第七章 管内流体流动.ppt

《工程流体力学》电子教案 四、 沿程损失的实验研究 实验目的： 沿程损失: 层流: 湍流: 在实验的基础上提出某些假设，通过实验获得计算湍流沿程损失系数λ的半经验公式或经验公式。 代表性实验: 尼古拉兹实验 莫迪实验 §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 a、尼古拉兹实验 实验对象: 不同直径 圆管 不同流量 不同相对粗糙度 实验条件: 实验示意图: §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 a、尼古拉兹实验(续) 尼古拉兹实验曲线 §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 a、尼古拉兹实验(续) 尼古拉兹实验曲线的五个区域 层流区 管壁的相对粗糙度对沿程损失系数没有影响。 2. 过渡区 不稳定区域，可能是层流，也可能是紊流。 §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 a、尼古拉兹实验(续) 尼古拉兹实验曲线的五个区域(续) 湍流光滑管区 沿程损失系数?与相对粗糙度无关，而只与雷诺数有关。 勃拉休斯公式： 尼古拉兹公式： 卡门-普朗特公式： §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 a、尼古拉兹实验(续) 尼古拉兹实验曲线的五个区域(续) 湍流粗糙管过渡区 沿程损失系数?与相对粗糙度和雷诺数有关。 洛巴耶夫公式： 阔尔布鲁克公式： 兰格公式： 一、尼古拉兹实验(续) 尼古拉兹实验曲线的五个区域(续) 湍流粗糙管平方阻力区 沿程损失系数?只与相对粗糙度有关。 尼古拉兹公式： 此区域内流动的能量损失与流速的平方成正比，故称此区域为平方阻力区。 二、莫迪实验 实验对象: 不同直径 工业管道 不同流量 不同相对粗糙度 实验条件: §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 二、莫迪实验(续) 莫迪实验曲线 §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 二、莫迪实验(续) 莫迪实验曲线的五个区域 1. 层流区 ——层流区 2. 临界区 3. 光滑管区 5. 完全紊流粗糙管区 4. 过渡区 ——湍流光滑管区 ——过渡区 ——湍流粗糙管过渡区 ——湍流粗糙管平方阻力区 §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 * * 第九章 管内流体流动 §9.1 粘性流体的两种流动状态（内部结构） §9.5 管道入口段中的流动 §9.2 圆管中充分发展的层流流动 §9.3 湍流（紊流）的半经验公式 §9.4 圆管中充分发展的湍流流动 §9.1 粘性流体的两种流动状态 一、层流与湍流 1.流动形态 雷诺试验揭示出粘性流体有两种性 质不同的流态 层流、湍流 §9.1 粘性流体的两种流动状态 雷诺实验 实验装置 颜料 水箱 玻璃管 细管 阀门 雷诺实验(续) 实验现象 过渡状态 紊流 层流 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。着色流束为一条明晰细小的直线。 湍流（紊流）：流体质点作复杂的无规则的运动。着色流束与周围流体相混，颜色扩散至整个玻璃管。 过渡状态：流体质点的运动处于不稳定状态。着色流束开始振荡。 §9.1 粘性流体的两种流动状态 §9.1 粘性流体的两种流动状态 雷诺实验(续) 实验现象(续) §9.1 粘性流体的两种流动状态 2.两种流动状态的判定 a、实验发现 b、临界流速 ——下临界流速 ——上临界流速 层 流： 不稳定流： 紊 流： 流动较稳定 流动不稳定 §9.1 粘性流体的两种流动状态 2、两种流动状态的判定（续） c、临界雷诺数 层 流： 不稳定流： 紊 流： ——下临界雷诺数 ——上临界雷诺数 工程上常用的圆管临界雷诺数 层 流： 紊 流： 雷诺数 §9.1 粘性流体的两种流动状态 二、湍流的基本特征（时均值、脉动值） 1. 紊流流动 流体质点相互掺混，作无定向、无规则的运动，运动在时间和空间都是具有随机性质的运动,属于非定常流动。 §9.1 粘性流体的两种流动状态 2.时均值、脉动值 在时间间隔?t 内某一流动参量的平均值称为该流动参量的时均值。 瞬时值 某一流动参量的瞬时值与时均值之差，称为该流动参量的脉动值。 时均值 脉动值 二、湍流的基本特征（时均值、脉动值）（续） §9.1 粘性流体的两种流动状态 §9.1 粘性流体的两种流动状态 3.时均定常流动 空间各点的时均值不随时间改变的紊流流动称为时均定常流动，或定常流动、准定常流动。 二、湍流的基本特征（时均值、脉动值）（续） §9.1 粘性流体的两种流动状态 §9.2 圆管中充分发展的层流流动 切应力与速度分布（用于一维稳态不可压缩充分发展层流流动） (5-16) (5-17) 最大流速、平均流速、圆管流量、阻力系数与 流动损失 1. 最大流速 管轴处: 2. 平均流速 3. 圆管体积