第九章 管内流体流动.ppt

第九章 管内流体流动 前言 管内流动具有广泛的应用背景: 通过管内配送工业及城市生活用水 采用长输管道远距离输送石油和天然气等 本章将重点讨论 管内层流流动和湍流流动的速度分布及流动阻力 简要介绍非圆形管道和弯曲管道中的流体流动 9.1 流体流动的内部结构 流体流动的内部结构是指流体微元尺度上的流动状况 粘性流体流动中的速度分布、剪切力的大小以及流动阻力等都是流动内部结构的外在表现，因而与流动结构有密切的关系 9.1.1 层流与湍流 流动型态 1883年，著名的雷诺(Reynolds)实验揭示出粘性流动有两种性质不同的型态，层流和湍流 下图所示为雷诺实验示意图 一个充满水的容器与一根水平玻璃管连接，连接管口呈喇叭形 容器内放置一装有染色示踪剂的小容器，并用一根细管将示踪剂引导到玻璃管喇叭口的前方，使其轴心线与玻璃管重合 实验时，保持容器内液位不变，逐渐开启玻璃管阀门，当管内流体流速不大时,染色细流体的运动呈一条直线，表明流体层之间互不掺混，流动处于层流型态，称为层流流动 实验时，保持容器内液位不变，逐渐开启玻璃管阀门 当管内流体流速不大时，染色细流体的运动呈一条直线表明流体层之间互不接混，流动处于层流型态，称为层流流动 再开大阀门，当流速达到某一但时，染色细线散开，产生许多小旋涡，开始颤动 最终与主体水流掺混在一起，使水染色。此时，流动处于紊流型态，称为湍流流动，也叫紊流流动 从本质上看，层流时染色线保持光滑直线，是因为流体运动规则、稳定，流体层之间没有宏观的横向掺混(但分子扩散是存在的) 湍流时，流体在总体上沿管道向前流动，同时还在各个方向作随机脉动，流体层之间出现显著的横向掺混，从而使得染色线抖动、弯曲、直至断裂冲散 流态的判定 流动从层流型态过渡到湍流型态的过程是一个流动失稳的过程，称为流动型态的转变 转变点的判定指标是雷诺数 从层流转换到湍流所对应的雷诺数称为临界雷诺数 大量实验表明，临界雷诺数不是一个固定不变的常数。它与近口处的扰动、管道入口形状及管壁粗糙度等因素有关 如果扰动量大，管道处不平滑，管壁较粗糙，则临界雷诺数要小些，反之，临界雷诺数要大些 在通常条件下，雷诺实验表明，当Re＜2300时，一般为层流 当只Re ＞4000时，一般为湍流 当2300＜ Re ＜4000时，可能是层流，也可能是湍流，与流动环境有关，称为过渡区 9.1.2 湍流的基本特征 湍流的时均速度和脉动速度 对于稳态层流流动，其速度不随时间变化，只随空间位置变化，在某一测量点处测得的速度随时间的变化如图9-2所示 对于湍流流动，由于流体质点在随主流流动过程中还有随机脉动 因此在稳态流场中某一点测得的速度曲线将如图9—3所示 该图表明，虽然速度U的瞬时变化无规律可循，但由于是稳态流动，所以瞬时速度的时间平均值 是常量 因而可将湍流瞬时速度 视为一个不随时间变化的常量 (称为时均速度)与一个随时间随机变化的脉动量 相叠加的结果 即 (9—1) 在非稳态流动条件下，流场中某一点测得的速度曲线将如图9—4所示 这种情况下湍流的时均速度 也随时间发生变化 但这种变化是因为非稳态流场中主体流动本身是随时间变化的，与随机脉动无关 一般情况下湍流的时均速度 指的是 式中 表示时间平均周期，它比脉动周期大得多 另一方面又比非稳态流动的特征时间小得多 由(9—2)式可知，脉动速度U’的时均值为零 通常，将时均速度 不随时间变化的湍流流动，称为稳态湍流(对应于稳态流场) 而将时均速度 随时间变化的湍流，称为非稳态湍流(对应于非稳态流场) 湍流的强度 在湍流流动中，脉动量显然是标志流体湍流脉动程度的重要参数 例如，风洞气流流场性能优劣的评价指标之一就是脉动 由于脉动量的平均值为零，因此常常用脉动量的均方根值来反映湍流脉动的强烈程度，称为湍流强度，通常用符号I表示，即 有时用脉动量的均方根值与时均速度之比表示湍流强度，称为相对湍流强度用I r表示， 即： 9.2 圆管内充分发展的层流流动 不可压缩流体在圆管内作层流流动时，在距管道入口相对远处，流体的速度分布将不再随流动距离发生变化，这种流动称为充分发展的层流流动 将管子轴向设为x，则充分发展意味着： 9.2.1 速度与切应力分布 在5.3.1节中已详细讨论了充分发展的层流流动问题 在此仅列出速度分布和切应力分布的主要结果 设管子轴向坐标为x，径向坐标为y，按式(5—16)和式(5—17) 半径为 R 的水平圆管内充分发展层流的速度分布和切应力分布为