層流、紊流及其能量損失3

1、目錄目錄流動(dòng)的局部損失邊界層流動(dòng)與繞流阻力目錄目錄流動(dòng)的局部損失第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失一、常見局部阻一、常見局部阻力力目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失突擴(kuò)流動(dòng)突擴(kuò)流動(dòng)突縮流動(dòng)突縮流動(dòng)直角彎道與鈍角彎道流動(dòng)直角彎道與鈍角彎道流動(dòng)分叉流動(dòng)分叉流動(dòng)目錄目錄二、局部損失產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)二、局部損失產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失取決于流道邊壁突變產(chǎn)生的取決于流道邊壁突變產(chǎn)生的急變流內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的特征；急變流內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的特征；發(fā)生在一定距離內(nèi)，但可發(fā)生在一定距離內(nèi)，但可將其視為是在局部流道變將其視為是在局部

2、流道變化的較小范圍內(nèi)完成。化的較小范圍內(nèi)完成。時(shí)均流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化成脈時(shí)均流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化成脈動(dòng)能的過程有不可逆性；動(dòng)能的過程有不可逆性；除圓管的突擴(kuò)損失外，目前尚難以通過機(jī)理分析來定除圓管的突擴(kuò)損失外，目前尚難以通過機(jī)理分析來定量地確定局部損失的規(guī)律。量地確定局部損失的規(guī)律。根本原因在于流體的粘性和流道的局部突變！根本原因在于流體的粘性和流道的局部突變！強(qiáng)剪切層強(qiáng)剪切層+流動(dòng)分離流動(dòng)分離目錄目錄三、局部損失與局部損失系數(shù)三、局部損失與局部損失系數(shù)第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失gVhj22V特征斷面的平均流速特征斷面的平均流速局部損失系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定局部損失系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)

3、測定局部損失的大小與流態(tài)有關(guān)；局部損失的大小與流態(tài)有關(guān)；局部損失系數(shù)局部損失系數(shù)與流道邊壁的幾何特征有關(guān)；也與流道邊壁的幾何特征有關(guān)；也取決于雷諾數(shù)取決于雷諾數(shù)Re的大??；的大??；從實(shí)用觀點(diǎn)來看，流動(dòng)受到局部干擾后會(huì)較早地從實(shí)用觀點(diǎn)來看，流動(dòng)受到局部干擾后會(huì)較早地進(jìn)入阻力平方區(qū)。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，可以認(rèn)為在進(jìn)入阻力平方區(qū)。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，可以認(rèn)為在Re1104的條件下的條件下與雷諾數(shù)與雷諾數(shù)Re無關(guān)。無關(guān)。目錄目錄6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 gvgvAAhgvgvAAhff22122122222212211212212122221111AAAA局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù) 1 1圓管突

4、然擴(kuò)大圓管突然擴(kuò)大包達(dá)定理包達(dá)定理gvvhf2)(221四、幾種常用的局部損失系數(shù)四、幾種常用的局部損失系數(shù)注意：注意：計(jì)算時(shí)選用的阻力系數(shù)應(yīng)與流速頭相對(duì)應(yīng)！計(jì)算時(shí)選用的阻力系數(shù)應(yīng)與流速頭相對(duì)應(yīng)！11特例！特例！ 目錄目錄6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 2 2逐漸擴(kuò)大逐漸擴(kuò)大 gvvkhf2)(221吉布松實(shí)驗(yàn)k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù) 當(dāng)擴(kuò)張角 時(shí)，阻力最小。 為最佳擴(kuò)張角。75目錄目錄6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 擴(kuò)壓管應(yīng)用例擴(kuò)壓管應(yīng)用例離心水泵離心水泵軸流式風(fēng)機(jī)軸流式風(fēng)機(jī)離心風(fēng)機(jī)離心風(fēng)機(jī)目錄目錄6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 3 3突然縮小突然縮小 cA 流

5、線進(jìn)入小管時(shí)，形成一流線進(jìn)入小管時(shí)，形成一個(gè)過流斷面最小的收縮斷面，個(gè)過流斷面最小的收縮斷面，其面積為其面積為 。斷面收縮系數(shù) 1ccCAAA2/A10.010.10.20.30.40.50.60.70.80.91C Cc0.6180.6240.6320.6430.6590.6180.7120.7550.8310.8921.000.4900.4690.4310.3780.3430.2980.2570.2120.1610.0700突然縮小的局部阻力系數(shù)突然縮小的局部阻力系數(shù) 與與C Cc c的關(guān)系的關(guān)系gvhAAj215 . 022125 . 01特例！特例！ 目錄目錄5-55-5管管路路中中的

6、的局局部部阻阻力力 4 4逐漸縮小逐漸縮小 數(shù)逐漸縮小的局部阻力系 這種管道不會(huì)出現(xiàn)流線脫離壁面的問題，因此其阻力的這種管道不會(huì)出現(xiàn)流線脫離壁面的問題，因此其阻力的主要成分是沿程摩擦，一般消防管出口、水力采煤器的出口主要成分是沿程摩擦，一般消防管出口、水力采煤器的出口等均采用等均采用 的收縮角，其阻力系數(shù)常取為的收縮角，其阻力系數(shù)常取為0.040.04。 2010目錄目錄6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 5 5管道的進(jìn)出口管道的進(jìn)出口gvhf210AA21121，突然擴(kuò)大5 . 00AA12，突然縮小1 . 005. 001. 0 管道與大容器相連接時(shí)的管道進(jìn)出口管道與大容器相連接

7、時(shí)的管道進(jìn)出口 目錄目錄6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 6 6彎管與折管彎管與折管 90)(847. 1131. 05 . 3Rr0.10.20.30.40.50.60.70.80910.1320.1380.1580.2060.2940.440.6610.9771.4081.978Rr2sin407. 22sin946. 04220406080901001101201301600.0460.1390.3640.7410.9851.261.561.8612.152.43190彎管的局部阻力折管的局部阻力目錄目錄7 7三通接頭三通接頭 6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 9

8、0三通 0.11.31.3345三通 0.150.050.53目錄目錄6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 8 8閘板閥與截止閥閘板閥與截止閥 開度%102030405060708090全開閘板閥60156.53.21.81.10.600.300.180.1截止閥8524127.55.74.84.44.14.03.9目錄目錄五、局部損失的疊加五、局部損失的疊加第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失gvdLgvdllgvdldlgvdlheef22)(2)(2)(2222當(dāng)量管長el總阻力長度Lgvgvgvdlhef22)(2)(222當(dāng)量局部阻力系數(shù)e總阻力系數(shù)局部阻力

9、系數(shù)是在不受其他阻力干擾的孤立條件下測定的；局部阻力系數(shù)是在不受其他阻力干擾的孤立條件下測定的；若幾個(gè)局部區(qū)域互相靠近，則與孤立的測定值可能不同。若幾個(gè)局部區(qū)域互相靠近，則與孤立的測定值可能不同。 水頭損失的疊加原則水頭損失的疊加原則 實(shí)際情況中，在計(jì)算一條管道上的總水實(shí)際情況中，在計(jì)算一條管道上的總水頭（壓強(qiáng)、能量）損失時(shí)，只能將管道上的所有沿程損失與局頭（壓強(qiáng)、能量）損失時(shí)，只能將管道上的所有沿程損失與局部損失按算術(shù)加法求和計(jì)算。部損失按算術(shù)加法求和計(jì)算。gvdlhgvgvdlhff2)(22222或目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失例題：例題： 如圖所示直徑如

10、圖所示直徑d=500mm的引水管從上游水庫的引水管從上游水庫引水至下游水庫，管道傾斜段的傾角引水至下游水庫，管道傾斜段的傾角=30，彎頭彎頭a和和b均為折管，引水流量均為折管，引水流量Q=0.4m3/s，上游水庫水深上游水庫水深h1=3.0m，過流斷面寬度過流斷面寬度B1=5.0m，下游水庫水深下游水庫水深h2=2.0m，過流斷面寬度過流斷面寬度B2=3.0m。求引水管進(jìn)口、求引水管進(jìn)口、出口、彎頭出口、彎頭a和和b處損失的水頭。處損失的水頭。目錄目錄解解 引水管截面面積 222196. 05 . 044mdA 斷面平均流速 smAQV/04.2196.04 .0 （1）引水管進(jìn)口 選取斷面

11、1-1 位于上游水庫內(nèi)，斷面 3-3 位于引水管進(jìn)口。則斷面1-1 與 3-3 間為突然縮小式流道。A1=B1h1，A3=A。假定進(jìn)口局部損失可以按圓斷面突然縮小情況來近似，由表 5-4（序號(hào) 3）知 gVhj223131 133115 . 0AA 因此 493. 035196. 015 . 015 . 01131hBA mhj10. 08 . 9204. 2493. 0231 第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失目錄目錄 （2）引水管出口選取斷面 1-1 位于下游水庫內(nèi)，斷面 4-4 位于引水管進(jìn)口。則斷面 4-4 與 2-2 間為突然擴(kuò)大式流道。A4=A，A2=B2h2。

12、由表 5-4（序號(hào)6）知 gVhj222424 2242415 . 0AA 因此 936. 023196. 011222224hBA mhj20. 08 . 9204. 2936. 0224 （3）彎頭 a 和 b 由表 5-4（序號(hào) 7）知，a=30，=0.2。因此 mgVhhjbja04. 08 . 9204. 22 . 0222第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失邊界層流動(dòng)與繞流阻力大雷諾數(shù)流動(dòng)的慣性作用遠(yuǎn)大于粘性作用，類似于大雷諾數(shù)流動(dòng)的慣性作用遠(yuǎn)大于粘性作用，類似于理想流體的流動(dòng)，繞流阻力應(yīng)該相當(dāng)，但實(shí)際

13、上二理想流體的流動(dòng)，繞流阻力應(yīng)該相當(dāng)，但實(shí)際上二者相差甚遠(yuǎn)。為什么？者相差甚遠(yuǎn)。為什么？問題的提出普朗特的邊界層理論普朗特的邊界層理論目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失繞流流動(dòng)一：尾部繞流流動(dòng)一：尾部為鈍體為鈍體繞流流動(dòng)二：尾部繞流流動(dòng)二：尾部為球體為球體繞流流動(dòng)二：流線繞流流動(dòng)二：流線體逆流和順流體逆流和順流目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失邊界層概念無滑移條件無滑移條件沿固體壁面存在較大的法向梯度沿固體壁面存在較大的法向梯度邊界內(nèi)的粘性不能忽略邊界內(nèi)的粘性不能忽略)(x邊界內(nèi)的名義厚度邊界內(nèi)的名義厚度Uu99. 0邊界內(nèi)雷諾數(shù)邊界內(nèi)雷

14、諾數(shù)vxURe轉(zhuǎn)捩數(shù)轉(zhuǎn)捩數(shù)65*103103至eR壁面流動(dòng)有如下特點(diǎn)壁面流動(dòng)有如下特點(diǎn)目錄目錄邊界層分離第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失（a）（）（b）：）：順壓梯度和較小的逆壓梯度順壓梯度和較小的逆壓梯度（c）（）（d）：）：順壓梯度順壓梯度+較大的逆壓梯度較大的逆壓梯度=分離分離是產(chǎn)生繞流阻力的主要原因是產(chǎn)生繞流阻力的主要原因流線體流線體鈍形體鈍形體00 xpxp和目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失0, 000yyyu分離點(diǎn)分離點(diǎn)分離點(diǎn)位置與形狀有關(guān)分離點(diǎn)位置與形狀有關(guān)產(chǎn)生回流形成尾流區(qū)產(chǎn)生回流形成尾流區(qū)分離的不利處是增大流動(dòng)阻力分離的不利

15、處是增大流動(dòng)阻力尾流或尾跡尾流或尾跡分離點(diǎn)分離點(diǎn)卡門渦街的形態(tài)主要卡門渦街的形態(tài)主要取決于雷諾數(shù)的大小取決于雷諾數(shù)的大小目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失4 4、大雷諾數(shù)、大雷諾數(shù) 2 2、小雷諾數(shù)繞流、小雷諾數(shù)繞流1 1、準(zhǔn)理想流體、準(zhǔn)理想流體 3 3、中雷諾數(shù)、中雷諾數(shù)邊界層分離例子目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失邊界層分離例子1 1、輸電線在風(fēng)中呼嘯，斜拉桿振動(dòng)、輸電線在風(fēng)中呼嘯，斜拉桿振動(dòng)2 2、鍋爐內(nèi)煙氣流過管束、鍋爐內(nèi)煙氣流過管束目錄目錄風(fēng)振形式：風(fēng)振形式：顫振和渦振（自激振動(dòng)）顫振和渦振（自激振動(dòng)）+抖振（強(qiáng)迫振動(dòng)）抖振（

16、強(qiáng)迫振動(dòng)）迎風(fēng)面正壓迎風(fēng)面正壓 背風(fēng)面負(fù)壓背風(fēng)面負(fù)壓側(cè)彎與扭轉(zhuǎn)側(cè)彎與扭轉(zhuǎn) 強(qiáng)烈耦合強(qiáng)烈耦合不規(guī)則斷面鈍頭不規(guī)則斷面鈍頭卡門渦街導(dǎo)致渦振卡門渦街導(dǎo)致渦振渦振頻率與渦振頻率與固有頻率耦合固有頻率耦合 塔科馬峽谷大橋：主跨塔科馬峽谷大橋：主跨853米，米， 遇難時(shí)遇難時(shí)8級(jí)風(fēng)級(jí)風(fēng)20m/s，橋面傾斜橋面傾斜45度，后折斷度，后折斷第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失邊界層分離例子目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失邊界層分離邊界層分離1 1、流線體無攻角繞流、流線體無攻角繞流 2 2、平板繞流、平板繞流3 3、流線體無攻角繞流、流線體無攻角繞流邊界層分離例

17、子目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失左邊：光滑球左邊：光滑球 右邊：窩紋球右邊：窩紋球邊界層分離例子目錄目錄繞流阻力（摩擦阻力+形狀阻力）和升力鈍形體繞流阻力含：摩擦阻力與壓差阻力或形體阻力鈍形體繞流阻力含：摩擦阻力與壓差阻力或形體阻力第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失22UACDD是形體阻力系數(shù)DCDC繞流阻力的計(jì)算目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失a）小雷諾數(shù)的圓球繞流小雷諾數(shù)的圓球繞流斯托克斯公式斯托克斯公式1,24eeDRRCdUdUD33b）小雷諾數(shù)的圓柱繞流小雷諾數(shù)的圓柱繞流蘭姆公式蘭姆公式1,)ln2(8

18、eeeDRRRC目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失D D 圓球圓球1.8D1.8D 半圓球半圓球0.65D0.65D 圓板盤圓板盤1.034D1.034D 圓錐體圓錐體2.59D2.59D10.4D10.4D流線體流線體: :長度長度/ /直徑直徑=4=4來流方向來流方向不同形狀和大小的物體居然具有同樣的阻力！不同形狀和大小的物體居然具有同樣的阻力！形狀阻力形狀阻力目錄目錄第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失帶小凸起和溝紋的新式游泳衣帶小凸起和溝紋的新式游泳衣（曾在雅典奧運(yùn)會(huì)上亮相）（曾在雅典奧運(yùn)會(huì)上亮相）摩擦阻力摩擦阻力一定的非光滑表面比光滑表面更能減少運(yùn)動(dòng)阻力！一定的非光滑表面比光滑表面更能減少運(yùn)動(dòng)阻力！目錄目錄AB粗糙粗糙光滑光滑流速流速v v阻力阻力f f第第六六章章 層層流流紊紊流流及及其其能能量量損損失失a）如何解釋如何解釋粗糙球與光滑粗糙