流体力学体验阻力-流动阻力与计算(1)：绕物动力及减阻67页PPT

措施。
05
流体流动的湍流与噪声
湍流的定义与特性
湍流定义
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。 在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都 随时间与空间发生随机的变化。
湍流特性
湍流具有随机性、不规则性、非线性和非稳定性等特性。在 湍流中，流体的速度、方向和压力等都随时间和空间发生变 化，形成复杂的涡旋结构。
环境流体流动与环境保护
要点一
环境流体流动
环境中的流体流动对环境保护具有重要影响。例如，大气 中的气流会影响污染物的扩散和迁移，水流会影响水体中 的污染物迁移和沉积等。
要点二
环境保护
通过对环境中的流体流动进行研究和模拟，可以更好地了 解污染物扩散和迁移规律，为环境保护提供科学依据。同 时，通过合理规划和设计流体流动系统，可以有效降低污 染物对环境的影响，保护生态环境。
04
流体流动的能量转换
能量的定义与分类
总结词
能量是物体做功的能力，可以分为机械能、热能、电能等。在流体力学中，主要关注的是机械能中的 动能和势能。
详细描述
能量是物体做功的能力，它有多种表现形式，如机械能、热能、电能等。在流体力学中，我们主要关 注的是机械能，它包括动能和势能两种形式。动能是流体运动所具有的能量，与流体的速度和质量有 关；势能则是由于流体所处位置而具有的能量。
流体流动噪声
流体流动过程中产生的噪声主要包括 机械噪声和流体动力噪声。机械噪声 主要由机械振动和摩擦引起，而流体 动力噪声主要由湍流和流体动力振动 引起。
噪声控制
为了减小流体流动产生的噪声，研究 者们提出了各种噪声控制方法，如改 变管道结构、添加消音器和改变流体 动力特性等。这些方法可以有效降低 流体流动产生的噪声。

二、流体运动与流动阻力的两种形式
PPT课件
6
4.2 流体运动的两种状态
一、雷诺实验
实验装置
颜料
细管 水箱
玻璃管
阀门
PPT课件
7
4.2 流体运动的两种状态
一、雷诺实验(续)
实验现象
层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。 着色流束为一条明晰细小的直线。
过渡状态：流体质点的运动处于不稳定 状态。着色流束开始振荡。
2、临界流速
vcr ——下临界流速
vcr ——上临界流速
PPT课件
层 流： v vcr
不稳定流： vcr v vcr
紊 流： v vcr
10
4.2 流体运动的两种状态
二、两种流动状态的判定（续）
3、临界雷诺数
Re cr 2320
雷诺数 Re vd
——下临界雷诺数
Recr 13800 ——上临界雷诺数
h
l
g
h
h
两边同除 r2dl得
p 2 1 hg sin 0
l r
由于sin h 得，
l
h
r (p g h)
2 l
l
p
mg
h
g
h

r r0
x r r0
p+(p/l)dl dl p mg
r d ( p gh)
工程上常用的圆管临界雷诺数
层 流： Re Re cr 不稳定流： Re cr Re Recr 紊 流： Re Recr
Re cr 2000
层 流： Re 2000
紊 流： Re 2000
PPT课件

u2 2
ζ ----局部阻力系数（local resistance factor） 由实验测得。
若用压强降来表示 ,则：
= △ P = ρ hf ′
ρ u2 ζ2
1.5 流体在管内的流动阻力∑hf
局部阻力系数---- ζ • 管路突然放大或突然缩小， ζ值由小管与大管的截
面积之比A1/A2查得，且流速取小管的流速。
阻力通式：
∑ h f = hf+hf ′ =λ
l + le u2 d2
∑hf
=
hf+
hf ′ =
(λ
l d
+ζ )
u2 2
1.5 流体在管内的流动阻力∑hf
例 : 用泵把20℃苯从地下贮罐送到高位槽, 流量300L/min, 高位槽液面比贮罐液面高10m, 上方均为大气压. 泵的吸入 管为φ89mm×4mm 的无缝钢管, 长15m, 管路上装有一全 开的底阀, 一个标准弯头, 泵排出管为φ57mm×3.5mm无缝 钢管, 长50m, 一个全开的闸阀, 一个全开的截止阀和3个标 准弯头, 假设贮罐送和高位槽的液面维持恒定, 求泵的轴功 率, 设泵的效率为70%.
层流边界层厚度：
δ x=
4.64 Rex0.5
湍流边界层厚度： δ 0.376
x = Rex0.2
Rex = us x ρ μ
当Rex 2105时，边界层内的流动为滞流 ；
当Rex 3106时， 边界层内的流动为湍流；
在平板前缘处，x=0，则δ=0。随着流动路程的增长，边界层 逐渐增厚；随着流体的粘度减小，边界层逐渐减薄。
1.4 流体流动现象
速度和压力围绕“平均值”——时均速度波动，该值 不随时间改变

Re du

0.0531 998.2 1.005 103
5.26104
4000
因此，可判断水在管中呈湍流。
注：无单位
8
摩擦阻力
二、流动类型与雷诺准数
重点强调
流体主体为湍流，但在管壁处会形成层流称之为“层流底层” u 0.5umax
且Re越大，层流底层越薄
9
章节小结
本章章节
第一节 流体静力学 第二节 流体在管内的流动 第三节 流体在管内流动时的摩擦阻力
gz1

u12 2

p1

We

gz2

u22 2

p2


h f
1
本章章节
第三节 流体在管内流动时的摩擦阻力
一、 牛顿粘性定律与流体的粘度 二、 流动类型与雷诺准数 三、 流体在圆管内流动时的阻力计算 四、 流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力
（1）le和ξ均由实验测定，可查有关手册和资料得到 （2）不管突然扩大还是缩小，u均取细管中的流速
（3）在应用柏努利方程时，当截面选在出口内侧时保留动能项，选在出口外侧时
保留能量损失（ξ=1）项
19
章节小结
三、流体在圆管内流动时的阻力计算
直管阻力
hf
l
d
u2 2
λ——摩擦阻力系数
局部阻力
三、流体在圆管内流动时的阻力计算
流动阻力包括：
直管阻力 (沿程阻力），由于内摩擦产生的阻力
局部阻力：流体流经管件、阀门、等局部地方因流速大小及方向的改 变而引起的阻力。
hf
hf
h/ f
11
摩擦阻力
三、流体在圆管内流动时的阻力计算

〈1〉温度升高，液体的粘度减小（因为T上 升，液体的内聚力变小，分子间吸引力减 小；）
〈2〉温度升高，气体的粘度增大(气体的内 聚力很小，它的粘滞性主要是分子间动量 交换的结果。当T上升，作相对运动的相邻 流层间的分子的动量交换加剧，使得气体 的粘度增大。)
流体力学基本知识
6
三、流体的压缩性和热胀性
一、流体运动的基本概念
（一）压力流与无压流 1.压力流：流体在压差作用下流动时，流体 整个周围都和固体壁相接触，没有自由表 面。 2.无压流：液体在重力作用下流动时，液体 的部分周界与固体壁相接触，部分周界与 气体接触，形成自由表面。
流体力学基本知识
14
（三）流线与迹线
1.流线：流体运动时，在流速场中画出某时 刻的这样的一条空间曲线，它上面所有流 体质点在该时刻的流速矢量都与这条曲线 相切，这条曲线就称为该时刻的一条流线。
流体力学基本知识
26
四、沿程阻力系数λ和流速系数C的确定
沿程阻力系数λ 是反映边界粗糙情况和流态 对水头损失影响的一个系数。1933年尼古 拉兹表发表了其反映圆管流运情况的实验 结果，得出了一些结论：
1.层流区 2.层流转变为紊流的过渡区 3.紊流区
流体力学基本知识
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（一）沿程阻力系数λ的经验公式 1.水力光滑区 2.水力过渡区 3.粗糙管区
2.迹线：流体运动时，流体中某一个质点在 连续时间内的运动轨迹称为迹线。流线与 迹线是两个完全不同的概念。非恒定流时 流线与迹线不相重合，在恒定流时流线与 迹线相重合。
流体力学基本知识
15
（二）恒定流与非恒定流
1.恒定流：流体运动时，流体中任一位置的 压强，流速等运动要素不随时间变化的流 动称为恒定流动。

层流边界层
湍流边界层
u∞
u∞
u∞
δ A
x0 层流内层
平板上的流动第边23界页层/共51页
转折点：
Re x
u x
5 10 5
~
2 106
边界层厚度δ随x增加而增加
层流：
4.64
x (Re x )0.5
x0.5
层流边界层
湍流边界层
u∞
u∞ u∞
湍流：
0.376
x
(Re
0.2 x
)
x0.8
du
dy
气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。 ② 非牛顿型流体
a
du dy
a ——表观粘度，非纯物性, 是剪应力的函数。
第5页/共51页
Ⅰ 假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。 几乎所有高分子溶液或溶体属于假塑性流体。
Ⅱ 胀塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。
1
R
2
ur 2rdr
p1 p2
8l
R2
因此
uav
1 2
um
ax
第16页/共51页
② 壁面剪应力与平均流速间的关系
w
R 2l
(
p1
p2 )
p1 p2 4l
d
uav
p1 p2
8l
R2
故：
w
4uav
R
8uav
d
第17页/共51页
（3） 湍流时的速度分布和剪应力 ① 湍流描述 主要特征：质点的脉动 瞬时速度= 时均速度+ 脉动速度
A -牛顿流体； B -假塑性流体；
C -宾汉塑性流体；

层流（laminar flow）：流速 较低，红墨水迹线平稳。水质 点沿轴向分层平稳流动。
不稳定流动：红墨水迹线波动。 水质点不稳定，有轴向和垂向 的分速度。
湍流(turbulent flow)：流速超 过某值时，红墨水迹线破裂。 各层流体质点相互掺混，出现 不规则、随机脉动速度。
laminar
实验表明：粘性流动存在两种
vr va,b,c,t
ta,b,c
加速度：
av aa,b,c,t
ta,b,c .
7
3.2.2 Euler法
基本思想：考察空间每一点上的物理量及其变化。 所谓空间一点上的物理量是指占据该空间点的流体质点的物理量。
独立变量：空间点坐标 (q1,q2,q3)
vv(q1,q，2,q3,t) p ，p(q1,q2,q3,t) (q1,q2,q3,t)
流体质点和空间点是二个完全不同的概念。
3.2.3 质点导数
——流体质点的物理量对时间的变化率。
Lagrange法： 若 B a ,b ,c ,t v (a ,b ,c ,t)
v(a,b,c,t)a(a,b,c,t) （质点加速度）
t
.
8
Euler法：
时t刻位于空间点 M的(r流)
体质点经 时间后t 物理量
h 11 ,h 2R ,h 3R sin
D Dt tvR RvR Rsvin.
aR a a
Dv R Dt Dv Dt Dv
Dt
v2 R v v R R vR v
R
v2
R v2 ctg
R v v ctg
R
11
3.3 流体运动的描述
1. 定常、非定常流动（steady and unsteady flow)

精选ppt
36
某造纸厂准备用一台水 泵 将 处 理 的 20℃ 河 水 抽 送 到水塔 ,输水量为 45m3/h, 输水流程如附图所示,已知 泵的吸入管采用4"水管(普 通 级 ), 其 直 管 长 为 10m, 管
路上装有一个带滤网的底
阀,一个90°标准弯头;泵 的排出管采用3"水管(普通 级 ), 其 直 管 长 为 40m, 管 路 上有一个全开的截止阀,一 个单向阀(摇摆式)和4个 90°标准弯头.河面与水塔 水 面 高 度 差 为 20m. 试 求 泵
gz11 2u1 2p 1gz11 2u1 2p 1 W f
直径相同的水平管：u1u2,z1z2
Wf
p1 p2
由于两截面压力差产生的推力为：
(
p1
p2
)
d
4
2
方向与流动方向一致
精选ppt
20
1.直管阻力计算式---范宁公式
流体在管壁处的摩擦力： FA dl 方向与流动方向相反
(p1p2)4 d2dl p1p24 dl
又 ε/d=0.15/106=0.0014,查图1-20得λ=0.023
H f吸 （ 0 .0 2 0 .1 1 3 0 0 7 0 6 .7 ) 5 2 1 .9 4 .8 22 0 1 .0 （ 7 m 2 )
精选ppt
40
2.排出管路的压头损失∑Hf排
Hf排dL排u22g排
已知:L=40m;查附录管子规格得 d=88.5-2×4=80.5(mm)=0.0805(m) 查表1-2得全开截止阀ξ=6.4;单向阀ξ=2; 900弯头 ξ=0.75,管口出口ξ=1.0
层流：速度分布曲线为抛物线。
u 0.5 u最大

边界层的基本概念
边界层：物体壁面附近存在大的速度梯度的薄层。 边界层是在实际流体的大雷诺数流动中，紧 贴固壁存在的一个粘性起主导作用的薄流层。
两类不同性质的流动： （1）物体边界附近薄层由于粘性力作用，有很 大的速度梯度du/dy —— 边界层（附面层）；
（2）边界层以外的流动，粘性力作用不计—— 理想流体无旋流动（势流）
104 ～105 104 ～105 104 ～105 104 ～105 104 ～105 103 ～105 0.47 0.42 1.17 1.05 0.80 1.20
矩 形 板(长/宽=5)
物体
流速
210
210
210
210
阻力
1
2.6
4.0
9.3
喷气
v
配重 砝码
1. 改变喷气速度，阻力的变化 2. 光滑球和粗糙球对比
边界层分离与压差阻力
顺向压力梯度
p 0 x 逆向压力梯度
曲面绕流与平板绕流不同，由 于存在 ∂p／∂x>0 的逆压区， 处于 逆压区中边界层内的流速剖面会顺 流变得越来越狭窄，紧贴壁面的流 体越走越慢，壁面切应力则越来越 小，直到分离点处，壁面切应力降 为零，即 ，边界层内的流 体质点开始脱离壁面，此后便会发 生流体沿着壁面‘回流’的现象， 这样边界层中从上游流来的流体在 到达分离点时，受到堆积和回流的 影响，只能被挤向主流，离开壁面， 这就是边界层的分离。
东边桥（2007年建）和 西边桥（1950年建）
风何以有如此大的威力？
绕物体流动——阻力与升力
阻力：消耗动力
速度、能源、经济
绕流作用
作用力：控制物体运动
稳定、操控、破坏
D
u0

PPT课件
层过 渡
流区
紊 流
6
三、流动状态判别标准
由于： vcr f (, , d)
所以：临界速度不能作为 判别流态的标准！
•通过量纲分析和相似原理发现，上面的物理量可
以组合成一个无量纲数，并且可以用来判别流态。
vd Re

称为雷诺数。
PPT课件
7
1883年，雷诺试验也表明：圆管中恒定流动的流态转化取
5.4 圆管中流体的层流流动
四、其它公式
1. 动能修正系数α

1 A
A

vx v
3 dA

1
r02
r0 {2[1 ( r )2 ]}3 2rdr 2
0
r0
结论：圆管层流流动的实际动能等于按平均流速 计算的动能的二倍
PPT课件
24
§5.5 管道入口段中的流动
一、沿程能量损失
发生在缓变流整个流 程中的能量损失，由流体 的粘滞力造成的损失。
hf
l
d
v2 2g
h f ——单位重力流体的沿程能量损失
——沿程损失系数 l ——管道长度 d ——管道内径
v2 ——单位重力流体的动压头（速度水头）。
2g
PPT课件
15
§5.2 管内流动的能量损失
二、局部能量损失
层流流动的稳定 性丧失（雷诺数 达到临界雷诺数）
扰动使某流层发 生微小的波动
在横向压差与切应力的 综合作用下形成旋涡
旋涡受升 力而升降
PPT课件
流速使波动 幅度加剧
引起流体 层之间的 混掺
造成 新的 扰动
28
任意流层之上下侧的 切应力构成顺时针方向 的力矩，有促使旋涡产 生的倾向。

Pgh qvpvq12 dL 4 8v 2 q
6、层流起始段长度——见课本74页
*4.4 圆管中的湍流流动
30
一、脉动现象与时均值
1、这种在定点上的瞬时运动参数随时间而发生波动的现象称为
脉动。 2、时均法分析湍流运动
u u u'
如取时间间隔T，瞬时速度在T时间内的平均值称为时间平均 速度，简称时均速度，即
雷诺数小，表示黏性力起主导作用，流体质点受黏性的 约束，处于层流状态；
雷诺数大表示惯性力起主导作用，黏性不足以约束流体 质点的紊乱运动，流动便处于紊流状态。
精选可编辑ppt
三、沿程损失和平均流速的关系
13
列截面1-1和2-2的伯努利方程
z1pg 11V 21g2z2pg 22V 22g2hf
V1 V2
对于管壁粗糙的管道 m1.75
对于管壁非常光滑的管道 m2
精选可编辑ppt
v c v c
一、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，遵循牛顿内摩擦定律。 （3）能量损失与流速的一次方成正比。 （4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。
二、紊流（turbulent flow），亦称湍流：
是指速度、压力等物理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。
（2）紊流受粘性和紊动的共同作用。 （3）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。 （4）在流速较大且雷诺数较大时发生。
理想流体微元流束的伯努利方程
p v2
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