液压流体力学第7章流体在管路中流动.ppt

 《液压流体力学》 第七章 流体在管路中的流动 概 述 流体在管路中的流动是工程实际当中最常见的一种流动情况。由于实际流体都是有粘性的，所以流体在管路中流动必然要产生能量损失。本章将主要讨论不可压缩流体在管路中的流动规律，其中包括流动状态分析，能量损失计算方法等，进而解决工程中常见的管路系统计算问题。 7.1 管路中流体流动的两种状态 一、雷诺试验 英国物理学家雷诺（Reynolds）通过大量的实验 研究发现，实际流体在管路中流动存在着两种不同 的状态，并且测定了管路中的能量损失与不同的流 动状态之间的关系，此即著名的雷诺实验。雷诺实 验装置如图7－1所示。 二、试验过程 实验过程中使水箱中的水位保持恒定。实验开始前 水箱中颜色水的阀门以及玻璃管上的阀门都是关闭 的。开始实验时，逐渐打开玻璃管出口端上的阀门， 并开启颜色水的阀门，使颜色水能流人玻璃管中。 当阀口开度较小，玻璃管中的速度较小时，颜色水保持 一条平直的细线，不与周围的水相混合，见图7－2a。 如果继续缓慢开大阀门，玻璃管中流动速度加快，可以 发现，在一定的流动速度范围内，水流仍保持层流状 态。当流速增大到某一值后，颜色水出现摆动现象，而 不能维持直线的状态，如图7－2b所示。这说明流体质 点出现了与主流动方向垂直的横向运动。若继续开大阀 门，流速增大到某一值时，摆动的颜色水线突然扩散， 并和周围的水流相混合，颜色水充满整个玻璃管，如图 7－2C所示。如果把阀门从大缓慢关小，即使玻璃管中 的水流速度由大逐渐减少测流动会从湍流逐渐过渡到层 流状态，使颜色水又恢复到一条平直的细线。 三、基本概念 1、层流：流体质点平稳地沿管轴线方向运动，而无横向运动，流体就象分层流动一样，这种流动状态称为层流。 2、湍流：流体质点不仅有纵向运动，而且有横向运动，处于杂乱无章的不规则运动状态，这种流动状态称为湍流。 3、上临界流速：由层流转变为湍流状态时的流速称为上临界流速vc’。 4、下临界流速：由湍流转变为层流时的流速称为下临界流速vc， 5、雷诺数 1）、对应于下临界流速vc的称为下临界雷诺数Rec， 对应于上临界流速vc’的称为上临界雷诺数Rec’。 实验测得Rec = 2320，Rec’ = 13800。 2）、雷诺数公式 3）、雷诺数的物理意义是作用于流体上的惯性力与粘性力之比。Re越小，说明粘性力的作用越大，流动就越稳定；Re越大，说明惯性力的作用越大，流动就越紊乱。 4）、水力半径R：某一非圆断面管道的过流断面面积A与液体相接触的过流断面润湿周界的长度l之比称为当量半径。 5）、水头损失 2．“光滑管”和“粗糙管” 从式（6-33）可知，层流底层的厚度 随着 的减小而增厚，当 时，则管壁的粗糙凸出的高度完全被层流底层所掩盖，如图6-16(a)所示。这时管壁粗糙度对流动不起任何影响，液体好象在完全光滑的管道中流动一样。这种情况下的管道称为“水力光滑”管，简称为“光滑管”。 当 时，即管壁的粗糙凸出部分突出到紊流区中，如图6-16(b)所示。当流体流过凸出部分时，在凸出部分后面将引起旋涡，增加了能量损失，管壁粗糙度将对紊流流动发生影响。这种情况下的管道称为“水力粗糙”管，简称“粗糙管”。 在这里需要说明的是，对同一绝对粗糙度 的管道，当流速较低时，其层流底层厚度 可能大于 ，当流速较高时，其层流底层厚度 可能小于 ，因此同一根管道，在不同的流速下，可能是光滑管也可能是粗糙管。 四、圆管中紊流有效截面上的切应力分布和速度分布 1．切应力分布 紊流在半径 的管内流动，轴向时均速度为 ，切向应力在管长为 的管段上产生的能量损失，即压强损失 。若用管壁上的切向应力 来计算，则 (6-35) 如果在二个有效截面之间取半径为 （ ）的流管，则流管表面上切应力 可表示为 (6-36) 因此，在有效截面上的切应力分布为 (6-37) 上式说明，紊流切向应力分布也与