層流、紊流及其能量損失3

1、目錄目錄流動的局部損失邊界層流動與繞流阻力目錄目錄流動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流動突擴流動突縮流動突縮流動直角彎道與鈍角彎道流動直角彎道與鈍角彎道流動分叉流動分叉流動目錄目錄二、局部損失產生的原因和特點二、局部損失產生的原因和特點第第六六章章 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生的取決于流道邊壁突變產生的急變流內流動結構的特征；急變流內流動結構的特征；發(fā)生在一定距離內，但可發(fā)生在一定距離內，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完成?；妮^小范圍內完成。時均流動的能量轉化成脈時均流動的能量轉化成脈動能的過程有不可逆性；動能的過程有不可逆性；除圓管的突擴損失外，目前尚難以通過機理分析來定除圓管的突擴損失外，目前尚難以通過機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！強剪切層強剪切層+流動分離流動分離目錄目錄三、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)實驗測定局部損失系數(shù)，根據(jù)實驗

3、測定局部損失的大小與流態(tài)有關；局部損失的大小與流態(tài)有關；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；也與流道邊壁的幾何特征有關；也取決于雷諾數(shù)取決于雷諾數(shù)Re的大小；的大小；從實用觀點來看，流動受到局部干擾后會較早地從實用觀點來看，流動受到局部干擾后會較早地進入阻力平方區(qū)。在實際計算時，可以認為在進入阻力平方區(qū)。在實際計算時，可以認為在Re1104的條件下的條件下與雷諾數(shù)與雷諾數(shù)Re無關。無關。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、然擴大圓管突然擴大包達定理包達定理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：計算時選用的阻力系數(shù)應與流速頭相對應！計算時選用的阻力系數(shù)應與流速頭相對應！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逐漸擴大逐漸擴大 gvvkhf2)(221吉布松實驗k為經驗系數(shù) 當擴張角 時，阻力最小。 為最佳擴張角。75目錄目錄6-56-5管管路路中中的的局局部部阻阻力力 擴壓管應用例擴壓管應用例離心水泵離心水泵軸流式風機軸流式風機離心風機離心風機目錄目錄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、線進入小管時，形成一流線進入小管時，形成一個過流斷面最小的收縮斷面，個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的關系的關系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 這種管道不會出現(xiàn)流線脫離壁面的問題，因此其阻力的這種管道不會出現(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管道的進出口管道的進出口gvhf210AA21121，突然擴大5 . 00AA12，突然縮小1 . 005. 001. 0 管道與大容器相連接時的管道進出口管道與大容器相連接

7、時的管道進出口 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當量管長el總阻力長度Lgvgvgvdlhef22)(2)(222當量局部阻力系數(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；若幾個局部區(qū)域互相靠近，則與孤立的測定值可能不同。若幾個局部區(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 實際情況中，在計算一條管道上的總水實際情況中，在計算一條管道上的總水頭（壓強、能量）損失時，只能將管道上的所有沿程損失與局頭（壓強、能量）損失時，只能將管道上的所有沿程損失與局部損失按算術加法求和計算。部損失按算術加法求和計算。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。求引水管進口、求引水管進口、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）引水管進口 選取斷面

11、1-1 位于上游水庫內，斷面 3-3 位于引水管進口。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 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，斷面 4-4 位于引水管進口。則斷面 4-4 與 2-2 間為突然擴大式流道。A4=A，A2=B2h2。

12、由表 5-4（序號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 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與繞流阻力大雷諾數(shù)流動的慣性作用遠大于粘性作用，類似于大雷諾數(shù)流動的慣性作用遠大于粘性作用，類似于理想流體的流動，繞流阻力應該相當，但實際

13、上二理想流體的流動，繞流阻力應該相當，但實際上二者相差甚遠。為什么？者相差甚遠。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一：尾部繞流流動一：尾部為鈍體為鈍體繞流流動二：尾部繞流流動二：尾部為球體為球體繞流流動二：流線繞流流動二：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的粘性不能忽略邊界內的粘性不能忽略)(x邊界內的名義厚度邊界內的名義厚度Uu99. 0邊界內雷諾數(shù)邊界內雷

14、諾數(shù)vxURe轉捩數(shù)轉捩數(shù)65*103103至eR壁面流動有如下特點壁面流動有如下特點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=分離分離是產生繞流阻力的主要原因是產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分離點分離點分離點位置與形狀有關分離點位置與形狀有關產生回流形成尾流區(qū)產生回流形成尾流區(qū)分離的不利處是增大流動阻力分離的不利

15、處是增大流動阻力尾流或尾跡尾流或尾跡分離點分離點卡門渦街的形態(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、準理想流體、準理想流體 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、輸電線在風中呼嘯，斜拉桿振動、輸電線在風中呼嘯，斜拉桿振動2 2、鍋爐內煙氣流過管束、鍋爐內煙氣流過管束目錄目錄風振形式：風振形式：顫振和渦振（自激振動）顫振和渦振（自激振動）+抖振（強迫振動）抖振（

16、強迫振動）迎風面正壓迎風面正壓 背風面負壓背風面負壓側彎與扭轉側彎與扭轉 強烈耦合強烈耦合不規(guī)則斷面鈍頭不規(guī)則斷面鈍頭卡門渦街導致渦振卡門渦街導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， 遇難時遇難時8級風級風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（曾在雅典奧運會上亮相）（曾在雅典奧運會上亮相）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動阻力！一定的非光滑表面比光滑表面更能減少運動阻力！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