第5章 粘性流体流动.ppt

第五章 粘性流体流动 五、紊流流动中沿程损失的计算 功率损失（单位时间流体的能量损失） 在紊流状态下，流体质点以无规则的相互混杂的形式流动，所以紊流实际上是不稳定流，流体质点的流速随时间不断变化。 §5.6 圆管中的紊流运动 一、紊流脉动现象与时均化 紊流 ： 随机的三维非定常有旋流动 脉动现象： 流动参数的变化称为脉动现象 时均速度 脉动速度 瞬时速度 同理 为书写方便起见，常将时均值符号上的“一”省略 在研究和计算紊流流动问题时，所指的流动参数都是时均参数 我们把时均参数不随时间而变化的流动，称为准定常紊流。 二、紊流中的切向应力 由于流体的黏性，各相邻流层之间时均速度不同 由于流体有横向脉动速度，流体质点互相掺混，发生碰撞，引起动量交换，因而产生附加切应力 摩擦切向应力 附加切向应力 紊流中的切向应力 在管道中心处，流体质点之间混杂强烈， 起主要作用， 略去不计 在接近管壁的地方 起主要作用， 略去不计； 三、水力光滑管和水力粗糙管Δ 紊流中，并不是所有流体质点都属于紊流流动，而是靠近管壁是层流边层，往里是过渡层，中间是紊流区（流动的核心）。层流边层的厚度 随Re的增大而减小，经验公式： 1.紊流状态的结构 层流底层的厚度取决于流速的大小 流速越高——Re数越大——层流底层的厚度越薄 流速越低——Re数越小——层流底层的厚度越厚 水力粗糙管 δl 0.3Δ 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。 0.3Δ δl 5Δ时，是二者的过渡区 绝对粗糙度(Δ)：管壁粗糙凸出部分的平均高度 相对粗糙度 ： Δ /d 2．“水力光滑管”和“水力粗糙管” 水力光滑管 δl＞ 5Δ 四、圆管中紊流速度分布 层流底层中的速度是按直线规律分布 紊流的核心区速度是按对数规律分布的，在核心区速度分布的特点是速度梯度较小，速度比较均匀 这是由于紊流时质点脉动掺混，动量交换强烈的结果。 紊流中过流断面上的平均流速v与最大速度umax的比值为 紊流的流速分布 * SDUST—FLUID MECHANICS AND FLUID MACHINERY * 1.流动阻力的分类Δ 2.粘性流体的两种流态Δ 3.圆管中的层流运动Δ * 4.圆管中的紊流运动 §5.1 流动阻力的分类 一、沿程阻力及沿程损失： 沿程阻力：是指流体在过流断面沿程不变的均匀流道中所受的流动阻力。也就是发生在缓变流整个流程中阻力。 原因：是由于粘性造成的摩擦阻力。 沿程水头损失hf ：液流因克服沿程阻力而产生的水头损失。 达西公式 式中 ： ——沿程阻力系数(无量纲) ——管子有效截面上的平均流速 L ——管子的长度 d ——管子的直径 沿程损失： 二、局部阻力及局部损失 局部阻力：是指流体流过局部装置（如阀门、弯头、断面突然发生变化的流道等）时，流道边界形状急剧变化，即是发生在急变流中的阻力。 局部水头损失hj：液流因克服局部阻力而造成的水头损失。 ——局部损失系数(无量纲) 一般由实验测定 局部水头损失 ζ/Zeta / 局部阻力产生的原因 液流速度重新分布，产生能耗； 产生旋涡，粘性力做功产生能耗； 流体质点混掺，产生动量交换，消耗能量。 局部水头损失计算公式 其中：ζ为局部水力 摩阻系数 也可表示成为： 其中：l当为当量长度 三、总能量损失： §5.2 粘性流体的两种流态 水流因流速的不同，有两种不同的流态——层流、紊流（湍流）。由此导致流体在流动过程中： 断面速度分布规律不同 阻力损失规律不同 因此，要讨论水流流动时的速度分布及阻力损失规律，必须首先对水流流态有所认识并加以判别—雷诺（Reynolds）实验。 一、雷诺实验 1883年，雷诺（Reynolds）通过实验揭示了不同流态的流动实质。实验装置如图所示。 1.实验装置 颜料 水箱 玻璃管 细管 阀门 液面高度恒定——保证v 恒定. 水温恒定——保证 = c. 2.实验条件 当流速较小时，各流层流体质点互相平行前进，质点间互不干扰，没有横向位置的交换。流动状态主要表现为质点摩擦——层流流态。 层流到紊流的中间过渡状态称为临界