哈工大水力学课件第6章 流动阻力和水头损失(彩色)

§61

6.1 流动阻力和水头损失的分类

§粘性流体的两种流态

6.2

§6.3 沿程水头损失与剪应力的关系

§6.4 圆管中的层流运动

6.5

§6.5 紊流运动

§6.6 紊流的沿程水头损失

§6.7 局部水头损失

一. 水头损失的分类

1. 沿程阻力和沿程水头损失

(Frictional Drag)

沿程阻力(摩擦阻力)(Frictional Drag)

在边壁沿程无变化（边壁形状、尺寸、过流方向均无变化）的均匀流流段上，产生的流动阻力

化）的均匀流流段上产生的流动阻力

沿程水头损失(长度损失h f)(Frictional Head Loss)由于沿程阻力作功而引起的水头损失

特点

沿程水头损失均匀分布在整个流段上，与流段的长度成比例，又称为长度损失。

2. 局部阻力和局部水头损失

局部阻力（Local Resistance）

在边壁沿程急剧变化进而导致流速分布发生变化的局部区段上，集中产生的流动阻力

(Local Head Loss)

局部水头损失h j (Local Head Loss)由局部阻力做功引起的水头损失

实例

管道入口、变径管、弯管、三通、阀门等各种管件处

3. 总水头损失h w

w f j

h h h =+∑∑

§6.2 粘性流体的两种流态

1.0流速很小时

流速较大时f h υ∝1.75 2.0

h υ−∝1883f 年英物理学家雷诺Reynolds 经过实验研究发现，水头损失规律之所以不同，是因为流体的流动存在着两种不同的流态。

§6.2 粘性流体的两种流态

一. 雷诺实验

实验装

1. 实验装置C

D

h f B

12

A E

2. 实验现象

层流Laminar Flow

（Laminar Flow ）

流速较小时，玻璃管内的颜色水成一条界限分明

的纤流，与周围清水不相混合，表明玻璃管中的的纤流与周围清水不相混合表明玻璃管中的

水呈现一种质点互不掺混的层状流动

过渡流（Transitional Flow ）

层紊渡

层流与紊流之间的过渡阶段

紊流（湍流）（Turbulent Flow ）

流速增大，流层逐渐不稳定，质点相互掺混，流流速增大流层逐渐不稳定流体质点运动轨迹极不规则的运动

3. 实验结果

lg h f E C

D

B

A

层流紊流

过渡区O lg v lgv c lgv ′c

3. 实验结果m

υ

υlg lg lg m k h k h f +==g g g f 层流=10：m 1=1.0，h f =k 1υ，即沿程水头损失与流速的一次方成正比。

紊流：m 2=1.75~2.0，h f =k 2 υ1.75~2，即沿程水头损失与流速的 1.75~2.0 次方成正比。

6-1:

10o C。(1)(2) 若使上题保持层流，最大流速()试判别流态；()若使题保持层流最大流速是多少？雷诺数与哪些因数有关？其物理意义是什么？当管道流

p p l τχ⎛⎞⎛⎞

2. 说明

均匀流动方程式是根据作用在恒定均匀流段上的外力相平衡，得到的外力平衡关系式，并没有反映流动过程中产生沿程水头损失的物理本质；

公式推导未涉及流体质点的运动状况，因此该式对层流和紊流都适用。然而层流和紊流切应力的产生和变化有本

然而层流和紊流切应力的产生和变化有本质不同，最终决定两种流态水头损失的规律不同；

明渠均匀流也可用上式，但其过流断面为非轴对称的，

为平均切应力。

边壁切应力分布不均匀，式中τ

w二. 圆管过流断面上剪应力分布

三. 阻力速度（壁剪切速度）

一. 层流流动特征

y 二.

三. 层流沿程阻力系数的计算

6-2：应用细管式粘度计测定油的粘度，已知细管直径

d=6mm L=2m 如图。实测油的流量=77cm/s ，测量段长如图实测油的流量Q，水银压差计的读值h=30cm，油的密度ρ=900kg/m3。试求油运动粘滞系数

一. 紊流的特征与时均化

1紊流的特征（或称湍流）

1．紊流的特征（或称湍流）

紊流定义：流体质点相互掺混，局部速度、压力等流动参数在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。

特点：

无序性流体质点相互掺混运动无序运动要素具有随机 ：流体质点相互掺混，运动无序，运动要素具有随机性。

耗能性：除了粘性耗能外还有更主要的由于紊动产生附加 ：除了粘性耗能外，还有更主要的由于紊动产生附加切应力引起的耗能。

扩散性除分子扩散外，还有质点紊动引起的传质传热和 ：除分子扩散外，还有质点紊动引起的传质、传热和传递动量等扩散特性。

高雷诺数2．紊流运动的时均化

二. 紊流的剪应力

τ=

假设二：假设四：

3、普朗特混合长度理论的不足

由混合长度理论得到了紊流时均切应力表达式和流速分布规律，与实验结果吻合的很好。但该理论的基本假设不够严谨：

流体是连续介质，质点在位移过程中将连续地与周围质点接触，而不可能质点在只经过混合长度l才与周围质点进行动量交换；

.C

公式中的常数k. C都必须由实验补充

τ在过流断面上的分布与假设不完全相符，管轴处有尖点

尽管如此，由于混合长度理论是从紊流的特征出发，反映了紊流的特点，同时推导简单，结果与实际相符，至今仍是在工程上得到广泛应用的紊流阻力理论。

2. 粘性底层速度分布和厚度

粘性底层厚度

§6.5 紊流运动

3. 粘性底层的特征速度梯度很大边壁处速度趋于零流速呈线性分布在

速度梯度很大，边壁处速度趋于零，流速呈线性分布在图上近似以直线表示；通常不到l 且随雷诺数增大而减小

厚度很小δ’通常不到lmm，且随雷诺数Re 增大而减小，对沿程阻力系数λ有较大影响 粘性底层虽然很薄，但它对紊流的流速分布、流动阻力和能量损失却有重大影响

断面流速分布动能修正系数动量修正系数10511102105

圆管层流

旋转抛物面α=2.0 β=4/3圆管紊流对数规律α=1.05~1.1 β=1.02~1.05

一. 尼古拉兹实验

年德国力学家和工程师1933年德国力学家和工程师尼古拉兹进行了管流沿程阻力系数和断面流速分布的实验测定。

1．沿程阻力系数λ的影响因素

人工粗糙管Re,/k d λ=绝对粗糙度:

()

,s f 用糙粒的突起高度k s （砂粒直径）来表示壁面的粗糙相对粗糙度：

糙粒突起高度k s 与管道直径之比，它能在不同直径的管道中反映壁面粗糙的影响

尼古拉兹曲线图

尼古拉兹实验曲线存在5个阻力区

I. ab线层流区，λf(Re)，λ/Re，Re<2300

I.ab线=f(Re)=/Re，

II. bc线层流向紊流过渡区，λ=f(Re)，R e=2300~4000，范围窄

III. cd线紊流光滑区，λ=f(Re)，Re>4000，随Re的增/d大的管道，实验点在Re较低时便离开此线；

大，k

大大的管道实验点在较低时离此线s

k/d小的管道，实验点在Re较大时才离开

s

/d)

IV. cd、ef 线间紊流过渡区，λ=f(Re，k

s

不同相对粗糙管的实验点分别落在不同的曲线上V. ef 右侧水平直线族紊流粗糙区(阻力平方区)，

f(

λ=f(k s/d)

对于一定的管道（k/d一定），λ是常数

紊流三区的流动特征

紊流分为光滑区、过渡区及粗糙区，各区的变化规律不同，究其原因是存在粘性底层（厚度δ’）的缘故。

紊流光滑区δ’>>k

s

粗糙突起完全被掩盖在粘性底层内，对紊流核心的流粗糙突起完全被掩盖在粘性底层内对紊流核心的流动几乎没有影响λ=f(Re)

紊流过渡区δ’≈k

s

/d)粗糙影响到紊流核心的紊动强度，λ=f(Re，k

s

紊流粗糙区δ’s

粗糙突起几乎完全突入紊流核心内，Re的影响微不足/d)

道，λ=f(k

s

流流态判流区判别流速分布主要作影响值的水头损二.