一章流体力学基础

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1、第二节 流动阻力和能量损失第二节 流动阻力和能量损失 能量损失能量损失一般有两种表示方法：流体阻力是造成能量损失的原因。产生阻力的内因是流体的粘性和惯性，外因是固体壁面对流体的阻滞作用和扰动作用。通常用单位重量流体的能量损失（或称水头损失）h1来表示，用液柱高度来量度；用液柱高度来量度；对于气体，则常用单位体积流体的能量损失（或称压力损失）H损来表示，用压力来量度。它们之间的关系为：H损损=h1一、能量损失的两种形式：能量损失分为两类：沿程损失和局部损失。沿程阻力和沿程损失沿程阻力和沿程损失 在边壁沿程不变的管段上，流速基本上是沿程不变的，流动阻力只有沿程不变的切应力，称为沿程阻力。克服沿程阻

2、力引起的能量损失，称为沿程损失，用h f（或H f）表示。第二节 流动阻力和能量损失 局部阻力和局部损失局部阻力和局部损失 在边界急剧变化的区域，由于出现了漩涡区和速度分布的变化，流动阻力大大增加，形成比较集中的能量损失。这种阻力称为局部阻力，相应的能量损失称为局部损失，用hj（或Hj）表示。能量损失的计算公式能量损失的计算公式工程上常用的能量损失计算公式为：1沿程水头损失：gVdLHf22第二节 流动阻力和能量损失一、能量损失的两种形式：整个管路的能量损失等于各管段的沿程损失和所有局部损失的总和，即：hL=hf+hjgVhj22gVHj222局部水头损失：写成压力损失的形式，则为：式中：L管

3、长 米；d管径 米；V断面平均流速米/秒；沿程阻力系数（无因次参数）；局部阻力系数（无因次参数）。第二节 流动阻力和能量损失一、能量损失的两种形式：二、层流、紊流和雷诺实验实际流体运动存在着两种不同的状态，即层流和紊流。这两种流动状态的沿程损失规律大不相同。雷诺实验 第二节 流动阻力和能量损失 液体沿管轴方向流动时，流束之间或流体层与层之间彼此不相混杂，质点没有径向的运动，都保持各自的流线运动。这种流动状态，称为层流运动。管中流速再稍增加，或有其它外部干扰振动，则有色液体将破裂、混杂成为一种紊乱状态。这种运动状态，称为紊流运动第二节 流动阻力和能量损失二、层流、紊流和雷诺实验 雷诺和其它学者的

4、大量实验数据证实，若这四个物理量写成无因次数：dVKKRe第二节 流动阻力和能量损失二、层流、紊流和雷诺实验2320ReVd则流动是紊流；则流动是层流。13800ReVd第二节 流动阻力和能量损失二、层流、紊流和雷诺实验 研究非圆形断面或在流体中运动的物体时，式中的d应以其相应的特征尺寸代替。能够综合反映断面水力特性的量是水力半径R；它被定义为XAR 其中A为有效断面面积（米2）。X称为湿周（米），指在有效断面A上，流体与固体边界的接触长度，下图为几种湿周的例子。第二节 流动阻力和能量损失二、层流、紊流和雷诺实验 对于圆形管道，其水力半径R为：R=1/4d2/d=d/4 或写成：d=4R 以d

5、当表示，即d=4R=d当。在通风工程中，除圆断面管道外，常见的还有矩形断面管道，其相应的d当为：d当=4R=4ab/2（a+b）=2ab/（a+b）第二节 流动阻力和能量损失 流态分析流态分析 层流和紊流的根本区别在于层流各流层间互不掺混，只存在粘性引起的摩擦阻力；紊流则有大小不等的涡流动荡于各流层之间，除了粘性阻力，还存在着由于质点掺混、互相碰撞所造成的惯性阻力。因此，紊流阻力比层流阻力大得多。雷诺数之所以能判别流态，正是因为它反映了惯性力和粘性力的对比关系。因此，当管中流体流动的雷诺数小于2320时，其粘性起主导作用，层流稳定。当雷诺数大于2320时，在流动核心部分的惯性力克服了粘性力的阻

6、滞而产生涡流，掺混现象出现，层流向紊流转化。二、层流、紊流和雷诺实验第二节 流动阻力和能量损失三、单位摩阻R及沿程阻力的计算 每米长管道所具有的沿程摩擦阻力损失称为单位摩阻，以R表示。圆管的沿程摩擦阻力：对于每米长的圆管，其单位摩阻为：R=/dH动 代入公式得：Hm=RL 圆管的单位摩阻R的数值可从附录中查找。第二节 流动阻力和能量损失三、单位摩阻R及沿程阻力的计算 矩形直长管道的沿程摩擦阻力：求矩形管道中的摩擦阻力时，最方便的方法是利用当量直径来计算。在计算中，不必自行计算摩擦阻力系数，根据流速v和流速当量直径d当可直接求出单位摩阻R，上述数字均可通过查表取得。第二节 流动阻力和能量损失四、

7、局部阻力的计算 局部阻力的分类 1流向改变 流速改变方向 第二节 流动阻力和能量损失四、局部阻力的计算、局部阻力的计算1突然扩大圆管的局部阻力计算：（1）流体断面1-1上的总压力。P1=p1F1 P2=p2F2（2）流体漩涡区上的作用力。P0=p1（F2-F1）（3）流体段本身的重量。G=F2L外力在水平方向的合力为：P=P1-P2+P0=p1F1-p2F2+p1（F2-F1）=（p1-p2）F2 第二节 流动阻力和能量损失四、局部阻力的计算、局部阻力的计算1突然扩大圆管的局部阻力计算：dtvvQdtFpp)()(12221dtvvFvgdtFpp)()(1222221又根据伯努利方程式（若流

8、体为空气时）：gvFFvFFvgHj2)1()(22122121211第二节 流动阻力和能量损失四、局部阻力的计算、局部阻力的计算1突然扩大圆管的局部阻力计算：jHgvpgvp22222211221)(2vvgHj)(12221vvvgpp221)1(FF令：称为局部阻力系数，则有：gvHj221第二节 流动阻力和能量损失四、局部阻力的计算 2局部阻力损失的计算公式（普遍式）从定性上分析，由于引起局部阻力损失的原因是一致的，即流速的变化均伴随涡流的产生。因此可以用同一形式来表达，只是局部阻力系数不同而已，因此，确定任何局部阻力损失的普遍公式，可以写成：gvHj22 式中的局部阻力系数，取决于局

9、部阻力构件的几何形状，通过实验来确定。局部阻力损失是集中产生的，常常可以通过改变管道的几何形状使之减弱或加强。减小局部阻力的途径是避免产生涡流区和质点的撞击。第二节 流动阻力和能量损失四、局部阻力的计算 常用管件及其局部阻力 1弯头 （1）弯头的规格1）D弯头的直径毫米2）弯头的转向角度3）R弯头的曲率半径，通常以管径D的倍数来表示。第二节 流动阻力和能量损失四、局部阻力的计算 常用管件及其局部阻力 1弯头 在除尘风网中，弯头的曲率半径R可在（1-2）D的范围内选择。在气力输送装置中，弯头的曲率半径R在（6-10）D为宜。弯头的节数不宜过多，一般每节不大于（15-180），但D或R较大时，节数

10、需适当增多。（2）弯头局部阻力的计算gvHj22第二节 流动阻力和能量损失四、局部阻力的计算 常用管件及其局部阻力 2三通 三通是汇合和分开气流的一种管件。第二节 流动阻力和能量损失四、局部阻力的计算 常用管件及其局部阻力 2三通（1）三通的规格 三通的直管直径D直、支管直径D支、总管直径D总以及支管和直管的中心夹角。对空气而言，汇合气流的三通称吸气三通，分开气流的三通称压气三通。根据管网的需要，常用中心夹角为300-450的三通。三通的阻力取决于两股气流合并的角度及直流与支流的直径比（D直/D支）、支流与直流的速度比（V支/V直）。第二节 流动阻力和能量损失四、局部阻力的计算 常用管件及其局部阻力 2三通（2）三通的直管和支管的局部阻力计算：H直=直H动直 H支=支H动支 式中：直、支直管和弯管的阻力系数第二节 流动阻力和能量损失四、局部阻力的计算 常用管件及其局部阻力 3进口收缩管等异形管件的局部阻力 4汇集管 在工程上，常遇到多点进风且吸风量相同、进风口距离相等的较长圆锥形汇集管的阻力计算，可近似按照下列公式计算：H=2R大L 千克/米2式中：R大按汇集管大头直径和流量计算的单位摩阻；L圆锥形管的长度。第二节 流动阻力和能量损失四、局部阻力的计算