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06. 流动阻力和能量损失

Course NotesFluid MechanicsAbout 3 minAbout 783 words

6.1 流动阻力和能量损失的两种形式

6.1.1 沿程阻力与沿程损失

圆管沿程水头损失hf=λldv22g \qq{圆管沿程水头损失} h_f = \lambda \frac{l}{d} \frac{v^2}{2 g}

ll — 管长; dd — 管径; vv — 断面平均流速; gg — 重力加速度; ρ\rho — 流体密度; λ\lambda — 沿程损失 (阻力) 系数

6.1.2 局部阻力与局部损失

局部水头损失hj=ζv22g \qq{局部水头损失} h_j = \zeta \frac{v^2}{2 g}

ζ\zeta — 局部损失 (阻力) 系数; 一般由实验确定; vv — 断面平均流速; ρ\rho — 流体密度; gg — 重力加速度

6.2 粘性流体的两种流态

6.2.3 流态的判别

1. 圆管流动

雷诺数Re=vdρμ=vdν临界雷诺数Rec=vcdν=2000 \qq{雷诺数} Re = \frac{v d \rho}{\mu} = \frac{v d}{\nu} \\ \qq{临界雷诺数} Re_c = \frac{v_c d}{\nu} = 2000

Re<Rec,流动为层流Re>Rec,流动为紊流 Re < Re_c, \qq{流动为层流} \\ Re > Re_c, \qq{流动为紊流}

2. 非圆管道流动及明流

水力半径R=Aχ \qq{水力半径} R = \frac{A}{\chi}

RR — 水力半径; AA — 过流断面面积; χ\chi — 过流断面上流体与固体边界接触部分的周长, 称为湿周

RecR=vRν=500 Re_{cR} = \frac{v R}{\nu} = 500

6.3 沿程损失与切应力之间的关系

6.3.1 均匀流基本方程

hf=τ0χlρgA=τ0lρgRτ0=ρgRhfl=ρgRJ h_f = \frac{\tau_0 \chi l}{\rho g A} = \frac{\tau_0 l}{\rho g R} \\ \tau_0 = \rho g R \frac{h_f}{l} = \rho g R J

6.3.2 圆管过流断面上切应力分布

τ=rr0τ0 \tau = \frac{r}{r_0} \tau_0

6.3.3 阻力速度

阻力速度v=vλ8 \qq{阻力速度} v_* = v \sqrt{\frac{\lambda}{8}}

6.4 圆管中的层流流动

6.4.1 断面流速分布

u=ρgJ4μ(r02r2)umax=ρgJ4μr02v=12umax u = \frac{\rho g J}{4 \mu} \pqty{r_0^2 - r^2} \\ u_{\max} = \frac{\rho g J}{4 \mu} r_0^2 \\ v = \frac{1}{2} u_{\max}

6.4.2 沿程水头损失的计算

hf=32μlvρgd2hf=λldv22g=32μlρgd2v=64Reldv22gλ=64Re h_f = \frac{32 \mu l v}{\rho g d^2} \\ h_f = \lambda \frac{l}{d} \frac{v^2}{2 g} = \frac{32 \mu l}{\rho g d^2} v = \frac{64}{Re} \frac{l}{d} \frac{v^2}{2 g} \\ \lambda = \frac{64}{Re}

6.5 紊流运动简介

6.5.4 紊流断面流速分布

u=vκlny+C u = \frac{v_*}{\kappa} \ln{y} + C

6.5.5 紊流核心与粘性底层

粘性底层理论厚度δ=11.6νv=32.8dReλ \qq{粘性底层理论厚度} \delta = 11.6 \frac{\nu}{v_*} = \frac{32.8 d}{Re \sqrt{\lambda}}

6.6 紊流沿程损失的分析与计算

6.6.1 尼古拉兹实验

4. 阻力区的判别

粘性底层厚度δ=11.6νvδks=11.6νvks=11.61Re \qq{粘性底层厚度} \delta = 11.6 \frac{\nu}{v_*} \\ \frac{\delta}{k_s} = 11.6 \frac{\nu}{v_* k_s} = 11.6 \frac{1}{Re_*}

ksk_s — 粗糙度; Re=vksνRe_* = \frac{v_* k_s}{\nu} — 粗糙雷诺数

紊流光滑区Re5ksδ0.4紊流过渡区5<Re700.4<ksδ6紊流粗糙区Re>70ksδ>6 \qq{紊流光滑区} Re_* \leqslant 5 \qq{或} \frac{k_s}{\delta} \leqslant 0.4 \\ \qq{紊流过渡区} 5 < Re_* \leqslant 70 \qq{或} 0.4 < \frac{k_s}{\delta} \leqslant 6 \\ \qq{紊流粗糙区} Re_* > 70 \qq{或} \frac{k_s}{\delta} > 6

6.6.4 紊流沿程阻力系数的经验公式

3. 阿里特苏里公式

λ=0.11(ksd+68Re)0.25 \lambda = 0.11 \pqty{\frac{k_s}{d} + \frac{68}{Re}}^{0.25}

6.6.5 非圆管道的沿程损失计算

当量直径de=4R \qq{当量直径} d_e = 4 R

6.7 官流和明流的局部损失

6.7.2 局部阻力系数的影响因素

hj=ζv22g h_j = \zeta \frac{v^2}{2 g}

ζ\zeta — 局部阻力系数; vv — 与 ζ\zeta 对应的断面平均流速

6.7.3 常用流道局部阻力系数的确定

1. 突扩管局部损失分析

hj=(1A1A2)2v122g=ζ1v122ghj=(A2A11)2v222g=ζ2v222g h_j = \pqty{1 - \frac{A_1}{A_2}}^2 \frac{v_1^2}{2 g} = \zeta_1 \frac{v_1^2}{2 g} \\ h_j = \pqty{\frac{A_2}{A_1} - 1}^2 \frac{v_2^2}{2 g} = \zeta_2 \frac{v_2^2}{2 g}