第四節(jié) 流動(dòng)阻力和水頭損失
第三節(jié)中討論了能量方程，但并未討論能量方程中由于流動(dòng)阻力所產(chǎn)生的能量損失。在第一節(jié)中曾經(jīng)指出，水、空氣等都是有粘性的，因而將產(chǎn)生流動(dòng)阻力。當(dāng)流體在固體壁面的約束下流動(dòng)，如管流或明渠流等稱(chēng)為內(nèi)部流動(dòng)，此時(shí)流體要流動(dòng)就必須克服阻力做功，由此產(chǎn)生能量損失。流體繞固體流動(dòng)或者說(shuō)固體在流體中運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為外部流動(dòng)，如風(fēng)吹過(guò)煙囪或顆粒在流體中上升或沉降，此時(shí)氣流受到煙囪的阻力或者顆粒受到流體的阻力都是粘性阻力，稱(chēng)為繞流阻力。本節(jié)主要討論內(nèi)部流動(dòng)的能量損失;對(duì)繞流阻力僅作簡(jiǎn)單介紹。
由于流動(dòng)有層流和紊流兩種流態(tài)，不同流態(tài)的能量損失的規(guī)律是不同的。首先討論以上兩種流態(tài)。
一、實(shí)際流體的兩種流態(tài)——層流和紊流
(一)雷諾實(shí)驗(yàn)
雷諾曾經(jīng)以圖6-4—1的裝置來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，揭示了兩種流態(tài)不同的本質(zhì)并確定圓管流態(tài)的判別數(shù)。
打開(kāi)玻璃管的調(diào)節(jié)閥，玻璃管中水開(kāi)始流動(dòng)。再打開(kāi)顏色液的小閥，顏色水將進(jìn)入玻璃管，與水一起流動(dòng)。當(dāng)管中平均流速v較小時(shí)，顏色液呈一直線狀如圖6-4-1中a，與周?chē)逅ゲ粨交?，這種有規(guī)則的分層流動(dòng)被稱(chēng)為層流。隨著v的增大，顏色液將產(chǎn)生波動(dòng)，直到某一數(shù)值，顏色液擴(kuò)散到清水中，不復(fù)再見(jiàn)(見(jiàn)圖6-4-1中b)。這時(shí)，兩者已互相摻混，每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡是十分混亂的，這種流態(tài)被稱(chēng)做紊流。此時(shí)若再將流速減小，必須減小到比前一臨界值更小的數(shù)值，流態(tài)才會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?。層流和紊流由于兩者?nèi)部結(jié)構(gòu)不同，能量損失的規(guī)律也不同。由實(shí)驗(yàn)得到：直管上下游斷面間的水頭損失，層流時(shí)與斷面平均流速的一次方成正比，即hf∝v1.0;紊流時(shí)則與流速的1.75—2.0次方成正比，hf∝v1.75～2.0。
第三節(jié)中討論了能量方程，但并未討論能量方程中由于流動(dòng)阻力所產(chǎn)生的能量損失。在第一節(jié)中曾經(jīng)指出，水、空氣等都是有粘性的，因而將產(chǎn)生流動(dòng)阻力。當(dāng)流體在固體壁面的約束下流動(dòng)，如管流或明渠流等稱(chēng)為內(nèi)部流動(dòng)，此時(shí)流體要流動(dòng)就必須克服阻力做功，由此產(chǎn)生能量損失。流體繞固體流動(dòng)或者說(shuō)固體在流體中運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為外部流動(dòng)，如風(fēng)吹過(guò)煙囪或顆粒在流體中上升或沉降，此時(shí)氣流受到煙囪的阻力或者顆粒受到流體的阻力都是粘性阻力，稱(chēng)為繞流阻力。本節(jié)主要討論內(nèi)部流動(dòng)的能量損失;對(duì)繞流阻力僅作簡(jiǎn)單介紹。
由于流動(dòng)有層流和紊流兩種流態(tài)，不同流態(tài)的能量損失的規(guī)律是不同的。首先討論以上兩種流態(tài)。
一、實(shí)際流體的兩種流態(tài)——層流和紊流
(一)雷諾實(shí)驗(yàn)
雷諾曾經(jīng)以圖6-4—1的裝置來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，揭示了兩種流態(tài)不同的本質(zhì)并確定圓管流態(tài)的判別數(shù)。
打開(kāi)玻璃管的調(diào)節(jié)閥，玻璃管中水開(kāi)始流動(dòng)。再打開(kāi)顏色液的小閥，顏色水將進(jìn)入玻璃管，與水一起流動(dòng)。當(dāng)管中平均流速v較小時(shí)，顏色液呈一直線狀如圖6-4-1中a，與周?chē)逅ゲ粨交?，這種有規(guī)則的分層流動(dòng)被稱(chēng)為層流。隨著v的增大，顏色液將產(chǎn)生波動(dòng)，直到某一數(shù)值，顏色液擴(kuò)散到清水中，不復(fù)再見(jiàn)(見(jiàn)圖6-4-1中b)。這時(shí)，兩者已互相摻混，每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡是十分混亂的，這種流態(tài)被稱(chēng)做紊流。此時(shí)若再將流速減小，必須減小到比前一臨界值更小的數(shù)值，流態(tài)才會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?。層流和紊流由于兩者?nèi)部結(jié)構(gòu)不同，能量損失的規(guī)律也不同。由實(shí)驗(yàn)得到：直管上下游斷面間的水頭損失，層流時(shí)與斷面平均流速的一次方成正比，即hf∝v1.0;紊流時(shí)則與流速的1.75—2.0次方成正比，hf∝v1.75～2.0。