液流形态及水头损失(土木).pptVIP

第五章 水力学与河流动力学教研室 1.水头损失产生原因及分类 2.液流型态(流态判别与特性) 3.沿程水头损失的变化规律及确定 4.局部水头损失的确定 5.4 紊流概述 二、实用管道试验研究 莫迪(Moody)图：工业用各种不同相对粗糙度的圆管 小结 层流 紊流 流动特征 判别标准 流速分布 管流Re2000 明渠流Re500 管流Re2000 明渠流Re500 质点运动互不混掺,作规则线状运动 质点运动相互混掺,作不规则紊乱运动,运动要素具有脉动现象 呈抛物线分布,沿垂线分布不均匀 呈对数或指数分布,沿垂线分布较均匀 主要作用力 粘滞力(流层间作用的切向应力为粘滞切应力) 惯性力(流层间作用的切向应力为粘滞切应力和紊动附加切应力之和) 1.层流区 2.紊流区 紊流光滑区 紊流过渡区 紊流粗糙区 λ的变化规律 hf与v的关系 λ与Re和壁面相对粗糙度有关 λ与Re无关 5.6 计算沿程水头损失的经验公式 明渠流动沿程水头损失的表达、计算都用水力半径R 谢才公式: 1769年 C--谢才系数,单位为：m1/2／s R--为水力半径 J--为水力坡度 工程实践中被广泛采用 计算均匀流的经验公式 5.2.3 液流型态的判别 雷诺数： 层 流： ReRek 紊 流： ReRek 圆管中恒定流动的流态转化仅取决于雷诺数 明渠流---580 下临界雷诺数：管流--- 2320 上临界雷诺数：表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。 下临界雷诺数：具有实际意义，表示低于此雷诺数的流动必为层流，又确定的取值。 临界雷诺数----圆管中恒定流动的流态发生转化时对应的雷诺数。分为上临界雷诺数和下临界雷诺数 紊流的形成 (1)切应力形成力矩，产生涡体的倾向 (2)局部流速和压强的重新调整，产生横向压力 (3)横向压力波幅加大 (4)在横向压力和切应力的综合作用下，形成旋转的涡体 (5)横向升力有可能使涡体脱离该液层 流动转化过程的物理本质 紊流的形成取决于两个条件 水流中存在涡体 涡体能脱离原流层向周围流层混掺 两者缺一不可 从涡体的形成过程可知，实际液体即使处于层流状态，形成涡体也总是不可避免的 要使涡体向周围流层混掺，必须克服本层液体的粘性产生的阻扰作用。 从力学角度看，涡体的升力取决于流速和涡体旋转的速度，故可用水流的惯性力表征；流层内的阻抗作用可用水流的粘性力表征。 流速越大，水流的惯性力越强，当水流惯性力做大于粘性力作用时，涡体才能挣脱本流层的约束，进入相邻流层实现掺混。 因此，水流的流态实质上是水流惯性力与粘性力作用处于一定对比关系时的表现。流态的转换反映了水流中这两种作用力的对比出现了本质性改变。 从力学实质上看，雷诺数正是反映了惯性力作用和粘性力作用的对比关系 水流的惯性力与粘滞力之比 例1：一有压管道，A断面管径d=50mm,油的运动黏度v=5.16?10-6m2/s, vA=0.103m/s,判别该处油流流态？若管径沿程减小，Re沿程如何变化？求保持层流的最小管径dm。 A A 故为层流。 因 管径沿程减小 所以 雷诺数Re则沿程增大。 解： Q=0.0002m3/s，要保持层流须满足： 当 可得最小管径 dm=24.7mm 5.3 圆管中的层流运动 一、圆管层流运动 看作是由许多无限薄的同心圆筒层一个套一个地运动着 每一圆筒层表面的切应力都可按牛顿内摩擦定律来计算 1、流速分布 各圆筒层的流速随半径增加而递减，即 因为 积分 式中C为积分常数 说明：圆管层流的流速是抛物线型分布 2、管轴处流速 当 代入 边界条件 4、沿程水头损失 5、沿程水头损失系数 表明：在圆管层流中，沿程水头损失与断面平均流速的一次方成比例---与雷诺试验结果相同 表明：圆管层流中沿程阻力系数仅系雷诺数的函数，且与雷诺数成反比 3、断面平均流速 二、宽矩形明渠 任意点y处的切应力 且 积分，并考虑y=0时，u=0，积分常数为0 说明：宽矩形明渠层流的流速是抛物线型分布 1、流速分布 2、自由表面处流速 3、沿程水头损失 4、沿程水头损失系数 表明：沿程水头损失与断面平均流速的一次方成比例---与雷诺试验结果相同 表明：沿程阻力系数仅系雷诺数的函数，且与雷诺数成反比 一、紊流的形成 紊流的运动特征：运动要素的脉动，涡体的运动使得任一点的瞬时运动要素(如流速、压强等)随时间发生波动的现象。 紊流的结构特征：紊流是由大小不同、旋转强度各异的涡体组成，除沿边界约束的总流方向运动外，涡体不停的震荡、分解、组合，处处都有不同流层质点间的相互混掺、碰撞 运动要素的脉动是质点相互混掺