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 观看录像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。
2.紊流 观看录像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1.75~2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
（2）ef段：当υ>υ''时，流动只能是紊流。
（3）be段：当υc
图6-1
1 一、填 空 题
1．流体力学中三个主要力学模型是（1）连续介质模型（2）不可压缩流体力学模型（3）无粘性流体力学模型。
2．在现实生活中可视为牛顿流体的有水 和空气 等。
3．流体静压力和流体静压强都是压力的一种量度。它们的区别在于：前者是作用在某一面积上的总压力；而后者是作用在某一面积上的平均压强或某一点的压强。
4．均匀流过流断面上压强分布服从于水静力学规律。
5．和液体相比，固体存在着抗拉、抗压和抗切三方面的能力。
6．空气在温度为290K，压强为760mmHg时的密度和容重分别为1.2a kg/m3和11.77aN/m3。
7．流体受压，体积缩小，密度增大 的性质，称为流体的压缩性 ；流体受热，体积膨胀，密度减少 的性质，称为流体的热胀性 。
8．压缩系数的倒数称为流体的弹性模量 ，以E来表示
9．１工程大气压等于98.07千帕，等于10m水柱高，等于735.6毫米汞柱高。
10．静止流体任一边界上压强的变化，将等值地传到其他各点（只要静止不被破坏），这就是水静压强等值传递的帕斯卡定律。
11．流体静压强的方向必然是沿着作用面的内法线方向。
12．液体静压强分布规律只适用于静止、同种、连续液体。
13．静止非均质流体的水平面是等压面，等密面和等温面。
14．测压管是一根玻璃直管或U形管，一端连接在需要测定的容器孔口上，另一端开口，直接和大气相通。
15．在微压计测量气体压强时，其倾角为30，测得20lcm 则h=10cm。
16．作用于曲面上的水静压力P的铅直分力zP等于其压力体内的水重。
17．通过描述物理量在空间的分布来研究流体运动的方法称为欧拉法。
18． 流线不能相交（驻点处除外），也不能是折线，因为流场内任一固定点在同一瞬间只能有一个速度向量，流线只能是一条光滑的曲线或直线。
19．静压、动压和位压之和以zp表示，称为总压。
20．液体质点的运动是极不规则的，各部分流体相互剧烈掺混，这种流动状态称为紊流。
第6章 流动阻力与水头损失
教学要点
一、 教学目的与任务
1、 本章教学目的
（1） 使学生掌握流体流动的两种状态与雷诺数之间的关系；
（2） 使学生切实掌握计算阻力损失的知识，为管路计算打基础。
2、 本章教学任务
（1）了解雷诺实验过程及层流、紊流的流态特点，熟练掌握流态判别标准；（2）掌握圆管层流基本规律，了解紊流的机理和脉动、时均化以及混合长度理论；(3）了解尼古拉兹实验和莫迪图的使用，掌握阻力系数的确定方法；（4）理解流动阻力的两种形式，掌握管路沿程损失和局部损失的计算。
二、 重点、难点
重点：雷诺数及流态判别，圆管层流运动规律，沿程阻力系数的确定，沿程损失和局部损失计算。
难点：紊流流速分布和紊流阻力分析。
三、 教学方法
用对比的方法讲清什么是均匀流动，什么是不均匀流动。讲清什么是沿程损失、什么是局部损失，以及绝对粗糙度、相对粗糙度等概念，进而通过实验法讲清楚上下临界速度、流动状态与雷诺数之间的关系、流速与沿程损失的关系，讲清楚在什么样的前提条件下得出什么样的结论，进而解决什么样的问题。
第11次课 年 月 日
章 题目 第6章流动阻力与水头损失
方式 课堂
模块 流体流动阻力 方法 重点内容学习法
单元 基本概念、均匀流动、流动状态、层流 手段 板书+多媒体
基本要求 使学生了解流体运动与流动阻力的两种型式，了解雷诺实验过程及层流、紊流的流态特点，熟练掌握流态判别标准；掌握雷诺数与组力损失之间的关系，掌握层流运动规律。
重点 两种流动状态与雷诺数的关系、圆管层流运动规律， 难点 流动状态的判别
内容拓展 利用长管仪设计测量流体粘性的实验——素质综合训练
参考教材 1、张也影. 流体力学. 北京：高等教育出版社，1999
2、徐文娟. 工程流体力学
3、禹华谦. 工程流体力学(水利学). 成都：西南交通大学出版社，1999
4、莫乃榕，《工程流体力学》，华中科技大学出版社，2000 5、程 军、赵毅山. 流体力学学习方法及解题指导. 上海：同济大学出版社，2004
405 第十一章 流体力学习题
11.2.1` 若被测容器A内水的压强比大气压大很多时,可用图中的水银压强计.
(1)此压强计的优点是什么?
(2)如何读出压强?设123450,45,60,30hcmhcmhcmhcm.求容器内的压强是多少大气压.
[解 答]
(1)这种压强计高度不太大,又能用来测较高压强.
(2)图中在管内水银表面处的压强为0P,自右向左各管内水平界面处的压强分别以123,,PPP表示,容器A内的压强以AP表示,水银和水的密度分别以,表示,则:
101212323PPghPPghPPgh
将以上三式代入34APPgh可得:
01342()()2.43APPghhghhatm
11.2.2 A,B两容器内的压强都很大,现欲测它们之间的压强差,可用图中装置.50hcm,求AB内的压强差是多少厘米水银柱高.这个压强计的优点是什么?
[解 答]
以,ABPP分别表示容器A,B内的压强,以,ABPP分别表示左右管子中的水与水银界面处的压强,以,分别表示水和水银的密度,则
21()AABBABPPghPPghhPPgh
由于两边压强很大,水和水银密度相差也很大,因此,可以近似地忽略管子中的水重,认为A,B的压强差约为50cm汞柱.
11.2.3 游泳池长50m,宽25m,设各处水深相等且等于1.5m,求游泳池各侧壁上的总压力.不考虑大气压.
[解 答]
先计算ABCD壁的压力
21.51.5210011.522zFgzbdzgbgb
再计算BCFE壁的压力.
21.51.5220011.522zFgzadzgaga
OxyzdzabABCDEF 406 四壁总的压力为:
2261111.51.51.6510()22FFgbgaN
11.2.4 所谓流体内的真空度,指该流体内的压强与大气压的差数.水银真空计如图所示,设50hcm,问容器B内的真空度是多少2/Nm?
