层流紊流及其水头损失taog.ppt

减小管中流体运动的阻力有两条完全不同的途径： 一是：改进流体外部的边界，改善边壁对流动的影响； 如：管道进口 处改为圆滑入口； 突扩管制成台阶式； 对于弯管而言， R/d=1~4 之间； 配件之间合理衔接，应该先扩后弯，不能先弯后扩； 另一是在流体内部投加极少量的添加剂，使其影响流体运动的内部结构来实现减阻。 1、边界层（boundary layer）：亦称附面层 雷诺数很大时，粘性小的流体（如空气或水）沿 固体壁面流动（或固体在流体中运动）时壁面附近 受粘性影响显著的薄流层。 2、流场的求解可分为两个区进行 边界层内流动 必须计入流体的粘性影响 可利用动量方程求得近似解。 边界层外流动 视为理想流体流动，可按 势流求解。 ? 6.6 边界层概念和绕流阻力 6.6.1 边界层概念 1、边界层的描述 普兰特把贴近于平板边界存在较大切应力 ，粘性影响不能忽略的薄层称为边界层。 U? ? U? U? 粘性底层 层流边界层 紊流边界层 过渡区 边界层界限 xcr x y Ux Ux x 边界中的水流同样存在两种流态：层流和紊流。 6.6.2 边界层的厚度 边界层厚度?（boundary layer thickness）：自固体边界表面沿其外法线到纵向流速ux达到主流速U0的99%处，这段距离称为边界层厚度。 边界层的厚度顺流增大，即?是x的函数。 转捩点，临界雷诺数 转捩点：在x=xcr处边界层由层流转变为紊流的过渡点。 特点：临界雷诺数的大小与来流的脉动程度有关。 临界雷诺数： 临界雷诺数的范围： 边界层厚度 临界雷诺数并非常量，而是与来流的扰动程度有关，如果来流受到扰动，脉动强，流态的改变在较低的雷诺数就会发生。 层流边界层（laminar boundary layer）：当边界层厚度d较小时，边界层内的流速梯度很大，粘滞应力的作用也很大，这时边界层内的流动属于层流，这种边界层称为层流边界层。 紊流边界层（turbulence boundary layer）： 当雷诺数达到一定数值时，边界层中的层流经过一个过渡区后转变为紊流，就成为紊流边界层。 在紊流边界层内，最紧靠平板的地方，dux/dy仍很大，粘滞力仍起主要作用，其流态仍为层流，所以紊流边界层内有一粘性底层。 U? ? U? U? 粘性底层 层流边界层 紊流边界层 过渡区 边界层界限 xcr x y Ux Ux x 边界层分离（separation of boundary layer） ：因压强沿流 动方向增高，边界层内流体从壁面离开的现象称边界层分离。 若压强梯度保持为零时，即dp/dx=0 平板绕流的边界层分离 无论板有多长，都不会发生分离，这时边界层只会沿流向 连续增厚。 边界层迅速地增厚，压强的增大（流速减小）和阻力增大使边界层内动量减小，如两者共同作用在一足够长的距离，致使边界层内流体流动停滞下来，分离便由此而生，自分离点C起，边界流线必脱离边界，其下游近壁处形成回流（或涡旋），在分离点： dp/dx0 若压强沿程增大，即p2p1或梯度 dp/dx0 2、尾流 尾流：分离流线与物体边界所围的下游区域。 减小尾流的主要途径：使绕流体型尽可能流线型化。 1、边界层内是否一定是层流？影响边界层内流态的主要因素有哪些？ 否，有层流、紊流边界层；粘性、流速、距离 2、边界层分离是如何形成的？如何减小尾流的区域？ 因压强沿流动方向增高，以及阻力的存在，使得边界层内动量减小，而形成了边界层的分离。 使绕流体型尽可能流线型化，则可减小尾流的区域。 ? 边界层分离导致 绕流阻力 阻力D=摩擦阻力Df+压强阻力DP 升力L(向上) * 的推导 由动量方程可知：动量增量等于紊流附加切力?T产生的冲量，即： 由质量守恒定律得： 符号相反。 2、半经验理论（Prandtl L.） ——涡流粘度，是紊动质点间的动量传输的一种性质。?不取决于流体粘性，而取决于流体状况及流体密度。 紊流流速呈对数规律分布。 6.4 圆管紊流的沿程水头损失 1. 圆管紊流的沿程损失 对于圆管紊流，沿程水头损失hf可表示为 式中： u ：圆管中平均流速。 l ： 圆管长度。 d ： 直径，d=2r Re ：雷诺数。