第三章-管路-孔口和管嘴的水力计算(1).ppt

第三章管路、孔口、管嘴的水力计算一、粘性流体的两种流动状态二、管路的水力计算三、管路中的水击四、孔口与管嘴出流第一节粘性流体的两种运动状态一、雷诺实验：二、流态的判别一般以下临界雷诺系数Rec作为层流、湍流流态的判别标准。Rec2320时，管中是层流。Rec2320时，管中是湍流。对于非圆形截面之过流，实验结果仍然成立，只是计算雷诺数时，对于非圆形断面的管道，常以当量直径de进行计算。第二节流动阻力及能量损失的两种形式1、沿程阻力与沿程损失2、局部阻力与局部损失粘性流体流经各种局部障碍装置如阀门、弯头、变截面管等时，由于过流断面在局部地区发生急剧变化，从而引起速度的大小和方向也发生急剧变化，质点间进行动量交换而产生的阻力称为局部阻力。流体为克服局部阻力而损失掉的机械能称为局部损失。第三节圆管的层流运动及其沿程损失工程技术中常有层流现象出现，如石油输送、地下水渗流、液压传动与机械润滑等。本节只讨论是不可压缩粘性流体在等截面水平直圆管中的定常层流运动及其沿程损失。一、运动微分方程二、速度分布：三、流量与断面平均速度四、切应力：五、动能及动量修正系数六、沿程阻力与沿程水头损失*结论:由以上讨论可以得出，层流运动的沿程阻力损失与平均流速的一次方成正比，其沿程阻力系数只与Re有关.第四节圆管中的紊流及其沿程损失3、圆管湍流流动区域的划分管中紊流的流动可划分为三个流动区域：4、水力光滑与水力粗糙二、紊流切应力及其分布只限于圆管内的定常紊流。1、紊流中的切应力3、切应力分布如同圆管层流一样，在圆管的定常时均紊流中分出一个半径为r，长度为L的圆柱段，沿管轴方向作用着压力及切应力三、管中紊流速度分布引进从管壁算起，垂直壁面指向管轴的y坐标轴，则y=R-r则圆管紊流运动微分方程变为：四、平均速度由断面平均速度的定义：五、沿程水头损失在上、下游断面间列伯努利方程，类似于层流：作业：3-13-3真实紊流=时均紊流+脉动紊流其中：?2.紊流的半经验理论-普朗特混合长理论普朗特混合长度理论是最基本的一种寻求雷诺应力与平均流速关系的半经验理论。普朗特混合长度理论假设微团垂向移动l′后，进入并与相邻流层混合，类比于分子运动的自由程。在圆管的时均紊流中，分出一个半径为r流体圆柱。由于横向脉动速度，经圆柱侧面不停地有流体微团的进出，根据连续性要求，进出圆柱体的流团只能质量对等地交换，但由于从圆柱体内流出的流团轴向速度大于流进圆柱体的流团轴向速度，所以圆柱体轴向动量将减少，根据动量定理，在圆柱体侧面上必作用着和流动方向相反的外力----由脉动引起的摩擦力，即雷诺应力。下面建立雷诺应力与时均流场之间的关系。如图所示，原来具有轴向时均速度V的流体微团，由于横向脉动穿过柱体侧面潜入柱体内能达到的距离假设为l′，来到轴向时均速度为的地方，同时发生流团交换。，表示流出圆柱侧面流团的横向脉动速度；表示单位时间内带出圆柱侧面单位面积的流体质量；表示单位时间内由于穿过此单位面积的流团交换所引起的圆柱轴向的动量减少值。根据动量定理：混合长度，是流团与周围紊流掺混之前在垂直管轴方向所走的距离。下面将与时均流速V联系起来。则时均紊流的总切应力为：雷诺应力代表的紊动混掺作用的结果总是使时均流动在整个断面上更加均匀化，这一点是与粘性应力的作用相同的。由于是定常流动，故诸力平衡：可见切应力沿管半径方向类似于层流，也是按直线规律分布的，呈“K”字分布。圆管紊流的运动微分方程（*）在层流底层区内，可忽略积分上式并利用边界条件：y=0时V=0，定出积分常数后，得下列速度分布：可见在层流底层内，速度V与y成线性分布，这是层流速度分布的抛物线规律在层流底层中的近似结果。将过渡区也包括在紊流核心区中讨论。在紊流核心区中，很小，可忽略，则式（*）变为：（*）积分该式说明：在紊流核心区，速度V与y成对数关系，称为紊流速度的对数分布规律。式中的常数C对水力光滑管和水力粗糙管取值不同。对水力光滑管，速度分布为：对水力粗糙管，速度分布为：层流流速分布紊流流速分布对相同流量下圆管层流和