第7章节流体在管路中流动.pptVIP

欢 迎 使 用 《工程流体力学》 多媒体授课系统;第七章 流体在管路中的流动;概 述;7.1 管路中流体流动的两种状态;当阀口开度较小，玻璃管中的速度较小时，颜色水保持 一条平直的细线，不与周围的水相混合，见图7－2a。 如果继续缓慢开大阀门，玻璃管中流动速度加快，可以 发现，在一定的流动速度范围内，水流仍保持层流状 态。当流速增大到某一值后，颜色水出现摆动现象，而 不能维持直线的状态，如图7－2b所示。这说明流体质 点出现了与主流动方向垂直的横向运动。若继续开大阀 门，流速增大到某一值时，摆动的颜色水线突然扩散， 并和周围的水流相混合，颜色水充满整个玻璃管，如图 7－2C所示。如果把阀门从大缓慢关小，即使玻璃管中 的水流速度由大逐渐减少测流动会从湍流逐渐过渡到层 流状态，使颜色水又恢复到一条平直的细线。; 三、基本概念 1、层流：流体质点平稳地沿管轴线方向运动，而无横向运动，流体就象分层流动一样，这种流动状态称为层流。 2、湍流：流体质点不仅有纵向运动，而且有横向运动，处于杂乱无章的不规则运动状态，这种流动状态称为湍流。 3、上临界流速：由层流转变为湍流状态时的流速称为上临界流速vc’。 4、下临界流速：由湍流转变为层流时的流速称为下临界流速vc， ;四、雷诺数 1、对应于下临界流速vc的称为下临界雷诺数Rec， 对应于上临界流速vc’的称为上临界雷诺数Rec’。 实验测得Rec = 2320，Rec’ = 13800。 2、雷诺数公式 3、雷诺数的物理意义是作用于流体上的惯性力与粘性力之比。Re越小，说明粘性力的作用越大，流动就越稳定；Re越大，说明惯性力的作用越大，流动就越紊乱。 4、水力半径R：某一非圆断面管道的过流断面面积A与液体相接触的过流断面润湿周界的长度l之比称为当量半径。 5、水头损失;一、沿程阻力 流体在管道中流动时，由于流体与管壁之间有粘附 作用，以及流体质点与流体质点之间存在着内摩擦 力等，沿流程阻碍着流体的运动，这种阻力称为沿 程阻力。为克服沿程阻力而损耗的机械能称为沿程 能量损失，单位重量流体的沿程能量损失称为沿程 能头损失，以hλ表示 ;二、局部阻力 流体在管道中流动时，当经过弯管、流道突然扩大 或缩小、阀门、三通等局部区域时，流速大小和方 向被迫急剧地改变，因而发生流体质点的撞击，出 现涡旋、二次流以及流动的分离及再附壁现象。此 时由于粘性的作用，质点间发生剧烈的摩擦和动量 交换，从而阻碍着流体的运动。这种在局部障碍处 产生的阻力称为局部阻力。流体为克服局部阻力而 消耗的机械能称为局部能量损失，单位重量流体的 局部能量损失称为局部能头损失，以hζ表示 ;三、总能量损失 在工程实际中，流体在管道中流动总是要同时产生 沿程能量损失和局部能量损失的。于是在某段管道 上流体产生的总的能量损失应该是这段管路上各种 能量损失的迭加，即等于所有沿程能量损失与所有 局部能量损失的和，用公式表示为 ;7.3 圆管中的层流流动; 整理得 根据牛顿内摩擦定律，有 推得： 或 二、速度分布 对上式积分;积分常数 得： 其中;三、流量计算 在过流断面的任一半径r处，取一宽度为dr的圆环 ，如图7－5所示。因dr很小，可以认为其上速度 相等，即按式（7－24）分布，于是通过微元面积 dA = 2πrdr上的微小流量 通过整个过流断面的流量为;断面上的平均流速 四、动能修正系数和动量修正系数 根据动能修正系数和动量修正系数的定义，由以上 分析结果，可根据式（7－24）和才（7-28），求 出圆管层流时的动能修正系数α和动量修正系数β 的值分别为;五、切应力分布 切应力 将式（7－24）代人上式，得 令r = R时，τ = τ0，则 于是;六、沿程能量损失 流体在圆管内作层流流动时的沿程能量损失 将 代入上式得 式中λ = 64／Re，为圆管层流的沿程能量损失系 数。 为克服沿程阻力而消耗的功率为;一、脉动现象与时均值 1、这种在定点上的瞬时运动参数随时间而发生波动的现象称为脉动。 2、时均法分析湍流运动 如取时间间隔T，瞬时速度在T时间内的平均值称 为时间平均速度，简称时均速度，即;时均压强 二、湍流的速度结构、水力光滑管和水力粗糙管 1．湍流的速度结构 管中湍流的速度结构可以划分为以下三个区域： （1）粘性底层区：在靠近管壁的薄层区域内，流体 的粘性力起主要作用，速度分布呈线性，速度梯度很 大，这一薄层叫粘性底层。如图7－7所示。 （2）湍流核心区：在管轴中心区域，粘性的影响逐 渐减弱，流体的脉动比较剧烈，速度分布比较均匀， 流体处于完全的湍流状态，这一区域称为湍流核心区 （3）过渡区：处于粘性底层与湍流核心区之间的 区域，这一区