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第04章 流体在圆管中的流动-t综述

第4章 流体在圆管中的流动;流体运动的两种型态:;(1)液流型态实验——雷诺实验;临界速度:逐渐将阀门开大,增加管内水流的流速,颜色水仍能保 持平稳的直线,直到阀门开大到一定的程度,即管内水 流流速增大到某一极限,颜色直线开始颤动,具有波形 轮廓,此时的流速称为临界速度。;若按相反的程序进行实验 先开大阀门,使管内流动处于湍流状态,然后再逐渐关小阀门, 使管内水流速度逐渐降低,则上述现象以相反的过程重演。即 当管内水流速度降到某一数值时,流动将呈现为层流。所不同 的是由湍流转变为层流时管内断面平均流速要比由层流转变为 湍流时断面平均流速要小。这样就出现了作为转换点的两个流 速,可分别称为下临界流速和上临界流速,下临界流速一般是 固定的,但上临界流速则不固定,随水流受外界干扰情况而改变。;速度由小变大,层流 湍流:上临界流速;(2)液流型态的判别准则;圆管:;能量损失按性质可分为两类:;局部损失:表示流体在运动中遇到因边界发生急剧变化的局部障碍(如阀门,截面积突变等),使流线发生变形,并出现许多旋涡而耗散的机械能。;(3)水头损失与速度的关系;hf与流速v的关系:;例题: 水和油的运动粘度分别为 若它们以平均速度 的流速在直径为 的圆管中流动。 试求: 确定其流动状态?;4.2 圆管中的层流运动;已知:在长度l =10000m,直径d=300mm的管路中输送 γ=9.31kN/m3的重油,其重量流量G=2371.6kN/h, 求:油温分别为100C(ν=25cm2/s)和400C(ν=1.5cm2/s)时的水头损失。; 实际流体流动中,绝大多数是湍流,因此研究湍流流动比研究层流流动更具有实用意义和物理意义。 层流运动:流体质点层次分明地向前运动,其轨迹是平滑的、变化很慢的曲线,互不混掺的有规则的运动。这样的流体运动,适用于牛顿内摩擦定律。 湍流运动:流体质点的轨迹杂乱无章流体质点作彼此混掺、互相碰撞和穿插的无规则运动,并有涡体产生。因此,流体质点在经过流场中的某一位置时其运动要素都是随时间变化的,并且毫无规律,这样的流体运动,牛顿内摩擦定律不能适用。由于湍流运动的复杂性,要找出它的规律还很难。目前所用的都是一些经验和半经验的公式。;1、湍流的特征;(3)能量耗损: 湍流运动中,小涡体通过粘性作用耗损了大量的能量。 实验表明:湍流中的能量损失比同条件下的层流要大的多。;2、运动要素的脉动; 时均速度:瞬时速度在时间周期 T 内的平均值。;瞬时值 = 时均量 + 脉动量;3、湍流的剪应力;第二部分:由脉动流速所引起的时均附加 切应力,又称为紊动切应力。;l ——混合长度;;b层的流体质点向下移动l 距离,当它到达a层时, 此质点的速度较周围流体的速度大,其速度差为:;即x方向的脉动流速与y方向的脉动流速成比例,且符号相反。;4、湍流速度分布;由边界条件确定积分常数,当y =0 时,u=0,则c=0;混合长度表征了流体质点横向脉动的路程,在近壁处,质点受边壁的制约影响,其脉动的余地较小,随着离开壁面距离的增大,质点的湍流自由度增大,因此,普朗特假定在近壁处混合长度l与离壁面的距离y成正比,即:;4.4 管路流动的沿程阻力;(1)尼库拉兹实验;(a)人工均匀粗糙 尼古拉兹用几种相对粗糙不同的人工均匀粗糙管进行实验;通过改变速度,从而改变雷诺数,测出沿程损失,计算出沿程损失系数。 (b)尼古拉兹实验图;1)层流区——实验点集中在直线ab上;2)层流向湍流的过渡区——实验点集中在bc区间内,无具体计算式;3)湍流光滑区——实验点集中在直线cd上;4)水力光滑向水力粗糙的过渡区——实验点集中在cd,ef区域内;5)湍流粗糙区——实验点集中在ef区域后;(3)沿程摩阻系数的经验公式;曼宁公式(1889年,Manning) ;4.5 管路流动的局部阻力;(1)从流动特征分析,局部阻碍分为:;1、圆管突扩的局部阻力分析;设有突扩管段,现在研究这个流段所受外力与水头损失的关系:;列1-2断面的伯努利方程:;以上两个局部水头损失系数,分别与突然扩大前、后两个断面的平均速度对应。;特例:当流体在淹没情况下,流入断面很大的容器时,作为突然扩大的特例,A1/A2≈0,则ζ=1,称为管道的出口损失系数。;2、圆管突然缩小的局部阻力分析;4、减小局部阻力的措施;已知:如图所示

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