[理学]流体力学课件4章.ppt

p111例4-9：水箱水深H，底部有一长为L，直径为d 的圆管，如图。管道进口为流线型，进口水头损失可不计，管道沿程阻力系数λ设为常数。若H、d、λ给定， (1)什么条件下Qv不随L而变？ (2)什么条件下通过的流量 Qv随管长加大而增加？ (3)什么条件下通过的流量 Qv随管长加大而减小？ 列水箱水面与管道出口断面的能量方程 解： (1) 流量不随管长L而变，可令 可得 即 这就是管长与流量无关的条件。 （2）流量随管长的加大而增加 （3）流量随管长的加大而减小 即 即 平均流速等于最大流速的一半。 比较（4-3-9）和（4-3-10）可得 （4-3-11） 由（4-3-10）得 （4-3-12） （4-3-12）式从理论上证明层流沿层损失与平均流速的 一次方成正比，这与前述的实验结果一致。 第四章 式（4-3-11 ）是判别流动是否是层流的重要依据。 圆管均匀层流的流量 Q （*） 从式（*）看出，均匀层流的流量与管径的四次方成比例，管径的大小显著地影响着流量。 人体血管中血液的流动是层流，当由于胆固醇增高等原因使血管的过流断面减小时，会引起血流量的明显不足。 第四章 沿程损失 式中： ——沿程阻力系数。 适用范围：只适用于均匀流情况，在管路进口附近无效。 （4-3-13） 例题p98，例4-4，例4-5 圆管层流的沿程阻力系数仅与雷诺数有关，而与管壁粗糙度无关。 物理意义： 第四章 在计算hf时，若管长l l’，则不考虑起始段，否则要加以考虑分别计算。 l r0 d B A 建成层流段 起始段 层流边界层 ? 起始段长度l’:从进口速度接近均匀到管中心流速到达最大值的距离。 且 圆管流的起始段 式中?、A随入口后的距离而改变。 第四章 1、圆管层流的切应力、流速如何分布？ 2、如何计算圆管层流的沿程阻力系数？该式对于圆管 的进口段是否适用？为什么？ ；否；非旋转抛物线分布 3、为什么圆管进口段靠近管壁的流速逐渐减小，而中心点的流速是逐渐增大的？ 连续性的条件的要求：流量前后相等（流量的定义） 作业 p126，4-2，4-3，4-9 第四章 §4—4 紊流运动的特征和紊流阻力 第四章 紊流的特点：运动无序，耗能性，扩散性。 紊流或称湍流，是自然界和工程中常见的流体运动。 紊流的研究水平标志着水力学、流体力学的发展水平。 由于紊流的复杂性，自雷诺试验算起至今的一百 多年，经过世界各国科学家的不断努力，虽然取得 了很多重要的成果, 但还不能满足工程发展的需要。 紊流主要有两种理论：统计理论和半经验理论。 统计理论—用较严格的概率统计方法，着重水流的 脉动结构； 半经验理论—是通过对水流结构作出某些假定后， 着重研究时均流动规律。 我们在这一节介绍剪切紊流的半经验理论的一 些基本知识。 第四章 紊流的形成过程 从液流内在结构来看，层流与紊流的根本区别在于： 在层流中各流层的液体质点互不掺混，有比较规则 的“瞬时流线”存在；而在紊流中有大小不等的涡体震 荡于各流层之间，互相掺混。 层流向紊流转化，有两个必不可少的条件： （1）涡体的形成； （2）形成后的涡体，脱离原来的流层或流束， 掺入邻近的流层或流束。 第四章 涡体的形成以两个物理现象为基本前提： 第一是液体具有粘滞性，这是内因； 第二是水流由于外界的干扰和来流中残存的扰动， 这是外因； 粘滞性是对相对运动表示抵抗的一种性质。 (a) 图示的切应力有构成力矩并促使涡体的产生。 第四章 (a) (b) (c) (d) 第四章 涡体产生后，涡体中旋转方向与水流流速方向 一致的一边流速变大，压强变小；旋转方向与水 流流速方向相反的一边流速变小，压强变大涡体 两边的压差形成了涡体的升力见图4—12。 图4—12 第四章 紊流运动要素的脉动现象及其时均化的概念 紊流的基本特征在于其具有随机性质的涡漩结构以及这些涡漩在水流内部的随机运动，从而引起流速、压强、温度等的脉动。各种不同尺度的涡漩充满着整个紊流。 在这种流体中，各空间点的流速的数值和方 向不断发生变化。 如果用瞬时流速仪测量紊流中任意一空间流速 值，则在示波仪记录纸上将显示如 图4—13(a)所 示的曲线，流速的数值极其紊乱，似乎毫无规 律可循。 第四章 流速随时间的这种变化称做为流速的脉动。 瞬时压强在示波仪上记录的曲线瞬时流速曲线基本相同, 见图4—13（b）。 第四章 图4—13 第四章 时间平均流速：流体质点的瞬时速度始终围绕着 某一平均值而不断跳动（即脉动）