1、流体力学流流 体体 力力 学学 基基 础础流体力学第五章 层流、紊流及其能量损失 沿程水头损失hf、局部水头损失hjwfjhhh 流体力学5.1 层流与紊流的概念5.2 均匀流的沿程损失5.3 圆管中的层流流动5.4 紊流流动的特征5.5 紊流的沿程损失5.6 紊流的断面流速分布5.7 流动的局部损失 流体力学5.1 层流与紊流的概念 雷诺实验 流体力学流体力学流体力学 沿程损失hf和平均流速v的关系 2211 12221222wpaVpa Vzzhgggg均匀流 1212()()wfpphhzzhgg 流体力学lglglgfhkmVmfhkV层流：m=1，hf V1紊流：m=1.752，hf
2、 V1.752 流体力学 流态的判别雷诺数 雷诺数 ReV d 临界雷诺数 Re2000c明渠中的雷诺数ReV RRe500c流体力学 雷诺数可理解为水流惯性力和粘滞力之比 惯性力 ma 322VLLVT粘滞力 duAdy2VLLVL量纲为22LVVLLV惯性力粘带力量纲为流体力学 湿周 AR244dAdRd水力半径对管流 水力半径流体力学 紊流的成因流体力学5.2 均匀流的沿程损失 沿程损失与切应力的关系 作用于流束的外力 （1）两端断面上的动水 压力为p1A 和p2A （2）侧面上的动水压力，垂直于流速 （3）侧面上的切力TlGgA l（4）重力流体力学 流束的受力平衡方程12sin0p
3、Ap AgAl12sinzz12120p Ap AgAzzgAgAgAgA流体力学1212ppzzgggR12120p Ap AgAzzgAgAgAgA1212()0ppzzgggA1212()()0ppzzgggR流体力学同理ogRJfhgRgR J由能量方程流体力学22ooorgR JRrrgRJRroorr切应力的分布流体力学 沿程损失的通用公式 达西魏斯巴赫公式 22fVhdg242fVhRg流体力学5.3 圆管中的层流流动 断面流速分布特征（一）断面流速分布dudr 2rgR JgJ2durgJdr2gJdurdr 24gJurC 流体力学由边界条件 orr时 u=0 24ogJCr
4、22()4ogJurr24gJurC 22max0416gJgJurd流体力学（二）流量 22()24ogJdQudArrrdr22()24oroogJQrrrdr22()2oroogJrrrdr22411224oroogJr rr448128ogJgJrd流体力学（三）断面平均流速 422128324gJdQgJVddA22max0416gJgJurdmax12Vu流体力学（四）动能校正系数和动量校正系数 332Au dAV A2243Au dAV A22()4ogJurr22328gJgJVdr流体力学 沿程损失与沿程阻力系数 232gJVdv232fhgdVv l232fVhgd2642
5、VVddg22Vdg对圆管层流64Re流体力学 5.4 紊流流动的特征 紊流运动的随机性 051015202502000400060008000100001200014000t(ms)u(cm/s)系列1流体力学流体力学 紊流运动的模化方法 fff l瞬时流速，时均流速，脉动流速051015202502000400060008000100001200014000t(ms)u(cm/s)系列1流体力学 脉动值的时均值为零 11()TTooff dtff dtTT11TToofdtfdtTT0ff1ToffdtT流体力学 均方根值 122201TffdtTl紊动强度 2221()3uvwIu流体力
6、学 流场的一些基本概念在紊流中的适用性 在时均意义上，有关流线、流管、均匀流、非均匀流、恒定流和非恒定流等概念对紊流均适用。流体力学 紊流流动的近壁特征 粘性底层 过渡层 紊流核心区流体力学流体力学 定义摩阻流速032.8RedogRJugRJ242fl VhRg2142fhVJlRg21428VugRVRg28()uV流体力学 定义近壁区的雷诺数032.8Red28()uVReVd032.811.68dVduuV011.6uu yyuuu流体力学 流道壁面的类型 紊流的光滑面、过渡粗糙面和粗糙面 绝对粗糙度skdskRsk 相对粗糙度流体力学5.5 紊流的沿程损失 尼古拉兹试验流体力学 层流
7、区 层流转变 为紊流的 过渡区 紊流光滑 区 紊流过渡 粗糙区 紊流粗糙 区 流体力学 层流紊流光滑区紊流过渡粗糙区紊流粗糙区(Re)(Re)(Re,)skd()skd1fhV1.75fhV1.75 2fhV2fhV流体力学 定义粗糙雷诺数*Resk u紊流光滑区紊流过渡粗糙区紊流粗糙区*Re5.0sk u*5.0Re70.0sk u*Re70.0sk u流体力学 管流的沿程损失流体力学紊流光滑区紊流过渡粗糙区紊流粗糙区*Re0.3sk u*0.3Re70.0sk u*Re70.0sk u流体力学 明渠流的沿程损失 曼宁公式VC RJQCA RJ161CRn21321QRJAn谢才公式流体力学
8、5.6 紊流的断面流速分布 紊动切应力 121dudy流体力学 雷诺应力分析 液体质量 mvA t l引起当地动量变化l 根据动量定理 m uvA t u vA t uTt 流体力学uv2u v 2u v u vuv duuldy 混合长度假说2u v 2u v 1duucldy2vc u2 1duvc cldy223 12 1()()dududuu vc cl c clc ldydydy 流体力学222()duldy2212()dududydy222()()duc ldy2u v 222()()Tduduldydy2()Tduldy12()Tdudy流体力学 圆管紊流的断面流速分布22()d
9、uldy1dudyll假设 olky01dudyky流体力学11duudykylnuuyCk11lnuu yCuk12.3lguu yCuk5.75lg8.5suyuk5.75lg5.5uu yu流体力学5.7 流动的局部损失22jVhg流体力学 突扩圆管的局部损失分析3121()Pp AA2211 122212()()22jpVpVhzzgggg21()sFQ VV111Pp A222Pp A2cossGgA l12coszzl212()sGgA zz流体力学111212221221()()()p Ap AAp AgA zzQ VV1221221()()()ppVzzVVggg22121 1
10、2212()()22jppVVhzzgggg2221 12221()22jVVVhVVggg流体力学22221212222222VVVVVgggg2221 12221()22jVVVhVVggg2121()2VVg波达公式流体力学 局部损失系数222211()2AVVgA22221(1)2VAgA2222Vg211121()2AVVgA22112(1)2VAgA2112Vg2121()2jhVVg2221(1)AA2112(1)AA流体力学流体力学流体力学流体力学流体力学流体力学流体力学5-8 边界层与物体绕流外流：物体绕流的流场位于物体的外部。5.8.1 平板边界层边界层厚度：取 处作为边界层外缘 将 称之。平板X处的当地雷诺数：流场分为，边界层区的粘性流动和边界层外部的主流区的无粘流动；Uu99.0 xy xxUxRe流体力学 大多数绕流的Re值都较大，都很小，仅为mm量级；边界层沿程分三个区段：层流边界层，过渡区，紊流边界层；当层流转变成紊流后，壁面切应力通常要增加数倍；临界雷诺数 外流的紊流边界层区，平板边界层由壁面向外分为粘性层，缓冲层和流核区；65,103103Rexc流体力学5.7.2 圆管进口的边界层发展流体力学5.7.3 边界层分离和压差阻力流体力学流体力学流体力学流体力学
