流体第5章幻灯片.ppt

第五章 管流损失和水力计算 第一节 管内流动的能量损失 第二节 粘性流体的两种流动状态 第三节 管道入口段中的流动 第四节 圆管中流体的层流流动 第五节 粘性流体的紊流流动 第六节 沿程损失的实验研究 第七节 非圆形管道沿程损失的计算 第八节 局部损失 第九节 综合应用举例 第十节 管道的水力计算 习题课 作业 第一节 管内流动的能量损失 粘性流体在通道中流动时的能量损失有两大类 一、沿程能量损失 简称沿程损失，是发生在缓变流整个流程中的能量损失，是由流体的粘滞力造成的损失。通常管道流动中单位重力流体的沿程损失用达西-魏斯巴赫公式（4-45）计算，即 式中的沿程损失系数λ与流体的粘度、流速、管道的内径以及管道粗糙度等有关，是一个无量纲系数，由试验确定。 二、局部能量损失 简称局部损失，是发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失。是在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。通常，管流中单位重力流体的局部能量损失用下式表示： 式中，ζ为局部损失系数，是一个无量纲系数，根据不同的管件由试验确定。 第二节 粘性流体的两种流动状态 英国物理学家雷诺（Osborne Reynolds）在1883年发表的论著中，不仅通过实验肯定了层流和紊流两种流动状态，而且测定了流动损失与这两种流动状态的关系。雷诺试验装置如图5-1所示。 试验发现，仅靠临界速度来叛逆别流体的流动状态是很不方便的，因为随着流体的粘度、密度以及流道线性尺寸的不同，临界速度也不同。 式中l为流体通道（或绕流的物体）的特性尺寸。对于直径为d的圆截面管道 无论流体的性质和管径如何变化，下临界雷诺数Recr=2320，上临界雷诺数可达Recr′=13800，甚至更高 Re﹤Recr时，流动为层流； Re﹥ Recr′时，流动为紊流； Recr ﹤Re ﹤ Recr′时，可能是层流，也可能是紊流， 处于极不稳定的状态。 而工程上一般取圆管的临界雷诺数Recr=2000。当Re≦2000时，流动为层流；当Re ﹥2000时，即认为流动是紊流。 【例5-1】水在内径d=100mm的管中流动，流速v=0.5m/s，水的运动粘度v=1×10-6m2/s。试问水在管中呈何种流动状态？倘若管中的流体是油，流速不变，但运动粘度v=31×10-6m2/s。试问油在管中又呈何种流动状态？ 第三节 管道入口段中的流动 当粘性流体流经固体壁面时，在固体壁面与流体主流之间毕定有一个流速变化的区域，在高速流中这个区域是个薄层，称为边界层。边界层中流体的流动状态也有层流与紊流之分。 当流动的雷诺数低于临界值时，整个入口段的流动为层流，如图5-4(a)所示。入口段长度为 当Red=2000时，L*≈116d。 若不断增大管道入口处的流速，使雷诺数超过临界值，则入口段内某处的边界层即由层流转变为紊流，如图5-4(b)所示。 第四节 圆管中流体的层流流动 通过倾斜角为θ的圆截面直管道的不可压缩粘性流体的定常层流流动，如图5-5所示。 取 ，代入式（5-6），得 可见，粘性流体在圆管中作层流流动时，流速的分布规律为旋转抛物面，如图5-5所示。在管轴上的最大流速为 哈根-泊肃叶（Hagen-Poiseuille）公式 总流伯努利方程中的动能修正系数a 说明，在圆管中粘性流体作层流流动时的实际动能等于按平均流速计算的动能的二倍。 对水平放置的圆管。当r=r0时 【例5-2】图5-6所示为一内径为20mm的倾斜放置的圆管，其中流过密度ρ=815.7kg/m3、粘度μ=0.04Pa﹒s的流体，已知截面1处的压强 p1=9.806×104Pa，截面2处的压强 p2=19.612 ×104Pa。试确定流体在管中的流动方向，并计算流量 和雷诺数。 第五节 粘性流体的紊流流动 一、紊流流动 时均速度和脉动速度 当流动由层流转变为紊流时，流体质点作复杂的无规律的运动。 在时间间隔△t内轴向速度的平均值称为时均速度用vx表示，即 时均速度等于瞬时速度曲线在△t间隔中的平均高度。 瞬时速度 vx′为瞬时速度与时均速度之差，称为脉动速度，它的时均值等于零。 在紊流流动中，流体的压强也处于脉动状态，瞬时压强也可表示为时均压