（精）工程流体力学第4章_流体在圆管中的流动.ppt

? 湍流实验是认识湍流的重要工具，湍流研究也促进了流体力学实验技术的发展； ? 流场显示技术（氢气泡技术，激光诱导荧光技术等）和湍流场的精细定量测量技术（粒子图像测速法等）相结合，可以获得既直观又可靠的湍流场信息 1.阿里特苏里公式： 2.谢维列夫公式 对于新钢管： 水力光滑区 过渡区（ ） 湍流是流体力学中公认的难题。自从19世纪末O.Reynolds 提出湍流的统计理论以来，已经有一个多世纪了，经过几代科 学家的努力，湍流研究取得了很大的进展。 4.3 圆管中的湍流流动 湍流流动，亦称紊流流动。湍流运动实质是一种非恒定流动。 ?湍流是流体的不规则运动，由此发展的经典湍流统 计理论，在上个世纪三四十年代曾取得辉煌的成绩。 Prandtl (1925) 提出的混合长理论； von Karman (1930) 建立的相似模型； 周培源先生（1940）首先建立了雷诺应力满足的输 运微分方程，是湍流模型理论的奠基性工作。 上世纪60年代非线性动力学系统理论和混沌 理论的发展为解决湍流问题提供了一些新思路。 但是，湍流是包含多种尺度以及多尺度间能 量传递和耗散过程的复杂系统，混沌与完全 发展的湍流之间还存在相当距离。 ? 湍流中大涡拟序结构对于湍流生成和发展具有主宰的作用； 抑制或消除大涡结构可能抑制整体的湍流强度，甚至使流动 层流化； 利用控制湍流拟序结构来控制湍流取得了显著的成就，例如，湍流减阻和降低噪声。 1 旋涡产生的条件： 2 形成旋涡的力学原因 4.3.1 时均流动与脉动 湍流：本质上是随机的三维非定常有旋运动。 具有随机性质变化的曲线，在足够长时段T内，呈现出围绕 某一“平均值”而上下变动（或摆动）的现象，称为运动参数 的脉动或脉动现象。 研究湍流的方法是统计时均法，研究某一时间段内的 湍流时均特性。 用公式表达： 脉动速度有正有负。但是在一段时间内，脉动速度的平均值为零。 推而广之，如果对于湍流中具有脉动性质的任意物理 量W进行在T时间段内的时均化处理，则 称为湍流物理量W在一点上的时均值。 ，代入上式，得 有 即脉动量的时均值 运用时均统计法就将湍流分为两个组成部分：一部分是用时均值表示的时均流动；另一部分是用脉动值表示的脉动运动。时均流动代表运动的主流，脉动反映湍流的本质。 混合长度理论 问题：紊流的瞬时速度、时均速度、脉动速度、断面平均速度有何联系和区别？ 瞬时流速 u，为某一空间点的实际流速，在紊流流态下随时间脉动； 时均流速 ，为某一空间点的瞬时速度在时段T内的 时间平均值； 脉动速度u＇与时均速度的叠加等于瞬时速度； 断面平均速度v，为过流断面上各点的流速（紊流是时均速度）的断面平均值。 4.3.3 湍流的速度分布 1、粘性底层（层流底层） （1） 很大，满足牛顿内摩擦定律； （2）粘性底层的厚度δ很小。 2、湍流核心 （1） 很小； （2）区域大。 3、 过渡层—有时可将它算在湍流核心的范围。 速度接近平均速度。 速度分布 粘性底层δ0 紊流 粘性底层厚度 可见，δ0随雷诺数的增加而减小。 当Re较小时， 水力光滑壁管 当Re较大时， △ δ0 △ δ0 水力粗糙壁管 直线 对数关系 4.4 管路流动的沿程阻力 4.4.1 尼古拉兹实验 4.4.2 莫迪图 结论： 一、沿程阻力系数及其影响因素分析 二、沿程阻力系数测定和阻力分布图 尼古拉兹实验 层流 紊流光滑区 紊流过渡粗糙区 紊流粗糙区 工业管道紊流阻力系数的计算公式 管流的沿程损失 ` 当2000Re4000时称为临界区或临界过度区： 紊流区包括水力光滑区、过渡区（又称紊流过渡区）和阻力平方区： 工程中，还常采用适合于一定管材，一定阻力区的专用公式： 在层流区： 对于新铸铁管： 水力光滑管（ ） 过渡区（ ） 阻力平方区（ ） 上述诸式 K1---考虑实验室和实际安装管道的条件不同的系数，取K1=1.15； K2---考虑由于焊接接头而使阻力增加的系数，取K2=1.18。 谢维列夫建议的适用铸铁管 紊流三个区的综合公式为： 根据新铸铁管的实际资料，上式可写成： 实际工程中，各种流体输配管网的流动状态有明显差别，雷诺数范围不相同。这就造成同一基本原理下，不能用统一的计算公式或图表计算各种流体输配管网的摩擦阻力。因此必须特别注意各公式和计算图表的使用条件和修正方法。 4.5 管路流动的局部阻力 管路的功用是输送液体，为了保证流体输送中可能遇到的转向、