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工程流体力学1343
第四章 流体运动的流态与水头损失 图4-10给出管道紊流中粘性底层和紊流核心区示意图。粘性底层的厚度在紊流流动中非常薄,通常只有十分之几毫米,然而这一薄层的厚度对紊流阻力和水头损失的影响是重大的。 令 又引入式(4-13’)计算沿程水头损失的达西公式 : 由于实际固体边界表面是粗糙不平的,故将粗糙表面的凸出高度定义为绝对粗糙度,用Δ表示。 p* College of Water Resources and Hydropower, Wuhan University Shehua HUANG 武汉大学水利水电学院 April, 2013 第五节 紊流的结构及沿程水头损失 系数的实验研究 一、紊流核心区和粘性底层 根据大量的实验观察,在同一有效截面范围内,紊流质点的紊动强度并不到处是一样的。在紧贴固体边界附近有一层极薄的薄层,因为受边壁的限制,该薄层内流体的流速沿边壁的法线方向由零迅速增大到一个有限值,流速梯度很大,粘性摩擦切应力起主要作用,流体质点的紊动强度很小,紊流附加切应力可以忽略。这种紧贴边壁附近的薄层称为粘性底层。在这个粘性底层以外的大部分区域,流体质点的紊动强度较大,紊流附加切应力起主要作用,这个区域称为紊流核心区,或称紊流流核。 在紊流中,靠近固壁处, ①脉动流速很小; ②平均场速度梯度较大。 结果:附加切应力及其平均值极小,可忽略,而粘性切应力起主导作用。于是在粘性底层中,0,切应力与层流相同,即 图4-10 管道紊流的流动结构 即认为粘性底层中流速分布呈线性,代入粘性底层的切应力公式: 令 称为摩阻流速(摩擦切应力的另一种表示,因有流速的量纲,故谓之) 则上式变为: 尼古拉兹通过测量 和 ,得结果 (4-46) 考虑式(4-12),有管壁切应力 表示的沿程水头损失 : 可得管壁切应力 (4-47) 再由式(4-39)并代入式(4-46)可得粘性底层厚度的计算表达式: (4-48) 式(4-48))表明,粘性底层的厚度与雷诺数成反比,当直径不变时,雷诺数越大,则紊动越激烈,粘性底层的厚度就越薄。 这样,可依据粘性底层的厚度与绝对粗糙率Δ的关系,将实际壁面的作用分为三类: ①Δ时,粘性底层完全淹没了壁面粗糙度,故粗糙度对紊流不起直接作用,这时边壁对水流的阻力,主要是粘性底层的阻力,且这种阻力的大小与Δ的大小基本无关。所以从水力损失观点看,这种粗糙表面与光滑表面是一样的,故叫做水力光滑面。 ②Δ时,粗糙表面突出部分伸入紊流区域,高速紊流核心流绕过凸出高度时,形成许多小漩涡,造成能量损失,故此时的水力损失主要由这些小漩涡造成,而粘性底层的粘性力仅占很少部分,可以忽略,这时的粗糙表面就叫做水力粗糙面。 ③介于上述两种情况之间的情形,即≈Δ时,粗糙表面叫水力过渡粗糙面。 * 注意:由于随Re而变化,故对同一固体界面(即Δ一定时),不同的Re数,可能对应不同的粗糙表面特性(水力损失意义上的),即可能是上述三种水力表面类型的任何一种。 二、尼古拉兹实验及沿程损失系数变化规律 第三节从理论上给出了层流流动中流速分布,并在此基础上求出了层流沿程水头损失系数的计算公式。然而,由于紊流的复杂性,管壁的粗糙度又各不相同,紊流流动的沿程水头损失的计算没有较完善的理论公式。目前对紊流流动中的沿程水头损失和沿程水头损失系数的理论探索进展不大。关于沿程水头损失的实验研究,目前解决得比较好的和应用比较广的是尼古拉兹实验。在1930年前后,尼古拉兹对圆管流动中的沿程水头损失做了许多实验研究,比较典型地揭示了沿程水头损失系数的变化规律。 由式(4-41)的对数流速分布公式可见,在紊流区域,流速分布符合对数规律,即 但其中的常数C1无法由边界条件确定。仍需用试验办法确定,是尼古拉兹首先做了这个工作,他在管壁上贴均匀砂,形成人工砂粒粗糙管,得到C1=5.5。于是: ① 对水力光滑管:(多半经验的结果) ② 对水力粗糙管:(试验发现ux与ν无关,即与粘性力无关,而与绝对粗糙度Δ有关,多半经验的结果) ③ 对过渡粗糙管:非常复杂,且不管它。 * 上述公式说明:粘性底层与实际表面粗糙度之间的关系能够影响紊流的速度分布,从而影响水头损失规律。 * 注意:上述对数公式是针对圆管紊流得出的,但也同样适用于明渠紊流时,可能某些常数稍有差别,但一般就不用改变,可以使用这些公式。 根据 (4-47)式,即 结合以上尼古拉兹实验得到的对数流速公式,整理得到紊流沿程阻力系数λ的半经验性计算公式 : 1 水力光滑时: 称为尼古拉兹光滑管半经验公式; 2 水力粗糙时: 称为尼古拉兹粗糙管半经验公式; * 著名的尼库拉兹圆管流动(层流和紊流)的沿程阻力系数试验资料如图4
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