管路流体Flowinpipes.PDFVIP

第八章、 管路流體 (Flow in pipes) 如第二章所述，流體在管路內產生流動的方法，若是由於管 路內有壓力降（pressure drop） ，例如普通水管内之流場， 此類流動稱之為波蘇拉（Poiseuille）流動。 本章將詳述 管路內流體因壓力降而產生之流場，速度分佈 (velocity profile) 、壓力降(pressure drop) 、及層流(laminar flow)與紊流 (turbulent flow)之物理現象。 層流及紊流 例如下圖之蠟燭火焰上之煙霧，可分為平滑之層流 (laminar) 區與紊亂之紊流 (turbulent)區。 154 同樣，流體中加入染劑，當流速小時，染劑之流動平滑且穩 定，此時流場稱為層流；當速度增加，將會產生一些速度之 混亂波動 (velocity fluctuation) ，此稱為轉換區(transition) ；當 速度增加夠大，速度之混亂波動變成非常不穩定，此時稱為 紊流(turbulent) 。除流體速度外，實驗證明當流體之黏滯力 大時，或管路直徑小時，流場較容易成為層流，故用一無因 次(non-dimensional) 之參數表示流場之混亂度。 雷諾數 (Reynolds number) 雷諾數定義如下： V L V L Re ave ave   其中 L 為一特徵長度(characteristic length) ，在管路流此長度 為圓管直徑 D 。雷諾數之物理意義為： 2 2 V L V L Inertial force Re ave ave  V 2 Viscous force ave  L L 當雷諾數低於 ~ 2300，流場為層流。 當雷諾數大於 ~ 2300 時，流場變為過度區，當雷諾數大於約 ~4000時流場變為完 全之紊流，速度分佈亦會改變，管路中心大部分區域流體速 度分佈較層流為平滑，而靠近邊界處流體速度變化很大，故 155 最大速度與平均速度之比值較層流為小。 水力直徑 (hydraulic diameter) 當管路非圓管時，流體之雷諾數中之管路直徑改以水力直徑 代替，其定義為： 4A D c h p 其中 Ac 為管路之截面積(cross-sectional area) ， p 為與流體 接觸之周邊(wetted perimeter) 。 管 路 之 進 口 區 (entrance region) 與 完 全 成 形 區 (fully-developed region) 流體剛流進管路時，速度分佈尚未有變化(flat velocity 156 profile) ，流場亦為非旋轉流場(irrotational flow) ，流進管路後 因流體與管路間之黏滯力造成邊界層 (boundary layer)產生與 增厚，邊界層增厚至管路半徑後不再增加，由管路進口到此 處之距離稱為『進口區』，自此以後流體之速度分佈不再改 變，此區稱為『完全成形區』。