工程流体力学 第6章 粘性流体管道内流动.pptx

教学内容第0章 绪论第1章 流体的主要物理性质第2章 流体静力学第3章 流体流动的基本方程第4章 旋涡理论和势流理论第5章 相似理论与量纲分析第6章 粘性流体管内流动第7章 粘性流体绕物体的流动第6章 粘性流体管内流动6.1 粘性流体中的应力分析理想流体—无粘性，无切向应力；实际流体—有粘性，存在切向应力，表现为阻碍流体运动的 摩擦力，消耗机械能。6.1.1 粘性流体中的应力 过A点垂直于x轴的作用表面上的应力τ可以分解为法向应力τxx和切向应力τt，切向应力τt又可分解为沿y和z方向的切应力τxy和τxz。A粘性流体中一点的应力状态： —由9个应力分量确定第6章 粘性流体管内流动6.1.2 切向应力互等定律（推导过程略）可以证明： 粘性流体中任意一点的应力状态只有6个是独立的，即3个互相垂直的法向应力和3个切向应力。6.1.3 广义牛顿内摩擦定律（推导过程略）牛顿摩擦定律：对于粘性为各向同性的流体，可以得到：第6章 粘性流体管内流动对不可压缩流体，有：理想流体的压强——作用在所取作用面上的法向应力粘性流体的压强——不是作用在所取作用面上的法向应力6.2 不可压缩粘性流体的运动微分方程 在运动着的不可压缩粘性流体中取微元六面体做受力分析，应用牛顿第二定律可得：（推导过程略）N-S方程第6章 粘性流体管内流动 管道流是工程上应用最广泛的流动。在所有管路中，圆管是最典型的。本章主要叙述流体在圆管中流动有截然不同的两种流动状态、判别的条件、速度分布和阻力因数。最后根据粘性流体伯努利方程进行管路计算，决定沿程损失和局部损失。6.3 粘性流体的两种流动状态 英国物理学家雷诺（Reynolds）在1883年经过实验研究发现，在粘性流体中存在着两种截然不同的流态。 第6章 粘性流体管道内流动6.3.1 雷诺实验 雷诺实验的装置如图所示。当管内保持较低的流速时，表明玻璃管中的水各层质点互不掺混，称这种流动状态为层流。第6章 粘性流体管道内流动 当逐渐加大玻璃管内流速到达某一上临界值 时，随着玻璃管内流速的再增大，颜色水与周围清水混合，使整个圆管都带有颜色，表明此时质点的运动轨迹极不规则，各层质点相互掺混，称这种流动状态为湍流。 从层流到湍流的转捩阶段称为过渡流，一般将它作为湍流的初级阶段。第6章 粘性流体管道内流动6.3.2 层流和湍流 1.临界雷诺数 实验结果发现，流动由层流至湍流的转变不仅仅取决于管内的流速，而是与以下这四个物理量：管内的平均流速V、圆管直径d、流体密度 、以及流体的黏度 组成的无量纲数有关，即： 这个无量纲数就称为雷诺数。由层流转变为湍流时的雷诺数称临界雷诺数，一般用Recr表示。实验得出，临界雷诺数 。 上临界下临界第6章 粘性流体管道内流动当 或 时，流动为层流；当 或 时，流动为湍流。 在工程的实际计算中，由于管路的环境较实验室复杂，一般临界雷诺数 取2000。 层流与湍流的区别运动学特性动力学特性层流1.质点作有规律的分层运动2.断面流速按抛物线分布3.运动要素无脉动现象1.流层间无质量传递2.流层间无动量传递3.单位质量能耗与流速1次方成正比。湍流1.质点互相参混作无规则运动2.断面流速按指数规律分布3.运动要素发生不规则脉动现象1.流层间有质量传递2.流层间有动量传递3.单位质量能耗与流速1.75~2次方成正比ba非圆管通道 第6章 粘性流体管道内流动2.非圆形管的雷诺数 在工程中经常用的过流断面不是圆截面的管路。 在雷诺数计算中要引用一个综合反映断面大小和几何形状对流动影响的特征长度de（当量直径）来代替圆管的直径d。第6章 粘性流体管道内流动式中 A——非圆截面的过流断面面积； X——过流断面上流体与管壁接触的周长，称 湿周。如矩形断面管子，当量直径为 第6章 粘性流体管道内流动6.4 管内流动的两种损失 不可压粘性流体的总流伯努利方程：hw——单位重量流体损失的能量。1.沿程（水头）损失 渐变流中由于流体微团、层间、流体与管壁间粘性摩擦引起的能量损失。 2.局部（水头）损失 管道中流体流经局部障碍时(急变流)，由于流动的速度、方向等急剧变化，流体微团间碰撞引起的能量损失。渐变流急变流均匀流非均匀流均匀流非均匀流均匀流急变流非均匀流急变流均匀流第6章 粘性流体管道内流动渐变流过流断面上的压强按静压强的分布规律：CDhfBAE12第6章 粘性流体管道内流动6.4.1 沿程水头损失 为研究不同流态下沿程水头损失的规律，在雷诺实验的装置中，分别在玻璃管的进口和出口断面处安装了测压管。 列1-1至2-2断面的伯努利方程，得沿程水头损失