损失,4.8 管道流动的局部损失,4.9 减小阻力的措施,第四章流动阻力和能量损失,单位重量流体的平均能量损失,固体边壁,速度梯度,粘性,流动阻力,能量损失,一、流动阻力和能量损失的分类,2.局部阻力,1.沿程阻力,局部能量损失(局部水头损失),沿程能量损失(沿程水头损失),复习,2.局部能量损失,1.沿程能量损失,发生在均匀流(缓变流)整个流程中的能量损失，由流体的沿程摩擦阻力造成的损失
2、。,发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，即在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。,复习,二、能量损失的计算公式,单位重力流体的沿程能量损失,沿程损失系数,管道长度,管道内径,单位重力流体的动压头（速度水头）。,1.沿程水头损失,复习,2、局部水头损失,单位重力流体的局部能量损失。,单位重力流体的动压头（速度水头）。,局部损失系数,用压强损失表示:,复习,三、总能量损失,整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的叠加。,总能量损失(水头损失)。,复习,第二节层流和紊流、雷诺数,一、雷诺实验,1883年英国物理学家雷诺在与图4-2类似的装置上进行了实验。
3、试验时，水箱A内水位保持不变，阀门C用于调节流量容器D内盛有容重与水相近的颜色水，经细管E流入玻璃管，阀门F用于控制颜色水流量。,当管B内流速较小时，管内颜色水成一股细直的流束，这表明各液层间毫不相混。这种分层有规则的流动状态称为层流。当阀门F逐渐开大流速增加到某一临界流速时，颜色水出现摆动，继续增大流速，则颜色水迅速与周围清水相混，这表明液体质点的运动轨迹是极不规则的，各部分流体互相剧烈掺混这种流动状态称为紊流。,实验现象,层流：着色流束为一条明晰细小的直线。表明整个流场呈一簇互相平行的流线，流动状态分层规则。,紊流：着色流束迅速与周围流体相混，颜色扩散至整个玻璃管。表明流体质点作复杂的无规
4、则的运动,各部分流体互相剧烈掺混。,过渡状态：着色流束开始振荡摆动。表明流体质点的运动处于不稳定状态。,层流、紊流和雷诺数,二、沿程损失与流动状态,实验装置,层流、紊流和雷诺数,实验结果,结论： 沿程损失与流动状态有关，故计算各种流体通道的沿程损失，必须首先判别流体的流动状态。,层流：,紊流：,层流、紊流和雷诺数,三、流态的判别准则临界雷诺数,1、实验发现,2、临界流速,下临界流速（紊流过渡到层流状态下的流体速度）,上临界流速（层流过渡到紊流状态下的流体速度）,层 流：,不稳定流：,紊 流：,流动较稳定,流动不稳定,层流、紊流和雷诺数,3、临界雷诺数,层 流：,不稳定流：,紊 流：,下临界雷诺
5、数,上临界雷诺数,工程上常用的圆管临界雷诺数,层 流：,紊 流：,雷诺数,层流、紊流和雷诺数,例4.1 水和油的运动粘度分别为 和 ，若它们以v0.5m/s 的流速在直径为d100mm的圆管中流动，试确定其流动形态；若使流动保持为层流，最大流速是多少？,解: (1)水的流动雷诺数,所以流动为紊流流态。 保持层流的最大流速是临界流速:,(2)油的流动雷诺数,所以流动为层流流态。 油流动保持为层流的最大流速：,层流、紊流和雷诺数,例4-2 某低速风管道，直径d200mm，风速v3. 0m/s ，空气温度是30C。（1）试判断风道内气体的流态；（2）该风道的临界流速是多少？,解: (1)查表得空气的
6、运动粘滞系数,管中流动雷诺数：,所以流动为紊流流态。,（2）风道的临界流速：,层流、紊流和雷诺数,四、流态分析,层流：,滑动摩擦阻力,规则流层,紊流：,滑动摩擦阻力，惯性阻力,质点掺混碰撞,大得多,流体的流动状态是层流还是紊流，对于流场的速度分布、产生阻力的方式和大小，以及对传热传质过程和动量传递规律等都各不相同，所以在研究这些问题之前，首先需要判别流体的流动是属于哪一种状态。,层流、紊流和雷诺数,惯性力=ma,粘性力,雷诺数物理意义：雷诺数反映了惯性力和粘性力的对比关系。 因此可用来判别流态。当Re较小时粘性力作用大，对质点运动起约束作用，流体质点表现为有秩序互补掺混的层流状态。当ReRecr时，惯性力起主导作用，粘性力控制减弱，不足以控制和约束外界扰动，惯性力将微小扰动不断扩大，形成紊流。,层流、紊流和雷诺数,粘性流体在圆管中紊流流动时，紧贴固体壁面有一层很薄的流体，受壁面的限制，脉动运动几乎完全消失，粘滞起主导作用，基本保持着层流状态，这一薄层称为粘性底层。,圆管中紊流的区划:,2.紊流充分发展的中心区,1.粘性底层区,3.由粘性底层区到紊流充分发展的中心区的过渡区,粘性底层:,五、流动空间分布特征,粘性层流底层、过渡区和紊流核心区,层流、紊流和雷诺数,本节作业,习题 4.3习题 4.5,
