粗糙壁对湍流的影响完成版.docx

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1、粗糙壁对湍流的影响一.名目（-）沿程阻力系数入与沿程水头损失hf关系（二）尼古拉兹试验1 .传统试验介绍及尼古拉兹曲线分析2 .尼古拉兹圆管沿程水流阻力试验的新发觉（三）沿程阻力系数入的计算1 .人工粗糙管中的半阅历公式2 .工业管道人值的计算公式3 .阅历公式4例题（四）实际工程应用中人计算1 .高浓度管道输沙中沿程阻力系数影响因素分析2 .隧道通风井喷射混凝土壁面沿程阻力系数（实地测量）二.正文（-）沿程阻力系数与沿程水头损失hf关系!.Because of the complexity of turbulent flow, the calculation equation for fri

2、ctional loss in turbulent flow can only be set up by applying dimensional analysis method.The calculation equation frictional loss in turbulent now is the same as that in laminar now in form, what is different is frictional drag coefficient , namely由于紊流的简单性，紊流沿程损失的计算公式只能借助量纲分析法来一居建立。公式在形式上与层流一样，所不同的

3、只是沿程阻力系数入，即for Iaminarflow对层流=64Refor turbulent flow, is the function of reynolds number Re and relative roughness /d, that isA小号）对紊流，人是雷诺数Re和相对粗糙度Ad的函数，即（二）Nikuradse Experiment尼古拉兹试验L传统试验介绍German dynamicist and engineer-Nikuradse conducted experimental determination on frictional drag coefficient c

4、ross-section velocity distribution in pipe flow in 1933,the experimental equipment is similar to that in Reynolds experiment. During tests, Nikuradse glued closely homogeneous sand grains screened on pipe wall to make the so-called artificially rough pipezthen he measured average velocity v on cross

5、-section and friction head loss hf at different flow rate in pipes of different relative roughness, calculated magnitudes of Re and 入by corresponding formulas and marked their logarithmic points on plotting M A。号）paper, the curveengenderd in such a way is calledNikuradse curve graph, as shown in fig

6、l1933年德国力学家和工程师尼古拉兹进行了管流沿程摩阻 系数和断面速度分布的试验测定，其试验装置类似雷诺试验。 试验时，尼古拉兹将筛选过的匀称砂粒紧密地贴在管壁表面, 做成人工粗糙管，然后对不同相对粗糙度的管道测量其在不 同流量下的断面平均流速V和沿程水头损失hf ,按相应公 式算出Re和入 值，取对数点绘制坐标纸上，得到曲线，即所谓的尼姑拉兹曲线图，如图figl =4&用所示。According to the variation characteristic of , Nikuradse curve may be divided into five regions：根据A变化的特征,尼古拉

7、兹曲线可分为五个区域：Region | Izminar flow region (line ab). When Re 2000( or tRe 3.36) , A is free from relative roughness d, this agrees with the equation A = 64Re.第I区一层流区(OA线)。当&2000(4000(or IgRe 3.6), flow is in turbulent regime. d has no influence on A , only Re concerns.第区一素流光滑区(Cd线)。当Re4000(e3.6)时,此时流动

8、已处于素流状 表明d对A仍无影响，而A只与&有关。Region IVTurbulent transient region (the area between line cd and ef). An independent oscillating curve stretches out from experimental Poinl of diflerent Ad, in this case, A is related with both Re and Ad, namely, A =/( &, d).第IV区一紊流过渡区(Cd和4线之间的区域)。不同d的实验点各自独立成一条波 状曲线,A既与取有

9、关,又与Ad有关,即A=CRed) Region V-Turbulent rough region (the area on the right of line rf). Experimental cu,e becomes a straight line parallel Io horizontal axis, this means A has nothing to do with Re, only related Io d, that is A f(d) t it indicates that flow is in fully developed turbulent regime, (low

10、 drag is in proportion Io SqUare velocity, hence it is called square drag region.第V K紊流粗粒区(4线以右的区域)。实验曲线成为与横轴平行的宜线段,说明该 KA与雷诺数无关,仅与A/d有关,即=(Ad),这说明流动处于发展完全的紊流状态,流 动阻力与流速平方成正比,故又称为阻力平方区。The signicance of Nikuraclse experiment lies in that it has enUrely revealed the relationship a- mng A , Re and A/d

11、 in different regime. and SPeCified that all kinds of empirical and semi - empirical formulas used to determine have applicable scopes.尼古拉兹实验意义在于它全面揭示了不同流态下和雷诺数及相对粗糙度的关系,从而 说明确定A的各种经验公式和平经验公式行一定的适用范围UFigl尼古拉兹曲线下面对这五个区域进行分析2.尼古拉兹圆管沿程水流阻力试验的新发觉（1） .尼古拉兹1933年提出的圆管水流沿程阻力变化规律是水力学的 经典理论之一，该理论是基于他19321933年

12、期间所开展的系列人工 粗糙圆管水流阻力试验，该试验揭示了人工粗糙圆管沿程阻力系数（人）与雷诺数（Re）、相对粗糙度（ / d ）的变化规律。万军伟团队2022年也制作了相对粗糙度/ d为1 / 30. 89的人工 粗糙圆管，开展了类似的水流阻力试验，与尼古拉兹相对粗糙度A / d为1 / 30. 15的试验结果对比发觉：本次试验结果验证了尼古拉兹 试验所揭示的不同粗糙度人工圆管沿程阻力系数随雷诺数（或流态） 和粗糙度的总体变化规律，说明尼古拉兹试验具有可重复性，尤其是 当水流流态为层流时，试验结果都听从沿程阻力系数入=6 4 / R e。 但是当水流呈紊流时，粗糙度基本相同的人工粗糙度圆管的试

13、验结果 却存在明显差异，后者的沿程阻力系数（）要大于前者，以下将具 体分析造成这种差异的缘由，并对尼古拉兹试验曲线加以修正。（2） .试验结果对比分析A.相同点此次我们设计并制作了相对粗糙度A / d为1 / 30. 89的人工粗糙 圆管，尼古拉兹试验的相对粗糙度A / d为1 /30.15。分别开展了 不同雷诺数R e条件下的沿程水流阻力试验，得到工粗糙圆管的沿程 阻力系数人随雷诺数Re的变化曲线（如图1所示），从图1中可 见，本次试验具有与尼古拉兹试验基本全都的规律，具体表现为：(1)随着雷诺数R e的增大，水流流态从层流渐渐变为粗糙紊流, 依据沿程阻力系数变化的特征，期间大体可以划分为3

14、个流态区，分别为层流区、层流一粗糙紊流过 渡区和粗糙紊流区(阻力平方区)。(2 )层流条件下，两次试验数据均落在入=6 4 / R e的直线上, 沿程水头损失与断面平均流速的一次方成正比，与相对粗糙度A / d 无关。B.不同点当水流进入层流一粗糙紊流过渡区以后，本次试验与尼古 拉兹试验曲线明显分别，沿程阻力系数存在较大差异(如图1所示)，图1这种差异具体表现为:(you(1 )相同水流流速或雷诺数R e条件下，本次试验所得到的沿程阻力系数人比尼古拉兹试验结果大。本次试验紊流区共4 5组数据，其中相对偏差最小值为6 . 9 3 %,最大值为1 8.1 6 %,整体平均相对偏差为1 O . 8 3 %(2)本次试验随着水流流速或雷诺数R e的增大，水流流态更早地 进入粗糙紊流区(阻力平方区)。尼古拉兹试验在雷诺数R e = 2 68 1 O时，流态进入粗糙紊流区；本次试验在雷诺数R e = 1 758 O时，流态就已经进入粗糙紊流区。注：相关试验过程见【文献三】C结论依据本次相对粗糙度A / d为1 / 30. 89人工粗糙圆管沿程水流阻 力试验与尼古拉兹当年的试验结果对比，可以得出以下结论：(1 )本次试验所揭示的人工粗糙圆管沿程阻力系数入与雷诺数R e、 相对粗糙度Ad的变化规律与尼古拉兹试验所得的结果，在总体 规律上