工程流体力学第四章 流动阻力和能量损失.pptVIP

第四章 流动阻力和能量损失  一、流动阻力损失分类及计算 1 沿程水头损失：沿流程产生的损失  2 局部水头损失：流体流过局部构建物时产生的阻力损失 3 总阻力损失： 沿程阻力系数 和局部阻力系数 的计算求解是解决问题的关键 二、层流、湍流及雷诺数 雷诺实验： 雷诺于1883年在类似于右图的实验装置上进行了流动实验。 实验结果表明，流体流动有两种不同的流动状态： 1 层流 定向、不混杂、层状的流动 如右图（a）所示 2 湍流 横向、混杂、不规则的流动如右图（c）所示 3 过渡状态 水的流动出现了不规则的摆动，不再继续保持直线流动 如右图（b） 所示 4 流速与沿程阻力关系 在雷诺实验装置上，流速由小变大，得到如 右图所示的流速与沿程阻力损失关系曲线 OABDE：流速由小变大、EDCAO：流速由大变小 其中AD部分不重合。 B点流速即上临界流速，A点下临界流速。 AC段和BD段试验点分布比较散乱，是流态不稳定的过渡区域。 进一步实验表明：上临界流速是不稳定，随着流动的起始条件和实验条件的扰动程度不同，有很大差异；但是下临界流速却能保持相对稳定，波动较小。 在实际工程中，扰动普遍存在，因此，上临界流速没有实际意义。一般所指的临界流速即是下临界流速。 5 雷诺数 雷诺等人进一步实验研究表明：流动状态不仅和流速有关，还和管径、流体的动力粘滞系数和密度有关。即流态既反映管道中流体的特性，同时也反映管道的特性。 由以上四个参数可组合成一个无因次数，用Re表示，称做雷诺数。 4 流态判别标准 实验表明：尽管当管径或流动介质以及外界条件不同时，临界流速不同，但临界雷诺数却是相同的，大小约为2000～2300，工程中常取为2000。即 ： Re2000 层流 Re2000 湍流 5 流态分析 层流和湍流区别： 层流：各流层间互不掺混，只存在各流层间的滑动摩擦阻力 湍流：有涡体动荡于各流层之间，除粘性阻力外，还存在惯性阻力 涡体形成 （1）流体具有粘滞性，流体流动时，流层间产生摩擦切应力，流速较快的层产生沿流动方向的切应力；流速慢的层产生与流向相反切应力，这两力作用下，选定的流层或微团构成力矩，促成涡体产生。 （2）由于某种干扰，流层发生波动，在波峰断面压缩，流线较密，流速增大，压强降低；在波谷过流断面增大，流线稀疏，流速减小，压强增大。因此流层受到压差作用，发展成涡体。如下图所示： 涡体脱离、掺混 涡体形成后，一侧的旋转切线速度与流动方向一致，故流速较大，压强较小。而另一侧与流动方 向相反，流速较小，压强较大。在两侧压差作用下，脱离原来位置，将由一层转到另一层，形成 涡体的脱离。 脱离的涡体与其它流层、微团或别的涡体进行摩擦、碰撞，形成湍流的掺混现象。 层流与湍流 当流体粘性的稳定作用起主导作用，扰动就受到阻滞而衰减，层流就稳定。 当扰动占上风，粘性的稳定作用无法使扰动衰减下来，流动便变为湍流。 流动呈现什么流态，取决于起扰动作用的惯性和起稳定作用的粘性相互争斗的结果。 雷诺数之所以能判别流态，是因为它反映了惯性力和粘性力的对比关系： 因此，在进行阻力计算时，区分层流和湍流是很有必要的。 三、层流沿程阻力系数确定 1 圆管层流运动均匀流方程 右图圆管均匀流： 受力分析 整理得： 二式比较得： 式中 —单位长度沿程阻力损失，称为水力坡度； 2 圆管过流断面切应力分布 如取半径为r的同轴圆柱形流束来讨论，可类似地求得管内任一点轴向切应力与水利坡 度之间的关系： 由于圆管内流体流动为恒定均匀流，断面上的压力分布满足静压分布，因此，同轴流 束的水力坡度与总流的水力坡度相等，即J= 。 比较可得： 圆管均匀流过流断面上切应力与半径成线性关系，轴线最小为零，管壁达最大值。 3 圆管层流运动速度分布 圆管层流是有规则的流动，除了微观分子间的干扰外，流层之间互不掺混，可视为无数无限薄的圆筒层，一个套着一个地相对滑动。由于流体具有粘滞性，认为流动切应力满足牛顿内摩擦定律. 即： 与均匀流方程比较得：