流体力学讲义流动阻力及能量损失2

第六章 流动阻力及能量损失本章主要研究恒定流动时，流动阻力和水头损失的规律。对于粘性流体的两种流态——层流与紊流，通常可用下临界雷诺数来判别，它在管道与渠道内流动的阻力规律和水头损失的计算方法是不同的。对于流速，圆管层流为旋转抛物面分布，而圆管紊流的粘性底层为线性分布，紊流核心区为对数规律分布或指数规律分布。对于水头损失的计算，层流不用分区，而紊流通常需分为水力光滑管区、水力粗糙管区及过渡区来考虑。本章最后还阐述了有关的边界层、绕流阻力及紊流扩散等概念。第一节流态判别一、两种流态的运动特征 1883 年英国物理学家雷诺（Reynolds O.）通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态。1.层流层流（ laminar flow ），亦称片流：是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。特点：（1）有序性。水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。（2）粘性占主要作用，遵循。（3）能量损失与流速的一次方成正比。（4）在流速较小且Re 较小时发生。2.紊流紊流（ turbulent flow），亦称湍流：是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。特点：（1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动。（2）紊流受粘性和紊动的共同作用。（3）水头损失与流速的~2 次方成正比。（4）在流速较大且雷诺数较大时发生。二、雷诺实验如图 6-1 所示，实验曲线分为三部分：（1）ab 段：当 υ<υc 时，流动为稳定的层流。（2）ef 段：当 υ>υ''时，流动只能是紊流。（3）be 段：当 υc<υ<υ''时，流动可能是层流（bc 段），也可能是紊流（bde 段），取决于水流的原来状态。图 6-1图 6-2实验结果（图6-2）的数学表达式层流：m1=, hf=k1v , 即沿程水头损失与流线的一次方成正比。紊流：m2=~, hf =k2v~ ，即沿程水头损失hf 与流速的 ~次方成正比。层流：紊流：三、层流、紊流的判别标准—— 临界雷诺数临界雷诺数上临界雷诺数：层流→紊流时的临界雷诺数，它易受外界干扰，数值不稳定。下临界雷诺数：紊流→层流时的临界雷诺数，是流态的判别标准，它只取决于水流边界的形状，即水流的过水断面形状。变直径管流中，细断面直径d1，粗断面直径d2=2d1，则粗细断面雷诺数关系是。圆管流（5-1）层流紊流明渠流（5-2）式中： R—— 水力半径， R=A/ P；A—— 过水断面面积；P—— ...