第1章流体与其主要物理性质.ppt

二、紊流的脉动和时均化现象 脉动 通过雷诺实验可知，当ReRecr时，管中紊流 流体质点是杂乱无章地运动的，不但u 瞬息变化，而且， 一点上流体p 等参数都存在类似的变化，这种瞬息变化 的现象称脉动。层流破坏以后，在紊流中形成许多大大 小小方向不同的旋涡，这些旋涡是造成速度脉动的原因。 特征：紊流的u 、p 等运动要素，在空间、时间上 均具有随机性质，是一种非定常流动。 紊流运动要素的时均化 紊流的分析方法——统计时均法。如图所示。观测时间足够长，可得出各运动参量对时间的平均值，故称为时均值，如时均速度、时均压强等。 ux ux ux t 时均速度：瞬时速度在时 间周期T内的平均值 脉动速度 时均化法说明： 时均周期 T 的取值： 使时均值与真实值相差太远，脉动变化的影响无法显示。 T 不能太大： T 不能太小： 时均值与真实值很相近，脉动无法消除，时均化的意义不大。 脉动值的时均值： 紊流是非恒定的，但其时均值可以是恒定的。 三、紊流的附加剪应力 对层流： 对紊流： 由Prantl的动量传递理论： 其中 τ1 —由相邻两流层间时均速度差所产生的粘性阻力 τ2 — 由脉动引起的紊流附加切应力 对于紊流，τ2 ??τ1 ，则 由Prantl的混合长度理论： —— 建立了脉动值与时均值的关系 四、园管紊流的速度分布 紊流运动中，由于流体涡团相互掺混，互相碰撞，因而产生了流体内部各质点间的动量传递；动量大的流体质点将动量传递给动量小的质点，动量小的流体质点牵制动量大的质点，结果造成断面流速分布的均匀化。 ——对数或指数分布规律 r0 r u umax 紊流中的速度分布 五、紊流流道壁面的类型 紊流区域划分为： 过渡区 过渡区（层流?紊流） 紊流核心区 ? — 管壁的绝对粗糙度 ?/d — 管壁的相对粗糙度 ?0 — 层流边界层厚度 层流底层 层流底层 过渡区 紊流核心区 层流底层 ?0 ? 管壁 流体处于“水力光滑管”区，壁面为水力光滑面。 流体处于“水力粗糙管”区，壁面为水力粗糙面。 流体介于“水力光滑管”区与“水力粗糙管”区之间，为过渡粗糙区，壁面为过渡粗糙面。 当?0＞? 时， 当?0＜? 时， 当?0 与? 相当， 注意 水力光滑面和粗糙面并非完全取决于固体边界表面本身是光滑还是粗糙，而必须依据粘性底层和绝对粗糙度两者的相对大小来确定，即使同一固体边壁，在某一雷诺数下是光滑面，而在另一雷诺数下是粗糙面。 六、 圆管紊流中的水头损失 紊流中的水头损失 区别： 层流 紊流 是一个只能由实验确定的系数。 所以，计算紊流 的关键是确定 。 第五节 紊流的沿程水头损失 一、尼古拉兹实验 确定阻力系数λ与雷诺数Re及相对粗糙度Δ/r 之间的关 系，具体关系要由实验确定，最著名的是尼古拉茨于1932～ 1933年间做的实验。 方法： ① 人为造出六种不同的相对粗糙度的管； ② 对不同的管径通过改变流量来改变雷诺数； ③ 测出沿程阻力损失，由 求阻力系数λ. 尼古拉兹试验曲线 层流区： Re＜2000 1.5 30.6 60 126 252 3.0 6.0 0.2 5.0 4.0 0.4 0.6 0.8 1.0 层流区 圆管流动沿程水头损失系数的尼古拉兹试验曲线 尼古拉兹试验曲线 第一过渡区（层流?紊流）： Re＝2000～4000 1.5 30.6 60 126 252 3.0 6.0 0.2 5.0 4.0 0.4 0.6 0.8 1.0 过渡区 层流区 圆管流动沿程水头损失系数的尼古拉兹试验曲线 尼古拉兹试验曲线 紊流的“水力光滑管”区： 1.5 30.6 60 126 252 3.0 6.0 0.2 5.0 4.0 0.4 0.6 0.8 1.0 过渡区 光滑管 层流区 圆管流动沿程水头损失系数的尼古拉兹试验曲线 尼古拉兹试验曲线 第二过渡区（“水力光滑管” 区 ? “水力粗糙管”区 ）： 过渡粗糙区 1.5 30.6 60 126 252 3.0 6.0 0.2 5.0 4.0 0.4 0.6 0.8 1.0 过渡区 光滑管 层流区 尼古拉兹试验曲线 紊流的“水力粗糙管”区（阻力平方区）： 过渡粗糙区 1.5 30.6