流动阻力与水头损失.pptVIP

黏性流体的两种流动型态 从黏性流体总流的伯努利方程可以看出,要想应用此关系式计算 h 有关工程实际问题,必须计算能量损失 项,由于流体流动的能 w 量损失与流动状态有很大关系,因此,我们首先讨论黏性流体流 型。 黏性流体的流动存在着两种不同的流型,即层流和紊流,这两种 流动型态由英国物理学家雷诺(Reynolds)在1883年通过他的实 验(即著名的雷诺实验)大量观察了各种不同直径玻璃管中的水 流,总结说明了这两种流动状态。 一、雷诺实验 雷诺实验装置如图6-5所示。实验的步骤如下: 1 首先将水箱A注满水,并利用溢水管H保持水箱中的水位恒定,然后微微 打开玻璃管末端的调节阀C,水流以很小速度沿玻璃管流出。再打开颜色水瓶 D上的小阀K,使颜色水沿细管E流入玻璃管B中。当玻璃管中水流速度保持很 小时,看到管中颜色水呈明显的直线形状,不与周围的水流相混。这说明在 低速流动中,水流质点完全沿着管轴方向直线运动,这种流动状态称为层流, 如图6-6a所示。 图6-5 雷诺实验 图6-6 层流、紊流及过渡状态? 实验装置 颜色水 V Qt 图3 雷诺实验装置示意图? 实验现象 ( a)平稳而鲜明的细色线 v 小 v 小 层流 ( b)振荡摇摆的波形色线 v 下 过渡流 v 上 ( c)色线破裂扩散 紊流 v 大 v 大 v 层流紊流: 上临界流速 ?? c 紊流层流: 下临界流速 ?? v c2 调节阀C逐渐开大,水流速度增大到某一数值时颜色水的直 线流将开始振荡,发生弯曲,如图6-6b所示。 3 再开大调节阀C,当水流速度增大到一定程度时,弯曲颜色 水流破裂成一种非常紊乱的状态,颜色水从细管E流出,经很短 一段距离后便与周围的水流相混,扩散至整个玻璃管内,如图 6-6c所示。这说明水流质点在沿着管轴方向流动过程中,同 时还互相掺混,作复杂的无规则的运动,这种流动状态称为紊 流(或湍流)。 如果将调节阀C逐渐关小,水流速度逐渐减小,则开始时玻璃管内 仍为紊流,当水流速度减小到另一数值时,流体又会变成层流, 颜色水又呈一明显的直线。但是,由紊流转变为层流时的流速要 比由层流转变为紊流时的流速小一些。我们把流动状态转化时的 流速称为临界流速,由层流转变为紊流时的流速称为上临界流速,V 以 c 表示。由紊流转变为层流时的流速称为下临界速, 以 表示。则 VVV c c c雷诺实验表明:①当流速大于上临界流速时为 紊流;当流速小于下临界流速时为层流;当流 速介于上、下临界流速之间时,可能是层流也 可能是紊流,这与实验的起始状态、有无扰动 等因素有关,不过实践证明,是紊流的可能性 更多些。②在相同的玻璃管径下用不同的液体 进行实验,所测得的临界流速也不同,黏性大 的液体临界流速也大;若用相同的液体在不同 玻璃管径下进行试验,所测得的临界流速也不 同,管径大的临界流速反而小。二、雷诺数 综上可知,流体的流动状态是层流还是紊流,与流速、管径和 流体的黏性等物理性质有关。雷诺根据大量的实验数据证明, V与流体的动力黏度 成正比,与管 流体的临界流速 cd 内径 和流体的密度 成反比,即Vcd R e 他引出一个比例系数 ,上式可写成等式 c? V d c VR eR e c c c R e (6-9) 或 cd d称为临界雷诺数,是一个无量纲数。 这个比例系数 R e c经过雷诺实验和他以后的许多学者如席勒(Ludwig Schiller) 的精密实验结果指明,对于非常光滑、均匀一致的直圆管,下临界 R e R e 雷诺数等于2300。但对于一般程度的粗糙壁管值稍低, c c R e2300 约为2300,所以在工业管道中通常取下临界雷诺数 。上临 cR e 界雷诺数 不易测得其精确数值,一般取为13800。于是得 c V d c R e? 2300 c? V d cR e?13800 c无数实验证明,不管流速多少、管内径多大、也不管流体的运动 黏度如何,只要雷诺数相等,它们的流动状态就相似。所以雷诺 数是判别流体流动状态的准则数,即:? R eR e R eR e 当流体流动的雷诺数 时,流动状态为层流;当 ,则 c c为紊流;当 R e R e R e时,流动状态可能是层流,也可能是紊流, c c 处于极不稳定的状态,任意微小扰动都能破坏稳定,变为紊流。显然,上临界雷诺数在工程上一般没有实用意义,故通常都采 用下临界雷诺数 作为判别流动状态是层流或紊流的准则数。 R e 即: c V d R e是层流 ≤2300V d R e是紊流 2300 ?工程中实际流体(如水、空气、蒸汽等)的流动,几乎都是紊流, 只有黏性较大的液体(如石油、润滑油、重油等)在低速流动中, 才会出现层流。 流体在任意形状截面的管道中流动时,雷诺数